Chào Mừng Kỷ Nguyên Siêu Chip: Những Đột Phá Trong Công Nghệ Chip Hiện Đại

Trong bối cảnh công nghệ ngày càng tiến bộ, nhu cầu về hiệu năng chip cũng trở nên mạnh mẽ hơn bao giờ hết.

Trong khi các nhà sản xuất chip như TSMC và Samsung vẫn tập trung vào việc thu nhỏ kích thước để gia tăng hiệu suất, một xu hướng mới đang nổi lên trong ngành công nghiệp công nghệ: phát triển các chip với kích thước lớn hơn. Họ không còn chỉ là những vi chip như trước đây, mà giờ đây các bộ xử lý mạnh mẽ này đang chiếm lĩnh ngày càng nhiều không gian trong các thiết bị của chúng ta.

Các kỹ sư bán dẫn hiện đang nghiên cứu và phát triển các công nghệ chồng chất mạch điện để cải thiện khả năng xử lý. Thay vì chỉ đơn giản là xếp chồng bóng bán dẫn lên nhau, họ bắt đầu chồng các chip silicon phẳng như chip nhớ, chip quản lý năng lượng, và chip đồ họa để tạo thành các cấu trúc đa chiều.

Khi nhu cầu về tốc độ và tính năng cao hơn tiếp tục gia tăng, phương pháp thu nhỏ bóng bán dẫn đang gặp nhiều rào cản kỹ thuật, khiến cho ngành công nghiệp chip cần phải tìm ra giải pháp mới để đáp ứng yêu cầu này.

Các kỹ sư bán dẫn đang tìm cách chồng chất các vi mạch này lên nhau.

Để cải thiện hiệu suất, các con chip đang được thiết kế gần nhau hơn, tăng cường tốc độ truyền dữ liệu giữa chúng. Những thiết kế này cho phép các khu đô thị silicon mà các kỹ sư xây dựng có kích thước lớn hơn chưa từng thấy trước đây.

Hiện nay, mặc dù phần lớn chip vẫn có kích thước tương đương một đồng xu, nhưng một số mẫu mới đã có kích thước tương đương một thẻ bài, hoặc thậm chí lớn hơn, như một chiếc đĩa.

Không chỉ xuất hiện trong các siêu máy tính lớn nhất, các chip này còn có mặt trong nhiều thiết bị điện tử tiêu dùng. Chẳng hạn, máy chơi game Xbox của Microsoft và PS5 của Sony đều sử dụng bộ xử lý do AMD thiết kế. Tương tự, Apple cũng đã áp dụng những thiết kế này trong chip M1 Ultra của mình cho máy tính Mac Studio. Intel cũng đã sử dụng loại kết cấu này cho bộ xử lý Ponte Vecchio trong các siêu máy tính và máy chủ dữ liệu.

Mặc dù một số người lo ngại về việc thao túng định luật Moore, nhưng hiệu suất và các tính năng mới đang không ngừng cải thiện. Ngay cả ASML, công ty sản xuất máy móc hiện đại nhất trong ngành công nghiệp chip, cũng thừa nhận rằng chỉ việc thu nhỏ bóng bán dẫn thôi là chưa đủ để duy trì sự phát triển này.

Chip M1 Ultra của Apple, về cơ bản là 2 chip M1 Max ghép lại với nhau để gia tăng hiệu năng.

Xu hướng mới: Chồng chất và kết nối chip thông minh hơn

Giống như việc mở rộng một đô thị, nếu không thể thu nhỏ hơn các kích thước hiện tại, các nhà thiết kế chip phải nghĩ đến việc mở rộng về các chiều khác. Một ví dụ điển hình là Singapore, quốc đảo đã mở rộng diện tích đất của mình lên đến 25% trong 50 năm qua.

Việc tạo ra các chip lớn cũng không dễ dàng như thu nhỏ chúng. Hãy tưởng tượng bạn phải sắp xếp từng thành phần trong chip với độ chính xác đến từng nanomet mà không sử dụng các công cụ hàn siêu nhỏ.

Các cải tiến gần đây trong quy trình sản xuất chip đã giúp tăng cường khả năng đóng gói chip, một phần công đoạn quan trọng trong sản xuất chip. Trong giai đoạn này, các nhà sản xuất phải tìm cách kết nối các đầu dây siêu nhỏ bên trong chip và sau đó bọc chúng bằng nhựa trước khi gắn vào mạch in.

Hệ thống N3XT, ý tưởng về việc đóng gói chip nhớ và chip xử lý theo dạng 3D từng được TSMC trình bày vào năm 2019.

Trong các cấu trúc truyền thống, chip sẽ gửi và nhận tín hiệu qua các con đường tương tự như hệ thống giao thông. Tuy nhiên, các thiết kế mới cho phép các chip này được kết nối trực tiếp với nhau, tạo ra những siêu chip. Thay vì phải đi qua hệ thống đường xá, việc kết nối giữa chúng trở nên nhanh chóng và hiệu quả hơn.

