Cortex M7 – Át chủ bài mới của ARM

Cortex-M7 của ARM đã giải quyết được bài toán hiệu năng và mức tiêu thụ năng lượng, đưa dòng chip vi điều khiển MCU của ARM lên một tầm cao mới.

Thiết bị có khả năng nối mạng (IoT – Internet of Things) đang phát triển rất nhanh và theo ước tính cao gấp 5 lần so với tốc độ tăng trưởng của thị trường chip nhúng hiện nay. Lĩnh vực này còn đang rất mới mẻ và là miếng bánh béo bở cho các hãng công nghệ lớn. Chính vì vậy cũng không quá khó hiểu khi hàng loạt nhà sản xuất chip đều rất quan tâm và mong muốn có một vị trí nhất định trong thị trường này.

Sự tăng trưởng của chip ARM trong thị trường sản phẩm nhúng.

Mặc dù đây là lĩnh vực rất tiềm năng nhưng đồng thời cũng rất thách thức đối với nhiều nhà sản xuất vì họ sẽ không thể biết chắc chắc chính xác liệu có thể đáp ứng được các yêu cầu phát sinh hay không, và một trong những vấn đề mấu chốt cần phải giải quyết là mức tiêu thụ điện năng.

Mới đây, ARM đã giới thiệu rộng rãi đến các đối tác của mình dòng chip Cortex-M7 mới thuộc dòng vi điều khiển (MCU) Cortex-M series.Với sự ra mắt của M7, ARM hứa hẹn sẽ đẩy mạnh hiệu năng của dòng chip MCU để bắt kịp với sức mạnh của chip vi xử lí và sẽ giải quyết được vấn đề về tiêu thụ điện. ARM hi vọng thiết kế chip SoC mới nhất Cortex M7 sẽ được sử dụng phổ biến trong các thiết bị, đồng hồ thông minh và robot có khả năng nhận dạng, phản ứng nhanh theo tình huống. Ngoài ra, ARM cũng sẽ cấp phép sản xuất chip Cortex M7 cho các nhà sản xuất xe hơi, thiết bị y tế, thiết bị mạng và hệ thống lưu trữ.

Cấu trúc hệ thống thiết bị đeo thông minh.

IoT là thuật ngữ dùng để chỉ các đối tượng, vật thể, động vật hoặc con người có thể kết nối và truyền dữ liệu với nhau qua mạng Internet. Một số ví dụ điển hình của IoT là máy trợ tim được tích hợp chip cảm biến, trang trại sử dụng các cảm biến sinh học để theo dõi sức khỏe của vật nuôi hoặc cảm biến được gắn trên lốp xe để cảnh báo mỗi khi bị thủng. Những chip này sẽ theo dõi liên tục và gởi thông tin báo cáo trực tiếp đến người dùng thông qua mạng.

Hiện nay trên thế giới, dẫn đầu về lĩnh vực IoT cấp cao thì chỉ có duy nhất Intel với chip Quark.

Đối với dòng chip vi điều khiển (MCU) 8-bit và 16-bit được coi là dòng cấp thấp đang thống lĩnh thị trường này và có lợi thế về tiết kiệm điện năng, nhưng lại bị hạn chế về hiệu năng cũng như khả năng đáp ứng trước nhu cầu ngày càng cao của IoT và thiết bị đeo thông minh (Wearable device). Chính vì vậy, sự xuất hiện của Cortex-M7 đang cho thấy tham vọng lớn của ARM khi muốn chiếm luôn cả thị phần còn lại.

So sánh khả năng xử lí tín hiệu số (DSP) của Cortex-M7 với SoC khác (càng thấp càng tốt).

Cortex-M7 được định vị là dòng sản phẩm cao cấp đầy tiềm năng của ARM. Đây là dòng chip MCU 32-bit giúp tăng tốc thông dịch dữ liệu từ các cảm biến thành thông tin số. Nó tăng gấp đôi hiệu năng tính toán và DSP trong khi giảm thiểu mức tiêu thụ điện năng nhờ vào công nghệ sản xuất 28nm. Chip M7 hỗ trợ các thiết bị nhúng điều khiển giọng nói hoặc giao diện rich OS và còn được sử dụng trong các smartphone hoặc trên xe hơi để điều khiển các chức năng màn hình chạm và âm thanh phức tạp hơn. Theo ARM, trong nhiều trường hợp, một con chip M7 có thể thay thế chức năng của một nhóm chip vi điều khiển cấp thấp.

