Sức sống của định luật Moore

(PCWorldVN) Sau 50 năm chỉ lối cho ngành công nghiệp điện toán, định luật Moore đang gặp thách thức lớn trong việc thu nhỏ qui trình sản xuất chip bán dẫn.

• Nếu không có định luật Moore
• Định luật Moore sẽ sụp đổ trong 10 năm tới
• Định luật Moore sẽ đi về đâu
• Định luật Moore không chỉ cho vi xử lý
• Định luật Moore bị chậm, Intel đưa chip Kaby Lake vào lộ trình sản xuất

Trong một bài báo đăng vào năm 1965, Gordon Moore – nhà đồng sáng lập của Intel đã dự đoán rằng, bằng cách thu nhỏ bóng bán dẫn (transistor), các kỹ sư có thể tăng gấp đôi số lượng bóng bán dẫn trong mạch tích hợp sau mỗi năm – do đó tăng gấp đôi hiệu suất hoạt động (Một thập kỷ sau, ông sửa lại dự báo của mình thành mỗi 2 năm). Không ai có thể ngờ dự đoán của ông đã thành kim chỉ nam cho ngành công nghiệp điện toán, và “Định luật Moore” mang tên ông đã duy trì được suốt 50 năm qua.

Cứ sau chu kỳ 2 năm, với số lượng bóng bán dẫn tăng gấp đôi, năng lực tính toán của các bộ xử lý trong máy tính lại tăng gấp đôi. Tăng trưởng theo cấp số mũ, và dường như giới hạn vật lý cuối cùng cũng đã đến, sau thời kỳ phát triển thịnh vượng của PC và những giá trị to lớn mang lại cho các thiết bị tính toán nhỏ gọn và mạnh mẽ ngày nay.

Đồng sáng lập Gordon Moore của Intel Corp. cầm một tấm wafer silicon tại trụ sở Intel ở Santa Clara, California (Mỹ) vào năm 2005.

Ngành công nghiệp bán dẫn bùng nổ theo định luật Moore

Ngành công nghiệp bán dẫn hiện đại bắt đầu hình thành và phát triển từ cuối những năm 1940 sang đầu những năm 1950. Cho đến lúc đó, công nghệ điện tử vẫn dựa vào các bóng đèn chân không. Chúng không dễ gì thu nhỏ lại, nên các dàn máy tính thời đầu chiếm hết diện tích của cả một căn phòng lớn.

Vào năm 1946, chính phủ Mỹ công bố máy tính điện tử đầu tiên, mang tên ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer), gồm hơn 17.000 bóng đèn chân không (vacuum tube), cùng với 90.000 linh kiện. Hệ thống đồ sộ tới mức nặng 27 tấn, chiếm một diện tích khoảng 167 mét vuông, tiêu thụ hơn 150 kW điện. Thực tế này đặt ra đòi hỏi phải cải tiến để thu nhỏ hệ thống.

Điều đó bắt đầu xảy ra vào năm 1947, khi các kỹ sư tại viện Bell Labs phát minh ra bóng bán dẫn (transistor). Transistor có cùng chức năng nhưng ưu việt hơn hẳn so với bóng đèn chân không, chẳng những nhỏ hơn nhiều mà còn tỏa nhiệt ít hơn, hoạt động ổn định và phản ứng nhanh hơn. Ngành công nghệ điện tử chuyển mình nhanh chóng từ đây. Giải thưởng Nobel vật lý năm 1956 được trao cho bộ ba nhà phát minh bóng bán dẫn Shockley, Bardeen, và Bratain cho thấy tầm quan trọng của sự ra đời transistor. Texas Instruments (TI) bắt đầu bán chúng vào năm 1954.

Tới năm 1958, một kỹ sư của TI tên là Jack Kilby (người về sau nhận được giải thưởng Nobel năm 2000) đã phát minh ra cách đặt nhiều transistor trên cùng một tấm vật liệu duy nhất, gọi là chip bán dẫn, chế tạo từ germanium.

Đây là khởi điểm quan trọng cho ngành công nghiệp bán dẫn bùng nổ vào những năm sau đó.

Không lâu sau, Robert Noyce của Fairchild Semiconductor sáng chế ra phương pháp tạo mạch tích hợp (IC) tốt hơn bằng cách sử dụng chip silicon thay vì germanium như cách của Kilby. Phát minh của Noyce hết sức quan trọng, mở ra ngành công nghiệp vi mạch bán dẫn, và trở thành một ngành công công nghiệp lớn chuyên sản xuất những thứ nhỏ, và ngày càng nhỏ hơn.

Tới năm 1965, một nhà nghiên cứu khác của Fairchild Semiconductor, tên là Gordon Moore, phát hiện ra một qui luật quan trọng. Ông đăng một bài báo đề cập về dự đoán từ quan sát của mình: cứ sau mỗi năm ngành công nghiệp bán dẫn sẽ tìm được cách nhồi gấp đôi số lượng bóng bán dẫn trong một chip silicon.

