“Năng lực tính toán của bộ vi xử lí sẽ tăng gấp đôi sau mỗi 2 năm”. Qua hàng chục năm, thực tế đã chứng minh cho nhận định của Gordon Moore, nhà sáng lập của tập đoàn bán dẫn lớn nhất thế giới Intel, và nhận định trên cũng trở thành định luật nền tảng cho sự phát triển của ngành công nghiệp vi mạnh bán dẫn.

Song song với việc các nhà khoa học liên tục nghiên cứu, phát triển để tạo ra những giải pháp đột phá nhằm bảo toàn định luật Moore thì đã có không ít những dự báo được đưa ra về hồi kết của định luật này. Quả như vậy thì có lẽ thế giới công nghệ ngày nay sẽ rất buồn tẻ và nghèo nàn, sẽ không có smartphone và tablet, sẽ không có những ứng dụng thú vị như Angry Bird hay Plants vs Zombies. Tuy nhiên, cho dù định luật Moore có thực sự đi đến hồi kết hay không, một thực tế là các nhà thiết kế chip vẫn liên tục phát minh ra những thủ thuật mới cho phép công nghệ bán dẫn phát triển liên tục, kể cả khi không còn mức trần “thoáng” như giai đoạn trước đây.

Định luật Moore đã đụng “trần” vật lý?

Một thực tế thú vị là việc có nhiều ý kiến dự đoán về sự kết thúc của định luật Moore thậm chí còn xuất hiện ngay từ khi định luật này… ra đời lần đầu tiên. Vào năm 1965, chủ tịch hội đồng quản trị Gordon Moore của Intel đã dự đoán rằng số lượng transistor (đèn bán dẫn) - công tắc bật /tắt cơ bản và là nền tảng cơ sở của thiết bị điện tử hiện đại – trên mỗi chip sẽ tăng gấp đôi sau mỗi hai năm. Chip đầu tiên của Intel (4004) chỉ có 2.300 transistor tích hợp bên trong khi ra mắt vào năm 1971. Giờ đây, một chip đồ hoạ Titan của nVIDIA dựa trên nền tảng kiến trúc Kepler có hơn 7 tỷ transistor . Đây là thành quá phát triển của ngành bán dẫn sau 42 năm nghiên cứu, sáng tạo. Tuy nhiên, Colwell – người đã ghi dấu ấn tại buổi hội thảo kĩ thuật Hot Chips (được tổ chức tại đại học Stanford) – cho rằng đã đến lúc suy tính về sự kết thúc. Bản thân Colwell là một trong những kĩ sư thiết kế chip hàng đầu của Intel và đã dẫn dắt nhiều dự án quan trọng như việc phát triển các dòng Pentium Pro, Pentium II, Pentium III và Pentium 4 trước khi rời khỏi hãng. Vào năm 1997, ông chính thức được trao danh hiệu Intel Fellow – cấp bậc cao nhất trong lĩnh vực kĩ thuật của hãng. Bob Colwell hiện là giám đốc cơ quan Công nghệ vi Hệ thống thuộc Bộ quốc phòng Mỹ (DARPA).

Theo ông, các định luật vật lý đang ngày càng trở thành rào cản rõ rệt hơn đối với sự phát triển của chip – đặc biệt là đối với phương pháp thu nhỏ quy trình sản xuất, thứ vốn đã cho phép chip ngày càng nhỏ hơn, tiêu thụ ít điện hơn sau mỗi năm. Giờ đây, chính yếu tố tiêu thụ năng lượng và biến đổi nguyên tử đã đặt ra rào cản ngày càng nhiều hơn. Dù thế, một điều không thể phủ nhận rằng những tranh cãi về sự tồn tại của định luật Moore kiểu như thế này từ Silicon Valley sẽ vẫn diễn ra nhưng xu hướng các nhận định gần đây ngày càng bi quan hơn. Trong quan điểm của Colwell, công nghệ sản xuất chip nền tảng thường được biết đến với tên gọi CMOS (complementary metal oxide semiconductor) đã tạo ra một “ảo giác về độ chính xác của  số nhị phân trong vài thập kỉ vừa qua”. Nhưng điều này hiện tại đã chạm tới điểm kết thúc. Điều đó cũng đồng nghĩa với việc các “công tắc bật/tắt”, thứ vốn là nền tảng của điện toán, sẽ không còn đáng tin cậy nữa.  Những yếu tố như liên kết chéo, nhiệt độ, điện từ, tính nửa bền (metastability) và nhiều vấn đề khác đã đe doạ nghiêm trọng sự ổn định của các tính toán.

