IBM nghiên cứu "máu điện tử 5D" để tăng tốc chip xử lý

Loại chất lỏng có tên "máu điện tử 5D" là giải pháp của IBM nhằm giải quyết bài toán cung cấp năng lượng lẫn khả năng tản nhiệt cho các vi xử lý tương lai.

Công nghệ máu điện tử giúp cải thiện tốc độ chip xử lýý

IBM hiện đang phát triển một phương pháp mới để giải quyết các vấn đề cải thiện sức mạnh mà các vi xử lý hiện đại đang gặp phải. "Người Khổng lồ Xanh" hiện đang tìm cách mô phỏng lại mô hình hoạt động của máu sinh vật khi sử dụng chất lỏng để cùng lúc cung cấp năng lượng và khả năng tản nhiệt cho các vi xử lý. Chất lỏng này được IBM gọi là "máu điện tử 5D".

Bài toán xung nhịp và tản nhiệt

Trong vòng 4 thập kỷ qua, chỉ số hàng đầu giúp gia tăng hiệu năng cho các chip xử lý là tốc độ xung nhịp. Các cải tiến về kiến trúc đã giúp cho các vi xử lý ngày nay tăng sức mạnh gấp 50 lần so với chip 8086 của thập niên 1970. Số lượng nhân gia tăng đã giúp cho hiệu năng tăng 2 - 8 lần, tuỳ thuộc vào loại CPU và tải công việc. Nhưng nhìn chung yếu tố kiến trúc và số lượng nhân đều tỏ ra không quan trọng bằng xung nhịp - các vi xử lý của ngày nay có xung nhịp vào khoảng 4,5 GHz, gấp 1000 lần so với mức 4,77 MHz của chip 8086 nhiều năm trước.

Thực tế, yếu tố kiến trúc và số lượng nhân đều đòi hỏi phải có sự tối ưu về phần mềm cũng như khả năng chạy đa luồng của các ứng dụng. Ngược lại, xung nhịp lại là một yếu tố có thể mang lại mức gia tăng hiệu năng đáng kể mà không cần phải can thiệp tới phần mềm, miễn là các nhân CPU được cung cấp đủ điện năng và tản nhiệt hiệu quả.

Kỹ thuật gia tăng số transitor và xung nhịp đã đóng vai trò quan trọng nhất trong việc tăng sức mạnh của CPU trong nhiều thập niên vừa qua.

Trong khi việc đưa dữ liệu vào và ra CPU tiếp tục là cổ chai của hệ thống (tương tự như một số công nghệ bộ nhớ), thì sự thật là xung nhịp CPU đã đóng vai trò chủ chốt trong quá trình gia tăng hiệu năng cho các máy tính cho đến khoảng năm 2004.

Kể từ đó trở đi, mọi thứ đã không còn tiến triển theo cách cũ. Một trong những lý do chính dẫn tới tình trạng này là cách thức tản nhiệt của CPU. Các dòng chip Xeon Haswell mới nhất của Intel sử dụng cơ chế tản nhiệt theo 2 dải xung nhịp cơ bản (base) và ép xung (turbo). Trong chế độ cơ bản, chip xử lý chỉ đạt xung nhịp thấp hơn. Bởi việc chạy hết cả 4 nhân xử lý kết hợp với một số tập lệnh "ngốn" nhiều điện năng như AVX2 sẽ khiến việc đẩy xung cao hơn nữa sẽ khó khăn hơn.

Do đó bố cục tản nhiệt trên CPU ngày nay trở thành một vấn đề khó khăn. Với mỗi loại CPU mới thì vấn đề này càng trở nên trầm trọng. Trước đây, các kỹ sư có thể cải thiện vấn đề nhiệt lượng gia tăng khi "nhồi nhét" các transistor gần với nhau bằng cách giảm dòng điện rò rỉ và điện thế. Ngày nay, việc giảm điện thế không còn là khả thi, vì thế mà việc "nhồi nhét" các transistor sẽ càng làm giảm khả năng tản nhiệt.

Có những tập lệnh khiến cho xung nhịp CPU khó đạt mức mong muốn.