Nói cách khác, sức mạnh của chip máy tính tăng gấp đôi trong một lịch trình có thể dự đoán. Hơn nữa, chi phí cũng giảm. Dự đoán này, nổi danh dưới cái tên Định luật Moore, cuối cùng trở thành lời tiên tri.

Kể từ đó, những cải tiến không ngừng trong việc tạo ra các IC nhỏ hơn dẫn đến khả năng sản xuất ra những chip silicon có sức mạnh xử lý ngày càng cao. So với ENIAC đồ sộ như đã nói, bộ xử lý Intel (được sản xuất bởi công ty cùng tên do Noyce và Moore đồng sáng lập vào năm 1968) mới nhất cho máy tính chứa số lượng linh kiện điện tử cao gấp hơn 10.000 lần, trong khi toàn bộ chip chỉ chiếm diện tích chưa tới 2 cm2.

Việc theo đuổi Định luật Moore dẫn đến một số công nghệ được áp dụng nhanh chưa từng thấy. Vào thời của mình, máy tính cá nhân là công nghệ được chấp nhận nhanh nhất trong lịch sử, và chỉ bị lu mờ bởi sự lên ngôi của smartphone – một sản phẩm khác cũng dựa trên sức mạnh của chip bán dẫn. Trong cả hai trường hợp, sự cạnh tranh về hiệu năng và giá đem đến cho người dùng những thiết bị điện toán tốt hơn với giá rẻ hơn.

Chip bán dẫn ngày càng rẻ và được ứng dụng phổ biến khắp nơi cho đủ loại thiết bị điện tử sử dụng trong đời sống ngày nay, làm chuyển biến mọi ngành nghề kinh tế. Nhưng nhiều dự đoán đã được đưa ra về cái kết sắp đến cho Định luật Moore. Tuy nhiên, những gì đang xảy ra lại có vẻ như Định luật nổi tiếng này sẽ được tái sinh theo một hướng khác. Đó là, chip được sản xuất theo cách mới, bằng cách chuyển sang một chiều mới, theo đúng nghĩa đen.

iPhone 6, cầm nhẹ nhàng bằng những ngón tay, mạnh hơn khoảng 1 triệu lần so với máy tính IBM hồi năm 1975 chiếm trọn cả căn phòng.

SoC A8 của iPhone 6 sản xuất theo qui trình 20 nm với khoảng 2 tỷ transistor chứa trong đế chip kích cỡ chỉ 89 mm2

Định luật Moore giai đoạn chuyển tiếp

Khi Gordon Moore viết bài báo nói lên quan sát của ông, chip phức tạp nhất cũng chỉ có 64 transistor. Năm 2000, Intel giới thiệu bộ xử lý Pentium 4 sản xuất theo qui trình công nghệ 180 nm. Hiện tại, bộ xử lý Intel Core thế hệ thứ 5 (Broadwell) đang được sản xuất theo qui trình 14 nm. Số transistor trên chip máy tính đã tăng từ 42 triệu lên hơn 1,3 tỷ chỉ trong vòng 15 năm.

Định luật Moore đã đứng vững trong suốt 50 năm qua, với qui trình công nghệ sản xuất ngày càng được thu nhỏ, và số linh kiện điện tử đặt trên một phiến silicon ngày càng tăng lên. Nhưng, thực tế những năm qua cho thấy việc thu nhỏ qui trình sản xuất ngày càng khó khăn hơn. Có vẻ như đã tới điểm giới hạn. Một số chuyên gia đã đưa ra thời điểm kết thúc sẽ diễn ra vào năm 2020, hoặc cố lắm cũng chỉ thêm được vài năm sau đó.

Nhưng đó sẽ không phải là sự kết thúc cải thiện năng lực tính toán theo cấp số mũ. Trên thực tế, smartphone bán ra thị trường vào năm 2025 sẽ mạnh hơn hẳn so với máy trạm chuyên dụng ngày nay. Không chỉ mạnh hơn về năng lực tính toán mà còn về bộ nhớ. Thêm nữa, các thông số kỹ thuật cũng được bổ sung và cải thiện hơn nhiều.

Điều đó là quan trọng, vì các nhà sản xuất đang gặp khó trong việc thu nhỏ hơn nữa bộ nhớ flash hiện đang được dùng để lưu trữ dữ liệu trong smartphone.

Thị trường đòi hỏi bộ nhớ có dung lượng lớn hơn và tốc độ nhanh hơn nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của nhiều người dùng muốn duyệt web với nhiều tab, nghe nhạc, soạn thảo tài liệu đồng thời. Dung lượng lưu trữ cũng phải đủ lớn để chứa hình ảnh, nhạc, phim và các dữ liệu khác ngày càng tăng, một cách an toàn và thuận tiện. Và điều quan trọng với người tiêu dùng ngày nay là thiết bị phải đủ nhỏ để bỏ gọn trong túi.

