Có một sự thật mà chúng ta phải đối mặt trong ngành điện toán hiện nay: tốc độ tăng hiệu năng của vi xử lý đang giảm dần. Đã từng có thời hiệu năng CPU năm nay cao hơn năm trước từ 50% đến 60% là chuyện bình thường, nhưng giờ đây mức tăng 10-15% đã là đáng ghi nhận. May mắn là các tên tuổi hàng đầu trong lĩnh vực điện toán vẫn không bao giờ hài lòng với hiện tại. Vậy họ có "mánh mẹo" gì trong tay để giải quyết những vấn đề khi mà định luật Moore đang dần tiến đến thời điểm không còn đúng nữa?
Intel: cải tiến bóng bán dẫn
Định luật Moore, do một đồng sáng lập của Intel phát biểu, nói rằng số lượng bóng bán dẫn (transistor) trên mỗi con chip sẽ tăng xấp xỉ gấp 2 lần sau mỗi 24 tháng. Điều này có nghĩa là các bóng bán dẫn phải nhỏ đi để tăng mật độ transistor có mặt trên mỗi đơn vị diện tích chip. Những mọi vật chất sẽ có giới hạn vật lý của nó, chưa kể đến các giới hạn về công nghệ chế tạo và giá thành sản xuất. Hiện tại kích cỡ của mỗi bóng bán dẫn đang ở mức 14nm trong dòng CPU Broadwell mới nhất của Intel, tức là siêu siêu siêu siêu nhỏ.
Nhưng mỗi CPU không phải chỉ có vài ba bóng bán dẫn, nó có đến cả tỉ bóng như thế. Các bóng này càng nằm gần nhau thì những vấn đề liên quan đến nhiệt độ, mức độ tiêu thụ năng lượng càng trở nên phức tạp hơn, nhất là trong bối cảnh các hãng chip nói chung và Intel nói riêng phải cân bằng điều đó với hiệu năng, nếu không bạn sẽ có một con chip siêu mạnh như máy tính sẽ hết pin trong 69 giây, hoặc một con chip có thể giúp máy chạy cả tháng trời nhưng lại quá yếu.
Một đế CPU Intel Pentium 4 năm 1999
Chuck Mulloy, một trong những quản lý kĩ thuật sản xuất của Intel, cho biết: "Không có gì nghi ngờ rằng việc đó càng lúc càng khó hơn. Rất, rất khó. Ý tôi là chúng ta đã đạt đến cấp độ nguyên tử rồi".
Và để giữ cho tiến độ tăng trưởng của CPU được liên tục, Intel đã thực hiện nhiều thay đổi quan trọng với thiết kế của bóng bán dẫn trong vòng một thập kỷ qua. Ví dụ, vào năm 2002 hãng cho biết sẽ chuyển sang sử dụng các tinh thể silicon được điều chỉnh lại về mặt cấu trúc (strained silicon) để giúp tăng hiệu năng chip khoảng 10-20%.
Nhưng mạnh hơn có nghĩa là nhiều vấn đề phát sinh hơn. Cụ thể, khi các bóng bán dẫn thu nhỏ lại thì chúng bị một hiện tượng gọi là "rò rỉ electron", điều đó khiến hiệu suất hoạt động của chúng giảm sút. Để giải quyết vấn đề này, khi ra mắt quy trình sản xuất 45nm, Intel đã chuyển sang sử dụng các chất điện môi có hằng số điện môi cao (High K) thay cho Silic Dioxide truyền thống nhằm tăng điện dung của cổng bán dẫn mà không bị hiện tưởng rò rỉ. Công nghệ này hiện đã được nhiều hãng khác ứng dụng với cái tên "High K Metal Gate".
Năm 2012, khi những con chip Ivy Bridge bắt đầu xuất hiện, Intel lại ra mắt một công nghệ mới gọi là bóng bán dẫn 3 cổng, còn gọi là bán dẫn 3D. Trước đó các transistor chỉ có cấu tạo dạng phẳng với 2 cổng nằm ở hai bên với tác dụng vận chuyển electron, còn chip Ivy Bridge thì có thêm một cổng bên trên và dòng electron khi đó sẽ di chuyển thêm theo phương thẳng đứng. Thiết kế này đã giúp cải thiện đáng kể hiện tượng rò rỉ điện tử, trong khi giảm được năng lượng cần thiết. Nghe thì có vẻ đơn giản nhưng việc sản xuất bóng bán dẫn 3D là cực kì khó.
Vậy sắp tới Intel sẽ làm gì? Hãng không nói chính xác, nhưng Mulloy tiết lộ rằng bất kì công nghệ nào cũng có thể được sử dụng bởi Intel miễn là nó đáp ứng được yêu cầu. Công nghệ khắc bán dẫn bằng tin cực tím mới là một trong số những thứ đã được Intel nghĩ tới. Ngoài ra, Mulloy nhấn mạnh rằng Intel sẽ tiếp tục cải tiến những công nghệ trước đây chứ hãng sẽ không dừng lại.
