Chip 14nm, chip 7nm, chip 5nm là những cụm từ chúng ta nghe rất thường xuyên. Tuy nhiên ít khi nào chúng ta ngồi lại để xem chúng có ý nghĩa thật sự là gì.

Trong bài này mình sẽ giải thích với các bạn những điều mình nghiên cứu được về chip 7nm hay 5nm, đảm bảo đọc xong bạn sẽ biết được nhiều thứ hay ho và sẽ có cái nhìn khác về con chip mà laptop, desktop hay điện thoại của mình đang sử dụng.

Chuyện ngày xưa

Hình bạn thấy bên dưới là cấu tạo của một bóng bán dẫn (transitor) ngày xưa, mình lấy từ web của Samsung. Kiểu bóng bán dẫn này gọi là planar hay MOSFET, tạm dịch là bóng bán dẫn dạng phẳng, và nó được dùng phổ biến trong các chip được sản xuất với dây chuyền từ 32nm trở về trước.


Các thành phần trong một transitor planar bao gồm:

• Gate (G): cực cổng, khi áp điện vào thì nó sẽ kiểm soát dòng điện chạy giữa Source và Drain. Cực này được cách ly hoàn toàn với phần còn lại của bóng bán dẫn nhờ một lớp điện môi cực mỏng nhưng có độ cách điện rất lớn (SiO2). Trong hình trên, nó là cái Gate Oxide.
• Source (S): cực nguồn
• Drain (D): cực máng, dùng để nhận các hạt electron mang điện đi từ cực nguồn sang
• Substrate: lớp chất nền

Trong bóng bán dẫn planar, điện trở giữa G và S, giữa G và D rất lớn. Một bóng bán dẫn planar sẽ có hai trạng thái đóng (Off) và mở (On), tương ứng với số 0 và số 1 trong hệ nhị phân. Khi mở thì các hạt mang điện sẽ đi giữa S → D, còn khi đóng thì các hạt sẽ không còn di chuyển nữa.

Với bóng bán dẫn planar truyền thống, ví dụ khi nói về một con chip 32nm, thì số 32nm này là khoảng cách giữa Source và Drain. Có chỗ còn gọi nó là gate length (chiều dài cổng). Nó cũng là kích thước nhỏ nhất mà dây chuyền sản xuất có thể khắc lên một tấm bán dẫn trong quá trình sản xuất. Khoảng cách này càng ngắn, các electron càng tốn ít thời gian di chuyển và tốn ít năng lượng hơn, tức là bóng bán dẫn hoạt động hiệu quả hơn. Hiểu rộng ra, điều này cũng có nghĩa là chip sẽ hoạt động hiệu quả hơn, tính toán nhanh và mạnh mẽ hơn.

Ở cái thời mà bóng bán dẫn còn ở dạng planar, con số 32nm cũng được dùng để đặt tên cho quy trình sản xuất ra con chip.

Chuyện ngày nay

Các nhà sản xuất chip luôn cố gắng tăng số lượng bóng bán dẫn trên con chip của mình để chip có thể xử lý được công việc nhanh chóng hơn. Điện thoại, laptop, thiết bị IoT, smartwatch… thì ngày càng nhỏ đi nên việc tăng kích thước chip để tăng số bóng bán dẫn là không thể, nên họ chọn cách thu nhỏ bóng bán dẫn để tăng được số bóng trên cùng 1 đơn vị diện tích.

Để thu nhỏ dây chuyền sản xuất xuống dưới mức 20nm, ngành công nghiệp chip phải đối mặt với một thách thức khá lớn: làm sao để kiểm soát được trạng thái On và Off một cách hiệu quả hơn với mức độ rò rỉ điện (electron) ít nhất có thể.



Một công nghệ mới được sinh ra, nó gọi là FinFET, hãy nhìn vào hình bên trên. Không như bóng bán dẫn planar vốn có cực source và cực drain nằm phẳng, các bóng bán dẫn FinFET sẽ dựng nên một cấu trúc 3 chiều. Cấu trúc này bao gồm việc dựng cực source và cực drain lên với hình dạng giống như một cái vây (nên mới gọi là “fin” trong tiếng Anh), và cực gate với lớp gate oxide (là lớp màu xanh dương sáng) sẽ bọc xung quanh.

Lợi ích của việc này là gì?

Về mặt tiêu thụ điện, trong cấu trúc FinFET, cực cổng với lớp oxide sẽ bọc source và drain từ 3 hướng nên sẽ chặn được việc rò rỉ electron ra ngoài. Trong khi đó, ở bóng bán dẫn planar thì lớp oxide này chỉ chặn được 1 hướng mà thôi. Nói cách khác, vì điện ít rò rỉ hơn nên việc đổi trạng thái từ Off sang On sẽ tiêu thụ ít điện hơn. Như vậy thời gian dùng pin sẽ được cải thiện.

Nếu so với dây chuyền 28nm trước đây của Samsung, thì dây chuyền 8nm FinFET của hãng chỉ cần 26% lượng điện để đổi trạng thái Off sang On.



