Mặc dù chiplet đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ, nhưng chúng đã được sử dụng một cách tiết kiệm và cho những mục đích rất cụ thể. Giờ đây, chúng đang ở đỉnh cao của công nghệ, với hàng triệu người trên toàn thế giới sử dụng chúng trong máy tính để bàn, máy trạm và máy chủ.
Một công ty hàng đầu trong ngành gần đây đã tận dụng các chiplet để giành lại vị trí đi đầu trong đổi mới và rõ ràng là sẽ không lâu nữa các chiplet sẽ trở thành tiêu chuẩn trong thế giới điện toán. Vì vậy, hãy ngồi lại và tìm hiểu về chiplet và lý do chính xác tại sao chúng lại quan trọng đến vậy.
Chiplet là bộ vi xử lý được phân đoạn. Thay vì hợp nhất mọi bộ phận thành một con chip duy nhất (được gọi là phương pháp nguyên khối), các phần cụ thể được sản xuất dưới dạng các con chip riêng biệt. Những con chip riêng lẻ này sau đó được gắn với nhau thành một gói duy nhất bằng hệ thống kết nối phức tạp.
Sự sắp xếp này cho phép các bộ phận có thể hưởng lợi từ các phương pháp chế tạo mới nhất được thu nhỏ kích thước, nâng cao hiệu quả của quy trình và cho phép chúng vừa với nhiều bộ phận hơn.
Các bộ phận của chip không thể giảm đáng kể hoặc không yêu cầu giảm có thể được sản xuất bằng các phương pháp cũ hơn và tiết kiệm hơn.
Mặc dù quy trình sản xuất các bộ xử lý như vậy rất phức tạp, nhưng tổng chi phí thường thấp hơn. Hơn nữa, nó cung cấp cho các công ty chế biến một con đường dễ quản lý hơn để mở rộng phạm vi sản phẩm của họ.
Để hiểu đầy đủ lý do tại sao các nhà sản xuất bộ xử lý chuyển sang sử dụng chiplet, trước tiên chúng ta phải tìm hiểu kỹ cách thức các thiết bị này được tạo ra. CPU và GPU bắt đầu hoạt động dưới dạng các đĩa lớn làm bằng silicon siêu tinh khiết, thường có đường kính dưới 12 inch (300 mm) một chút và dày 0,04 inch (1 mm).
Tấm wafer silicon này trải qua một chuỗi các bước phức tạp, dẫn đến nhiều lớp vật liệu khác nhau – chất cách điện, chất 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 chiếu qua phiên bản phóng to của mẫu (mặt nạ) và sau đó được thu nhỏ qua thấu kính đến kích thước yêu cầu.
Mẫu được lặp lại, theo các khoảng thời gian đã định, trên bề mặt của tấm bán dẫn và mỗi mẫu này cuối cùng sẽ trở thành một bộ xử lý. Vì các con chip có hình chữ nhật và các tấm wafer có hình tròn, nên các mẫu phải chồng lên chu vi của đĩa. Những phần chồng chéo này cuối cùng bị loại bỏ vì chúng không hoạt động.
Sau khi hoàn thành, wafer được kiểm tra bằng cách sử dụng đầu dò áp dụng cho từng chip. Kết quả kiểm tra điện thông báo cho các kỹ sư về chất lượng của bộ xử lý dựa trên một danh sách dài các tiêu chí. Giai đoạn ban đầu này, được gọi là tạo chip, giúp xác định “cấp” của bộ xử lý.
Chẳng hạn, nếu con chip được dự định là một CPU, thì mọi bộ phận phải hoạt động chính xác, hoạt động trong một phạm vi tốc độ xung nhịp đã đặt ở một điện áp cụ thể. Mỗi phần wafer sau đó được phân loại dựa trên các kết quả thử nghiệm này.
Sau khi hoàn thành, tấm wafer được cắt thành từng mảnh riêng lẻ hoặc “chết” để có thể sử dụng được. Những khuôn này sau đó được gắn lên một đế, giống như một bo mạch chủ chuyên dụng. Bộ xử lý trải qua quá trình đóng gói thêm (ví dụ: với bộ tản nhiệt) trước khi sẵn sàng phân phối.
