Trong nhiều thập kỷ, ngành bán dẫn thường theo đuổi một hình dung khá rõ ràng về bộ xử lý: càng nhiều chức năng được tích hợp lên một miếng silicon duy nhất, con chip càng mạnh và càng hiệu quả. Tuy nhiên, khi các mạch điện trở nên dày đặc hơn, việc tiếp tục thu nhỏ mọi thành phần rồi đặt tất cả lên cùng một khuôn bán dẫn ngày càng phức tạp. Chi phí thiết kế tăng, quy trình kiểm thử khó hơn và chỉ một khu vực nhỏ gặp lỗi cũng có thể khiến toàn bộ con chip không đạt yêu cầu.
Chiplet xuất hiện như một hướng tiếp cận khác. Thay vì tạo ra một bộ xử lý nguyên khối, nhà thiết kế chia hệ thống thành nhiều mô-đun nhỏ, mỗi mô-đun đảm nhiệm một nhóm chức năng nhất định. Các mô-đun này được kết nối trong cùng một gói linh kiện để hoạt động như một hệ thống thống nhất. Đây không phải là cách ghép nối đơn giản giữa những linh kiện rời rạc, mà là sự thay đổi trong kiến trúc, quy trình sản xuất và cả cách ngành công nghiệp lên kế hoạch cho một sản phẩm bán dẫn.
Chiplet là gì và khác gì với con chip truyền thống?
Trong một thiết kế nguyên khối, các thành phần như lõi xử lý, bộ điều khiển bộ nhớ, bộ tăng tốc, bộ nhớ đệm và mạch giao tiếp thường được tạo ra trên cùng một khuôn silicon. Toàn bộ hệ thống được sản xuất, kiểm tra và đóng gói như một đơn vị lớn. Cách làm này có ưu điểm là đường kết nối giữa các thành phần có thể rất ngắn, đồng thời nhà thiết kế kiểm soát toàn bộ kiến trúc trong một không gian thống nhất.
Với chiplet, những thành phần nói trên có thể được tách thành các khuôn nhỏ hơn. Một chiplet có thể chứa các lõi tính toán, chiplet khác đảm nhiệm giao tiếp, còn một mô-đun khác phục vụ bộ nhớ hoặc một tác vụ chuyên biệt. Sau đó, các chiplet được đặt trong cùng một gói và liên kết bằng công nghệ kết nối tốc độ cao. Từ góc nhìn của người sử dụng, hệ thống vẫn được nhận diện như một bộ xử lý hoặc một linh kiện duy nhất, nhưng bên trong nó là một tập hợp mô-đun có thể được thiết kế và sản xuất theo những cách khác nhau.
Điểm quan trọng của mô hình này nằm ở tính phân tách. Không phải mọi chức năng đều cần sử dụng cùng một quy trình sản xuất tiên tiến nhất. Những phần đòi hỏi mật độ mạch cao có thể được đặt trên chiplet phù hợp, trong khi các mạch điều khiển hoặc giao tiếp ít phụ thuộc vào khả năng thu nhỏ có thể dùng một quy trình khác. Nhờ vậy, thiết kế có thêm không gian để cân bằng giữa hiệu năng, chi phí và mức tiêu thụ năng lượng.
Vì sao kiến trúc mô-đun được quan tâm?
Lợi ích đầu tiên là khả năng tái sử dụng. Khi một chiplet được thiết kế ổn định, nó có thể trở thành nền tảng cho nhiều sản phẩm. Nhà sản xuất có thể thay đổi số lượng mô-đun tính toán, dung lượng bộ nhớ đệm hoặc loại giao tiếp mà không phải xây dựng lại toàn bộ con chip từ đầu. Cách làm này đặc biệt hữu ích với những dòng sản phẩm có nhiều phiên bản, từ thiết bị cá nhân đến máy chủ và hệ thống tính toán chuyên dụng.
Lợi ích tiếp theo liên quan đến hiệu suất sản xuất. Một khuôn silicon nhỏ thường dễ kiểm soát hơn một khuôn rất lớn. Nếu một vùng nhỏ bị lỗi, phần ảnh hưởng có thể được giới hạn trong một chiplet thay vì làm hỏng toàn bộ thiết kế. Điều đó không có nghĩa mọi sản phẩm chiplet đều tự động rẻ hơn, bởi chi phí đóng gói, kiểm tra và kết nối cũng đáng kể. Tuy vậy, việc chia nhỏ thiết kế tạo ra thêm lựa chọn để tối ưu tỷ lệ sản phẩm đạt chuẩn và hạn chế lãng phí vật liệu.
