Từ một nhà sản xuất máy tính, tại sao chip ARM có thể ra đời và thay đổi thế giới như hiện nay

Với hơn 160 tỷ con chip dùng nhân ARM hoặc do ARM cấp phép được xuất xưởng trên toàn thế giới, khó có thể tin nổi hãng chip này đã thay đổi thế giới như thế nào với công nghệ của mình.

Không có thương hiệu riêng như chip Intel hay AMD và có khi còn chẳng được nhiều người dùng biết đến, nhưng ít ai có thể ngờ rằng các bộ xử lý dùng thiết kế của hãng ARM đã hiện diện trong hơn 130 tỷ thiết bị khác nhau trên toàn thế giới (tính đến năm 2017), bao gồm điện thoại, máy chơi game console, smartwatch, thậm chí cả trong máy đo độ ẩm nhiệt độ, máy ATM và vô vàn thiết bị khác.

Chưa dừng lại ở đó, năm 2020 còn chứng kiến các bộ xử lý nền ARM này đổ bộ lên các máy tính Mac của Apple, lần đầu đối đầu trực diện với vị thế thống trị của hai ông lớn, Intel và AMD. Quyền lực hai ông lớn này còn bị thách thức một lần nữa khi nhiều CPU ARM còn đang bắt đầu đổ bộ lên miếng bánh trung tâm dữ liệu, hứa hẹn sẽ tạo nên bước ngoặt mới về khả năng xử lý.

Ngay cả khi đó mới chỉ là các bước đi đầu tiên, nhưng nếu nhìn vào cách smartphone đã thay đổi thế giới ra sao, bạn sẽ thấy được tầm quan trọng của những con chip ARM lớn đến mức nào khi chúng đã thành lựa chọn mặc định trên những thiết bị này.

Nhưng nếu nhìn vào các mốc trong hành trình của công ty thiết kế nên chip ARM từ khi thành lập đến giờ, khó có thể tin họ lại có thể đạt đến tầm vóc thay đổi thế giới như hiện nay.

Được thành lập từ năm 1979 với cái tên Acorn, mục đích của công ty ở Cambridge không phải thiết kế chip mà thiết kế máy tính cho các máy đánh bạc slot game từ chip 6502. Nhưng danh tiếng bất ngờ đến với họ vào năm 1982 nhờ một chương trình truyền hình của đài BBC.

Thời điểm đó, chính phủ Anh và đài BBC muốn tạo ra một chương trình nhằm hướng dẫn người Anh về cách sử dụng máy tính. Để chương trình trở nên hấp dẫn, BBC muốn có một máy tính đủ mạnh để dạy về ngôn ngữ BASIC, cùng nhiều tính năng khác bao gồm đồ họa, âm thanh, kết nối mạng, thậm chí cả AI cơ bản.

Chỉ một tuần sau khi biết về các yêu cầu của BBC, Acorn đã giới thiệu nguyên mẫu máy tính của mình cho nhà đài này. Vượt qua hàng loạt ông lớn vào lúc đó, cỗ máy có tên BBC Micro của Acorn là thiết bị duy nhất đáp ứng được các thông số mà BBC yêu cầu, thậm chí còn vượt trội hơn trong một số tiêu chí.

Để đáp ứng yêu cầu về hiệu năng, Acorn đã phát triển nên giao diện mở rộng Tube, giúp BBC Micro kết nối với một CPU phụ, hay còn gọi là bộ đồng xử lý. CPU phụ này sẽ chạy các phần mềm của người dùng trong khi CPU chính trên BBC Micro chỉ đóng vai trò quản lý thiết bị nhập xuất, như màn hình, bàn phím và bộ nhớ lưu trữ. Điều này tăng đáng kể tốc độ xử lý của cỗ máy mà không phải sử dụng các con chip mới.

Giao diện Tube còn được mở ra để kết nối với các bộ xử lý phụ của những đối tác khác. Không chỉ mở rộng tính năng, nó còn giúp Acorn đánh giá được hiệu năng của các bộ xử lý khác. Cuối cùng, họ nhận thấy không ai có thể vượt qua được chip MOS 6502 hiện tại, kể cả chip Motorola 68000 cho máy tính Apple Macintosh.