Toàn bộ chuỗi có thể mất hàng tuần sản xuất và các công ty như TSMC và Samsung tính phí cao cho mỗi tấm wafer, ở khoảng từ 3.000 đến 20.000 đô la tùy thuộc vào nút quy trình được sử dụng.
“Nút quá trình” là thuật ngữ được sử dụng để mô tả toàn bộ hệ thống chế tạo. Về mặt lịch sử, chúng được đặt tên theo chiều dài cổng của bóng bán dẫn. Tuy nhiên, khi công nghệ sản xuất được cải thiện và cho phép các bộ phận ngày càng nhỏ hơn, danh pháp không còn tuân theo bất kỳ khía cạnh vật lý nào của khuôn và giờ đây nó chỉ đơn giản là một công cụ tiếp thị.
Tuy nhiên, mỗi nút quy trình mới mang lại lợi ích so với nút trước đó. Nó có thể rẻ hơn để sản xuất, tiêu thụ ít năng lượng hơn ở cùng tốc độ xung nhịp (hoặc ngược lại) hoặc có mật độ cao hơn. Số liệu thứ hai đo lường có bao nhiêu thành phần có thể vừa với một khu vực khuôn nhất định. Trong biểu đồ bên dưới, bạn có thể thấy điều này đã phát triển như thế nào qua nhiều năm đối với GPU (chip lớn nhất và phức tạp nhất mà bạn sẽ tìm thấy trong PC)…
Những cải tiến trong nút quy trình cung cấp phương tiện để các kỹ sư tăng khả năng và hiệu suất của sản phẩm mà không cần phải sử dụng chip lớn và tốn kém. Tuy nhiên, biểu đồ trên chỉ nói lên một phần câu chuyện, vì không phải mọi khía cạnh của bộ xử lý đều có thể hưởng lợi từ những tiến bộ này.
Các mạch bên trong chip có thể được phân bổ vào một trong các loại lớn sau:
Thật không may, trong khi các mạch logic tiếp tục bị thu hẹp sau mỗi bước tiến quan trọng trong công nghệ nút xử lý, các mạch tương tự hầu như không thay đổi và SRAM cũng đang bắt đầu đạt đến giới hạn.
Mặc dù logic vẫn là phần lớn nhất của khuôn, nhưng lượng SRAM trong CPU và GPU ngày 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 có tổng cộng 5 MB bộ đệm L1 và L2. Chỉ hai thế hệ GPU sau, Navi 21 có hơn 130 MB bộ nhớ cache các loại – gấp 25 lần so với Vega 20.
Chúng ta có thể kỳ vọng các mức này sẽ tiếp tục tăng lên khi các thế hệ bộ xử lý mới được phát triển, nhưng với bộ nhớ cũng như logic không bị thu nhỏ, việc sản xuất tất cả các mạch điện trên cùng một nút quy trình sẽ ngày càng trở nên ít hiệu quả hơn về mặt chi phí.
Trong một thế giới lý tưởng, người ta sẽ thiết kế một khuôn trong đó các phần tương tự được chế tạo trên nút lớn nhất và rẻ nhất, các bộ phận SRAM trên một nút nhỏ hơn nhiều và logic dành riêng cho công nghệ tiên tiến tuyệt đối. Thật không may, điều này là không thể đạt được trên thực tế. Tuy nhiên, tồn tại một cách tiếp cận khác.
Trở lại năm 1995, Intel đã tung ra phiên bản kế nhiệm cho bộ xử lý P5 ban đầu của mình, Pentium II. Điều khiến nó khác biệt so với giá vé thông thường vào thời điểm đó là bên dưới tấm chắn nhựa có một bảng mạch chứa hai chip: chip chính, chứa tất cả logic xử lý và hệ thống tương tự, và một hoặc hai mô-đun SRAM riêng biệt đóng vai trò Cấp 2. bộ đệm.
