Tiến trình “7nm” và “10nm” là gì? Nó có ý nghĩa như thế nào đối với hoạt động của CPU?

Bộ vi xử lý (CPU) được coi là "bộ não" của máy tính, có vai trò vô cùng quan trọng đối với khả năng và hiệu suất hoạt động của máy tính và các thiết bị di động như điện thoại thông minh, máy tính bảng… Để thu hút người dùng, các nhà sản xuất vi xử lý thường tìm cách quảng bá các thông số hấp dẫn, trong đó phổ biến gần đây là "tiến trình 7nm và 10nm". Trong bài viết này, chúng ta sẽ cùng đi tìm câu trả lời cho câu hỏi: 7nm và 10nm là gì, và chúng ta có cần quan tâm đến nó khi lựa chọn CPU?

Bộ vi xử lý (CPU) được cấu thành từ hàng tỉ bóng bán dẫn (transistor) siêu nhỏ, với hai trạng thái hoạt động là bật và tắt để thực hiện chức năng tính toán. Để hoạt động, các bóng bán dẫn này cần có nguồn điện, và kích thước của bóng bán dẫn càng nhỏ thì lượng điện năng tiêu thụ càng thấp. "7nm" và "10nm" là đơn vị đo kích thước của các bóng bán dẫn – trong đó, "nm" là viết tắt của từ nanomet, một đơn vị đo độ dài siêu nhỏ (1000000 nanomet = 1 milimet). Nanomet là một trong những thông số hữu ích để đo lường sức mạnh của các CPU hiện đại.

Để dễ hình dung, chúng ta có thể thấy "10nm" là tiến trình sản xuất CPU mới nhất của Intel, sẽ được đưa vào vận hành trong quý 4 năm 2019, còn "7nm" là tiến trình sản xuất mới nhất của hãng TSMC, được sử dụng để sản xuất các CPU thế hệ mới của AMD và chip A12X của Apple.

Các tiến trình sản xuất CPU có tầm quan trọng như thế nào?

Định luật Moore nổi tiếng phát biểu rằng: số lượng bóng bán dẫn trên các chip và vi xử lý sẽ tăng gấp đôi sau mỗi hai năm, trong khi giá thành sản xuất sẽ giảm đi một nửa. Tính đúng đắn của định luật này đã được chứng minh là đúng trong một thời gian dài, nhưng thời gian gần đây nó bắt đầu có dấu hiệu chững lại. Trong những năm cuối thập niên 90 của thế kỷ trước và đầu những năm 2000, kích thước bóng bán dẫn cứ hai năm lại giảm đi một nửa, dẫn đến những tiến bộ lớn về công nghệ sản xuất vi xử lý diễn ra theo một chu kỳ đều đặn. Tuy nhiên, gần đây, có vẻ như con người đã đạt tới những giới hạn nhất định của công nghệ sản xuất bóng bán dẫn, và do đó, việc thu nhỏ kích thước của bóng bán dẫn trở nên ngày càng khó khăn. Intel đã không thể thu nhỏ kích thước bóng bán dẫn thêm được nữa kể từ năm 2014. Các tiến trình 10nm và 7nm mới được công bố là nỗ lực đáng kể đầu tiên của các hãng sản xuất (đặc biệt là Intel) trong suốt một thời gian dài nhằm thu nhỏ kích thước bóng bán dẫn, và giúp cho định luật Moore tiếp tục có chỗ đứng.

Trong khi Intel với các CPU máy tính desktop truyền thống đang dần bị tụt hậu, thì cơ hội đã mở ra với các hãng sản xuất chip di động. Chip A12X mạnh mẽ nhất ở thời điểm hiện tại của Apple được sản xuất trên tiến trình 7nm của hãng TSMC. Còn Samsung thì tuyên bố đã nghiên cứu thành công tiến trình 10nm của riêng mình. Các thế hệ CPU tiếp theo của AMD cũng sẽ sử dụng tiến trình 7nm của TSMC, đánh dấu cột mốc lần đầu tiên hãng này vượt qua Intel về hiệu suất hoạt động của CPU; đồng thời, góp phần phá vỡ thế độc quyền của Intel trên thị trường vi xử lý (ít nhất là cho tới khi dòng chip "Sunny Cove" 10nm của Intel lên kệ) buộc hãng này phải gấp rút nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới để cạnh tranh.

Ý nghĩa thực sự của thông số "nm" là gì?

CPU được sản xuất bằng phương pháp quang khắc, trong đó, hình ảnh của CPU được làm sẵn khắc lên một miếng silicon. Phương pháp cụ thể để sản xuất CPU của từng hãng được gọi là các tiến trình, được đo lường thông qua kích thước tối thiểu của bóng bán dẫn mà tiến trình đó có thể sản xuất.

