Dù là dân đam mê công nghệ hay chỉ đơn giản là một người dùng thông thường, thì có lẽ bạn đã từng một vài lần nghe tới cụm từ ” tiến trình 10nm” hay “tiến trình 7nm”… rồi đúng không?
Vậy ý nghĩa thực sự của thông số này là gì? và nó sẽ ảnh hưởng như thế nào đến thiết bị công nghệ mà bạn đang sử dụng?
Vâng, trong bài viết này, chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu xem những con số trên có ỹ nghĩa thực sự là gì nhé? Okay, ngay bây giờ chúng ta sẽ đi luôn vào nội dung chính thôi nào…
Note: Bài viết được tham khảo trên nhiều nguồn khác nhau, mang tính chất thảo luận là chính nên nếu có bất cứ thiếu sót gì các bạn hãy để lại comment để lại ý kiến bên dưới nhé.
#1. Tiến trình 7nm và 10nm… là gì?
Chip, bộ vi xử lý, hay còn gọi là CPU được coi là bộ não của các thiết bị điện tử [smartphone, máy tính, máy tính bảng…]
Và khi nói đến CPU thì các bạn thường sẽ quan tâm nhiều đến tiến trình 7nm hay 10nm…
Bộ vi xử lý được cấu tạo từ hàng tỷ bóng bán dẫn [hay còn gọi là Transistor] siêu nhỏ, với 2 trạng thái BẬT và TẮT, tương ứng với 0 và 1 trong hệ nhị phân, hoặc bạn có thể hiểu nó như một chiếc công tắc vậy.
Và tất nhiên, để hoạt động được thì các bóng bán dẫn này phải được cung cấp điện năng. Kích thước của bóng bán dẫn sẽ tỷ lệ thuận với điện năng tiêu thụ của CPU.
Có nghĩa là, bóng bán dẫn càng nhỏ thì điện năng tiêu thụ càng ít. Chốt lại như vậy cho dễ hiểu !
Trong đó: 7nm, 10nm… là đơn vị đo kích thước của bóng bán dẫn. nm là viết tắt của nanomet [1 triệu nanomet = 1 milimet].
Ở thời điểm hiện tại thì 10 nm là tiến trình sản xuất CPU mới nhất của Intel, còn 7nm là tiến trình sản xuất CPU mới nhất của TSMC [đơn vị chuyên sản xuất chip]
Bây giờ mình sẽ chia ra làm 2 giai đoạn phát triển tiêu biểu của các vi xử lí hiện nay.
#2. Công nghệ chip từ 2012 trở về trước
Ở thời kì này phần lớn các vi xử lí đều được sản xuất trên tiến trình 32nm hoặc lớn hơn.
Như các bạn có thể thấy ở hình bên trên thì ta có các thành phần như:
- GATE: Đây là cực cổng, khi mà có điện áp vào thì nó sẽ kiểm soát dòng điện chạy giữa 2 cực nằm ở bên dưới. Cực Gate được cách ly hoàn toàn với phần còn lại của bóng bán dẫn nhờ một lớp điện môi mỏng [Gate Oxide].
- SOURCE và DRAIN: Electron sẽ di chuyển từ cổng SOURCE đến cổng DRAIN và tạo thành một dòng điện.
- SUBSTRATE: Là một lớp chất nền Silicon
Khi nói về tiến trình 32nm cũng chính là nói về khoảng cách giữa 2 cổng SOURCE và DRAIN [quãng đường mà electron sẽ phải di chuyển để thay đổi trạng thái của Transistor].
Chúng ta cũng có thể gọi 32nm là Gate Length [trong đó Gate là cực cổng, còn Length là chiều dài]. Nói ngắn gọn và dễ hiểu thì Gate Length là khoảng cách giữa SOURCE và DRAIN.
Gate Length càng ngắn thì sẽ càng tốn ít thời gian để di chuyển, và đương nhiên là lúc này bóng bán dẫn có thể đổi trạng thái từ 0 sang 1 hoặc 1 sang 0 [BẬT / TẮT] nhanh hơn => con chip càng mạnh hơn.
Nói tóm lại là khoảng cách giữa 2 cực cổng càng ngắn thì lượng điện tiêu thụ sẽ càng giảm, tốc độ chuyển trạng thái từ TẮT sang MỞ hoặc MỞ sang TẮT sẽ càng nhanh hơn. Đồng nghĩa với việc CPU sẽ càng mạnh hơn và tiết kiệm điện năng hơn.