"Người ta có xu hướng nghĩ rằng 'Intel đã dùng cái này rồi, giờ thì họ đang đi tìm kiếm cái khác'. Tuy nhiên, như bạn thấy thì strained silicon không biến mất khi chúng tôi bổ sung thêm high-k metal gate. High-k metal gate cũng không biết mất khi chúng tôi di chuyển sang bán dẫn ba cổng - chúng tôi tiếp tục phát triển và cải thiện dựa trên những cái đã có. Hiện tại chúng tôi đang có strained silicon thế hệ 4, high-k metal gate thế hệ 3 và con chip 14nm (Broadwell) thì dùng bán dẫn ba cổng thế hệ 2".
Ngoài ra, Intel còn tin rằng định luật Moore sẽ tiếp tục đúng trong khoảng 2 thế hệ thu nhỏ bán dẫn nữa là 10nm và 7nm (kỳ vọng vào năm 2018 này). Sau đó thì có thể hãng sẽ phải cân nhắc sử dụng đến các công nghệ mới hơn để làm chip.
AMD: Điện toán song song
Nếu như Intel dồn hết sức lực để cải thiện công nghệ bán dẫn thì đối thủ của hãng là AMD lại nghĩ rằng tương lai của thế giới điện toán sẽ phụ thuộc vào việc CPU chia bớt tác vụ qua những bộ xử lý khác để tăng hiệu năng. Hãng gọi đây là điện toán song song, và hiện tại thì "bộ xử lý khác" mà AMD đang lựa chọn chính là bộ xử lý đồ họa (GPU).
Sasa Marinkovic, một quản lý cấp cao về công nghệ sản xuất của AMD, hé lộ: "Việc thu nhỏ bán dẫn có thể tăng hiệu năng CPU lên thêm 6, 8 hoặc 10% qua từng năm. Nhưng việc bổ sung thêm GPU với khả năng tính toán sẽ mang lại lợi ích lớn hơn. Ví dụ, với Internet Explorer thì bản 8 sang bản 9 hiệu năng đã tăng 400%, gấp 4 lần so với thế hệ trước, và điều đó đạt được là nhờ vào tính năng tăng tốc bằng GPU trong IE9". Marinkovic còn mở ra khả năng giữ nguyên hiệu năng và giảm mạnh mức độ tiêu thụ điện, đó cũng là một cách nghĩ khác.
Một trong những công nghệ, hay gọi chính xác hơn là kiến trúc, mà AMD đang theo đuổi đó là kiến trúc hệ thống hỗn tạp (Heterogenous System Architecture - HSA). HSA tạo ra một một thiết kế vi xử lý tân tiến hơn với khả năng phối hợp cực tốt giữa các đơn vị tính toán trong hệ thống. Với HSA, các ứng dụng có thể khai thác một không gian địa chỉ chung (virtual address space), đồng thời được phép tạo ra những lệnh làm việc trên các phần cứng phù hợp nhất cho từng tác vụ khác nhau. Việc chia sẻ dữ liệu giữa các đơn vị tính toán, cụ thể hơn là giữa CPU và GPU, được đơn giản hóa đi rất nhiều.
AMD không phải là hãng duy nhất tham gia vào việc phát triển và ứng dụng HSA. Nhiều công ty đã cùng với AMD thành lập nên cả một tổ chức mang tên Hiệp hội HSA, trong đó có nhiều tên tuổi lớn như ARM, Qualcomm, MediaTek, Taxas Instrument, Samsung, Imagination. Tổ chức này sẽ giúp các nhà thiết kế hệ thống tích hợp nhiều thành phần tính toán với nhau (chứ không chỉ riêng gì CPU và GPU) theo cách có thể loại bỏ được sự thiếu hiệu quả trong việc chia sẻ dữ liệu và công việc giữa các thành phần này.
Marinkovic thừa nhận: "Phần mềm chính là chìa khóa. Khi bạn nhìn vào các dòng APU của chúng tôi với khả năng tương thích HSA và không có HSA, phần mềm sẽ phải tahy đổi. Nhưng chúng thay đổi là để tốt hơn... Mục tiêu của chúng tôi đó là lập trình viên chỉ cần viết mã một lần và có thể sử dụng khắp mọi nơi. Khi mà kiến trúc HSA được triển khai hết trong sản phẩm của các công ty thành viên (thuộc Hiệp hội HSA), hi vọng bạn có thể viết một phần mềm trên PC và vẫn có thể dễ dàng chạy nó trên smartphone hoặc tabley với chỉ vài thay đổi nhỏ".
Hiện tại cũng đã có nhiều phần mềm khai thác khả năng tính toán song song của GPU và chúng thường sử dụng các bộ hàm API như NVIDIA CUDA, DirectX, OpenCL... Ví dụ, phần mềm dựng phim nổi tiếng Adobe Premiere Pro nay đã hỗ trợ OpenCL.