Intel đã sản xuất chip chính, nhưng bộ đệm được lấy từ các công ty khác. Điều này sẽ trở thành tiêu chuẩn khá phổ biến đối với máy tính để bàn vào giữa đến cuối những năm 1990, cho đến khi các kỹ thuật chế tạo chất bán dẫn được cải thiện đến mức logic, bộ nhớ và tín hiệu tương tự đều có thể được tích hợp vào cùng một khuôn.
Mặc dù Intel tiếp tục nghiên cứu nhiều chip trong cùng một gói, nhưng phần lớn họ bị mắc kẹt với cái gọi là cách tiếp cận nguyên khối cho bộ xử lý – tức là một chip cho mọi thứ. Đối với hầu hết các bộ xử lý, không cần nhiều hơn một khuôn, vì các kỹ thuật sản xuất đủ thành thạo (và giá cả phải chăng) để giữ cho nó đơn giản.
Tuy nhiên, các công ty khác quan tâm nhiều hơn đến cách tiếp cận đa chip, đáng chú ý nhất là IBM. Vào năm 2004, có thể mua phiên bản 8 chip của CPU máy chủ POWER4 bao gồm bốn bộ xử lý và bốn mô-đun bộ đệm, tất cả được gắn trong cùng một thân máy (được gọi là mô-đun nhiều chip hoặc cách tiếp cận MCM).
Khoảng thời gian này, thuật ngữ “tích hợp không đồng nhất” (HI) bắt đầu xuất hiện, một phần là do công việc nghiên cứu được thực hiện bởi DARPA (Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến của Bộ Quốc phòng). HI nhằm mục đích phân tách các phần khác nhau của một hệ thống xử lý, chế tạo chúng riêng lẻ trên các nút phù hợp nhất cho từng phần, sau đó kết hợp chúng vào cùng một gói.
Ngày nay, điều này được biết đến nhiều hơn với tên gọi gói hệ thống (SiP) và đã là phương pháp tiêu chuẩn để trang bị chip cho đồng hồ thông minh ngay từ khi mới thành lập. Ví dụ: Apple Watch Series 1 chứa CPU, một số DRAM và NAND Flash, nhiều bộ điều khiển và các thành phần khác trong một cấu trúc duy nhất.
Một thiết lập tương tự có thể đạt được bằng cách có tất cả các hệ thống khác nhau trên một khuôn duy nhất (được gọi là hệ thống trên chip hoặc SoC). Tuy nhiên, cách tiếp cận này không cho phép tận dụng các mức giá nút khác nhau, cũng như mọi thành phần không thể được sản xuất theo cách này.
Đối với một nhà cung cấp công nghệ, sử dụng tích hợp không đồng nhất cho một sản phẩm thích hợp là một chuyện, nhưng sử dụng nó cho phần lớn danh mục đầu tư của họ lại là chuyện khác. Đây chính xác là những gì AMD đã làm với loạt bộ xử lý của mình. Vào năm 2017, gã khổng lồ bán dẫn đã phát hành kiến trúc Zen của mình dưới dạng CPU máy tính để bàn Ryzen một khuôn. Vài tháng sau, hai dòng sản phẩm đa chip, Threadripper và EPYC, ra mắt, với dòng sau có tới bốn khuôn.
Với sự ra mắt của Zen 2 hai năm sau đó, AMD đã hoàn toàn chấp nhận HI, MCM, SiP – bạn muốn gọi nó là gì. Họ đã chuyển phần lớn hệ thống tương tự ra khỏi bộ xử lý và đặt chúng vào một khuôn riêng. Chúng được sản xuất trên nút quy trình đơn giản hơn, rẻ hơn, trong khi nút tiên tiến hơn được sử dụng cho phần logic và bộ đệm còn lại.
Và vì vậy, chiplets đã trở thành từ thông dụng được lựa chọn.
Để hiểu chính xác tại sao AMD lại chọn hướng đi này, hãy cùng xem xét hình ảnh bên dưới. Nó giới thiệu hai CPU từ dòng Ryzen 5 – 2600 ở bên trái, sử dụng cái gọi là kiến trúc Zen + và 3600 hỗ trợ Zen 2 ở bên phải.
