– Cù Tuấn dịch phóng sự công nghệ của Financial Times.
Tóm tắt: Trong nhiều thập kỷ, việc các con chip bán dẫn ngày càng có kích cỡ nhỏ hơn đã tạo ra những bước nhảy vọt trong tiến trình điện toán hóa. Việc thu nhỏ này sẽ không còn kéo dài được nữa, theo các chuyên gia cảnh báo.
Bên trong một “căn phòng sạch” trong khuôn viên rộng lớn của ASML ở thị trấn Veldhoven của Hà Lan, hàng chục người đàn ông và phụ nữ trong bộ đồ kiểu hazmat đang hít thở không khí sạch gấp 10.000 lần so với trong phòng mổ.
Họ đang nghiên cứu nguyên mẫu đầu tiên của sản phẩm mới nhất của công ty chế tạo chip này: thế hệ máy quang khắc siêu cực tím mới nhất sẽ được sử dụng để “in” các bóng bán dẫn, với kích cỡ nhỏ gần bằng đường kính của nhiễm sắc thể người lên các tấm silicon để tạo ra các chip bán dẫn. Máy EUV (extreme ultraviolet) này sẽ được chuyển đến Intel trong năm nay với chi phí hơn 350 triệu euro.
Nếu không có máy quang khắc này của ASML, các sản phẩm phổ biến như iPhone của Apple hoặc phức tạp như chip Nvidia để cung cấp khả năng xử lý cho ChatGPT sẽ không thể thực hiện được. Chỉ có ba công ty trên thế giới — Intel, Samsung và TSMC — có khả năng sản xuất bộ vi xử lý tiên tiến để biến các sản phẩm này thành hiện thực; tất cả đều dựa vào thiết bị tiên tiến này của ASML để sản xuất chip.
Những đổi mới mà ASML đạt được đã đảm bảo rằng các con chip bán dẫn tiếp tục thu nhỏ lại, do đó làm cho chip mạnh hơn. Tốc độ tiến bộ trong ngành công nghệ này trong 5 thập kỷ qua có được nhờ sự gia tăng theo cấp số nhân của mật độ bóng bán dẫn trên một con chip.
Tỷ lệ nén bóng bán dẫn này đã được dự đoán bởi Gordon Moore, người đồng sáng lập Intel, người đã nói vào năm 1965 rằng số lượng bóng bán dẫn được tích hợp trong một con chip sẽ tăng gấp đôi mỗi năm – mới đầu là một dự báo, sau đó được sửa đổi thành tăng gấp đôi mỗi hai năm. Dự báo này sau đó được gọi là Định luật Moore.
Mặc dù bản thân Intel chịu trách nhiệm cho phần lớn quá trình tiến bộ này thông qua những đổi mới không ngừng trong sản xuất chất bán dẫn và kỹ thuật xử lý, giờ đây ASML được coi là người duy trì Định luật Moore, giúp sản xuất ra những con chip có kích thước bằng móng tay có thể chứa khoảng 50 tỷ bóng bán dẫn.
“Điều gì thúc đẩy Định luật Moore?” Jamie Mills O’Brien, nhà quản lý đầu tư tại Abrdn, một trong 50 nhà đầu tư hàng đầu trong ASML, cho biết về cơ bản đó là khả năng của máy quang khắc bán dẫn.
Sự thay đổi về giá trị đó được phản ánh trong định giá thị trường chứng khoán của hai công ty. ASML, được niêm yết ở Amsterdam và New York, hiện có giá trị gần gấp đôi so với Intel. Intel, công ty tiên phong về chip của Hoa Kỳ đã bỏ lỡ hầu hết các xu hướng lớn trong điện thoại thông minh và AI trong thập kỷ qua vì không thể theo kịp nhà sản xuất chip Đài Loan TSMC. Bản thân TSCMC cũng là một trong những công ty áp dụng sớm nhất công nghệ EUV của ASML.
