Từng là một giải pháp chuyên biệt nhằm tối đa hóa sản lượng silicon, công nghệ chiplet giờ đây đã trở thành chiến lược chủ đạo của ngành công nghiệp bán dẫn để cung cấp nhiều lõi hơn với chi phí thấp hơn. AMD là hãng tiên phong phổ biến cách tiếp cận này với các dòng Ryzen và EPYC. Intel, dù ban đầu có phần miễn cưỡng, cũng đã đi theo xu hướng này, 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 tối ưu binning, giảm chi phí wafer và khả năng mở rộng thiết kế linh hoạt, chúng cũng đi kèm với những sự đánh đổi mà các nhà sản xuất thường không muốn bạn quá bận tâm.
Từ Thiết Kế Nguyên Khối Đến Kỷ Nguyên Chiplet: Sự Tiến Hóa Và Những Thách Thức
Sản Xuất Tiết Kiệm Hơn, Nhưng Độ Trễ Lại Cao Hơn
Giấc mơ về một khuôn chip nguyên khối duy nhất với độ trễ thấp, băng thông cao và không có chi phí kết nối phụ trội vẫn còn là một điều gì đó xa vời trong các thiết kế bộ xử lý hiện đại. Việc chuyển sang thiết kế chiplet đã làm tăng thêm độ phức tạp. Mỗi die bổ sung đồng nghĩa với việc có thêm một bộ phận kết nối (interconnect). Dù các nhà cung cấp luôn ca ngợi các liên kết die-to-die siêu tốc của họ, thực tế là độ trễ tăng lên, hạn chế băng thông xuất hiện và phần mềm cần phải điều chỉnh để tương thích. Chẳng hạn, Infinity Fabric của AMD đã trưởng thành đáng kể kể từ kiến trúc Zen 2, nhưng nó vẫn tạo ra những “hình phạt” nhất định so với một thiết kế nguyên khối truyền thống.
CPU Intel Core i9-14900K và AMD Ryzen 9 cạnh nhau, minh họa cho sự cạnh tranh trong công nghệ chiplet.
Vậy độ trễ có ý nghĩa gì trong thực tế? Độ trễ trong mối tương quan với bộ xử lý và hiệu suất là khoảng thời gian để thông tin di chuyển từ điểm A đến điểm B. Thời gian thông tin di chuyển càng lâu thì độ trễ càng lớn khi thông tin đến đích. Với các thiết kế bộ xử lý nguyên khối, 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, về lý thuyết, điều này có nghĩa là thông tin đến đích nhanh hơn.
Trong trường hợp các bộ xử lý dựa trên thiết kế chiplet, bộ phận kết nối như AMD Infinity Fabric giống như một đường cao tốc đóng vai trò là tuyến đường trực tiếp giữa A và B. Vấn đề khi thêm một đường cao tốc là nó tạo ra khoảng cách giữa A và B, và khoảng cách càng lớn thì thông tin càng phải di chuyển xa hơn, dẫn đến độ trễ vốn dĩ sẽ cao hơn.
Vậy tại sao độ trễ thấp lại quan trọng trong trường hợp này? Độ trễ cao hơn có thể đồng nghĩa với thời gian phản hồi chậm hơn trong các ứng dụng, hiệu suất chơi game thấp hơn, giảm tỷ lệ khung hình (FPS) quan trọng và giảm hiệu quả trong các tác vụ yêu cầu truy cập dữ liệu nhanh 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 yếu tố then chốt, việc giảm độ trễ là một thành phần quan trọng khi xem xét hiệu suất tính toán thô và hiệu quả tổng thể.
Khay đựng chip Intel Meteor Lake Core Ultra đang được lắp ráp, minh họa công nghệ chiplet và Foveros của Intel.
