Trung tâm đào tạo thiết kế vi mạch Semicon

Login

Username: Password:

Forgot your password? Forgot your username?
ĐĂNG KÝ TÀI KHOẢN ĐỂ TRUY CẬP NHIỀU TÀI LIỆU HƠN!

Create an account

Skip to content

Bí kíp qua mặt định luật Moore: Làm CPU dạng chiplet

Sunday, 03 March 2019 18:19 Semicon Editor 01

Nhắc lại quá khứ. Năm 1965, đồng sáng lập Intel, Gordon Moore đã đưa ra dự đoán sau này trở thành kim chỉ nam cho ngành công nghệ bán dẫn: Cứ mỗi hai năm, lượng transistor trên một con chip xử lý sẽ tăng gấp đôi. Nhiều transistor hơn dĩ nhiên đồng nghĩa với tốc độ xử lý của CPU sẽ nhanh hơn, và trong nhiều thập niên, ngành máy tính thế giới đã phát triển đúng theo định luật đó, đều đặn như vắt chanh.

Nhưng rồi, kể từ năm 2016 đến nay, tốc độ phát triển của công nghệ CPU cũng như khả năng nhồi nhét transistor xử lý vào trong một con chip bán dẫn bắt đầu chậm lại.

Cũng trong năm 2016, tờ MIT Technology Review có một dòng title táo bạo: “Định luật Moore đã chết. Giờ sao?”. Đến đầu năm 2018, tờ The Register cũng làm điều tương tự. Nếu anh em để ý tới thị trường máy tính vài năm trở lại đây, ắt cũng sẽ nhận ra xu hướng, rằng khác biệt giữa các thế hệ CPU từ phổ thông đến máy chủ cũng chỉ rơi vào khoảng 10 đến 12%, hiếm khi có thế hệ CPU nào mạnh hơn đời trước 15% nếu có cùng số nhân và luồng xử lý.

Thêm nữa, AMD và Intel đều đang bận cạnh tranh với nhau ở cả P/P lẫn chiến lược giá cả và sản phẩm, chứ không phải cố gắng tạo ra thế hệ CPU sau mạnh hơn trước theo định luật Moore.

Giải ngố ngắn gọn cho anh em không quan tâm tới công nghệ sản xuất CPU. Trước đây các hãng sử dụng triết lý thiết kế monolithic, đặc biệt là Intel. Một con CPU sẽ được tạo ra từ vật liệu bán dẫn, cụ thể hơn là silicon. Bề mặt silicon để làm CPU gọi là “die”. Trên bề mặt của một die sẽ là hàng tỷ bóng bán dẫn (transistor) với nhiệm vụ xử lý thông tin từ transistor này sang transistor khác. Trong điều kiện lý tưởng thì diện tích die càng nhỏ, khoảng cách giữa các transistor càng ngắn thì tốc độ xử lý thông tin sẽ càng nhanh. Tương tự như vậy với việc tăng số lượng transistor trên một con die.

Intel 8080

Năm 1974, microprocessor đầu tiên trên thế giới, Intel 8080 được tạo ra trên nền die 6mm. Sang năm, CPU của AMD sẽ được sản xuất trên tiến trình 7nm, nghĩa là nhỏ hơn con chip 45 năm về trước 1.000 lần, và tốc độ xử lý nhanh hơn gần 2.000 lần.

Nhưng rồi AMD tạo ra con chip Threadripper, với khác biệt rất lớn so với đời CPU HEDT trước đó. Nó có cả phiên bản 32 nhân xử lý, khiến công việc của những anh em làm clip, làm 3D đồ họa hay những tác vụ cần xử lý đa nhân trở nên vô cùng nhàn hạ. Lấy ví dụ một file 3D Blender mất 10 phút để render thì với con chip này của AMD, thời gian chỉ còn có 1 phút rưỡi, dựa trên benchmark của PCWorld.

AMD làm được điều đó nhờ áp dụng quy tắc thiết kế CPU dạng chiplet, nhiều die trong một CPU dưới dạng những module độc lập hoạt động cùng nhau. Giờ đây mọi chip xử lý của AMD, từ Ryzen, đến Threadripper và Epyc đều sử dụng một công nghệ có tên Infinity Fabric. Nó là một công nghệ tăng tốc độ bus giúp những CPU nhiều die dạng chiplet của AMD vượt qua khuyết điểm vốn có của CPU nhiều die, đó là độ trễ giữa các die với nhau.

Thiết kế CPU dạng chiplet không mới, nhưng khó ở chỗ làm thế nào để khiến tất cả những transistor trên từng die riêng biệt làm việc thống nhất như khi chúng ở trên cùng một die như CPU dạng monolithic. AMD với công nghệ Infinity Fabric đã giải quyết được vấn đề độ trễ giữa các die với nhau.

Về cơ bản, chiplet design là một cách để gian lận qua mặt định luật Moore vì một con chip Threadripper có nhiều die chứ không phải 1 bề mặt silicon đồng nhất qua từng năm tháng như những thế hệ CPU cũ.

