Xem smartphone như "tình nhân", nhưng bạn đã biết cỗ máy nhỏ xíu trong tay mình hoạt động thế nào chưa?

Smartphone đã trở nên quá quen thuộc giữa thời đại công nghệ số. Thế nhưng, chúng ta lại chỉ nhắc nhiều tới những thứ bên ngoài, như ngôn ngữ thiết kế, chất liệu và hiệu suất. Phần lớn người dùng ít am hiểu về các thành phần cấu tạo bên trong smartphone và cơ chế hoạt động.

Màn hình

Màn hình là một trong những thành phần quan trọng nhất của smartphone, cửa ngõ để chúng ta giao tiếp với điện thoại. Thông số kĩ thuật khá đa dạng với kích thước dao động từ 4,5 đến 5,7 inch, độ phân giải 1280 x 720 pixel, 1920 x 1080 pixel và 2560 x 1440 pixel.

Công nghệ màn hình có hai loại chính là LCD và LED. Màn hình LCD hoạt động theo nguyên tắc chiếu ánh sáng (được gọi là đèn nền) thông qua một số bộ lọc phân cực, một ma trận tinh thể và một số bộ lọc màu. Các tinh thể có thể được xoắn theo mức độ khác nhau tùy thuộc điện áp vào, từ đó điều chỉnh góc độ của ánh sáng phân cực.

Kết hợp tất cả các yếu tố đó, hệ thống cho phép màn hình LCD kiểm soát ánh sáng RGB (ánh sáng đỏ, xanh lá cây và xanh lam) tới bề mặt hiển thị bằng cách lọc ánh sáng từ đèn nền. IPS phát triển từ LCD được cấu tạo bởi lớp tinh thể lỏng sắp xếp theo hàng ngang song song thay vì vuông góc với hai tấm kính phân cực trên dưới. Sự thay đổi này giúp màu sắc cũng như góc nhìn được cải thiện.

Công nghệ AMOLED phát triển từ LED lại làm việc theo cách khác, vì các điểm ảnh được tạo thành từ các đi-ốt phát sáng hữu cơ (tự phát sáng) mà không cần đèn nền và bộ lọc. Nhờ thế, màn hình loại này cho màu đen sâu hơn, tăng độ tương phản, tiết kiệm pin và giảm độ dày.

Pin

Smartphone lấy năng lượng hoạt động từ pin. Công nghệ pin hiện nay là loại Li-ion (Lithium ion). Pin Lithium ion sử dụng hợp chất Lithium làm vật liệu điện cực, các ion di chuyển từ cực dương đến cực âm trong quá trình sạc và theo chiều ngược lại khi sử dụng.

Smartphone hiện nay chủ yếu sử dụng công nghệ pin Li-on.

Tùy nhà sản xuất mà pin ở dạng có thể tháo lắp để thay thế hay cố định trên máy, phải kỹ thuật viên mới gỡ ra được. Công suất pin trở thành tiêu chuẩn đo lường, thường điện thoại 5,5 inch cần ít nhất dung lượng pin 3.000 mAh.

SoC - Hệ thống trên một con vi mạch

Smartphone hay máy tính đều cần một bộ xử lý trung tâm (CPU) để chạy các phần mềm, ví dụ hệ điều hành Android. Tuy nhiên, CPU không thể gánh vác tất cả mọi việc mà cần sự hỗ trợ từ các thành phần khác như chip đồ họa, bộ chuyển đổi tín hiệu và đa phương tiện. Tất cả sẽ được tích hợp trên một con chip chung được gọi là SoC (System on a Chip – Hệ thống trên một con chip).

SoC là một vi mạch tích hợp nhiều con chip với vai trò khác nhau.

Một số nhà sản xuất SoC điện thoại thông minh lớn có thể kể đến: Qualcomm, Samsung, MediaTek và Huawei. Qualcomm được xem như công ty SoC dành cho Android lớn nhất thế giới với dòng sản phẩm Snapdragon. Samsung có loạt chip Exynos trong khi MediaTek chinh phục thị trường tầm trung và giá rẻ bằng chip Helio. Cái tên đang dần khẳng định thương hiệu của mình là Kirin của HiSilicon, một công ty con thuộc sở hữu của Huawei.

CPU

CPU viết tắt của chữ Central Processing Unit, là bộ xử lý trung tâm, được xem như bộ não giúp xử lý các chương trình, phép tính và dữ liệu.