Về mặt hiệu năng, ở bóng bán dẫn planar, electron chỉ đi từ S → D trên 1 bề mặt duy nhất nằm dưới cổng. Trong khi đó, ở bóng bán dẫn FinFET, electron sẽ đi qua cả 3 bề mặt nên nhiều electron có thể được dịch chuyển hơn, cho phép FinFET tạo ra hiệu năng tính toán cao hơn.

Chưa hết, khoảng cách gate length ngắn hơn cũng có nghĩa là electron tốn ít thời gian hơn để di chuyển, và transitor có thể đổi giữa trạng thái On và Off nhanh hơn, từ đó cũng giúp cho hiệu năng tăng lên.

Tóm lại, các con số nm có nghĩa gì ngày nay?

Hiện nay, các dây chuyền 14nm trở xuống đều dùng công nghệ FinFET. Dây chuyền 14nm, 10nm, 7nm của Intel, Samsung, TSMC và sắp tới là 6nm… đều dùng FinFET hết.

Tuy nhiên, lúc này con số 14nm, 10nm, 7nm… không còn đại diện cho gate length nữa vì kiến trúc chip giờ đã dựng lên thành 3 chiều rồi, không còn dạng phẳng 2 chiều như transitor planar ngày xưa nên không thể chỉ đo bằng gate length nữa.

Hiện nay, các con số 14nm, 10nm, 7nm… chỉ dùng để chỉ “thế hệ” dây chuyền sản xuất, hay còn gọi là process node, process technology, hay chỉ đơn giản là node. Bản thân các hãng làm chip cũng không gọi là kích thước bóng bán dẫn gì cả, họ chỉ đơn giản gọi đây là node. Qua từng node, kích thước bóng bẫn vẫn nhỏ đi vì dây chuyền khắc được cải thiện, nhưng số 7nm, 10nm không còn dùng để chỉ gate length như ngày xưa.

Con số 14nm, 10nm, 7nm… hiện nay có ý nghĩa về mặt marketing, vì nó giúp hãng quảng bá rằng chip của họ đang ở “thế hệ” nào. Số càng nhỏ thì người tiêu dùng sẽ nghĩ rằng nó càng xịn, và nó giúp các hãng cạnh tranh tốt hơn so với đối thủ.

Tuy nhiên, dây chuyền và công nghệ giữa các nhà sản xuất lại khác nhau, nên việc so sánh trực tiếp con số cũng không hoàn toàn chính xác. Ví dụ, theo Wikichip:

• Mật độ bóng bán dẫn của chip Intel 10nm là 100,8 MTr/mm2 (số này có nghĩa là mỗi milimet vuông có 100,8 triệu transitor)
• Mật độ bóng bán dẫn trên chip TSMC 7nm là 96,49 MTr/mm2
• Mật độ bóng bán dẫn trên chip Samsung 7nm là 95,3 MTr/mm2

Bạn có thể thấy rằng nếu chỉ so với về mật độ thì chip 10nm của Intel thậm chí cao hơn so với chip 7nm của Samsung và TSMC, tuy nhiên con số chênh lệch không quá nhiều. Thế nên bạn mới nghe vụ chip Intel 10nm tương đương với chip 7nm của TSMC là vì lý do này đây.

Dù vậy, Intel thật sự vẫn đang gặp khó khăn trong việc cải tiến quy trình sản xuất của mình. Dây chuyền 10nm của họ đã bị dời vài lần vì các khó khăn liên quan tới sản lượng và các lỗi kĩ thuật có thể phát sinh khi vận hành. Tới năm 2020 này dây chuyền 10nm của Intel mới bắt đầu tạm gọi là ổn. Trong khi đó, TSMC hay Samsung vẫn đang thuận lợi trong việc nâng cấp dây chuyền bán dẫn của họ lên thế hệ mới.

Thế so hiệu năng kiểu gì thì mới đúng?

Hiệu năng của 1 con chip phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: số lượng bóng bán dẫn, kiến trúc ra sao, các tập lệnh chạy như thế nào (tập lệnh của Intel và ARM hoàn toàn khác nhau), cách CPU giao tiếp với những thành phần khác trong hệ thống như thế nào…

Cách tạm thời đúng nhất là cho chạy các bài benchmark để ra số má rồi ngồi nói chuyện với nhau dựa trên các con số đó, và hiệu năng khi đó là hiệu năng của cả máy tính / thiết bị / điện thoại, chứ không chỉ là của 1 con chip đâu. Một con chip chưa làm nên mùa xuân.

Một cách khác cũng có thể dùng là đo số phép tính dấu chấm động mà mỗi con chip có thể tính được trong 1 giây. Ví dụ, con chip đồ họa của PlayStation 5 sắp ra mắt có thể tính được 10,3 TFLOPs (teraflop/s), tức là 10,3 nghìn tỉ phép tính dấu chấm động có thể được thực thi mỗi giây. Hay con chip của Xbox Series X là 12 TFLOPs, GPU AMD Radeon Pro trong MacBook Pro 16" là 4 TFLOPs. Nhưng một lần nữa, gọi là chip nhưng thực chất để nó ra được số này thì vẫn cần sự phối hợp của bộ nhớ, của cache, của tùm lum thứ nữa, chứ chỉ riêng nhân xử lý thì chưa đủ.