Cấu trúc Cortex-M7

Chip Cortex-M7 là một vi điều khiển 32-bit cao cấp nhất trong series Cortex-M của ARM cho đến hiện nay. Theo ARM, Cortex-M7 có DSP (Digital Signal Processing: Xử lí tín hiệu số) cao gấp đôi so với Cortex-M4 do đó có thể xử lí cùng lúc 2 tập lệnh, giúp cho M7 có thể hoạt động ở mức xung nhịp cao hơn.

DSP là một dạng xử lí tín hiệu số đặc biệt sử dụng cho các tác vụ phức tạp cùng lúc như giám sát động cơ tốc độ cao, xử lí các luồng dữ liệu âm thanh và hình ảnh đầu vào một cách hiệu quả.

Với khả năng xử lí 2 tập lệnh cùng lúc nên M7 có thể xử lí các phép tính phức tạp nhanh hơn rất nhiều. Vẫn chưa rõ là chúng sẽ được sử dụng cụ thể trong các thiết bị nào, nhưng theo nhiều nguồn tin thì phạm vi ứng dụng của Cortex-M7 rất rộng, từ điều khiển mô tơ chuyển động trong rô-bốt, máy bay không người lái, nhận dạng âm thanh, màn hình cảm ứng trên xe hơi hoặc thiết bị ngôi nhà thông minh cho đến các thiết bị đeo thông minh như đồng hồ, kính thông minh, sợi thông minh và các cảm biến dữ liệu khác.

Phân khúc chip Cortex của ARM trong thị trường nhúng.

Về cơ bản thì chip Cortex-M không được gọi là vi xử lí mà nó chỉ đóng vai trò là một chip vi điều khiển (microcontroller) do cấu trúc thiếu đi một bộ phận khá quan trọng là MMU (Memory Management Unit – Đơn vị quản lí bộ nhớ). Nhiệm vụ chính của MMU là đứng giữa CPU và bộ nhớ để xử lí quá trình đọc ghi của memory và thông dịch giữa địa chỉ ảo và địa chỉ vật lí. Đó là lí do tại sao các hệ điều hành như Linux (Android), Windows, MAC OS, và iOS đều phải cần đến MMU.

Phân tích sâu vào chi tiết thì ta thấy Cortex-M7 được tích hợp một ống dẫn siêu vô hướng 6 trạng thái với các FPU single/double-precision (Một khối chịu trách nhiệm thực thi các chỉ lệnh toán học phức tạp) và tập lệnh 32-bit ARMv7, Dual 16-bit MAC, bộ nhớ đệm dữ liệu và các tập lệnh, hỗ trợ SIMD 8/16-bit, và TCM (Tightly coupled memory) có chức năng làm giảm độ trễ của bộ nhớ và chức năng tiên đoán nhánh.

TCM thực chất đóng vai trò như một MMU vốn chỉ xuất hiện trên dòng A và R series của ARM. Khi sử dụng, hiệu năng của TCM có thể tương tự như bộ nhớ đệm, nhưng không hoàn toàn, vì nội dung của TCM sẽ do các nhà phát triển điều khiển trực tiếp. Cortex-M7 hỗ trợ lên đến 16 MB TCM.

Một chức năng mới xuất hiện trên M7 là tiên đoán nhánh thường bắt gặp trên các CPU. Chức năng này hỗ trợ DSP chuyên dụng có trong vi điều khiển Cortex-M7. Như đề cập ở trên, DSP đóng vai trò là bộ lọc các luồng dữ liệu analog cho các ứng dụng như dò tìm từ khóa âm thanh đầu vào, cân bằng âm thanh ngõ ra, và tìm kiếm tần số miền biên độ đỉnh. Khi được kích hoạt, các tác vụ trên sẽ được lặp đi lặp lại để dò tìm. Nếu không có tiên đoán nhánh, mã lệnh sẽ phải liên tục đánh giá lại các điều kiện lặp có kết quả giống nhau, vì vậy chiếm rất nhiều thời gian. Mặc dù tiên đoán nhánh chiếm dụng một khoảng trống trong nhân nhưng lại giúp tăng hiệu suất của quá trình xử lí tín hiệu số DSP, rõ ràng chức năng này rất có ích.

Cortex-M7 có hiệu năng mạnh mẽ và có thể sử dụng trong nhiều thiết bị khác nhau, nhất là trong lĩnh vực nhận dạng âm thanh. Tuy nhiên, hiện nay cũng không biết rõ số lượng nhân có trong chip Cortex-M7 là bao nhiêu, bởi nó phụ thuộc vào loại ứng dụng hoặc thiết bị mà các đối tác của hãng dự định sản xuất.

Kích cỡ chip Cortex-A7 khi đặt trên thân bút chì.