Đại diện AMD cho rằng: “Suy cho cùng thì định luật Moore cũng là để tích hợp nhiều công năng hơn vào một chiếc CPU, và chúng tôi nghĩ rằng phát triển chiplet không hề giúp lượng transistor trên một die tăng lên theo đúng định luật, mà thay vào đó giúp chúng tôi tạo ra những hệ thống có công năng và hiệu năng cao hơn so với những thế hệ CPU trước.”

Về phần Intel, vài năm trở lại đây họ đang chật vật với tiến trình 14nm và mãi vẫn chưa có Ice Lake sản xuất trên tiến trình 10nm, khiến AMD có thể bắt kịp với những sản phẩm bình dân và tầm trung có sức mạnh xử lý không tồi một chút nào so với số tiền bỏ ra mua chúng về lắp vào máy tính. Năm vừa rồi, Apple bán ra cả triệu chiếc iPhone và iPad dùng chip A12 sản xuất trên tiến trình 7nm, trong khi AMD đã có CPU Ryzen 12nm như Ryzen 7 2700X và Ryzen 5 2600X, cùng với đó là hứa hẹn CPU Zen 7nm trong năm 2019.

Computex 2018 vừa rồi cũng là thời điểm AMD vượt qua Intel xét về mặt sức hút truyền thông. Intel giới thiệu CPU Xeon W-3175X 28 nhân với cái giá 10.000 USD. Chỉ vài ngày sau đó, AMD giới thiệu Threadripper 2990WX, 32 nhân, giá chỉ cỡ 1.700 USD, đã bán từ tháng 08 năm ngoái, còn W-3175X giờ vẫn còn chưa có giá chính thức, con số 10 ngàn trên mới chỉ là leak hồi giữa tháng 12 vừa rồi.

Đó chính là lợi thế về mặt công nghệ khi AMD tìm cách qua mặt “lời sấm truyền” mang tên định luật Moore.

Thậm chí chính Intel cũng phải học hỏi đối thủ, khi tung ra CPU Kaby Lake-G với sự trợ giúp của chính AMD. Và dựa vào lần giao lưu này, Intel tạo ra một công nghệ khác có tên EMIB (Embedded Multi-die Interconnect Bridge), cho phép CPU, GPU, và 4GB bộ nhớ băng thông cao có thể hoạt động với tốc độ gần bằng băng thông xử lý trên cùng một die. Bên cạnh việc GPU tích hợp bắt đầu có sức mạnh tiệm cận với card đồ họa rời, vượt qua cả GTX 1050 trên laptop ở một số phép thử như Fire Strike và Time Spy của Futuremark 3D, thì công nghệ dựa trên chiplet design như thế này cũng rất đáng quan tâm.

Bản thân công nghệ EMIB cũng là phép thử cho CPU 10nm của Intel, một sản phẩm mới cũng ứng dụng thiết kế chiplet và công nghệ 3D stacking. Nếu như Infinity Fabric và EMIB xóa bỏ độ trễ giữa các die của chip xử lý, thì 3D stacking tạo ra những tầng transistor mới chồng lên nhau, gần giống như SSD sử dụng công nghệ 3D NAND để chồng các cell ghi dữ liệu đè lên nhau thay vì dàn trải ra như 2D NAND.

Bất lợi của 3D stacking với CPU là các transistor chồng lên nhau sẽ khiến tản nhiệt trở nên khó khăn. Ngay cả bây giờ với CPU sắp xếp các transistor “2 chiều”, tản nhiệt ở xung nhịp cao cũng đã là một vấn đề nan giải rồi, nhiều con chip cao cấp không đi kèm tản stock vì tản quạt chẳng thể nào gánh được lượng nhiệt quá lớn tỏa ra khi CPU hoạt động.

Nhưng nói gì thì nói, 3D stacking chính là một cách khác để đáp ứng định luật Moore, và nếu Intel hay AMD tìm ra cách xử lý nhiệt của sản phẩm, nó sẽ có tầm quan trọng cao hơn cả Infinity Fabric và EMIB. Theo giám đốc mảng phát triển và tích hợp sản phẩm của Intel, Ramune Nagisetty, 3D stacking sẽ giúp định luật Moore “tiến hóa”.

Như vậy là, thay vì chấp nhận cái chết của định luật Moore, và thỏa hiệp với những bất lợi vốn có của công nghệ sản xuất CPU hiện tại, các hãng đang dần tìm ra những cách nghĩ khác. Thay vì tạo ra một con CPU đơn lẻ với tốc độ ngày một cao, việc bỏ công nghệ monolithic CPU để tạo ra những sản phẩm dạng chiplet sẽ giúp ích rất nhiều trong việc tăng khả năng xử lý và hiệu năng của những cỗ máy tính trong tương lai gần.

Nguồn: Tinhte.vn