Ngành công nghiệp bán dẫn đang trải qua một cuộc cách mạng lớn nhờ vào sự phát triển của công nghệ chiplet. Thay vì sản xuất một con chip duy nhất với tất cả các tính năng tích hợp, chiplet cho phép các nhà thiết kế chia nhỏ các chức năng thành các thành phần rời rạc, mỗi thành phần đảm nhận một nhiệm vụ cụ thể. Điều này có thể hình dung như việc tổ chức một bữa tiệc pizza: thay vì làm một chiếc pizza khổng lồ với đầy đủ các loại topping, bạn sẽ chuẩn bị từng lát pizza riêng biệt, mỗi lát có một loại topping đặc trưng. Tương tự, trong thiết kế chiplet, mỗi thành phần được tối ưu hóa cho một chức năng riêng biệt như xử lý, bộ nhớ hoặc đồ họa, và sau đó được tích hợp lại để tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh.
Chiplet là gì?
Chiplet là một đơn vị xử lý hoặc một thành phần mạch tích hợp (IC) thực hiện một chức năng cụ thể trong một hệ thống vi mạch. Thay vì sản xuất một con chip bán dẫn nguyên khối trên một die duy nhất, chiplet cho phép các nhà thiết kế chia nhỏ chức năng của chip thành các thành phần nhỏ hơn, có thể được sản xuất riêng biệt và sau đó tích hợp lại trong một gói chung. Mỗi chiplet có thể được chế tạo bằng công nghệ phù hợp nhất với nhiệm vụ của nó. Chẳng hạn, một chiplet CPU có thể được sản xuất trên tiến trình 3nm hoặc 5nm để đảm bảo hiệu suất cao, trong khi một chiplet bộ nhớ có thể được sản xuất bằng công nghệ DRAM hoặc HBM, tối ưu cho băng thông và dung lượng. Một chiplet đồ họa (GPU) có thể được tối ưu hóa riêng biệt để tăng tốc các tác vụ đồ họa và xử lý song song. Nhờ thiết kế này, các hãng sản xuất có thể kết hợp nhiều chiplet khác nhau trong một hệ thống mà không cần chế tạo toàn bộ con chip trên một tiến trình duy nhất, giúp tiết kiệm chi phí và tăng hiệu quả sản xuất.
Tại sao chiplet lại quan trọng?
Một trong những lý do quan trọng khiến chiplet trở thành xu hướng tất yếu là những thách thức trong việc thu nhỏ kích thước transistor. Khi tiến trình sản xuất bán dẫn đạt đến mức 3nm hoặc thấp hơn, các vấn đề về chi phí và kỹ thuật trở nên ngày càng phức tạp. Sản xuất một con chip nguyên khối lớn trên tiến trình tiên tiến không chỉ khó khăn mà còn làm giảm tỷ lệ thành phẩm. Chiplet giúp giải quyết vấn đề này bằng cách cho phép các công ty chỉ sử dụng công nghệ tiên tiến cho những phần quan trọng, trong khi các thành phần khác có thể được sản xuất bằng công nghệ cũ hơn nhưng vẫn đáp ứng yêu cầu. Điều này giúp tối ưu hóa chi phí mà không ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể của hệ thống.
Không chỉ giúp giảm chi phí, chiplet còn mang lại lợi ích lớn về mặt hiệu suất và hiệu quả năng lượng. Khi mỗi thành phần được thiết kế và sản xuất riêng biệt theo mục đích cụ thể, các hệ thống có thể tận dụng tối đa sức mạnh của từng bộ phận. Một chiplet CPU có thể được kết hợp với các chiplet bộ nhớ tốc độ cao để tăng hiệu suất truy xuất dữ liệu, trong khi các chiplet AI chuyên dụng có thể giúp tăng tốc xử lý trí tuệ nhân tạo. Đối với các hệ thống yêu cầu đồ họa mạnh mẽ, một chiplet GPU có thể hoạt động song song với CPU mà không cần phải tích hợp mọi thứ vào một die duy nhất. Cách tiếp cận này không chỉ giúp tối ưu hóa hiệu suất mà còn giảm mức tiêu thụ điện năng, giúp các thiết bị vận hành ổn định hơn và tiết kiệm năng lượng hơn.
