Khôi Nguyên
Writer
Cách đây 60 năm, vào ngày 19 tháng 4 năm 1965, một bài viết chỉ dài 4 trang đăng trên tạp chí Electronics của tác giả Gordon E. Moore – lúc đó là Giám đốc Nghiên cứu và Phát triển (R&D) tại công ty bán dẫn Fairchild Semiconductor – đã đặt nền móng cho một trong những quy luật bất thành văn nhưng có ảnh hưởng sâu rộng nhất lịch sử công nghệ hiện đại. Bài viết với tiêu đề "Nhồi nhét nhiều linh kiện hơn vào mạch tích hợp" đã đưa ra một dự đoán táo bạo, về sau được gọi là Định luật Moore, và nó đã trở thành kim chỉ nam dẫn dắt toàn bộ ngành công nghiệp bán dẫn trong hơn nửa thế kỷ qua.
Những điểm chính
Từ quan sát thành "lời tiên tri"
Điều thú vị là bài viết ban đầu của Moore không phải là một công trình khoa học được bình duyệt khắt khe, mà chỉ là một bài nhận định, dự báo xu hướng nhân dịp kỷ niệm 10 năm ra đời của mạch tích hợp (IC). Dựa trên dữ liệu và quan sát thực tế tại Fairchild, Moore nhận thấy rằng số lượng linh kiện (chủ yếu là bóng bán dẫn - transistor) trên một vi mạch tích hợp có thể tăng lên gấp đôi sau mỗi năm, trong khi chi phí sản xuất trên mỗi linh kiện lại có xu hướng giảm. Đến năm 1975, ông đã điều chỉnh lại dự báo này, cho rằng chu kỳ tăng gấp đôi số lượng bóng bán dẫn sẽ diễn ra sau mỗi hai năm. Chính mốc thời gian này đã trở thành nhịp độ phát triển tiêu chuẩn mà cả ngành công nghiệp bán dẫn hướng tới.
Tác động lớn nhất của Định luật Moore không nằm ở chỗ nó là một định luật vật lý bất biến, mà ở chỗ nó đã tạo ra một mục tiêu rõ ràng, một lộ trình phát triển và một niềm tin mãnh liệt cho toàn ngành. Nó trở thành một "lời tiên tri tự hoàn thành" (self-fulfilling prophecy). Các công ty hàng đầu như Intel (do chính Moore và Robert Noyce đồng sáng lập năm 1968), TSMC, Samsung, IBM... đều nỗ lực không ngừng nghỉ để duy trì tốc độ tăng trưởng số lượng transistor như Moore đã dự đoán. Niềm tin rằng sức mạnh phần cứng sẽ tăng gấp đôi sau mỗi hai năm cũng là nền tảng để các nhà phát triển phần mềm, các nhà thiết kế hệ thống và các nhà sản xuất thiết bị điện tử tiêu dùng hoạch định chiến lược và tạo ra những sản phẩm ngày càng mạnh mẽ hơn.
Nền tảng của cách mạng số
Lịch sử phát triển của ngành công nghiệp vi xử lý trong 50 năm qua đã chứng minh tính đúng đắn và sức ảnh hưởng to lớn của Định luật Moore. Từ con chip Intel 4004 sơ khai năm 1971 với chỉ 2.300 bóng bán dẫn, đến các thế hệ chip Pentium, Core 2 Duo với hàng trăm triệu bóng bán dẫn trong những năm 1990-2000, và rồi đến các bộ xử lý hiện đại ngày nay trên smartphone, máy tính, máy chủ với hàng chục, thậm chí hàng trăm tỷ bóng bán dẫn – tất cả đều phản ánh quỹ đạo tăng trưởng hàm mũ mà Moore đã chỉ ra. Chính sự tăng trưởng liên tục về mật độ bóng bán dẫn và hiệu năng tính toán này là nền tảng vật lý cho hàng loạt cuộc cách mạng công nghệ, từ máy tính cá nhân, internet, điện thoại thông minh, bộ xử lý đồ họa (GPU) mạnh mẽ, đến các trung tâm dữ liệu khổng lồ, điện toán đám mây và sự bùng nổ của Trí tuệ Nhân tạo (AI) ngày nay.
