Lõi tùy chỉnh trong thế giới ARM - Apple, Qualcomm, Samsung, NVIDIA - Ai hơn ai?

Đôi khi đọc về các thiết kế lõi của CPU, bạn có thể bắt gặp thuật ngữ “lõi tùy chỉnh”, đặc biệt khi đọc về Apple hay Qualcomm. Vậy lõi tùy chỉnh là gì? Và tại sao người ta lại phải đặt ra thuật ngữ như vậy? Cũng như ai là người tạo ra các lõi này? Hãy cùng tìm hiểu dưới đây.

ARM

Phần lớn các smartphone Android (và tất cả iPhone) đều sử dụng các CPU trên nền kiến trúc ARM. “Kiến trúc” ở đây mang nghĩa các tập lệnh và triết lý thiết kế đằng sau những tập lệnh đó. Ngoài ARM, còn có các kiến trúc bộ xử lý khác cho di động của Intel và MIPS.

Kiến trúc của ARM còn được gọi là kiến trúc RISC (Reduced Instruction Set Computer – máy tính với tập lệnh đơn giản hóa), với ý tưởng sử dụng những tập lệnh đơn giản để việc thực thi diễn ra nhanh hơn, nhưng đồng thời bạn cũng cần thực thi nhiều hơn một lệnh để có được cùng kết quả với một câu lệnh đơn trên bộ xử lý CISC (Complex Instruction Set Computer – máy tính với tập lệnh phức tạp).

Trong khi đó, Intel tiếp cận theo kiến trúc CISC, thiết kế của phần lớn CPU ngày nay, xử lý các lệnh (đơn giản hay phức tạp), bẻ chúng thành những mã lệnh siêu nhỏ trước khi được xử lý.

Ngoài ra, mô hình kinh doanh của ARM cũng khác so với Intel. Trong khi ARM bán các giấy phép về thiết kế CPU (tài sản sở hữu trí tuệ hay IP – Intellectual Property) cho khách hàng của mình, để họ tự làm nên chip của riêng mình. ARM thu được phí bản quyền cho mỗi chip bán được, cộng thêm phí giấy phép cần để có được chứng nhận chip của nhà sản xuất tương thích với ARM. Ngược lại, Intel tự thiết kế, sản xuất và bán chip cho riêng mình và chỉ chip của họ mà thôi.

Khách hàng của ARM là các công ty như Qualcomm, Apple, Samsung, MediaTek, Huawei, Rockchip và còn nhiều nữa. Mỗi công ty có mối quan hệ kinh doanh với ARM cho phép họ có thể xây dựng bộ xử lý tương thích với kiến trúc của ARM. Có hai mức độ giấy phép : giấy phép về lõi và giấy phép về kiến trúc.

Giấy phép lõi cho phép các đối tác của ARM lấy toàn bộ thiết kế lõi (ví dụ như lõi Cortex-A72) và biến lõi đó thành một chip SoC khi kết hợp với GPU, bộ điều khiển bộ nhớ, … Công ty đối tác có toàn quyền sử dụng thiết kế lõi đó theo bất cứ cấu hình nào họ muốn, tuy nhiên họ không được phép chỉnh sửa thiết kế lõi đó. ARM hiện giữ bản quyền bốn thiết kế lõi 64-bit riêng biệt : lõi Cortex-A35, Cortex-A53, Cortex-A57 và Cortex-A72. Ngoài ra, còn nhiều thiết kế lõi theo các dòng sản phẩm khác, một số đó dự kiến sẽ ra mắt trong năm 2016.

Bên cạnh giấy phép lõi, giấy phép về kiến trúc sẽ cho phép các đối tác thiết kế lõi của riêng họ theo kiến trúc ARM, và họ được sử dụng các lõi này theo bất cứ cấu hình nào họ muốn, chừng nào các thiết kế lõi này còn tương thích với tập lệnh của ARM. Hiện tại, những công ty đang nắm giấy phép kiến trúc này gồm có : Qualcomm, Apple, Samsung, Nvidia và Huawei.

Đây chính là nơi mà thuật ngữ về lõi tùy chỉnh xuất phát. Theo đó, lõi tùy chỉnh là một thiết kế lõi CPU, được làm ra theo giấy phép thiết kế của ARM, tương thích với kiến trúc ARM, tuy nhiên không phải là thiết kế của lõi ARM Cortex-A nữa.

Phần lớn (không phải tất cả) những công ty đang giữ giấy phép kiến trúc này cũng có giấy phép lõi. Điều đó có nghĩa là những sản phẩm của các công ty này sẽ sử dụng cả chip SoC với thiết kế lõi ARM Cortex-A và những chip SoC với thiết kế lõi của riêng họ.

Qualcomm

Qualcomm là một ví dụ “kinh điển” cho một đối tác cấp phép hàng đầu của ARM. Công ty giữ cả hai loại giấy phép lõi và giấy phép kiến trúc. Nếu bạn nhìn vào các dòng chip SoC 64-bit hiện tại của công ty này (thời điểm đầu 2016), bạn sẽ thấy tất cả chúng đều dựa trên thiết kế lõi ARM Cortex-A53 và Cortex-A57. Ví dụ, chip Snapdragon 810 sử dụng bốn lõi Cortex-A53 và bốn lõi Cortex-A57 trong Cấu hình đa xử lý không Đồng nhất (HMP – Heterogeneous Multi-Processing) theo công nghệ big.LITTLE của ARM.

