Năm 2024, các nhà nghiên cứu đã tập trung tìm kiếm giải pháp để vượt qua giới hạn của “bức tường diện tích” mà các chip bán dẫn đang gặp phải. Khi Định luật Moore dần chậm lại, các nhà thiết kế chip cần liên tục tăng diện tích bề mặt của khuôn chip (die), điều này không còn thực tế vì nhiều lý do, đặc biệt là kích thước reticle và tỷ lệ sản lượng. Những nhà nghiên cứu này đã công bố phân tích của họ về các đột phá công nghệ trước đây trên tạp chí Fundamental Research, vạch ra một con đường tiến lên khi Định luật Moore không còn là kim chỉ nam. Họ gọi giải pháp này là “Big Chip”.
Chúng ta đang sống trong kỷ nguyên của “Big Chip”. Mặc dù đã có những dấu hiệu từ vài năm trước, nhưng triết lý thiết kế của Big Chip đang định hình lại phần cứng máy tính ngày nay một cách mạnh mẽ. Đây là một bước tiến đầy hứa hẹn cho tương lai của công nghệ máy tính.
Khám phá sâu hơn về “Big Chip”
Bạn đã thấy nó trong thực tế
Big Chip là gì? Nói một cách đơn giản, nó là một con chip có kích thước “lớn”. Cụ thể, 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 quang khắc 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 diện tích in này chỉ có thể lớn đến một mức 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.
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 mô tả trong phân tích đã tồn tại 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 bằng công nghệ đóng gói tiên tiến. Ý tưởng về chiplet đã có từ hàng thập kỷ, nhưng ví dụ hiện đại nhất xuất hiện với CPU Ryzen 3000 của AMD, khi họ lần đầu tiên đưa ra thiết kế dựa trên chiplet cho bộ vi xử lý máy tính để bàn tiêu dùng.
Người dùng trải nghiệm chơi game trên laptop lai máy tính bảng Asus ROG Flow Z13, minh họa thiết kế Big Chip hiệu quả.
Chiplet không chỉ là một phần của thế giới CPU ngày nay; động lực thực sự cho kỷ nguyên Big Chip là việc 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 mà Apple đã thực hiện vài năm trước với các chip dòng M của họ, cho phép những khả năng mà lẽ ra không thể có trên một máy tính để bàn, như chúng ta đã thấy với Mac Studio dùng chip M3 Ultra. Intel cũng đã bắt đầu thử nghiệm với các chip Lunar Lake, kết hợp GPU và bộ nhớ với CPU, trong khi AMD gần đây đã công bố chip Strix Halo – còn được gọi là Ryzen AI Max – có thiết kế tương tự các chip dòng M của Apple.
So sánh giữa CPU AMD Ryzen 7 7800X3D thật và giả, thể hiện cấu trúc chiplet của bộ vi xử lý.
Chúng ta đã có SoCs (System-on-Chip) và SBCs (Single-Board Computer) trong nhiều năm, nhưng những 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 đòi hỏi 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 M-series cao cấp của Apple, những thiết kế này mang lại hiệu suất và hiệu quả năng lượng vượt trội, đồng thời cho phép tạo ra các yếu tố hình thức mà không thể có nếu không có Big Chip.
Vì sao Big Chip trở thành xu hướng tất yếu?
Bài toán kinh tế và sự chậm lại của Định luật Moore
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 được áp dụng rộng rãi? Đó là một câu hỏi hợp lý. Mặc dù những tiến bộ trong công nghệ đóng gói và kết nối là cần thiết, nhưng chắc chắn chúng ta đã có thể thấy chúng sớm hơn. Theo các nhà nghiên cứu về Big Chip, yếu tố kinh tế đóng một vai trò quan trọng. Dưới đây là hai biểu đồ từ nghiên cứu. Biểu đồ bên phải cho thấy chi phí trên mỗi bóng bán dẫn khi diện tích khuôn tăng lên với tiến trình 14nm. Biểu đồ bên trái cho thấy điều tương tự nhưng với tiến trình 5nm.
Biểu đồ chi phí trên mỗi bóng bán dẫn của chiplet so với chip nguyên khối ở tiến trình 14nm.
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 tiến trình 14nm kinh tế hơn rất nhiều. Tuy nhiên, với tiến trình 5nm, chiplet lại là con đường phù hợp khi kích thước tăng lên. Đối với tổng chi phí hệ thống, hãy xem biểu đồ tiếp theo. Một lần nữa, kinh tế học ủng hộ khuôn nguyên khối với tiến trình 14nm, nhưng thiết kế chiplet lại vượt trội với tiến trình 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 dị thể và công nghệ đóng gói.
Biểu đồ so sánh tổng chi phí hệ thống của thiết kế chiplet và chip nguyên khối ở tiến trình 5nm.
Xu hướng này bắt đầu nhỏ, với AMD tiên phong ra mắt Ryzen 3000 sử dụng các chiplet giống hệt nhau. Đây là kiến trúc phân tách nhưng chưa phải dị thể. Intel đã tận dụng kiến trúc CPU dị thể từ thế hệ Alder Lake thứ 12, trong khi Qualcomm và Apple đã đi trước với các thiết kế dị thể hoàn chỉnh. Giờ đây, AMD và Intel đều có những thiết kế tương tự, và AMD thậm chí đã tiến tới các cấu hình đóng gói độc đáo hơn với CPU 3D V-Cache của mình – những công nghệ này cũng được đề cập trong nghiên cứu.
Những lợi ích thực tế mà Big Chip mang lại
Sức mạnh vượt trội và bộ nhớ thống nhất
Mặc dù có khả năng chúng ta sẽ thấy ý tưởng về Big Chip thâm nhập vào thị trường máy tính để bàn tại một thời điểm nào đó – Framework đã thử nghiệm ý tưởng này thông qua mô-đun điện toán Ryzen AI Max của họ – điều đó có thể phải mất vài năm nữa. Không ai sẽ lấy đi CPU và GPU rời của bạn, và đối với một người chủ yếu sử dụng máy tính để bàn như tôi, 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 điều không thể thực hiện được với các thành phần rời.
Tôi đã đề cập đến Mac Studio M3 Ultra, và đó là một ví dụ điển hình về loại sức mạnh mà Big Chip có thể mang lại. Nó không chỉ nhanh hơn bất kỳ chip flagship tiêu dùng nào, mà còn đi kèm với một lượng bộ nhớ thống nhất đáng kinh ngạc lên tới 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 giống hệt nhau vì mọi thứ đều là một phần của cùng một con chip. Sẽ là không thể với phần cứng cấp trung tâm dữ liệu để phân bổ hàng trăm gigabyte bộ nhớ cho một GPU nếu không có thiết kế bộ nhớ thống nhất này.
Hiệu quả năng lượng và thiết kế đột phá
Một ví dụ tuyệt vời khác là Asus ROG Z13. Asus đã phát hành các phiên bản của máy tính bảng/laptop hybrid này trước đây, mặc dù luôn với CPU và GPU di động rời, điều này làm giảm đáng kể thời lượng pin của thiết bị. Với việc mọi thứ nằm 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 laptop gaming truyền thống sử dụng GPU rời. Đây là những cải tiến lớn về hiệu quả năng lượng và khả năng cơ động.
Tương lai rộng mở của Big Chip
Mọi thứ mới chỉ bắt đầu cho thiết kế Big Chip, và tôi tin rằng đây sẽ là 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. Big Chip không chỉ là một giải pháp tạm thời mà là một xu hướng tất yếu, mở ra kỷ nguyên mới về hiệu suất, hiệu quả và khả năng sáng tạo trong thế giới công nghệ.