Chiplet cũng cho phép kết hợp các công nghệ sản xuất khác nhau. Một hệ thống có thể sử dụng chiplet tính toán được chế tạo theo quy trình mới với mô-đun kết nối dùng quy trình đã trưởng thành hơn. Sự linh hoạt này giúp nhà thiết kế không phải áp dụng một quy trình đắt tiền cho mọi bộ phận. Trong một số trường hợp, nó còn giúp kéo dài vòng đời của những mô-đun đã được kiểm chứng, thay vì loại bỏ chúng chỉ vì một thành phần khác cần được nâng cấp.
Khả năng mở rộng là một điểm đáng chú ý khác. Khi nhu cầu tăng, hệ thống có thể được xây dựng với nhiều mô-đun hơn hoặc với những chiplet có năng lực cao hơn. Cách mở rộng này không đơn giản như lắp thêm các linh kiện bên ngoài, bởi mọi chiplet phải được bảo đảm về giao tiếp, độ trễ, điện năng và nhiệt. Dù vậy, kiến trúc mô-đun vẫn tạo ra một ngôn ngữ thiết kế linh hoạt hơn so với việc chỉ tăng kích thước của một khuôn silicon duy nhất.
Những bài toán kỹ thuật không thể xem nhẹ
Thách thức lớn nhất của chiplet là kết nối. Các mô-đun bên trong một hệ thống phải trao đổi dữ liệu với tốc độ cao và độ trễ thấp. Nếu đường liên kết không đủ hiệu quả, lợi ích của việc chia nhỏ có thể bị triệt tiêu bởi thời gian chờ và năng lượng dùng cho truyền dữ liệu. Nhà thiết kế vì thế phải quan tâm đến giao thức, bố trí vật lý, cơ chế đồng bộ và cách phân phối tín hiệu ngay từ giai đoạn đầu.
Khoảng cách giữa các chiplet cũng tạo ra những yêu cầu mới về đóng gói. Khi nhiều mô-đun tập trung trong một không gian nhỏ, nhiệt lượng không còn phân bố đơn giản. Một chiplet hoạt động mạnh có thể ảnh hưởng đến những mô-đun lân cận. Hệ thống tản nhiệt, nguồn điện và vật liệu đóng gói phải được thiết kế như một phần của kiến trúc chung, chứ không thể xử lý sau khi phần logic đã hoàn tất.
Kiểm thử cũng phức tạp hơn. Với con chip nguyên khối, nhà sản xuất kiểm tra một thiết kế tích hợp. Với hệ thống chiplet, cần kiểm tra từng mô-đun, các mối nối giữa mô-đun và toàn bộ gói linh kiện trong nhiều điều kiện hoạt động. Một chiplet có thể đạt yêu cầu khi đứng riêng nhưng phát sinh vấn đề khi phối hợp với chiplet khác. Vì vậy, quy trình xác thực phải bao gồm cả khả năng tương thích, độ bền của liên kết và hành vi của hệ thống trong thời gian dài.
Ngoài ra còn có vấn đề về tiêu chuẩn. Nếu mỗi nhà sản xuất sử dụng một cách kết nối riêng, việc kết hợp chiplet từ nhiều nguồn sẽ rất khó. Một hệ sinh thái mở hơn có thể giúp doanh nghiệp lựa chọn mô-đun phù hợp và rút ngắn thời gian phát triển, nhưng để đạt được điều đó cần có thỏa thuận về giao tiếp, kiểm tra, bảo mật và trách nhiệm khi sản phẩm gặp lỗi. Đây là vấn đề kỹ thuật, đồng thời cũng là bài toán tổ chức chuỗi cung ứng.