Bộ tản nhiệt trên cả hai kiểu máy đã được gỡ bỏ và các bức ảnh được chụp bằng camera hồng ngoại. Khuôn đơn của 2600 chứa tám lõi, mặc dù hai trong số chúng bị vô hiệu hóa đối với kiểu máy cụ thể này.
Đây cũng là trường hợp của 3600, nhưng ở đây chúng ta có thể thấy rằng có hai khuôn trong gói – Khuôn phức hợp lõi (CCD) ở trên cùng, chứa các lõi và bộ đệm, và Khuôn đầu vào/đầu ra (IOD) ở phần dưới cùng chứa tất cả các bộ điều khiển (dành cho bộ nhớ, PCI Express, USB, v.v.) và các giao diện vật lý.
Vì cả hai CPU Ryzen đều phù hợp với cùng một ổ cắm bo mạch chủ, nên hai hình ảnh về cơ bản là để chia tỷ lệ. Nhìn bề ngoài, có vẻ như hai khuôn trong 3600 có diện tích kết hợp lớn hơn so với chip đơn trong 2600, nhưng vẻ bề ngoài có thể gây nhầm lẫn.
Nếu chúng ta so sánh trực tiếp các chip chứa lõi, thì rõ ràng mạch tương tự chiếm bao nhiêu không gian trong mô hình cũ – đó là tất cả các màu xanh lam-lục bao quanh lõi và bộ đệm màu vàng. Tuy nhiên, trong Zen 2 CCD, rất ít khu vực khuôn 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 nút quy trình 12nm. Đối với Zen 2, AMD đã giữ lại các dịch vụ của GlobalFoundries cho IOD 125 mm² nhưng sử dụng nút N7 ưu việt của TSMC cho CCD 73 mm².
Diện tích kết hợp của các chip trong kiểu máy mới hơn nhỏ hơn và nó cũng tự hào có bộ nhớ đệm L3 gấp đôi, hỗ trợ bộ nhớ nhanh hơn và PCI Express. Tuy nhiên, phần tốt nhất của phương pháp chiplet là kích thước nhỏ gọn của CCD giúp AMD có thể lắp một cái khác vào gói. Sự phát triển này đã khai sinh 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 tấm wafer có khả năng tạo ra nhiều khuôn hơn. Trong trường hợp của Zen 2 CCD, một tấm wafer 12 inch (300 mm) duy nhất có thể tạo ra nhiều khuôn hơn tới 85% so với mẫu Zen+.
Một lát cắt ra khỏi tấm wafer càng nhỏ thì càng ít khả năng phát hiện lỗi sản xuất (vì chúng có xu hướng phân bố ngẫu nhiên trên đĩa), do đó, khi tính đến tất cả những điều này, phương pháp chiplet không chỉ mang lại cho AMD khả năng mở rộng danh mục đầu tư của mình, cho đến nay nó đã tiết kiệm chi phí hơn rất nhiều – cùng một CCD có thể được sử dụng trong nhiều mô hình và mỗi tấm wafer tạo ra hàng trăm mô hình như vậy!
Mảnh lấy từ một tấm wafer càng nhỏ thì càng ít có khả năng gặp phải lỗi sản xuất (vì chúng có xu hướng phân bố ngẫu nhiên trên đĩa). Vì vậy, khi tính đến tất cả những điều này, phương pháp chiplet không chỉ cho phép AMD mở rộng danh mục đầu tư của mình mà còn tiết kiệm chi phí hiệu quả hơn rất nhiều. Các CCD giống nhau có thể được sử dụng trong nhiều kiểu máy và mỗi tấm wafer tạo ra hàng trăm chiếc như vậy!
Nhưng nếu sự lựa chọn thiết kế này rất thuận lợi, tại sao Intel không làm điều đó? Tại sao chúng ta không thấy nó được sử dụng trong các bộ xử lý khác, chẳng hạn như GPU?