OPEL: Tạm biệt silicon, xin chào gallium arsenide
Trong ngắn hạn, các giải pháp của những nhà sản xuất nói trên sẽ giải quyết được vấn đề. Nhưng trong dài hạn thì không. Nhiều chuyên gia tin rằng vào một thời điểm nào đó trong tương lai (chưa rõ là khi nào), silicon sẽ đạt đến giới hạn của nó và sẽ không thể nào thu nhỏ hơn được nữa. Các nhà sản xuất chip khi đó phải chuyển sang dùng một loại vật liệu khác. Một vài cái tên có thể kể đến như chất graphene và gallium arsenide (GaAs), và hợp chất thứ hai chính là thứ mà công ty OPEL Technologies đang theo đuổi.
Gallium arsenide hiện đang được sử dụng để sả xuất các thiết bị như: mạnh vi sóng, đèn LED hồng ngoài, diode laser, pin năng lượng mặt trời, cửa sổ cảm quang...
OPEL hiện đang sản xuất pin năng lượng mặt trời và hệ thống theo dõi điện mặt trời, nhưng họ cũng có một bộ phận nghiên cứu về phần mềm và chip. Từ lâu hãng đã nghiên cứu và điều chỉnh các công nghệ liên quan đến gallium arsenide như một phần trong nền tảng POET (Planar Opto Electronic Technology) của mình. OPEL còn bắt tay với Bộ quốc phòng Mỹ và nhiều nơi khác để cùng nghiên cứu và phát triển.
Cấu tạo tinh thể của Gallium arsenide
Hiện công nghệ của OPEL vẫn chưa sẵn sàng để sản xuất rộng rãi với chip xử lý, tuy nhiên công ty từng nói rằng ở kích cỡ 800nm, vi xử lý làm từ gallium arsenide nhanh hơn nhiều so với vi xử lý silicon hiện nay trong khi mức độ tiêu thụ điện chỉ bằng một nửa. Geoffrey Taylor, nhà khoa học trưởng của OPEL, nói rằng "nếu bạn muốn bắt kịp tốc độ của vi xử lý silicon hiện nay, ở khoảng 3GHz, bạn sẽ cần phải xuống tới các quy trình 20 hay 30nm. Bạn chỉ cần ở mức 200nm là đủ".
Ngoài ra, việc sản xuất chip gallium arsenide chỉ dùng công nghệ phẳng chứ không cần đến 3D như Intel. Nói cách khác, các con chip dạng này sẽ dễ sản xuất hơn vì người ta không phải thu nhỏ quá nhiều các linh kiện bên trong.
Nhưng cái gì cũng có hai mặt. Một trong những vấn đề lớn nhất của một vật liệu nào đó muốn thế chỗ silicon đó là người ta đã đầu tư quá nhiều vào silicon. Con số đó có thể lên tới hàng chục tỉ USD và chỉ để làm cho chip silicon trở nên hiệu quả hơn, mạnh mẽ hơn. Sẽ rất khó để thuyết phục các hãng lớn như Intel, AMD, ARM hay Hiệp hội HSA bỏ silicon để chuyển sang dùng một vật liệu mới.
Một tấm wafer gallium arsenide
Peter Copetti, CEO của OPEL, cho biết: "Điều này là rất quan trọng. Trong những cuộc thảo luận của chúng tôi với nhiều hãng sản xuất và công ty bán dẫn, điều đầu tiên họ hỏi đó là 'Tôi có phải trang bị lại các cơ sở sản xuất của mình hay không?'". May mắn là chip gallium arsenide cũng sử dụng một phần quy trình chế tạo hiện tại đang xài cho silicon. Chính vì thế, các khoản đầu tư để sản xuất con chip với vật liệu mới sẽ không quá lớn.
Một tổ chức tên là Lộ trình công nghệ quốc tế cho ngành bán dẫn để chỉ ra rằng gallium arsenide có thể là một ứng viên thay thế tiềm năng cho silicon trong khoảng năm 2018 đến 2026. Và để điều đó trở thành hiện thực thì vẫn còn rất nhiều chuyện cần làm.
Tạm kết
Đến đây thì bạn đã có được cái nhìn sơ lược về tương lai của các con chip máy tính. Các sáng kiến của Intel, AMD hay OPEL đã, đang và sẽ tiếp tục giải quyết từng vấn đề một trong ngành bán dẫn theo những cách khác nhau. Ngoài ra, vẫn còn những công nghệ khác đang tiếp tục được tích cực nghiên cứu, ví dụ như các con chip lượng tử, nhưng đó là lại một vấn đề khác. Chúng ta hãy tiếp tục chờ xem các nhà sản xuất sẽ làm gì để mang đến cho chúng ta những thiết bị mạnh hơn, chạy mát hơn và pin lâu hơn.
Tham khảo: PCWorld
Bạn Có Đam Mê Với Vi Mạch hay Nhúng - Bạn Muốn Trau Dồi Thêm Kĩ Năng
Mong Muốn Có Thêm Cơ Hội Trong Công Việc
Và Trở Thành Một Người Có Giá Trị Hơn
Bạn Chưa Biết Phương Thức Nào Nhanh Chóng Để Đạt Được Chúng
Hãy Để Chúng Tôi Hỗ Trợ Cho Bạn. SEMICON
