Khởi đầu
năm 1965 Gordon Moore đăng bài báo nổi tiếng: bấy giờ ngành mạch tích hợp [IC - integrated circuit] chỉ mới 5 năm tuổi - tiến sĩ Moore vẫn làm giám đốc nghiên cứu phát triển ở công ty bán dẫn Fairchild
bài báo chỉ đơn thuần là một bạch thư [sách trắng - white paper] quảng cáo IC
bấy giờ những sản phẩm IC của Fairchild chỉ bán được cho chính phủ nên Moore phải đi thuyết phục các kỹ sư trang bị IC vào sản phẩm của các công ty
ý định của bài báo năm 1965 là thuyết phục người đọc rằng IC là cách rẻ nhất để chế tạo những thiết bị và hệ thống điện tử: luật Moore chỉ là một luận điểm - trong mục "giá thành và đồ thị đường cong chi phí", Moore lưu ý rằng năm 1965, IC tiết kiệm nhất, nghĩa là có tỷ lệ giá thành mỗi linh kiện thấp nhất, có 50 linh kiện
thuật ngữ "linh kiện" bấy giờ được định nghĩa là một chức năng hoặc một thiết bị: điốp và kháng trở
"độ phức tạp của giá thành cấu kiện tối thiểu đã tăng gấp đôi mỗi năm"
Moore trình bày một đồ thị, nay đã trở nên nổi tiếng, cho thấy số cấu kiện của chip IC hãng Fairchild trong 4 năm qua: theo đó Moore tiên đoán năm 1970 một IC 'tiết kiệm' sẽ có 1000 cấu kiện và năm 1975 sẽ có 65000
lưu ý rằng cách tính trên là ước lượng: cơ sở [baseline] là 50 cấu kiện năm 1965 - nếu gấp đôi mỗi năm thì năm 1975 IC sẽ có 1600 chứ không phải 1000 và năm 1975 sẽ có 51200 thay vì 65000
luận điểm chính của Moore là giá thành sản xuất một chip sẽ phụ thuộc giá thành in và etch một thiết kế IC lên một wafer: rằng giá thành này không tương quan với số cấu kiện thực sự nằm trên thiết kế
nếu những IC ấy trở nên phức tạp, độ phức tạp được định nghĩa bởi số cấu kiện nhưng giá thành giữ nguyen thì giá mỗi cấu kiện sẽ bị đẩy xuống
Đồ thị Moore
bài báo năm 1965 được đón đọc rộng rãi và đem ra tranh cãi: tiên đoán rằng IC dày đặc và phức tạp hơn sẽ rẻ hơn mỗi cấu kiện - bấy giờ quan điểm chung là thu nhỏ hệ thống sẽ luôn luôn tăng giá thành
nhiều giám đốc nghiên cứu ở Bell Labs đã nêu lên rằng IC càng phức tạp thì càng dễ xuất hiện cấu hiện hỏng: đương nhiên sẽ huỷ hoại toàn bộ con chip - cho nên thực tế thì hiệu suất của gia công chip càng phức tạp sẽ tiệm cận về 0
luện điểm nữa là: chọn mẫu quá nhỏ và chỉ lấy sản phẩm bán dẫn của Fairchild - phong cách giật tít của Reddit và Hackernews
Những đột phá thập niên 1960
dù sao thì Moore và các đối tác cũng sử dụng đồ thị Moore để định hướng công nghệ ở Fairchild và sau đó Intel
Moore thúc giục nhân viên nghiên cứu phát triển của mình gấp đôi độ phức tạp của chip sau mỗi 2 năm: để theo đuổi lợi nhuận - 3 công nghệ ra mắt thập niên 1960 đã hiện thực hoá tầm nhìn ấy
đầu tiên là thiết bị quang khắc mới: in tiếp xúc đã cải thiện độ phân giải mà ta có thể in quy mô lớn những thiết kế chip
thứ hai là cấu trúc cổng mới: bóng bán dẫn MOS cổng silic - một bóng bán dẫn được làm từ một cổng nằm trên đỉnh một kênh kết nối một nguồn và một máng
mỗi chip bộ nhớ sẽ chứa những tế bào [cell] bộ nhớ lưu trữ 1 bit: cuối thập niên 1960 đầu 1970 các nhà thiết kế đã thành công thu nhỏ số bóng bán dẫn trong thiết kế tế bào bộ nhớ - tế bào bộ nhớ đầu tiên sử dụng 6 bóng bán dẫn
mạch tích hợp DRAM đầu tiên của Intel là Intel 1103 ra mắt năm 1970 có 3 bóng bán dẫn mỗi tế bào bộ nhớ
năm 1966 Robert Dennard lần đầu tiên phát triển tế bào bộ nhớ 1 bóng bán dẫn và giữa thập niên 1970 mới ra mắt thị trường trong thế hệ 64 kilobit
Bắt nhịp
lịch nâng cấp nút [node] xử lý hằng năm là quá sức khách hàng của Intel: những công ty thiết kế hệ thống như IBM muốn chip mới mỗi 3-4 năm - được củng cố bởi luật khấu hao thuế Mỹ quy định một chu kỳ khấu hao 6 năm cho người mua máy tính
