Chiplets và vai trò đối với tương lai của CPU

Chiplets, hay còn gọi là các vi mạch nhỏ, là những đơn vị xử lý được chia nhỏ và kết hợp lại để tạo thành một bộ xử lý hoàn chỉnh. Thay vì sản xuất một chip lớn duy nhất, các nhà sản xuất sử dụng nhiều chip nhỏ hơn, mỗi chip đảm nhận một chức năng cụ thể!

Tìm hiểu chiplets là gì?

Chiplets là các bộ xử lý được phân đoạn. Thay vì tích hợp tất cả các thành phần vào một con chip duy nhất (gọi là phương pháp monolithic), các phần cụ thể được sản xuất riêng biệt dưới dạng các con chip độc lập. Sau đó, các con chip này được gắn kết lại với nhau thành một gói duy nhất thông qua một hệ thống kết nối phức tạp.

Cách tiếp cận này cho phép thu nhỏ kích thước của các bộ phận có thể hưởng lợi từ các phương pháp chế tạo mới nhất, tăng hiệu quả của quá trình và cho phép tích hợp nhiều thành phần hơn. Các bộ phận của chip không thể giảm kích thước đáng kể hoặc không yêu cầu giảm kích thước có thể được sản xuất bằng các phương pháp cũ hơn và tiết kiệm hơn.

Mặc dù quá trình sản xuất các bộ xử lý như vậy phức tạp, nhưng tổng chi phí thường thấp hơn. Hơn nữa, nó cung cấp cho các công ty sản xuất bộ xử lý một lộ trình dễ quản lý hơn để mở rộng dòng sản phẩm của họ.

Mọi sản phẩm máy chủ chính hãng đều có tại Máy Chủ Việt

Các định luật khiến để chiplets trở nên hữu ích hơn

Để hiểu đầy đủ lý do tại sao các nhà sản xuất bộ xử lý chuyển sang sử dụng chiplets, trước tiên chúng ta cần tìm hiểu cách thức sản xuất các thiết bị này. CPU và GPU bắt đầu cuộc đời của chúng dưới dạng những tấm đĩa silicon siêu tinh khiết lớn, thường có đường kính khoảng 300 mm (gần 12 inch) và dày 1mm (0,04 inch).

Tận dụng khoa học silicon 

Tấm wafer silicon này trải qua một chuỗi các bước phức tạp, dẫn đến việc tạo ra nhiều lớp vật liệu khác nhau – chất cách điện, điện môi và kim loại. Các mẫu của các lớp này được tạo ra thông qua một quá trình gọi là quang khắc, trong đó ánh sáng cực tím được chiếu qua một phiên bản phóng đại của mẫu (mặt nạ) và sau đó được thu nhỏ lại qua thấu kính đến kích thước yêu cầu.

Mẫu được lặp lại, ở các khoảng cách nhất định, trên bề mặt của wafer và mỗi mẫu này cuối cùng sẽ trở thành một bộ xử lý. Vì chip có hình chữ nhật và wafer có hình tròn nên các mẫu phải chồng lên nhau ở chu vi của đĩa. Những phần chồng lấn này cuối cùng sẽ bị loại bỏ vì chúng không hoạt động.

Sau khi hoàn thành, wafer được kiểm tra bằng cách áp dụng một đầu dò vào từng chip. Kết quả kiểm tra điện sẽ cho phép các kỹ sư biết về chất lượng của bộ xử lý theo một danh sách dài các tiêu chí. Giai đoạn ban đầu này, được gọi là phân loại chip, giúp xác định “loại” của bộ xử lý.

Ví dụ: nếu chip dự định là CPU, mọi bộ phận đều phải hoạt động chính xác, hoạt động trong phạm vi tốc độ xung nhịp nhất định ở điện áp cụ thể. Mỗi phần wafer sau đó được phân loại dựa trên kết quả kiểm tra này.

