Định luật Moore còn đúng một nửa. Số bóng bán dẫn trên những con chip lớn nhất vẫn tăng, nhưng ba thứ từng đi kèm với nó đã gãy: xung nhịp ngừng tăng từ khoảng năm 2005, điện năng không còn giảm theo khi thu nhỏ, và giá mỗi bóng bán dẫn giảm chậm hẳn. Vì vậy cùng một câu hỏi, lãnh đạo hãng này nói "định luật Moore đã chết", lãnh đạo hãng kia nói "vẫn sống khoẻ", và cả hai đều có số liệu của mình.
Phải hỏi "đúng" theo nghĩa nào
Trong suốt mấy chục năm, thu nhỏ bóng bán dẫn đem lại một gói bốn lợi ích. Muốn biết định luật Moore còn đúng không, phải tách gói đó ra mà xét từng món:
| Món trong gói | Thời hoàng kim (khoảng 1975–2005) | Tình hình tính tới giữa thập niên 2020 |
|---|---|---|
| Số bóng bán dẫn mỗi chip | Gấp đôi khoảng mỗi hai năm | Vẫn tăng, chủ yếu nhờ chip to hơn và ghép nhiều khối; nhịp chậm hơn |
| Xung nhịp | Từ vài MHz lên vài GHz | Gần như đứng yên quanh 3–6 GHz từ giữa thập niên 2000 |
| Điện năng trên mỗi phép tính | Giảm đều khi thu nhỏ | Vẫn giảm nhưng chậm hơn trước |
| Giá mỗi bóng bán dẫn | Giảm mạnh qua mỗi thế hệ | Giảm ít, có giai đoạn gần như đứng; còn tranh cãi |
Ai nhìn hàng đầu tiên sẽ nói "vẫn đúng". Ai nhìn ba hàng sau sẽ nói "đã hết". Câu trả lời trung thực là: phần dễ của định luật Moore đã hết, phần khó vẫn đang được kéo dài bằng tiền và kỹ thuật ngày càng đắt.
Cú gãy đầu tiên: bức tường nhiệt năm 2005
Năm 1974, Robert Dennard cùng đồng nghiệp ở IBM chỉ ra một quy tắc đẹp: khi thu nhỏ bóng bán dẫn đúng tỉ lệ, đồng thời hạ điện áp theo, thì mật độ công suất (số oát trên mỗi milimét vuông) giữ nguyên. Tức là chip có thể dày đặc hơn, nhanh hơn mà không nóng hơn. Quy tắc này về sau gọi là quy luật thu nhỏ Dennard.
Nó đúng trong ba thập kỷ. Rồi khoảng 2004–2006 nó gãy. Điện áp không hạ thêm được nữa vì bóng bán dẫn quá nhỏ bắt đầu rò điện ngay cả khi đang tắt. Tăng xung nhịp lúc này đồng nghĩa với chip nóng lên rất nhanh.
Ví dụ dễ nhớ nhất là dòng Pentium 4. Đầu thập niên 2000, Intel từng nói tới kiến trúc có thể lên tới 10 GHz. Thực tế dòng này dừng ở khoảng 3,8 GHz, và dự án kế nhiệm chạy xung cao bị huỷ năm 2004. Ngành chip quay sang hướng khác: thay vì một lõi chạy thật nhanh, đặt hai, bốn, rồi hàng chục lõi chạy vừa phải. Đó là lý do điện thoại hôm nay có tám lõi mà mỗi lõi không nhanh hơn máy tính để bàn năm 2005 là bao về xung nhịp.
Phép tính nhỏ về nhiệt
Công suất tiêu thụ của mạch số tỉ lệ gần đúng với điện dung × bình phương điện áp × tần số. Giữ nguyên điện áp mà tăng tần số gấp đôi thì công suất gấp đôi. Nếu muốn tăng tần số mà phải tăng điện áp thêm 20% để mạch chạy ổn, công suất nhân thêm 1,2 × 1,2 = 1,44 lần nữa. Gộp lại gần gấp ba. Một con chip vốn toả 100 oát sẽ lên gần 300 oát, quạt nào cũng chịu thua.
