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 của ngành công nghiệp bán dẫn để mang lại nhiều nhân xử lý hơn với chi phí thấp hơn. AMD là người tiên phong phổ biến cách tiếp cận này với dòng chip Ryzen và EPYC, sau đó Intel miễn cưỡng đi theo, và hiện tại ngay cả NVIDIA cùng Qualcomm cũng đang bắt đầu áp dụng. Mặc dù chiplet mang lại những lợi ích không thể phủ nhận, bao gồm khả năng chọn lọc chip tốt hơn, chi phí wafer thấp hơn và thiết kế linh hoạt hơn, nhưng chúng cũng đi kèm với những đánh đổi mà các nhà sản xuất thường ít đề cập. Bài viết này của congnghehot.net sẽ phân tích sâu những khía cạnh này, giúp độc giả Việt Nam hiểu rõ hơn về công nghệ nền tảng của các bộ vi xử lý hiện đại.
So sánh CPU Intel Core i9-14900K và AMD Ryzen 9, minh họa xu hướng chiplet trong ngành vi xử lý
Từ Thiết Kế Nguyên Khối Đến Kiến Trúc Chiplet: Xu Hướng Tất Yếu
Ưu Điểm Chi Phí Sản Xuất, Nhưng Đánh Đổi Độ Trễ Cao Hơn
Giấc mơ về một chip nguyên khối (monolithic die) duy nhất với độ trễ thấp, băng thông cao và không có chi phí liên kết phức tạp vẫn chỉ là một phần của giấc mơ trong các thiết kế bộ xử lý hiện đại. Việc chuyển sang kiến trúc chiplet đã bổ sung thêm độ phức tạp đáng kể. Mỗi chiplet bổ sung có nghĩa là một bộ các kết nối liên chiplet (interconnects) mới. Trong khi các nhà cung cấp luôn tự hào về các liên kết die-to-die siêu tốc của họ, thực tế là độ trễ tăng lên, các hạn chế về băng thông xuất hiện và phần mềm cần phải được tối ưu để hoạt động hiệu quả. Ví dụ, công nghệ 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.
Để hiểu rõ hơn, độ trễ trong bối cảnh bộ xử lý và hiệu năng là khoảng thời gian cần thiết để thông tin truyền từ điểm A đến điểm B. Khoảng thời gian di chuyển thông tin càng dài, độ trễ càng lớn và thông tin đến đích càng chậm. Với các thiết kế bộ xử lý nguyên khối, nơi tất cả các thành phần chính của chip được đặt trong một gói duy nhất, thông tin có quãng đường di chuyển ngắn hơn, về lý thuyết, đồng nghĩa với việc thông tin đến đích nhanh hơn.
Trong trường hợp bộ xử lý dựa trên thiết kế chiplet, các liên kết nội bộ như Infinity Fabric của AMD giống như một đường cao tốc hoặc đường quốc lộ đóng vai trò là tuyến đường trực tiếp giữa điểm A và điểm B. Vấn đề với việc bổ sung “đường cao tốc” này 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 cao hơn.
Kỹ thuật viên đang kiểm tra khay chip Intel Meteor Lake Core Ultra, minh họa quá trình lắp ráp chiplet
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 năng chơi game thấp hơn, giảm tốc độ khung hình (frame rate) quan trọng và giảm hiệu quả trong các tác vụ yêu cầu truy cập dữ liệu nhanh chóng và chính xác. Độ trễ cao hơn đồng nghĩa với hiệu năng thấp hơn, và trong một thế giới mà sức mạnh xử lý là quan trọng, việc giảm độ trễ là một thành phần thiết yếu khi xem xét hiệu năng tính toán thô và hiệu quả tổng thể.
Ảnh hưởng của những độ trễ liên kết này được cảm nhận rõ nhất trong các tác vụ có nhiều giao tiếp giữa các chiplet, chẳng hạn như tính toán tài chính độ trễ thấp hoặc một số ứng dụng giao dịch tần số cao, nơi từng nano giây đều có giá trị. Công nghệ xếp chồng Foveros của Intel nhằm mục đích giảm thiểu những đánh đổi này bằng 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 Và Hiệu Năng Gaming: Những Vấn Đề Còn Tồn Đọng
Ngoài 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 giữa các nhân, trong khi kiến trúc chiplet phụ thuộc vào interposers, cầu nối hoặc công nghệ đóng gói tiên tiến để duy trì sự liên lạc giữa các mảnh. Điều này tạo ra các chi phí phụ trội, cả về điện năng tiêu thụ 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 năng 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, cho thấy các thành phần tích hợp trong thiết kế SoC
Việc tăng nhẹ mức tiêu thụ điện năng do các liên kết bổ sung cũng có nghĩa là hiệu quả tỷ lệ công suất sẽ kém đi ở điểm 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 đánh đổi hiệu quả năng lượng có thể quan trọng không kém hiệu năng cao nhất.
