Tìm hiểu về tiến trình vi xử lý: tại sao các hãng lại chạy đua, tiến trình nhỏ có lợi gì?

Bên cạnh cuộc đua về tốc độ hay xung nhịp của vi xử lý, số nhân vi xử lý thì các hãng làm bán dẫn lớn còn cạnh tranh nhau danh hiệu: ai là người khai thác tiến trình nhỏ hơn. Hiện tại Intel đã vừa ra mắt dòng Ice Lake dùng tiến trình 10nm đầu tiên chỉ dùng trên laptop nhưng trong khi đó đối thủ AMD đã bán dòng Ryzen 3000 series dùng tiến trình 7 nm nhỏ hơn cho desktop. Vậy con số 7nm hay 10nm có ý nghĩa gì với CPU và tại sao các hãng phải chạy theo? Mình đã tìm hiểu và giải thích đơn giản nhất dưới đây:

Tiến trình xưa khác tiến trình nay:

Bên trong những con CPU là hàng triệu bóng bán dẫn (transistor), các cầu kết nối (interconnect) trong đó transistor có thể đóng/mở để thực hiện phép tính và để đóng mở như vậy thì chúng cần điện. Các cầu kết nối nằm trên cùng bóng bán dẫn bao gồm nhiều sợi dây đồng siêu nhỏ để truyền tải tín hiệu điện từ bán dẫn này sang bán dẫn khác. Khi xưa node tiến trình(process node) thể hiện kích thước của bóng bán dẫn, kích thước bóng bán dẫn nhỏ hơn có nghĩa chúng cần ít điện năng hơn để hoạt động. Thế nhưng theo định nghĩa hiện tại thì nó không thể hiện kích thước vật lý của bóng bán dẫn như xưa nữa và các nhà sản xuất chip đang sử dụng cái danh tiến trình này như một công cụ marketing hơn là thể hiện bản chất thực tế của bán dẫn.

Theo định luật Moore thì số lượng bóng bán dẫn trên CPU sẽ tăng gấp đôi mỗi 2 năm. Điều này từng đúng trong quá khứ, nhất là vào thời điểm cuối những năm 90 đầu 2000. Kích thước vật lý của bóng bán dẫn giảm từ 180 nm năm 1999 xuống 90 nm rồi 65 nm, 45 nm, 32 nm, 22 nm năm 2012 và hiệu năng giữa các tiến trình có sự cải thiện lớn. Ở mỗi node tiến trình thì trước đây các nhà sản xuất như Intel thu nhỏ bán dẫn theo tỉ lệ 0,7X và bằng kỹ thuật quang khắc thì họ thu nhỏ kích thước bán dẫn xuống từ đó mang lại 15% hiệu năng cải thiện trên mỗi node tiên trình giảm 35% chi phí sản xuất, tăng mật độ 50% và giảm 40% mức tiêu thụ điện năng. 

​

Thế nhưng đến năm 2014, ở kích thước 14 nm thì Intel bắt đầu chững lại bởi theo tỉ lệ thu nhỏ 0,7x thì công nghệ quang khắc hiện tại không cho phép đưa xuống tiến trình nhỏ hơn. Trở ngại của Intel cũng là trở ngại của nhiều hãng làm bán dẫn khác và giải pháp được đưa ra là công nghệ quang khắc bằng tia siêu cực tím (EUV) dù chưa hoàn toàn tối ưu. CPU thì như đã biết được chế tạo bằng công nghệ quang khắc, có thể hiểu nôm na là hình ảnh thiết kế của CPU được khắc lên một đế silicon (lấy từ tấm silicon wafer). 

Intel gần như từ bỏ định luật Moore kể từ năm 2014 và để đảm lộ trình sản phẩm thường niên thì hãng đã chuyển sang một mô hình gọi là PAO tức Process (tiến trình) - Architecture (kiến trúc) - Optimization (tối ưu hóa). Intel bị kẹt lại ở tiến trình 14 nm từ kiến trúc Broadwell (Core i thế hệ 5), sau đó là Skylake (thế hệ 6), Kaby Lake (thế hệ 7), Coffee Lake (thế hệ 8) vẫn là 14 nm, để đánh dấu thì thêm dấu + phía sau như 14 nm++.