Phần lớn các mẫu điện thoại (gồm Android, iOS và Windows Phone) sử dụng một kiến trúc CPU được thiết kế bởi ARM. Kiến trúc ở đây mang nghĩa các tập lệnh và triết lý thiết kế đằng sau đó. Các kiến trúc của ARM khác với kiến trúc của Intel mà chúng ta thấy trong máy tính để bàn và laptop, bởi chúng cần tối ưu điện năng và phù hợp hơn với hoạt động của điện thoại di động.

CPU đóng vai trò như bộ não xử lý trên điện thoại thông minh.

Có hai loại CPU theo chuẩn ARM: Loại được thiết kế bởi ARM và loại khác được thiết kế bởi các công ty khác nhưng dùng lõi của hãng. ARM sở hữu một loạt thiết kế lõi CPU rồi cấp phép dưới thương hiệu Cortex-A, như Cortex-A53, Cortex-A57 và Cortex-A73 để khách hàng tự làm chip. Các công ty như Qualcomm, Samsung, MediaTek, Huawei sẽ sử dụng các thiết kế lõi này để tích hợp lên SoC của mình.

Ví dụ Huawei Kirin 960 sử dụng bốn lõi Cortex-A53 và bốn lõi Cortex-A73 trong cấu hình đa xử lý không đồng nhất (Heterogeneous Multi-Processing - HMP).

Ngoài ra, ARM còn cung cấp một loại giấy phép nữa là giấy phép kiến trúc. Nghĩa là khách hàng sẽ tự thiết kế lõi riêng tương thích với kiến trúc ARM để phù hợp với cấu hình riêng. Qualcomm, Samsung và Apple đều sử dụng loại giấy phép này. Như lõi Mongoose (M1) trong Exynos 8890 hoàn toàn tương thích kiến trúc ARM nhưng lại được thiết kế bởi Samsung.

Qualcomm có lịch sử lâu dài thiết kế lõi tùy chỉnh, bao gồm lõi 32-bit Krait (trong SoC như Snapdragon 801) và lõi 64-bit Kryo (trong Snapdragon 820). ARM vừa giới thiệu ý tưởng về một lõi bán tùy chỉnh, nơi các công ty như Qualcomm có thể sử dụng một lõi ARM tiêu chuẩn, như Cortex-A73, và một lõi thiết kế riêng. Loại mới vừa đảm bảo duy trì các yếu tố thiết kế của lõi tiêu chuẩn, vừa cho phép các nhà sản xuất sửa đổi phù hợp với nhu cầu riêng. Ví dụ, Snapdragon 835 sử dụng 8 lõi Kryo 280, là những thiết kế bán tùy chỉnh sử dụng công nghệ cơ bản của Cortex-A.

GPU

GPU là công cụ đồ họa chuyên dụng được thiết kế chủ yếu dành cho đồ họa 3D, đồng thời có thể xử lý tốt cả đối tượng 2D. Nó hoạt động dựa trên một mô hình tam giác kết hợp với thuật toán để đổ bóng các đối tượng tạo ra môi trường 3D trên màn hình 2D.

Có ba nhà sản xuất GPU di động lớn thời điểm hiện tại gồm ARM với chip Mali, Qualcomm có Andreno và PowerVR của Imagination. Cái tên Imagination ít được biết đến trên thị trường điện thoại Android nhưng lại gây dựng mối làm ăn thân thiết với Apple.

GPU đóng vai trò xử lý đối tượng 3D chuyên dụng.

Sản phẩm GPU của ARM đã trải qua ba phiên bản kiến trúc lớn. Đầu tiên là Utgard sử dụng trên các dòng chip đồ họa như Mali-400, Mali-470. Tiếp theo đến Midgard, nền kiến trúc hỗ trợ mô hình đổ bóng hợp nhất và OpenGL ES 3.0. Phiên bản mới nhất có tên mã Bifrost được sử dụng trên hai dòng GPU là Mali-G71 và Mali-G51.

GPU Adreno 530 của Qualcomm dùng cho Snapdragon 820 và 821, trong khi Snapdragon 835 mới nhất sử dụng Adreno 540. Chip đồ họa 540 dựa trên kiến trúc tương tự Adreno 530, nhưng được cải tiến một số tính năng và tăng 25% khả năng trình diễn 3D. Adreno 540 cũng hỗ trợ đầy đủ DirectX 12, OpenGL ES 3.2, OpenCL 2.0, API đồ họa của Vulkan cũng như nền tảng Google Daydream VR.

MMU

MMU (Memory Management Unit) là đơn vị quản lý bộ nhớ thường được tích hợp vào CPU hoặc đôi khi là một mạch tích hợp riêng. Nó hỗ trợ ánh xạ từ địa chỉ bộ nhớ ảo ra địa chỉ bộ nhớ vật lý. Cụ thể, khi CPU muốn truy suất tới địa chỉ bộ nhớ ảo, MMU sẽ tự động ánh xạ tới một địa chỉ vật lý thực sự.

