Khi nhắc đến những chiếc smartphone, tablet hay thậm chí là một chiếc laptop, chắc hẳn bạn đã từng nghe đến bộ xử lý ARM. Kiến trúc này đã góp phần làm nên sự bùng nổ nhanh chóng của điện toán di động vào đầu những năm 2010 và đến nay vẫn cho thấy tầm ảnh hưởng đáng kể đối với các thiết bị công nghệ hiện đại.
Khi chúng ta ngày càng quen thuộc với các sản phẩm nền ARM, thì vi xử lý này cũng dần có xu hướng được xem như một tiêu chuẩn phổ thông. Tuy nhiên, điều đó không có nghĩa nó không đáng để nhắc đến.
Những thách thức dành cho điện toán di động
Tất cả các máy tính để bàn, tablet, laptop hay smartphone đều phải sử dụng một bộ vi xử lý nào đó. Thuật ngữ chung dành cho chúng là CPU hoặc Central Processing Unit (Bộ xử lý trung tâm). Đây là nơi mà hầu hết các thuật toán được tìm nạp và xử lý. Tuy nhiên, CPU không phải là một bộ xử lý đơn lẻ mà là tập hợp của nhiều bộ xử lý cùng “hợp tác làm việc” trên một mẫu linh kiện duy nhất.
Chức năng của CPU là nhận các tập lệnh, thực thi chúng và cho ra kết quả. Khi mà công nghệ ngày càng phát triển, yêu cầu cao hơn, các nhà sản xuất đã hướng tới sử dụng các bộ xử lý đa nhân vì những ưu điểm nổi trội của nó.
Trong đó, CPU chính là tập hợp của các bộ xử lý trên cùng một con chip đơn – bộ xử lý đa nhân kết hợp nhiều CPU trên một con chip. Đây là một trong những nguyên do chính giải thích tại sao sức mạnh xử lý của máy tính ngày nay lại vượt trội đến như vậy so với quá khứ.
Thông thường, máy tính để bàn và laptop sẽ được trang bị các bộ xử lý đến từ Intel hoặc AMD. Những CPU này được thiết kế nhằm mang lại hiệu suất desktop tối ưu, trong điều kiện nguồn điện ổn định, pin lớn và thường đi kèm bộ xử lý đồ họa chuyên dụng cùng hệ thống tản nhiệt. Vì vậy, chúng có thể xử lý các thuật toán phức tạp dựa trên nhiều bộ xử lý đầu vào cùng một lúc.
Tuy nhiên, thiết kế di động lại đòi hỏi những cân nhắc chuyên biệt. Để duy trì tính di động, pin cần phải nhỏ hơn, không còn đủ không gian cho quạt hay hệ thống tản nhiệt và thiết bị cần hoạt động trơn tru, không vấp phải sự cố về kỹ thuật. Trong suốt những năm 2000, đây là vấn đề gây “đau đầu” với các nhà sản xuất khi muốn tạo ra những chiếc máy tính xách tay.
Các thiết kế phức tạp trên CPU của những chiếc máy tính để bàn không thể tương thích tốt với các thiết bị di động khi mà yêu cầu về phần cứng của chúng là rất khác biệt. Kết quả là điện thoại thông minh ngày nay, như chúng ta đã biết, không hề được xem là một “hậu duệ” của những kiến trúc vi xử lý sẵn có trên những chiếc máy tính truyền thống.
Bộ xử lý ARM là gì?
Để có thể đáp ứng các yêu cầu đặt ra, các nhà sản xuất đã lựa chọn thay thế kiến trúc CPU trên máy tính để bàn bằng một thứ gì đó tốt hơn, phù hợp với điện toán di động. Chính vì thế, bộ xử lý ARM là lựa chọn lý tưởng khi chúng sử dụng phương pháp xử lý đơn giản, lại tiết kiệm năng lượng.
Các con chip sử dụng kiến trúc ARM được tạo ra dựa trên thiết kế RISC, viết tắt của “reduced instruction set computing” (tạm dịch là “điện toán với tập lệnh đơn giản hóa”). Tuy nhiên, đừng nhầm lẫn, RISC thực chất không phải là một công nghệ mới, nó chỉ là một phương pháp thiết kế dành cho các bộ vi xử lý. Bộ xử lý ARM được thiết kế sao cho hiệu quả nhất có thể để các lệnh được thực thi chỉ trong một chu kỳ bộ nhớ máy duy nhất. Quy trình xử lý chung của CPU sẽ là tìm nạp, giải mã và thực thi tập lệnh.
Tuy nhiên thiết kế RISC lúc đó lại sử dụng kiến trúc 32-bit, một tiêu chuẩn dần được loại bỏ khỏi máy tính để bàn vì những hạn chế trong việc giới hạn lượng thông tin có thể xử lý trong một quy trình. Máy tính Windows ngày nay thường sử dụng kiến trúc 64-bit, nó giúp cho sức mạnh xử lý của hệ điều hành mạnh mẽ hơn, từ đó mang đến trải nghiệm tốt hơn.
Bộ xử lý ARM hoạt động như thế nào?
