Trong khi cả thế giới đang say mê với những con chip siêu nhỏ có thể chứa hàng trăm tỷ bóng bán dẫn, một thực tế đầy nghịch lý đang dần hiện rõ: chính những thành công vang dội của công nghệ microchip đang đẩy nó đến giới hạn cuối cùng. NVIDIA, công ty có giá trị nhất thế giới với vốn hóa thị trường khoảng 5.000 tỷ USD, đang đứng trên đỉnh cao của kỷ nguyên này.

CEO Jensen Huang vừa khiến khán giả phải trầm trồ tại hội nghị AI ở Washington tuần trước khi trình bày những tiến bộ mà chip của NVIDIA đã tạo ra. Mỗi con chip mới nhất của ông chứa tới 208 tỷ bóng bán dẫn, được đóng gói trong vỏ nhựa với những sợi dây đồng như chân của một con kiến hoặc bọ cánh cứng, và có giá khoảng 30.000 USD mỗi chiếc.

Ông Jensen Huang giới thiệu GPU AI mới Blackwell

Nhưng đột phá thực sự không nằm ở từng con chip riêng lẻ mà ở cách chúng được kết nối với nhau. Các chip trung tâm dữ liệu này không còn hoạt động độc lập như bộ xử lý trung tâm trong laptop mà được đan xen với nhau hàng nghìn thậm chí hàng triệu con trong các trung tâm dữ liệu, hoạt động như một siêu máy tính quy mô khổng lồ với khả năng tư duy tập thể được gọi là trí tuệ nhân tạo.

Trung tâm dữ liệu tối cao thế giới là Colossus 2 ở Memphis, Tennessee, động cơ của xAI của Elon Musk, tích hợp ước tính một triệu chip NVIDIA trong một máy tính khổng lồ duy nhất để làm nền tảng tính toán cho Grok và xe tự lái.

Giới hạn của kỷ nguyên vi chip

Tuy nhiên, chính sự phát triển đến đỉnh cao này lại bộc lộ một nghịch lý chết người. Tất cả những gì xảy ra trong ngành công nghiệp chip hiện nay đều bị chi phối bởi một cỗ máy kỳ diệu và đồng thời là một giới hạn vật lý không thể vượt qua – cỗ máy quang khắc tia cực tím EUV của hãng ASML.

Máy quang khắc EUV của ASML

Phiên bản mới nhất do ASML sản xuất thực hiện công nghệ quang khắc cực tím với khẩu độ số cao. Nếu bạn không phải là người Trung Quốc, bạn có thể mua một chiếc với giá khoảng 380 triệu USD. Khoảng 44 chiếc đã được bán cho đến nay. Nó được vận chuyển trong khoảng 250 thùng và cần hàng trăm kỹ sư chuyên môn khoảng sáu tháng để lắp đặt. Giám đốc nghiên cứu của IBM, Darío Gil, gọi nó là máy móc phức tạp nhất thế giới.

Cỗ máy này hoạt động như một chiếc máy ảnh khổng lồ, chiếu các mẫu ánh sáng lên bề mặt của các tấm wafer 12 inch thông qua một mặt nạ ảnh bằng thạch anh và chrome mang thiết kế chip. Nhưng chính trong lòng cỗ máy kỳ diệu này lại ẩn chứa một giới hạn tàn khốc mà vật lý học đặt ra, được gọi là giới hạn reticle (reticle limit) – hay kích thước tối đa của mỗi vi chip (hay die chip) mà máy quang khắc tạo ra trong một lần chiếu.

Do giới hạn của ánh sáng khi đi qua tấm mask (tấm reticle), kích thước die chip không thể vượt quá 800 mm2

Những cỗ máy quang khắc hiện đại chỉ tạo ra được các die chip có diện tích tối đa 800 mm2 hay 1,25 inch vuông. Giới hạn này xác định kích thước của chip, và kích thước chip lại xác định độ chi tiết của tính toán AI. Vượt qua một điểm nhất định, khoảng 800 milimét vuông hay 1,25 inch vuông, các định luật về ánh sáng và tốc độ ánh sáng giới hạn việc tạo ra các thiết kế lớn hơn. Đây không phải là một rào cản có thể vượt qua bằng kỹ thuật hay tiền bạc mà là một bức tường của chính vật lý học.

