Trong những năm 1990 và đầu những năm 2000, mỗi lần mua máy tính mới, người ta lại thấy các con số tăng rõ rệt. Tốc độ xử lý từ vài trăm megahertz đã vọt lên vài gigahertz chỉ sau vài năm, nhưng máy tính vẫn không nóng lên tương ứng hay tiêu thụ điện gấp mấy lần. Tuy nhiên, từ giữa những năm 2000, con số tốc độ gần như đứng yên, và thay vào đó, người ta bắt đầu khoe máy có bao nhiêu lõi. Quy luật đứng sau sự thay đổi này chính là “định luật thu nhỏ Dennard (Dennard Scaling)”.
Nói đơn giản, định luật thu nhỏ Dennard là quy luật thu nhỏ linh kiện bán dẫn cho rằng “nếu thu nhỏ transistor đồng thời giảm điện áp theo cùng tỷ lệ, công suất tiêu thụ trên cùng một diện tích chip sẽ được giữ nguyên”. Nếu định luật Moore, với nhận định số lượng transistor tăng gấp đôi, nói về “nhiều đến mức nào”, thì định luật thu nhỏ Dennard giải thích vì sao dù tăng số lượng như vậy, chip vẫn có thể chạy nhanh hơn mà không bị cháy.
Trong tài liệu này, chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu bối cảnh ra đời của định luật thu nhỏ Dennard, nguyên lý giúp việc thu nhỏ mang lại hiệu năng miễn phí, nguyên nhân khiến quy luật này không còn đúng và cách máy tính nâng cao hiệu năng sau đó.
Thời đại càng nhỏ càng nhanh và sự kết thúc của nó
Bài báo năm 1974 từ phòng nghiên cứu IBM
Quy luật này được đặt theo tên Robert H. Dennard, một kỹ sư điện tại phòng nghiên cứu IBM ở Mỹ. Ông còn nổi tiếng là người đã nghĩ ra ô nhớ DRAM lưu trữ 1 bit bằng một transistor và một tụ điện. Phần lớn bộ nhớ chính trong máy tính và điện thoại thông minh ngày nay đều dựa trên cấu trúc này.
- Điểm khởi đầu (Original Paper): Năm 1974, Dennard cùng các đồng nghiệp công bố một bài báo về phương pháp thiết kế transistor MOSFET có kích thước rất nhỏ trên một tạp chí học thuật về mạch bán dẫn.
- Điều kiện cốt lõi (Constant Field Scaling): Họ đề xuất phương pháp giảm kích thước và điện áp theo cùng tỷ lệ để giữ cường độ điện trường bên trong transistor không đổi.
- Nguồn gốc tên gọi (Dennard Scaling): Về sau, quy luật thu nhỏ này được gọi là định luật thu nhỏ Dennard, theo tên tác giả thứ 1 của bài báo, hoặc định luật thu nhỏ MOSFET.
Nếu định luật Moore là một quan sát dự báo xu hướng thị trường và sản xuất, thì định luật thu nhỏ Dennard gần với một hướng dẫn thiết kế dựa trên các định luật vật lý, tính toán xem những gì sẽ thay đổi và thay đổi như thế nào khi thu nhỏ linh kiện.
Hiệu năng có được miễn phí nhờ thu nhỏ
Các phép tính của định luật thu nhỏ Dennard đơn giản hơn chúng ta tưởng. Giả sử ở mỗi thế hệ, chiều dài và chiều rộng của transistor được giảm còn khoảng 0.7 lần.
(1) Diện tích giảm còn một nửa
Khi chiều ngang và chiều dọc đều còn 0.7 lần, diện tích sẽ còn khoảng 0.5 lần. Điều này có nghĩa là có thể đặt số transistor nhiều gấp đôi trên một chip có cùng kích thước.
(2) Bật và tắt nhanh hơn
Khi kích thước nhỏ đi, thời gian để transistor bật rồi tắt một lần cũng giảm còn khoảng 0.7 lần. Vì vậy, với cùng một thiết kế, có thể nâng tốc độ hoạt động lên khoảng 1.4 lần.