Vậy nếu hiểu theo cách thông thường thì gọi 32nm là kích thước bóng bán dẫn là SAI. Và với việc nghĩ như vậy cũng sẽ ảnh hưởng tới cách hiểu những công nghệ 12nm hay 7nm sau này mà mình chuẩn bị đề cập.
Hiểu đúng hơn là như thế này: Kích thước 32nm là khoảng cách ngắn nhất [cũng có nghĩa là đường rãnh nhỏ nhất/ vết cắt nhỏ nhất] mà nhà sản xuất họ có thể khắc lên được tấm nền Silicon – còn thực chất kích thước của con chip sẽ lớn hơn con số này rất nhiều lần.
#3. Công nghệ sản xuất chip giai đoạn 2012 cho tới 2020 bây giờ
Tất nhiên là các hãng sản xuất chip sẽ không ngừng cải tiến để nâng cấp hiệu năng và sức mạnh cho con chip của họ. Và để làm được điều này thì họ sẽ tăng số lượng bóng bán dẫn lên. Mà để tăng số lượng bóng bán dẫn thì có 2 cách:
- Tăng diện tích đế của con chip: Việc này là khá dễ dàng, tuy nhiên nó lại không hiệu quả về lâu về dài được, vì bạn không thể cứ mãi tăng kích thước đế chip như vậy được, thiết bị nào nhét cho vừa phải không nào 😀
- Cách thứ 2 là thu nhỏ bóng bán dẫn lại.
Vậy một câu hỏi đặt ra làm thế nào để có thể thu nhỏ hơn được mà hạn chế bị việc bị rò rỉ Electron. Việc bị rò rỉ Electron sẽ khiến cho CPU tiêu thụ nhiều điện hơn mức cần thiết trong lúc vận hành => hao pin, tốn điện…
Đó là lí do mà các nhà nghiên cứu thay vì thu nhỏ bóng bán dẫn, họ sẽ nghiên cứu những cách thiết kế, sắp đặt bóng bán dẫn theo một cách khác.
Tháng 5 năm 2012, ông trùm công nghệ Intel lần đầu đề cập tới công nghệ bóng bán dẫn mới, mang tên FinFET [các vây Fin dạng 3D, chúng ta cũng có thể gọi là bóng bán dẫn 3D]. Cũng kể từ đây định nghĩa về 22nm, 12nm, hay 7nm cũng có sự thay đổi.
Nếu như trước kia, các bóng bán dẫn với các cực ở dạng phẳng truyền thống [cổng 2 chiều] thì với công nghệ FinFET này đã được thay thế bằng trục 3 chiều [Fin] nằm thẳng đứng trên chất nền silicon. Cổng sẽ bao xung quanh Fin [2 cổng ở hai mặt và một cổng ở phía trên cùng].
Như các bạn có thể thấy ở hình bên trên, công nghệ sản xuất chip trước đây [Planar] thì SOURCE và DRAIN nằm trên một mặt phẳng, thì với công nghệ chip mới [FinFET] này, SOURCE và DRAIN đã được dựng đứng thẳng lên.
Như vậy không khó để chúng ta hình dung ra rằng với cùng một không gian, một cái dẹp nằm ngang với một cái dựng đứng lên thì cái nào sắp xếp được nhiều bóng bán dẫn hơn phải không nào?
Vậy thì tóm lại lợi ích của công nghệ FinFET là:
- Hạn chế được hiện tượng rò rỉ điện, giúp chip sử dụng điện hiện quả hơn.
- Con chip sẽ mạnh sẽ hơn do khoảng cách giữa SOURCE và DRAIN ngắn hơn, nên thời gian chuyển trạng thái bóng bán dẫn [BẬT/ TẮT] nhanh hơn.
Vậy thì chốt lại, những con số 12nm, 7nm hay 5nm ngày nay có ý nghĩa như thế nào?
Vâng, kiến trúc 3D trong một con Transistor đã trở nên phức tạp hơn rất nhiều nên những con số này không đơn giản là khoảng cách giữa SOURCE và DRAIN như công nghệ planar trước đây nữa.
MÀ những con số 12nm, 10nm, 7nm hay 5nm.. chỉ đơn giản là một cái tên, một thế hệ mà nhà sản xuất họ đặt ra cho dây chuyền sản xuất của họ mà thôi.
