Trong bối cảnh Định luật Moore dần chậm lại, ngành công nghiệp bán dẫn đang đứng trước một “bức tường diện tích” (area-wall) đầy thách thức. Các nhà thiết kế chip không thể tiếp tục tăng diện tích đế chip (die area) một cách vô hạn vì nhiều lý do thực tế, từ kích thước reticle cho đến hiệu suất sản xuất. Chính trong thời điểm này, một nghiên cứu đột phá xuất bản trên tạp chí Fundamental Research năm 2024 đã đề xuất một lộ trình mới: khái niệm “Big Chip” – con chip lớn. Đây không chỉ là một ý tưởng lý thuyết mà còn là triết lý thiết kế đang định hình lại phần cứng PC hiện đại, mở ra một kỷ nguyên mới đầy hứa hẹn cho công nghệ chip.
Khái niệm “Big Chip” đại diện cho một bước tiến quan trọng, giải quyết các giới hạn cố hữu của kiến trúc chip nguyên khối truyền thống. Bằng cách tái định nghĩa cách chúng ta hình dung và chế tạo chip, “Big Chip” hứa hẹn mang lại hiệu năng vượt trội, hiệu quả năng lượng tối ưu và khả năng tích hợp linh hoạt, đồng thời định vị dancongnghe.net là nguồn thông tin hàng đầu về xu hướng công nghệ này cho độc giả Việt Nam.
Chip Intel Meteor Lake với kiến trúc chiplet và đóng gói tiên tiến
“Big Chip” Là Gì? Những Bằng Chứng Thực Tế Đã Xuất Hiện
Không còn là khái niệm xa lạ: Từ chiplet đến đóng gói dị thể
Vậy, chính xác thì “Big Chip” là gì? Theo các nhà nghiên cứu, đó là một con chip có kích thước lớn hơn “diện tích phơi sáng tối đa của máy in thạch bản tiên tiến nhất hiện có”. Về cơ bản, thiết kế chip được in lên silicon thông qua quy trình quang khắc (lithography), và diện tích in này có giới hạn nhất định, tạo ra một “bức tường diện tích”. Mặc dù có thể nhồi nhét nhiều bóng bán dẫn hơn vào một con chip, nhưng cuối cùng sẽ hết không gian trừ khi các bóng bán dẫn trở nên nhỏ hơn. Khi Định luật Moore chậm lại, tốc độ thu nhỏ bóng bán dẫn không còn đủ nhanh.
Các nhà nghiên cứu đặc biệt đề cập đến “Big Chip” như một con chip với hơn một nghìn tỷ bóng bán dẫn, nhưng các nguyên tắc thiết kế cơ bản đã được áp dụng trong thế giới công nghệ hiện nay. Thay vì tạo ra một đế chip nguyên khối (monolithic die), một con chip có thể chứa nhiều “chiplet” nhỏ hơn, mỗi chiplet 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 tồn tại hàng thập kỷ, nhưng ví dụ hiện đại và nổi bật nhất là với CPU Ryzen 3000 của AMD, đánh dấu lần đầu tiên kiến trúc dựa trên chiplet được đưa vào bộ xử lý máy tính để bàn tiêu dùng.
Hình ảnh minh họa CPU AMD Ryzen 7 7800X3D sử dụng công nghệ chiplet và 3D V-Cache
Chiplet giờ đây đã trở thành một phần quen thuộc của thế giới CPU, nhưng động lực thực sự cho kỷ nguyên “Big Chip” chính là công nghệ đóng gói dị thể (heterogeneous packaging). Công nghệ này cho phép kết hợp một đế CPU hoàn chỉnh, một đế GPU và bộ nhớ vào một gói duy nhất. Apple đã tiên phong trong lĩnh vực này vài năm trước với các chip dòng M của mình, cho phép tạo ra những khả năng mà trước đây không thể có trên máy tính để bàn, như chúng ta đã thấy với Mac Studio M3 Ultra. Intel cũng đã “nhúng chân” vào với chip Lunar Lake, kết hợp GPU và bộ nhớ với CPU, trong khi AMD gần đây đã ra mắt chip Strix Halo – còn gọi là Ryzen AI Max – với thiết kế tương tự các chip dòng M của Apple.
Các hệ thống SoC (System-on-a-Chip) và SBC (Single-Board Computer) đã tồn tại nhiều năm, nhưng các thiết kế “Big Chip” này mở rộng đáng kể khả năng của chúng. “Big Chip” không bị giới hạn bởi một kích thước hoặc khả năng nhất định. Ý tưởng là cung cấp mọi thứ bạn cần trong một gói duy nhất, bất kể khối lượng công việc của bạn có đòi hỏi 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 các chip M-series cao cấp của Apple, những thiết kế này mang lại hiệu năng vượt trội và hiệu quả năng lượng ấn tượng, đồng thời cho phép tạo ra các yếu tố hình thức (form factor) không thể có nếu không có một “Big Chip” làm trung tâm.
Người dùng trải nghiệm chơi game trên laptop Asus ROG Flow Z13 với hiệu năng "Big Chip"
Vì Sao “Big Chip” Trở Thành Xu Hướng Bùng Nổ Hiện Nay?