Thách thức và sự tiến hóa của Định luật Moore
Tuy nhiên, kể từ khoảng sau năm 2015, việc tiếp tục duy trì tốc độ tăng gấp đôi số lượng bóng bán dẫn sau mỗi hai năm ngày càng trở nên khó khăn do các rào cản vật lý cơ bản. Việc thu nhỏ kích thước bóng bán dẫn xuống dưới tiến trình 5nm đòi hỏi chi phí nghiên cứu và sản xuất cực kỳ tốn kém, cùng với việc phải áp dụng các công nghệ quang khắc cực tím tiên tiến (EUV) vô cùng phức tạp.
Đối mặt với thách thức này, Định luật Moore không "chết" đi như nhiều dự đoán, mà đang "tiến hóa". Thay vì chỉ tập trung vào việc tăng số lượng bóng bán dẫn trên một đế chip duy nhất, ngành công nghiệp đang chuyển sang các hướng tiếp cận mới để tiếp tục nâng cao hiệu năng tính toán tổng thể. Các kỹ thuật như thiết kế chiplet (ghép nhiều chip nhỏ lại với nhau), đóng gói 3D (xếp chồng chip lên nhau), tích hợp các bộ tăng tốc chuyên dụng cho AI và đồ họa, cùng với việc tối ưu hóa phần mềm để khai thác hiệu quả hơn sức mạnh phần cứng đang trở nên phổ biến. Chính Intel vào năm 2022 cũng tuyên bố rằng Định luật Moore vẫn còn nguyên giá trị, nhưng giờ đây nó được hiểu theo nghĩa rộng hơn là khả năng duy trì tốc độ tăng mật độ tính toán và hiệu năng trên mỗi đơn vị diện tích hoặc năng lượng tiêu thụ, chứ không đơn thuần là đếm số bóng bán dẫn nữa.
60 năm kể từ ngày bài báo định mệnh ấy ra đời, di sản của Gordon Moore vẫn còn sống mãi. Từ một nhận định đơn giản dựa trên quan sát thực tế, ông đã vô tình vạch ra một con đường, một "trục ngầm" định hướng cho sự phát triển vũ bão của cả một ngành công nghiệp và làm thay đổi hoàn toàn thế giới. Dù cách thức thể hiện có thể thay đổi, tinh thần không ngừng đổi mới, không ngừng "nhồi nhét" thêm sức mạnh xử lý vào những con chip ngày càng nhỏ bé – tinh thần cốt lõi của Định luật Moore – vẫn đang tiếp tục vận hành thế giới công nghệ hiện đại.
Những điểm chính
- Kỷ niệm 60 năm ngày Gordon Moore công bố bài viết nền tảng cho Định luật Moore (19/4/1965) - dự đoán số lượng bóng bán dẫn trên vi mạch tăng gấp đôi sau mỗi ~2 năm.
- Định luật Moore trở thành "lời tiên tri tự hoàn thành", là kim chỉ nam và động lực phát triển cho toàn bộ ngành bán dẫn và công nghệ thông tin trong hơn 50 năm qua, tạo nền tảng cho cách mạng số.
- Dù gặp thách thức về giới hạn vật lý từ sau 2015, tinh thần của Định luật Moore vẫn tiếp tục qua các công nghệ mới (chiplet, 3D packaging...) nhằm duy trì tốc độ tăng hiệu năng tính toán.
Từ quan sát thành "lời tiên tri"
Điều thú vị là bài viết ban đầu của Moore không phải là một công trình khoa học được bình duyệt khắt khe, mà chỉ là một bài nhận định, dự báo xu hướng nhân dịp kỷ niệm 10 năm ra đời của mạch tích hợp (IC). Dựa trên dữ liệu và quan sát thực tế tại Fairchild, Moore nhận thấy rằng số lượng linh kiện (chủ yếu là bóng bán dẫn - transistor) trên một vi mạch tích hợp có thể tăng lên gấp đôi sau mỗi năm, trong khi chi phí sản xuất trên mỗi linh kiện lại có xu hướng giảm. Đến năm 1975, ông đã điều chỉnh lại dự báo này, cho rằng chu kỳ tăng gấp đôi số lượng bóng bán dẫn sẽ diễn ra sau mỗi hai năm. Chính mốc thời gian này đã trở thành nhịp độ phát triển tiêu chuẩn mà cả ngành công nghiệp bán dẫn hướng tới.