Từ đó, Acorn quyết định tự thiết kế bộ xử lý riêng cho mình. Lấy cảm hứng từ một ý tưởng của IBM, Acorn tập trung vào nghiên cứu và phát triển chip của mình theo kiến trúc RISC (Reduced Instruction Set Computing – máy tính với tập lệnh đơn giản hóa).

Thông thường, để chạy được các tác vụ phức tạp của phần mềm, CPU sẽ cần đến các tập lệnh bao gồm những tác vụ cơ bản của con chip, như load dữ liệu, các phép tính số học, và lưu trữ vào bộ nhớ…

Trong khi kiến trúc CISC (Complex instruction set computer – máy tính với tập lệnh phức tạp), như CPU của Intel và AMD, hướng đến việc thực hiện tác vụ trong ít dòng lệnh nhất có thể, nên các tập lệnh phức tạp được nhúng trong CPU, giúp con chip hiểu và thực hiện được nhiều tác vụ cơ bản trong vài chu kỳ CPU. Do vậy, hệ thống cần ít RAM để lưu trữ các câu lệnh hơn, các câu lệnh phần mềm cũng ngắn hơn, nhưng lại khiến cấu tạo CPU rất phức tạp, do cần nhiều bóng bán dẫn để lưu trữ các tập lệnh này.

Kiến trúc RISC thì ngược lại. RISC hướng đến việc sử dụng các tập lệnh đơn giản có thể thực hiện chỉ trong một chu kỳ CPU. Do vậy, sẽ cần nhiều dòng lệnh để diễn giải mỗi tác vụ của phần mềm, cần nhiều RAM hơn để lưu trữ các tập lệnh cơ bản đó. Bù lại, cấu tạo CPU đơn giản hơn, cần ít bóng bán dẫn hơn.

Nói cách khác, kiến trúc CISC giống như chiếc xe đạp với bánh lớn, người đạp cần đạp nhiều vòng để bánh xe quay hết một vòng, còn RISC giống như một xe đạp với bánh xe nhỏ, người đạp chỉ cần đạp một vòng để quay hết một vòng bánh xe. Tuy nhiên, bánh xe nhỏ sẽ phải quay nhiều vòng hơn để đi được quãng đường tương đương chiếc xe có bánh lớn.

Thật may mắn cho Acorn, kinh nghiệm làm việc với con chip 6502 – con chip tiền thân của kiến trúc RISC – đã giúp họ trở nên phù hợp với hướng tiếp cận này. Sử dụng giao diện Tube được phát triển khi tạo ra máy tính BBC Micro, Acorn tạo ra CPU trên nền RISC đầu tiên với tên gọi Acorn RISC Machine – khởi nguồn cho cái tên ARM sau này. Ban đầu các CPU ARM được dùng cho việc R&D nội bộ của Acorn, nhưng không lâu sau đó, một phiên bản thương mại được tạo ra với cái tên ARM2.

Năm 1987, máy tính cá nhân đầu tiên dùng ARM2 ra mắt có tên Acorn Archimedes. Nó cho thấy hiệu suất tốt hơn cả chip 286 của Intel vào thời đó, dù có số bóng bán dẫn ít hơn 245.000 so với với chip của Intel. Được chạy trên hệ điều hành Arthur OS, Archimedes đã chứng tỏ nó là một cỗ máy đáng tin cậy, tốc độ nhanh và mạnh mẽ. Nó có đồ họa tốt so với thời điểm đó, với giao diện người dùng đồ họa cùng một số tựa game đồ họa thấp phù hợp với tốc độ của cỗ máy.

Vào lúc đó, máy tính đầu tiên dùng chip ARM này được xem là máy tính cá nhân nhanh nhất với điểm số hiệu năng cao gấp nhiều lần so với chip 80286 của Intel.

