Bài học vỡ lòng về vi xử lý trên di động

Đã không còn cái thời điện thoại chỉ dùng để nghe và gọi như cách đây hơn một thập kỷ. Sự phát triển nhanh của công nghệ đã khiến cho những thiết bị nhỏ bé mà chúng ta hay cầm trên tay ngày nay có thể đảm nhận được nhiều chức năng hơn dành cho người dùng như xem phim, nghe nhạc, chụp ảnh, lướt web. Có thể nói điện thoại đã đi quá mục đích ban đầu mà con người đã tạo cho chúng.

Chính vì vậy mà smartphone ngày nay cũng theo đó mà trở nên phức tạp hơn nhiều với vô số linh kiện bên trong. Nói không ngoa thì điện thoại thông minh có cấu trúc chẳng khác nào một chiếc máy tính thu nhỏ với vi xử lý, RAM …Không chỉ vậy những linh kiện này cũng rất đa dạng và phong phú nhằm thỏa mãn nhiều mục đích của nhà phát triển cho các phân khúc khác nhau. Bài viết này sẽ đem đến một cái nhìn rõ ràng hơn về những vi xử lý phổ biến trên các thiết bị di động.

SoC và ARM

Do sự phát triển của công nghệ bán dẫn cũng như nhu cầu sử dụng trên các thiết bị di động vốn bị giới hạn về kích thước nên các nhà sản xuất đã đưa ra khái niệm System on Chip (SoC). Đây là hệ thống hệ thống được xây dựng trên ý tưởng tích hợp tất cả các thành phần của một hệ thống máy tính lên trên một vi mạch đơn (hay còn gọi là một chip đơn). Hệ thống SoC này có thể bao gồm các khối chức năng số, tương tự (analog), tín hiệu kết hợp (mixed-signal) và cả các khối tần số radio (RF). Ứng dụng điển hình của các hệ thống trên một vi mạch là các hệ thống nhúng. Các thiết kế SoC thường tiêu tốn ít năng lượng và có giá thành thấp hơn các hệ thống đa chip nếu so sánh cùng một thiết kế.

Chắc hẳn bạn đã nghe nhiều đến cái tên ARM. Cấu trúc ARM (viết tắt từ tên gốc là Acorn RISC Machine) là một loại cấu trúc vi xử lý 32-bit kiểu RISC được sử dụng rộng rãi trong các thiết kế nhúng. Do có đặc điểm tiết kiệm năng lượng, các bộ CPU ARM chiếm ưu thế trong các sản phẩm điện tử di động, mà với các sản phẩm này việc tiêu tốn công suất thấp là một mục tiêu thiết kế quan trọng hàng đầu.

Ngày nay, hơn 75% CPU nhúng 32-bit là thuộc họ ARM, điều này khiến ARM trở thành cấu trúc 32-bit được sản xuất nhiều nhất trên thế giới. CPU ARM được tìm thấy khắp nơi trong các sản phẩm thương mại điện tử, từ thiết bị cầm tay (PDA, điện thoại di động, máy đa phương tiện, máy trò chơi cầm tay, và máy tính cầm tay) cho đến các thiết bị ngoại vi máy tính (ổ đĩa cứng, bộ định tuyến để bàn.). Có rất nhiều các công ty sản xuất SoC như Nvidia, Texas Instruments (TI) và Samsung mua lõi xử lý do ARM sản xuất và phát triển để đưa vào các chipset tích hợp (với GPU, bộ nhớ và nhiều thứ khác) của họ.

Những hệ thống SoC phổ biến

Có rất nhiều vi xử lý được sử dụng trên các thiết bị di động đến nỗi mà người dùng thường bị ngợp bởi cái tên của chúng mà không thực sự hiểu gì về hiệu năng cũng như cấu trúc. Dưới đây là một số vi xử lý phổ biến được sử dụng trên các thiết bị di động.

1. SoC của Apple

Khác với các hãng khác, SoC của Apple chỉ có thể bắt gặp ở các sản phẩm của Táo Khuyết mà không phải là hãng nào khác. Tuy vậy trên thực tế Apple vẫn sử dụng những hệ thống SoC từ Samsung nhưng dưới những cái tên khác nhau như A4 hay A5. Hiện nay, vi xử lý của Apple đã phát triển đến thế hệ A6 được trang bị trên iPhone 5 hay A6X trên iPad 4.