Các nhà sản xuất chip dùng nó như là một cụm từ để người dùng hiểu rằng dòng chip này làm trên công nghệ mới, tiên tiến hơn thế hệ cũ.
Nói chung, với tầm hiểu biết phổ thông của đại đa số chúng ta thì không biết chắc chắn được, chỉ những ai trực tiếp thiết kế ra bộ vi xử lí thì có lẽ họ mới biết được câu trả lời chính xác được.
Và đương nhiên, điều này là không thể khi các nhà sản xuất luôn giấu nhẹm những kĩ thuật của mình.
#4. Điều mà nhiều người vẫn lầm tưởng?
Do nhiều người hiểu sai về tiến trình 5nm, 7nm, 10nm, 12nm… mà nhiều người đã hiểu nhầm rằng hãng Intel đang bị TSMC và Samsung vượt mặt.
Vì thông số tiến trình trên TSMC và Samsung nhỏ hơn so với Intel rất nhiều.
Và nhiều người nhìn ngay vào thông số về tiến trình này mà đã khẳng định một câu chắc nịch rằng công nghệ CPU của hãng này vượt trội hơn công nghệ CPU của hãng kia.
Các bạn nên nhớ rằng việc đánh giá một con CPU phải dựa trên các con số thực tế, còn nếu chỉ nhìn vào thông số mà nhà sản xuất cung cấp thì bạn chỉ nên so sánh các chíp của cùng một hãng mà thôi. OK !
#5. Tóm lại
Bài viết tóm lượt trên đã lượt bỏ đi những phần gây khó hiểu cho phần đông mọi người chưa am hiểu về công nghệ vi xử lí. Mục đích là để giúp cho người đọc dễ hiểu nhất về những cụm từ 12nm hay 7nm một cách tổng quát nhất có thể.
=> Tóm lại ở thời điểm hiện nay, khi nói về tiến trình 10nm hay 7nm,… thì không ám chỉ khoản cách giữa SOURCE và DRAIN nữa. Mà đơn giản nó chỉ là một cái tên, một thế hệ mà nhà sản xuất họ đặt ra mà thôi.
Một lần nữa, nếu bài viết có bất kì thiếu sót gì, hay là bạn có thắc mắc gì thì hãy để lại comment bên dưới để chúng ta cùng thảo luận nhé !
CTV: Lê Đinh Hoàng Vũ – Blogchiasekienthuc.com
Tham khảo bài viết của Duy Luân bên TinhTe và nhiều nguồn trên Internet
Note: Bài viết này hữu ích với bạn chứ? Đừng quên đánh giá bài viết, like và chia sẻ cho bạn bè và người thân của bạn nhé !
Một điều thật trớ trêu là hiện nay, việc đánh giá công nghệ trên các bộ xử lý đang không dựa trên các con số thực tế, mà dựa vào các thuật ngữ tiếp thị. Nguyên nhân cho điều này là vì một nhầm lẫn tai hại về ý nghĩa của các tiến trình như 7nm, 10nm hay 14nm. Không ai khác ngoài Intel hiểu thấu nỗi đau của việc hiểu nhầm này.
Khi hãng gia công chip TSMC đã bắt đầu chuyển sang áp dụng tiến trình 7nm đối với các đơn hàng từ nửa sau năm 2018 và Samsung cũng đã bắt đầu ra mắt chip Exynos 9820 với tiến trình 8nm vào đầu năm 2019, còn Intel cho biết, mình vẫn trung thành với tiến trình 10nm cho đến hết năm 2019.
Tuyên bố này của Intel đã làm nhiều người lo lắng khi cho rằng Intel đang tụt lại phía sau các hãng gia công chip về công nghệ bộ xử lý. Vậy chính xác, các thông số 7nm, 8nm hay 10nm này là gì, liệu nó có thực sự quan trọng đến thế?
Theo cách hiểu thông thường từ góc độ người tiêu dùng, các con số này đại diện cho kích thước các bóng bán dẫn trong bộ xử lý. Bóng bán dẫn càng nhỏ, số lượng của chúng trên mỗi đơn vị diện tích càng lớn. Số lượng bóng bán dẫn tăng lên sẽ kéo theo khả năng xử lý tăng lên đồng thời việc tiêu thụ năng lượng cũng hiệu quả hơn. Tiêu thụ năng lượng giảm đi cũng làm giảm lượng nhiệt phát ra cũng như cho phép chúng ta gia tăng tốc độ xung nhịp lên cao hơn nữa.
