Năm 2024, các nhà nghiên cứu đã tập trung tìm hiểu cách vượt qua “bức tường diện tích” (area-wall) mà các con chip đang gặp phải. Khi Định luật Moore chậm lại, các nhà thiết kế chip cần liên tục tăng diện tích đế chip, điều không thực tế vì nhiều lý do như kích thước reticle và tỷ lệ sản lượng. Các nhà nghiên cứu này đã công bố phân tích của họ về những đột phá công nghệ trước đây trên tạp chí Fundamental Research, vạch ra một con đường tiến tới khi Định luật Moore không còn là kim chỉ nam – họ gọi đó là “Big Chip”.
Chúng ta đang sống trong kỷ nguyên của Big Chip. Mặc dù đã có những tín hiệu từ vài năm trước, nhưng triết lý thiết kế của Big Chip đang định hình lại phần cứng PC ngày nay. Và điều này mang đến những triển vọng vô cùng thú vị cho tương lai ngành công nghệ.
Hình ảnh render vi xử lý Intel Meteor Lake với kiến trúc chiplet
Cái nhìn sâu hơn về Big Chip
Kiến trúc Big Chip đã hiện diện trong thực tế
Vậy, Big Chip là gì? Đơn giản là nó “lớn”. Cụ thể, theo các nhà nghiên cứu đã đặt ra thuật ngữ này, nó 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 in thạch bản, và khu vực in 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, các bóng bán dẫn không thu nhỏ đủ nhanh.
Các nhà nghiên cứu đặc biệt nói về Big Chip như một con chip có hơn một nghìn tỷ bóng bán dẫn, nhưng các nguyên tắc thiết kế được chi tiết trong phân tích đã có mặt trong thế giới ngày nay. Thay vì tạo ra một đế chip nguyên khối (monolithic die), một con chip có thể chứa nhiều chiplet (các vi xử lý nhỏ) được sản xuất riêng biệt và sau đó được ghép lại với nhau 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, nơi AMD lần đầu tiên giới thiệu thiết kế dựa trên chiplet cho bộ xử lý máy tính để bàn tiêu dùng.
Ảnh minh họa chip Ryzen 7 7800X3D, dòng CPU tiên phong áp dụng thiết kế chiplet
Chiplet giờ đây đã trở thành một phần của thế giới CPU, nhưng động lực thực sự cho kỷ nguyên Big Chip là đóng gói không đồng nhất (heterogeneous packaging), kết hợp một đế CPU hoàn chỉnh, một đế GPU và bộ nhớ vào một gói duy nhất. Đây là điều mà Apple đã tìm ra vài năm trước với các chip M-series của mình, cho phép những khả năng mà nếu không sẽ không thể thực hiện được trên máy tính để bàn, như chúng ta đã thấy với Mac Studio M3 Ultra. Intel cũng đã “nhúng chân” vào với chip Lunar Lake, kết hợp GPU và bộ nhớ với CPU, trong khi AMD gần đây đã tiết lộ chip Strix Halo – được biết đến với tên Ryzen AI Max – có thiết kế tương tự các chip M-series cao cấp của Apple.
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 quy mô lớn hơn. Big Chip không bị giới hạn bởi 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 không thể có nếu không có Big Chip.
Vì sao Big Chip trở thành xu hướng tất yếu?
Các yếu tố kinh tế thúc đẩy sự chuyển đổi
Nếu chiplet và SoC đã tồn tại trong nhiều năm (hoặc thậm chí hàng thập kỷ), tại sao bây giờ chúng ta mới thấy ý tưởng về Big Chip được áp dụng rộng rãi trong thực tế? Đây là một câu hỏi hợp lý. Những tiến bộ trong đóng gói và kết nối là cần thiết, nhưng chắc chắn chúng ta có thể thấy những điều đó sớm hơn. Theo các nhà nghiên cứu Big Chip, yếu tố kinh tế đóng một vai trò quan trọng. Dưới đây là hai biểu đồ từ nghiên cứu. Bên phải là chi phí mỗi bóng bán dẫn khi diện tích đế chip tăng lên với nút công nghệ 14nm. Bên trái là biểu đồ tương tự nhưng với nút công nghệ 5nm.