Bộ nhớ đệm cache L1 và L2

Chúng ta nghĩ rằng, bộ nhớ RAM (bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên – Random Access Memory) đã đủ nhanh và rõ ràng vượt trội hơn bộ nhớ trong, nhưng so với tốc độ xử lý của CPU thì nó còn chậm hơn rất nhiều. Vì thế, hệ thống gặp phải vấn đề là khi CPU cần xử lý cái gì, nó phải đợi RAM nạp dữ liệu với tốc độ chậm đó.

Để giải quyết khác biệt này, SoC cần tích hợp thêm bộ nhớ đệm địa phương có tốc độ nhanh như CPU. Bản sao lệnh và dữ liệu từ bộ nhớ RAM sẽ được lưu trữ tại đây giúp cải thiện đáng kể hiệu suất của SoC. Dung lượng của bộ nhớ đệm chỉ được tính bằng Kilobyte hoặc Megabyte và chi phí sản xuất loại bộ nhớ này cao hơn nhiều RAM.

Bộ nhớ đệm L1 và L2 được tích hợp trên chip.

Bộ nhớ cache chạy ở tốc độ tương tự CPU thuộc cấp độ một và được gọi L1 (Level 1). Đây là bộ nhớ đệm nhanh nhất, gần với CPU hơn cả và mỗi lõi đều sở hữu cache L1 của riêng nó. Cấp độ thứ hai là L2 dung lượng lớn hơn, chi phí thấp nhưng tốc độ lại chậm hơn. Nó phục vụ tất cả các lõi CPU, trở thành bộ nhớ đệm thống nhất cho toàn SoC.

Tác dụng của L2 là khi dữ liệu yêu cầu không chứa trong bộ nhớ cache L1 thì CPU sẽ truy suất từ L2 trước khi thử ở bộ nhớ chính. Mặc dù L2 chậm so với L1, nhưng vẫn nhanh hơn nhiều so với bộ nhớ chính, đồng thời hỗ trợ lưu trữ nhiều dòng lệnh và dữ liệu hơn L1.

Ví dụ thiết kế của lõi Cortex-A72 gồm 48K dung lượng bộ nhớ L1 xử lý câu lệnh và 32K bộ nhớ L1 lưu trữ dữ liệu. Toàn bộ SoC sẽ có thêm bộ nhớ L2 cache từ 512K đến 4MB, tùy nhà sản xuất.

Chip xử lý phần hiển thị và video

Trên SoC có một vài phần chuyên dụng giúp hỗ trợ thêm cho CPU và GPU. Đầu tiên là bộ xử lý hiển thị, lấy thông tin điểm ảnh (pixel) từ bộ nhớ và giao tiếp với màn hình. Đây là thành phần vô cùng quan trọng trong mỗi chiếc smartphone, có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu số do CPU, GPU xuất ra thành dữ liệu mà màn hình có thể hiểu và hiển thị lên cho mọi người xem.

Ví dụ về bộ xử lý hiển thị Mali-DP650 của ARM, trang bị một loạt tính năng như xoay, chia màn hình, làm nổi bật hình ảnh và hỗ trợ độ phân giải lên đến 4K. Nó cũng tương thích với công nghệ tiết kiệm năng lượng FBC của ARM, một giao thức nén ảnh không giảm chất lượng và định dạng, giảm dữ liệu được chuyển giữa các khối IP trong một SoC qua đó giúp tiết kiệm đáng kể điện năng tiêu thụ.

Trong khi GPU chuyên xử lý các quá trình 3D, cần thêm một thành phần để mã hóa và đọc video. Bất cứ khi nào bạn xem một bộ phim từ Youtube hay Netflix, các dữ liệu video dạng nén phải được giải mã để hiển thị trên màn hình.

Tương tự như vậy, khi dùng camera của điện thoại để chat video thì dữ liệu cần được mã hóa trước khi gửi đi. Điều này có thể được thực hiện bằng phần mềm nhưng sẽ hiệu quả hơn nếu xử lý bằng phần cứng. ARM cung cấp công nghệ xử lý video cho đối tác với dòng sản phẩm mới nhất mang tên Mali-V61.

RAM và bộ nhớ trong

Một SoC không thể hoạt động nếu thiếu Bộ nhớ Truy xuất Ngẫu nhiên (RAM) hoặc bộ lưu trữ cố định. Dung lượng tối thiểu của RAM trên smartphone 64-bit chạy Android 7.0 là 2GB. Phần lớn điện thoại cao cấp hiện này đã vượt xa ngưỡng này.

