Đón Nhận Kỷ Nguyên Mới Của Siêu Chip: Tiến Hóa Thú Vị Trong Ngành Công Nghệ

Trong bối cảnh công nghệ ngày càng phát triển, một xu hướng mới đang nổi lên trong ngành sản xuất chip: làm cho các con chip trở nên lớn hơn để cải thiện hiệu suất.

Nhiều công ty như TSMC và Samsung đã từ lâu chạy đua với việc thu nhỏ kích thước chip, nhưng giờ đây, có một chiến lược mới đang dần hình thành: chồng chất nhiều vi mạch lên nhau. Điều này giống như việc xây dựng các tòa nhà cao tầng giữa những khu đô thị, với mục tiêu tối ưu hóa không gian và hiệu suất xử lý.

Để có thể mở rộng khả năng xử lý, các kỹ sư đang phát triển phương pháp xếp chồng các vi mạch, kết hợp nhiều thành phần như chip nhớ, chip quản lý năng lượng, và chip đồ họa thành một cấu trúc đa chiều.

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

Sự thay đổi này bắt nguồn từ nhu cầu không ngừng tăng trong việc sản xuất các chip nhanh hơn và tích hợp nhiều tính năng hơn, điều mà việc thu nhỏ bóng bán dẫn không thể đáp ứng do giới hạn kỹ thuật.

Chính vì vậy, các chuyên gia trong ngành đang tìm cách thu hẹp khoảng cách giữa các con chip để tăng tốc độ truyền tải dữ liệu, tương tự như việc rút ngắn khoảng cách giữa các khu vực thành phố giúp di chuyển nhanh hơn. Đến nay, một số chip đã có kích thước lớn tương đương với thẻ bài hoặc thậm chí một chiếc đĩa.

Những chip mới không chỉ có mặt trong các siêu máy tính mà còn có mặt trong các thiết bị tiêu dùng như console chơi game Xbox hay PlayStation 5. Đặc biệt, Apple đã áp dụng những thiết kế này cho bộ xử lý M1 Ultra trong dòng máy tính Mac Studio của họ, trong khi Intel cũng không ngừng đưa vào áp dụng cho bộ xử lý Ponte Vecchio.

Các chip mới này không phá vỡ định luật Moore, nhưng chúng mang lại hiệu suất và khả năng ngày càng tốt hơn. Ngay cả ASML, công ty sản xuất máy móc chip tiên tiến nhất, cũng cho rằng, chỉ việc thu nhỏ bóng bán dẫn không đủ để duy trì sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp.

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

Xây dựng thành phố silicon: Khó khăn và thách thức

Cũng như một thành phố mở rộng, nếu không thể giảm thiểu kích thước các thành phần con chip, việc mở rộng quy mô là điều tất yếu. Một ví dụ điển hình đáng chú ý là Singapore, một quốc đảo đã mở rộng diện tích đất lên đến 25% trong 50 năm qua.

Việc sản xuất chip lớn cũng gặp không ít thách thức. Hãy tưởng tượng việc cần sắp xếp các vi mạch vào vị trí với độ chính xác tính bằng nanomet và kết nối chúng mà không cần dùng đến mỏ hàn siêu nhỏ.

Một trong những bước quan trọng chính là giai đoạn đóng gói chip. Đây là quá trình kết nối các dây dẫn siêu nhỏ trong chip và bọc kín chúng trước khi lắp vào bo mạch. Vấn đề này thường bị xem nhẹ nhưng lại thiết yếu trong quy trình sản xuất chip.

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 môi trường truyền thống, một chip gửi nhận tín hiệu vô tuyến thường kết nối với chip khác qua một mạch được gọi là bus, giống như những chiếc xe buýt đi lại trên đường phố. Tuy nhiên, với công nghệ đóng gói chip mới, giờ đây các chip có thể kết nối trực tiếp với nhau và hình thành nên các siêu chip.

Subramanian Iyer, cựu giám đốc bộ phận đóng gói của IBM, cho rằng một chip thông thường sẽ sử dụng gần 1/3 diện tích cho các mạch truyền tải thông tin, điều này không hiệu quả với năng lực của nó.

Việc xếp chồng các chip giúp tăng tốc độ trao đổi thông tin bằng cách cho phép kết nối trực tiếp nhiều hơn giữa chúng, giống như việc di chuyển bằng thang máy giữa các tầng trong một tòa nhà so với việc đi bộ qua đường để gặp hàng xóm.

Chíp nhớ 232 lớp của Micron.

Trên thực tế, chip nhớ đã áp dụng tiêu chuẩn này từ lâu. Micron Technology đã chế tạo chip nhớ gồm 232 lớp, nhưng thiết kế này giờ đây bắt đầu lan rộng sang các dòng chip khác.

