Chiplet là gì? Tại sao nói đây là tương lai của ngành công nghiệp bán dẫn?

Bạn có thể đã từng nghe về khái niệm CPU được coi là “bộ não” của các hệ thống máy tính bất kể lớn nhỏ. Tương tự như thùy não của con người, các bộ xử lý hiện đại có thể chứa nhiều chip, được gọi là chiplets, thay vì chỉ một con chip "nguyên khối" như trước đây. Vậy chiplet là gì, và tại sao chúng lại được sử dụng ngày càng phổ biến như vậy?

Chiplets là gì?

Về mặt kỹ thuật, Chiplet là một phần của mô-đun xử lý tạo nên một mạch tích hợp lớn hơn như một bộ xử lý máy tính. Thay vì sản xuất chỉ một bộ xử lý trên một miếng silicon với số lượng lõi mong muốn, chiplet cho phép các nhà sản xuất như AMD và Intel sử dụng kết hợp nhiều chip nhỏ để tạo thành một mạch tích hợp lớn hơn, hoạt động hiệu quả hơn.

Hiểu theo cách đơn giản, bạn hãy liên tưởng đến hình ảnh của những miếng ghép lego. Chiplet là khái niệm để chỉ những bộ xử lý (một mô hình lớn) được cấu thành từ nhiều chip nhỏ khác nhau (các miếng lego). Trên thực tế, sự ra đời của chiplet là một hệ quả tất yếu khi mà kích thước của các bóng bán dẫn đã ngày càng trở nên quá nhỏ, đến mức khó có thể thu nhỏ hơn. Điều này khiến các nhà sản xuất chip phải tìm ra một phương pháp khác để tăng thêm sức mạnh cho các bộ vi xử lý của mình. Và chiplet có thể giúp giải quyết vấn đề đó.

Chiplet cũng khác với SoC ở chỗ SoC thực chất là nhiều linh kiện khác nhau gắn trên cùng 1 đế chip để tiết kiệm diện tích và cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng. Tuy nhiên chiplet lại có thể dùng được cho từng thành phần một, ví dụ như CPU trên SoC có thể được cấu thành từ nhiều chiplet nhỏ, tương tự là GPU, chip WiFi…

Nhiều chiplet hoạt động cùng nhau trong một mạch tích hợp duy nhất được gọi là mô-đun đa chip (MCM). Các CPU Ryzen, Ryzen Threadripper và Epyc dựa trên kiến trúc Zen độc quyền của AMD, là những ví dụ tiêu biểu về các bộ xử lý dạng chiplet đang được bán thương mại hiện nay.

Ưu điểm mà Chiplet mang lại

Định luật Moore nói rằng số lượng bóng bán dẫn trong một mạch silicon tích hợp tăng gấp đôi khoảng hai năm một lần. Quy tắc quan sát này được đặt theo tên của nhà đồng sáng lập Fairchild Semiconductor, Gordon Moore, người sau này trở thành Giám đốc điều hành của Intel.

Định luật Moore được đưa ra vào năm 1965 và duy trì trong khoảng 50 năm. Do những hạn chế của silicon, sự phát triển chất bán dẫn đã có dấu hiệu chậm lại vào năm 2010, và định luật Moore cũng được cho là sẽ lỗi thời vào năm 2025. Điều này đã khiến các nhà sản xuất chất bán dẫn phải tính đến việc sử dụng những loại vật liệu mới như gallium nitride trong nỗ lực thay thế hoàn toàn silicon.

Như đã nói, khi việc “nhồi nhét” nhiều bóng bán dẫn hơn vào một miếng silicon trở nên phức tạp, sản lượng sẽ giảm do những hạn chế của silicon tạo ra nhiều vấn đề hơn cho các nhà sản xuất.

Chiplet là một trong những giải pháp hiệu quả cho vấn đề này. Sản xuất chất bán dẫn nổi tiếng là khó, với các bộ vi xử lý theo truyền thống được chế tạo trên một miếng silicon được gọi là thiết kế "nguyên khối". Những khiếm khuyết nhỏ dẫn đến việc chip bị “hạ cấp” và được bán với ít lõi hơn, hoặc thậm chí bị loại bỏ hoàn toàn.

Ngược lại khi một chiplet bị lỗi, nó có thể được thay thế bằng chiplet khác, dẫn đến ít lãng phí hơn nhiều so với việc loại bỏ hoặc hạ cấp một chip lớn. Điều này đồng thời cũng giúp tăng năng suất vì các nhà sản xuất chip có thể đặt nhiều chiplet vào một bộ xử lý duy nhất để tạo nên số lượng lõi mong muốn.

Nhìn chung, Các nhà sản xuất có thể sử dụng chiplet để tối ưu mục tiêu sản xuất, vì nó sẽ ít lãng phí hơn so với các thiết kế nguyên khối truyền thống, “đặt cược” toàn bộ chip vào một miếng silicon duy nhất.

Ngoài ra, trong chiplet, khoảng cách giữa các module trên cùng 1 con chip cũng ngắn hơn. Điều này cho phép dữ liệu được truyền đi nhanh hơn so với việc phải gắn thêm 1 con chip riêng lẻ lên bo mạch chủ như thông thường.

Hiện tại, gần như mọi nhà sản xuất CPU lớn trên thế giới đều coi chiplet là tương lai của ngành công nghiệp bán dẫn. Hy vọng rằng đây sẽ là giải pháp giúp tăng sản lượng và giải quyết tình trạng thiếu hụt chip xử lý trong nhiều lĩnh vực như hiện nay.