Quy luật Moore & Kiến trúc đa lõi – Phần 1 (Phiên bản 1.0)

Lịch sử ra đời

Chỉ chưa đầy 20 năm sau ngày Shockley cùng với các đồng nghiệp của mình tại phòng thí nghiệm Bell Labs phát minh ra chất bán dẫn, và cũng chỉ chưa đến 5 năm kể từ lúc Bob Noyce và Jack Kilby phát minh ra mạch tích hợp, ngày 19 tháng Tư năm 1965, cách đây hơn 43 năm, trong số báo kỷ niệm lần thứ 35 của tạp chí Electronic, Gordon Moore đã đưa ra một dự đoán khá nổi tiếng:

… The complexity for minimum component costs has increased at a rate of roughly a factor of two per year (see graph on next page). Certainly over the short term this rate can be expected to continue, if not to increase. Over the longer term, the rate of increase is a bit more uncertain, although there is no reason to believe it will not remain nearly constant for at least 10 years. That means by 1975, the number of components per integrated circuit for minimum cost will be 65,000. I believe that such a large circuit can be built on a single wafer…

Gordon Moore, Cramming More Components Onto Integrated Circuits, Electronic Magazine, Vol.38, Num.8, April 19, 1965. (Bản PDF)

Nói một cách nôm na, Moore dự đoán là số lượng transistor trên một chip đơn sẽ tăng gấp đôi sau mỗi năm một. Đây chỉ là một dự đoán theo kiểu ngoại suy dựa trên các số liệu cụ thể thời bấy giờ, hoàn toàn không có chứng minh gì về mặt toán học, theo như lời Moore kể lại dưới đây.

I was given the chore of predicting what would happen in silicon components in the next 10 years for the 35th anniversary edition of “Electronic Magazine”. So I looked at what we were doing in integrated circuits at that time, and we made a few circuits and gotten up to 30 circuits on the most complex chips that were out there in the laboratory, we were working on with about 60, and I looked and said gee in fact from the days of the original planar transistor, which was 1959, we had about doubled every year the amount of components we could put on a chip. So I took that first few points, up to 60 components on a chip in 1965 and blindly extrapolated for about 10 years and said okay, in 1975 we’ll have about 60 thousand components on a chip.


Excerpts from A Conversation with Gordon Moore: Moore’s Law (Bản PDF)

Sau khi Moore điều chỉnh nhận định này lần thứ hai vào năm 1975, từ một năm thành 18 tháng, hay nói một cách dễ hiểu là số lượng transistor trên một chip sẽ tăng thêm khoảng 60% cho từng năm một, thực tế phát triển của ngành công nghiệp máy tính đã chứng minh nhận định của Moore là đúng, và đưa nó trở thành một huyền thoại.

Thật ra tên gọi “quy luật Moore” chỉ được đưa ra vào năm 1970 bởi một người bạn của Moore, là giáo sư Carver Mead ở Caltech (cũng là trường Moore đã từng học và nhận bằng Tiến sĩ Hóa Lý), một nhà tiên phong trong lĩnh vực VLSI.

Nên hiểu thế nào về những phát biểu của Moore

Sau khi viết bản đầu tiên của bài này, tôi nhận thấy là có rất nhiều cách diễn dịch quy luật Moore ở cả các tài liệu trong và ngoài nước. Điều này cũng là chuyện thường xảy ra với những dự đoán đã trở thành huyền thoại, khi chúng được kể đi kể lại nhiều lần, mỗi lần khác đi một chút xíu, dẫn đến kết cuộc là nhiều khi trở thành tam sao thất bản. Đối với quy luật Moore, điều này lại càng dễ xảy ra, vì ông đã không sử dụng các công thức toán học chính xác trong bài viết, mà chỉ dùng lời văn cộng với đồ thị và tranh minh họa để đưa người đọc đến với kết luận của mình.

Để hiểu rõ hơn về những gì Moore đã viết, và quan trọng hơn là những gì ông muốn ám chỉ, tôi đã cố gắng đọc lại bài viết ban đầu. Tôi tìm thấy là, phần hay được trích dẫn nhất khi nói về qui luật Moore, như đã được ghi ở trên, nằm trong phần bài ở cuối trang 2, với tựa đề là “Costs and curves”. Sau đây là toàn bộ nội dung bằng tiếng Anh của đoạn văn đó.