Bên cạnh đó, chiplet giúp rút ngắn thời gian phát triển sản phẩm, một yếu tố quan trọng trong thị trường bán dẫn đầy cạnh tranh. Việc thiết kế và sản xuất một con chip nguyên khối từ đầu có thể mất nhiều năm và tiêu tốn hàng tỷ USD. Tuy nhiên, với chiplet, các nhà sản xuất có thể tận dụng lại những thành phần đã được kiểm chứng từ các thế hệ trước, giúp giảm đáng kể thời gian phát triển. Thay vì phải thiết kế một con chip hoàn toàn mới, họ có thể kết hợp nhiều chiplet khác nhau để tạo ra các sản phẩm tùy chỉnh, phù hợp với từng nhu cầu cụ thể. Điều này đặc biệt có ý nghĩa trong các lĩnh vực như trí tuệ nhân tạo, điện toán hiệu năng cao (HPC), trung tâm dữ liệu và máy chủ, nơi tốc độ ra mắt sản phẩm có thể quyết định thành công trên thị trường.
Một lợi ích khác của chiplet là tính linh hoạt trong thiết kế. Các công ty không còn bị giới hạn trong việc tạo ra một con chip đơn lẻ có cấu trúc cố định, mà thay vào đó có thể tùy chỉnh hệ thống bằng cách thay đổi số lượng chiplet trong gói mạch. Chẳng hạn, một phiên bản CPU cao cấp có thể chứa nhiều chiplet xử lý hơn so với phiên bản giá rẻ, hoặc một dòng sản phẩm GPU có thể được chia thành nhiều phiên bản khác nhau bằng cách điều chỉnh số lượng chiplet đồ họa. Nhờ đó, các nhà sản xuất có thể đáp ứng nhiều phân khúc thị trường hơn mà không cần tốn nhiều chi phí nghiên cứu và phát triển.
Ngoài ra, chiplet còn giúp tăng tỷ lệ thành phẩm trong sản xuất. Khi chế tạo một con chip lớn trên một die duy nhất, nếu có một lỗi nhỏ, toàn bộ con chip có thể bị loại bỏ. Trong khi đó, với chiplet, nếu một chiplet bị lỗi, chỉ cần thay thế chiplet đó mà không phải loại bỏ toàn bộ sản phẩm. Điều này giúp giảm đáng kể chi phí sản xuất và tăng năng suất. Hơn nữa, không phải tất cả các chiplet đều cần sản xuất bằng công nghệ tiên tiến nhất, cho phép các công ty tận dụng các tiến trình sản xuất cũ để giảm chi phí mà vẫn đảm bảo hiệu suất mong muốn.
Tương lai của chiplet
Với những lợi ích vượt trội, chiplet đang trở thành một xu hướng quan trọng trong ngành công nghiệp bán dẫn và được nhiều công ty công nghệ hàng đầu như AMD, Intel, NVIDIA, TSMC và Apple áp dụng mạnh mẽ. Để hỗ trợ sự phát triển của chiplet, các chuẩn giao tiếp và công nghệ liên quan cũng đang được nghiên cứu và triển khai. Một trong số đó là UCIe (Universal Chiplet Interconnect Express), một tiêu chuẩn mở giúp các chiplet từ các nhà sản xuất khác nhau có thể kết nối dễ dàng. Ngoài ra, công nghệ xếp chồng 3D (3D stacking) đang được phát triển nhằm tối ưu hóa việc tích hợp chiplet theo chiều dọc, giúp tiết kiệm không gian và tăng cường khả năng giao tiếp giữa các thành phần. Các phương pháp kết nối tiên tiến như silicon interposer và EMIB (Embedded Multi-Die Interconnect Bridge) cũng đang được cải tiến để nâng cao hiệu suất và giảm độ trễ trong hệ thống chiplet.
Với những bước tiến này, chiplet hứa hẹn sẽ trở thành tiêu chuẩn mới trong thiết kế vi mạch, mở ra cơ hội phát triển các hệ thống điện tử mạnh mẽ, linh hoạt và tiết kiệm chi phí hơn trong tương lai. Đây không chỉ là một sự thay đổi về mặt công nghệ, mà còn là một bước ngoặt quan trọng đối với ngành công nghiệp bán dẫn, định hình lại cách thức sản xuất và phát triển vi mạch trong nhiều năm tới.
