Từng là một giải pháp chuyên biệt nhằm tối đa hóa năng suất silicon, kiến trúc chiplet giờ đây đã trở thành chiến lược hàng đầu trong ngành công nghiệp bán dẫn để mang lại nhiều nhân xử lý hơn với chi phí thấp hơn. AMD tiên phong phổ biến cách tiếp cận này với các dòng sản phẩm Ryzen và EPYC, sau đó Intel miễn cưỡng làm theo, và hiện tại cả NVIDIA lẫn Qualcomm cũng đang áp dụng. Tuy nhiên, dù chiplet mang lại những lợi ích không thể phủ nhận, bao gồm phân loại chip tốt hơn, chi phí wafer thấp hơn và khả năng mở rộng thiết kế linh hoạt, chúng cũng đi kèm với những đánh đổi mà các nhà sản xuất thường không muốn đề cập.
Kiến trúc chiplet đại diện cho một bước tiến quan trọng trong thiết kế bộ xử lý hiện đại, chuyển từ một khối silicon nguyên khối khổng lồ chứa tất cả các thành phần sang việc chia nhỏ các chức năng thành nhiều “chiplet” nhỏ hơn, được sản xuất riêng lẻ và sau đó ghép nối lại với nhau trên một đế bán dẫn chung. Sự chuyển đổi này không chỉ đơn thuần là thay đổi cấu trúc, mà còn là một phản ứng chiến lược trước những thách thức ngày càng tăng của Định luật Moore và kinh tế sản xuất chip. Với việc các quy trình sản xuất ngày càng phức tạp và đắt đỏ, khả năng sản xuất một die silicon khổng lồ mà không gặp lỗi trở nên khó khăn và tốn kém hơn bao giờ hết. Chiplet giúp giảm rủi ro, tăng cường tính linh hoạt và quan trọng nhất là hạ thấp chi phí sản xuất ở quy mô lớn, tạo tiền đề cho sự phát triển của các bộ xử lý đa nhân mạnh mẽ hơn.
Bộ xử lý Intel Core i9-14900K và AMD Ryzen 9, đại diện cho hai kiến trúc chip khác nhau
Chuyển Mình Từ Thiết Kế Monolithic Sang Kiến Trúc Chiplet: Lợi Ích Đi Kèm Đánh Đổi Hiệu Năng
Ưu điểm nổi bật của chiplet là khả năng tận dụng tối đa các quy trình sản xuất khác nhau cho từng thành phần (ví dụ: nhân CPU sản xuất trên tiến trình tiên tiến, I/O sản xuất trên tiến trình cũ hơn, rẻ hơn), từ đó tối ưu hóa chi phí và tăng tỷ lệ sản xuất chip thành công (yield). Tuy nhiên, cái giá phải trả là sự gia tăng về độ phức tạp trong giao tiếp giữa các thành phần.
Chi Phí Sản Xuất Rẻ Hơn, Nhưng Độ Trễ Tăng Cao
Giấc mơ về một khối die 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 kiến trúc chiplet làm tăng thêm độ phức tạp. Mỗi die bổ sung đồng nghĩa với việc có thêm một bộ phận kết nối. Mặc dù các nhà cung cấp luôn ca ngợi về tốc độ siêu nhanh của các liên kết die-to-die, thực tế là độ trễ sẽ tăng lên, các giới hạn về băng thông sẽ xuất hiện, và phần mềm cần phải được tối ưu hóa tương ứng. Ví dụ, công nghệ Infinity Fabric của AMD đã trưởng thành đáng kể kể từ Zen 2, nhưng nó vẫn tạo ra những “hình phạt” so với một thiết kế nguyên khối truyền thống.
Vậy độ trễ có ý nghĩa gì trong thực tế? Độ trễ trong mối quan hệ với bộ xử lý và hiệu suất là khoảng 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 trong việc 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 quãng đường di chuyển ít hơn, 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 liên kết nội bộ (interconnect) như Infinity Fabric của AMD, giống như một đường cao tốc trực tiếp giữa điểm A và điểm 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 thì thông tin phải di chuyển càng xa, đồng nghĩa với việc độ trễ vốn dĩ sẽ cao hơn.
Kỹ thuật viên đang kiểm tra các chip Intel Meteor Lake Core Ultra, một ví dụ về kiến trúc chiplet
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 ứng dụng chậm hơn, hiệu suất chơi game thấp hơn, giảm tỷ lệ khung hình quan trọng và giảm hiệu quả trong các tác vụ đòi hỏi 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 yếu tố quan trọng, việc giảm độ trễ là một thành phần thiết yếu khi xem xét hiệu suất tính toán thô và hiệu quả tổng thể.
Ảnh hưởng của những 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 mà từng nanô giây đều có giá trị. Công nghệ xếp chồng Foveros của Intel nhằm mục đích 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, chẳng hạn như tăng mật độ nhiệt và độ phức tạp sản xuất làm giảm năng suất.