Do vậy, để tạo nên các con chip với hàng trăm tỷ bóng bán dẫn khổng lồ như GPU AI của NVIDIA, các nhà sản xuất chip đang dùng đến những giải pháp đóng gói chip phức tạp như chiplet hay chồng die chip lên nhau, để gia tăng số bóng bán dẫn trên mỗi chip. Kết quả tính toán được phân tán giữa nhiều chip và sau đó biên dịch lại. Điều này cũng làm gia tăng năng lượng liên kết giữa các die chip, chi phí đóng gói phức tạp hơn, nhiều liên kết hơn. Chúng ta đang chạy ngược lại với định luật vật lý, và cuộc chạy đua này không thể thắng được.

Vậy điều gì sẽ đến sau đó?

Kết quả tất yếu của giới hạn reticle không thể tránh khỏi chính là sự kết thúc của kỷ nguyên chip. Nhưng nếu chip sắp kết thúc, điều gì sẽ đến sau? Câu trả lời nằm ở một mô hình hoàn toàn cách mạng: các siêu chip khổng lồ được tích hợp quy mô wafer, bỏ qua hoàn toàn khái niệm chip riêng lẻ. Ý tưởng đơn giản nhưng triệt để: thay vì tạo ra hàng nghìn con chip nhỏ rồi phải vất vả kết nối chúng lại, tại sao không khắc toàn bộ hệ thống lên một tấm wafer duy nhất ngay từ đầu?

Chip AI mới của Cerebras chứa hơn 4.000 tỷ bóng bán dẫn

Hãng Cerebras ở Palo Alto, California đã biến ý tưởng này thành hiện thực với động cơ quy mô wafer WSE-3 của họ. Con số thống kê của nó gần như không thể tin được: khoảng 4.000 tỷ bóng bán dẫn, gấp 14 lần chip Blackwell của NVIDIA, với băng thông bộ nhớ gấp 7.000 lần.

Bí quyết của Cerebras là khắc bộ nhớ trực tiếp lên wafer thay vì đưa nó vào các chip và chiplet xa xôi trong những mê cung bộ nhớ băng thông cao. Công ty sau đó xếp các chip quy mô wafer của mình gấp 16 lần, do đó biến một trung tâm dữ liệu khổng lồ thành một chiếc hộp nhỏ chứa 64 .000 tỷ bóng bán dẫn. Đây không chỉ là một cải tiến từng bước mà là một bước nhảy vọt hoàn toàn.

Và tương lai còn hứa hẹn hơn thế nữa nhờ công việc của David Lam, người sáng lập Lam Research, công ty thiết bị chế tạo wafer lớn thứ ba thế giới. Năm 2010, ông thành lập Multibeam Corp, công ty đã tạo ra một cỗ máy thực hiện công nghệ quang khắc chùm điện tử đa cột. 

Công nghệ này cho phép các nhà sản xuất vượt qua giới hạn reticle nói trên. Multibeam đã chứng minh khả năng khắc các tấm wafer 8 inch, một thành tựu mở ra cánh cửa cho một tương lai hoàn toàn mới. Không còn chip riêng lẻ, không còn bao bì phức tạp ở Philippines hay Thâm Quyến, không còn những mê cung dây và cáp quang để kết nối hàng nghìn con chip với nhau.

Kỷ nguyên hậu microchip, với các trung tâm dữ liệu gói gọn trong một chiếc hộp chứa bộ xử lý quy mô wafer, không còn là khoa học viễn tưởng nữa mà đang từng bước trở thành hiện thực. Điều mà nhiều người vẫn gọi là chip khổng lồ hoặc siêu chip thực chất là điều ngược lại hoàn toàn với microchip, thiếu các đơn vị xử lý riêng biệt hoặc bộ nhớ trong các gói nhựa với những sợi dây như chân.

Đây là một cuộc cách mạng thực sự, không phải chỉ là sự tiến hóa, và nó đang xảy ra ngay trước mắt chúng ta. Trong khi cả thế giới đang tranh cãi về ai sẽ sản xuất chip tốt hơn, các nhà tiên phong thực sự đang âm thầm xây dựng một tương lai nơi chính khái niệm chip sẽ trở nên lỗi thời.