Chặng đường phát triển của RISC hay những đơn vị vi xử lý ARM thực tế không hề bằng phẳng nếu không muốn nói là có những bước lùi. Chẳng hạn như RISC, dù được phát triển vào những năm 1980 nhưng cũng không thể tạo ra được những đột phá trên thị trường công nghệ. Và rồi ARM Holdings, công ty đứng đằng sau bộ xử lý ARM, đã quyết định phát triển một định dạng lệnh nén.
Mặc dù chỉ xử lý một tập lệnh duy nhất trong một chu kỳ bộ nhớ đơn, tuy nhiên các lệnh này có thể dài và phức tạp hơn các thiết bị sử dụng kiến trúc RISC truyền thống. Khi đem so sánh với các bộ xử lý được trang bị trên máy tính để bàn, chúng vẫn còn những hạn chế nhất định, tuy nhiên, thực tế chúng ta lại không cần đến mức hiệu năng tương tự trên những chiếc smartphone hoặc tablet của mình.
Ban đầu các thiết kế RISC sử dụng kiến trúc 32-bit, nhưng kể từ năm 2011, ARM Holdings đã hỗ trợ thêm phiên bản 64-bit trên các thiết kế của họ. Những thay đổi này sẽ không thể thực hiện được nếu như chỉ sử dụng đơn độc thiết kế RISC, mà còn phải nhờ vào kiến trúc tập lệnh của công ty. Thiết kế kỹ thuật của bộ xử lý ARM cũng góp phần đơn giản hóa khâu sản xuất và thiết kế vật lý.
Thiết kế RISC cho phép giảm mức độ phức tạp của các tập lệnh, giúp giảm đáng kể số lượng bóng bán dẫn trên một con chip. Nói chung, càng nhiều bóng bán dẫn sẽ tăng yêu cầu sử dụng năng lượng và chi phí sản xuất cao hơn và vì thế giá bán lẻ sẽ tăng theo. Vì lý do này, bộ xử lý ARM thường có chi phí thấp hơn bộ xử lý của máy tính để bàn truyền thống.
Ứng dụng bộ xử lý ARM
Vì bộ xử lý ARM kết hợp các thiết kế RISC với hiệu suất cao, chi phí sản xuất thấp và giảm mức tiêu thụ điện năng, chúng trở nên cực kỳ lý tưởng cho các thiết bị di động như smartphone, tablet và laptop. Tuy nhiên, khi nói về các vi xử lý ARM, chúng ta cần đề cập đến nhiều thành tố tác động đến nó.
ARM Holdings không bán bất kỳ bộ xử lý nào của riêng mình ra thị trường cả. Thay vào đó, công ty này đào sâu vào công nghệ, phát triển tiêu chuẩn tập lệnh và sau đó cấp phép các thiết kế của mình cho những công ty nào muốn dùng tài sản trí tuệ của hãng. Đó là lý do tại sao chúng ta thấy có nhiều biến thể của bộ xử lý ARM và mỗi biến thể này lại có cơ chế hoạt động khác nhau.
Các nhà sản xuất phần cứng sẽ chi trả cho ARM Holdings phần công nghệ lõi, nhưng sau đó sẽ tinh chỉnh để phù hợp với nhu cầu riêng của họ như là yêu cầu về phần mềm và thiết kế phần cứng. Kết quả là, có rất nhiều thiết bị sử dụng bộ xử lý nhân ARM, do đó sẽ rất khó để bạn so sánh chúng với nhau như những bộ xử lý của Intel.
Mọi thứ còn trở nên phức tạp hơn khi mà các hãng sản xuất sẽ tự phát triển những phần mềm “cây nhà lá vườn” được thiết kế dành riêng cho phần cứng ARM của họ và vì thế nó không thể tương thích hoặc giao tiếp với các kiến trúc khác. Sự khác biệt giữa bộ xử lý ARM và bộ xử lý trên máy tính để bàn là một trong những yếu tố chính lý giải tại sao điện thoại lại không thể đạt sức mạnh xử lý như những chiếc máy tính để bàn.
Chung quy lại, vì sự hiệu quả đi kèm với chi phí thấp, bạn sẽ nhìn thấy nhiều mẫu laptop ưa chuộng sử dụng bộ xử lý ARM. Điển hình nhất là những chiếc Chromebook, phần lớn chúng là “tín đồ” của bộ xử lý ARM. Vì Chromebook chạy Chrome OS, một hệ điều hành ít ngốn tài nguyên có nền tảng là trình duyệt web Chrome, vì thế các sản phẩm trên nền ARM sẽ là một sự lựa chọn lý tưởng.
Tương lai của điện toán
Nhờ vào bộ xử lý của ARM Holdings mà những chiếc điện thoại thông minh ngày nay sở hữu những đặc điểm nổi trội như nhẹ, tính di động và hiệu năng cao kèm theo một mức giá phải chăng. Nếu không có những đổi mới trên kiến trúc RISC, điện toán di động chưa chắc đã có những dấu ấn nổi bật như hiện tại. Mặc dù tạo nên tên tuổi từ những chiếc smartphone và máy tính bảng, nhưng bộ xử lý ARM cũng rất được ưa chuộng trên các mẫu laptop giá rẻ như Chromebook.