Hiệu năng chơi game cũng là một điểm yếu. Mặc dù các bộ xử lý AMD Ryzen 3D V-Cache, 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 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 gốc rễ vẫn còn. Có lý do mà 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 năng 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 đệm L3 trên một CCD khác, nó phải đi qua Infinity Fabric, điều này tạo ra một sự chậm trễ đáng kể. Các nhà phát triển game đã phải tối ưu code để xử lý vấn đề này, nhưng không phải tất cả các game 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 game 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 bộ xử lý chiplet hiệu năng cao
Độ Phức Tạp Trong Thiết Kế Và Sản Xuất Chiplet
Chi Phí Sản Xuất Tổng Thể Giảm, Nhưng Thách Thức Kỹ Thuật Tăng
Thiết kế chiplet cũng tạo ra những thách thức về mặt hậu cần trong sản xuất và xác minh. Mỗi chiplet phải được kiểm tra riêng lẻ trước khi được đóng gói vào một gói cuối cùng, bổ sung thêm các bước vào quy trình sản xuất.
Điều này khiến việc gỡ lỗi và kiểm soát chất lượng trở nên khó khăn hơn, vì một lỗi ở một chiplet có thể làm hỏng toàn bộ gói đa chip. Vấn đề nhiệt cũng là một mối lo ngại khi các chiplet được phân bố trên một đế (substrate) thay vì trên một die silicon duy nhất. Việc tản nhiệt phải được kiểm soát cẩn thận để ngăn chặn các điểm nóng, và nhu cầu về phân phối điện năng bổ sung cùng định tuyến tín hiệu tạo thêm các ràng buộc đối với thiết kế bo mạch chủ và hệ thống làm mát.
Hai CPU AMD Ryzen 9 9950X3D và Intel Core Ultra 9 285K đặt cạnh nhau, minh họa sự cạnh tranh giữa các kiến trúc chip
Tất cả những điều này không có nghĩa là chiplet là một điều tồi tệ. Chúng là cần thiết trong một thế giới mà 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 phân tách 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, hãy nhớ rằng các định luật vật lý không làm PR. Ngành công nghiệp đã hy sinh một phần hiệu suất để giảm chi phí sản xuất, và sự đánh đổi đó sẽ không sớm biến mất.
Tương Lai Của Kiến Trúc Chiplet: Cải Tiến Không Ngừng, Nhưng Hạn Chế Vẫn Còn
Cải Thiện Liên Kết Giữa Các Chiplet Và Kỳ Vọng Hiệu Suất Tốt Hơn
Việc các nhà sản xuất chip lựa chọn thiết kế dựa trên chiplet hiện đã trở thành tiêu chuẩn của ngành, nhưng chúng đi kèm với những hạn chế. Trong khi các nhà sản xuất tiếp tục tinh chỉnh các liên kết hoặc “đường ống” kết 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 thứ 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 còn thúc đẩy các lựa chọn thiết kế, thì giấc mơ về một giải pháp nguyên khối thực sự liền mạch sẽ không thể đột phá theo cách mà bạn nghĩ.
Dòng bộ xử lý AMD Ryzen 6000 series, thể hiện sự phát triển liên tục của kiến trúc chiplet
Hãy hình dung các liên kết như những đường ống, và những đường ống này trong các kiến trúc cần được tối ưu hóa; việc đóng gói nhiều nhân hơn là tốt cho hiệu năng, 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 đang được cải thiện, nhưng để giải quyết triệt để các vấn đề cố hữu, những con đường này cần được tinh chỉnh thêm, và đó là trách nhiệm của các đội ngũ kỹ thuật thiết kế để khắc phục những sự kém hiệu quả này, nhằm đẩy các thiết kế dựa trên chiplet đạt được hiệu quả của kiến trúc nguyên khối, để những lợi ích mà các nhà sản xuất đang theo đuổi như chi phí thấp hơn và năng suất cao hơn được chia sẻ dưới dạng hiệu năng tốt hơn cho người tiêu dùng.
Kết luận:
Kiến trúc chiplet đã và đang định hình lại ngành công nghiệp bán dẫn, mang lại khả năng mở rộng vượt trội và hiệu quả sản xuất. Tuy nhiên, như mọi công nghệ tiên tiến, nó không hoàn hảo. Những đánh đổi về độ trễ, hiệu quả năng lượng và độ phức tạp thiết kế là những thách thức mà các gã khổng lồ như AMD và Intel đang nỗ lực giải quyết. Đối với người tiêu dùng Việt Nam, việc hiểu rõ những ưu nhược điểm này sẽ giúp bạn đưa ra lựa chọn thông minh hơn khi đầu tư vào các hệ thống máy tính. Bạn nghĩ sao về tương lai của chiplet? Liệu chúng có thể vượt qua mọi hạn chế để thực sự thay thế hoàn toàn thiết kế nguyên khối? Hãy để lại bình luận bên dưới và chia sẻ quan điểm của bạn cùng congnghehot.net!