Kỷ Nguyên Siêu Chip: Bước Đột Phá Trong Công Nghệ Bán Dẫn

Các thiết bị công nghệ ngày nay đang đứng trước thử thách lớn về hiệu suất, và các kỹ sư bán dẫn đã tìm ra một giải pháp không giống như cách tiếp cận truyền thống: tạo ra những con chip lớn hơn.

Khi mà các công ty sản xuất chip như TSMC và Samsung vẫn tiếp tục cuộc đua để thu nhỏ quy mô của các vi mạch, ngành công nghiệp chip đang chuyển mình để tăng cường sức mạnh xử lý qua một chiến lược mới: phát triển những con chip có kích thước lớn hơn. Điều này khiến cho một số chip hiện nay không còn mang danh “vi chip” nữa.

Để nâng cao hiệu suất xử lý, các kỹ sư đang áp dụng phương pháp chồng chất các vi mạch lên nhau. Thay vì chỉ đơn thuần xếp chồng các bóng bán dẫn, cả những tấm silicon phẳng như chip nhớ, chip quản lý năng lượng và chip đồ họa cũng sẽ được sắp xếp theo nhiều lớp khác nhau.

Nguyên do thúc đẩy xu hướng thiết kế này rất dễ hiểu: nhu cầu về việc sản xuất chip với tốc độ và tính năng ngày càng tăng liên tục, trong khi khả năng thu nhỏ bóng bán dẫn lại gặp nhiều trở ngại kỹ thuật.

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

Để tối ưu hiệu suất, việc đặt gần nhau hơn các chip này cũng là một giải pháp khả thi. Giống như những con đường kết nối giữa các thành phố, khoảng cách ngắn hơn giúp dữ liệu di chuyển nhanh hơn, từ đó cải thiện khả năng xử lý tổng thể. Điều này đã tạo ra những khu đô thị silicon đáng kể, đặc biệt đối với những con chip lớn.

Trong khi phần lớn các chip hiện nay có kích thước tương đương một đồng xu, có những chip mới hiện tại đang có kích thước gần bằng một thẻ bài, thậm chí là kích thước một chiếc đĩa.

Không chỉ xuất hiện trong các siêu máy tính, những chip lớn này còn được tích hợp vào các thiết bị điện tử gia dụng. Ví dụ, cả Xbox mới của Microsoft và PS5 của Sony đều sử dụng bộ xử lý do AMD thiết kế. Apple cũng ứng dụng thiết kế này trong bộ xử lý M1 Ultra cho dòng máy tính Mac Studio. Intel cũng áp dụng cho bộ xử lý Ponte Vecchio trong các máy chủ và siêu máy tính của mình.

Mặc dù điều này không có nghĩa là họ đang vi phạm Định luật Moore, nhưng chip hiện nay không hẳn sẽ rẻ hơn, theo như lời của Alan Turing, người đồng sáng lập Intel. Thay vào đó, hiệu suất và tính năng của chip đang dần cải thiện hơn nhiều. Ngay cả ASML, công ty sản xuất máy chế tạo chip tiên tiến nhất thế giới, cũng nhận định rằng để duy trì tốc độ của Định luật Moore, việc thu nhỏ bóng bán dẫn không đủ.

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

Chồng chất như các thành phố và kết nối bằng thang máy

Có thể so sánh việc phát triển chip lớn ngày nay với việc một thành phố mở rộng khi nó không thể tiếp tục thu nhỏ kích thước các tòa nhà hoặc cải thiện giao thông. Chẳng hạn, Singapore đã mở rộng diện tích đất của mình thêm 25% chỉ trong vòng 50 năm.

Tuy nhiên, việc tạo ra các chip lớn lại không đơn giản như thu nhỏ chúng. Hãy tưởng tượng công việc sắp xếp từng thành phần của chip với độ chính xác trên cấp độ nanomet và kết nối chúng mà không có mỏ hàn siêu nhỏ.

Việc này được thực hiện nhờ vào những cải tiến gần đây trong việc đóng gói chip, một giai đoạn rất quan trọng nhưng ít được chú ý trong quá trình sản xuất chip. Tại giai đoạn này, các nhà sản xuất sẽ kết nối các dây dẫn nhỏ với nhau và bao bọc chúng trước khi đặt vào bảng mạch để kết nối với phần còn lại của thiết bị.