"Máu điện tử 5D"

IBM giải quyết vấn đề này như thế nào? "Người Khổng lồ Xanh" sẽ mô phỏng cách hoạt động của các loài động vật bằng cách sử dụng các "mạch máu" để vừa cung cấp năng lượng vừa tản nhiệt cho chip. Tản nhiệt lỏng không còn là một khái niệm xa lạ với cộng đồng ép xung. Hiệu quả của hình thức này cũng không có gì đáng phải bàn cãi. Ngược lại, việc sử dụng chất lỏng để cung cấp điện năng cho CPU là chưa từng có tiền lệ. Trong khi hướng đi này vẫn còn mới mẻ, kỹ thuật sử dụng chất lỏng để cung cấp điện năng cho CPU sẽ giúp giải quyết 2 vấn đề tối quan trọng: cung cấp điện năng cho các nhân CPU và tản nhiệt hiệu quả hơn khi các bảng mạch chip xếp chồng (stacked) lên nhau.

Một trong những lý do khiến cho Intel và AMD chưa sản xuất các dòng chip có nhân CPU xếp chồng lên nhau là bởi hiện tại không có cách nào để làm ra chip theo cách này mà không gặp các vấn đề tản nhiệt nghiêm trọng. Nhiệt lượng sinh ra từ nhân CPU ở dưới cùng sẽ truyền lên nhân CPU trên cùng, khiến cho lượng nhiệt mà toàn bộ cấu trúc sinh ra là khá lớn. Đây cũng là lý do khiến cho các dòng GPU cao cấp chuyển sang mô hình sắp xếp 2.5D thay vì sử dụng thiết kế đặt VRAM lên trên chip GPU. Và cũng là lý do vì sao công nghệ chip nhớ 3D NAND đang dẫn đầu trong trào lưu thiết kế chip nhớ theo chiều dọc.

Chất lỏng có tên "máu điện tử 5D" là giải pháp của IBM nhằm đem lại cả năng lượng lẫn khả năng tản nhiệt cho các vi xử lý.

Các thành phần nằm ở giữa thường khó tản nhiệt hơn các phần khác.

Khả năng cung cấp điện năng cho chip thiết kế dạng xếp chồng cũng bị hạn chế, bởi hiện nay các nhà sản xuất không có cách nào để cung cấp điện năng cho các nhân nằm ở trung tâm mà không gặp phải các vấn đề tản nhiệt cho các mạch điện. Tuy vậy, nếu như có thể tích hợp khả năng cung cấp điện năng kết hợp với tản nhiệt lỏng, phần lớn (hoặc thậm chí là toàn bộ) các vấn đề này sẽ được giải quyết. Tạo ra một hệ thống như vậy sẽ cần có một loại pin cung cấp điện có khả năng sạc lại không giới hạn số lần.

Vậy tại sao, đây lại là thời điểm chúng ta cần đẩy mạnh tìm hiểu công nghệ "máu điện tử"? Lý do là việc mở rộng chip theo mô hình 2D truyền thống sẽ khiến lượng điện năng tiêu thụ cũng như kích cỡ của chip tăng theo cấp số nhân khi các nhà sản xuất gia tăng số lượng thành phần (nhân, bộ nhớ đệm, trình điều khiển bộ nhớ...) của chip.

Trong biểu đồ phía dưới, bạn có thể thấy ở cùng mức điện năng tiêu thụ, mô hình 3D cho phép "nhồi nhét" số lượng các thành phần nhiều gấp hàng ngàn lần mô hình 2D, và mô hình "sinh học" (bionic) còn nhiều hơn thế nữa.

Tỷ lệ gia tăng của số lượng thành phần trên vi xử lý với điện năng (trái) và thể tích (phải). 2D scenario là công nghệ sản xuất chip theo bề ngang cũ, 3D thể hiện công nghệ mới, còn Bionic packaging là mức độ "nhồi nhét" tế bào của các sinh vật.

Đáng tiếc là ngoại trừ công nghệ máu điện tử 5D của IBM cùng chất liệu boron arsenide được Hải quân Mỹ phát minh vào 2 năm trước, công nghệ tản nhiệt cho vi xử lý hiện tại vẫn chưa được cải thiện đáng kể. Do đó, gần như tất cả hy vọng của ngành điện toán tương lai có lẽ sẽ được đặt vào tay "Gã khổng lồ xanh". Nếu "máu điện tử 5D" thành công, định luật Moore có thể sẽ còn kéo dài nhiều năm nữa.