Nhưng nếu quả thật như vậy, thì 7nm hay 10nm này là số đo kích thước nào của con chip đó? Nó đại diện cho chiều dài, chiều rộng, chiều cao hay chiều nào của con chip đó? Chẳng ai trả lời được câu hỏi này, vì họ đều nhầm lẫn tai hại.
Trên thực tế, khoảng cách này đại diện cho khoảng cách của "vết cắt" nhỏ nhất mà quy trình chế tạo chip có thể tạo ra trên bề mặt miếng bán dẫn – còn bản thân kích thước của con chip lớn hơn con số này nhiều lần. Chính vì vậy, các kích thước này còn đại diện cho tiến trình công nghệ [hay còn gọi các node công nghệ hoặc node] trong việc sản xuất chip.
Trong bộ xử lý, các vết cắt này chính là chiều dài kênh [channel length] trên con chip hay khoảng cách giữa cực source [cực nguồn] và cực drain [cực máng] trên bóng bán dẫn dạng phẳng truyền thống – hay còn gọi là gate length [chiều dài cổng]. Khoảng cách này càng ngắn, thời gian để các hạt electron chuyển từ cực source sang cực drain càng ngắn và càng tốn ít năng lượng hơn, dẫn đến các con chip hoạt động càng nhanh hơn và càng sử dụng năng lượng hiệu quả hơn.
Điều này vẫn đúng cho đến các chip 65nm 45nm 32nm với kiến trúc dạng phẳng [hay còn gọi các chip MOSFET]. Tuy nhiên, từ chip 22nm trở đi, việc thu nhỏ hơn nữa các kênh này sẽ không mang lại hiệu quả về tốc độ và năng lượng, cũng như có thể gây ra các sự cố ngoài ý muốn. Chính vì vậy, từ các con chip tiến trình 22nm hoặc nhỏ hơn, các nhà sản xuất chip đã từ bỏ các bóng bán dẫn dạng phẳng 2D để chuyển sang thiết kế 3 chiều FinFET [các vây Fin dạng 3D].
Cũng từ kiến trúc FinFET, các con số như 22nm, 14nm, 10nm hay 7nm trở lại ý nghĩa ban đầu của chúng là các tiến trình công nghệ và chúng có rất ít sự liên quan trực tiếp đến kích thước bóng bán dẫn như trước đây. Chúng không đại diện cho chiều dài cổng hay khoảng cách giữa các vết cắt trên bóng bán dẫn nữa.
Cũng từ đây, tên gọi của các tiến trình công nghệ trong việc chế tạo chip bắt đầu trở thành các thuật ngữ marketing thay vì các kích thước thực sự của con chip. Tài liệu từ Lộ trình quốc tế cho chất bán dẫn [International Technology Roadmap for Semiconductors] cũng chỉ gọi các tiến trình dưới 22nm như 10nm là node công nghệ kế tiếp của 14nm, còn 14nm là node công nghệ kế tiếp 22nm, thay vì định nghĩa rõ ràng các con số này nghĩa là gì.
Bản thân tiến trình 14nm của Intel ban đầu được gọi là tiến trình 16nm, sau đó được đổi tên hai lần để thành 14nm. Điều này khiến cho việc so sánh hiệu năng giữa các con chip dựa trên các thông số này hoàn toàn là một sai lầm.
Trong khi việc chuyển sang kiến trúc FinFET làm các con số về tiến trình công nghệ chỉ còn mang ý nghĩa tiếp thị, nhưng ý nghĩa của định luật Moore vẫn được giữ nguyên – mỗi tiến trình công nghệ mới đều giúp gia tăng đáng kể mật độ bóng bán dẫn trên mỗi đơn vị diện tích. Con số này mới nên được xem như cách chính xác để so sánh các công nghệ chip, cũng như sự khác biệt giữa các nhà sản xuất chip.
So sánh mật độ bóng bán dẫn cho thấy, dù cùng mang danh là tiến trình công nghệ 10nm, nhưng chip Intel có mật độ vượt trội so với của TSMC và Samsung, thậm chí còn cao hơn cả mật độ trên chip 7nm của TSMC và Samsung.