(3) Mật độ công suất giữ nguyên
Công suất tiêu thụ của transistor gần đúng tỷ lệ thuận với điện dung × bình phương điện áp × tốc độ hoạt động. Vì điện dung và điện áp cùng giảm còn 0.7 lần, nên dù tăng tốc độ, công suất tiêu thụ của mỗi transistor vẫn giảm còn khoảng một nửa. Diện tích cũng giảm còn một nửa, do đó công suất tiêu thụ trên cùng một diện tích không thay đổi.
Nhờ vậy, mỗi lần thu nhỏ quy trình sản xuất sang một thế hệ mới, các nhà sản xuất chip có thể tăng gấp đôi số transistor và nâng tốc độ, trong khi công suất tiêu thụ và nhiệt lượng gần như giữ nguyên. Các nhà phát triển phần mềm cũng có thể hưởng lợi từ chương trình chạy nhanh hơn trên máy tính mới mà không cần thay đổi gì.
Bức tường công suất xuất hiện vào giữa những năm 2000
Quy luật này bắt đầu không còn đúng vào khoảng giữa những năm 2000. Nguyên nhân là dù vẫn có thể tiếp tục giảm kích thước, việc đồng thời hạ điện áp đã trở nên khó khăn.
Dòng điện rò rỉ ngay cả khi tắt
Khi transistor trở nên quá nhỏ, dòng điện rò (Leakage Current), tức dòng điện vẫn rò rỉ từng chút ngay cả khi transistor ở trạng thái tắt, đã tăng lên. Nếu tiếp tục hạ điện áp ngưỡng để transistor bật, dòng rò sẽ tăng mạnh, nên điện áp nguồn cũng khó giảm xuống dưới một mức nhất định. Vì điện áp không giảm, càng thu nhỏ thì nhiệt lượng sinh ra trên cùng một diện tích lại càng tăng.
Thời điểm cuộc đua tốc độ dừng lại
Khi chạm đến giới hạn khả năng làm mát, ngành công nghiệp gọi tình trạng này là “bức tường công suất (Power Wall)”. Năm 2004, Intel hủy kế hoạch phát triển bộ xử lý thế hệ tiếp theo nhằm đạt tốc độ cao hơn, và từ đó tốc độ cơ bản của bộ xử lý máy tính để bàn nhìn chung duy trì quanh mức 4 gigahertz.
Cách nâng cao hiệu năng sau thời Dennard
Khi không thể tùy ý tăng tốc độ nữa, ngành máy tính đã thay đổi chính cách nâng cao hiệu năng.
(1) Đưa vào nhiều lõi
Bộ xử lý đa lõi, trong đó nhiều lõi xử lý được đặt trên cùng một chip để chia nhau công việc, đã trở nên phổ biến. Tuy nhiên, nếu công việc không thể chia nhỏ, hiệu quả của việc tăng số lõi sẽ bị hạn chế, nên chương trình cũng phải được viết để chạy song song thì hiệu năng mới tăng.
(2) Dùng mạch chuyên dụng phù hợp với công việc
Các mạch chuyên dụng thực hiện một số tác vụ cụ thể với hiệu suất rất cao, như bộ xử lý đồ họa (GPU) hay chip tính toán trí tuệ nhân tạo, ngày càng phổ biến. Đó là vì muốn thực hiện nhiều phép tính hơn với cùng mức công suất, việc hy sinh một phần tính đa dụng sẽ có lợi hơn.
(3) Chỉ bật những phần cần thiết thay vì bật tất cả
Năm 2011, các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng do giới hạn công suất, không thể cho toàn bộ transistor trên chip cùng hoạt động ở mức tối đa và phải tắt một phần; họ gọi những vùng tạm nghỉ như vậy là silicon tối (Dark Silicon). Vì thế, chip ngày nay tiết kiệm điện bằng cách ngắt nguồn các phần không sử dụng và chỉ tăng tốc trong thời gian ngắn khi cần.
Định luật thu nhỏ Dennard cho thấy cả lý do vì sao từng có một thời đại mà chỉ cần thu nhỏ là mọi thứ đều tốt hơn, lẫn lý do thời đại đó kết thúc. Việc điện thoại thông minh và trung tâm dữ liệu ngày nay xem hiệu quả sử dụng điện là chỉ số quan trọng nhất cũng bắt nguồn từ bài toán mà quy luật này để lại.
Khi hiệu năng miễn phí đã chấm dứt, suy nghĩ về cách phân bổ công suất chính là bước đầu tiên của điện toán trong thời đại hậu Dennard.
