Từng là một giải pháp thích hợp để tối đa hóa sản lượng silicon, chiplet đã nhanh chóng trở thành chiến lược hàng đầu của ngành công nghiệp bán dẫn để cung cấp nhiều nhân xử lý hơn với chi phí thấp hơn. AMD là hãng tiên phong phổ biến cách tiếp cận này với dòng vi xử lý Ryzen và EPYC, Intel dù miễn cưỡng cũng phải theo sau, và giờ đây ngay cả NVIDIA cùng Qualcomm cũng đang bắt đầu áp dụng. Tuy nhiên, dù chiplet mang lại những lợi ích không thể phủ nhận như khả năng phân loại chip tốt hơn, chi phí wafer thấp hơn và thiết kế linh hoạt hơn, chúng cũng đi kèm với những đánh đổi mà các nhà sản xuất có lẽ không muốn bạn quá bận tâm.
Bộ xử lý Intel Core i9-14900K và AMD Ryzen 9
Từ thiết kế Monolithic đến Chiplet: Lợi ích và Những Đánh Đổi Không Mong Muốn
Ước mơ về một khuôn chip nguyên khối (monolithic) duy nhất với độ trễ thấp, băng thông cao và không có chi phí kết nối phụ trội vẫn còn là một giấc mơ xa vời trong các thiết kế bộ xử lý hiện đại. Việc chuyển sang kiến trúc chiplet đã thêm vào độ phức tạp đáng kể. Mỗi khuôn chip bổ sung đồng nghĩa với một bộ kết nối mới. Mặc dù các nhà cung cấp luôn ca ngợi tốc độ siêu nhanh của các đường liên kết giữa các khuôn chip, thực tế là độ trễ tăng lên, các hạn chế về băng thông xuất hiện và phần mềm cần phải được tối ưu tương thích. Ví dụ, công nghệ Infinity Fabric của AMD đã trưởng thành đáng kể kể từ thế hệ Zen 2, nhưng nó vẫn tạo ra những “hình phạt” so với một thiết kế monolithic truyền thống.
Ưu điểm về sản xuất và chi phí, nhưng đi kèm độ trễ cao hơn
Trong các thuật ngữ thực tế, độ trễ (latency) liên quan đến bộ xử lý và hiệu suất là thời gian cần thiết để thông tin truyền từ điểm A đến điểm B. Thời gian thông tin di chuyển càng lâu, độ trễ càng lớn và càng gây ra sự chậm trễ trong việc thông tin đến đích. Với các thiết kế bộ xử lý monolithic, nơi tất cả các thành phần chính của chip nằm trong một gói duy nhất, thông tin có ít khoảng cách hơn để di chuyển, điều này, về lý thuyết, có nghĩa là thông tin đến đích nhanh hơn.
Trong trường hợp các bộ xử lý dựa trên thiết kế chiplet, các kết nối nội bộ (interconnect) như Infinity Fabric của AMD, giống như một đường cao tốc hoặc đường quốc lộ đóng vai trò là tuyến đường trực tiếp giữa A và B. Vấn đề của việc thêm một đường cao tốc là nó tạo ra khoảng cách giữa A và B, và khoảng cách càng lớn, thông tin càng phải di chuyển xa hơn, có nghĩa là độ trễ vốn dĩ sẽ cao hơn.
Kỹ thuật viên đang kiểm tra các chip Intel Meteor Lake Core Ultra trong quy trình sản xuất
Vậy tại sao độ trễ thấp lại quan trọng trong trường hợp này? Độ trễ cao hơn có thể dẫn đến thời gian phản hồi chậm hơn trong các ứng dụng, hiệu suất chơi game thấp hơn, giảm khung hình quan trọng và giảm hiệu quả trong các tác vụ đòi hỏi quyền truy cập dữ liệu nhanh chóng và chính xác. Độ trễ cao hơn đồng nghĩa với hiệu suất thấp hơn, và trong một thế giới nơi sức mạnh xử lý là quan trọng, giảm độ trễ là một yếu tố then chốt khi xem xét hiệu suất tính toán thô và hiệu quả tổng thể.
