Năm 2024, các nhà nghiên cứu đã bắt đầu tìm kiếm giải pháp để vượt qua những giới hạn của “bức tường diện tích” mà chip đang phải đối mặt. Khi Định luật Moore chậm lại, các nhà thiết kế chip cần liên tục tăng diện tích đế (die), điều này không thực tế vì nhiều lý do, đặc biệt là kích thước reticle và năng suất sản xuất. 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 tới khi Định luật Moore đã đi vào giai đoạn “chậm lại”. Họ gọi đó là “Big Chip” (Chip Lớn).
Chúng ta đang sống trong kỷ nguyên của Big Chip. Mặc dù đã có những “hé lộ” vài năm trước, triết lý thiết kế của một Big Chip đang thay đổi phần cứng PC ngày nay. Đây là một sự phát triển đầy hứa hẹn, mở ra nhiều khả năng mới cho hiệu năng và hiệu quả.
Render CPU Intel Meteor Lake minh họa kiến trúc chiplet hiện đại
Tìm hiểu sâu hơn về kiến trúc Big Chip
Bạn đã thấy nó hoạt động trong thực tế
Vậy, Big Chip là gì? Đơn giản, nó “lớn”. Cụ thể, nó lớn hơn “diện tích phơi sáng tối đa của máy in thạch bản tiên tiến nhất hiện có,” theo các nhà nghiên cứu đã đặt ra thuật ngữ này. Thiết kế của một con chip về cơ bản được in lên silicon thông qua công nghệ quang khắc (lithography), và diện tích 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 transistor hơn vào một con chip, nhưng cuối cùng, bạn sẽ hết không gian trừ khi các transistor trở nên nhỏ hơn. Khi Định luật Moore chậm lại, các transistor không thu nhỏ đủ nhanh.
Các nhà nghiên cứu này đặc biệt nói về Big Chip như một con chip có hơn một nghìn tỷ transistor, nhưng những nguyên tắc thiết kế cơ bản được trình bày trong phân tích đã và đang tồn tại 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 chip nhỏ hơn) mỗi chip 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 xuất hiện từ hàng thập kỷ, nhưng ví dụ hiện đại nhất là với CPU Ryzen 3000, nơi AMD lần đầu tiên mang đến một thiết kế dựa trên chiplet cho bộ xử lý máy tính để bàn tiêu dùng.
Người dùng chơi game trên laptop Asus ROG Flow Z13, minh chứng cho khả năng của chip Big Chip
Chiplet hiện là một phần không thể thiếu của thế giới CPU, nhưng động lực thực sự cho kỷ nguyên Big Chip là đóng gói dị thể (heterogeneous packaging), kết hợp một đế CPU, đế GPU và bộ nhớ đầy đủ vào một gói duy nhất. Đây là điều mà Apple đã thực hiện vài năm trước với chip M-series của mình, cho phép những điều mà nếu không có kiến trúc này thì không thể thực hiện được trên máy tính để bàn, như chúng ta đã thấy với Mac Studio M3 Ultra. Intel đã thử nghiệm với chip Lunar Lake, cũng kết hợp GPU và bộ nhớ với CPU, trong khi AMD gần đây đã ra mắt chip Strix Halo – được biết đến với tên Ryzen AI Max – giống với thiết kế chip M-series của Apple hơn.
Ảnh CPU Ryzen 7 7800X3D minh họa thiết kế chiplet của AMD
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. Big Chip không giới hạn về kích thước hoặc khả năng. Ý tưởng là cung cấp mọi thứ bạn cần trong một gói duy nhất, bất kể khối lượng công việc của bạn có yêu cầu cao 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 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 tạo ra các yếu tố hình thức không thể có nếu không có một Big Chip ở trung tâm.