Cortex-M7 chinh phục thị trường IoT và thiết bị đeo thông minh

Như đã đề cập, Cortex-M series là một chip vi điều khiển MCU nhắm đến thị trường ứng dụng IoT và các thiết bị đeo thông minh. Vì vậy ý đồ của ARM là sẽ tạo ra một hệ thống lai kết hợp giữa vi điều khiển MCU Cortex-M7 với CPU Cortex-A series.

Khi thiết kế các hệ thống lai bằng cách kết hợp giữa CPU và MCU cho các thiết bị IoT và có thể đeo được luôn là một thách thức to lớn đối với các nhà sản xuất. Vì làm sao vừa phải đảm bảo được hiệu năng mạnh mẽ của CPU, vừa đảm bảo tối ưu được mức tiêu thụ điện. Đối với nhiều hãng khác chỉ giải quyết được bài toán hiệu năng là tái sử dụng CPU của smartphone cho các thiết bị này. Các công ty đang thực hiện theo hướng này sẽ đạt được hiệu năng như mong muốn, nhưng sẽ không tối ưu được nguồn điện trên các thiết bị đó.

Để hiểu rõ hơn vấn đề, ta hãy nhớ lại thời điểm Cortex-A15 ra mắt. ARM cho biết các CPU này được thiết kế tối ưu ở tốc độ 1,2 GHz. Khi chiếc smartphone đầu tiên trang bị chip này được tung ra thị trường, nó được thiết kế chạy với điện áp cao hơn để đạt tốc độ mong muốn và do đó lượng điện năng tiêu thụ cũng tăng lên. Chính vì vậy, việc sử dụng chip A15 này cho thiết bị IoT hoặc thiết bị đeo không những không phải là sự lựa chọn tối ưu về mặt hiệu năng, mà nó hoàn toàn thất bại về mặt tiết kiệm điện. Đó là lí do tại sao hiện nay rất nhiều thiết bị đeo thông minh tích hợp hệ điều hành rich OS (môi trường có tính linh hoạt và phong phú cho các ứng dụng) đều gặp khó với tuổi thọ của pin. Apple được xem là hãng có truyền thống bảo thủ khi giới hạn mức tiêu thụ năng lượng và mẫu chip Cortex-M7 có thể tích hợp nhiều chức năng khác nhau trên chip đơn thay vì sử dụng nhiều chip M0 hoặc M3 để thực hiện. Điều này giúp tiết kiệm không gian, vốn rất hạn chế bên trong đồng hồ thông minh, cho phép hãng thiết kế sản phẩm hấp dẫn hơn.

Giải pháp của ARM đưa ra là sẽ giảm tần số của A series xuống phân nữa, vốn là tác nhân ảnh hưởng trực tiếp đến mức tiêu thụ điện năng. ARM cũng cho rằng sự lựa chọn thông minh là chia sẻ một phần công việc của các nhân CPU và bộ nhớ đệm và tối ưu hóa phần mềm cho MCU có thể giảm mức tiêu thụ điện đến 85%.

Việc chia sẻ một phần công việc của các nhân CPU, bộ nhớ đệm và tối ưu hóa phần mềm cho MCU có thể giảm lượng điện năng tiêu thụ đến 85%.

Tổng kết

Với việc ra mắt Cortex-M7, AMR đã giải quyết được bài toán về hiệu năng và tiêu thụ năng lượng. Đồng thời, còn giúp đưa dòng MCU chuyên dụng của ARM lên một tầm cao mới. Với các tính năng và hiệu năng được cải thiện còn cho phép các đối tác của hãng có thể bớt phụ thuộc vào các vi xử lí, tối ưu hóa mức tiêu thụ điện năng lượng và thậm chí các thiết bị có thể thực hiện các tác vụ mà trước đây không thể.

ARM còn đầu tư vào cải tiến chức năng interrupt latency của M7 và cung cấp các bộ kit chất lượng cao đắt tiền phù hợp với các tiêu chuẩn như ISO 26262 và IEC61508.

Đối với các nhà sản xuất như ST, Atmel, NXP, Freescale, IT thì việc tích hợp chip M7 cũng đồng nghĩa với việc sẽ cắt giảm được phần nào chi phí R&D (Nghiên cứu và phát triển sản phẩm).

Nhiều thiết bị IoT và thiết bị đeo thông minh ngày nay đều sử dụng CPU A series. Theo thiết kế, các công ty chỉ đơn giản là tận dụng lại các CPU của smartphone để tích hợp vào nhằm mục đích đưa sản phẩm ra thị trường càng sớm càng tốt.

Việc thiết kế một hệ thống phức hợp gồm MCU và CPU là một công việc “khó xơi”, nhưng bù lại các lợi ích do nó đem về rất lớn. Và hiện nay, chỉ Cortex-M7 mới giải quyết được bài toán đó.

Theo PC World VN.