Theo dữ liệu từ Wikichip, SemiWiki và IC Knowledge, mật độ bóng bán dẫn trên mỗi milimet vuông [triệu bóng/mm2 hay MTr/mm2] của chip Intel 14nm sẽ là khoảng 43,5 MTr/mm2, còn các đối thủ chỉ khoảng 28,2 MTr/mm2 [của TSMC 16FF] hay 32,5 MTr/mm2 [của Samsung 14LPP và GlobalFoundries 14LPP]. Trong khi đó mật độ của chip Intel 10nm sẽ đạt tới 106,1 MTr/mm2, cao hơn cả tiến trình 7nm của TSMC 7FF [96,49 MTr/mm2] và Samsung 7LPP [95,3 MTr/mm2].
Chỉ đến khi hai nhà sản xuất này sử dụng quy trình tia EUV [extreme ultraviolet lithography] trong chế tạo chip 7nm, mật độ bóng bán dẫn trên chip của họ mới cao hơn tiến trình 10nm của Intel, khi mật độ bóng bán dẫn của TSMC đạt khoảng 116,7 MTr/mm2 và của Samsung là khoảng 127,3 MTr/mm2.
Tuy nhiên, một điều đáng buồn là trong khi TSMC đã bắt tay vào việc sản xuất hàng loạt chip 7nm bằng tiến trình DUV [deep ultraviolet lithography] cho các khách hàng của mình như chip A12 Bionic của Apple, chip Kirin 980 của Huawei, cũng như Snapdragon 855 của Qualcomm, Intel đã liên tục trì hoãn ra mắt chính thức chip 10nm của mình và cho đến nay mới chỉ một sản phẩm duy nhất là Core i3-8121U cho laptop. Intel cho biết, việc sản xuất hàng loạt sẽ chỉ bắt đầu từ nửa sau năm 2019.
Trong khi Intel rất kín tiếng về điều này, rất khó để biết chính xác điều gì đã xảy ra với quá trình sản xuất chip 10nm của Intel. Tuy nhiên, kỹ sư về hệ thống phần cứng, Dave Haynie đã cho ta biết một phần nguyên nhân của điều này, và nó có vẻ khá chính xác khi được một cựu kỹ sư thiết kế của Intel công nhận.
Theo Dave, dường như áp lực từ việc chuyển sang tiến trình 7nm của TSMC và Samsung đã khiến Intel chấp nhận rủi ro và vội chuyển sang tiến trình chip 10nm quá sớm đối với kỹ thuật sản xuất của mình. Họ đã đẩy kỹ thuật in litho truyền thống tới giới hạn của mình với 4 lớp patterning [quá trình tạo ra các khuôn mẫu cho bề mặt chip]: Self-Aligned Quadruple Patterning.
Công nghệ họ lựa chọn mắc sai lầm và Intel như đâm vào ngõ cụt, buộc họ phải quay lại từ đầu. Dù vậy, các fan của Intel cũng không phải quá lo về điều này, vì bên cạnh nhóm triển khai kỹ thuật in litho, Intel cũng có một nhóm khác vẫn đang phát triển công nghệ EUV riêng của họ, một cách độc lập và không chịu ảnh hưởng từ việc chậm trễ của nhóm còn lại. Do vậy, có thể những con chip 10nm của họ vẫn sẽ kịp ra mắt vào nửa sau năm nay.
Tuy nhiên, khi chuyển sang một công nghệ chế tạo khác, bộ xử lý 10nm mà Intel vừa tung ra đầu năm 2019 có thể sẽ khác hoàn toàn với các bộ xử lý 10nm sẽ được công ty ra mắt vào nửa sau năm nay, khi họ phải thiết kế lại kiến trúc bộ xử lý.
Dù vậy, có lẽ Intel sẽ không thể yên tâm khi các đối thủ đang không ngừng thu hẹp khoảng cách và có thể sắp qua mặt họ. Sau khi cho biết về việc triển khai sản xuất hàng loạt chip 7nm bằng công nghệ EUV, TSMC đang nhắm tới việc triển khai quy trình chip 5nm trong năm 2019. Và khách hàng đầu tiên của họ đối với công nghệ mới này nhiều khả năng chính là Apple.
7nm chưa là gì cả, iPhone năm sau sẽ sử dụng con chip 5nm do TSMC sản xuất