Trước đây, những chip Pentium II cũ kĩ của Intel có thể vận hành ở mức độ 20W thì chỉ một thời gian sau đó, Pentium 4 đòi hỏi tới 80-90W – một xu hướng tiêu cực. Trên thực tế, AMD – một hãng chip tên tuổi cũng không ngoại lệ. Giám đốc kiến trúc sản phẩm John Gustafson của hãng tin rằng những khó khăn mà AMD gặp phải trong việc chuyển từ quy trình sản xuất 28nm sang 20nm chính là dấu hiệu rõ ràng của hồi kết định luật Moore. “Bạn có thể thấy dễ dàng định luật Moore đang dần không còn chính xác. Chúng tôi đã chờ đợi việc chuyển đổi 28nm sang 20nm xảy ra và điều này đã mất nhiều thời gian hơn đáng kể so với định luật Moore. Tôi dám chắc rằng chúng ta đang nhìn thấy những bước đầu của hồi kết định luật này”. Tuy vậy, không ít ý kiến vẫn cho rằng dù cho những rào cản này dường như là không thể vượt qua được, các nhà thiết kế chip, nếu muốn tìm lối thoát sẽ vẫn có cơ hội nhưng sẽ phải vận dụng triệt để sự khéo léo và các kĩ năng của mình – ít nhất là theo quan điểm  của Colwell.

Chip máy tính đã có một giai đoạn phát triển “êm đềm” theo định luật Moore.

Các nhà sản xuất đang nỗ lực đưa ra các giải pháp cứu cánh nhưng phần lớn đều mang tính tạm thời.

Lối thoát nào cho thời kì “hậu Moore”

Một điều thú vị ít ai để ý là hướng đi của ngành công nghiệp bán dẫn là khá “khác thường” so với những xu hướng khác trong lịch sử loài người. Mọi người thường cho rằng định luật Moore cũng giống như định luật vạn vật hấp dẫn trong ngành công nghệ. Tuy nhiên chẳng có thứ gì mà loài người biết đến vào lúc này có hướng phát triển kì lạ như công nghiệp bán dẫn. Từ hang đá và lều lán, con người đã xây nên những toà nhà chọc trời. Tuy nhiên, với chip bán dẫn, chúng ta lại liên tục cố gắng đạt được những thứ mới nhỏ hơn hàng ngàn lần, nhanh hơn hàng ngàn lần và sử dụng năng lượng hiệu quả hơn hàng ngàn lần… tất cả cùng lúc. “Kể cả khi định luật Moore kết thúc, không phải mọi con đường đều bị chặn hoàn toàn” – Colwell cho biết. Hiện tại, các kĩ sư đang nỗ lực đi theo nhiều hướng tiếp cận mới như việc xếp chồng 3 chiều, cải thiện công nghệ đóng gói chip, cải tiến giải pháp tản nhiệt, thời lượng pin, các hệ thống nhập – xuất, bộ nhớ và đặc biệt là kiến trúc chip. 

“Thực tế vẫn còn rất nhiều khoảng trống để cải thiện trong lĩnh vực phần mềm, hệ thống nhập – xuất… Chúng tôi, những nhà thiết kế chip, sẽ phải quan tâm tới các công nghệ có liên quan bởi chúng có ảnh hưởng trực tiếp tới chúng tôi” – Colwell nhận định. Ông cũng nửa đùa nửa thật rằng các nhà thiết kế chip cần phải chấm dứt ngay việc thiết kế những mẫu chip và máy tính mà không ai có thể lập trình nổi. Bản thân DARPA hiện cũng đang tài trợ nhiều dự án tìm kiếm các giải pháp khác đủ để thúc đẩy công nghệ tiếp tục tiến lên một khi những phương thức truyền thống đã kiệt sức. Colwell tin rằng, tương tự như Gordon Moore, chính  nền kinh tế sẽ “kết liễu” định luật Moore thay vì vật lý. Ở một thời điểm nhất định, các nhà sản xuất chip sẽ không thể thu được lợi nhuận trên các nhà máy sản xuất – nhiều trong số này có thể đã tiêu tốn khoản đầu tư trên 4 tỷ USD – bởi họ không còn bán được chip với mức giá đủ cao để đem lại lợi nhuận. Cũng trong một buổi họp báo, Colwell đã tuyên bố rằng các nhà sản xuất chip sẽ rất khó để đưa ra được thứ gì đó có thể đủ mạnh thách thức những kiến trúc sẵn có của Intel và ARM.

