Định luật Moore: 50 năm dẫn đường cho nhân loại

50 năm trước, nhà sáng lập của Intel đưa ra một tiên đoán rằng cứ 2 năm một lần, tốc độ xử lý của máy tính sẽ được tăng gấp 2 lần. Bạn có biết rằng, nếu không có Định luật Moore, thế giới của ngày hôm nay sẽ không có smartphone và thậm chí cũng không có... Internet?

Vào năm 1965, Gorden Moore, nhà sáng lập của Intel đưa ra quan sát rằng "Qua từng năm, số lượng chip bán dẫn trong mạch tích hợp sẽ được tăng lên 2 lần". Điều mà ông Moore có lẽ đã không dự tính đến là lời tiên đoán vô cùng lạc quan của ông lúc đó giờ đã trở thành kim chỉ nam cho cả thế giới: cứ 2 năm một lần, khả năng tính toán của các dòng vi xử lý buộc phải tăng gấp đôi. Nếu điều này không diễn ra, các thiết bị công nghệ sẽ mất đi khả năng hiện thực hóa sáng tạo của con người, dẫn đến sự trì trệ cả về công nghệ lẫn kinh tế và xã hội.

Quang cảnh nhà máy Ronler Acres của Intel.

Khi được hỏi điều gì sẽ xảy ra nếu như 50 năm trước, Gordon Moore không đưa ra quan sát nói trên, Adrian Valenzuela, giám đốc marketing tại Texas Instruments khẳng định: "Hậu quả sẽ là khủng khiếp tới mức tôi không thể diễn đạt bằng lời". Jeff Bokor, giáo sư kỹ thuật điện và khoa học máy tính tại Đại học California, gói gọn lại kịch bản này bằng một từ duy nhất: "Thảm họa".

Bạn có thể cảm thấy khó tin, song sự thật là "Chưa một phát minh nào của con người có thể mô tả được tốc độ phát triển trong tương lai" như Định luật Moore (trích lời tác giả Michael Malone trong một cuốn sách nói về Intel). Bất kể bạn là fan của những chiếc iPhone nhỏ gọn hay của những chiếc tablet Android giá dưới 200 USD, bạn đều cần phải cảm ơn Gordon Moore.

Trong tuần vừa qua, định luật Mooore chính thức kỷ niệm 50 năm ngày ra đời. Trước khi cùng ghi nhận ý nghĩa lịch sử của định luật này, hãy nhìn lại lịch sử của Định luật Moore và gạt đi một số hiểu biết hoàn toàn sai lầm về một định luật đã góp phần tạo ra cuộc sống số của chúng ta ngày nay.

Gordon Moore.

Một "định luật" phải mất tới 10 năm mới có tên gọi

Thực tế, từ "định luật" trong tên gọi "Định luật Moore" không mang cùng một ý nghĩa với từ "định luật" trong tên gọi "định luật Newton" hay "định luật Gauss". Vào năm 1965, trong một bài báo có tiêu đề "Đưa thêm nhiều thành phần vào mạch tích hợp" cho tạp chí Electronics, Gordon Moore đưa ra tiên đoán rằng số lượng thành phần (bóng bán dẫn) trong các mạch tích hợp – bộ não của máy tính – sẽ tăng gấp đôi sau mỗi năm. Khoảng 1 thập kỷ sau, tiến sĩ Moore thay đổi lại kết luận của mình, theo đó số lượng bóng bán dẫn sẽ phải mất 2 năm để tăng gấp đôi - con số "18 tháng" được nhiều người đưa ra chưa bao giờ tồn tại trên Định luật Moore.

Ban đầu, quan sát nói trên của Gordon Moore vẫn chưa có tên gọi chính thức. Phải đến tận năm 1975, Carver Mead, một giáo sư tại Viện Công nghệ California và cũng là người đã từng làm việc cùng Moore tại Viện Kỹ thuật Điện và Điện tử Hoa Kỳ mới chính thức đưa ra tên gọi "Định luật Moore". "Đó là một cái tên tồn tại lâu hơn bất kỳ thứ gì người ta có thể dự tính vào thời điểm đó", Gordon Moore hồi tưởng lại trong một cuộc phỏng vấn vào đầu năm nay.