Tác động lớn nhất của Định luật Moore không nằm ở chỗ nó là một định luật vật lý bất biến, mà ở chỗ nó đã tạo ra một mục tiêu rõ ràng, một lộ trình phát triển và một niềm tin mãnh liệt cho toàn ngành. Nó trở thành một "lời tiên tri tự hoàn thành" (self-fulfilling prophecy). Các công ty hàng đầu như Intel (do chính Moore và Robert Noyce đồng sáng lập năm 1968), TSMC, Samsung, IBM... đều nỗ lực không ngừng nghỉ để duy trì tốc độ tăng trưởng số lượng transistor như Moore đã dự đoán. Niềm tin rằng sức mạnh phần cứng sẽ tăng gấp đôi sau mỗi hai năm cũng là nền tảng để các nhà phát triển phần mềm, các nhà thiết kế hệ thống và các nhà sản xuất thiết bị điện tử tiêu dùng hoạch định chiến lược và tạo ra những sản phẩm ngày càng mạnh mẽ hơn.
Nền tảng của cách mạng số
Lịch sử phát triển của ngành công nghiệp vi xử lý trong 50 năm qua đã chứng minh tính đúng đắn và sức ảnh hưởng to lớn của Định luật Moore. Từ con chip Intel 4004 sơ khai năm 1971 với chỉ 2.300 bóng bán dẫn, đến các thế hệ chip Pentium, Core 2 Duo với hàng trăm triệu bóng bán dẫn trong những năm 1990-2000, và rồi đến các bộ xử lý hiện đại ngày nay trên smartphone, máy tính, máy chủ với hàng chục, thậm chí hàng trăm tỷ bóng bán dẫn – tất cả đều phản ánh quỹ đạo tăng trưởng hàm mũ mà Moore đã chỉ ra. Chính sự tăng trưởng liên tục về mật độ bóng bán dẫn và hiệu năng tính toán này là nền tảng vật lý cho hàng loạt cuộc cách mạng công nghệ, từ máy tính cá nhân, internet, điện thoại thông minh, bộ xử lý đồ họa (GPU) mạnh mẽ, đến các trung tâm dữ liệu khổng lồ, điện toán đám mây và sự bùng nổ của Trí tuệ Nhân tạo (AI) ngày nay.
Tuy nhiên, kể từ khoảng sau năm 2015, việc tiếp tục duy trì tốc độ tăng gấp đôi số lượng bóng bán dẫn sau mỗi hai năm ngày càng trở nên khó khăn do các rào cản vật lý cơ bản. Việc thu nhỏ kích thước bóng bán dẫn xuống dưới tiến trình 5nm đòi hỏi chi phí nghiên cứu và sản xuất cực kỳ tốn kém, cùng với việc phải áp dụng các công nghệ quang khắc cực tím tiên tiến (EUV) vô cùng phức tạp.
Đối mặt với thách thức này, Định luật Moore không "chết" đi như nhiều dự đoán, mà đang "tiến hóa". Thay vì chỉ tập trung vào việc tăng số lượng bóng bán dẫn trên một đế chip duy nhất, ngành công nghiệp đang chuyển sang các hướng tiếp cận mới để tiếp tục nâng cao hiệu năng tính toán tổng thể. Các kỹ thuật như thiết kế chiplet (ghép nhiều chip nhỏ lại với nhau), đóng gói 3D (xếp chồng chip lên nhau), tích hợp các bộ tăng tốc chuyên dụng cho AI và đồ họa, cùng với việc tối ưu hóa phần mềm để khai thác hiệu quả hơn sức mạnh phần cứng đang trở nên phổ biến. Chính Intel vào năm 2022 cũng tuyên bố rằng Định luật Moore vẫn còn nguyên giá trị, nhưng giờ đây nó được hiểu theo nghĩa rộng hơn là khả năng duy trì tốc độ tăng mật độ tính toán và hiệu năng trên mỗi đơn vị diện tích hoặc năng lượng tiêu thụ, chứ không đơn thuần là đếm số bóng bán dẫn nữa.
