Hướng đi nào cho định luật Moore - kim chỉ nam soi sáng cả nhân loại suốt hơn 50 năm qua?

Xã hội loài người đã có những bước chuyển mình đáng kể một phần nhờ vào sự xuất hiện của các thiết bị điện tử tiêu dùng và sự phổ biến của máy tính. Theo thời gian, các thiết bị này không chỉ được cải tiến về mặt hiệu suất mà giá thành cũng ngày càng hợp túi tiền của người dùng hơn. Sở dĩ có được như vậy là vì trong 40 năm qua, số lượng transistor (bóng bán dẫn) có thể đặt trên mỗi vi mạch đã tăng gấp khoảng 2 lần sau mỗi 2 năm - tuân theo một quy tắc thực nghiệm được gọi là định luật Moore.

Tuy nhiên, dưới sự tác động của một số nhân tố thì tính đúng đắn của định luận Moore đã không còn nữa. Vậy thực tế này sẽ ảnh hưởng thế nào đến kinh tế, xã hội?

Kể từ khi được hình thành, định luật Moore đã từng được coi là kim chỉ nam sự phát triển công nghệ, đặc biệt là từ năm 1991. Các ngành công nghiệp có liên quan ở Mỹ, Nhật, Đài Loan, Hàn Quốc và châu Âu đã tự cấu trúc lại nhằm đảm bảo sự phối hợp thông suốt trong quá trình sản xuất mạch tích hợp và vi mạch. Mục tiêu là để tránh rối loạn chức năng trong việc cung cấp và phát triển bộ vi xử lý theo đúng định luật Moore, đảm bảo rằng mỗi bộ vi xử lý có thể chứa được nhiều bóng bán dẫn hơn. Điều này được coi là luật bất thành văn mà bất cứ doanh nghiệp nào hoạt động trong ngành công nghiệp này đều phải tuân theo để có thể tiếp tục tồn tại.

Để rồi từ đó, chúng ta đã được chứng kiến những bước tiến lớn của công nghệ bóng bán dẫn qua những loại chip Intel: Chip đầu tiên - Intel 4004 được sản xuất năm 1971 với 2.300 bóng bán dẫn và đến năm 2015, chip xử lý Skylake của Intel có thể chứa lên tới 1,75 tỷ transistor. Điều này đã góp phần làm giảm kích thước cũng như giá cả của máy tính trong khi sức mạnh tính toán lại tăng vọt, thúc đẩy sự ra đời của các thiết bị điện tử tiêu dùng và làm thay đổi nhiều thói quen trước đó của con người.

Định luật Moore sắp đạt tới giới hạn

Nhiều năm qua, định luật công nghệ này đã gặp phải những rào cản đầu tiên. Trước hết, đó là các yếu tố vật lý: sự phát nhiệt từ các bản mạch làm tổn hại và giảm công năng của các thiết bị điện tử, kích thước transistor đạt tới mức giới hạn, sự thay đổi trạng thái giữa số 0 và số 1 - hai đơn vị cơ bản của trong tính toán ngày càng trở nên phức tạp. Đây được xem là những rào cản lớn khó có thể vượt qua được trừ khi khoa học kỹ thuật tạo được những bước đột phá mới trong thời gian tới.

Định luật Moore cũng vấp phải một rào cản nữa đó là yếu tố kinh tế. Chi phí để sản xuất một dòng chip mới có thể tốn tới 7 tỷ USD và theo ước tính con số này có thể đạt tới 16 tỷ USD trong thập kỷ tới. Đây là khoản đầu tư khổng lồ mà rất ít nhà sản xuất có đủ khả năng để đáp ứng được, đặc biệt là nếu họ không đảm bảo được tỷ suất lợi nhuận trên doanh thu để duy trì lợi nhuận.

Hướng đi nào cho định luật Moore?

Có khá nhiều giải pháp được đưa ra để giải quyết các vấn đề trên và một vài trong số đó đã được thực thi. Thứ nhất, tốc độ xung nhịp nội bộ (internal clock) đã bị hạn chế để nhằm làm giảm lượng nhiệt sản sinh ra (xem biểu đồ phía dưới).