Lý do “Big Chip” trỗi dậy vào thời điểm này
Yếu tố kinh tế và công nghệ đã “khớp” với nhau
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 đi vào thực tiễn? 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 đã thấy chúng sớm hơn. Theo các nhà nghiên cứu Big Chip, kinh tế đóng một vai trò quan trọng. Dưới đây, bạn có thể thấy hai biểu đồ từ nghiên cứu. Bên phải là chi phí trên mỗi transistor khi diện tích đế tăng lên với nút tiến trình 14nm. Bên trái là biểu đồ tương tự nhưng với nút tiến trình 5nm.
Biểu đồ so sánh chi phí trên mỗi transistor của chiplet và chip nguyên khối
Quan điểm kinh tế khá rõ ràng khi nhìn vào biểu đồ này. Bất kể diện tích, việc sản xuất một đế nguyên khối với nút tiến trình 14nm khả thi về mặt kinh tế hơn nhiều, nhưng với nút tiến trình 5nm, chiplet là con đường tối ưu khi kích thước tăng lên. Đối với tổng chi phí hệ thống, hãy xem biểu đồ dưới đây. Một lần nữa, kinh tế nghiêng về phía đế nguyên khối với nút tiến trình 14nm, nhưng thiết kế chiplet lại vượt trội với nút 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
Nó bắt đầu nhỏ, với AMD ra mắt Ryzen 3000 sử dụng các chiplet giống hệt nhau. Đây là kiến trúc phân tách nhưng không dị thể. Intel đã tận dụng kiến trúc CPU dị thể bắt đầu từ chip Alder Lake thế hệ thứ 12, trong khi Qualcomm và Apple đã đi trước với các thiết kế dị thể hoàn chỉnh. Hiện tại, AMD và Intel đều có những thiết kế tương tự, và AMD thậm chí đã đẩy mạnh các cấu hình đóng gói độc đáo hơn với CPU 3D V-Cache của mình – vốn cũng được nhắc đến trong nghiên cứu.
Những kết quả ấn tượng từ công nghệ Big Chip
Không có nhiều nhược điểm đáng kể
Mặc dù có khả năng ý tưởng về Big Chip có thể xâm nhập vào máy tính để bàn vào 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 lẽ còn vài năm nữa. Không ai đang loại bỏ CPU và GPU rời của bạn, và với tư cách là người 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 thứ không thể có với các thành phần rời rạc.
Tôi đã nhắc đến Mac Studio M3 Ultra, và đó là một ví dụ điển hình về sức mạnh mà một Big Chip có thể mang lại. Nó không chỉ nhanh hơn bất kỳ chip flagship tiêu dùng nào, mà còn đi kèm với bộ nhớ hợp nhất (unified memory) khổng lồ 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 năng giống hệt nhau vì mọi thứ đều là một phần của cùng một con chip. Sẽ là không thể với phần cứng quy mô 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 phát hành các phiên bản của thiết bị lai máy tính bảng/laptop này trước đây, mặc dù luôn với một CPU và GPU di động rời, 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 hơn gấp hai hoặc thậm chí ba lần so với một laptop gaming truyền thống với GPU rời. Đó là những cải tiến đáng kể.
Tương lai đầy hứa hẹn
Mọi thứ chỉ mới thực sự bắt đầu đối với thiết kế Big Chip, và tôi nghi ngờ rằng đó 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 sức mạnh cho các ứng dụng máy tính để bàn với một số thỏa hiệp hợp lý.
Công nghệ Big Chip hứa hẹn sẽ tiếp tục đẩy lùi giới hạn về hiệu năng, hiệu quả năng lượng và khả năng tích hợp. Với những lợi ích rõ ràng mà nó mang lại, Big Chip chắc chắn sẽ là một trong những động lực chính định hình tương lai của ngành công nghiệp bán dẫn và các thiết bị điện toán chúng ta sử dụng hàng ngày.
Hãy chia sẻ ý kiến của bạn về tương lai của công nghệ chiplet và Big Chip trong phần bình luận bên dưới!