Tuy nhiên, các nhà sản xuất chip hiện phải đối mặt với một thách thức khó khăn. Dự đoán của Moore đã bị chậm so với kế hoạch và nhịp tăng số bóng bán dẫn hiện tại đã kéo dài gần ba năm. Các chip 3 nanomet mới nhất được sản xuất hàng loạt cho iPhone năm nay sẽ được kế tục bằng chip mà một số người coi là bước nhảy vọt thậm chí còn lớn hơn, tiến tới con chip kích cỡ chỉ 2nm vào năm 2025. “Nhưng một khi bạn đạt tới 1,5nm, có thể là 1nm, Định luật Moore sẽ chết hẳn 100% ,” Ben Bajarin, nhà phân tích công nghệ tại Creative Strategies có trụ sở tại Thung lũng Silicon cho biết. “Không có cách nào tiến thêm nữa.”
Các kỹ sư sản xuất chip đã thách thức các dự báo về sự kết thúc của Định luật Moore trong nhiều năm. Nhưng số lượng bóng bán dẫn có thể được tích hợp trên một khuôn bằng silicon đang bắt đầu chạm đến giới hạn cơ bản của vật lý. Do đó, một số người lo ngại về các lỗi của con chip đang gia tăng; chi phí phát triển thì đã tăng phi mã. Bajarin nói: “Tính kinh tế của định luật này không còn nữa.”
Điều đó đã khiến các nhà thiết kế chip cạnh tranh nhau trong vài năm qua để tìm ra những cách thay thế nhằm duy trì những tiến bộ về sức mạnh xử lý, từ các kỹ thuật và vật liệu thiết kế mới cho đến việc sử dụng chính AI được tạo ra từ các chip mới nhất để giúp thiết kế những con chip mới.
Bị đe dọa không chỉ là duy trì tốc độ đổi mới đã tạo nền tảng cho ngành công nghệ và nói rộng ra là tăng trưởng kinh tế liên tục và những cải tiến căn bản cho cuộc sống hàng ngày của chúng ta trong nhiều thập kỷ. Để duy trì sự phát triển từ AI và “siêu dữ liệu” đến những tiến bộ đã được hứa hẹn từ lâu về năng lượng sạch và giao thông tự hành phát huy hết tiềm năng của chúng, thì chip cần phải tiếp tục rẻ hơn, mạnh hơn và hiệu quả hơn.
“Một ngày nào đó việc này phải dừng lại,” Moore, người qua đời vào tháng 3 năm 2023, đã cảnh báo vào năm 2015 khi bài báo gốc của ông đánh dấu kỷ niệm 50 năm thành lập. “Không có cấp số nhân như thế này diễn ra mãi mãi được.”
1. Tăng trưởng theo cấp số nhân
Nếu ASML muốn duy trì Định luật Moore, thì công ty này sẽ phải chi hàng tỷ đô la — và đạt được những kỳ tích không thể tưởng tượng được về vật lý và kỹ thuật — để có thể làm như vậy.
Tách ra khỏi Philips vào những năm 1980, ASML bắt đầu hoạt động trong một ngôi nhà có mái che trong bãi đậu xe của địa điểm công ty mẹ ở Eindhoven, một thành phố nhỏ với dân số dưới 300.000 người. Ngày nay, ASML là công ty công nghệ có giá trị nhất châu Âu, với giá trị vốn hóa thị trường khoảng 275 tỷ euro.
Từ trụ sở chính ở Veldhoven, chỉ cách cảng của thành phố vài km, ASML sản xuất những cỗ máy có khả năng làm bay hơi những giọt thiếc nóng chảy cực nhỏ với tốc độ 50.000 lần một giây, tạo ra bước sóng ánh sáng 13,5nm. Ánh sáng EUV này sau đó được phản xạ từ một loạt gương bên trong buồng chân không, thu hẹp và hội tụ cho đến khi nó chạm vào một tấm silicon.