Sự tiến hóa của 3 biến số quan trọng trong sản xuất mạch tích hợp: số lượng transister tên mỗi mạch, tốc độ xung nhịp và công suất thoát nhiệt (thường cho biết mức tiêu thụ điện của con chip) tối đa được xem là an toàn.

Bên cạnh đó, người ta cũng bắt đầu sản xuất các loại chip đa nhân để có thể chia nhiều tác vụ đồng thời cho nhiều nhân xử lý nhằm giữ cho chip luôn mát. Theo lý thuyết thì có thể tạo ra các mạch tích hợp lên đến 1.000 lõi nhưng trên thực tế, sự phân phối nhiệm vụ cho các bản mạch này sẽ trở nên phức tạp hơn. Trong mọi trường hợp, có những tác vụ không thể thích ứng được với kiểu "chiến thuật" này. Nhưng trong tương lai, có nhiều giải pháp sáng tạo hơn đã được đưa ra, từ điện toán lượng tử cho tới công nghệ neuromorphic.

Việc thay đổi từ sử dụng vật liệu silicon sang graphene hoặc chuyển từ sử dụng bóng bán dẫn 2 chiều sang cấu trúc 3 chiều (còn gọi là bán dẫn 3D) cũng là các giải pháp được cân nhắc. Thậm chí, một giải pháp sáng tạo hơn cũng được đề xuất đó là dừng chuyển động các dòng electron và sử dụng một trong những đặc tính cơ bản của chúng đó là quay quanh hạt nhân để định nghĩa lại cách thức chuyển động của chúng. Các biện pháp này đều ảnh hưởng đến cách thức thiết kế cũng như sản xuất bộ nhớ và bộ xử lý.

Những thay đổi này chủ yếu là để phục vụ các ông lớn trong làng công nghệ như Amazon hay Google, cho phép họ có thể cung cấp dịch vụ dựa trên đám mây mà không phải bỏ ra quá nhiều tiền để xây dựng các trung tâm dữ liệu và cũng cho phép phát triển của các tiện ích mới phục vụ nhu cầu của người dùng như: điện thoại, máy tính bảng, các game dựa trên thiết bị điện tử tiêu dùng.

Một khía cạnh quan trọng khác là sự chuyên môn hóa sản phẩm, chẳng hạn như các mạch tích hợp cho đồ họa - so sánh với các loại chip thông thường hiện tại thì nó linh hoạt hơn rất nhiều. Tuy nhiên, chi phí phát triển, bao gồm cả chi phí sản xuất các loại chip như vậy có thể lên tới hàng chục triệu USD, điều này dẫn đến một vấn đề nữa nảy sinh: đầu tư quá lớn để tạo ra một loại vi xử lý có lượng cầu thấp.

Các khía cạnh quan trọng khác là khả năng tương tác giữa các thành phần khác nhau và sự cần thiết để giảm tiêu thụ năng lượng, Kết quả là, trong tương lai, sẽ có hàng tỷ các thành phần có thể giao tiếp với nhau mà không cần tới sự can thiệp của con người. Chẳng hạn, máy giặt có thể tự khởi động hoặc lò vi sóng tự hâm nóng thực phẩm khi biết chúng ta đang trên đường về nhờ vào GPS trên điện thoại di động hoặc trên ô tô.

Rõ ràng, định luật Moore có tác động rất nhiều đến đời sống xã hội và nhờ đó mà các tiện ích phục vụ đời sống của con người không ngừng được cải tiến. Tuy nhiên, cũng có nhiều dấu hiệu cho thấy định luật Moore đã bắt đầu đi đến hồi kết. Chỉ khi chúng ta có những giải pháp đảm bảo được cả về mặt công nghệ và kinh tế thì định luật Moore mới có thể tiếp tục tồn tại và soi sáng cho sự tiến bộ của nhân loại.