Sau khi hoàn thành, wafer được cắt thành các miếng riêng lẻ, hoặc “die”, có thể sử dụng được. Các die này sau đó được gắn lên một chất nền, giống như một bo mạch chủ chuyên dụng. Bộ xử lý trải qua quá trình đóng gói tiếp theo (ví dụ với bộ tản nhiệt) trước khi sẵn sàng để phân phối. Toàn bộ chuỗi có thể mất nhiều tuần sản xuất và các công ty như TSMC và Samsung tính phí cao cho mỗi wafer, từ 3.000 đến 20.000 USD tùy thuộc vào nút quy trình được sử dụng.

Tham khảo thêm các sản phẩm Dell 16G hiện đại nhất 

Các mạch bên trong chip có thể được phân loại thành một trong các loại rộng sau:

• Logic – xử lý dữ liệu, toán học và ra quyết định
• Bộ nhớ – thường là SRAM, lưu trữ dữ liệu cho logic
• Tương tự – mạch quản lý tín hiệu giữa chip và các thiết bị khác

Thật không may, trong khi các mạch logic tiếp tục thu nhỏ với mỗi bước tiến lớn trong công nghệ nút quy trình, các mạch tương tự hầu như không thay đổi và SRAM cũng bắt đầu đạt đến giới hạn.

Mặc dù logic vẫn tạo thành phần lớn nhất của die, nhưng lượng SRAM trong CPU và GPU hiện nay đã tăng lên đáng kể trong những năm gần đây. Ví dụ: chip Vega 20 của AMD được sử dụng trong card đồ họa Radeon VII (2019) của mình, có tổng cộng 5MB bộ nhớ cache L1 và L2. Chỉ hai thế hệ GPU sau đó, chip Navi 21 cung cấp sức mạnh cho dòng Radeon RX 6000 (2020), bao gồm hơn 130 MB bộ nhớ cache kết hợp – tăng đáng kể 25 lần.

Càng “nhỏ” càng “hiệu quả”

Để hiểu rõ hơn tại sao AMD lại chọn hướng đi này, hãy cùng xem xét hình ảnh dưới đây. Nó giới thiệu hai CPU cũ hơn thuộc dòng Ryzen 5 – 2600 ở bên trái, sử dụng kiến trúc Zen+, và 3600 sử dụng Zen 2 ở bên phải. Bộ tản nhiệt trên cả hai mẫu đều đã được loại bỏ và các bức ảnh được chụp bằng camera hồng ngoại. Chip đơn của 2600 chứa tám lõi, mặc dù hai trong số đó bị vô hiệu hóa đối với mẫu cụ thể này.

Điều này cũng đúng với 3600, nhưng ở đây chúng ta có thể thấy rằng có hai die trong gói – Core Complex Die (CCD) ở trên cùng, chứa các lõi và bộ nhớ cache, và Input/Output Die (IOD) ở dưới cùng chứa tất cả các bộ điều khiển (cho bộ nhớ, PCI Express, USB, v.v.) và giao diện vật lý.

Vì cả hai CPU Ryzen đều phù hợp với cùng một ổ cắm trên bo mạch chủ, nên hai hình ảnh về cơ bản có cùng tỷ lệ. Trên bề mặt, có vẻ như hai die trong 3600 có diện tích kết hợp lớn hơn so với một chip duy nhất trong 2600, nhưng vẻ bề ngoài có thể gây hiểu lầm.

Không thể bỏ qua top server hiệu năng cao

• Dell R760xs 
• Server Dell T150

Nếu chúng ta trực tiếp so sánh các chip chứa các lõi, rõ ràng là bao nhiêu diện tích trong mô hình cũ bị chiếm dụng bởi mạch tương tự – đó là tất cả các màu xanh lục bao quanh các lõi và bộ nhớ cache màu vàng. Tuy nhiên, trong CCD Zen 2, rất ít diện tích die được dành riêng cho các hệ thống tương tự; nó gần như hoàn toàn bao gồm logic và SRAM.

Chip Zen+ có diện tích 213 mm² và được sản xuất bởi GlobalFoundries bằng quy trình 12nm của họ. Đối với Zen 2, AMD vẫn giữ nguyên dịch vụ của GlobalFoundries cho IOD 125 mm² nhưng sử dụng nút N7 của TSMC cao cấp hơn cho CCD 73 mm².