Đối tượng đề cập của Định luật Moore là các transistor (bóng bán dẫn/điện trở chuyển) – các linh kiện điện tử chỉ có 2 trạng thái "bật" và "tắt" đối với tín hiệu điện. Nhờ có các transistor (ban đầu là bóng đèn, và sau này là các transitor silicon), các thiết bị điện tử có thể thực hiện xử lý thông tin và hoàn thiện các tác vụ được con người giao phó. Không ai có thể phủ nhận được rằng, các chip bán dẫn là "bộ não" của laptop, smartphone, tablet và tất cả các thiết bị điện tử đang đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống của bạn. Định luật Moore là định luật duy nhất giúp cho các "bộ não" đó ngày càng trở nên thông minh hơn: khi số lượng bán dẫn trên một con chip càng nhiều, tốc độ xử lý thông tin của con chip đó sẽ càng gia tăng.

Lịch trình ra mắt sản phẩm của Intel luôn tương ứng với Định luật Moore.

Một lời tiên tri, một mục tiêu theo đuổi

Trong suốt 50 năm vừa qua, Định luật Moore không chỉ là một lời tiên tri về tốc độ phát triển của ngành công nghệ sản xuất vi xử lý: các nhà sản xuất chip buộc phải tìm cách để giữ cho Định luật Moore luôn luôn đúng. Để làm được điều này, họ phải tìm ra các chu trình sản xuất giúp giảm thiểu kích cỡ của các transitor. Ban đầu, các bóng bán dẫn có kích cỡ vài centimet. Đến giờ, trên các dòng chip mới nhất, kích cỡ của một transistor thậm chí còn nhỏ hơn cả một con virus sinh học. Mục tiêu này vẫn tiếp tục được các nhà sản xuất vi xử lý như Intel và Samsung theo đuổi: mới gần đây, Samsung đã ra mắt chip di động 14nm đầu tiên trên chiếc Galaxy S6.

Song, kích cỡ bán dẫn không phải là điều đáng nói nhất khi nhắc tới Định luật Moore: ý nghĩa quan trọng nhất của Định luật này là các thiết bị điện tử của con người sẽ ngày càng trở nên thông minh hơn theo một chu kỳ ổn định.

Khi đặt Định luật Moore trở thành một mục tiêu theo đuổi, con người đã đạt được những thành tựu vô cùng ấn tượng trong suốt 50 năm qua. Ví dụ, vi xử lý Texas Instruments được đặt trong hệ thống định tuyến của xe hơi Ford ngày nay mạnh hơn vi xử lý trên máy tính LVDC đã từng giúp Louis Amstrong và đồng sự đặt chân lên Mặt trăng tới... 1,8 triệu lần. Sức mạnh xử lý ngày càng tăng và kích cỡ của thiết bị điện tử ngày càng giảm xuống: chiếc iPhone 6 hiện nay có khả năng tính toán cao gấp 1 triệu lần những chiếc máy tính IBM của năm 1975, vốn là những cỗ máy có kích cỡ to bằng cả một căn phòng.

So với những chiếc máy vi tính thời kỳ đầu, smartphone thời nay thực sự là một phép màu kỳ diệu.

Cùng lúc, giá thành sản xuất của chip bán dẫn ngày càng được cắt giảm, giúp cho người tiêu dùng phổ thông có thể chạm tay tới các thiết bị đã từng được coi là "xa xỉ phẩm". Cách đây 20 năm, máy tính để bàn có giá hàng nghìn đô la, nhưng đến bây giờ, một chiếc laptop chạy Windows có thể chạm tới mức giá dưới 500 đô la (khoảng 10 triệu đồng). Đặt ngược lại vấn đề, chính tốc độ tiêu thụ thiết bị điện tử như ngày hôm nay đã giúp cho ngành công nghệ bán dẫn đạt tới trị giá 300 tỷ USD.