Dữ liệu được lưu trữ trên bộ nhớ chính, nhưng chúng lại có tốc độ cực kì chậm. Đó là lý do điện thoại (và máy tính) cần tới RAM. Mỗi lần mở ứng dụng hoặc chương trình nào, thông tin của chúng được sao ra rồi lưu trữ trên RAM để các thành phần khác như CPU, GPU lấy dữ liệu xử lý. Dung lượng càng lớn giúp RAM chứa nhiều dữ liệu của các chương trình chạy song song cùng lúc, tức khả năng đa nhiệm càng cao.

Một bộ nhớ 32GB của Samsung.

Người dùng có thể chuyển đổi qua lại giữa các ứng dụng, chương trình nào đang hoạt động trên giao diện chính sẽ được ưu tiên nguồn lực, trong khi số khác sẽ chạy ở chế độ nền. Hệ diều hành cũng có thể quyết định tắt một số ứng dụng không dùng đến để tiết kiệm RAM cho các ứng dụng khác.

Điện thoại thông minh sử dụng loại RAM ngốn ít năng lương hơn máy tính. PC có thể dùng bộ nhớ DDR3 hoặc DDR4 (DDR SDRAM thế hệ 3 và 4), trong khi máy tính xách tay dùng LPDDR hoặc LPDDR4 với LP là viết tắt của từ Low Power (năng lượng tiêu hao thấp). RAM điện thoại di động chạy ở điện áp thấp hơn nhiều so với RAM máy tính.

Bộ nhớ trong lại là nơi để lưu trữ hệ điều hành, ứng dụng và dữ liệu người dùng. Google khuyến cáo, điện thoại Android cần ít nhất 3GB dung lượng lưu trữ trống để dành cho ứng dụng, dữ liệu và đa phương tiện của hệ điều hành. Nếu bộ nhớ trong của một chiếc smartphone 8GB, người dùng chỉ có thể lưu trữ 5GB, trong khi 3GB còn lại dành cho hệ điều hành không thể xâm phạm tới.

Một số nhà sản xuất hỗ trợ khe cắm thẻ nhớ ngoài microSD. Đây sẽ là phần giúp người dùng lưu trữ dữ liệu cá nhân, nhưng không thể cài đặt ứng dụng trên đó.

Kết nối và modem

Tính năng quan trọng của smartphone chính là khả năng kết nối. Điện thoại thông minh đi kèm nhiều tùy chọn kết nối và giao tiếp khác nhau như 3G, 4G LTE, WiFi, Bluetooth và NFC. Tất cả các giao thức này cần sự hỗ trợ phần cứng gồm modem và chip phụ khác.

Các bộ phận hỗ trợ kết nối trên smartphone.

Hiện nay, phần lớn nhà sản xuất SoC tên tuổi đều tích hợp modem 4G LTE trên chip của mình. Qualcomm có lẽ là nhà lãnh đạo thế giới trong lĩnh vực này. Samsung và Huawei cũng bám khá sát theo sau. Chip của MediaTek không có xu hướng tích hợp công nghệ tiên tiến LTE do công ty tập trung tiếp cận các thị trường mới nổi.

Nhưng quan trọng hơn cả, các nhà mạng tại từng quốc gia phải triển khai dịch vụ hỗ trợ tốc độ LTE thì thiết bị được tích hợp công nghệ mới phát huy tác dụng. Thế hệ modem mới nhất tích hợp công nghệ 4G LTE là Snapdragon X16 LTE, được sản xuất trên dây chuyền 14nm FinFET cho tốc độ lên đến 1Gbps.

Mọi người cũng có thể tìm thấy chip Bluetooth, NFC và WiFi trên smartphone. Những công nghệ này được phát triển bởi các công ty như NXP hoặc Broadcom.

Camera và bộ xử lý tín hiệu hình ảnh

Hầu hết điện thoại thông minh có hai camera, một ở phía trước và một ở mặt sau. Máy ảnh được tạo nên từ ba thành phần: bộ cảm biến, các ống kính và bộ xử lý hình ảnh. Một số dòng sản phẩm hiện nay trang bị camera kép giúp xử lý tốt hơn trong điều kiện thiếu sáng và mô phỏng hiệu ứng độ sâu trường ảnh.

