Năm 2024 đánh dấu một cột mốc quan trọng khi các nhà nghiên cứu công nghệ chuyên sâu tìm cách vượt qua những giới hạn cố hữu của “bức tường diện tích” trong thiết kế chip. Với sự chậm lại của Định luật Moore, việc tăng diện tích khuôn chip liên tục trở nên kém khả thi do nhiều yếu tố, bao gồm kích thước mặt nạ và tỷ lệ sản lượng. Để giải quyết thách thức này, các nhà khoa học đã công bố phân tích của họ về những đột phá công nghệ trước đây trên tạp chí Fundamental Research, vạch ra một lộ trình phát triển mới cho ngành bán dẫn khi Định luật Moore dần đi vào quá khứ. Họ gọi đây là khái niệm “Big Chip” – con chip lớn. Chúng ta đang bước vào kỷ nguyên của Big Chip, một triết lý thiết kế đã bắt đầu hé lộ vài năm trước nhưng giờ đây đang thực sự thay đổi cách chúng ta nhìn nhận phần cứng PC và hứa hẹn những bước tiến vượt bậc trong tương lai.
Khám phá sâu hơn về Kiến trúc Big Chip
Big Chip đã hiện diện trong thực tế ra sao?
Vậy, Big Chip chính xác là gì? Đơn giản, nó là một con chip lớn hơn. Cụ thể hơn, theo định nghĩa của các nhà nghiên cứu đã đặt ra thuật ngữ này, Big Chip lớn hơn “diện tích phơi sáng tối đa của máy in thạch bản tiên tiến nhất hiện có”. Thiết kế của một con chip về cơ bản được in lên silicon thông qua công nghệ quang khắc (lithography), và khu vực in này chỉ có thể có kích thước nhất định. Điều này tạo ra một “bức tường diện tích”. Bạn có thể đóng gói nhiều bóng bán dẫn hơn trên một con chip, nhưng cuối cùng bạn sẽ hết không gian trừ khi các bóng bán dẫn trở nên nhỏ hơn. Khi Định luật Moore chậm lại, tốc độ thu nhỏ bóng bán dẫn không còn đủ nhanh.
Một người đang trải nghiệm game trên laptop lai máy tính bảng Asus ROG Flow Z13, thể hiện khả năng của chip tích hợp.
Các nhà nghiên cứu đặc biệt đề cập đến Big Chip như một con chip với hơn một nghìn tỷ bóng bán dẫn, nhưng các nguyên tắc thiết kế cơ bản được trình bày trong phân tích đã và đang được áp dụng trong thế giới thực ngày nay. Thay vì tạo ra một khuôn chip nguyên khối (monolithic die), một con chip có thể chứa nhiều chiplet, mỗi chiplet được sản xuất riêng biệt và sau đó được ghép nối lại với nhau bằng công nghệ đóng gói tiên tiến. Ý tưởng về chiplet đã tồn tại hàng thập kỷ, nhưng ví dụ hiện đại nhất xuất hiện với CPU Ryzen 3000, khi AMD lần đầu tiên mang thiết kế dựa trên chiplet đến với bộ xử lý dành cho máy tính để bàn tiêu dùng.
Hình ảnh bộ xử lý AMD Ryzen, minh họa cho kiến trúc chiplet.
Chiplet hiện là một phần không thể thiếu của thế giới CPU, nhưng động lực thực sự cho kỷ nguyên Big Chip là công nghệ đóng gói dị thể (heterogeneous packaging), kết hợp một khuôn CPU đầy đủ, một khuôn GPU và bộ nhớ vào một gói duy nhất. Đây là điều Apple đã đạt được vài năm trước với các chip dòng M của mình, cho phép thực hiện những điều mà lẽ ra không thể làm được trên máy tính để bàn, như chúng ta đã thấy với Mac Studio M3 Ultra. Intel đã thử nghiệm với các chip Lunar Lake, cũng kết hợp GPU và bộ nhớ với CPU, trong khi AMD gần đây đã ra mắt các chip Strix Halo – còn được gọi là Ryzen AI Max – mang nhiều nét tương đồng với thiết kế dòng M của Apple. Chúng ta đã có các SoC (System-on-a-Chip) và SBC (Single-board Computer) trong nhiều năm, nhưng các thiết kế này mở rộng khả năng lên một tầm cao mới. Big Chip không giới hạn ở một kích thước hoặc khả năng nhất định. Ý tưởng là cung cấp mọi thứ bạn cần trong một gói duy nhất, bất kể khối lượng công việc của bạn có yêu cầu cao đến đâu. Những tiến bộ lớn trong công nghệ đóng gói và kết nối tốc độ cao đã biến điều này thành hiện thực, và như chúng ta đã thấy với Strix Halo và các chip dòng M cao cấp của Apple, những thiết kế này mang lại hiệu suất và hiệu quả năng lượng vượt trội, đồng thời cho phép các yếu tố hình thức mà nếu không có Big Chip thì không thể thực hiện được.
Vì sao Big Chip lại trỗi dậy vào thời điểm này?