Peter Wennink, giám đốc điều hành của ASML, cho biết: “Định luật Moore là một phương tiện của kinh tế học: cứ sau hai đến ba năm, bạn có thể tăng gấp đôi hiệu suất với cùng một chi phí.”
Tuy nhiên, ông nói thêm, “có một chức năng khác của Định luật Moore mà không ai nói đến: Định luật Moore về độ phức tạp. Cứ hai đến ba năm lại có một thế hệ chip mới. Nó không trở nên dễ dàng hơn. Độ phức tạp cũng tăng theo cấp số nhân.”
Máy khẩu độ số cao (NA- numerical aperture) của công ty là sản phẩm mới nhất của khoản đầu tư khổng lồ vào nghiên cứu và phát triển, mà đã tăng 30% lên 3,3 tỷ euro vào năm 2022. Về cơ bản, máy NA cao mở rộng khẩu độ số — hoặc phạm vi góc — mà ánh sáng có thể bị uốn cong và phát xạ, cho phép nó tạo ra các mẫu bóng bán dẫn nhỏ hơn trên một tấm silicon.
ASML chỉ có năm khách hàng cho các máy EUV hiện có của mình — TSMC ở Đài Loan, Samsung và SK Hynix ở Hàn Quốc, Intel và Micron ở Mỹ. Tất cả trong số các khách hàng này đều đã đặt hàng mẫu máy mới nhất.
Sự độc quyền của công ty Hà Lan này đối với các máy EUV (nó cũng là nhà sản xuất máy tia cực tím sâu, hay DUV, lớn nhất, rất quan trọng để sản xuất các con chip lớn hơn và phổ biến hơn được tìm thấy trong ô tô và thiết bị gia dụng) đã giành được sự kính trọng và hâm mộ ở Phố Wall khi cũng như ở Thung lũng Silicon.
Lợi nhuận của ASML đã tăng hơn gấp đôi trong 5 năm qua, với mức tăng giá cổ phiếu là 300% kể từ giữa năm 2018.
Mặc dù hiện đang bị cuốn vào cuộc chiến địa chính trị khốc liệt giữa Mỹ và Trung Quốc, và nhu cầu về chip ngày càng chậm lại sau khi bùng nổ đại dịch gây ra đã tạo ra tình trạng dư thừa hàng tồn kho, ASML đang đặt cược vào việc tăng gấp đôi quy mô của thị trường bán dẫn trong những năm tới: từ 600 tỷ đô la hiện nay lên tới 1,3 nghìn tỷ đô la vào năm 2030.
Công ty có 40 tỷ đô la đơn đặt hàng còn tồn đọng để minh chứng cho nhu cầu vẫn ổn định và có kế hoạch đầu tư hơn 4 tỷ euro vào R&D vào năm 2025 để duy trì tốc độ đổi mới.
Nếu sự kết thúc của Định luật Moore đe dọa tất cả những điều đó, thì Wennink đã làm rất tốt việc giả vờ ngược lại. Ông nói rằng mình “không quan tâm chút nào” về điều đó, nhưng thừa nhận rằng kỳ vọng về sự tiến bộ liên tục là “đối thủ cạnh tranh lớn nhất” của ASML.
Ông nói: “Chúng tôi là cỗ máy đắt nhất trong quá trình sản xuất. Nếu chúng tôi không thể cung cấp cho khách hàng khả năng giảm chi phí hoặc tăng giá trị, khách hàng của chúng tôi sẽ tìm những cách thức [sản xuất] khác.”
2. Mở rộng định luật Moore
Các nhà thiết kế chip đã bắt đầu lên kế hoạch cho một tình huống như vậy. Nigel Toon, giám đốc điều hành của công ty khởi nghiệp chip AI tên Graphcore có trụ sở tại Vương quốc Anh, cho biết: “Có rất nhiều công cụ trong hộp công cụ để nhồi nhét thêm nhiều bóng bán dẫn hơn.”