Cú gãy thứ hai: nanomet không còn là nanomet
Tên các thế hệ chip như "7 nm", "5 nm", "3 nm" ngày nay là tên thương mại, không còn ứng với một kích thước vật lý nào trên con chip. Đến khoảng thế hệ 28 nm trở về sau, con số trong tên dần tách khỏi độ dài cổng bóng bán dẫn thật. Mỗi hãng đặt tên theo cách riêng, nên "3 nm" của hãng này không nhất thiết dày đặc bằng "3 nm" của hãng kia.
Lý do là người ta không còn thu nhỏ đều theo mọi chiều. Thay vào đó bóng bán dẫn được dựng đứng lên:
- FinFET (bóng bán dẫn vây): kênh dẫn điện dựng đứng như cái vây cá, cổng ôm ba mặt. Intel đưa vào sản xuất hàng loạt năm 2011.
- Gate-all-around (cổng bao quanh): kênh là những tấm mỏng xếp chồng, cổng ôm kín bốn phía. Samsung bắt đầu sản xuất kiểu này năm 2022.
- Xếp chồng: bộ nhớ flash 3D NAND đã chồng hơn hai trăm lớp ô nhớ lên nhau; vi xử lý bắt đầu xếp chồng bộ nhớ đệm lên trên lõi tính toán.
Mật độ vẫn tăng, nhưng không còn nhờ "làm mọi thứ nhỏ đi 0,7 lần" như xưa.
Giới hạn vật lý: còn bao nhiêu nguyên tử
Khoảng cách giữa các nguyên tử silicon trong tinh thể vào cỡ 0,2–0,3 nm; hằng số mạng tinh thể silicon khoảng 0,54 nm. Một lớp cách điện dày 1 nm chỉ khoảng năm lớp nguyên tử. Ở kích thước này xuất hiện hai vấn đề:
- Xuyên hầm lượng tử: electron có xác suất đi xuyên qua lớp cách điện mỏng như thể nó không có ở đó. Bóng bán dẫn tắt mà vẫn rò điện.
- Biến động thống kê: khi một vùng chỉ chứa vài chục nguyên tử pha tạp, chênh nhau một hai nguyên tử đã làm hai bóng "giống hệt" chạy khác nhau.
Đây là lý do nhiều nhà vật lý cho rằng thu nhỏ theo chiều ngang sẽ dừng ở đâu đó quanh vài nanomet. Nhưng ngành chip từng nghe "bức tường" này nhiều lần từ thập niên 1980 và lần nào cũng tìm ra đường vòng. Nên câu chuyện thật không phải là "chạm đáy vật lý vào năm X", mà là mỗi bước tiếp theo khó và đắt hơn bước trước.
Cú gãy thứ ba: tiền
Có một quy luật song sinh ít được nhắc, đôi khi gọi là định luật Rock hay "định luật Moore thứ hai": giá xây một nhà máy chip cũng gấp đôi sau mỗi mấy năm. Thập niên 1970 một nhà máy tốn vài triệu USD; những nhà máy tiên tiến gần đây được công bố với vốn từ khoảng 10 tới hơn 20 tỉ USD mỗi nơi.
Chỉ riêng máy in quang khắc cực tím (EUV), dùng ánh sáng bước sóng 13,5 nm để vẽ mạch, hiện chỉ một hãng trên thế giới sản xuất được là ASML ở Hà Lan, mỗi máy có giá được báo chí đưa tin khoảng trên 150 triệu USD, thế hệ mới hơn còn đắt gấp đôi. Một máy to cỡ chiếc xe buýt, phải chở bằng nhiều chuyến bay.
Hệ quả: số hãng theo kịp công nghệ đầu bảng co lại. Đầu thập niên 2000 có hơn hai chục công ty sản xuất chip ở thế hệ tiên tiến nhất thời đó. Tính tới giữa thập niên 2020, nhóm đầu chỉ còn ba cái tên chính: TSMC, Samsung và Intel. Khi chỉ còn ba người chạy, nhịp chạy phụ thuộc vào quyết định đầu tư của ba người đó.
Giá mỗi bóng bán dẫn có còn giảm?
Đây là chỗ tranh cãi nhất. Một số nhà phân tích cho rằng từ khoảng thế hệ 28 nm (đầu thập niên 2010), giá mỗi bóng bán dẫn gần như ngừng giảm vì quy trình mới quá đắt. Các hãng sản xuất thì đưa số liệu cho thấy vẫn giảm, chỉ chậm hơn. Số liệu chi phí thật là bí mật kinh doanh nên người ngoài khó kiểm chứng. Điều chắc chắn là: nó không còn giảm một nửa mỗi hai năm như thời hoàng kim.