Biểu đồ so sánh chi phí mỗi transistor giữa kiến trúc chiplet và chip nguyên khối
Quan điểm kinh tế trở nên khá rõ ràng khi nhìn vào biểu đồ này. Bất kể diện tích, việc sản xuất một đế chip nguyên khối kinh tế hơn nhiều với nút công nghệ 14nm. 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, hãy xem biểu đồ tiếp theo. Một lần nữa, kinh tế sản xuất ủng hộ đế chip nguyên khối với nút 14nm, nhưng thiết kế chiplet lại chiếm ưu thế với nút 5nm. Có vẻ như những yếu tố kinh tế này đang thúc đẩy các công ty như AMD, Intel và Apple tiếp tục đầu tư vào kiến trúc không đồng nhất và công nghệ đóng gói.
Mọi thứ bắt đầu nhỏ, với AMD ra mắt Ryzen 3000 với các chiplet giống hệt nhau. Đây là kiến trúc phân tách nhưng chưa không đồng nhất. Intel đã tận dụng kiến trúc CPU không đồng nhất bắt đầu với chip Alder Lake thế hệ 12, trong khi Qualcomm và Apple đã tiến lên với các thiết kế không đồng nhất hoàn chỉnh. Giờ đây, AMD và Intel đều sở hữu các thiết kế tương tự, và AMD thậm chí còn tiến tới các cấu hình đóng gói phức tạp hơn với CPU 3D V-Cache của mình – điều này cũng được đề cập trong nghiên cứu.
Biểu đồ phân tích tổng chi phí hệ thống khi sử dụng chiplet so với thiết kế nguyên khối
Những kết quả ấn tượng từ Big Chip
Lợi ích vượt trội cho các yếu tố hình thức mới
Mặc dù có thể chúng ta sẽ thấy ý tưởng về Big Chip thâm nhập vào máy tính để bàn ở một thời điểm nào đó – Framework đã thử nghiệm ý tưởng này thông qua module điện toán Ryzen AI Max của họ – điều đó có thể còn vài năm nữa. Sẽ không ai lấy đi CPU và GPU rời của bạn, và với những người dùng chủ yếu sử dụng máy tính để bàn, đó là một điều tốt. Tuy nhiên, rõ ràng là Big Chip có những tác động lớn đối với các yếu tố hình thức khác, và chúng đã cho phép tạo ra những sản phẩm không thể có 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 bộ nhớ hợp nhất (unified memory) khổng lồ lên đến 512GB. Đây là một trong những ưu điểm 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 là bất khả thi đối với phần cứng cấp trung tâm dữ liệu để phân bổ hàng trăm gigabyte bộ nhớ cho một GPU nếu không có thiết kế hợp nhất này.
Một ví dụ tuyệt vời khác là Asus ROG Flow Z13. Asus đã phát hành các phiên bản của dòng laptop/tablet lai này trước đây, nhưng luôn đi kèm với CPU và GPU di động rời, làm giảm đáng kể thời lượng pin của thiết bị. Với mọi thứ được đặt trong một gói duy nhất nhờ chip Ryzen AI Max, thiết bị này tự hào có thời lượng pin cao gấp hai hoặc thậm chí ba lần so với một laptop gaming truyền thống sử dụng GPU rời. Đây là những cải tiến vô cùng lớn.
Người dùng trải nghiệm chơi game trên laptop Asus ROG Flow Z13, minh họa thiết kế nhỏ gọn với Big Chip
Tương lai rộng mở cho thiết kế Big Chip
Mọi thứ thực sự chỉ mới bắt đầu đối với 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 thiết kế này có đủ khả năng cho các ứng dụng máy tính để bàn với một số thỏa hiệp hợp lý.
Tài liệu tham khảo:
- Fundamental Research (PubMed ID: 39734551) – Phân tích về các đột phá công nghệ và khái niệm “Big Chip”.