“Định luật Moore có thể đã kết thúc, nhưng điều đó không có nghĩa là sự đổi mới đã chết,” Hassan Khan, thành viên điều hành tại Đại học Carnegie Mellon, người lãnh đạo công việc của Mạng lưới Đánh giá Công nghệ Trọng yếu Quốc gia Hoa Kỳ về chất bán dẫn và chuỗi cung ứng, cho biết.
“Trong lĩnh vực công cộng, có sự kết hợp giữa Định luật Moore và tiến bộ kỹ thuật, như thể điều duy nhất thúc đẩy sự đổi mới là các chip bán dẫn rẻ hơn. Con người rất thông minh trong việc tìm ra các nút thắt cổ chai và tìm cách vượt qua chúng.”
Ondrej Burkacky, đồng lãnh đạo hoạt động bán dẫn của McKinsey, đã cho biết sau vài thập kỷ khi “đơn vị xử lý trung tâm” do Intel đi tiên phong đã cho phép tạo ra các máy tính đa năng, kiểu Swiss Army Knife như PC và điện thoại thông minh, “mối liên kết giữa phần cứng và phần mềm đang quay trở lại”.
Có lẽ ví dụ được phổ biến rộng rãi nhất về điều này là iPhone.
Chip bespoke là một phần quan trọng trong cách Apple có thể tiếp tục phân biệt điện thoại thông minh của mình với những điện thoại chạy hệ điều hành Android của Google. Apple có thể phát triển các tính năng phần mềm iPhone cụ thể cùng với nhóm thiết kế silicon nội bộ của mình, hiện đang có lượng nhân sự lên tới hàng nghìn người. Điều đó khó hơn đối với các nhà sản xuất Android vì phần mềm của Google phải hỗ trợ hàng nghìn kiểu điện thoại khác nhau, từ những thiết bị cầm tay cơ bản giá rẻ cho đến mẫu điện thoại hàng đầu mới nhất của Samsung có giá lên tới 1.000 USD.
Apple tinh chỉnh các chip điện thoại thông minh tiêu chuẩn công nghiệp do công ty Arm có trụ sở tại Vương quốc Anh thiết kế để đảm bảo hiệu suất nhanh hơn hoặc thời lượng pin dài hơn cho iPhone của họ. Công ty đã làm việc này rất tốt, thậm chí Apple đã có thể thay thế Intel bằng chip dựa trên các tùy chỉnh của Arm cho máy Mac của mình vào năm 2020.
Khi các nhà thiết kế tìm kiếm hiệu suất ngày càng cao hơn cho các tác vụ cụ thể, một số công ty thậm chí còn tiến xa hơn trong việc xem xét lại “kiến trúc” chip hoặc các nguyên tắc cơ bản về cách thiết kế và đóng gói bộ vi xử lý. Toon cho biết các công ty như Graphcore có thể “bắt đầu với một tờ giấy trắng”. “Bạn phải suy nghĩ nhiều hơn về kiến trúc phù hợp cho các ứng dụng phù hợp.”
Nvidia, hiện là công ty bán dẫn có giá trị nhất thế giới với vốn hóa thị trường đạt 1 nghìn tỷ đô la trong tuần này, đã phát triển mạnh mẽ các card đồ họa thích hợp cho các game thủ và các nhà khoa học nghiên cứu trước khi vớ được mỏ vàng khi các đơn vị xử lý đồ họa của Nvidia trở thành thứ bắt buộc phải có đối với mọi công ty AI. Cả đồ họa và AI đều phù hợp tốt với công nghệ “xử lý song song” của Nvidia, vốn được xây dựng để xử lý các tác vụ lặp đi lặp lại như việc vẽ các đa giác hoặc xử lý thuật toán.
