Khám phá bí mật của CPU và GPU

Các SoC smartphone hiện đại được cấu thành từ rất nhiều bộ phận xử lý khác nhau, trong đó hai bộ phận phổ biến nhất là Bộ xử lý trung tâm (CPU) và Bộ xử lý đồ họa (GPU). Tuy tên gọi có đôi chút giống nhau nhưng có những sự khác biệt lớn giữa hai bộ xử lý này.

Những điểm chung của CPU và GPU

Các lõi đơn lẻ của CPU và GPU được tạo nên từ những bóng bán dẫn, mỗi bóng sẽ xử lý những tác vụ nhất định mà bộ xử lý cần phải thực hiện. Những bóng này có thể thay đổi kích thước và phạm vi phụ thuộc vào thiết kế kiến trúc vi mô.

Đơn vị xử lý mà CPU và GPU cùng có là bộ logic và số học (ALU), dùng để xử lý các phép toán như phép cộng và phép nhân. Ngoài ra, hai bộ xử lý cũng có chung các trình xử lý truy cập bộ nhớ (tải/lưu trữ), bộ giãi mã lệnh và các bộ đệm.

Vậy thì CPU là gì?

CPU giống như bộ não của cỗ máy, nó rất linh hoạt và có thể khiến mọi thứ vận hành đúng cách nhờ vào khả năng xử lý một lượng lớn tác vụ. CPU bên trong mỗi điện thoại có nhiệm vụ vận hành mọi hoạt động cần thiết cũng như yêu cầu từ hệ điều hành Android và cả các ứng dụng.

CPU thường có cấu hình đa lõi, với thiết bị di động là từ 4 đến 8 lõi, với máy tính/máy chủ là từ 16 lõi trở lên. CPU đa lõi được thiết kế để có thể chạy nhiều ứng dụng và tác vụ cùng một lúc, đồng thời cải thiện hiệu suất năng lượng và hiệu năng tốt hơn. Mỗi lõi CPU có xung nhịp khác nhau, thường từ 2 đến 3 GHz với thiết bị di động và tối đa 5 Ghz trong máy tính.

CPU còn bao gồm cả bộ nhớ đệm, nó có thể được đặt trong từng lõi CPU hoặc dùng chung giữa các lõi CPU. Bộ nhớ đệm này được sử dụng để lưu trữ các lệnh xử lý CPU cần thực hiện, nếu bộ nhớ đệm càng nhiều/càng lớn thì sẽ giúp rút ngắn thời gian chờ và tăng khả năng xử lý của CPU.

Bên trong các CPU hiện đại nhất còn có có những ALU được thiết kế để xử lý các con số. Ngoài ra, CPU cũng có thể sắp xếp lại bộ nhớ ảo cho toàn bộ ứng dụng đang chay, biến chúng thành các công cụ cần thiết để chạy hệ điều hành.

CPU thường có tính năng dự đoán nhánh – có thể dự đoán dữ liệu, lệnh sẽ cần trong tương lai gần, điều này sẽ giúp tiết kiệm thời thời gian vì khối lượng công việc CPU thực thiện thường bao gồm các vòng lặp và các câu lệnh if có thể nhanh chóng chuyển sang đoạn code mới. Tuy nhiên, tính năng dự đoán không xuất hiện trong thiết kế của các GPU hiện đại vì lượng công việc của các GPU này được xác định rõ ràng.

Còn GPU là gì?

Như đã đề cập ở trên, tính năng dự đoán nhánh sẽ không xuất hiện trên các GPU vì bản chất khối lượng công việc là khác nhau. Trong khi CPU được thiết kế để vận hành mọi thứ thì GPU được thiết kế với mục đích rất cụ thể là xử lý đồ họa 3D bằng lượng lớn dữ liệu song song. GPU được phát triển để có tốc độ xử lý và hiệu suất năng lượng cao hơn cho nhiệm vụ này.

Các lõi GPU bao gồm một hoặc nhiều ALU, nhưng chúng được thiết kế khác với ALU cơ bản trong CPU. GPU có thể xử lý 8, 16, thậm chí 32 thuật toán cùng lúc. Các lõi GPU có thể bao gồm hàng chục hoặc hàng trăm lõi ALU riêng biệt, cho phép chúng có thể xử lý hàng ngàn số cùng một lúc.

Có thể nói, GPU giống như một CPU chuyên dụng – được thiết kế để thực hiện các thuật toán đơn giản lặp đi lặp lại với hàng nghĩn lõi xử lý chạy cùng lúc. Nhờ vào khả năng xử lý song song mà GPU có khả năng hiển thị đồ họa 3D phức tạp.

Tốc độ xung nhịp GPU thường thấp hơn tốc độ CPU, ở mức vài trăm MHz hoặc số GHz thấp – bởi vì hạn chế về lượng nhiệt và năng lượng. Việc xử lý song song đòi hỏi nhiều bóng bán dẫn hơn ALU CPU. Thuật toán kết xuất video, machine learning như nhận diện vật thể và các thuật toán mã hóa cũng có thể thực hiện ở tốc độ nhanh hơn nhiều so với CPU.

Tổng kết

Tóm lại, CPU giống như một bộ xử lý đa năng có thể xử lý nhiều nhiệm vụ khác nhau vì thế nên số lượng các lệnh cần thực hiện là rất lớn – yêu cầu sự linh hoạt để các ứng dụng và tác vụ được thực hiện song song.

Ngược lại, GPU là bộ xử lý chuyên dụng hơn để xử lý chuyên sâu nhiệm vụ cụ thể. Do đó, GPU có tập lệnh nhỏ hơn nhiều và chỉ tập trung vào một tác vụ duy nhất. Tuy nhiên GPU lại có thể thực hiện nhiều thuật toán hơn trong một vòng clock cycle.

Điểm mấu chốt là dù CPU và GPU đều được xây dựng từ các bóng bán dẫn, có khả năng xử lý dữ liệu và những con số, thì chúng đều được tối ưu cho những mục đích riêng. Các SoC sẽ được hưởng lợi từ cả hai bộ xử lý cùng với nhiều đơn vị xử lý khác.

Theo Thế Giới Di Động