vậy nên Intel đổi lịch ra mắt thế hệ bộ nhớ mới tăng mật độ gấp 4 lần mỗi 3 năm: bán hàng mới đầu tiên - khi những đối thủ như Texas Instrument bắt kịp thì Intel đã chuyển sang nút [node] tiếp theo trên đồ thị Moore rồi
mô hình "niên vụ rượu vang" [wine vintage] trở nên nổi tiếng: áp dụng từ bộ nhớ sang vi xử lý ngay khi danh mục sản phẩm [vi xử lý] ra đời năm 1971
luật Moore hiệu quả vì dễ đoán: mặc dù Intel không phải lúc nào cũng làm được vi xử lý tốt hơn của Zilog hay Motorola nhưng Intel vẫn có thể bán cho khách hàng tương lai của sản phẩm - hãng có thể dơ đồ thị lên và nói về tương lai sắp tới
dễ đoán đã giúp khách hàng thêm tự tin vào sản phẩm
Intel càng thành công thì luật Moore càng được chấp nhận bởi các đối thủ cạnh tranh: Texas Instrument, AMD và Motorola cũng đã ứng dụng nó vào định hướng công nghệ riêng của các hãng
Sửa
năm 1975 tiến sĩ Gordon Moore đã kế nhiệm Robert Noyce làm giám đốc điều hành Intel và nhiều người - giáo sư Carver Mead trường đại học công nghệ California [Caltech] có lẽ là người ủng hộ nhiệt tình nhất - bắt đầu gọi đồ thị Moore là "luật"
bấy giờ, lợi ích của công nghệ cổng silic đã bắt đầu nhạt nhoà: các kỹ sư Intel gặp khó - cổng silic càng nhỏ thì cổng càng kém kiểm soát được dòng chảy electron đi từ nguồn đến máng, do đó gây nhiễm bẩn [contemination]
năm 1975 Moore phát biểu: viện dẫn sự xuất hiện của IC có 65000 cấu kiện là linh kiện tích điện kép [CCD - charge coupled device] bộ nhớ 16 kilobit - nhưng thừa nhận những khó khăn tăng trưởng kỹ thuật khi nhét thêm cấu kiện vào một IC
Moore tuyên bố sửa lại lịch trình của luật Moore xuống thành gấp đôi mỗi 2 năm, bắt đầu từ năm 1980
hẳn là tiên đoán năm 1965 của Moore vẫn đúng nhưng bộ nhớ CCD thì không cạnh tranh thương mại được: nổi tiếng là sau rốt đã được ứng dụng vào cảm biến ảnh thể rắn
bấy giờ, công nghệ bộ nhớ chính thống tiên tiến nhất là DRAM 16 kilobit vẫn còn ít nhất 1 năm chuẩn bị thương mại hoá: kế cả thương mại hoá thì IC bộ nhớ này cũng chỉ có ít hơn một nửa số 65000 cấu kiện tiên đoán
khi nhắc về bài phát biểu năm 1975, Moore có vẻ ngạc nhiên rằng quá nhiều người để tâm đến thay đổi ấy
"tôi không nghĩ ai lại làm kế hoạch kinh doanh dựa theo nó, có lẽ vì danh tiếng rằng tiên đoán của tôi trước đó đã đúng [I bask in the glow of the first prediction being right]. Tôi không nghĩ là có ai lại chú ý đến nó"
vậy là phép ngoại suy 10 năm đầu của Moore thực tế đã khá sai: nhưng luật Moore cũng không vì thế mà bị ném vào thùng rác như cơm nguội 2 ngày để trong tủ lạnh - thay vào đó, ngành đã lấy ra rang ngon lành với trứng
Nhật Bản
chip DRAM thập niên 1970 khác với vi xử lý được làm từ những tế bào [cell] thông thường, lặp lại
để chip bộ nhớ thêm phức tạp - để có thể trữ lượng - ta phải nhét thêm tế bào bộ nhớ vào cùng một diện tích: mặt khác chip logic được coi là khó thiết kế hơn là khó sản xuất, ít nhất là thời bấy giờ
cho nên thập niên 1970 khi nhắc đến luật Moore người ta thường nói về bộ nhớ hơn là chip logic: với họ thì gia công chip bộ nhớ là thể hiện thuần tuý nhất của khả năng sản xuất thô [raw]
Nhật Bản nhanh chóng bắt kịp ngành bán dẫn Mỹ là gây dựng nhờ tiếp tục lịch trình tăng gấp 4 trữ lượng bit bộ nhớ mỗi 3 năm: là người đầu tiên ra mắt thế hệ 64 kilobit - sớm hơn người Mỹ 2 năm
nhờ kiểm soát chặt những tiến trình sản xuất, hiệu suất Nhật Bản tăng: giá thành IC hạ - phá giá sản phẩm Mỹ