Trong 30 năm tồn tại đầu tiên của Nvidia, theo giám đốc và đồng sáng lập Jensen Huang, “chúng tôi là công ty chuyên để giải quyết những vấn đề gần như không thể giải quyết”.
Ông nói với Financial Times rằng vấn đề là khối lượng liên quan đến việc phục vụ cho các lĩnh vực nghiên cứu như sinh học tính toán và các lĩnh vực tương tự là “rất nhỏ, chỉ từng cái một”. Ông nói: “Hoạt động kinh doanh của công ty chúng tôi có đặc điểm là: ‘Chúng tôi giải quyết các vấn đề zero tỷ đô la’. “Rồi đột nhiên, Định luật Moore kết thúc… Bây giờ chúng tôi là công ty máy tính ‘nếu bạn muốn phát triển’.”
Tuy nhiên, một hậu quả của việc đổi mới chip được tập trung nghiên cứu hẹp hơn là bất kỳ bước đột phá nào trong việc tích hợp chip cũng có xu hướng được bảo vệ cẩn thận hơn và ít có khả năng được chuyển đổi sang thị trường rộng lớn hơn.
Khan cho biết: “Trong suốt những năm 1990 và đầu những năm 2000, chi phí cho mỗi chip bán dẫn và khả năng chế tạo những con chip phức tạp hơn gần như miễn phí đối với toàn bộ ngành công nghiệp này. “[Bây giờ] tính toán không phải là một công nghệ có mục đích đơn nhất nữa… Nếu tôi đang tối ưu hóa chip cho AI, điều đó có thể làm cho GPT hiệu quả hơn hoặc mạnh mẽ hơn nhưng nó có thể không ảnh hưởng gì đến phần còn lại của nền kinh tế.”
Một chìa khóa quan trọng khác của sự đổi mới là trong việc “đóng gói” chip. Thay vì in mọi thành phần lên cùng một miếng silicon, để tạo ra thứ được gọi là “một hệ thống trên chip”, các công ty bán dẫn hiện đang nói về tiềm năng của “chiplet” cho phép trộn và kết hợp các “khối xây dựng” nhỏ hơn, mở ra sự linh hoạt mới trong thiết kế và tìm nguồn cung ứng linh kiện.
Intel đã mô tả các chiplet này là “chìa khóa để mở rộng định luật Moore trong thập kỷ tới và hơn thế nữa” và năm ngoái đã tập hợp một nhóm các nhà sản xuất và thiết kế chip, bao gồm TSMC, Samsung, Arm và Qualcomm, để thiết lập các tiêu chuẩn xây dựng các bộ xử lý giống như Lego này.
Richard Grisenthwaite, kiến trúc sư trưởng của công ty thiết kế chip Arm, nói rằng một trong những lợi ích của chiplet so với chip truyền thống “nguyên khối” là các công ty có thể kết hợp bộ xử lý phức tạp và đắt tiền với những bộ xử lý cũ hơn và rẻ hơn. Ông cảnh báo, mẹo này đảm bảo rằng chi phí tăng thêm của việc đóng gói nhiều bộ phận lại với nhau sẽ được bù đắp bằng khoản tiết kiệm được từ việc sử dụng một số bộ phận cũ hơn, rẻ tiền hơn.
3. Một câu hỏi về vật lý
Nhưng những ý tưởng mới đi kèm với những trở ngại mới. Burkacky của McKinsey cho biết, thách thức chính của nhiều đổi mới này là chúng có xu hướng tạo ra những con chip lớn hơn, từ đó tạo ra diện tích bề mặt lớn hơn và gây ra lỗi.
Ông nói: “Một khiếm khuyết thường là một tạp chất – một hạt từ không khí hoặc từ quá trình hóa học rơi xuống bề mặt, có thể phá hỏng chức năng của một con chip. Xác suất hỏng hóc cao hơn khi con chip lớn hơn.”
