Fujitsu bắt tay Broadcom, đưa công nghệ đóng gói chip 3D vào CPU Monaka 144 nhân cho trung tâm dữ liệu

Fujitsu vừa xác nhận sẽ sử dụng công nghệ xếp chồng chip 3D của Broadcom để phát triển Monaka, bộ xử lý 144 nhân hướng tới thị trường trung tâm dữ liệu. Đây là bước đi đáng chú ý từ hãng công nghệ Nhật Bản vốn đã có nhiều kinh nghiệm thiết kế CPU, từng gây tiếng vang với A64FX dựa trên kiến trúc Arm và góp phần đưa siêu máy tính Fugaku lên vị trí số một Top500 vào năm 2020. Tuy nhiên, Monaka không đi theo lối mòn cũ. Nếu A64FX nổi bật nhờ HBM, tức bộ nhớ băng thông cao được đặt ngay trên cùng gói chip để tăng tốc xử lý dữ liệu, thì Monaka lại chuyển sang kiến trúc thiên về SRAM, loại bộ nhớ siêu nhanh thường dùng làm bộ nhớ đệm cache.

Theo những thông tin được công bố, Monaka có cấu trúc khá giống triết lý của dòng AMD Genoa-X. Với Genoa-X, AMD dùng công nghệ 3D V-Cache để xếp thêm các chiplet SRAM 64 MB lên trên die xử lý, từ đó đẩy tổng dung lượng bộ nhớ đệm L3 lên hơn 1 GB ở cấu hình cao nhất. Monaka cũng theo hướng tương tự nhưng được tối ưu cho phạm vi ứng dụng rộng hơn trong datacenter. Cụ thể, chip sẽ gồm 4 die tính toán sản xuất trên tiến trình 2 nm, mỗi die tích hợp 36 nhân Armv9, nâng tổng số lên 144 nhân. Bên trên mỗi die tính toán là một chiplet SRAM sản xuất trên tiến trình 5 nm. Các khối này được kết nối thông qua một die I/O và bộ nhớ trung tâm bằng silicon interposer, tức một lớp đế silicon trung gian giúp liên kết nhiều die trong cùng một gói chip với mật độ rất cao.

Điểm then chốt của Monaka không chỉ nằm ở số nhân mà còn ở công nghệ đóng gói tiên tiến. Die I/O trung tâm của chip hỗ trợ 12 kênh DDR5, chuẩn bộ nhớ máy chủ phổ biến mới với băng thông cao hơn DDR4, cùng PCIe 6.0, giao tiếp tốc độ cực cao dành cho GPU, SSD và thiết bị tăng tốc. Tất cả được xây dựng trên nền tảng XDSiP 3.5D của Broadcom, ra mắt năm 2024. XDSiP là viết tắt của Extreme Dimension System in Package, có thể hiểu là một nền tảng đóng gói hệ thống trong một gói chip theo kiểu đa die, cho phép ghép nhiều khối xử lý, bộ nhớ và I/O thành một SoC lớn. SoC, hay System-on-Chip, là kiểu chip tích hợp nhiều thành phần chức năng trên cùng một cụm đóng gói để tối ưu hiệu năng và điện năng.

Một trong những điểm nổi bật nhất của XDSiP là kỹ thuật face-to-face hybrid bonding. Đây là phương pháp liên kết trực tiếp hai bề mặt chip với nhau bằng cả kết nối cơ học lẫn điện, giúp giảm khoảng cách truyền tín hiệu giữa các die xuống mức rất nhỏ. Kết quả là băng thông die-to-die, tức tốc độ trao đổi dữ liệu giữa các khối chip bên trong cùng gói, được cải thiện đáng kể, đồng thời giảm độ trễ và điện năng tiêu thụ. Trong bối cảnh các bộ xử lý hiện đại ngày càng phụ thuộc vào kiến trúc chiplet, nơi nhiều die nhỏ phối hợp thay cho một die đơn khổng lồ, công nghệ bonding như vậy trở thành yếu tố sống còn.

Cho đến gần đây, chỉ một số tên tuổi như AMD và Intel mới nắm trong tay công nghệ đủ trưởng thành để tạo ra những SoC đa die phức tạp kiểu này. Broadcom, vốn nổi tiếng trong mảng silicon thương mại và ASIC, đang muốn thay đổi cuộc chơi bằng XDSiP. ASIC là chip thiết kế riêng cho một mục đích hoặc khách hàng cụ thể, khác với CPU hay GPU đại trà. Theo Broadcom, Monaka chỉ là một trong khoảng nửa tá thiết kế đang được phát triển trên nền tảng này. Công ty cũng cho biết phần lớn các hợp đồng XDSiP hiện nghiêng về XPU, thuật ngữ dùng để chỉ các bộ xử lý tăng tốc tổng quát như GPU, NPU hay chip AI chuyên dụng, nhiều mẫu trong số đó tích hợp HBM ngay trên package.

Một chi tiết đáng chú ý là Fujitsu công khai việc sử dụng công nghệ của Broadcom, điều vốn khá hiếm trong ngành bán dẫn. Các khách hàng của Broadcom thường kín tiếng về việc họ tự phát triển phần nào và cấp phép IP, tức khối tài sản trí tuệ thiết kế chip, từ Broadcom ở phần nào. Trường hợp Google hợp tác với Broadcom trong các thế hệ TPU, bộ xử lý chuyên cho AI, là ví dụ điển hình: thị trường biết hai bên làm việc cùng nhau, nhưng ranh giới đóng góp kỹ thuật của mỗi bên thường không rõ ràng. Việc Fujitsu thẳng thắn nhắc tên Broadcom cho thấy vai trò của XDSiP trong Monaka có thể là rất quan trọng.

Broadcom cho biết những mẫu thử đầu tiên của SoC tính toán 2 nm dùng công nghệ này đã được xuất xưởng trong tuần, và Fujitsu là một trong các đối tác đầu tiên nhận sample. Dù vậy, thị trường sẽ chưa thể sớm thấy Monaka xuất hiện trong máy chủ thương mại. Theo lộ trình hiện tại của Fujitsu, con chip này chỉ ra mắt vào khoảng năm 2027. Điều đó phản ánh chu kỳ phát triển rất dài của các bộ xử lý datacenter cao cấp, nơi việc tối ưu hiệu năng, bộ nhớ, phần mềm và khả năng tương thích hệ sinh thái thường kéo dài nhiều năm.

Ngoài Monaka, Broadcom còn hé lộ xu hướng rõ rệt của thị trường là các thiết kế ngày càng khổng lồ, đặc biệt trong lĩnh vực AI. Khi ra mắt năm 2024, XDSiP hỗ trợ tối đa 12 stack HBM, tức 12 cụm bộ nhớ băng thông cao xếp chồng theo chiều dọc. Nay công ty cho biết các thiết kế vượt mốc 12 stack đã bắt đầu được phát triển. Điều này cho thấy thế hệ chip sắp tới có thể còn lớn hơn đáng kể so với những gì thị trường từng thấy ở AMD MI300X hay Intel Ponte Vecchio. Với nhu cầu huấn luyện và suy luận AI tiếp tục tăng mạnh, các giải pháp đóng gói 3D và 3.5D đang dần trở thành nền tảng cốt lõi cho cuộc đua hiệu năng trong trung tâm dữ liệu.