“Sẽ cần có ai đó tuyên bố rằng những loại máy chế tạo như vậy hoàn toàn khả thi và điều đó sẽ dẫn tới một lợi nhuận khổng lồ” – Colwell nhận định – “Hiện nay có quá nhiều sự sợ hãi đang tồn tại trong ngành công nghiệp bán dẫn để điều đó có thể xảy ra. Bản thân Intel cũng chẳng lạc quan nổi với tương lai 5 năm tới và liên tục kêu gọi chuẩn bị sẵn sàng đối phó”.  Như thế, chỉ khi có một lá cờ đầu “dám” đứng lên, tình trạng ảm đạm chung này mới có thể thực sự thay đổi theo chiều hướng tích cực.

Gordon Moore. Dường như nhiều người đã hiểu một cách thiếu sót về định luật nổi tiếng của ông

Việc thu nhỏ khoảng cách này đang đặt ra những thách thức cực lớn với các nhà sản xuất bán dẫn.

Định luật Moore đâu chỉ về bán dẫn

Tuy nhiên, một hướng tiếp cận khác rất thú vị của định luật Moore lại cho thấy nó không đơn thuần chỉ bị giới hạn trong lĩnh vực vật lý. Thay vào đó, theo chính Colwell, định luật này còn đúng ngay cả trong lĩnh vực  kinh tế. “Việc kinh doanh bán dẫn đã trở nên cực kì đắt đỏ cho những hãng như Intel  - vốn liên tục phải trả các chi phí khổng lồ để phát triển thế hệ silicon tiếp theo” – ông cho biết. Tuy nhiên, câu hỏi đặt ra ở đây là: “bao nhiêu gọi là đắt ?”.

Số liệu từ nhà sản xuất bán dẫn chuyên nghiệp Globalfoundries cho thấy để có thể sản xuất được dòng chip New York, họ đã phải chi khoảng 6 tỷ USD. Nếu bổ sung cả bộ phận nghiên cứ phát triển, con số này tăng lên 8 tỷ USD. Trong trường hợp mọi thứ đều thuận lợi, khả năng sản xuất sẽ săn sàng vào cuối 2014. Cũng trong hội thảo Hot Chips, Colwell đã phát biểu: “Việc xây dựng nhà máy sản xuất Fab silicon sẽ rất tốn kém và thậm chí số tiền chi ra còn tăng lên nếu đầu tư cho đội ngũ thiết kế chip. Intel đã đi theo hướng này với khoản chi hàng tỷ USD. Lý do là bởi họ tin rằng có thể thu về nhiều hơn thế trong những năm tiếp theo”.

Tuy vậy, ngày càng có nhiều nghi ngại về khoản lợi nhuận tiềm năng này. Bên cạnh đó, việc có thể đưa ra những cải tiến thực sự đáng kể vẫn là điều chưa rõ ràng. Từ những yếu tố này, việc đầu tư có thể trở nên bất khả thi. Trong trường hợp Intel dám chắc về điều này, chỉ một tuyên bố của họ về việc chấm dứt định luật Moore có thể sẽ gây ra chuỗi đổ vỡ hàng loạt khi nhiều công ty có mô hình tương tự khác cũng sẽ chấm dứt việc đầu tư – thứ vẫn giúp cho định luật Moore đúng đắn trong nhiều năm vừa qua. Quan điểm này cũng được đối thủ mạnh của Intel là AMD đồng thuận, Gustafson cho rằng định luật Moore không phải chỉ là ở khả năng công nghệ trong việc “nhồi nhét” thêm số bán dẫn lên một chip mà còn nằm ở khả năng kinh tế cho phép làm điều đó hay không. “Thông điệp ban đầu của định luật Moore là về số lượng bán dẫn tương ứng với cùng năng lực tài chính có thể sản xuất được tăng lên gấp đôi sau mỗi năm” – Gustafson cho biết. “Sau đó, nó đã bị biến đổi sang nhiều kiểu hiểu khác nhau nhưng thực tế đó chính là những gì Moore nói ra ban đầu”. Trước đây, một đại diện của AMD cũng từng trả lời PCWorld Mỹ: “Định luật Moore luôn luôn nói về giá thành của các bán dẫn vì hiệu năng sẽ tăng lên khi bạn có thể đủ khả năng chi trả để bổ sung thêm nhiều hơn”. Bản thân AMD cũng là minh chứng rất rõ cho điều này. Hiện tại, các chip của họ đang “kẹt” ở quy trình sản xuất 28nm trong khi Intel đã dẫn trước và chuyển qua 22nm. Ngay sau đó, hãng sẽ tiến tới 14nm trong năm 2014 và hướng tới 10nm trong năm 2016.

