Kỷ Nguyên Siêu Chip: Cuộc Cách Mạng Trong Công Nghệ Bán Dẫn

Ngành công nghiệp chip đang trải qua một cú lật kỷ nguyên, với xu hướng phát triển mới: tạo ra các siêu chip khổng lồ thay vì thu nhỏ kích thước như trước đây.

Trong khi các nhà sản xuất như TSMC và Samsung đang tìm cách thu nhỏ các tiến trình chip đến mức tối ưu, thì hiện nay nhiều kỹ sư bán dẫn lại chọn một hướng đi trái ngược: làm cho các con chip trở nên to hơn. Điều này giống như sự mở rộng không gian trong các đô thị, khi mà những chip bên trong các thiết bị hiện đại đang trở nên lớn hơn, không còn phù hợp với cái tên gọi “vi chip”.

Để tăng cường khả năng xử lý, các chuyên gia đang chồng chất nhiều vi mạch lên nhau. Thay vì chỉ đơn thuần chồng các bóng bán dẫn, giờ đây họ còn kết hợp các tấm silicon như chip đồ họa, chip quản lý năng lượng và chip nhớ vào nhiều lớp để mở rộng hiệu suất.

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

Tình trạng này xảy ra do nhu cầu về tốc độ và tính năng của các con chip ngày càng cao, trong khi việc thu nhỏ kích thước bóng bán dẫn gặp phải nhiều hạn chế về kỹ thuật. Do đó, các kỹ sư đang tìm cách giảm khoảng cách giữa các chip để gia tăng khả năng truyền dữ liệu.

Hiện tại, kích thước của nhiều chip thường nhỏ như một đồng xu, nhưng đã xuất hiện một số chip lớn đến mức bằng cả một tấm thẻ bài hoặc thậm chí là một chiếc đĩa.

Những con chip mới này không chỉ giới hạn trong các siêu máy tính mạnh nhất mà còn được sử dụng trong các thiết bị điện tử tiêu dùng. Ví dụ, bộ xử lý của Xbox mới từ Microsoft và PlayStation 5 từ Sony đều sử dụng các chip do AMD thiết kế. Apple cũng áp dụng thiết kế này cho chip M1 Ultra trong máy tính Mac Studio của họ. Intel cũng đang tận dụng công nghệ này cho bộ xử lý Ponte Vecchio dành cho các siêu máy tính và máy chủ dữ liệu.

Dù không vi phạm Định luật Moore, song rõ ràng rằng hiệu suất và tính năng của chip ngày càng được cải thiện. Ngay cả ASML, công ty sản xuất máy móc tiên tiến để sản xuất chip, cũng tin rằng việc chỉ thu nhỏ bóng bán dẫn không còn đủ để duy trì tốc độ phát triển của ngành công nghiệp này.

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

Xây Dựng Các Khu Đô Thị Chip

Khi nói đến việc phát triển chip lớn hơn, điều này cũng đòi hỏi sự cải tiến không nhỏ trong khâu đóng gói chip. Đây là công đoạn quan trọng sau khi quang khắc chip, nơi mà các nhà sản xuất kết nối các dây dẫn siêu mỏng trong chip và bọc vỏ cho chúng.

Trong các thiết bị truyền thống, một chip gửi và nhận sóng vô tuyến có thể kết nối với chip khác thông qua một “bus”. Tuy nhiên, với phương thức đóng gói chip mới, những chip độc lập này được kết nối trực tiếp với nhau để hình thành các siêu chip, như các tòa nhà cao tầng chồng lên nhau.

Subramanian Iyer, cựu giám đốc Bộ phận Đóng gói tại IBM, cho biết một chip thông thường dành một phần ba diện tích của nó cho mạch truyền tải dữ liệu. Do đó, việc thiết kế chip xếp chồng lên nhau cho phép tăng tốc độ liên lạc giữa các 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

Việc thiết kế chiplet mới đã áp dụng các mạch giao tiếp trực tiếp hơn, tạo ra một mạng lưới kết nối ngắn hơn và cho phép các chip hoạt động như một bộ xử lý khổng lồ. Ví dụ điển hình là chip đồ họa Ponte Vecchio từ Intel, với 63 chiplet khác nhau được xếp chồng, có tổng diện tích lên tới 3.100mm².

Chiplet chồng chất là tương lai không thể thiếu trong ngành công nghiệp.

Chíp nhớ 232 lớp của Micron.

Các chiplet này đã trở thành tiêu chuẩn trong chip nhớ, và hiện nay đang được áp dụng cho nhiều loại chip khác. Động lực cho xu hướng này đến từ nhu cầu ngày càng tăng của các công ty lớn tạo ra những bộ xử lý mới mạnh mẽ cho các ứng dụng trí tuệ nhân tạo, máy học và dịch vụ đám mây.

Cơ Hội Từ Chiplet

Marc Swinnen, giám đốc tiếp thị của Ansys, cho biết số lượng các dự án liên quan đến chiplet đã tăng gấp 20 lần từ năm 2019. Các công ty lớn như Intel và AMD đang hợp tác để phát triển một tiêu chuẩn mới cho chiplet, nhằm tạo điều kiện cho việc thiết kế chip dễ dàng hơn.

Tiêu chuẩn này dự kiến sẽ cho phép các nhà sản xuất chip tùy chọn các phần tốt nhất từ nhiều nhà cung cấp và kết hợp chúng lại. Điều này giống như việc xây dựng một thành phố lý tưởng từ những phần tốt nhất.

Tuy nhiên, một số chuyên gia như tiến sĩ Kumar từ Đại học Illinois tỏ ra hoài nghi về thành công của tiêu chuẩn này, cho rằng việc chuẩn hóa khó khăn do thiếu sự hợp tác giữa các bên trong ngành.

Trong khi đó, nhu cầu về siêu chip cũng đến từ việc gia tăng yêu cầu về sức mạnh cho các dịch vụ đám mây, smartphone và máy chơi game, nhất là khi sự phát triển trong lĩnh vực trí tuệ nhân tạo đang tăng chóng mặt.

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

AMD cũng đã thu hút sự chú ý với các bộ xử lý chiplet kết hợp với công nghệ 3D, cho phép tăng tốc độ tính toán mà không cần phức tạp hóa thiết kế.

Tương Lai Của Siêu Chip

Các kỹ sư đang tìm kiếm cách cải tiến khả năng xử lý nhằm đáp ứng nhu cầu công nghệ ngày càng cao. Họ tin rằng siêu chip sẽ không chỉ dừng lại ở siêu máy tính mà sẽ xuất hiện trong các thiết bị điện tử di động.

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

Các chiplet không chỉ giúp tăng hiệu suất mà còn hứa hẹn tạo ra các thiết bị điện toán mới, linh hoạt hơn. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng các chiplet có thể kết nối với nhau qua các mạch dẻo trong thiết bị đeo, hoặc thậm chí là các hệ thống điện tử dẻo như cánh máy bay.

Nhìn chung, dù còn nhiều thách thức nhưng nỗ lực phát triển các chiplet sẽ thúc đẩy ngành công nghiệp chip tiến xa hơn nữa. Định luật Moore chỉ có thể tồn tại nếu chúng ta nắm bắt được các phát kiến vượt bậc này.