Người dùng có thể nghe nói nhiều về chỉ số megapixel. Nó cho chúng ta biết độ phân giải của cảm biến, nhưng không hẳn cứ nhiều chấm sẽ tạo ra bức ảnh đẹp hơn. Số lượng megapixel chỉ là một trong số các yếu tố quyết định đến chất lượng hình ảnh, bênh cạnh độ nhạy của cảm biến và khả năng giảm nhiễu khi chụp trong điều kiện thiếu sáng.

IPS trên SoC Snapdragon 820 của Qualcomm.

Một thành phần rất quan trọng không thể không nhắc tới là bộ xử lý tín hiệu hình ảnh ISP (Image Signal Processor) thường được tích hợp trên SoC. Bộ phận này giúp xử lý dữ liệu từ máy ảnh để cho ra bức hình hoàn thiện. Pixel (điểm ảnh) là thành phần cơ bản nhất với tiêu chí càng nhiều điểm ảnh thì độ chính xác và sắc nét của ảnh càng lớn. IPS sử dụng thuật toán để gộp và tái tạo lại màu sắc, cũng như đảm nhiệm các vai trò như lấy nét tự động, kiểm soát độ phơi sáng, cân bằng trắng.

Thông thường, nếu di chuyển máy ảnh trong lúc chụp thì hình sẽ bị mờ. Vì vậy, điện thoại di động sử dụng bộ ổn định hình ảnh quang học (OIS), công nghệ làm giảm hiện tượng mờ do rung tay hoặc di chuyển camera.

DSP và DAC

DSP viết tắt của cụm từ Digital Signal Processor (bộ xử lý tín hiệu số) là bộ phận chuyên dụng của phần cứng được thiết kế để xử lý tín hiệu âm thanh. Các tập lệnh của nó nhỏ hơn so với tập lệnh của vi xử lý nên cần bộ giải mã đơn giản, nhờ thế tốc độ làm việc sẽ nhanh hơn.

Mô phỏng cơ chế hoạt động của DSP và DAC.

DSP của Qualcomm là Hexagon, dù được biết đến như một Bộ xử lý tín hiệu số thì tính năng đã vượt ra ngoài giới hạn xử lý âm thanh để đảm nhiệm thêm vai trò nâng cao chất lượng hình ảnh, tăng cường thực tế ảo, xử lý video và các cảm biến.

DAC viết tắt từ cụm từ Digital to Analog Converter (bộ chuyển đổi tín hiệu điện từ sang Analog) có nhiệm vụ nhận dữ liệu số từ file âm thanh rồi chuyển đổi sang dạng sóng để gửi đến tai nghe hoặc loa, từ đó phát ra âm thanh tai người có thể nghe được. DAC tốt là loại tái tạo tín hiệu sang dạng âm thanh hiệu quả nhất, ít nhiễu.

Các bộ phận khác

Trải nghiệm âm thanh trên smartphone trở thành một phần quan trọng. Loa có nhiều hình dạng và kích thước. Một số được thiết kế ở mặt sau, số khác lại nằm ở mặt trước hoặc cạnh đáy. Nhìn chung, loa trước thường được coi là tốt nhất. Nhiều điện thoại chỉ có một loa, dù chúng sử dụng tới hai màng lưới loa ở vỏ.

Hệ thống định vị toàn cầu GPS, được sử dụng để xác định vị trí điện thoại. GPS hoạt động nhờ vào các vệ tinh nhân tạo do Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ thiết kế và quản lý, nhưng cho phép mọi người sử dụng miễn phí.

PMIC MT6351V của MediaTek.

Một con chip được tìm thấy trong smartphone là PMIC (Power Management Integrated Circuit) - mạch tích hợp quản lý điện năng, có chức năng quản lý, kiểm soát và phân phối nguồn điện từ pin tới các mạch tương ứng. Các nhà sản xuất PMIC nổi tiếng gồm Qualcomm, MediaTek và Maxim.

Cuối cùng là các cổng kết nối. Hầu hết smartphone đều có cổng sạc loại micro USB hoặc USB Type-C và trang bị jack tai nghe chuẩn 3.5mm. Việc xây dựng một mẫu điện thoại không cổng kết nối hoàn toàn khả thi nhờ sử dụng công nghệ sạc không dây và tai nghe Bluetooth.

Tổng kết

Bởi vì chúng ta sử dụng smartphone quá dễ dàng với những thao tác bên ngoài mà quên rằng, cấu tạo bên trong vô cùng phức tạp. Đó giống như một chiếc máy tính thu nhỏ mà công dụng đôi khi còn lớn hơn thế, như máy ảnh, âm thanh giải trí, hệ thống điều khiển, dễ dàng mang theo bên người. Mỗi tính năng đều do một phần cứng chuyên dụng và phần mềm xử lý cho trải nghiệm tuyệt vời nhất.