Trong quan điểm của Colwell, các nhà sản xuất nên tập trung khả năng tài chính nếu muốn vươn tới mốc 7nm hoặc cao hơn nữa. “Tôi nghĩ ràng hầu hết các nhà công nghệ đều đã tính tới hồi kết của định luật Moore. Tuy nhiên họ thường tập trung vào yếu tố vật lý – thứ thường xuyên thay đổi từ một quy trình sản xuất này sang quy trình sản xuất khác. Những nhà công nghệ này biết rõ những khó khăn của việc tiếp cận quy trình công nghệ 7nm. Vì thế, một điều dễ hiểu là nếu những trục trặc gì với quy trình sản xuất silicon tiếp theo khiến cho việc triển khai trở nên bất khả thi, điều đó sẽ chấm dứt ngay định luật Moore”. Thực tế, họ không hề sai khi những thách thức lớn đang dần xuất hiện trong quá trình phát triển. Bản thân các bộ xử lý đã bắt đầu có sự trì trệ so với mục tiêu thiết kế. Nói một cách dễ hiểu hơn, hiệu năng của chip không tăng lên nhiều như trước đây. Thay vào đó, các nhà sản xuất lại hướng tới chip kích thước nhỏ hơn, có đồ hoạ và hiệu suất vận hành tốt hơn thay vì chỉ hiệu năng tính toán đơn thuần như trước kia.

Cho dù thế nào, như trước đây, ngành công nghiệp silicon đã từng vượt qua những thử thách tương tự. Chính vì thế, khả năng vượt qua được thử thách là hoàn toàn có thể nhưng đôi khi, những thách thức lại không chỉ nằm ở yếu tố vật lý bởi nếu kinh tế không thể đáp ứng nổi nguồn tài chính khổng lồ đầu tư ban đầu trong khi không chắc chắn nổi khả năng thu lợi nhuận, mọi thứ sẽ chấm dứt. Colwell cũng cho biết, theo quan điểm của bộ quốc phòng Mỹ, năm 2020 sẽ là mốc của quy trình bán dẫn 7nm và đây sẽ là “điểm công nghệ sản xuất cuối cùng”. Tuy nhiên, ông cũng tin rằng “trên thực tế, tôi mong đợi ngành công nghiệp có thể làm được nhiều điều kì diệu để vươn tới mốc 5nm. Kể cả khi mốc này không quá vượt trội so với 7nm. Nó có thể diễn ra vào năm 2022 và sự kết thúc (của định luật Moore) sẽ chỉ nằm quanh quẩn trong khoảng này”. Về mặt lý thuyết, việc sản xuất các dòng chip với bán dẫn dưới 5nm là hoàn toàn có thể, tuy nhiên việc đảm bảo mạch dẫn hoạt động tốt cũng như chi phí bỏ ra sẽ nhanh chóng làm tiêu tan mọi hi vọng về lợi nhuận tiềm ẩn của các nhà sản xuất. “Nếu được chọn, tôi sẽ lấy 2020 là mốc sớm nhất chúng ta đón nhật sự kết thúc của định luật Moore. Bạn có thể thuyết phục tôi chọn mốc 2022 với ngưỡng 7nm hoặc 5nm, tuy nhiên đó sẽ là một ván bài lớn” – Colwell kết luận. 

Hiện tại, Intel đã bắt đầu đưa ra những khái niệm đầu tiên về công nghệ sản xuất chip thương mại 10nm – thứ dự kiến sẽ hiện diện vào 2015.  Tuy nhiên, các nhà khoa học thành phần của hãng cũng cho biết rằng họ chưa dám chắc chắn khả năng có thể phát triển công nghệ sản xuất vượt được ngưỡng 7nm hay không. Vậy liệu điều gì sẽ là tương lai của những chiếc chip máy tính? Vào lúc này, những dự đoán đều đổ dồn về bán dẫn phân tử hay xa xôi hơn nữa là máy tính lượng tử. Cho tới lúc đó, Intel, AMD và các nhà sản xuất chip khác sẽ vẫn phải cố gắng tiến từng bước nhỏ về hiệu năng và khả năng từ các thiết kế chip đang có.

Thực tế là chip máy tính không còn là cuộc chơi về hiệu năng tính toán đơn thuần.

Những cố gắng làm con số nm nhỏ đi đang khiến con số USD tăng lên một cách chóng mặt.

PC World VN, 11/2013