Trong bối cảnh Định luật Moore dần chậm lại, ngành công nghiệp bán dẫn đang đối mặt với những thách thức chưa từng có, đặc biệt là giới hạn về “diện tích bề mặt” của chip. Năm 2024, các nhà nghiên cứu đã công bố phân tích đột phá trong tạp chí Fundamental Research, vạch ra một hướng đi mới đầy hứa hẹn: “Big Chip”. Khái niệm này không chỉ là một ý tưởng trừu tượng mà đang thực sự thay đổi cách chúng ta nhìn nhận và thiết kế phần cứng máy tính ngày nay. Thichthuthuat.com nhận định rằng kỷ nguyên của “Big Chip” đã bắt đầu, mở ra những khả năng vượt trội cho hiệu suất, hiệu quả năng lượng và các yếu kế thiết kế thiết bị di động trong tương lai.
Khám phá Chi tiết về “Big Chip”
Bạn Đã Từng Thấy Nó Trong Thực Tế
Người dùng trải nghiệm chơi game Titanfall trên laptop Asus ROG Flow Z13, minh họa khả năng của chip tích hợp Big Chip.
Vậy “Big Chip” là gì? Đơn giản, nó là một con chip có kích thước “lớn hơn diện tích phơi sáng tối đa của máy quang khắc tiên tiến nhất hiện có,” theo định nghĩa của chính các nhà nghiên cứu đã đặt ra thuật ngữ này. Về cơ bản, thiết kế của một con chip được in lên silicon thông qua quy trình quang khắc, nhưng diện tích in ấn này có giới hạn nhất định, tạo ra một “bức tường diện tích” (area-wall). Mặc dù có thể nhồi nhét nhiều bóng bán dẫn hơn vào một con chip, nhưng cuối cùng bạn sẽ cạn kiệt không gian trừ khi kích thước bóng bán dẫn tiếp tục thu nhỏ. Khi Định luật Moore chậm lại, tốc độ thu nhỏ bóng bán dẫn không còn đủ nhanh.
Các nhà nghiên cứu đặc biệt nhắc đến “Big Chip” như một con chip có hơn một nghìn tỷ bóng bán dẫn, nhưng những nguyên lý thiết kế cơ bản được trình bày trong phân tích đã và đang được ứng dụng trong thế giới thực. Thay vì tạo ra một khuôn chip nguyên khối (monolithic die), một con chip có thể bao gồm nhiều “chiplet” (vi mạch con) được sản xuất riêng biệt và sau đó 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 đưa thiết kế dựa trên chiplet vào bộ xử lý máy tính để bàn tiêu dùng.
So sánh chip xử lý AMD Ryzen 7 7800X3D thực tế và hàng giả, thể hiện cấu trúc chiplet và công nghệ 3D V-Cache.
Chiplet không chỉ giới hạn trong thế giới CPU. Động lực thực sự cho kỷ nguyên “Big Chip” là công nghệ đóng gói không đồng nhất (heterogeneous packaging), kết hợp một khuôn CPU đầy đủ, khuôn GPU và bộ nhớ vào một gói duy nhất. Đây là điều mà Apple đã thực hiện vài năm trước với dòng chip M-series của mình, cho phép tạo ra những sản phẩm mà nếu không sẽ không thể có trên máy tính để bàn, như chúng ta đã thấy với Mac Studio M3 Ultra. Intel cũng đã thử nghiệm với 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 – với thiết kế tương tự dòng chip M-series của Apple.
Chúng ta đã có SoCs (System-on-a-Chip) và SBCs (Single-Board Computer) trong nhiều năm, nhưng những thiết kế này mở rộng khả năng lên một quy mô mới. “Big Chip” không bị giới hạn bởi kích thước hoặc khả năng cụ thể nào. Ý tưởng là cung cấp mọi thứ bạn cần trong một gói duy nhất, bất kể khối lượng công việc của bạn có nặng 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 năng và hiệu quả năng lượng vượt trội, đồng thời cho phép các yếu tố hình thức mà không thể đạt được nếu không có “Big Chip”.
Tại Sao Bây Giờ Là Thời Điểm Để “Big Chip” Lên Ngôi
Những Con Số Cuối Cùng Cũng “Ăn Khớp”
Biểu đồ so sánh chi phí trên mỗi bóng bán dẫn của thiết kế chiplet và chip nguyên khối ở các node công nghệ khác nhau.