Do các bóng bán dẫn có kích thước nhỏ sẽ có khả năng sử dụng năng lượng một cách hiệu quả hơn, nên chúng có thể thực hiện nhiều tác vụ tính toán hơn mà không sinh ra quá nhiều nhiệt – vốn là mt trong những rào cản về hiệu suất của CPU. Thu nhỏ kích thước bóng bán dẫn cũng cho phép các nhà sản xuất thu nhỏ kích thước của khuôn chip, giúp giảm giá thành sản xuất và gia tăng mật độ bóng bán dẫn trên cùng một kích thước CPU. Các nhà sản xuất có thể dựa vào đặc điểm này để "nhồi nhét" thêm nhiều lõi hơn vào CPU, từ đó làm tăng hiệu suất xử lý. Mật độ bóng bán dẫn của các vi xử lý 7nm nhiều gấp đôi so với vi xử lý 14nm, từ đó cho phép các nhà sản xuất CPU như AMD có thể tung ra những mẫu chip máy chủ có tới 64 lõi, nhiều hơn đáng kể so với con số trước đây là 32 (và 28 của Intel).

Cũng cần lưu ý rằng kích thước bóng bán dẫn không phải yếu tố duy nhất quyết định hiệu năng của một bộ vi xử lý (CPU). Mặc dù Intel vẫn đang sản xuất chip trên tiến trình 14nm trong khi AMD đã chuẩn bị để ra mắt các bộ xử lý 7nm đầu tiên của họ trên thị trường, nhưng điều đó không có nghĩa rằng các CPU của AMD sẽ có tốc độ nhanh gấp đôi của Intel. Hiệu suất không hoàn toàn tỉ lệ một cách tuyệt đối với kích thước bóng bán dẫn; nhất là ở kích thước nhỏ như vậy, các con số sẽ không còn giữ được độ chính xác cao nữa. Ngoài ra, phương pháp đúc bán dẫn của mỗi hãng cũng có sự khác biệt, do đó, chúng ta chỉ nên coi số "nm" như một thuật ngữ "tiếp thị" sản phẩm của hãng, thay vì coi đó là thông số chính xác để đo lường kích thước hay hiệu suất thực sự của các CPU. Chẳng hạn, tiến trình 10nm sắp ra mắt của Intel được giới chuyên môn cho là có khả năng cạnh tranh song phẳng với tiến trình 7nm của TSMC, mặc dù giữa các con số này có sự khác biệt lớn.

Chip di động sẽ chứng kiến sự cải thiện về hiệu suất đáng kể nhất

Việc thu nhỏ kích thước bóng bán dẫn không chỉ liên quan đến vấn đề hiệu suất; như đã nói ở trên, nó còn giúp tiết kiệm năng lượng hơn và điều này có ý nghĩa rất lớn đối với các sản phẩm máy tính xách tay và các thiết bị di động thông minh như điện thoại thông minh và máy tính bảng, vốn dựa chủ yếu vào nguồn năng lượng từ các viên pin. Với tiến trình 7nm, các chip xử lý có thể cải thiện tới 25% về hiệu suất so với chip tiến trình 14nm, trong khi lượng điện năng tiêu thụ không đổi. Nói cách khác, với cùng một hiệu suất làm việc, lượng điện năng tiêu thụ của dòng chip mới này sẽ giảm đi một nửa. Điều này sẽ giúp cải thiện đáng kể thời lượng pin của các thiết bị di động và mang tới hiệu năng vượt trội hơn cho các thiết bị có kích thước hạn chế. Chúng ta đã chứng kiến dòng chip di động A12X mới nhất của Apple có hiệu suất cao hơn đáng kể so với một số bộ xử lý đời cũ của Intel thông qua các bài thử nghiệm, mặc dù chúng chỉ được làm mát thụ động và có kích thước vừa để đặt bên trong một chiếc điện thoại thông minh. Đó cũng là thế hệ chip 7nm đầu tiên được kinh doanh thương mại trên thị trường.

Việc thu nhỏ kích thước tiến trình sản xuất vi xử lý luôn là một tín hiệu đáng mừng, bởi những con chip mạnh mẽ hơn và tiêu thụ ít điện năng hơn sẽ có ảnh hưởng lên mọi mặt của đời sống công nghệ. 2019 chắc chắn sẽ là một năm sôi động của thị trường công nghệ thế giới với sự ra mắt của dòng chip mới này. Và điều đáng mừng hơn nữa, đó là định luật Moore có vẻ như vẫn chưa hoàn toàn "chết"!

An Huy