Chip mới giúp máy tính chạy nhanh hơn gấp 1.000 lần

Ảnh minh họa mẫu chip đa tầng lớp mới

Sự chuyển hướng tiếp cận

Đây là sự thay đổi từ cách bố trí chỉ có một lớp chất liệu dày sang cách tiếp cận nhiều lớp xếp chồng lên nhau giống như nhà chọc trời để mang lại hiệu suất cao hơn.

Loại chip đa tầng mới có tên gọi N3XT được thiết kế để tháo gỡ các nút thắt dữ liệu bằng cách sắp đặt các bộ vi xử lý và chip ghi nhớ nằm chồng lên nhau giống như các tầng trong một tòa nhà chọc trời, thay vì sắp xếp chúng nằm bên cạnh nhau.

H.S.Philip Wong từ Đại học Stanford - một trong những nhà nghiên cứu loại chip mới – đã chia sẻ: "Khi bạn kết hợp giữa tốc độ cao hơn với việc sử dụng năng lượng thấp hơn, hệ thống N3XT phát huy hiệu quả tốt hơn các phương pháp tiếp cận thông thường gấp 1.000 lần".

Nếu bạn nghĩ về hệ thống máy tính hiện tại, bạn sẽ thấy chúng có các bộ vi xử lý và chip ghi nhớ được sắp xếp giống như những cấu trúc nhà một tầng nằm ở vùng ngoại ô hoang vắng. Theo đó, các bộ vi xử lý và chip nhớ silicon được sắp xếp cạnh nhau.

Điều này cũng đồng nghĩa rằng các tín hiệu kỹ thuật số thường phải đi qua khoảng cách tương đối dài, không chỉ gây lãng phí thời gian và năng lượng xử lý, mà nó còn có nguy cơ gây tắc nghẽn – điều thường xảy ra khi rất nhiều dữ liệu đang cố truyền tải qua cùng hệ thống mạch.

Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu hệ thống máy tính có thể được xây dựng giống như một thành phố đầy những tòa nhà chọc trời siêu hiệu quả, có thể chứa được nhiều bộ vi xử lý và chip vào những không gian nhỏ hơn và khoảng cách giữa chúng hẹp hơn? Đó là khái niệm (concept) dẫn đến sự ra đời loại chip N3XT (Hệ thống công nghệ máy tính được thiết kế dạng nano). Và dù rằng điều này chắc chắn không phải là một ý tưởng mới, Wong và nhóm của ông đã tìm ra cách để làm cho nó thực sự hoạt động hiệu quả.

Vật liệu bộ nhớ và linh kiện bán dẫn tiên tiến hơn

Vấn đề trở ngại đối với các chip máy tính xếp chồng lên nhau trong quá khứ chính là vật liệu silicon. Nó hoạt động tốt trong các hệ thống máy tính hiện tại của chúng ta, nhưng bởi vì nó phải được đun nóng đến khoảng 982ºC (1.800ºF) trong quá trình sản xuất, cho nên chúng ta hầu như không thể xếp các chip silicon chồng lên nhau mà không gây hư hỏng ở các phần tiếp giáp giữa các con chip.

Thứ tốt nhất chúng ta có được ngay lúc này là những con chip ba chiều hoặc chip 'xếp chồng' được tạo ra từ 2 con chip silicon sản xuất riêng biệt và sau đó được kết nối bằng một vài nghìn sợi dây. Điều đó đồng nghĩa với việc phải cần rất nhiều năng lượng để đẩy dữ liệu từ một con chip này sang con chip khác.

Thay vào đó, các nhà nghiên cứu tại Đại học Stanford đã quyết định chế tạo ra những con chip xếp chồng lên nhau bằng cách thay thế các linh kiện bán dẫn (transistor) thông thường bằng các transistor ống nano carbon (CNTs). Các transistor ống nano carbon này không chỉ nhanh hơn các transistor silicon, chúng còn có thể xếp theo lớp giữa các chip ghi nhớ mà không gây ra bất kỳ thiệt hại nào bởi vì chúng không cần đến yếu tố nhiệt độ cao trong quá trình sản xuất.

Nhóm nghiên cứu cũng đã thay thế chip silicon hiện nay bằng bộ nhớ điện tử dạng điện trở theo công nghệ RRAM (resistive random-access memory). Hàng triệu thiết bị kết nối điện (vias) được sử dụng để kết nối từng lớp RRAM và CNT, giống như những chiếc 'thang máy' điện tử nhỏ xíu. Chúng cho phép dữ liệu truyền qua khoảng cách ngắn hơn nhiều so với các mạch truyền thống. Các lớp tản nhiệt được lắp đặt giữa các lớp RRAM và CNT để đảm bảo rằng lượng nhiệt do chúng tạo ra sẽ không tích tụ và gây ra sự thoái hóa về lâu về dài.

Nhóm nghiên cứu đã giới thiệu mẫu thiết kế chip 04 lớp được chế tạo từ 02 lớp bộ nhớ RRAM và 02 lớp CNTs tại Hội nghị quốc tế về các thiết bị điện tử năm 2014. Trong một báo cáo trên tạp chí máy tính IEEE, họ đã mô tả cách thức vận hành mẫu thiết kế mô phỏng, chứng minh làm thế nào mà cách tiếp cận “kiểu tòa nhà chọc trời” của họ lại cho hiệu quả cao hơn 1.000 lần so với các hệ thống máy tính thông thường.

Bây giờ, họ chỉ cần thuyết phục các nhà đầu tư thay đổi cơ sở hạ tầng, điều cần thiết để tách dần khỏi việc sử dụng chất liệu silicon và hướng tới một hệ thống có tiềm năng, mang lại hiệu quả cao hơn nhiều. Và tất nhiên, một mẫu thiết kế hoạt động tốt – chứ không chỉ là mô phỏng - sẽ phải thực sự chứng minh được các khả năng của N3XT.