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 thiết bị truyền thống, một chip đảm nhận gửi và nhận tín hiệu (như chip Wifi) có thể kết nối với chip khác để thực hiện các phép toán. Kết nối này được gọi là “bus”, nhưng việc này lại mất thời gian và không hiệu quả, giống như những chiếc xe buýt trên đường.

Thay vào đó, với phương pháp mới trong việc đóng gói chip, những chip độc lập được kết nối trực tiếp với nhau, hình thành nên các siêu chip. Điều này cũng giống với việc sống trong một tòa nhà cao tầng, nơi mà các con chip có thể giao tiếp nhanh hơn mà không phải di chuyển xa.

Theo Subramanian Iyer, cựu giám đốc bộ phận Đóng gói của IBM, một chip truyền thống chỉ sử dụng khoảng 1/3 diện tích của nó – và năng lượng tiêu thụ – để giao tiếp với phần còn lại của thiết bị. Điều này rõ ràng làm giảm hiệu quả của nó.

Các chip được xếp chồng lên nhau sẽ giúp tốc độ giao tiếp giữa chúng nhanh hơn vì cho phép nhiều kết nối hơn – tương tự như việc đi thang máy giữa các tầng sẽ nhanh hơn việc đi bộ qua đường để tới nhà hàng xóm bên cạnh.

Chíp nhớ 232 lớp của Micron.

Trên thực tế, đối với chip nhớ, việc này đã trở thành tiêu chuẩn từ lâu. Micron Technology đã ra mắt chip nhớ với 232 lớp, và giờ đây, thiết kế này đang dần được áp dụng cho các loại chip khác.

Nền tảng cho các siêu chip và chip được xếp chồng lên nhau là một loại chip mới gọi là “chiplet”. Thiết kế này đã loại bỏ những mạch giao tiếp kiểu cũ để thay vào đó là kết nối trực tiếp hơn với các chiplet khác nhau. Bằng cách tạo ra các kết nối ngắn, trực tiếp từ chính silicon tạo nên chip thay vì dây kim loại khác, các chiplet có thể kết hợp lại để thành một siêu chip hoạt động như một bộ xử lý lớn.

Chẳng hạn như bộ xử lý đồ họa Ponte Vecchio mới được Intel giới thiệu, được cấu thành từ 63 chiplet. Những chiplet này được xếp chồng lên nhau, có tổng diện tích 3.100mm², tương đương với 100 tỷ bóng bán dẫn. Trong khi đó, những CPU thông thường của laptop chỉ có diện tích khoảng 150mm² – khoảng 1/20 diện tích của chip này, với chỉ khoảng 1,5 tỷ bóng bán dẫn, tương đương 1,5% so với Ponte Vecchio.

Thiết kế chiplet chồng chất rõ ràng là tương lai của Intel. Hầu hết các bộ xử lý được công bố đều sẽ được sản xuất với công nghệ này, bởi vì “mang lại một cách tiếp cận mới về sản xuất chip nhanh hơn và hiệu quả hơn” – theo lời ông Debendra Das Sharma, một thành viên cấp cao của Intel.

Các chiplet chồng chất giúp Intel cải thiện hiệu suất cho các bộ xử lý máy tính để bàn và máy chủ mà không cần tăng kích thước hoặc mức tiêu thụ năng lượng. Thực tế, các chiplet chồng lên nhau cho phép các kỹ sư gia tăng số lượng bóng bán dẫn, đồng thời tối ưu hóa thời gian và năng lượng mà các thành phần trong chip giao tiếp với nhau.

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

AMD, một trong những người tiên phong về công nghệ chiplet, cũng đã giới thiệu các bộ xử lý với một phần nhỏ chiplet bên trong. Công ty nhận thấy rằng, bằng cách chồng chip nhớ lên trên CPU, họ có thể gia tăng tốc độ xử lý.

Tất cả cùng một mục tiêu

Theo Marc Swinnen, giám đốc tiếp thị của Ansys, mặc dù các siêu chip dựa trên chiplet hiện tại chỉ chiếm một phần nhỏ trong hệ thống tính toán lớn, nhưng xu hướng phát triển chúng đang gia tăng trong toàn ngành chip. Ansys, công ty xây dựng phần mềm mô phỏng vật lý, được sử dụng rộng rãi trong thiết kế chip, cho biết số lượng dự án liên quan đến chiplet chồng lên nhau đã tăng gấp 20 lần so với năm 2019.