Nhưng thị trường không chỉ có người tiêu dùng, mà còn có những nhu cầu lớn đến từ các trung tâm dữ liệu. Ổ đĩa cứng đụng trần hiệu năng đã lâu. Công nghệ lưu trữ cũ này dù vẫn còn được dùng trong nhiều máy tính để bàn và laptop, nhưng nhiều laptop đời mới đã chuyển sang dùng các mô-đun flash.

Big Data cần lưu trữ tốc độ cao. Thậm chí cho dù được trang bị các bộ xử lý mạnh mẽ, hệ thống vẫn bị thắt cổ chai do không thể truy cập dữ liệu trên ổ cứng đủ nhanh. Đó là lý do vì sao các ổ đĩa cứng không còn được dùng trong hệ thống chạy các ứng dụng đòi hỏi hiệu năng cao hơn, nơi đó bộ nhớ flash được dùng thay cho chúng.

Nhưng có một nhược điểm ở đây là các transistor nhỏ xíu trên chip nhớ này khó xóa và ghi cũng khó chính xác hơn so với trước đây. Chúng cũng không tốt cho việc lưu trữ dữ liệu lâu dài.

Samsung sản xuất chip nhớ flash 3D Vertical NAND (V-NAND) vào năm 2013.

Và vấn đề trở nên tệ hại khi chúng càng nhỏ hơn, càng trở nên thiếu tin cậy, nghĩa là cần những bộ điều khiển bộ nhớ tiên tiến hơn để khắc phục điều đó. Chúng phải sử dụng mạch logic dự đoán để xác định những phần tử nhớ nào sẽ hỏng tiếp và chuyển các bit dữ liệu này tới nơi khác trên chip một cách chủ động.

Tuy nhiên, ngay cả với những bộ điều khiển bộ nhớ tốt hơn, vẫn có giới hạn thu nhỏ với công nghệ flash hiện tại. Nếu không sửa đổi, chúng sẽ chạm trần hiệu năng, như với ổ đĩa cứng. May thay, đã xuất hiện giải pháp cho những vấn đề này. Chip được sản xuất theo công nghệ 3 chiều.

Thay vì nhồi nhét nhiều linh kiện điện tử hơn vào một không gian 2 chiều, có thể tích hợp chúng theo từng lớp chồng lên nhau, thành các mạch 3 chiều. Bằng cách này sẽ tăng nhiều transistor hơn trong một chip nhớ, trong khi vẫn đảm bảo độ tin cậy và hiệu năng. Đó là công nghệ 3-D.

Làn sóng công nghệ mới đã bắt đầu xuất hiện. Trong năm 2013, Samsung trở thành nhà sản xuất bán dẫn đầu tiên khắc phục được những giới hạn thu nhỏ chip nhớ flash với công nghệ 3-D. Trong năm này, công ty điện tử Hàn Quốc đã bắt đầu sản xuất hàng loạt chip nhớ flash 3D Vertical NAND (V-NAND), dùng cả cho bộ nhớ dạng nhúng cũng như lưu trữ SSD.

Đó mới chỉ là sự khởi đầu. Toàn bộ ngành công nghiệp bán dẫn đã sẵn sàng chuyển sang công nghệ 3-D dưới những hình thái khác nhau. Không chỉ có Samsung mà các “tay chơi” lớn như Intel, Micron, Hynix, Taiwan Semiconductor và nhiều công ty khác, tất cả đều chuyển sang công nghệ 3-D, tìm cách tăng số lớp chồng lên nhau trên mỗi mô-đun.

Sẽ cần những dây chuyền sản xuất mới để sản xuất chip 3-D mới, đáp ứng nhu cầu gia tăng đối với bộ xử lý, bộ nhớ hay lưu trữ cho máy tính. Và toàn bộ những xu hướng lớn, từ Big Data cho tới Internet of Things cũng đang tăng trưởng không ngừng cùng với sự lớn mạnh của thị trường smartphone và thiết bị đeo thông minh… tất cả chúng tạo ra nhu cầu thúc đẩy thị trường chip bán dẫn tiếp tục tăng.

Thêm nữa, ngoài sự tăng trưởng trong ngành công nghiệp còn có sự thay đổi xảy ra thường xuyên. Các công ty sản xuất chip luôn chạy đua theo Định luật Moore, làm cho lời “tiên tri” hiệu nghiệm. Còn “tay chơi” nào không theo kịp sẽ bị bỏ lại phía sau.

Điều đó nghĩa là các công ty luôn có nhu cầu nâng cấp. Bất cứ khi nào các nhà sản xuất bán dẫn cần thu nhỏ qui trình của họ đều sẽ phải chi tiền đầu tư thiết bị. Và như vậy các công ty có thể cung cấp các dây chuyền sản xuất chip với công nghệ chế tạo mới nhất và tốt nhất trở nên hấp dẫn.

PC World VN, 08/2015