nửa đầu thập niên 1980 thị trường DRAM sụp đổ nhiều lần, cấu trúc giá thành thấp của Nhật Bản đã giúp họ duy trì hoạt động trong khi nhiều công ty Mỹ phá sản
Quang khắc Mỹ
đầu thập niên 1980 Intel và các công ty Mỹ khác trễ hẹn luật Moore: đo lường mật độ vi xử lý của Intel cho thấy đồ thị chạy ngang đầu thập niên 1980 - giai đoạn Nhật Bản và các hãng khác tăng lên
phát biểu năm 1975, Moore viện dẫn 3 nhân tố lớn đóng góp cho tiếp tục tăng độ phức tạp: đầu tiên là tăng kích cỡ của 'die' - thứ hai gọi là những 'khôn khéo kỹ thuật' tức là sử dụng những công cụ tự động hoá máy tính để vẽ những thiết kế tận dụng tốt hơn những tấm chiếu [canvas] dệt 'die' chip
từ thập niên 1970, những cải tiến trong thiết bị quang khắc - những cỗ máy hoàn chỉnh làm việc phơi sáng, xử lý cản quang và etch - là nhân tố chính lèo lái hạn chế mức trần của độ phức tạp cho linh kiện bán dẫn: mỗi khi những cải tiến quang khắc bị đình trệ, kéo theo hệ luỵ lên cả chuỗi cung
đầu thập niên 1980 Intel muốn gia công chip DRAM 64 kilobit riêng: công cụ quang khắc tiêu chuẩn là máy gióng hình chiếu - độ phân giải không đủ đáp ứng chip bộ nhớ 64 kilobit
đồng thời Intel tái cam kết vào gia công: năm 1983 tiến sĩ Moore chỉ đạo các đồng nghiệp tăng tốc công suất sản xuất để bắt kịp Nhật Bản - tốc độ tăng 4 lần mỗi 3 năm hoặc gấp đôi mỗi 18 tháng
tháng 10 năm 1983 trong bài phát biểu ở hội thảo ngành bán dẫn Dataquest, Moore công khai tái định nghĩa lại luật Moore một lần nữa: sửa lịch trình thành gấp đôi mỗi 18 tháng
Intel quay xe né khỏi thảm hoạ bộ nhớ này để chuyển sang vi xử lý, cũng như việc hồi sinh việc gia công đã đưa công ty trở lại vị thế vững mạnh: với Intel thì ấy là nhờ trung thành với luật Moore sửa đổi
Ý tưởng lớn gặp nhau
đầu thập niên 1990 chính phủ liên bang Mỹ bắt đầu từ từ thu hồi những can thiệp trực tiếp vào chính sách công nghệ: đã bắt đầu trong chính quyền Bush cha rồi Clinton - trong đó có việc nghỉ hưu uỷ ban tư vấn quốc gia [national advisory committee] cho linh kiện bán dẫn
uỷ ban thành lập năm 1988 đi tìm định hướng dài hạn để duy trì Mỹ ít nhất vượt trước 1 nút [node] thế hệ so với người Nhật Bản đến năm 2000
kế hoạch ấy được gọi tên là MicroTech 2000 và khi chính phủ thoái lui thì hiệp hội ngành bán dẫn [SIA - semiconductor industry association] được yêu cầu thế chỗ, tiếp nhận kế hoạch và điều hành và ghi chú thành một tài liệu liên tục cập nhật
mùa thu năm 1991 Moore thuyết phục các lãnh đạo khác của ngành bán dẫn sử dụng luật Moore và ý tưởng liên tục gấp đôi độ phức tạp để làm nền tảng cho một định hướng thống nhất quốc gia mới
cùng nhau, các công ty đã tạo nên một hiệp hội [cartel] nghiên cứu phát triển: định hướng quốc gia mới gọi tên là định hướng công nghệ quốc gia [national technology roadmap] cho đồ bán dẫn - nhận được hậu thuẫn chính phủ lớn và luật Moore trở thành nhân tố quyết định cho hàng trăm triệu đôla đầu tư liên bang, ví dụ từ DARPA
mọi đề xuất nghiên cứu hàn lâm được đánh giá xem liệu có giúp kéo dài tốc độ tăng phức tạp của luật Moore
thập niên 1990 ngành bán dẫn Mỹ đạt được đồng thuận lớn: tiêu chuẩn hoá tất cả vật liệu, thiết bị và tiến trình - cắt giảm giá thành và tăng tốc năng suất
Giữa thập niên 1990
năm 1995 Gordon Moore phát biểu ở một bữa tối SIA ôn lại 3 thập kỷ luật Moore: tuyên bố là cũng ngạc nhiên như mọi người rằng những nguyên tắc của Moore - dù có chỉnh sửa - vẫn tiếp tục được tuân thủ
Moore nói rằng mọi tăng trưởng cấp số nhân đều sẽ kết thúc: khi nào?