Subramanian Iyer, cựu giám đốc của IBM, đã chỉ ra rằng một chip tiêu chuẩn thường dành khoảng 1/3 diện tích của nó chỉ để truyền tải kết quả đến các phần khác của thiết bị, điều này làm giảm hiệu suất của nó.

Chồng chất chip giúp tăng tốc độ giao tiếp giữa chúng, tương tự như việc đi thang máy giữa các tầng vốn nhanh hơn nhiều so với đi bộ ra ngoài.

Chíp nhớ 232 lớp của Micron.

Trên thực tế, các chip nhớ đã có những thiết kế chồng lớp từ lâu, như chip nhớ 232 lớp của Micron. Tuy nhiên, hiện nay, điều này mới bắt đầu lan rộng đến các loại chip khác.

Cơ sở cho phát triển các siêu chip này là một loại chip mới gọi là chiplet. Nó giúp loại bỏ các mạch giao tiếp cũ, cho phép kết nối trực tiếp giữa các chiplet. Với các kết nối ngắn hơn, chiplet có thể kết hợp thành những siêu chip và hoạt động như một bộ xử lý lớn.

Ví dụ, bộ xử lý đồ họa Ponte Vecchio của Intel được tạo thành từ 63 chiplet khác nhau và có diện tích lên đến 3.100mm², chứa hơn 100 tỷ bóng bán dẫn. Ngược lại, CPU thông thường chỉ có diện tích khoảng 150mm² và chỉ có 1,5 tỷ bóng bán dẫn, chỉ bằng 1.5% so với Ponte Vecchio.

Thiết kế chiplet xếp chồng này thực sự là tương lai của Intel, khi hầu hết các bộ xử lý sắp được ra mắt đều sẽ được phát triển bằng công nghệ này. Điều này hứa hẹn mang lại một cách tiếp cận mới nhằm sản xuất các chip nhanh hơn và hiệu quả hơn.

Các chiplet chồng chất không chỉ giúp Intel gia tăng hiệu suất cho các bộ xử lý máy tính mà còn giúp tiết kiệm không gian và năng lượng tiêu thụ.

Công nghệ chồng chip 3D Foveros được Intel mang đến trong thế hệ chip Intel Lakefield.

AMD cũng là một trong những người tiên phong trong công nghệ chiplet. Họ nhận thấy rằng việc chồng chip nhớ lên CPU có thể làm tăng đáng kể hiệu suất tính toán.

Sự phát triển tuyệt vời trong ngành chip

Theo Marc Swinnen, giám đốc tiếp thị tại Ansys, số lượng dự án liên quan đến chiplet chồng lên nhau đã tăng lên 20 lần chỉ sau ba năm gần đây. Ansys là một công ty chuyên phát triển phần mềm mô phỏng vật lý, được sử dụng rộng rãi trong ngành thiết kế chip.

Vào tháng Ba, một liên doanh có tên Universal Chiplet Interconnect Express (UCIe) đã công bố hợp tác với Intel và AMD để phát triển một tiêu chuẩn mới, cho phép các công ty khác nhau có thể tạo ra chiplet tương thích với sản phẩm của nhau. Điều này sẽ giúp cho việc kết hợp các chiplet trở nên dễ dàng hơn, tương tự như việc xây dựng một thành phố từ các yếu tố tốt nhất từ nhiều nơi.

Thiết kế chiplet mã nguồn mở tiêu chuẩn phiên bản 1.0 của UCIe.

Thế nhưng, chính việc đạt được tiêu chuẩn này vẫn gặp rất nhiều thách thức, theo tiến sĩ Kumar từ Đại học Illinois, vì không phải ai cũng sẵn lòng hợp tác.

Với sự quan tâm ngày càng gia tăng tới việc phát triển các bộ xử lý riêng cho các dịch vụ đám mây, smartphone, máy chơi game và xe tự lái, các công ty như Amazon, Google, và Microsoft đang dần thúc đẩy nhu cầu về các siêu chip.

Các siêu chip không chỉ được hướng tới các hệ thống tính toán mạnh mẽ mà còn có thể được áp dụng trong các thiết bị ưu tiên tuổi thọ pin. Theo tiến sĩ Kumar, trong tương lai, các chiplet có thể hoạt động hiệu quả hơn với các thiết kế linh hoạt, giúp tạo ra các thiết bị thông minh và hoàn toàn mới.

Nền tảng chiplet của AMD đã sẵn sàng kết nối với các chiplet bên thứ ba.

Dù những thách thức cho siêu chip vẫn còn tồn tại, ngành công nghiệp đang nỗ lực hoàn thiện những bước đột phá trong vi chip để tạo ra những chiplet nhỏ hơn có thể kết hợp với nhau. Định luật Moore sẽ tiếp tục là một phần quan trọng trong sự phát triển này.