Gần đây, một liên doanh trong ngành chip có tên Universal Chiplet Interconnect Express (UCIe) đã thông báo hợp tác với Intel, AMD để phát triển một tiêu chuẩn mới. Tiêu chuẩn này sẽ giúp bất kỳ ai trong ngành cũng có thể tạo ra các chiplet mà có thể kết nối với sản phẩm của các nhà sản xuất khác nhau. Không chỉ Intel và AMD mà còn ARM, TSMC, Samsung và nhiều công ty khác cũng tham gia.

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

Tiêu chuẩn này được thiết lập nhằm hy vọng rằng trong tương lai, bất kỳ công ty nào cũng có thể mua chiplet từ những công ty khác và ghép lại theo nhu cầu hoặc mục đích sử dụng. Hãy tưởng tượng bạn có thể chọn các phần tốt nhất từ các thành phố khác nhau và kết hợp chúng thành một thành phố lý tưởng theo ý muốn.

Tuy nhiên, tiến sĩ Kumar từ Đại học Illinois bày tỏ lo ngại về khả năng thành công của tiêu chuẩn này: “Tiêu chuẩn hóa bất kỳ thứ gì trong ngành này đều là một thách thức lớn, bởi vì sẽ cần phải có sự thỏa hiệp và không phải ai cũng có động lực để hợp tác với người khác”.

Động lực chính cho công nghệ này đến từ nhu cầu ngày càng cao của các công ty lớn như Amazon, Google, Tesla và Microsoft, những người cần phát triển những bộ xử lý mạnh mẽ hơn nữa để điều hành các dịch vụ đám mây, điện thoại thông minh, máy chơi game và xe tự lái.

Ngoài ra, nhu cầu cho các siêu chip cũng gia tăng mạnh mẽ do sự phát triển cấp số nhân trong việc tích hợp các hệ thống máy học và trí tuệ nhân tạo vào phần cứng. Một số công ty đang tìm cách đáp ứng nhu cầu này bằng việc chế tạo những vi chip khổng lồ như chip AI của Cerebras, nhưng chiplet đang mở ra một phương pháp mới để phát triển những bộ xử lý AI mạnh mẽ hơn nhưng dễ dàng hơn để tích hợp.

Từ siêu máy tính đến thiết bị đeo

Hơn nữa, sự quan tâm đến siêu chip không chỉ giới hạn cho các hệ thống ưu tiên hiệu năng cao; sẽ có lúc những chip này được áp dụng vào các thiết bị ưu tiên tiết kiệm năng lượng.

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

Theo tiến sĩ Kumar, tương tự như các thành phố kết nối với vùng ngoại ô qua những hệ thống giao thông nhanh chóng, các chiplet trong tương lai có thể kết nối với nhau ở những khoảng cách xa hơn và thông qua các phương tiện mới.

Dù rằng điều này có thể gây khó khăn cho việc xử lý dữ liệu do khoảng cách lớn, nhưng nó lại mang đến lợi ích khi giúp các chip nhỏ hơn kết nối với các vi mạch linh hoạt hơn, từ đó tạo ra các máy tính linh hoạt hơn. Thậm chí, chúng có thể mở ra những loại thiết bị điện toán hoàn toàn mới.

Các thử nghiệm từ nhóm của tiến sĩ Kumar đã chỉ ra rằng các chiplet có thể kết nối với nhau bằng các mạch điện dẻo trong các thiết bị đeo hoặc các hệ thống có thể quấn quanh bề mặt như cánh máy bay. Hơn nữa, tiến sĩ Iyer cho biết nhóm của ông cũng đang phát triển các khối bán dẫn cần thiết cho điện thoại dẻo.

Dù cho những thách thức với siêu chip vẫn còn tồn tại, những nỗ lực đưa những đột phá trong vi chip hiện nay thành các chiplet nhỏ gọn kết nối với nhau vẫn đang được đẩy mạnh. Rõ ràng Định luật Moore sẽ không thể tiếp tục mà không có những cải tiến này.