Nhờ thiết kế tương đối đơn giản, ít bóng bán dẫn hơn, các CPU ARM mang đến một lợi ích ngoài dự kiến của các nhà phát triển: tiêu thụ ít năng lượng hơn, tỏa nhiệt ít hơn. Điều đó khiến nó đặc biệt phù hợp với các thiết bị di động và dẫn tới một bước ngoặt khác của công ty – đó là hợp tác với Apple.

Cuối những năm 80, Apple đang tìm kiếm một CPU đủ mạnh để chuyển các chữ viết tay trên màn hình cảm ứng thành văn bản và chạy được giao diện đồ họa GUI trên một thiết bị dùng pin AA. Đó chính là máy tính bảng Newton nổi tiếng của Apple và chỉ có chip ARM mới đáp ứng nhu cầu của họ.

Không muốn mua một con chip có sẵn, Apple hợp tác với Acorn và VLSI, đối tác sản xuất chip của Acorn để thành lập một công ty riêng tách ra khỏi Acorn. Công ty mới có tên Advanced RISC Machines hay ARM – giờ đây công ty mới chính thức ra mắt. Với nguồn lực của Apple, ARM phát triển nên lõi ARM6 và CPU đầu tiên dùng nhân này là ARM610. Một phiên bản CPU này với xung nhịp 20 Mhz được dùng cho Apple Newton ra mắt vào năm 1993.

Cho dù Apple Newton là một thất bại nặng nề, nó cũng kịp mang lại tiếng vang cho CPU ARM. CPU ARM tiếp tục được sử dụng trên một dòng máy tính mới của Acorn và eMate 300, một phiên bản Apple Newton với bàn phím và thời lượng pin dài đến 28 tiếng.

Danh tiếng của CPU ARM đối với các thiết bị di động càng được củng cố hơn khi một CPU nhân ARM7 đã được trang bị cho iPod của Apple và máy chơi game Game Boy Advance của Nintendo. Năm 2004, một cặp CPU ARM khác còn được dùng trên máy chơi game màn hình kép Nintendo DS.

Đến năm 2007, lịch sử của ARM bước sang trang mới khi chiếc iPhone đầu tiên ra mắt với CPU dùng nhân ARM11. Từ lúc này, các CPU ARM trở thành lựa chọn mặc định cho smartphone, bất kể nó đến từ Apple hay bất kỳ hãng nào khác.

Tầm ảnh hưởng của các con chip ARM còn lớn hơn nhiều so với tưởng tượng của mọi người. Không chỉ phổ biến trong smartphone hay máy chơi game, ưu thế năng lượng của các bộ xử lý dùng nhân ARM hoặc được ARM cấp phép còn được khai thác trong smartwatch, máy ảnh số, TV, thiết bị hệ thống mạng, thiết bị lưu trữ, thiết bị IoT cũng như cả trên ô tô.

Hơn thế nữa, giờ đây ngay cả các thiết bị ưu tiên hiệu năng hơn hiệu quả năng lượng như laptop, desktop, máy chủ và thậm chí siêu máy tính cũng đã bắt đầu có sự hiện diện của CPU ARM. Bên cạnh các máy tính Mac mới dùng chip Apple M1 đang làm mưa làm gió trên thế giới, còn có Fugaku, siêu máy tính nhanh nhất thế giới hiện nay, với CPU dùng kiến trúc ARM AArch64 do Fujitsu thiết kế. Đó là còn chưa kể con chip ARM đang hiện diện trong chiếc trực thăng vừa đổ bộ lên Sao Hỏa.

Tính đến tháng Hai năm 2020 đã có khoảng 160 tỷ con chip ARM được các đối tác xuất xưởng trên toàn cầu và với mức trung bình hơn 22 tỷ con chip mỗi năm trong vòng 3 năm qua, số lượng chip ARM xuất xưởng toàn cầu sẽ sớm vượt mốc 200 tỷ – nhiều hơn bất kỳ đối thủ nào trên thế giới. Thật thú vị khi bản thân ARM lại chẳng sản xuất ra con chip nào, tất cả đều là do đối tác của họ.