Nhìn chung, có thể tóm tắt sơ lược lịch sử phát triển vi xử lý trên các dòng sản phẩm iPhone và iPad như sau:

- iPhone 3GS: Cortex – A8.
- iPhone 4 và iPad: A4.
- iPhone 4S và iPad 2: A5 lõi kép.
- new iPad: A5X lõi kép.
- iPhone 5: A6 lõi kép.
- iPad 4: A6X.

Kết quả Geekbench đã chứng minh bộ vi xử lý A6 có hiệu năng cao gấp 2 lần so với chip A5 trên iPhone 4S như Apple đã giới thiệu. Ngay cả bộ vi xử lý A5X mạnh mẽ dùng trong new iPad cũng không thể cạnh tranh với chip A6. Đây là điều dễ hiểu vì A5X chỉ được cải thiện hiệu suất của GPU trong A5.

Chip Apple A6 sử dụng CPU 2 lõi cấu trúc ARMv7 có xung nhịp 1 GHz cùng 1GB RAM. Chip A6 có thể đánh bại các bộ vi xử lý lõi tứ Cortex-A9 và CPU nhân Krait lõi kép chạy ở xung nhịp 1.5GHz. Trong khi đó thì A6X cũng là một bước tiến đáng kể so với A5X khi được gia tăng khả năng xử lý đồ họa lên 50%.

2. Tegra của nVidia

SoC của nVidia phổ biến với hai thế hệ là Tegra 2 và Tegra 3 nhưng hiện nay Tegra 3 đang được sử dụng ngày một nhiều trong các thiết bị di động hơn. Được NVIDIA giới thiệu tại CES2010 tức là khoảng đầu tháng 01 năm 2010, nhưng sau 1 năm xi xử lý hai nhân Tegra 2 gần như mới chính thức xuất hiện trên các thiết bị di động.

Cũng trong năm đó, cụ thể vào ngày 9/11/2011, Nvidia đã cho ra mắt chip xử lý Tegra 3, bộ xử lý lõi tứ đầu tiên dành cho máy tính bảng và điện thoại thông minh. Nvidia cho biết Tegra 3 có hiệu năng tốt hơn gấp 5 lần so với Tegra 2. Về cơ bản thì Tegra 3 chính là SoC lõi tứ đầu tiên trên các thiết bị di động với vi xử lý Cortex A9 được gia tăng xung nhịp từ 1.2 đến 1.3 Ghz nhằm đảm đương các tác vụ đòi hỏi nhiều sức mạnh xử lý.

Theo đó, Tegra 3 được tích hợp vi xử lý 4 lõi và được trang bị trên nhiều sản phẩm như HTC One X hay Asus Transformer Prime. Thực chất Tegra 3 sở hữu tới 5 lõi bởi ngoài bốn lõi Cortex-A9 bình thường thì Tegra 3 còn được trang bị thêm lõi Cortex-A9 thứ năm để hoạt động trong các tác vụ không đòi hỏi nhiều sức mạnh xử lý nhằm tiết kiệm năng lượng. Lõi thứ năm của Tegra 3 có tốc độ 500 MHz và được thiết kế để xử lý các tác vụ nền để tiết kiệm pin hơn.

3. Snapdragon của Qualcomm

Qualcomm không sử dụng hoàn toàn thiết kế của ARM mà thay vào đó dựa vào nền tảng ARM Cortex-A8 để đưa vào các SoC Snapdragon của chính mình. Thông thường, các vi xử lý của Qualcomm có hiệu năng khá tốt cũng như tiêu thụ ít điện năng. Snapdragon được phát triển qua nhiều thế hệ từ S1 cho đến S4. Ở thời điểm hiện tại, Snapdragon S4 được sử dụng khá nhiều trên các smartphone cao cấp như Optimus G, Sky Vega R3, HTC One S, Lumia 920, Lumia 820…