Điều đó có thể gây ra những tác động nghiêm trọng đối với năng suất sản xuất của các nhà sản xuất chất bán dẫn, mà Burkacky cho biết có thể giảm xuống 40 đến 50%, khiến một quy trình vốn đã tốn kém thậm chí còn trở nên khó khăn hơn về mặt kinh tế.
Các chip lớn hơn và mạnh hơn cũng có thể tiêu thụ nhiều điện hơn, tỏa ra quá nhiều nhiệt bên trong trung tâm dữ liệu khiến các hệ thống làm mát phải sửa đổi hoàn toàn khác đi và tiêu tốn nhiều năng lượng hơn — chẳng hạn như làm mát bằng nước — trở nên bắt buộc phải có thì chip mới đạt được hiệu suất cao nhất.
Nhưng ở chiều ngược lại, các chip nhỏ hơn cũng có thể gây ra các vấn đề về độ tin cậy, theo một số nhà nghiên cứu. Một nhóm tại Google vào năm 2021 đã xuất bản một bài báo có tựa đề “Nhiều lõi quá là không được”, sau khi các kỹ sư trung tâm dữ liệu của họ nhận thấy điều mà họ mô tả là hành vi “đồng bóng” của các con chip nằm trong trung tâm dữ liệu rộng lớn của họ.
“Khi quá trình chế tạo [chip] hướng tới các kích thước tính năng nhỏ hơn . . . chúng tôi đã quan sát thấy các lỗi tính toán tạm thời không được phát hiện trong quá trình thử nghiệm sản xuất,” các kỹ sư Google, đứng đầu là Peter Hochschild, đã viết. “Tệ hơn nữa, những lỗi này thường diễn ra trong im lặng: triệu chứng duy nhất của nó là việc tính toán bị sai.”
Hochschild kết luận rằng “nguyên nhân cơ bản” là “kích thước chip ngày càng nhỏ hơn” đẩy gần đến giới hạn của quy mô silicon, cùng với “sự phức tạp ngày càng tăng trong thiết kế kiến trúc chip”.
Burkacky nói: “Cho đến nay, [việc duy trì Định luật Moore] là một thách thức trong quá trình công nghiệp hóa. Tôi không muốn đánh giá thấp điều đó – nó cực kỳ phức tạp và khó khăn – nhưng chúng ta đang đạt đến điểm mà bây giờ chúng ta đang nói về các giới hạn vật lý… Chúng ta đang giảm dần xuống kích cỡ một nguyên tử duy nhất. Cho đến nay trong vật lý, đó là kết thúc của câu chuyện.”
Một ngày nào đó, máy tính lượng tử có thể mang đến một bước nhảy vọt đã được hứa hẹn từ lâu về sức mạnh tính toán giống như những tiến bộ về silicon đã bắt đầu từ những năm 1960. Nhưng ngay cả những người ủng hộ công nghệ lượng tử tích cực nhất cũng thừa nhận rằng có lẽ sẽ mất hơn một thập kỷ để chúng trở nên hữu ích cho các tác vụ điện toán thực tế hàng ngày.
Trong thời gian chờ đợi, Toon lạc quan rằng những con chip như của Graphcore sẽ có thể mở ra những loại tiến bộ mới.
“Quan điểm của tôi về nó là… chúng tôi sẽ xây dựng những máy tính mạnh mẽ và AI mạnh mẽ đến mức chúng tôi có thể thực sự hiểu cách thức hoạt động của các phân tử và sau đó chúng tôi sẽ bắt đầu sử dụng chính những máy tính AI đó để xây dựng máy tính phân tử,” ông nói.
“Ý tưởng về điểm kỳ dị này [khi AI vượt qua trí thông minh của con người] là ngớ ngẩn, nhưng ý tưởng rằng bạn có thể sử dụng AI để tạo ra một biên giới tiếp theo của ngành điện toán là hoàn toàn thực tế.”
https://www.ft.com/content/fbf52ede-e1a9-4797-9e52-3f80a7d855d9