Tác động của những độ trễ kết nối này được cảm nhận rõ nhất trong các tác vụ có nhiều giao tiếp chéo chiplet, chẳng hạn như tính toán tài chính độ trễ thấp hoặc một số ứng dụng giao dịch tần số cao, nơi nanosecond cũng có ý nghĩa. Công nghệ xếp chồng Foveros của Intel đặt mục tiêu giảm thiểu những đánh đổi này với các kết nối TSV (through-silicon via) trực tiếp giữa các die. Tuy nhiên, nó cũng có những thách thức kỹ thuật riêng, như mật độ nhiệt tăng lên và sự phức tạp trong sản xuất, dẫn đến giảm sản lượng.
Ngoài ra, còn có vấn đề về hiệu quả năng lượng. Một thiết kế nguyên khối được hưởng lợi từ giao tiếp trực tiếp giữa các lõi, trong khi kiến trúc chiplet phụ thuộc vào interposer, cầu nối hoặc công nghệ đóng gói tiên tiến để các thành phần liên lạc với nhau. Điều này tạo ra các chi phí phụ trội, cả về năng lượng và diện tích die. Những sự kém hiệu quả này khó có thể biện minh cho các môi trường giới hạn năng lượng như laptop, nơi mỗi milliwatt đều quý giá. Không phải ngẫu nhiên mà Intel vẫn giữ các die nguyên khối 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.
Cấu trúc bộ xử lý Samsung Exynos 992, minh họa thiết kế SoC di động và thách thức hiệu quả năng lượng của chiplet.
Một sự gia tăng nhỏ trong 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 các thiết kế chiplet ít phù hợp hơn cho các tác vụ không bão hòa hoàn toàn tất cả các lõi 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 ngang bằng với hiệu suất cao nhất.
Hiệu suất chơi game cũng là một “nạn nhân”. Mặc dù các bộ xử lý AMD Ryzen 3D V-Cache, chẳng hạn như Ryzen 9 9950X3D mới nhất, đã chứng minh cách chiplet có thể được tinh chỉnh cho các tác vụ cụ thể, nhưng chi phí giao tiếp chéo chiplet vẫn dẫn đến thời gian khung hình biến động và các ứng dụng nhạy cảm với độ trễ. Ví dụ, dòng Ryzen 7000 đã cải thiện những vấn đề này, nhưng vấn đề cốt lõi vẫn còn. Có lý do tại sao một số trò chơi vẫn ưu tiên kiến trúc Raptor Lake nguyên khối của Intel hơn các triển khai Zen 4 và Zen 5 dựa trên CCD của AMD. 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, cache locality và các mẫu truy cập bộ nhớ. Khi một luồng trò chơi chạy trên một CCD nhưng cần dữ liệu trong bộ đệm L3 trên một CCD khác, nó phải di chuyển qua Infinity Fabric, điều này tạo ra một độ trễ có thể đo lường được. 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 hưởng lợi từ các tối ưu hóa như vậy. Đó là lý do tại sao, bất chấp những tiến bộ của AMD, một số trò chơi vẫn ưu tiên các triển khai nguyên khối tích hợp cao của Intel.
Thiết Kế Chiplet Phức Tạp Hơn, Nhưng Chi Phí Sản Xuất Tổng Thể Giảm
Thiết kế chiplet cũng tạo ra những thách thức về hậu cần sản xuất và kiểm định. Mỗi chiplet phải được kiểm tra riêng lẻ trước khi được đóng gói vào một gói cuối cùng, thêm các bước bổ sung vào quy trình sản xuất.
Điều này làm cho việc gỡ lỗi (debugging) và kiểm soát chất lượng trở nên khó khăn hơn, vì một lỗi trong một chiplet có thể làm hỏng toàn bộ gói đa die. Nhiệt độ cũng là một mối lo ngại khi các chiplet được trải rộng trên một đế thay vì trên một die silicon duy nhất. Việc tản nhiệt phải được kiểm soát cẩn thận để ngăn chặn các điểm nóng (hotspots), và nhu cầu về nguồn cấp điện bổ sung cùng định tuyến tín hiệu cũng tạo thêm các hạn chế cho thiết kế bo mạch chủ và hệ thống tản nhiệt.
