Đã có định luật mới thay thế định luật Moore, mở ra tương lai tươi sáng cho cả ngành công nghệ

Nếu anh em là người đam mê công nghệ thì có lẽ đã quen thuộc với định luật Moore rồi. Đây là định luật đã góp phần giúp ngành công nghệ chip bán dẫn phát triển, tác động mạnh mẽ đến nhiều lĩnh vực khác nhau. Bên cạnh định luật Moore thì các nhà nghiên cứu còn có hai định luật công nghệ khác là định luật Koomey và định luật Dennard. Vậy hai định luật này nói về điều gì và có vai trò như thế nào, mời anh em cùng mình tìm hiểu qua bài viết này nhé.

Hai định luật đã và sắp “hết thời”

Định luật Moore

Định luật Moore được ông Gordon Moore, Cựu CEO và đồng sáng lập Intel, tạo ra vào năm 1965. Ông nhận định rằng số bóng bán dẫn trong một con chip sẽ tăng gấp đôi mỗi 2 năm và giá thành sẽ giảm từ 20% đến 30%. Dù ban đầu đó chỉ là một lời dự đoán nhưng cả ngành công nghệ đều sử dụng nó như một lộ trình phát triển sản phẩm. Trong 5 thập kỷ vừa qua, khả năng “tiên tri” của định luật Moore đã giúp các hãng xây dựng chiến lược dài hạn, dù kế hoạch thiết kế chip ban đầu cho thấy tăng mật độ bóng bán dẫn là không thể.

Tuy nhiên, hầu hết mọi thứ trên đời đều có “hạn sử dụng” và tiến độ phát triển chip mới đang dần chậm lại. Mặc dù các hãng sản xuất chip vẫn có thể tìm ra cách thức mới giúp phá vỡ giới hạn của chip silicon nhưng bản thân ông Gordon Moore nghĩ rằng định luật của ông sẽ không thể áp dụng nữa vào cuối thập kỷ này. Nhưng không chỉ có định luật Moore thuộc hàng “quá date” đâu anh em ạ.

Định luật Dennard

Vào năm 1974, nhà nghiên cứu Robert Dennard của IBM nhận thấy kích thước bóng bán dẫn càng nhỏ thì chúng càng tiêu thụ ít điện. Vì vậy ông tạo ra một định luật nói rằng kích thước bóng bán dẫn sẽ giảm 50% sau mỗi 18 tháng, xung nhịp sẽ tăng 40% nhưng mức độ tiêu thụ điện vẫn giữ nguyên. Các hãng sản xuất chip thường dùng định luật Dennard để dự đoán hiệu suất của một con chip trong tương lai sẽ tăng như thế nào.

Nếu tuân theo định luật này thì đáng sẽ chúng ta đã có các con chip có xung nhịp lên đến 12 GHz hồi năm 2013 rồi anh em ạ. Tuy nhiên, Định luật Dennard đã đạt đến giới hạn về vật lý và không thể đi theo con đường mà Robert Dennard đặt ra. Vấn đề lớn nhất là khi giảm kích thước bóng bán dẫn quá nhỏ thì dòng điện sẽ rò rỉ ra ngoài, làm tăng nhiệt độ và gây quá nhiệt, dẫn đến hư hỏng. Kể từ năm 2004 thì xung nhịp của các loại chip đã không thể nhảy vọt như ngày xưa và mức tiêu thụ điện cũng không theo kịp tốc độ thu nhỏ kích thước bóng bán dẫn.

Vấn đề phiền phức bắt đầu nảy sinh

Dù đã đạt đến giới hạn nhưng người tiêu dùng vẫn mong muốn các con chip thế hệ mới sẽ tiếp tục nhanh hơn, tiết kiệm điện hơn nên các hãng phải nghĩ ra giải pháp mới. Đó chính là thêm nhân vào để tăng hiệu năng anh em ạ. Tuy nhiên, tăng số nhân trong một con chip sẽ dẫn đến hiện tượng “dark silicon”. Nói một cách đơn giản thì “dark silicon” là khi càng thêm nhiều nhân thì càng có nhiều bóng bán dẫn không hoạt động hoặc hoạt động chậm lại.