Các SoC Snapdragon được đặt tên bằng cách sử dụng 3 ký tự cùng với dãy 4 con số phía sau. Các ký tự được dùng với Snapdragon gồm QSD (chỉ dùng với dòng S1 cũ), MSM với những thiết bị có kết nối không dây và APQ với thiết bị không có kết nối không dây. Về bốn con số, số đầu tiên (ví dụ 8xxx) thể thiện thứ hạng, trong đó 8 nghĩa là vi xử lý dùng trên thiết bị cao cấp và trung cấp, còn 7 là dùng trên thiết bị thấp cấp. Số thứ hai (ví dụ x2xx) dùng để phân biệt thiết bị GSM hoặc CDMA (số 2 là thiết bị GSM và 6 là CDMA). Hai số cuối cùng thường là đề cập về hiệu năng của vi xử lý: ví dụ MSM8255 là vi xử lý lõi đơn S2 1 GHz, còn MSM8260 là vi xử lý lõi kép S3 1.2 GHz.

Dòng Snapdragon S4 không sử dụng vi xử lý Scorpion như các thế hệ trước mà thay vào đó là vi xử lý Krait mới của Qualcomm có khả năng tăng số lõi trong SoC lên tới bốn lõi với tốc độ lên tới 2.5 GHz mỗi lõi cũng như được sản xuất trên quy trình 28nm mới. Chính vì thế mà S4 được cải thiện rất lớn về hiệu năng cũng như tiêu hao ít điện năng hơn. Đó là lý do mà nhiều nhà sản xuất đã sử dụng SoC này trên những sản phẩm cao cấp của mình.

4. Exynos của Samsung

Cũng giống như Apple, Samsung chuyên dùng các SoC Exynos để trang bị cho các sản phẩm của mình.

SoC Exynos đầu tiên của Samsung được biết đến với tên gọi Samsung Hummingbird (hoặc Samsung Exynos 3310) và được sử dụng trong điện thoại Samsung Galaxy S. Exynos 3310 được sản xuất trên quy trình 45nm và chứa một vi xử lý ARM Cortex-A8 lõi đơn 1 GHz cùng với vi xử lý đồ họa PowerVR SGX540 rất mạnh ở thời điểm đó. Điều ngạc nhiên là Exynos 3310 hỗ trợ độ phân giải full-HD 1080p, khả năng thường không có trong các SoC dùng vi xử lý lõi đơn từ các hãng khác (thường chỉ hỗ trợ tối đa là 720p).

Exynos 4210 là thế hệ thứ hai của Exynos có sự cải thiện về tốc độ xử lý lên ARM Cortex-A9 lõi kép cùng với GPU ARM Mali-400 MP4. SoC này ban đầu được thiết kế để chạy ở tốc độ 1 GHz nhưng khi được đưa vào Galaxy S II thì tốc độ xử lý đã tăng lên 1.2 GHz và sau đó tăng lên 1.4 GHz trong chiếc Galaxy Note. Bạn sẽ thấy Exynos 4210 xuất hiện trong máy tính bảng Galaxy Tab 7.7.

Exynos 4210 lõi kép không chỉ cải thiện mạnh về tốc độ so với 3310, nó còn tích hợp các tính năng khác như GPS, HDMI và USB Host. Dòng OMAP này không hỗ trợ khả năng hiển thị và ghi hình ảnh 3D.

Ở một số siêu phẩm gần đây cử như Galaxy S III và Galaxy Note II, hãng điện tử xứ Kim Chi đã sử dụng đến Exynos 4412 là một nâng cấp nhỏ so với 4210. Samsung cho biết, con chip SoC thế hệ mới của họ được sản xuất trên tiến trình 32nm High-K Metal Gate (HKMG) tiên tiến hơn so với thế hệ trước, giúp tiết kiệm điện năng khoảng 30%.

Bên cạnh có tốc độ xung nhịp nhanh hơn Exynos 4210, Samsung còn trang bị cho con chip xử lý này một GPU mạnh mẽ, mang tới khả năng xử lý đồ họa 3D cao hơn tới 50% so với thế hệ trước.

Hiện tại thì Samsung đang thử nghiệm Exynos 5250 tích hợp các bộ vi xử lý ARM Cortex-A15 lõi kép 2 GHz cùng với vi xử lý đồ họa Mali cải tiến, hỗ trợ 3D, màn hình độ phân giải 2560 x 1600 (WQXGA) cũng như cải thiện chất lượng camera.

Theo Genk