Tuy nhiên, Qualcomm cũng có những thiết kế “tùy chỉnh” của riêng mình. Nổi tiếng nhất cho đến nay, là thiết kế lõi Krait được sử dụng trên các chip SoC như Snapdragon 801 và Snapdragon 805. Có thể thấy thế hệ bộ xử lý 64-bit đầu tiên của Qualcomm đều sử dụng thiết kế lõi Cortex-A của ARM. Tuy nhiên đến thế hệ thứ hai, Qualcomm sẽ sử dụng cả thiết kế lõi của ARM và thiết kế của riêng mình cho các sản phẩm này. Ví dụ trong khi Snapdragon 650 và 652 sử dụng các lõi Cortex-A53 và Cortex-A57, sản phẩm mới nhất Snapdragon 820 sẽ sử dụng lõi Kryo do Qualcomm tự phát triển.

Qualcomm cũng gửi các nhà phát triển những thiết bị đầu tiên sử dụng chip Snapdragon 820, theo chương trình MDP (Mobile Development Platform – nền tảng phát triển di động) của hãng. Hiện tại, những điểm benchmark ban đầu cho các thiết bị sử dụng Snapdragon 820 cũng đã xuất hiện. Cho đến nay, những gì chúng ta biết về 820 là chip sẽ có bốn nhân Kryo, sắp xếp theo cấu hình HMP, trong đó có hai lõi hiệu suất cao với xung nhịp cao hơn đi kèm bộ nhớ đệm L2 lớn, và hai lõi tiêu thụ ít năng lượng với xung nhịp thấp đi kèm bộ nhớ đệm L2 nhỏ hơn.

Dường như Qualcomm đã nghiên cứu để cải thiện băng thông bộ nhớ của 820. Theo điểm Geekbench 3, cho thấy băng thông của 820 gấp đôi băng thông của 810. Những cải thiện này có được do những cải tiến trên bộ điều khiển bộ nhớ và kiến trúc chung quản lý bộ chuyển bộ nhớ, cho phép chip sử dụng tối ưu băng thông lý thuyết lên đến 28,8 GB/s, được cung cấp bởi bộ điều khiển bộ nhớ LPDDR4. Tốc độ xung nhịp nhanh nhất qua các bài kiểm tra cho thấy băng thông đỉnh đạt đến 17,4 GB/s ở 820, so với 7,5 GB/s của Snapdragon 810.

Apple

Trong khi Qualcomm đại diện cho một đối tác cấp phép kiến trúc điển hình của ARM, Apple lại là một ví dụ không điển hình của mô hình này. Qualcomm và những đối tác khác làm ra các chíp SoC sau đó bán lại cho các nhà sản xuất smartphone. Bản thân Qualcomm không tự làm bất cứ thiết bị điện tử tiêu dùng nào. Ngược lại, Apple thiết kế các chip SoC để sử dụng độc quyền trên iPhone và không bán cho bất kỳ công ty nào khác.

Tất cả các phiên bản iPhone, từ đời đầu tiên cho đến nay, đều sử dụng các bộ xử lý nền tảng ARM. Qua nhiều năm, Apple đã sử dụng các thiết kế lõi ARM Cortex-A (ví dụ iPhone 4S sử dụng chip SoC lõi kép Cortex-A9, hay Apple A5) cũng như các thiết kế chip của riêng mình. iPhone 5 sử dụng chip SoC Apple A6, gồm có hai lõi Swift, thiết kế lõi tùy chỉnh đầu tiên của Apple. Swift là thiết kế tương thích với lõi ARMv7 32-bit, có những cải tiến so với Cortex-A9 như bổ sung khả năng hỗ trợ cho những tính năng như Advanced SIMD v2 và VFPv4.

Việc Apple chuyển từ thiết kế lõi Cortex-A của ARM sang sử dụng thiết kế lõi của riêng mình là kết quả của thương vụ Apple mua lại P.A. Semi vào năm 2008. P.A. Semo là một công ty thiết kế chip được sáng lập bởi Daniel W. Dobberpuhl, thiết kế trưởng cho những bộ xử lý DEC Alpha 21064 và StrongARM. Phải mất một vài năm trước khi nhóm này sẵn sàng ra mắt thiết kế SoC đầu tiên của mình, tuy nhiên từ đó đến nay Apple không bao giờ quay trở lại sử dụng thiết kế lõi của ARM nữa.

Sau Swift đến Cyclone, thiết kế lõi 64-bit này đã giáng cho phần còn lại của thế giới chip trên nền ARM một cú trời đánh. Chip SoC Apple A7 được ra mắt vào tháng 9 năm 2013 khi sử dụng trên chiếc iPhone 5S và nhiều model iPad khác. Tại buổi ra mắt của iPhone 5S, không có nhà sản xuất SoC nào khác thông báo về kế hoạch cho bộ xử lý 64-bit. Như vậy, Apple đã tiến trước Qualcomm đến 18 tháng trong cuộc đua điện toán 64-bit, và trước ba năm trong khả năng tùy chỉnh lõi 64-bit.

