Năm 1971, bộ vi xử lý Intel 4004 chứa 2.300 transistor. Năm 2024, GPU Blackwell của NVIDIA chứa 208 tỷ transistor. Mức tăng khoảng 90 triệu lần ấy thường được gắn với một cái tên: định luật Moore, quan sát rằng số transistor trên một con chip tăng gấp đôi khoảng mỗi hai năm.

Dù mang tên định luật, đây chỉ là một quan sát thực nghiệm, và từ khoảng năm 2010 nhịp gấp đôi đã chậm lại.

Gordon E. Moore năm 2004. Năm 1965, khi còn là giám đốc nghiên cứu của Fairchild Semiconductor, ông viết bài báo đặt nền cho "định luật Moore"

Từ một bài báo năm 1965

Năm 1965, tạp chí Electronics mời Gordon Moore, khi đó phụ trách nghiên cứu tại Fairchild Semiconductor, dự đoán ngành bán dẫn trong 10 năm tới. Bài viết Cramming more components onto integrated circuits nhận xét số linh kiện trên một mạch tích hợp, ở mức chi phí thấp nhất, đã tăng khoảng gấp đôi mỗi năm, và ông ngoại suy rằng tới năm 1975 một con chip có thể chứa 65.000 linh kiện.

Năm 1975, tại hội nghị IEEE International Electron Devices Meeting, Moore điều chỉnh dự báo: sau khoảng năm 1980, nhịp tăng sẽ chậm lại thành gấp đôi mỗi hai năm. Con số 18 tháng hay bị trích dẫn thực ra đến từ David House, một lãnh đạo Intel, khi ông ước tính hiệu năng chip sẽ gấp đôi sau mỗi 18 tháng.

Bản vẽ bố trí mạch của Intel 4004 (1971), con chip chứa 2.300 transistor trên diện tích 12 mm², chụp tại Vintage Computer Festival Berlin

Theo Britannica, từ cuối thập niên 1940 đến đầu thập niên 2010, transistor điển hình đã thu nhỏ từ cỡ milimét xuống vài chục nanomét, tức hơn 100.000 lần.

Những dấu hiệu chậm lại

Đi kèm định luật Moore là Dennard scaling: transistor nhỏ đi thì mật độ công suất gần như không đổi, nên chip mới chạy nhanh hơn mà không nóng thêm. Hiệu ứng này chấm dứt vào giữa thập niên 2000 vì dòng rò, khiến ngành chuyển sang chip nhiều nhân.

• Hiệu năng đơn nhân: theo số liệu của John Hennessy và David Patterson, tăng 52% mỗi năm giai đoạn 1986-2003, 23% mỗi năm giai đoạn 2003-2011 và chỉ còn khoảng 7% mỗi năm giai đoạn 2011-2018.
• Năm 2015: CEO Intel khi đó là Brian Krzanich nói nhịp của hãng "gần với hai năm rưỡi hơn là hai năm".
• Tháng 9/2022: CEO NVIDIA Jensen Huang cho rằng định luật Moore đã chết, vài ngày sau CEO Intel Pat Gelsinger khẳng định điều ngược lại.
• Cuối năm 2023: chính Gelsinger thừa nhận số transistor giờ chỉ gấp đôi "gần mỗi ba năm".

Sơ đồ minh họa: số transistor trên một chip theo thang logarit, so với đường gấp đôi mỗi 2 năm kéo từ Intel 4004

Giới hạn vật lý nằm ở đâu

Quảng cáo

Khi transistor nhỏ đến vài nanomét, cổng điều khiển khó chặn dòng điện hoàn toàn. Wikipedia tổng hợp ba rào cản chính: dòng rò giữa cực nguồn và cực máng, giới hạn của kim loại làm cổng và rất ít lựa chọn vật liệu kênh dẫn.

Ngành bán dẫn đối phó bằng cách thay đổi hình dạng transistor. Năm 2012, Intel đưa transistor FinFET dạng vây 3D vào tiến trình 22 nm, cổng ôm kênh dẫn từ ba phía. Bước tiếp theo là transistor cổng bao quanh (GAA), trong đó cổng bọc kín các tấm kênh dẫn mỏng xếp chồng. Lưu ý tên tiến trình như "2 nm" không còn tương ứng với kích thước thật của transistor.

Ngay từ năm 2005, Moore đã nói dự báo này không thể kéo dài mãi: "Bản chất của hàm mũ là bạn cứ đẩy nó đi, rồi cuối cùng thảm họa xảy ra". Ông cũng cho rằng transistor đang tiến gần kích thước nguyên tử, một rào cản cơ bản. Giới hạn còn nằm ở tiền bạc: theo "định luật Moore thứ hai" (định luật Rock), chi phí xây nhà máy bán dẫn cũng tăng theo hàm mũ, còn giá thiết bị chính như máy quang khắc EUV tăng gấp đôi sau khoảng mỗi 4 năm.

Tình hình tính đến tháng 10/2026

• TSMC N2: tiến trình 2 nm đầu tiên dùng transistor dạng nanosheet của TSMC, bắt đầu sản xuất hàng loạt trong quý 4/2025 tại Tân Trúc và Cao Hùng. TSMC lên lịch sản xuất N2P và A16 (có đường cấp điện mặt sau) vào nửa cuối năm 2026, A14 vào năm 2028.
• Intel 18A: kết hợp transistor GAA RibbonFET và cấp điện mặt sau PowerVia. Chip Panther Lake (Core Ultra Series 3) là sản phẩm đầu tiên, xuất xưởng những đơn vị đầu vào cuối năm 2025 và bán rộng rãi từ tháng 1/2026.
• NVIDIA Blackwell: 208 tỷ transistor trên tiến trình TSMC 4NP, nhưng gồm hai die, mỗi die to bằng giới hạn tối đa của khuôn in, nối với nhau bằng đường truyền 10 TB/s.

Một tấm wafer silicon đã in mạch. Mỗi ô vuông là một con chip, sau này được cắt rời và đóng gói

Blackwell cho thấy cách ngành đang đi tiếp: khi không thể in một die lớn hơn, các hãng ghép nhiều die trong một gói chip. Từ năm 2016, lộ trình bán dẫn quốc tế ITRS cũng không còn lấy định luật Moore làm trung tâm mà chuyển sang hướng "More than Moore", để nhu cầu ứng dụng dẫn dắt thiết kế chip.

Quảng cáo

Vì thế, câu trả lời phụ thuộc vào cách hiểu. Nếu là thu nhỏ transistor để giá giảm đều mỗi hai năm, nhịp đó đã chậm lại rõ từ khoảng năm 2010. Nếu là số transistor trong một con chip vẫn tăng theo hàm mũ, xu hướng ấy còn tiếp diễn, chỉ là bằng những cách tốn kém hơn.

Nguồn:

Wikipedia

,

Britannica

,

Computer History Museum

,

TSMC

,

Intel

,

Reuters

,

NVIDIA