Chiếc đồng hồ đếm nhịp cho cả nhân loại

Yếu tố thời gian trong Định luật Moore là nhân tố duy nhất làm nên sự khác biệt giữa ngành công nghệ cao và các ngành công nghiệp khác. Khi đã xác định được rằng tốc độ xử lý (tính bằng số lượng bán dẫn trên một con chip) sẽ tăng gấp đôi theo tần suất 2 năm/lần, toàn bộ ngành công nghệ cao, từ các công ty sản xuất thiết bị điện gia dụng cho đến các công ty sản xuất thiết bị chế tạo vi xử lý, đều xác định được "nhịp" sáng tạo, cải tiến mà họ cần phải theo đuổi.

Galaxy S6, thiết bị điện tử đầu tiên có chip bán dẫn 14nm.

Nếu không thể làm được điều này, các công ty sẽ bị bỏ lại phía sau: "Thay vì trở thành một định luật mô tả tiến trình phát triển của ngành công nghệ, Định luật Moore đã trở thành động lực cho ngành công nghiệp này", Gordon Moore khẳng định. Mang cùng một quan điểm với Moore là Tsu-Jae King Liu, một giáo sư vi điện tử tại Đại học UC Berkeley: "Đây là một lời tiên tri được con người theo đuổi, và bởi vậy, nó trở thành một định luật".

Điều gì sẽ xảy ra nếu như 50 năm trước Gordon Moore không đưa ra quan sát này? Trong kịch bản đó, có thể, các phát minh công nghệ của con người sẽ bị tụt hậu hàng chục năm. Chúng ta đã quá quen với quan niệm rằng các thiết bị công nghệ sẽ ngày một tốt hơn, nhanh hơn và rẻ hơn. Nếu như định luật Moore không ra đời để thúc đẩy tốc độ sáng tạo của con người, rất có thể "Internet đã là bất khả thi", theo Genevieve Bell, một chuyên gia nghiên cứu tại Intel. Facebook sẽ không tồn tại, YouTube có lẽ sẽ xuất hiện trên... băng từ, và smartphone có lẽ thậm chí còn chưa ra đời.

Thực tế, kịch bản này không phải là quá khó để tưởng tượng. Định luật Moore không tồn tại trong các ngành công nghiệp khác, và bởi vậy các ngành này cũng mất rất nhiều thời gian để phát triển và tận dụng các ý tưởng, công nghệ mới. Ví dụ điển hình nhất là ngành sản xuất xe hơi: động cơ xăng đốt trên xe hơi gần như không thay đổi từ thời kỳ Henry Ford cho đến nay. Trong khoảng 2 năm gần đây, với sự thúc đẩy từ Elon Musk – một tỷ phú đến từ ngành công nghệ (PayPal), các nhà sản xuất xe hơi mới bắt đầu để ý tới một loại động cơ mới hoàn toàn (động cơ điện).

Tesla vươn lên nhanh chóng nhờ sở hữu mô hình sáng tạo của ngành IT thay cho ngành xe hơi truyền thống.

Tương tự như vậy, lý do khiến cho thời lượng pin trên smartphone của bạn trong nhiều năm vừa qua gần như không thay đổi là bởi các công nghệ pin không thể bắt kịp với tốc độ phát triển của vi xử lý. "Có rất ít ngành công nghệ có được hình dung rõ ràng về mức độ cải thiện chất lượng và các lợi ích về giá trong vòng 2 năm", H.S. Philip Wong, một giáo sư tại ĐH Standford cho biết.

Song, điều này vẫn không ngăn cản Định luật Moore thay đổi toàn bộ cục diện thế giới. Tốc độ xử lý tăng chóng mặt giúp cho những điều trước đây là không thể giờ trở thành có thể: con người đã xây dựng được các trạm vũ trụ đồ sộ, xây dựng được các kính viễn vọng để đi tìm các dải ngân hà mới. Ngay cả các kịch bản khoa học viễn tưởng như xe hơi tự lái hay drone dân dụng giờ cũng không còn xa vời. Đáng kể nhất là cuộc cách mạng công nghệ ngay trong cuộc sống của con người (máy vi tính cá nhân, smartphone) hay trong các lĩnh vực y tế (máy trợ tim sạc không dây). Cuối cùng, tốc độ xử lý gia tăng cho phép các siêu máy tính có thể góp phần mang lại các giải pháp cải tiến chu trình sản xuất, các nghiên cứu kinh tế có thể thay đổi cục diện xã hội.