Khác với Intel tự phát triển công nghệ sản xuất thì AMD khai thác tiến trình của TSMC để phát triển các vi xử lý dùng tiến trình 7 nm. Điều này mang lại lợi thế cho đội đỏ về mặt marketing cũng như những ưu thế cạnh tranh khác, đặc biệt là số nhân so với Intel. 

Nếu nói như vậy thì 10 nm của Intel sẽ thua 7 nm của AMD?

Thực tế không chính xác, hãy lưu ý rằng tiến trình được Intel và AMD sử dụng rất khác nhau như đã nói ở trên và cũng không thể so sánh với tiến trình của Samsung hay GlobalFoundries. Các bán dẫn nhỏ hơn sẽ đạt hiệu quả năng lượng tốt hơn vì điện năng tiêu thụ để đóng mở bán dẫn thấp hơn, ít nóng hơn. Ngoài ra, tiến trình nhỏ còn cho phép các nhà sản xuất chế tạo CPU với kích thước nhỏ hơn (die size), giảm chi phí và tăng mật độ bán dẫn với cùng kích thước so với tiến trình lớn. Điều này cũng có nghĩa với cùng kích thước đế thì nhà sản xuất có thể tăng số nhân. Đây là lý do vì sao AMD có thể thêm nhiều nhân trên dòng Ryzen 3000 series với tiến trình 7 nm so với Ryzen 1000/2000 series dùng tiến trình 14 nm hay thậm chí là trên dòng EPYC mới, số lượng nhân đã tăng gấp đôi thành 64 nhân so với 32 nhân của thế hệ trước.

Tuy nhiên, tiến trình nhỏ hơn không có nghĩa là hiệu năng cao hơn. Hiệu năng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như mật độ bán dẫn, mức tiêu thụ điện năng, rò rỉ off-state, dòng điện on-state của bán dẫn và cả chi phí... Vậy nên ở chỉ 1 khía cạnh là mật độ bán dẫn thì dù Intel vẫn sử dụng tiến trình 14 nm nhưng việc AMD dùng tiến trình 7 nm không có nghĩa là CPU của AMD nhanh hơn gấp đôi so với Intel.

Bản thân quy tắc đo tiến trình của các hãng cũng khác nhau. Tiến trình 10 nm của Intel sẽ cạnh tranh với 7 nm của AMD dù con số không ngang bằng. Nhìn bảng trên phần MTx/mm2 thì mật độ bán dẫn của tiến trình Intel 10 nm trên 106 MTx/mm2 trong khi TSMC 7 nm chỉ 96,5 MTx/mm2 (MTx/mm2 = millions transitor/mm2). Để đạt được mật độ bán dẫn cao thì mỗi hãng có một bí quyết riêng thiết kế và tinh chỉnh riêng. Vậy nên việc so sánh giữa các tiến trình với nhau và cho rằng tiến trình nhỏ hơn của hãng này tốt hơn tiến trình lớn hơn của hãng kia là không hợp lý.

Dĩ nhiên việc thu nhỏ tiến trình có giá trị của nó, nhất là với những thiết bị di động như điện thoại hay laptop với pin là nguồn sống. Như đã đề cập từ đầu, tiến trình nhỏ hay kích thước bán dẫn nhỏ hơn sẽ dùng ít điện năng hơn để xử lý cùng một phép tính so với các tiến trình lớn hơn. Ngược lại với cùng một mức điện năng tiêu thụ, vi xử lý tiến trình nhỏ hơn, mật độ bán dẫn lớn hơn sẽ có thể xử lý được nhiều phép toán hơn so với vi xử lý tiến trình lớn.