Vì vậy, mặc dù định luật Moore giúp các hãng sản xuất nhồi nhét thêm nhiều bóng bán dẫn vào chip, hiện tượng “dark silicon” vẫn ăn mòn sức mạnh của CPU. Do đó, việc thêm nhiều nhân cũng không có tác dụng gì nhiều vì anh em không thể dùng tất cả chúng cùng một lúc. Nói chung thì định luật Dennard đã đạt đến giới hạn và việc duy trì định luật Moore để áp dụng CPU nhiều nhân cũng sắp đi vào ngõ cụt rồi anh em ạ.

Koomey – Định luật của tương lai

Nếu anh em để ý thì cả hai định luật trên đều chú trọng đến sức mạnh thuần của con chip mà thôi. Trong thời đại của smartphone và laptop ngày càng phát triển thì có lẽ anh em sẽ quan tâm về thời lượng pin và con chip vừa mạnh vừa tiết kiệm điện hơn là vắt kiệt từng GHz của mỗi nhân CPU. Đến năm 2011 thì Giáo sư Jonathan Koomey đã đút kết ra một quy luật về hiệu suất sử dụng điện của CPU, gọi là định luật Koomey. Theo đó, lượng điện cần dùng để thực hiện một tác vụ nhất định sẽ giảm đi một nửa sau mỗi 19 tháng, như vậy sẽ giảm 100% sau mỗi thập kỷ.

 

Kể từ năm 2000, việc tăng hiệu suất sử dụng điện lên gấp đôi đã bị chững lại do định luật Dennard đã chết yểu và Định luật Moore không còn “hiệu nghiệm” như trước nữa. Vì vậy, giáo sư Jonathan Koomey đã sửa lại định luật thành giảm lượng điện tiêu thụ đi một nửa sau mỗi 2,6 năm và hiệu suất dùng điện sẽ tăng 16% sau mỗi thập kỷ.

Tuy nhiên, chúng ta không chỉ có duy nhất một cách đánh giá hiệu suất và cách đánh giá dựa vào hiệu suất cao nhất đã lỗi thời rồi anh em ạ. Phần lớn quãng đời của các con chip sẽ không hoạt động hết công suất liên tục. Chỉ khi nào anh em chơi game nặng, benchmark,… thì chúng mới cố sức mà chạy. Còn các tác vụ khác như lướt web, check email thì cần ít điện hơn rất nhiều. 

Chính vì vậy mà giáo sư Koomey nói rằng ông đã tính toán “hiệu suất sử dụng điện trung bình” và cho rằng chúng ta nên dùng số này làm tiêu chuẩn để thay thế cho “hiệu suất sử dụng điện cao nhất”. Mặc dù giáo sư vẫn chưa công bố định luật mới nhưng dự kiến thì hiệu suất sử dụng điện trung bình sẽ tăng gấp đôi sau 1,5 năm hoặc lâu hơn.

Theo nhiều nhà khoa học và kỹ sư thì họ đã tìm ra rất nhiều phương pháp để tận dụng hiệu suất trung bình và giúp lượng điện tiêu thụ ngày càng thấp. Đến cuối cùng thì lượng điện trung bình sẽ giảm đến mức không thể đo đếm được và người ta lại phải đo bằng lượng điện cao nhất. Và nếu quay lại đo bằng lượng điện cao nhất thì định luật Koomey sẽ còn hiệu nghiệm đến năm 2048 anh em ạ.

Tóm lại, Định luật Koomey ngụ ý rằng thiết bị điện tử sẽ tiếp tục giảm kích thước và ngày càng tiết kiệm điện hơn. Các con chip vẫn có thể hoạt động ở mức xung cao nhưng không cần phải cấp quá nhiều năng lượng cho chúng.