Để giải quyết câu hỏi đầu tiên, Intel thực sự đang áp dụng lộ trình chiplet đầy đủ và họ đang đi đúng hướng với kiến trúc CPU tiêu dùng tiếp theo của mình, được gọi là Hồ sao băng. Đương nhiên, cách tiếp cận của Intel có phần độc đáo, vì vậy hãy khám phá xem nó khác với cách tiếp cận của AMD như thế nào.
Sử dụng thuật ngữ gạch thay vì chiplet, thế hệ bộ xử lý này sẽ chia thiết kế nguyên khối trước đó thành bốn chip riêng biệt:
Các kết nối tốc độ cao, độ trễ thấp hiện diện giữa SOC và ba ô xếp khác và tất cả chúng đều được kết nối với một khuôn khác, được gọi là bộ xen kẽ . Bộ giao thoa này cung cấp năng lượng cho từng chip và chứa các dấu vết giữa chúng. Bộ xen kẽ và bốn ô sau đó được gắn vào một bảng bổ sung để cho phép đóng gói toàn bộ tổ hợp.
Không giống như Intel, AMD không sử dụng bất kỳ khuôn gắn đặc biệt nào mà có hệ thống kết nối độc đáo của riêng mình, được gọi là Infinity Fabric, để xử lý các giao dịch dữ liệu chiplet. Việc cung cấp năng lượng chạy qua một gói khá chuẩn và AMD cũng sử dụng ít bộ ba hơn. Vậy tại sao thiết kế của Intel lại như vậy?
Một thách thức với cách tiếp cận của AMD là nó không phù hợp lắm với lĩnh vực điện năng thấp, siêu di động. Đây là lý do tại sao AMD vẫn sử dụng CPU nguyên khối cho phân khúc đó. Thiết kế của Intel cho phép họ trộn và kết hợp các ô xếp khác nhau để phù hợp với một nhu cầu cụ thể. Ví dụ: các mẫu ngân sách cho máy tính xách tay giá cả phải chăng có thể sử dụng các ô nhỏ hơn nhiều ở mọi nơi, trong khi AMD chỉ có một chiplet kích thước cho từng mục đích.
Nhược điểm của hệ thống Intel là nó phức tạp và tốn kém để sản xuất, mặc dù còn quá sớm để dự đoán điều này sẽ ảnh hưởng như thế nào đến giá bán lẻ. Tuy nhiên, cả hai công ty CPU đều cam kết hoàn toàn với khái niệm chiplet. Khi mọi bộ phận của chuỗi sản xuất được thiết kế xung quanh nó, chi phí sẽ giảm.
Về GPU, chúng chứa tương đối ít về mạch tương tự so với phần còn lại của khuôn, nhưng lượng SRAM bên trong đang tăng dần. Đây là lý do tại sao AMD áp dụng kiến thức về chiplet của mình cho dòng Radeon 7000 mới nhất của mình, với GPU Radeon RX 7900 bao gồm nhiều khuôn – một khuôn lớn duy nhất cho các lõi và bộ đệm L2, và năm hoặc sáu chip nhỏ, mỗi chip chứa một phần của bộ đệm L3. và một bộ điều khiển bộ nhớ.
Bằng cách di chuyển các bộ phận này ra khỏi khuôn chính, các kỹ sư có thể tăng đáng kể lượng logic mà không cần sử dụng các nút quy trình mới nhất để kiểm soát kích thước chip. Tuy nhiên, thay đổi này không giúp tăng cường độ rộng của danh mục đồ họa, mặc dù nó có thể giúp cải thiện chi phí tổng thể.
Hiện tại, Intel và Nvidia không có dấu hiệu đi theo sự dẫn dắt của AMD với các thiết kế GPU của họ. Cả hai công ty đều sử dụng TSMC cho tất cả các nhiệm vụ sản xuất và dường như hài lòng với việc sản xuất những con chip cực lớn, chuyển chi phí sang người tiêu dùng.
