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.

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). 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 của họ.  

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.

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 thì phụ trách thiết kế hệ thống SoC trong khi Samsung lại là người gia công những con chip này. Hiện nay, vi xử lý của Apple đã phát triển đến thế hệ A6 được trang bị trên iPhone 5 và A6X trên iPad 4.

SoC của nVidia phổ biến với hai thế hệ là Tegra 2 và Tegra 3 đều được phát triển trên nền tảng ARMv7 nhưng hiện nay Tegra 3 đang được sử dụng ngày một nhiều trong các thiết bị di động. Được nVidia giới thiệu tại CES 2010 tức là khoảng đầu tháng 01 năm 2010, nhưng sau 1 năm thì vi xử lý hai nhân Tegra 2 gần như mới chính thức xuất hiện trên các thiết bị di động.

Có đến 4 loại Tegra 2 bao gồm Tegra 250 AP20H, Tegra 250 T20, Tegra 250 3D AP25 và Tegra 250 3D T25. Phổ biến nhất trong thế hệ Tegra 2 là Tegra 250 AP20H được sử dụng rất nhiều trong các sản phẩm như Motorola Atrix 4G, Motorola Droid X2, Motorola Photon, LG Optimus 2X, LG Optimus Dual P990, Optimus 2x SU660, Samsung Galaxy R, Samsung Captivate Glide...

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. Bắt đầu với Tegra 3 T33 có xung nhịp mỗi nhân từ 1.6 đến 1.7 Ghz và được sử dụng trên các sản phẩm như Asus Transformer Pad Infinity (TF700T), HTC One X ...

Tiếp theo là Tegra 3 T30 với xung nhịp mỗi nhân từ 1.4 đến 1.5 Ghz, được ứng dụng trên các sản phẩm Asus Eee Pad Transformer Prime, IdeaTab K2/LePad K2, Acer Iconia Tab A510, Acer Iconia Tab A700, LG Optimus 4X HD, HTC One X...Tegra 3 T30 được nVidia làm giảm xung nhịp đi với mục đích giảm điện năng tiêu thụ.

Đầu quý I năm nay, nVidia tiếp tục cho ra SoC Tegra 3 tiếp theo là Tegra 3 T30L cũng tiếp tục hạ thấp tốc độ mỗi nhân xuống còn 1.2 đến 1.3 Ghz. Tegra 3 T30L được ứng dụng trong một số sản phẩm như Asus Transformer Pad TF300T, Nexus 7, Sony Xperia Tablet S, Acer Iconia Tab A210...

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.

Qualcomm không sử dụng hoàn toàn thiết kế của ARM. Thay vào đó, hãng này dựa vào nền tảng Cortex-A8 chỉnh sửa đi một chút để đưa vào các SoC Snapdragon của  mình. 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...

Dòng Snapdragon S4 có khả năng tăng số lõi trong SoC lên tới bốn lõi với tốc độ 2.5 GHz mỗi lõi và được sản xuất trên quy trình 28 nm mới. Chính vì thế mà S4 có 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.

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) được sử dụng trong điện thoại Samsung Galaxy S. Exynos 3310 rất mạnh ở thời điểm đó bởi dù chỉ là lõi đơn nhưng SoC này lại hỗ trợ độ phân giải full-HD 1080p, điều mà các SoC dùng vi xử lý lõi đơn từ các hãng khác không làm được.

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. Exynos 4210 đã được sử dụng 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 chip xử lý này nhân đồ họa mạnh mẽ có khả năng xử lý đồ họa 3D cao hơn tới 50% so với thế hệ trước. Hiện tại thì hãng điện tử Hàn Quốc 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 2560x1600 (WQXGA) cũng như cải thiện chất lượng camera.