Reduced cost is one of the big attractions of integrated electronics, and the cost advantage continues to increase as the technology evolves toward the production of larger and larger circuit functions on a single semiconductor substrate. For simple circuits, the cost per component is nearly inversely proportional to the number of components, the result of the equivalent piece of semiconductor in the equivalent package containing more components. But as components are added, decreased yields more than compensate for the increased complexity, tending to raise the cost per component. Thus there is a minimum cost at any given time in the evolution of the technology. At present, it is reached when 50 components are used per circuit. But the minimum is rising rapidly while the entire cost curve is falling (see graph below). If we look ahead five years, a plot of costs suggests that the minimum cost per component might be expected in circuits with about 1,000 components per circuit (providing such circuit functions can be produced in moderate quantities.) In 1970, the manufacturing cost per component can be expected to be only a tenth of the present cost.

The complexity for minimum component costs has increased at a rate of roughly a factor of two per year (see graph on next page). Certainly over the short term this rate can be expected to continue, if not to increase. Over the longer term, the rate of increase is a bit more uncertain, although there is no reason to believe it will not remain nearly constant for at least 10 years. That means by 1975, the number of components per integrated circuit for minimum cost will be 65,000.

I believe that such a large circuit can be built on a single wafer.

Phần đầu của đoạn văn trên đây cho chúng ta thấy là không phải bây giờ người ta mới quan tâm đến chuyện hạ giá thành sản phẩm trong ngành điện tử tích hợp. Từ suốt hơn 40 năm về trước cho đến ngày nay, việc làm giảm phí tổn sản xuất đã được thực hiện theo hướng ngày càng có nhiều mạch điện tử được đặt trên cùng một thiết bị bán dẫn đơn lẻ. Điều này là khả thi do, theo Moore, chi phí ứng với mỗi thành phần (điện tử) tỷ lệ nghịch với số lượng các thành phần đặt trên cùng một thiết bị. Kiểu tương quan tỷ lệ nghịch này có rất nhiều trong các ngành sản xuất, chứ không phải chỉ trong ngành điện tử, theo kiểu khi sản xuất, nếu một mặt hàng được làm ra với một khối lượng lớn, thì rất nhiều khả năng là giá thành cho mặt hàng đó sẽ giảm đi rất nhiều. Nói nôm na là cái gì khan hiếm thì tự nhiên sẽ trở nên đắt đỏ.

Phần khó hiểu trong đoạn văn đối với tôi là thế nào là “minimum cost” và “the comlexity for minimum component costs”.

Sau khi loay hoay tìm kiếm trên net, tôi biết được là trong ngành điện tử bán dẫn, nhất là đối với dân thiết kế chip như Intel, “complexity” có nghĩa là “số lượng các transistor trên mỗi chip”, còn “component cost” hàm ý “chi phí cho mỗi transistor”. Vậy phần tô màu xanh dương ở trên có thể tạm dịch sang tiếng Việt ở mức độ dễ hiểu hơn theo ý tôi là:

Số lượng các transistor trên mỗi chip cho phép dẫn đến chi phí thấp nhất ứng với từng transistor đã và đang tăng lên với mức độ gấp đôi sau từng năm một.

Nghe có vẻ dễ hiểu hơn nhiều rồi phải không các bạn. Tuy nhiên tại sao “số lượng transistor” mà nhà sản xuất có thể đặt lên từng chip lại liên quan đến “chi phí thất nhất” ứng với từng transistor, và từ đó rõ ràng ảnh hưởng đến giá thành của từng con chip trên thị trường? Rõ ràng là nếu lập luận theo kiểu tôi nói ở trên, càng đặt nhiều transistor lên một chip thì giá thành của từng transistor càng rẻ chứ có sao đâu mà phải quan tâm đến “chi phí thấp nhất”. Để trả lời cho câu hỏi này, chúng ta cần phải nhìn lại các công đoạn của quá trình thiết kế và chế tạo chip trong ngành bán dẫn.

Tôi sẽ tiếp tục chủ đề này ở phần 2 của bài.