Đường vòng: không nhỏ hơn thì thông minh hơn
Khi thu nhỏ chậm lại, ngành chip tìm hiệu năng ở chỗ khác:
- Chiplet: thay vì một con chip khổng lồ dễ hỏng, ghép nhiều khối nhỏ trong cùng một vỏ. Khối nhỏ ít lỗi hơn nên rẻ hơn. Nhiều chip đầu bảng hiện nay là hai hoặc nhiều khối ghép lại.
- Chip chuyên dụng: mạch chỉ làm một việc (giải mã video, xử lý ảnh, tính toán ma trận) nhanh và tiết kiệm điện hơn nhiều lần so với lõi đa năng.
- Đóng gói tiên tiến: đặt bộ nhớ sát cạnh hoặc chồng lên lõi tính toán, rút ngắn đường đi của dữ liệu.
- Vật liệu mới: nghiên cứu kênh dẫn bằng vật liệu hai chiều chỉ dày một lớp nguyên tử. Phần này còn ở phòng thí nghiệm.
Intel từng nêu mục tiêu đạt khoảng một nghìn tỉ bóng bán dẫn trong một vỏ chip vào khoảng năm 2030, chủ yếu nhờ ghép và xếp chồng. Nếu đạt, đường cong số bóng bán dẫn vẫn đi tiếp, nhưng "một con chip" khi ấy đã là một cụm nhiều khối.
Góc nhìn hôm nay: đọc tin "định luật Moore đã chết" thế nào
Khi gặp một bài báo tuyên bố định luật Moore đã chết hay còn sống, hãy hỏi ba câu:
- Đang đo cái gì? Số bóng bán dẫn, hiệu năng, xung nhịp hay giá? Mỗi thứ có câu trả lời khác.
- Ai nói? Hãng bán chip đời mới có lý do nói "vẫn sống". Hãng bán giải pháp thay thế có lý do nói "đã chết".
- Chip đơn khối hay cả cụm? Tính cả chip ghép thì đường cong đi tiếp; chỉ tính một khối silicon thì chậm hẳn.
Bản thân Gordon Moore, trong một cuộc phỏng vấn năm 2005, nói rằng không có hàm mũ nào kéo dài mãi, chỉ có thể trì hoãn ngày nó dừng. Câu đó đúng cho chip, và đúng cho mọi đường cong tăng trưởng khác trong danh mục này.
Câu hỏi thường gặp
Định luật Moore đã chết chưa?
Chưa hẳn. Số bóng bán dẫn trên những chip lớn nhất vẫn tăng, nhưng chậm hơn và chủ yếu nhờ chip to hơn, ghép nhiều khối. Còn xung nhịp và đà giảm giá mỗi bóng bán dẫn thì đã chững lại rõ rệt từ thập niên 2000–2010.
Vì sao CPU không còn tăng xung nhịp?
Vì khoảng năm 2005 quy luật thu nhỏ Dennard gãy: điện áp không hạ thêm được, bóng bán dẫn rò điện, tăng xung nhịp làm chip nóng quá mức. Ngành chip chuyển sang tăng số lõi thay vì tăng tốc độ một lõi.
Chip 3 nm có chi tiết nào dài 3 nm không?
Không. "3 nm" là tên thương mại của một thế hệ công nghệ, không phải kích thước đo được trên chip. Từ khoảng thế hệ 28 nm, con số trong tên đã tách khỏi kích thước vật lý thật.
Giới hạn vật lý của bóng bán dẫn là bao nhiêu?
Không có một con số chốt. Khi lớp cách điện chỉ còn vài lớp nguyên tử, electron xuyên hầm lượng tử và bóng bán dẫn rò điện. Nhiều nhà vật lý cho rằng thu nhỏ theo chiều ngang khó vượt mức vài nanomet, nên ngành chuyển sang xếp chồng theo chiều đứng.
Định luật Rock là gì?
Là nhận xét rằng chi phí xây nhà máy chip cũng tăng gấp đôi sau mỗi vài năm, song song với định luật Moore. Nó giải thích vì sao số hãng sản xuất chip tiên tiến nhất co lại chỉ còn vài công ty.
