Trần Ngọc Minh

Modern Hardware

1. Giới thiệu về phần cứng hiện đại

  • Máy tính siêu cấp (supercomputer) của thập niên 1960 không phải chậm mà quá lớn, phức tạp và đắt đỏ.
  • Sự đắt đỏ chủ yếu đến từ việc phải sử dụng nhiều linh kiện tùy chỉnh, cần kỹ sư điện có tay nghề cao để lắp ráp.
  • Bước ngoặt: Sự xuất hiện của vi mạch (microchip) giúp thu nhỏ kích thước máy tính và giảm chi phí sản xuất.
  • Ví dụ: Năm 1965, một máy tính trị giá hàng triệu USD có thể thu nhỏ lại trên một con chip silicon chỉ 4mm × 4mm vào năm 1975 với giá 25 USD.
  • Điều này đã thúc đẩy cuộc cách mạng máy tính cá nhân vào những năm 1980 (Apple II, Atari 2600, Commodore 64, IBM PC).

2. Quá trình sản xuất vi mạch (Microchip)

Vi mạch được tạo ra bằng quy trình quang khắc (photolithography), gồm các bước:

  1. Trồng và cắt tinh thể silicon thuần khiết.
  2. Phủ lớp chất nhạy sáng (photoresist), lớp này sẽ bị hòa tan khi tiếp xúc với ánh sáng.
  3. Chiếu ánh sáng theo mẫu thiết kế.
  4. Khắc hóa học phần silicon đã tiếp xúc với ánh sáng.
  5. Loại bỏ phần còn lại của photoresist.
  6. Lặp lại quy trình này hàng chục lần để hoàn thiện CPU.

Ưu điểm của vi mạch so với máy tính truyền thống:

  • Tốc độ xung nhịp cao hơn (do ít bị giới hạn bởi tốc độ ánh sáng).
  • Có thể sản xuất hàng loạt.
  • Giảm chi phí nguyên vật liệu và điện năng tiêu thụ.

3. Quy mô hóa Dennard (Dennard Scaling)

  • Khi vi mạch được thu nhỏ, nó sử dụng ít vật liệu hơn và có thể chuyển trạng thái nhanh hơn.
  • Dennard Scaling chỉ ra rằng khi giảm kích thước bóng bán dẫn xuống 30%:
    • Mật độ bóng bán dẫn tăng gấp đôi.
    • Tốc độ xung nhịp tăng 40%.
    • Mật độ công suất tổng thể không đổi.

Hệ quả:

  • CPU thế hệ mới có giá thành tương tự nhưng nhanh hơn 40% và chứa nhiều bóng bán dẫn hơn.
  • Việc thu nhỏ tiếp tục dựa vào quy trình chế tạo, như 180nm → 65nm.

4. Sự sụp đổ của Dennard Scaling và giới hạn vật lý

  • Giới hạn nhiệt (Heat Dissipation): Khi bóng bán dẫn nhỏ hơn, dòng rò (leakage current) xuất hiện, gây nóng chip.
  • Khoảng 2005-2007, sự thu nhỏ không còn giúp tăng hiệu suất vì tăng điện áp làm tăng nhiệt, gây mất ổn định.
  • Hiện tượng rò rỉ điện tử: Từ trường của transistor nhỏ làm electron chạy sai hướng, gây mất dữ liệu.

→ Kết quả: Không thể tăng tốc độ xung nhịp (clock rate) bằng cách thu nhỏ nữa.

5. Xu hướng điện toán hiện đại

  • Dù Dennard Scaling kết thúc, số lượng transistor vẫn tiếp tục tăng (Moore’s Law chưa chết).
  • Các phương pháp mới để tận dụng số lượng transistor tăng:
    1. Pipeline: Chia nhỏ quá trình xử lý, để nhiều bộ phận CPU hoạt động song song.
    2. Speculative & Out-of-Order Execution: Thực thi trước một số lệnh để tăng tốc độ.
    3. Superscalar Processing: Có nhiều đơn vị xử lý hoạt động cùng lúc.
    4. SIMD (Single Instruction, Multiple Data): Xử lý song song trên nhiều khối dữ liệu cùng lúc.
    5. Bộ nhớ đệm (Cache): Giảm thời gian truy cập RAM.
    6. Đa nhân (Multi-core CPUs): Sử dụng nhiều lõi trên một con chip.
    7. Tính toán phân tán (Distributed Computing): Kết hợp nhiều máy tính thành một hệ thống mạnh hơn.
    8. Phần cứng tùy chỉnh (ASIC, FPGA): Thiết kế phần cứng chuyên biệt cho một tác vụ.

6. Kết luận

  • Ngày nay, tốc độ xử lý không còn phụ thuộc hoàn toàn vào xung nhịp CPU mà vào số lượng thao tác hữu ích thực hiện trong mỗi chu kỳ.
  • Mô hình tính toán truyền thống dựa trên đếm số thao tác đã lỗi thời vì có quá nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất thực tế.
  • Các xu hướng hiện đại tập trung vào tính toán song song, kiến trúc tối ưu hóa và tận dụng số lượng bóng bán dẫn tăng thay vì chỉ tăng xung nhịp.

Tóm tắt ngắn gọn

  • Máy tính ngày nay nhỏ hơn, rẻ hơn nhờ vi mạch.
  • Vi mạch được chế tạo bằng kỹ thuật quang khắc.
  • Dennard Scaling giúp thu nhỏ bóng bán dẫn và tăng hiệu suất, nhưng đã kết thúc do giới hạn nhiệt.
  • Hiện tại, tăng số lượng bóng bán dẫn và cải tiến kiến trúc CPU là cách tối ưu hóa hiệu suất thay vì tăng xung nhịp.

Posted in , ,