Công nghệ bán dẫn đang trải qua những thay đổi mang tính cách mạng với sự ra đời của TSMC N2, CFET và bộ nhớ 3D stacked. Dù những cải tiến này mang lại hiệu suất vượt trội, các chuyên gia cảnh báo rằng chúng vẫn chưa đủ để đáp ứng nhu cầu khổng lồ từ AI và siêu máy tính.

Ngành công nghiệp bán dẫn: Đột phá cần thiết để theo kịp AI

Ngành công nghiệp bán dẫn không phát triển nhờ những bước đột phá qua đêm, mà bằng những bước tiến lớn được tích lũy qua nhiều năm. Hội nghị quốc tế về thiết bị điện tử (IEDM) là nơi các nhà sản xuất chip hàng đầu trình diễn những đổi mới của họ. Những công nghệ được thảo luận tại hội nghị năm nay cho thấy một bức tranh rõ ràng: tiến bộ là đáng kể, nhưng vẫn chưa đủ để bắt kịp với tốc độ phát triển của AI.

Logic bán dẫn: TSMC dẫn đầu cuộc chơi

TSMC tiếp tục duy trì vị thế dẫn đầu trong lĩnh vực bán dẫn logic với quy trình N2 - bước tiến đầu tiên của họ vào công nghệ transistor GAA (Gate-All-Around). N2 hứa hẹn cải thiện 15% hiệu suất hoặc giảm 30% mức tiêu thụ điện năng, đồng thời tăng mật độ transistor hơn 1.15 lần so với thế hệ trước. Một điểm quan trọng khác là việc TSMC áp dụng các lớp điện môi (dielectric) có độ chính xác cao thông qua phương pháp ALD (Atomic Layer Deposition), giúp tối ưu hóa mức điện áp ngưỡng (Vt) của transistor.\

Minh họa: quy trình N2 của TSMC 

Bên cạnh đó, CFET (Complementary FET) đang trở thành bước tiến tiếp theo sau GAA. Công nghệ này sắp xếp transistor PMOS và NMOS chồng lên nhau, giúp cải thiện mật độ và hiệu suất. TSMC đã trình diễn một CFET inverter hoạt động thực tế, vượt xa các đối thủ khác chỉ mới đạt mức mô phỏng.

Bộ nhớ: Rào cản lớn nhất của AI

Một trong những vấn đề cấp bách nhất hiện nay là bộ nhớ. Các mô hình AI ngày càng yêu cầu dung lượng và băng thông bộ nhớ khổng lồ, trong khi công nghệ hiện tại khó đáp ứng. Hội nghị IEDM 2023 tập trung nhiều vào compute-in-memory, giúp giảm sự di chuyển dữ liệu giữa CPU và bộ nhớ - một trong những yếu tố tiêu hao năng lượng nhất.

SK Hynix đã giới thiệu kiến trúc AiM (Accelerator in Memory), giúp tăng băng thông bộ nhớ lên gấp 100 lần so với HBM. Trong khi đó, Meta trình diễn bộ nhớ 3D stacked, giúp giảm 40% độ trễ và mức tiêu thụ điện. Tuy nhiên, các thách thức về chi phí và độ tin cậy vẫn cần được giải quyết trước khi các công nghệ này có thể trở thành tiêu chuẩn thương mại.

Đóng gói tiên tiến: Tương lai của tính toán hiệu suất cao

Minh họa: đóng gói chip AMD tại Việt Nam

Bên cạnh tiến bộ về transistor và bộ nhớ, đóng gói chip cũng đóng vai trò quan trọng trong việc mở rộng hiệu suất tính toán. Intel đã ra mắt EMIB-T, một biến thể mới của công nghệ đóng gói 2.5D, bổ sung TSVs (Through-Silicon Vias) giúp cải thiện kết nối giữa các chiplet. Điều này đặc biệt quan trọng trong các hệ thống tính toán hiệu suất cao (HPC) và AI.

TSMC cũng giới thiệu thế hệ tiếp theo của SoIC, công nghệ đóng gói 3D với khoảng cách TSVs nhỏ hơn 15µm, giúp tăng mật độ kết nối giữa các lớp logic và bộ nhớ.

Minh họa: Chip 3D TSMC. Nguồn: Meta

Vật liệu 2D: Hướng đi dài hạn cho ngành bán dẫn

Vật liệu 2D như MoS2 và WSe2 đang được xem là ứng cử viên tiềm năng để thay thế silicon trong transistor. Các kênh transistor bằng vật liệu 2D có thể đạt kích thước nhỏ hơn 10nm mà vẫn duy trì hiệu suất cao. Intel đã trình diễn một transistor GAA với chiều dài cổng chỉ 6nm, đánh bại dự đoán trước đây rằng silicon sẽ không thể thu nhỏ dưới 10nm. Tuy nhiên, một thách thức lớn với vật liệu 2D là quá trình tổng hợp trên wafer lớn vẫn chưa đủ ổn định để thương mại hóa.

Bài toán năng lượng: Thách thức lớn nhất của AI

Dù những bước tiến trên rất ấn tượng, các chuyên gia tại IEDM đều đồng ý rằng tốc độ phát triển của AI đang tạo ra một áp lực khổng lồ lên ngành bán dẫn. Theo giáo sư Tom Lee của Stanford, nếu tốc độ tăng trưởng hiện tại tiếp tục, đến năm 2050 AI sẽ tiêu thụ toàn bộ lượng năng lượng mặt trời chiếu xuống Trái Đất. Đến năm 2175, chúng ta sẽ cần thu toàn bộ năng lượng từ Mặt Trời – một kịch bản chỉ có thể giải quyết bằng những bước đột phá lớn trong công nghệ bán dẫn.

Hội nghị kết thúc với lời kêu gọi hành động: những cải tiến dần dần không còn đủ nữa, ngành bán dẫn cần một cuộc cách mạng để đáp ứng nhu cầu tính toán của tương lai.

LIÊN HỆ VỚI CHÚNG TÔI ĐỂ ĐƯỢC TƯ VẤN!

THÔNG TIN LIÊN HỆ

CÔNG TY CỔ PHẦN TẬP ĐOÀN GIẢI PHÁP SAO MAI

Địa chỉ: Tầng 4, Lucky Building, 81 Trần Thái Tông,
Cầu Giấy, Hà Nội

Hotline: 0908.184.188

Email:  info@saomaisoft.com

Website: https://www.fasolutions.vn/

Fanpage: https://www.facebook.com/ssg.fasolutions/

Từ khóa: Bán dẫn tiên tiến, Compute-in-memory, Đóng gói chip 3D

Tham khảo: IEDM 2023, Semianalys