Tác động của độ trễ kết nối này được cảm nhận rõ nhất trong các tác vụ có nhiều giao tiếp giữa các chiplet, chẳng hạn như tính toán tài chính có độ trễ thấp hoặc một số ứng dụng giao dịch tần số cao, nơi từng nano giây đều có giá trị. Giải pháp Foveros của Intel nhằm mục đích giảm thiểu những đánh đổi này bằng các kết nối TSV (through-silicon via) trực tiếp giữa các khuôn chip. Tuy nhiên, nó cũng có những thách thức kỹ thuật riêng, như mật độ nhiệt tăng lên và độ phức tạp sản xuất làm giảm năng suất.
Hiệu quả năng lượng và hiệu năng gaming: Những “nạn nhân” thầm lặng
Sau đó là hiệu quả năng lượng. Một thiết kế monolithic tận hưởng giao tiếp trực tiếp giữa các nhân, trong khi kiến trúc chiplet phụ thuộc vào interposer, cầu nối hoặc đóng gói tiên tiến để giữ cho các thành phần giao tiếp. Điều này tạo ra chi phí phụ trội, cả về điện năng và diện tích khuôn chip. Những sự kém hiệu quả này khó có thể biện minh cho các môi trường bị giới hạn năng lượng như laptop, nơi mỗi miliwatt đều quý giá. Không phải ngẫu nhiên mà Intel vẫn giữ các khuôn chip monolithic cho các bộ phận di động hiệu suất cao nhất của mình, trong khi áp dụng chiplet cho máy tính để bàn và máy chủ.
Sơ đồ kiến trúc chip Samsung Exynos 992
Một sự gia tăng nhỏ trong mức tiêu thụ điện năng do các liên kết kết nối bổ sung cũng có nghĩa là hiệu quả mở rộng năng lượng giảm sút ở mức sử dụng thấp hơn. Điều này có nghĩa là thiết kế chiplet ít phù hợp hơn cho các tác vụ không sử dụng hết tất cả các nhân có sẵn, và điều này có một số tác động nhỏ đối với các trường hợp sử dụng như phát lại đa phương tiện, duyệt web hoặc các tác vụ năng suất nhẹ, nơi sự đánh đổi về hiệu quả năng lượng có thể quan trọng không kém hiệu suất đỉnh.
Hiệu suất chơi game cũng là một “nạn nhân”. Mặc dù các bộ xử lý Ryzen 3D V-Cache của AMD, như Ryzen 9 9950X3D mới nhất, đã chứng minh cách chiplet có thể được tinh chỉnh cho các tác vụ cụ thể, chi phí giao tiếp giữa các chiplet vẫn dẫn đến thời gian khung hình biến động và ảnh hưởng đến các ứng dụng nhạy cảm với độ trễ. Ví dụ, dòng Ryzen 7000 đã cải thiện những vấn đề này, nhưng vấn đề gốc rễ vẫn còn. Có một lý do tại sao một số trò chơi vẫn ưa chuộng kiến trúc Raptor Lake monolithic của Intel hơn các triển khai Zen 4 và Zen 5 dựa trên CCD của AMD. Mặc dù vậy, AMD đã thu hẹp một số khoảng cách hiệu suất trong hầu hết các tác vụ.
Vấn đề không chỉ là độ trễ thô, vị trí cache và các mẫu truy cập bộ nhớ. Khi một luồng game chạy trên một CCD nhưng cần dữ liệu trong cache L3 trên một CCD khác, nó phải đi qua Infinity Fabric, điều này gây ra một độ trễ đáng kể. Các nhà phát triển game đã phải lập trình để giải quyết những vấn đề này, nhưng không phải tất cả các trò chơi đều được hưởng lợi từ những tối ưu hóa đó. Đó là lý do tại sao, bất chấp những tiến bộ của AMD, một số trò chơi vẫn ưa chuộng các triển khai monolithic tích hợp cao của Intel.
Thiết kế Chiplet: Thách thức lớn hơn về kỹ thuật và sản xuất
Thiết kế chiplet cũng tạo ra những thách thức về hậu cần sản xuất và xác minh. Mỗi chiplet phải được kiểm tra riêng lẻ trước khi được đóng gói trong một gói cuối cùng, thêm các bước bổ sung vào quy trình sản xuất.