Tuy nhiên, với doanh thu trong lĩnh vực đồ họa giảm dần, chúng ta có thể thấy mọi nhà cung cấp GPU sẽ áp dụng cùng một lộ trình trong vài năm tới.
Bất kể khi nào những thay đổi này xảy ra, sự thật cơ bản là chúng phải xảy ra. Bất chấp những tiến bộ công nghệ to lớn trong sản xuất chất bán dẫn, vẫn có một giới hạn nhất định về mức độ thu nhỏ của mỗi thành phần.
Để tiếp tục nâng cao hiệu suất của chip, về cơ bản, các kỹ sư có hai con đường – bổ sung thêm logic, với bộ nhớ cần thiết để hỗ trợ nó và tăng tốc độ xung nhịp bên trong. Về cái sau, CPU trung bình đã không thay đổi đáng kể về khía cạnh này trong nhiều năm. Bộ xử lý FX-9590 của AMD, từ năm 2013, có thể đạt tốc độ 5 GHz trong một số khối lượng công việc nhất định, trong khi tốc độ xung nhịp cao nhất trong các mẫu hiện tại của nó là 5,7 GHz (với Ryzen 9 7950X).
Intel gần đây đã ra mắt Core i9-13900KS, có khả năng đạt 6 GHz trong điều kiện thích hợp, nhưng hầu hết các mẫu của nó đều có tốc độ xung nhịp tương đương với AMD.
Tuy nhiên, điều đã thay đổi là số lượng mạch và SRAM. FX-9590 đã nói ở trên có 8 lõi (và 8 luồng) và 8 MB bộ đệm L3, trong khi 7950X3D có 16 lõi, 32 luồng và 128 MB bộ đệm L3. CPU của Intel cũng được mở rộng tương tự về số lõi và SRAM.
GPU đổ bóng hợp nhất đầu tiên của Nvidia, G80 từ năm 2006, bao gồm 681 triệu bóng bán dẫn, 128 lõi và 96 kB bộ đệm L2 trong một con chip có diện tích 484 mm2. Tua nhanh đến năm 2022, khi AD102 được ra mắt và nó hiện bao gồm 76,3 tỷ bóng bán dẫn, 18.432 lõi và 98.304 kB bộ nhớ đệm L2 trong diện tích khuôn 608 mm2.
Năm 1965, Gordon Moore, người đồng sáng lập Fairchild Semiconductor, đã quan sát thấy rằng trong những năm đầu sản xuất chip, mật độ các bộ phận bên trong khuôn tăng gấp đôi mỗi năm với chi phí sản xuất tối thiểu cố định. Quan sát này được gọi là Định luật Moore và sau đó được hiểu là “số lượng bóng bán dẫn trong chip tăng gấp đôi sau mỗi hai năm”, dựa trên xu hướng sản xuất.
Định luật Moore vẫn là một mô tả khá chính xác về sự phát triển của ngành công nghiệp bán dẫn trong gần sáu thập kỷ. Những thành tựu to lớn về logic và bộ nhớ trong cả CPU và GPU đã đạt được nhờ những cải tiến liên tục trong các nút quy trình, với các thành phần ngày càng trở nên nhỏ hơn trong những năm qua.
Tuy nhiên, xu hướng này không thể tiếp tục mãi mãi, bất kể công nghệ mới ra đời là gì.
Thay vì đợi đạt đến giới hạn này, các công ty như AMD và Intel đã chuyển sang sử dụng chiplet, khám phá nhiều cách khác nhau để kết hợp chúng nhằm tiếp tục tiến bộ trong việc tạo ra các bộ xử lý mạnh mẽ hơn bao giờ hết.
Trong nhiều thập kỷ tới, một chiếc PC trung bình có thể chứa các CPU và GPU có kích thước bằng bàn tay của bạn, nhưng bóc bộ tản nhiệt ra và bạn sẽ tìm thấy một loạt các con chip nhỏ – không phải ba hay bốn, mà là hàng chục con, tất cả đều được sắp xếp một cách tài tình lát gạch và xếp chồng lên nhau.
Sự thống trị của chiplet chỉ mới bắt đầu.