Định luật Moore hết đát và dấu chấm hết cho sự phát triển của CPU?

Ngày nay, chúng ta đã quá quen với các PC có khả năng xử lý vài trăm triệu đến vài tỷ phép tính mỗi giây. Hiệu năng này đến từ nhiều yếu tố như kiến trúc, giải thuật... nhưng quan trọng hơn cả là việc số transitor tăng một cách chóng mặt trong vài chục năm trở lại đây.

 

Có một định luật được coi là đã định hướng cho các nhà sản xuất chip trên thế giới trong việc tăng số lượng transistor: Định luật Moore (Moore's law). Về cơ bản, nội dụng định luật Moore như sau: "Số lượng transistor trên mỗi inch vuông sẽ tăng gấp đôi sau mỗi năm". Năm 2000, định luật này đã được sửa thành 18 tháng. Tuy nhiên, có vẻ như đến thời điểm này, định luật Moore đang đi dần đến hồi kết. Moore là ai? Định luật này ảnh hưởng như thế nào? Chuyện gì đã xảy ra? Liệu cuộc cách mạng chip xử lý đã đến hồi kết? Con người đã làm thế nào để vượt qua những giới hạn này?

 

 

 

Gordon Earle Moore, sinh ngày 3/1/1929 tại San Francisco California. Ông là đồng sáng lập và hiện là chủ tịch danh dự của tập đoàn sản xuất chip hàng đầu thế giới: Intel.

 

Định luật mang tên ông được coi là định hướng cho ngành sản xuất chip trên thế giới trong suốt vài thập kỷ qua. Thậm chí, nó còn ảnh hưởng mạnh mẽ đến nhiều khía cạnh khác của thế giới công nghệ: tốc độ xử lý, bộ nhớ, số lượng điểm ảnh của máy ảnh kỹ thuật số...

 

Transistor (hay bóng bán dẫn) là thành phần cơ bản nhất của một chip xử lý. Nhiệm vụ của các bóng bán dẫn này là hiển thị các trạng thái tắt/bật tương ứng với số 0 và 1 trong hệ nhị phân để xử lý dữ liệu. Thông tin thêm về transistor các bạn có thể tham khảo tại đây.

 

 

Về căn bản, cách dễ dàng và trực tiếp nhất để tăng tốc độ, khả năng xử lý của CPU là tăng số lượng bóng bán dẫn trên mỗi con chip. Và để làm việc này mà không kéo theo việc tăng kích thước của bảng mạch cũng như tăng quá nhanh điện năng tiêu thụ, cách khả dĩ nhất là tìm cách giảm kích thước mỗi transistor. Thực tế, trong vài chục năm trở lại đây chính việc giảm kích thước mỗi transistor là cách để các nhà sản xuất (NSX) chip tăng hiệu năng, giảm giá và kích thước của PC.

 

Hãy nhớ, cách đây khoảng 70, 80 năm khi máy tính mới bắt đầu manh nha, chúng ta sử dụng một thiết bị gọi là van (valve) để làm thay nhiệm vụ của transistor. Vâng đúng, các bạn không tưởng tượng nhầm. Đúng, chúng là các van hơi đúng nghĩa với kích thước khổng lồ (nếu so với các transistor). Đương nhiên, lượng điện năng tiêu thụ và kích thước của các cỗ máy này hết sức lớn. Cho đến năm 1971, chúng ta có 4004 transistor trên mỗi inch vuông và đến nay, con số này đã vượt qua một tỷ.

 

 

Ban đầu, định luật Moore cho rằng số lượng bóng bán dẫn trên mỗi inch vuông sẽ tăng gấp đôi sau mỗi năm. Phát biểu này của ông được đăng trên các tạp chí công nghệ vào năm 1965. Tuy nhiên, đến năm 2000, ông phải sửa thành 18 tháng. Thực tế từ năm 2007 trở lại đây, thế giới phải mất khoảng 5 năm để tăng được gấp đôi số bóng bán dẫn trên mỗi inch vuông.

 

Đã bắt đầu xuất hiện những rào cản trong quá trình thu nhỏ transistor của các NSX chip trên thế giới. Một trong số đó là do transistor quá nhỏ khiến dòng điện đi qua nó xấp xỉ với dòng rò khiến cho hệ thống không nhận biệt được các giá trị 0 1 mà transistor thể hiện (chi tiết xem thêm tại đây). Tuy nhiên, Intel đã có phương án để khắc phục điều này.

 

 

Tuy nhiên, một rào cản lớn hơn đang chờ đợi các nhà sản xuất chip: kích thước phân tử. Một khi kích thước các Transistor nhỏ bằng kích thước phân tử, chắc chắn (với các hiểu biết hiện nay) chúng ta không thể tiếp tục giảm được nữa. Đây là một rào cản được coi là không thể vượt qua trừ khi chúng ta có những tiến bộ vượt bậc trong thời gian tới.

 

 

Con người đã vượt qua nhiều rào cản trong quá trình sản xuất chip và cụ thể hơn là giảm kích thước transistor. Intel đã khắc phục thành công rào cản về dòng điện quá nhỏ trong transistor khi chuẩn bị giới thiệu chip quy trình 22nm (chi tiết thêm các bạn tham khảo tại đây).

 

Còn giới hạn phân tử - giới hạn được coi là không thể vượt qua còn cách chúng ta khá xa nữa. Ngay cả khi, Intel và các đối tác tiếp tục giảm thành công với tốc độ như hiện nay, cũng phải 15 đến 20 năm nữa chúng ta mới phổ biến được các transistor có kích thước phân tử (thực tế, hiện tại đã có nghiên cứu về điều này nhưng tất cả mới chỉ dừng lại ở mức thí nghiệm).

 

 

Biết đâu, trong vòng 20 năm nữa, chúng ta sẽ được chứng kiến những bước nhảy vọt không thể tin nổi của công nghệ (như điều mà chúng ta đã được thấy trong suốt vài thập kỷ trở lại đây).

 

 

Định luật Moore có thể đang đi dần đến hồi kết, con người sẽ phải tìm ra những cách khác để tăng hiệu năng của PC.  Tuy nhiên, không ai phủ nhận những công lao của Moore với sự phát triển của thế giới.