Tác động đến thiết kế sản phẩm và thị trường
Chiplet có thể làm thay đổi vai trò của một công ty trong chuỗi giá trị bán dẫn. Trước đây, một doanh nghiệp thường cố gắng kiểm soát phần lớn thiết kế của bộ xử lý. Với kiến trúc mô-đun, doanh nghiệp có thể tập trung vào thế mạnh riêng, chẳng hạn thiết kế lõi tính toán, bộ tăng tốc, mạch bảo mật hoặc nền tảng kết nối. Những phần còn lại có thể đến từ đối tác chuyên môn hóa. Mô hình này mở ra cơ hội hợp tác, nhưng cũng khiến việc quản lý bản quyền thiết kế và chất lượng linh kiện trở nên quan trọng hơn.
Đối với trung tâm dữ liệu, chiplet có thể hỗ trợ việc tạo ra các bộ xử lý phù hợp với từng loại khối lượng công việc. Một hệ thống phục vụ phân tích dữ liệu sẽ có nhu cầu khác với hệ thống xử lý đồ họa, mô hình học máy hay dịch vụ lưu trữ. Thay vì dùng một thiết kế giống nhau cho mọi mục đích, nhà cung cấp có thể xây dựng các cấu hình mô-đun hơn. Tuy nhiên, lợi ích thực tế phụ thuộc vào cách phần mềm khai thác tài nguyên và khả năng điều phối dữ liệu giữa các thành phần.
Trong thiết bị cá nhân, kiến trúc này có thể góp phần tạo ra những sản phẩm cân bằng hơn giữa hiệu năng, thời lượng pin và kích thước. Một số chức năng chuyên biệt có thể được giao cho mô-đun riêng để xử lý hiệu quả hơn thay vì buộc lõi chính đảm nhiệm mọi tác vụ. Dẫu vậy, không phải thiết bị nào cũng cần chiplet. Với các sản phẩm có yêu cầu thấp hoặc không đủ sản lượng, chi phí phát triển và đóng gói có thể khiến thiết kế nguyên khối vẫn là lựa chọn hợp lý.
Một nền tảng cho tư duy thiết kế dài hạn
Giá trị lớn nhất của chiplet không chỉ nằm ở việc ghép nhiều miếng silicon vào cùng một gói. Điều quan trọng hơn là nó khuyến khích ngành công nghiệp nhìn bộ xử lý như một hệ thống có thể phân rã, tái sử dụng và nâng cấp theo từng phần. Cách tư duy này phù hợp với bối cảnh các ứng dụng tính toán ngày càng đa dạng, trong khi chi phí phát triển một sản phẩm hoàn toàn mới ngày càng cao.
Điều đó cũng đòi hỏi sự thay đổi trong cách đánh giá hiệu năng. Không nên chỉ nhìn vào số lượng lõi hay tốc độ xử lý của một chiplet riêng lẻ. Hiệu quả của toàn hệ thống còn phụ thuộc vào khả năng truyền dữ liệu, mức tiêu thụ điện, độ trễ, nhiệt độ, phần mềm và độ ổn định của các mối liên kết. Một thiết kế nhiều mô-đun chỉ có ý nghĩa khi các mô-đun phối hợp tốt hơn phương án đơn giản hơn.
Trong những năm tới, chiplet có thể tiếp tục phát triển cùng các công nghệ đóng gói và kết nối mới. Con đường này không loại bỏ hoàn toàn con chip nguyên khối, mà bổ sung một lựa chọn phù hợp cho những hệ thống cần mở rộng, chuyên môn hóa hoặc rút ngắn chu kỳ phát triển. Khi được triển khai đúng bối cảnh, kiến trúc mô-đun giúp nhà thiết kế phân bổ nguồn lực chính xác hơn và tạo ra những sản phẩm linh hoạt hơn trước nhu cầu thay đổi.
Từ một con chip lớn sang một hệ thống gồm nhiều chiplet là bước chuyển không chỉ về hình dạng vật lý. Đó là sự thay đổi trong cách ngành bán dẫn suy nghĩ về hiệu năng, sản xuất và khả năng nâng cấp. Thành công của chiplet sẽ phụ thuộc vào việc giải quyết đồng thời các bài toán về kết nối, nhiệt, kiểm thử, tiêu chuẩn và phần mềm. Nhưng ngay cả khi chưa trở thành lựa chọn cho mọi thiết bị, mô hình này đã mở ra một hướng quan trọng để tiếp tục xây dựng những hệ thống tính toán mạnh hơn mà không chỉ dựa vào việc làm cho một khuôn silicon ngày càng lớn.