So sánh CPU AMD Ryzen 9 9950X3D và Intel Core Ultra 9 285K
Độ phức tạp trong thiết kế, kiểm thử và quản lý nhiệt
Điều này làm cho việc gỡ lỗi và kiểm soát chất lượng trở nên khó khăn hơn, vì một lỗi trong một chiplet có thể phá hủy toàn bộ gói đa khuôn. Vấn đề nhiệt cũng được quan tâm khi các chiplet được trải rộng trên một đế nền thay vì trên một khuôn silicon duy nhất. Tản nhiệt phải được kiểm soát cẩn thận để ngăn chặn các điểm nóng, và nhu cầu về việc cung cấp điện bổ sung cùng định tuyến tín hiệu làm tăng thêm các hạn chế đối với thiết kế bo mạch chủ và hệ thống làm mát.
Đánh đổi hiệu năng lấy chi phí sản xuất?
Tất cả những điều này không phải để gợi ý rằng chiplet là một điều tồi tệ. Chúng là cần thiết trong một thế giới nơi Định luật Moore đang dần cạn kiệt, và các yếu tố kinh tế của sản xuất wafer đòi hỏi phải tối đa hóa sản lượng bằng mọi giá. Ngành công nghiệp đã tiến xa hơn việc đóng gói nhiều bóng bán dẫn hơn vào một khuôn chip duy nhất để phân chia thiết kế và kết nối chúng lại bằng các kết nối tốc độ cao. Nhưng lần tới khi một công ty chip nói rằng họ đã “giải quyết” vấn đề độ trễ kết nối, hãy nhớ rằng các định luật vật lý không làm việc theo quan hệ công chúng. Ngành công nghiệp đã phần nào hy sinh một số hiệu suất để đổi lấy chi phí sản xuất thấp hơn, và sự đánh đổi đó sẽ không biến mất sớm.
Tương lai của Kiến trúc Chiplet: Những cải tiến không ngừng nhưng vẫn còn hạn chế
Các nhà sản xuất chip lựa chọn thiết kế dựa trên chiplet hiện là tiêu chuẩn của ngành, nhưng chúng vẫn mang lại những nhược điểm. Mặc dù các nhà sản xuất tiếp tục tinh chỉnh các kết nối hoặc “con đường” nối các chiplet để giảm độ trễ tổng thể và những sự kém hiệu quả liên quan trong thiết kế, những đánh đổi cơ bản về sự phân mảnh, chi phí điện năng và độ phức tạp phần mềm không phải là điều sẽ biến mất chỉ sau một đêm.
Dòng vi xử lý AMD Ryzen 6000 series với thiết kế chiplet
Tương lai của các bộ xử lý dựa trên chiplet phụ thuộc vào việc giải quyết những thách thức này. Tuy nhiên, chừng nào việc tiết kiệm chi phí còn thúc đẩy các lựa chọn thiết kế, ước mơ về một giải pháp monolithic thực sự liền mạch sẽ không thể đột phá theo cách mà bạn có thể nghĩ. Hãy hình dung kết nối như một đường ống, và những đường ống này trong chuỗi cần được tối ưu hóa; đóng gói nhiều nhân hơn là tốt cho hiệu suất, nhưng các yếu tố như độ trễ, hiệu quả năng lượng và chi phí đều là những yếu tố cần xem xét. Các kết nối đang được cải thiện, nhưng để giải quyết triệt để các vấn đề, những “lối đi” này cần được tinh chỉnh hơn nữa, và việc khắc phục những sự kém hiệu quả này để đẩy các thiết kế dựa trên chiplet đạt được hiệu quả như monolithic, từ đó mang lại những lợi ích mà các nhà sản xuất đang hướng tới như chi phí thấp hơn và sản lượng cao hơn cho người tiêu dùng dưới dạng hiệu suất tốt hơn, là tùy thuộc vào các đội ngũ kỹ thuật.
Hãy chia sẻ ý kiến của bạn về kiến trúc chiplet và những đánh đổi của nó trong phần bình luận dưới đây!