Nếu chiplet và SoCs đã tồn tại nhiều năm (hoặc thậm chí hàng thập kỷ), tại sao chúng ta chỉ thấy ý tưởng “Big Chip” đi vào thực tiễn bây giờ? Đó là một câu hỏi hợp lý. Những tiến bộ trong công nghệ đóng gói và kết nối là cần thiết, nhưng chắc chắn chúng ta đã có thể thấy điều đó sớm hơn. Theo các nhà nghiên cứu “Big Chip”, yếu tố kinh tế đóng một vai trò quan trọng. Hai biểu đồ từ nghiên cứu minh họa điều này: bên phải là chi phí trên mỗi bóng bán dẫn khi diện tích khuôn tăng lên với tiến trình 14nm; bên trái là biểu đồ tương tự nhưng với tiến trình 5nm.
Biểu đồ phân tích chi phí hệ thống tổng thể khi sử dụng kiến trúc chiplet so với chip nguyên khối, dưới góc độ kinh tế.
Quan điểm kinh tế trở nên rất rõ ràng khi nhìn vào biểu đồ này. Bất kể diện tích, việc sản xuất một khuôn chip nguyên khối kinh tế hơn nhiều với tiến trình 14nm. Nhưng với tiến trình 5nm, chiplet lại là lựa chọn tối ưu khi kích thước tăng lên. Đối với tổng chi phí hệ thống, xem biểu đồ ở trên. Một lần nữa, kinh tế nghiêng về khuôn chip nguyên khối với tiến trình 14nm, nhưng thiết kế chiplet lại vượt trội hơn với tiến trình 5nm. Dường 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 tiên tiến.
Mọi thứ bắt đầu nhỏ gọn, với AMD ra mắt Ryzen 3000 sử dụng các chiplet giống hệt nhau. Đó là thiết kế phân tách nhưng chưa phải không đồng nhất. Intel đã tận dụng kiến trúc CPU không đồng nhất bắt đầu từ chip Alder Lake thế hệ thứ 12, trong khi Qualcomm và Apple đã tiên phong với các thiết kế không đồng nhất hoàn chỉnh. Giờ đây, AMD và Intel cũng đang áp dụng các thiết kế tương tự, và AMD thậm chí còn đẩy mạnh các cấu hình đóng gói phức tạp hơn với CPU 3D V-Cache – một công nghệ cũng được nhắc đến trong nghiên cứu.
Kết Quả Thực Tế Đã Nói Lên Tất Cả
Không Thấy Nhiều Hạn Chế
Mặc dù có thể ý tưởng “Big Chip” sẽ xâm nhập vào thị trường máy tính để bàn vào một thời điểm nào đó trong tương lai (Framework đã thử nghiệm ý tưởng này thông qua module điện toán Ryzen AI Max của họ), nhưng điều đó có lẽ còn vài năm nữa. Không ai đang loại bỏ 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 thiết bị mà không thể có được với các linh kiện rời.
Tôi đã nhắc 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 chip flagship tiêu dùng nào, nó còn đi kèm với bộ nhớ hợp nhất 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 năng tương đương 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 hợp nhất này.
Một ví dụ tuyệt vời khác là Asus ROG Z13. Asus đã ra mắt các phiên bản của máy tính bảng/laptop lai này trước đây, mặc dù luôn sử dụng 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 gấp đôi hoặc thậm chí gấp ba so với một laptop gaming truyền thống với GPU rời. Đó là những cải tiến khổng lồ.
Vẫn Còn Nhiều Điều Tuyệt Vời Phía Trước
Mọi thứ thực sự chỉ mới bắt đầu đối với thiết kế “Big Chip”, và thichthuthuat.com dự đoán rằng đây sẽ là trọng tâm lớn đối với 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 có đủ sức mạnh cho các ứng dụng máy tính để bàn với một số thỏa hiệp hợp lý.
“Big Chip” không chỉ là một khái niệm mới mẻ mà còn là tương lai rõ ràng của ngành bán dẫn, mang lại những giải pháp đột phá cho các thách thức hiện tại và mở ra kỷ nguyên mới cho các thiết bị công nghệ. Hãy chia sẻ ý kiến của bạn về công nghệ này và tìm hiểu thêm các xu hướng công nghệ khác tại thichthuthuat.com nhé!