Hiệu Quả Năng Lượng: Thách Thức Lớn Cho Thiết Bị Di Động
Bên cạnh độ trễ, hiệu quả năng lượng cũng là một yếu tố cần cân nhắc. Một thiết kế nguyên khối tận hưởng giao tiếp trực tiếp từ nhân sang nhân, trong khi kiến trúc chiplet phụ thuộc vào các interposer, cầu nối hoặc công nghệ đóng gói tiên tiến để các mảnh giao tiếp với nhau. Điều này tạo ra 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 miliwatt 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 bên trong của bộ xử lý Samsung Exynos, minh họa các thành phần liên kết trong thiết kế chip
Một sự gia tăng nhỏ về mức tiêu thụ điện năng do các liên kết kết nối bổ sung cũng có nghĩa là hiệu quả mở rộng năng lượng giảm 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 ngang với hiệu suất cao nhất.
Hiệu Suất Chơi Game: Vẫn Còn Những Khoảng Cách Cần Vượt Qua
Hiệu suất chơi game cũng là một “nạn nhân” của kiến trúc chiplet. Mặc dù các bộ xử lý AMD Ryzen 3D V-Cache, chẳng hạn như Ryzen 9 9950X3D mới nhất, đã chứng minh cách các chiplet có thể được tinh chỉnh cho các tác vụ cụ thể, nhưng chi phí giao tiếp cross-chiplet vẫn dẫn đến thời gian khung hình biến động và các ứng dụng nhạy cảm với độ trễ bị ảnh hưởng. 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 ưu tiên kiến trúc Raptor Lake nguyên khối của Intel hơn các triển khai Zen 4 và Zen 5 dựa trên CCD của AMD. Tuy nhiên, 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 game chạy trên một CCD nhưng cần dữ liệu trong bộ nhớ đệm 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 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.
Mặt dưới của CPU AMD Ryzen 9 9950X với các chân tiếp xúc, đại diện cho kiến trúc chiplet hiện đại
Sự Phức Tạp Trong Thiết Kế Chiplet: Hóa Giải Bằng Chi Phí Sản Xuất Tối Ưu
Mặc dù chiplet giúp giảm chi phí sản xuất tổng thể, chúng lại đưa ra những thách thức đáng kể về mặt thiết kế, sản xuất và kiểm soát chất lượng.
Thách Thức Về Sản Xuất và Kiểm Soát Chất Lượng
Thiết kế chiplet cũng tạo ra những thách thức về hậu cần trong 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.
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 làm hỏng toàn bộ gói đa die. Vấn đề nhiệt độ cũng là một mối quan tâm khi các chiplet được trải rộng trên một đế thay vì trên một die silicon duy nhất. Sự tản nhiệt phải được kiểm soát cẩn thận để ngăn chặn các điểm nóng, và nhu cầu về phân phối điện năng và định tuyến tín hiệu bổ sung thêm các ràng buộc cho thiết kế bo mạch chủ và hệ thống làm mát.
Bộ xử lý AMD Ryzen 9 9950X3D và Intel Core Ultra 9 285K đặt cạnh nhau, so sánh hai mẫu CPU hiệu năng cao
Tuy nhiên, tất cả những điều này không có nghĩa là chiplet là một điều tồi tệ. Chúng là một sự cần thiết trong một thế giới nơi Định luật Moore đang chậm lại, và kinh tế sản xuất wafer đòi hỏi phải tối đa hóa năng suất bằng mọi giá. Ngành công nghiệp đã vượt xa việc đóng gói nhiều bóng bán dẫn hơn vào một die duy nhất để chia nhỏ các thiết kế và ghép nối chúng lại bằng các liên kết tốc độ cao. Nhưng lần tới khi một công ty chip nói rằng họ đã “giải quyết” vấn đề độ trễ liên kết nội bộ, hãy nhớ rằng các định luật vật lý không làm công việc PR. 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: Liên Tục Cải Tiến Nhưng Không Hoàn Hảo
Các nhà sản xuất chip lựa chọn thiết kế dựa trên chiplet hiện là tiêu chuẩn của ngành, nhưng chúng mang lại những hạn chế. Mặc dù các nhà sản xuất tiếp tục tinh chỉnh các liên kết nội bộ, hay còn gọi là “con đường” kết nối các chiplet để giảm độ trễ tổng thể và những sự kém hiệu quả liên quan trong thiết kế, nhưng những đánh đổi cơ bản về phân mảnh, chi phí năng lượng 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.
Các bộ xử lý AMD Ryzen dòng 6000, minh chứng cho sự phát triển liên tục của kiến trúc chiplet
Hãy hình dung các liên kết nội bộ như một đường ống, và những đường ống này trong các quy trình cần được tối ưu hóa; việc 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 liên kết nội bộ đang được cải thiện, nhưng để giải quyết triệt để các vấn đề này, các con đường này cần được tinh chỉnh thêm, và việc đó tùy thuộc vào các đội ngũ thiết kế kỹ thuật để loại bỏ những sự kém hiệu quả này nhằm đưa các thiết kế dựa trên chiplet đạt được hiệu quả nguyên khối, để những lợi ích mà các nhà sản xuất đang hướng tới như chi phí thấp hơn và năng suất cao hơn được chia sẻ dưới dạng hiệu suất tốt hơn cho người tiêu dùng.
Bạn nghĩ sao về xu hướng chiplet hiện nay? Liệu những cải tiến trong tương lai có thể khắc phục hoàn toàn các nhược điểm về độ trễ và hiệu quả năng lượng? Hãy chia sẻ ý kiến của bạn trong phần bình luận bên dưới!