Các yếu tố kinh tế và kỹ thuật đã hội tụ
Nếu chiplet và SoC đã tồn tại trong nhiều năm (hoặc thậm chí hàng thập kỷ), tại sao chúng ta chỉ mới thấy ý tưởng về Big Chip trong thực tế? Đây là một câu hỏi hợp lý. Những tiến bộ về đóng gói và kết nối là cần thiết, nhưng chắc chắn chúng ta có thể đã thấy chúng sớm hơn. Theo các nhà nghiên cứu Big Chip, kinh tế đóng một vai trò quan trọng. Hai biểu đồ từ nghiên cứu dưới đây minh họa điều này. Biểu đồ bên phải cho thấy chi phí trên mỗi bóng bán dẫn khi diện tích khuôn chip tăng với nút công nghệ 14nm. Biểu đồ bên trái là tương tự nhưng với nút công nghệ 5nm.
Biểu đồ so sánh chi phí trên mỗi bóng bán dẫn của chiplet và chip nguyên khối ở nút công nghệ 14nm và 5nm.
Quan điểm kinh tế trở nên khá rõ ràng khi nhìn vào biểu đồ này. Bất kể diện tích, việc sản xuất một khuôn chip nguyên khối với nút công nghệ 14nm khả thi hơn về mặt kinh tế. Tuy nhiên, với nút công nghệ 5nm, chiplet lại là lựa chọn tối ưu khi kích thước tăng lên. Đối với tổng chi phí hệ thống, biểu đồ tiếp theo sẽ làm rõ hơn. Một lần nữa, yếu tố kinh tế ủng hộ khuôn chip nguyên khối với nút công nghệ 14nm, nhưng thiết kế chiplet lại vượt trội với nút công nghệ 5nm. Có vẻ như những yếu tố kinh tế này đang thúc đẩy các công ty như AMD, Intel và Apple đầu tư sâu hơn vào kiến trúc và công nghệ đóng gói dị thể.
Biểu đồ so sánh tổng chi phí hệ thống giữa thiết kế chiplet và chip nguyên khối, minh họa lợi ích kinh tế.
Khởi đầu khá nhỏ, với việc AMD đưa Ryzen 3000 ra thị trường với các chiplet giống hệt nhau – một kiến trúc phân tán nhưng chưa phải dị thể hoàn chỉnh. Intel đã tận dụng kiến trúc CPU dị thể bắt đầu từ chip Alder Lake thế hệ 12, trong khi Qualcomm và Apple đã đi trước với các thiết kế dị thể hoàn chỉnh. Giờ đây, AMD và Intel cũng đang áp dụng các thiết kế tương tự, và AMD thậm chí còn đẩy mạnh hơn nữa với các cấu hình đóng gói độc đáo như CPU 3D V-Cache – một công nghệ cũng được đề cập trong nghiên cứu ban đầu.
Minh chứng từ thực tế: Hiệu quả không thể phủ nhận
Những ưu điểm vượt trội của Big Chip
Mặc dù có khả năng Big Chip sẽ thâm nhập vào thị trường máy tính để bàn vào một thời điểm nào đó – Framework đã bắt đầu thử nghiệm ý tưởng này thông qua mô-đun tính toán Ryzen AI Max của họ – nhưng điều này có thể còn vài năm nữa. Không ai sẽ lấy đi CPU và GPU rời của bạn, và với tư cách là một người dùng chủ yếu máy tính để bàn, đó là một điều tốt. Tuy nhiên, rõ ràng là Big Chip có những tác động lớn đến các yếu tố hình thức khác, và chúng đã cho phép tạo ra những sản phẩm mà không thể có được với các thành phần rời rạc.
Tôi đã đề cập đến Mac Studio M3 Ultra, và đó là một ví dụ điển hình về sức mạnh mà Big Chip có thể mang lại. Không chỉ nhanh hơn bất kỳ con chip flagship tiêu dùng nào, nó còn đi kèm với một dung lượng bộ nhớ hợp nhất đáng kinh ngạc lên đến 512GB. Đó là một trong những lợi ích lớn của thiết kế Big Chip: chia sẻ bộ nhớ giữa cả CPU và GPU với hiệu suất đồng nhất vì mọi thứ đều là một phần của cùng một con chip. Sẽ không thể phân bổ hàng trăm gigabyte bộ nhớ cho một GPU trong phần cứng cấp độ trung tâm dữ liệu nếu không có thiết kế hợp nhất này.
Một ví dụ tuyệt vời khác là Asus ROG Flow Z13. Asus đã ra mắt các phiên bản của chiếc máy tính bảng/laptop lai này trước đây, mặc dù luôn với CPU và GPU di động rời, điều này làm giảm đáng kể thời lượng pin của máy. Với mọi thứ trên một gói duy nhất nhờ chip Ryzen AI Max, thiết bị này tự hào có thời lượng pin cao hơn hai hoặc thậm chí ba lần so với một chiếc laptop gaming truyền thống với GPU rời. Đó là những cải tiến vượt bậc.
Tiềm năng phát triển rộng mở
Mọi thứ thực sự chỉ mới bắt đầu cho thiết kế Big Chip, và tôi tin rằng đây sẽ là một trọng tâm lớn cho các thương hiệu như AMD, Intel, Apple và Qualcomm trong tương lai. Nó đã là một trọng tâm lớn trong vài năm qua, và ít nhất AMD và Apple đang chứng minh rằng thiết kế này đủ mạnh mẽ cho các ứng dụng máy tính để bàn với một số thỏa hiệp hợp lý.
Tài liệu tham khảo:
- Fundamental Research: pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39734551/