Cái chết của Định luật Moore?

Intel Core M, giải pháp của Intel dành cho thời đại tablet và laptop mỏng, nhẹ.

Cho dù tầm ảnh hưởng của Định luật Moore trong 50 năm qua là không thể phủ nhận được, trong những năm gần đây nhiều chuyên gia công nghệ đã lên tiếng cảnh báo về "cái chết" cận kề của định luật này. Ví dụ, kể từ năm 2012, chi phí sản xuất chip  bán dẫn silicon bỗng dưng gia tăng do các nghiên cứu nhằm gia tăng tốc độ xử lý ngày càng đòi hỏi các khoản đầu tư "nặng ký" hơn trước đây. Đáng lo ngại hơn, silicon ngày càng tiến gần đến các giới hạn vật lý, đe dọa trực tiếp tới nhịp sáng tạo "tăng gấp đôi 2 năm một lần" đã ăn vào tiềm thức của thế giới hi-tech. Điều này có nghĩa rằng tốc độ phát triển của nhân loại trên các lĩnh vực kinh tế, khoa học cũng sẽ bị đe dọa.

Song, các nhà khoa học đã nhanh chóng tìm được giải pháp để mang lại cho Định luật Moore một sức sống mới: Gallium Nitride (GaN). Khi silicon ngày càng tiến gần tới điểm giới hạn và gia tăng chi phí, các thành tựu đạt được với GaN hứa hẹn cho phép các vi xử lý của tương lai giữ nguyên được nhịp phát triển hiện tại. Ngay cả các bán dẫn GaN ngày hôm nay đã có hiệu năng cao gấp 10 lần silicon.

Sự ra đời của GaN có ý nghĩa thiết thực hơn bao giờ hết, bởi con người đang đứng trong một giai đoạn chuyển tiếp đòi hỏi Định luật Moore phải tiếp tục được giữ nguyên trong ít nhất là 10 năm tới. Trong những năm vừa qua, thế giới chứng kiến số lượng thiết bị thông minh gia tăng đáng kể thông qua cuộc cách mạng smartphone. Khi cuộc cách mạng này vừa có dấu hiệu chậm lại, trào lưu Internet of Things lại tiếp tục xuất hiện. Để ý tưởng Internet of Things có thể trở thành hiện thực, yêu cầu giảm kích cỡ, giảm giá thành và tăng tốc độ xử lý của chip bán dẫn càng trở nên gay gắt. Cùng lúc, sự bùng nổ của các mạng xã hội và mô hình điện toán đám mây đòi hỏi các máy chủ tương lai càng ngày càng mạnh mẽ để xử lý các khối lượng dữ liệu khổng lồ do con người tạo ra.

Chip Curie được Intel ra mắt vào tháng 1 tại CES 2015.

Intel đã và đang đón đầu tương lai. Tại hội chợ CES diễn ra tại Las Vegas vào tháng 1 vừa qua, nhà sản xuất vi xử lý số 1 thế giới ra mắt Curie – một module điện toán có kích cỡ chỉ bằng khuy áo để trang bị cho các thiết bị đeo thông minh. Dù doanh số PC đã liên tục giảm sút trong những năm vừa qua, các dòng chip của Intel vẫn là lựa chọn đầu tiên mà người tiêu dùng cùng các doanh nghiệp nghĩ đến.

Song, di sản lớn nhất của Intel dành cho nhân loại không phải là các mẫu vi xử lý. Đó là "Định luật Moore", một định luật được giáo sư Wong ví với "nước và không khí": "Chúng ta không thể tồn tại nếu như không còn Định luật Moore".

• Đi tìm "hậu duệ" của định luật Moore
• Intel: Transistor 3 cửa củng cố định luật Moore