Yếu tố kinh tế và sự phát triển công nghệ then chốt
Nếu chiplet và SoC đã tồn tại nhiều năm (hoặc thậm chí hàng thập kỷ), tại sao chúng ta chỉ mới thấy ý tưởng “Big Chip” được áp dụng rộng rãi gần đây? Đây là một câu hỏi hợp lý. Mặc dù các tiến bộ trong công nghệ đóng gói và kết nối là cần thiết, nhưng chắc chắn chúng ta có thể thấy những điều đó sớm hơn. Theo các nhà nghiên cứu về “Big Chip”, yếu tố kinh tế đóng vai trò then chốt.
Biểu đồ so sánh chi phí trên mỗi bóng bán dẫn giữa chiplet và chip nguyên khối theo diện tích die
Các biểu đồ từ nghiên cứu cho thấy rõ ràng quan điểm kinh tế. Ở tiến trình 14nm, việc sản xuất một đế chip nguyên khối kinh tế hơn nhiều so với chiplet, bất kể diện tích. Tuy nhiên, với tiến trình 5nm, chiplet trở thành lựa chọn ưu việt hơn khi kích thước tăng lên.
Biểu đồ so sánh chi phí hệ thống giữa kiến trúc chiplet và chip nguyên khối
Đối với tổng chi phí hệ thống, biểu đồ trên cũng chỉ ra điều tương tự. Một lần nữa, ở tiến trình 14nm, yếu tố kinh tế vẫn nghiêng về đế chip nguyên khối, nhưng với tiến trình 5nm, thiết kế chiplet lại chiếm ưu thế. Có vẻ như những yếu tố kinh tế này đang thúc đẩy các công ty như AMD, Intel và Apple tiếp tục đầu tư vào kiến trúc dị thể (heterogeneous architectures) và công nghệ đóng gói tiên tiến.
Xu hướng này bắt đầu nhỏ gọn, với AMD ra mắt Ryzen 3000 sử dụng các chiplet giống hệt nhau – một thiết kế phân tách nhưng chưa 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 nay, AMD và Intel đều sở hữu các 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 – một công nghệ cũng được tham khảo trong nghiên cứu.
Tác Động Thực Tiễn Và Lợi Ích Khổng Lồ Của “Big Chip”
Hiệu năng đột phá và hiệu quả năng lượng vượt trội
Mặc dù ý tưởng “Big Chip” có thể sẽ thâm nhập vào thị trường máy tính để bàn ở một thời điểm nào đó trong tương lai (ví dụ như Framework đang thử nghiệm với mô-đun điện toán Ryzen AI Max), nhưng điều đó có thể còn mất vài năm nữa. Tuy nhiên, rõ ràng là “Big Chip” đang có những tác động lớn đến các yếu tố hình thức khác, và chúng đã cho phép tạo ra những điều không thể thực hiện được với các thành phần rời rạc.
Mac Studio M3 Ultra là một ví dụ điển hình về sức mạnh mà “Big Chip” có thể mang lại. Không chỉ nhanh hơn bất kỳ chip flagship tiêu dùng nào, nó còn đi kèm với một lượng bộ nhớ hợp nhất (unified memory) khổng lồ lên tới 512GB. Đây là một trong những ưu điểm lớn của thiết kế “Big Chip”: bộ nhớ được chia sẻ giữa cả CPU và GPU với hiệu suất đồng nhất vì mọi thứ đều là một phần của cùng một con chip. Sẽ là không thể với phần cứng cấp 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 Flow Z13. Asus đã phát hành các phiên bản của chiếc máy tính bảng/laptop hybrid này trước đây, nhưng luôn sử dụng CPU và GPU di động rời, làm giảm đáng kể thời lượng pin của thiết bị. Với việc mọi thứ nằm trong một gói duy nhất nhờ chip Ryzen AI Max, thiết bị này tự hào có thời lượng pin cao hơn hai hoặc thậm chí ba lần so với một laptop gaming truyền thống với GPU rời. Đây là những cải tiến lớn lao.
Tương lai rộng mở cho ngành công nghiệp chip
Mọi thứ mới chỉ bắt đầu cho thiết kế “Big Chip”, và chúng tôi dự đoán rằng đây sẽ là 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 rằng thiết kế này đủ mạnh mẽ cho các ứng dụng máy tính để bàn với một số thỏa hiệp hợp lý.
“Big Chip” không chỉ là một khái niệm công nghệ mới mà còn là một giải pháp kinh tế và kỹ thuật tối ưu, giúp ngành bán dẫn vượt qua những giới hạn hiện tại. Với khả năng tích hợp vượt trội, hiệu năng mạnh mẽ và hiệu quả năng lượng ấn tượng, kỷ nguyên “Big Chip” hứa hẹn sẽ định hình lại thị trường thiết bị điện toán từ di động đến cao cấp.
Hãy chia sẻ ý kiến của bạn về tầm ảnh hưởng của kiến trúc “Big Chip” đối với tương lai công nghệ trong phần bình luận bên dưới!