Diện tích kết hợp của các chip trong mô hình mới nhỏ hơn và nó cũng có gấp đôi bộ nhớ cache L3, hỗ trợ bộ nhớ và PCI Express nhanh hơn. Tuy nhiên, phần tốt nhất của phương pháp chiplets là kích thước nhỏ gọn của CCD đã cho phép AMD lắp thêm một cái khác vào gói. Sự phát triển này đã tạo ra dòng Ryzen 9, cung cấp các mẫu 12 và 16 lõi cho máy tính để bàn.

Thậm chí tốt hơn, bằng cách sử dụng hai chip nhỏ hơn thay vì một chip lớn, mỗi wafer có khả năng tạo ra nhiều die hơn. Trong trường hợp CCD Zen 2, một wafer 12 inch (300mm) đơn lẻ có thể sản xuất nhiều hơn 85% die so với mô hình Zen+.

Càng cắt lát nhỏ ra khỏi wafer, khả năng tìm thấy lỗi sản xuất càng thấp (vì chúng có xu hướng phân bố ngẫu nhiên trên đĩa), vì vậy, xét về tất cả những điều này, phương pháp chiplets không chỉ mang lại cho AMD khả năng mở rộng danh mục đầu tư của mình mà còn làm được điều đó hiệu quả hơn về chi phí – cùng một CCD có thể được sử dụng trong nhiều mẫu và mỗi wafer sản xuất hàng trăm mẫu!

Học hỏi kẻ dẫn đầu 

So sánh cách tiếp cận chiplets của Intel và AMD

• Intel (Meteor Lake)

• Chia thành 4 gạch: tính toán, đồ họa, SoC và IO.
• Sử dụng interposer để kết nối các gạch.
• Linh hoạt hơn trong việc kết hợp các gạch khác nhau cho các sản phẩm khác nhau.
• Phức tạp và tốn kém hơn trong sản xuất ban đầu.

Xem thêm các sản phẩm CPU server Intel chính hãng

• AMD

• Sử dụng ít chiplet hơn và hệ thống kết nối Infinity Fabric.
• Tập trung vào hiệu năng và khả năng mở rộng.
• Ít linh hoạt hơn trong việc tùy biến các sản phẩm.
• Chi phí sản xuất có thể thấp hơn về lâu dài.

• Lợi ích của công nghệ chiplets

• Tăng hiệu suất: Cho phép tích hợp nhiều lõi và bộ nhớ cache hơn.
• Giảm chi phí: Tận dụng tốt hơn diện tích wafer và giảm lỗi sản xuất.
• Linh hoạt: Dễ dàng tùy chỉnh sản phẩm cho các phân khúc thị trường khác nhau.

• Thách thức và tương lai

• Chi phí sản xuất ban đầu cao: Cả hai công ty đều phải đầu tư lớn vào nghiên cứu và phát triển.
• Độ phức tạp: Thiết kế và sản xuất chiplets đòi hỏi kỹ thuật cao.
• GPU: AMD đã áp dụng chiplet vào GPU Radeon 7000, trong khi Nvidia và Intel đang nghiên cứu.

Cả Intel và AMD đều đang đầu tư vào công nghệ chiplets để tăng hiệu năng và linh hoạt cho sản phẩm của mình. Mặc dù mỗi công ty có cách tiếp cận khác nhau, nhưng đều hướng tới mục tiêu cuối cùng là cung cấp cho người dùng những sản phẩm tốt hơn. Trong tương lai, chúng ta có thể mong đợi thấy công nghệ chiplets trở nên phổ biến hơn trong các sản phẩm điện tử tiêu dùng.

Kết luận

Trong cuộc đua không ngừng nghỉ để tạo ra những chiếc máy tính mạnh mẽ và hiệu quả hơn, các nhà sản xuất chip đã tìm ra một giải pháp đột phá: chiplets. Thay vì tập trung vào việc chế tạo những con chip khổng lồ và phức tạp, các kỹ sư đã chia nhỏ chúng thành những đơn vị nhỏ hơn, linh hoạt hơn. Vậy chiplets là gì và tại sao chúng lại được kỳ vọng sẽ cách mạng hóa ngành công nghiệp bán dẫn? Hãy cùng tìm hiểu.

Xem thêm bài viết Máy chủ là gì? Server là gì?