CPU AMD Ryzen 9 9950X3D và Intel Core Ultra 9 285K đặt cạnh nhau, đại diện cho những bộ xử lý chiplet hiện đại.
Tất cả những điều này không có nghĩa là chiplet là một điều tồi tệ. Chúng là giải pháp cần thiết trong một thế giới nơi Định luật Moore đang dần suy yếu, và kinh tế sản xuất wafer đòi hỏi tối đa hóa sản lượng bằng mọi giá. Ngành công nghiệp đã vượt xa việc đóng gói nhiều bóng bán dẫn hơn vào một die duy nhất để phân chia thiết kế và ghép nối chúng lại bằng các liên kết tốc độ cao. Tuy nhiên, lần tới khi một công ty chip tuyên bố rằng họ đã “giải quyết” vấn đề độ trễ kết nối, hãy nhớ rằng các định luật vật lý không làm PR. Ngành công nghiệp đã phần nào hy sinh một phần hiệu suất để giảm chi phí sản xuất, và sự thỏa hiệp đó sẽ không sớm biến mất.
Chiplet Đang Cải Thiện, Nhưng Vẫn Còn Những Giới Hạn
Hướng Tới Tương Lai
Các nhà sản xuất chip lựa chọn thiết kế dựa trên chiplet hiện là tiêu chuẩn của ngành, nhưng chúng vẫn mang lại những hạn chế nhất định. Trong khi các nhà sản xuất tiếp tục tinh chỉnh các bộ phận kết nối, hay còn gọi là “con đường” nối các chiplet để giảm độ trễ tổng thể và những sự kém hiệu quả liên quan trong thiết kế, thì những sự đánh đổi cơ bản về phân mảnh, chi phí năng lượng phụ trội và độ phức tạp phần mềm không phải là điều sẽ biến mất chỉ sau một đêm. 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 vẫn là động lực chính thúc đẩy các lựa chọn thiết kế, giấc mơ về một giải pháp thay thế nguyên khối thực sự liền mạch sẽ không tạo ra bước đột phá theo cách mà bạn có thể nghĩ.
Dòng bộ xử lý AMD Ryzen 6000, ví dụ điển hình về sự phát triển của công nghệ chiplet và những cải tiến.
Hãy hình dung các bộ phận kết nối như những “đường ống”, và những đường ống này trong các kiến trúc cần được tối ưu hóa; việc đóng gói nhiều lõi 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 cân nhắc. Các bộ phận kết nối đang được cải thiện, nhưng để giải quyết triệt để các vấn đề, những đường dẫn này cần được tinh chỉnh thêm. Và đó là trách nhiệm của các nhóm thiết kế kỹ thuật để khắc phục những sự kém hiệu quả này, nhằm thúc đẩy các thiết kế dựa trên chiplet đạt được hiệu quả gần như nguyên khối, để những lợi ích mà các nhà sản xuất đang hướng tới như chi phí thấp hơn và sản lượng cao hơn được chia sẻ dưới dạng hiệu suất tốt hơn cho người tiêu dùng.
Tóm lại, công nghệ chiplet đã cách mạng hóa cách chúng ta thiết kế và sản xuất bộ xử lý, mang lại lợi ích rõ rệt về chi phí và khả năng mở rộng. Tuy nhiên, người dùng cũng cần hiểu rõ những đánh đổi về độ trễ, hiệu quả năng lượng và sự phức tạp kỹ thuật mà nó mang lại. Sự phát triển trong tương lai sẽ phụ thuộc vào việc cân bằng giữa những lợi ích kinh tế và việc tối ưu hóa hiệu suất để mang lại trải nghiệm tốt nhất.
Bạn nghĩ sao về công nghệ chiplet và những đánh đổi này? Hãy chia sẻ suy nghĩ của bạn trong phần bình luận và đừng quên theo dõi blogcongnghe.net để cập nhật những thông tin công nghệ mới nhất!