Moore từ bỏ nỗ lực tiên đoán tiếp
với Intel, năm 1995 là sắp có một đợt bùng nổ những tiến bộ thiết bị quang khắc: máy excimer laser DUV sắp ra mắt thị trường - thay thế đèn i-line
năm 2001 laser 193 nanomet argon fluoride ra mắt thị trường: rất giống tiền nhiệm 248 nanomet - cho phép Intel thương mại hoá nút công nghệ mới mỗi 3 năm, giảm kích thước chiều vật lý nhỏ nhất của bóng bán dẫn đi 30% mỗi nút
Intel trung thành luật Moore giúp cải tiến và giảm giá bán dẫn: giá bán một vi xử lý nhất định bày bán từ năm 1995 đến 2000 đã giảm đi 50-70% mỗi năm sau khi ra mắt
Kết thúc chuỗi bất bại
ra mắt laser 193 nanomet đã giúp Intel tuân thủ luật Moore từ năm 2001 đến 2003 nhưng máy không thích hợp cho nút 70 nanomet
không may, thế hệ quang khắc tiếp theo Intel lựa chọn là EUV thì chưa sẵn: và các thế hệ thu nhỏ đã làm suy yếu kiểm soát của cổng lên dòng chảy các electron đến mức đã gây những vấn đề tiêu thụ điện năng
năm 2004 Intel chuyển sang vi xử lý đa nhân: chấm dứt chuỗi bất bại - làm bất ngờ người dùng, buộc khách hàng viết lại phần mềm để xử lý song song
năm 2006 ra mắt quang khắc nhúng 193 nanomet
hiện tại Intel tìm cách khôi phục tốc độ bước nút bằng cách nhanh chóng ứng dụng EUV và EUV khẩu độ cao
Thần thoại
năm 1965 luật Moore sơ khai chỉ là một biểu đồ được định nghĩa mông lung: thể hiện 4 năm tăng trưởng của một ngành công nghiệp non trẻ - tiên đoán để đem khoe những nhà đầu tư mạo hiểm
luật Moore chỉ còn là thần thoại: loạt những câu chuyện để duy trì nền văn hoá của cả ngành công nghiệp - như kinh thánh của một tôn giáo
và giống như bất cứ thần thoại 'nhạy bén' nào khác thì câu chuyện đã được tái dịch và tái định nghĩa qua các năm để lọt tai người nghe đương thời
Kết
bạn có thể nghĩ rằng: tại sao tôi cần nâng cấp máy tính và điện thoại? Máy tính core i9 và điện thoại iPhone 11 tôi đã dùng bao lâu nay rồi
ừ thì người dùng bình thường có thể không cần nâng cấp điện thoại hay thiết bị chơi game nữa nhưng những ngành khác vẫn khao khát thêm sức mạnh điện toán
nền kinh tế và xã hội vẫn còn nhiều vấn đề kỹ thuật phức tạp và ném thêm sức mạnh điện toán vào những vấn đề ấy vẫn tiếp tục là cách tốt nhất để giải quyết
mới đây, một công trình từ một nhóm ở khoa khoa học máy tính và phòng thí nghiệm AI trường đại học công nghệ Massachusett dẫn dắt bởi Neil Thompson đã nhìn vào ảnh hưởng mà luật Moore gây ra ở 3 mảng cụ thể: dự báo thời tiết, cuộn gấp protein và thăm dò dầu khí - 3 ngành hàng tỷ đôla đã hưởng lợi lớn từ việc tăng cường sức mạnh điện toán
ví dụ thời tiết, từ năm 1956 đến 2017 sức mạnh điện toán sử dụng bởi NOAA đã tăng gấp 1 nghìn tỷ lần, tương đương 48.2% hằng năm
cùng giai đoạn ấy, tỷ lệ lỗi trong tiên đoán nhiệt độ đã giảm từ 5.8 độ năm 1972 xuống còn 3 độ năm 2017
ta có thể phân bổ 94% cải thiện độ chính xác ấy là hoàn toàn nhờ tăng cường sức mạnh điện toán: cải thiện thuật toán đứng thứ nhì
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét