Intel vừa công bố đột phá phi thường trong thiết kế chip: xếp theo chiều dọc thay vì ngang như truyền thống

Bằng việc tạo nên các con CPU 3D theo chiều dọc, Intel không chỉ cứu vãn cho bản thân mình, mà còn cả ngành chip của tương lai.

Intel đã có một năm 2018 đầy khó khăn, với việc ra đi của các quan chức cao cấp, các thảm họa bảo mật, doanh số sụt giảm so với đối thủ, và sự sa sút của công ty trong những cuộc chạy đua công nghệ. Nhưng khi năm 2018 sắp qua đi, trong sự kiện Architecture Day, Intel lại hé lộ cho chúng ta kế hoạch của họ để giành lại những gì đã mất.

Kế hoạch này bao gồm ba mũi nhọn: các GPU tích hợp mới, kiến trúc CPU mới và cách thiết kế chip mới để làm bộ xử lý của họ nhanh hơn và có thể mở rộng hơn như đối thủ AMD của họ.

Chiến lược mới của Intel

Đầu tiên là các cải thiện cho đồ họa tích hợp sẵn ( GPU onboard): chúng ta biết rằng Intel đã đầu tư mạnh mẽ vào mặt trận GPU để cạnh tranh với AMD và Nvidia, và card đồ họa tích hợp Gen11 mới của họ dù không phải là một bước tiến lớn, nhưng cũng đủ là một đối trọng lớn. Các CPU hiện tại của Intel có tích hợp đồ họa đều dựa trên Gen9, sử dụng 24 bộ thực thi được tăng cường.

Còn Gen11 là một bước nhảy dài với 64 bộ thực thi và Intel tuyên bố nó sẽ có hiệu năng gấp đôi Gen9. Các đồ họa tích hợp mới sẽ xuất hiện trong các chip 10nm vào năm tới.

Mũi nhọn thứ hai là vi kiến trúc CPU mới để thay thế kiến trúc Skylake vốn đang hiện diện trong phần lớn máy chủ, laptop và desktop của chúng ta. Intel gọi nó là Sunny Cove, và cũng như Skylake, các thế hệ chip sinh ra từ kiến trúc mới này nhiều khả năng sẽ có chữ “Cove” trong tên của mình.

Intel không cho biết thông tin cụ thể về hiệu năng hay lộ trình của Sunny Cove, nhưng họ đảm bảo rằng chúng ta sẽ sớm thấy sản phẩm trang bị Sunny Cove có mặt trên thị trường – có thể ngay năm sau. Tuy nhiên, Rognal Singhal, giám đốc mảng kiến trúc CPU tại Intel cho biết với Gizmodo rằng, khi thiết kế lõi mới, nhóm của ông tập trung cải thiện hai điều: đầu tiên là hiệu năng vượt trội so với CPU thế hệ cũ giúp phần mềm chạy tốt hơn và hiệu quả hơn.

Cải thiện thứ hai của các CPU tương lai là “ các thuật toán hướng mục tiêu” dành cho các tập lệnh trong nhân CPU – một điều được ông Singhal cho rằng còn quan trọng hơn với Sunny Cove.

Tập lệnh này là bộ điều khiển trung gian giữa phần cứng của CPU và phần mềm trên ổ cứng của bạn, và nhóm của Singhal đã nỗ lực caria thiện tập lệnh trên Sunny Cove theo ba lĩnh vực: mã hóa, máy học và trí tuệ nhân tạo.

Điều này có nghĩa các lập trình viên có thể thấy được các cải thiện mạnh mẽ về hiệu năng khi viết, thử nghiệm và chạy chương trình của họ trên các CPU Sunny Cove so với Skylake hay CPU của AMD. Bên cạnh đó, Intel cũng phát hành một phần mềm mới có tên gọi One API, được thiết kế để tinh chỉnh phần mềm cho phần cứng của họ đơn giản hơn.

Xây dựng chip theo chiều dọc

Mũi nhọn thứ ba của Intel – và có lẽ cũng là phần thú vị nhất và phức tạp nhất: Intel đã tìm ra cách để xây dựng các CPU theo chiều dọc. Các CPU truyền thống chỉ được xây dựng theo các trục x-y (hai trục trên mặt phẳng). Nghĩa là bạn có thể đưa rất nhiều bộ phận vào trong một CPU, nhưng tất cả chỉ kết nối với nhau nếu nó nằm ở cùng mức với nhau về mặt vật lý. Xây dựng CPU theo chiều dọc thường gây ra độ trễ khủng khiếp.

Nhưng Intel cho biết họ đã tìm ra cách để làm như vậy. Khái niệm này được gọi là 3D stacking (xếp chồng 3D) và chúng ta đã thấy nó được ứng dụng trong các bộ nhớ, đặc biệt với các bộ nhớ băng thông cao (High Bandwith Memory HBM). HBM nhanh hơn và tiêu thụ ít năng lượng hơn trong khi tốn ít không gian hơn, bởi vì nó xếp các bộ phận cần thiết cho bộ nhớ chồng lên nhau.

3D Stacking trong CPU cũng có thể khả thi và sẽ mang lại các ích lợi tương tự như vậy, nhưng đến giờ chúng ta vẫn chưa thấy loại xếp chồng 3D cho các mạch logic đó trên các thiết bị phổ thông. Intel hy vọng thay đổi điều đó vào cuối 2019 khi sử dụng công nghệ xếp chồng 3D của mình, Foveros.

Sơ đồ mô phỏng con chip tích hợp 3D theo chiều dọc

Foveros sẽ được sử dụng trong con chip mới với một chiplet 10nm (chiplet: con chip được lắp ráp từ nhiều miếng silicon với nhau) trên một miếng silicon năng lượng thấp. Theo Ramune Nagisetty, giám đốc về tiến trình và tích hợp sản phẩm tại Intel cho biết, “ cách làm này về cơ bản sẽ cho phép tạo ra những con chip có hiệu năng tốt nhất hiệu quả năng lượng, cũng như hình dạng nhỏ gọn nhất so với các đối thủ ngang hàng.”

Các thách thức đối với một con chip theo chiều dọc

Nhưng vẫn có những thách thức đối với cách thiết kế chip theo chiều dọc. Ví dụ, nó không thể được làm quá cao. Một vấn đề khác là nhiệt. Các bộ phận của CPU truyền thống đều được đặt ngang hàng với nhau để chúng có thể tiếp xúc với cùng miếng tản nhiệt và được làm mát. Nagisetty nhấn mạnh rằng việc thiết kế những con chip này cần phải được xem xét cẩn thận để đảm bảo các bộ phận nóng nhất sẽ gần với miếng tản nhiệt nhất.

Bà cũng bổ sung rằng, nhóm của mình đã nghiên cứu về 3D stacking từ nhiều năm nay. Điều này có lẽ sẽ làm các thách thức ban đầu sẽ không làm những người chấp nhận sớm quá thất vọng về nó. Điều này cũng có thể giải thích tại sao Intel dường như chần chừ với chip 10nm. Họ tìm ra cách làm CPU tương đương như vậy khi xếp chồng lên cao hơn.

Đầu năm nay AMD đã hợp tác với Intel để ra mắt một con chip tích hợp GPU AMD với CPU Intel.

Liệu các con chip xếp chồng đó có biến thành một tòa tháp nhiệt hay không vẫn chưa rõ. Intel dự định sẽ xuất xưởng CPU với kiến trúc 3D stacking như vậy vào năm tới, và có lẽ chỉ đến khi những sản phẩm trang bị con chip mới đó đến tay người dùng mới có thể đánh giá được hiệu năng của nó.

Đối với vấn đề bảo mật của những con chip mới này, nhiều người tại Intel đã tuyên bố rằng, cả con chip Ice Lake sắp ra mắt, cũng như các CPU Sunny Cove sẽ có phần cứng giúp giảm nhẹ đối với các lỗ hổng bảo mật Meltdown và Spectre, đã làm nhiều người lo ngại khi xuất hiện đầu 2018.

Với những gì Intel tuyên bố, có vẻ năm địa ngục đối với công ty sắp kết thúc sớm, nhưng chúng ta vẫn không thể biết chắc điều đó cho đến khi trên tay những con chip mới trong thực tế. Nhưng nếu thành công, các con chip 3D sẽ không chỉ là một tin mừng đối với Intel mà còn cả ngành bán dẫn nữa.

Theo Tri Thuc Tre