Nền tảng cho các siêu chip và thiết kế chồng lên nhau là chiplet, một loại chip mới giúp bỏ qua các mạch giao tiếp cũ để kết nối trực tiếp với các chiplet khác. Bằng cách tạo ra kết nối ngắn và trực tiếp, thường sử dụng loại silicon sản xuất từ chính các chip, các chiplet có thể kết hợp với nhau thành các siêu chip lớn và hoạt động như một bộ xử lý đồ sộ.

Ví dụ điển hình chính là bộ xử lý đồ họa Ponte Vecchio mà Intel gần đây giới thiệu, bao gồm 63 chiplet được xếp chồng lên nhau với tổng diện tích 3.100mm², chứa tới 100 tỷ bóng bán dẫn. So với CPU thông thường có kích thước khoảng 150mm² và chỉ khoảng 1,5 tỷ bóng bán dẫn, Ponte Vecchio cho thấy sức mạnh vượt trội.

Thiết kế chiplet chồng chất trở thành phương hướng phát triển của Intel, với nhiều bộ xử lý mới đều được sản xuất dựa trên công nghệ này, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất chip nhanh hơn và hiệu quả hơn.

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

Các công ty tiên phong trong công nghệ chiplet như AMD cũng đã sản xuất các bộ xử lý tích hợp chiplet bên trong để gia tăng sức mạnh xử lý mà không cần mở rộng kích thước chip.

Xây dựng một tương lai mới cho ngành chip

Marc Swinnen, giám đốc tiếp thị của Ansys cho biết, trong khi siêu chip dựa trên chiplet vẫn chưa phổ biến, nhưng xu hướng này đang phát triển nhanh chóng trong ngành công nghiệp chip. Ansys là công ty phát triển phần mềm mô phỏng vật lý, giúp trong quy trình thiết kế chip.

Số lượng dự án liên quan đến chiplet chồng lên nhau đã tăng gấp 20 lần chỉ trong ba năm qua. Vào tháng Ba, một liên doanh trong ngành chip mang tên Universal Chiplet Interconnect Express (UCIe) đã công bố hợp tác với Intel và AMD để phát triển một tiêu chuẩn mới.

Tiêu chuẩn này sẽ cho phép bất kỳ công ty nào cũng có thể sản xuất chiplet có thể tương thích với sản phẩm của các nhà sản xuất khác, giúp tương tác giữa các chiplet trở nên dễ dàng hơn.

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

Hy vọng rằng trong tương lai, bất kỳ ai cũng có thể mua chiplet từ các công ty khác và ghép chúng lại theo mong muốn, nhờ những tiêu chuẩn mở này. Điều này giống như việc xây dựng một thành phố trong mơ bằng cách kết hợp những phần tốt nhất từ nhiều thành phố khác nhau.

Nhưng không phải ai cũng tin vào tính khả thi của tiêu chuẩn này. Tiến sĩ Kumar từ Đại học Illinois cho rằng: “Tiêu chuẩn hóa mọi thứ trong ngành là một thử thách lớn, vì cần nhiều thỏa hiệp và không phải ai cũng có động lực để hợp tác với nhau.”

Sự thúc đẩy cho công nghệ chiplet chính là nhu cầu ngày càng cao từ những gã khổng lồ như Amazon, Google hay Tesla, mong muốn phát triển những bộ xử lý với năng lực mạnh mẽ hơn cho các dịch vụ như điện toán đám mây, smartphone và xe tự lái.

Thêm vào đó, sự gia tăng trong nhu cầu sử dụng trí tuệ nhân tạo và máy học đã thúc đẩy sự phát triển của các hệ thống chip mới. Những công ty đang tìm cách đáp ứng nhu cầu này có thể chọn xây dựng chip khổng lồ, nhưng chiplet có thể mang lại giải pháp hiệu quả hơn để tạo ra những bộ xử lý AI mạnh mẽ và nhỏ gọn.

Ứng dụng từ siêu máy tính đến thiết bị cá nhân

Không chỉ dừng lại ở các hệ thống tính toán hiệu năng cao, xu hướng siêu chip còn có thể đưa công nghệ này vào những thiết bị ưu tiên tuổi thọ pin.

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

Theo tiến sĩ Kumar, các chiplet sẽ ngày càng kết nối cùng nhau hơn qua các khoảng cách xa hơn với công nghệ hiện đại. Điều này tưởng chừng như không hợp lý vì khoảng cách lớn có thể làm tăng độ trễ, nhưng nhờ việc kết nối linh hoạt hơn, các chip nhỏ hơn có thể tạo ra những máy tính sáng tạo hơn.

Dự án của tiến sĩ Kumar đã chứng minh rằng chiplet có thể kết nối với các mạch điện mềm trong các thiết bị đeo hoặc các hệ thống có thể quấn quanh bề mặt như cánh máy bay, từ đó mở ra hướng phát triển mới cho ngành công nghệ. Dù vẫn còn nhiều thách thức với siêu chip, nỗ lực phát triển các chiplet nhỏ hơn và khả năng kết hợp sẽ là bước tiến lớn cho ngành công nghiệp chip trong tương lai.