Giờ với mỗi thế hệ lõi tùy chỉnh của mình, Apple đã có thể  tinh chỉnh lại các thiết kế để có hiệu năng ngày càng cao hơn. Người ta cho rằng những cải tiến mới nhất trên chip SoC Apple A9 sẽ đến từ việc nâng cao tần số xung nhịp, thay đổi cách mà bộ nhớ đệm các cấp 1, 2 và 3 được sử dụng, cũng như những cải thiện từ vi kiến trúc của chip.

Samsung

Samsung là thành viên cuối cùng tham gia vào bữa tiệc lõi tùy chỉnh. Cho đến nay, tất cả chip ARM của họ, cả 32-bit và 64-bit, đều sử dụng thiết kế Cortex-A của ARM. Ví dụ chip Exynos 7420, tương tự như Snapdragon 810, sử dụng bốn lõi Cortex-A53 và bốn lõi Cortex-A57. Tuy nhiên, từ năm 2013 đã có tin đồn về việc Samsung đang tự thiết kế lõi ARM cho riêng mình.

Mãi đến gần đây, Samsung mới xác nhận thế hệ chip Exynos kế tiếp sẽ sử dụng lõi CPU tùy chỉnh của riêng họ, trên nền 64-bit kiến trúc ARMv8. Trên thực tế, chip Exynos 8 Octa sẽ sử dụng 4 lõi tùy chỉnh và 4 lõi Cortex-A53 theo cấu hình big.LITTLE.

Với mật danh Mongoose, dự án này của Samsung cho đến nay vẫn chưa tiết lộ thiết kế chip của mình, tuy nhiên chip SoC Exynos 8 được kỳ vọng sẽ kết hợp với GPU ARM Mali-T880 và sử dụng trên chiếc Samsung Galaxy S7.

NVIDIA

Sau chip Tegra 3 tương đối thành công vào năm 2011, chiến lược cho SoC của NVIDIA trở nên không rõ ràng. Khi công ty bắt tay vào phát triển chip Tegra 4, những người trong ngành cho biết, từkhi bắt đầu cho đến cuối chu kỳ phát triển, sản phẩm này gặp phải hàng loạt vấn đề và các yêu cầu thay đổi. Kết quả làm cho các sản phẩm Tegra 4 – một chip SoC nền Cortex-A15 và Tegra 4i – chip SoC nền Cortex-A9 thu được rất ít thành công về mặt thương mại.

Tiếp đến là Tegra K1, một mớ hỗn độn gồm hai phiên bản, một phiên bản chip lõi tứ 32-bit (kiến trúc 4 1) trên nền Cortex-A15 và một phiên bản chip lõi kép 64-bit dựa trên thiết kế lõi tùy chỉnh Denver của NVIDIA. Dự án Denver ban đầu nhằm mục đích tạo ra một lõi CPU chung chạy được các phần mềm của cả kiến trúc x86 và ARM, bằng cách sử dụng hệ nhị phân và bản dịch mã morphing. Ý tưởng này tương tự dự định trước đây của Transmeta, một công ty bán dẫn xấu số mà Linux Torvalds từng làm việc. Dù rất hứa hẹn, nhưng theo Charlie Dermerjian của công ty SemiAccurate, khả năng hỗ trợ phần mềm x86 của dự án Denver cuối cùng phải hủy bỏ do không có được giấy phép từ Intel.

Cho đến nay, chip Tegra K1 mới chỉ được sử dụng trên chiếc tablet HTC Nexus 9. Ngoài ra, trong lộ trình sản phẩm của mình, NVIDIA còn một dự án khác mang tên Parker, một chip SoC khác dựa trên lõi Denver. Tuy nhiên, dường như cả Parker và Denver đều đã chết. Tương tự như Transmeta, NVIDIA cũng thất bại khi cố gắng thương mại hóa một bộ xử lý có khả năng biên dịch mã morphing.

Tiếp sau Tegra K1 là Tegra X1, một chip SoC trên nền thiết kế lõi Cortex-A của ARM, gồm bốn lõi Cortex-A53 và bốn lõi Cortex-A57. Dường như NVIDIA đã tạm thời phải từ bỏ việc tùy chỉnh thiết kế lõi để quay lại với thiết kế lõi của ARM.

Liệu lõi tùy chỉnh có tốt hơn?

Thực ra câu trả lời cho câu hỏi này phụ thuộc nhiều vào định nghĩa sự tốt hơn. Có rất nhiều đặc điểm khi mô tả một lõi CPU, một vài trong số đó không liên quan đến kỹ thuật. Ngoài các tiêu chí như hiệu suất và hiệu quả năng lượng, bạn cũng cần cân nhắc đến chi phí, tiếp thị, sự đa dạng và mục đích sử dụng.

Thời điểm hiện tại có thể có bốn hoặc năm nhóm kỹ sư trên thế giới đang thiết kế lõi CPU cho smartphone theo kiến trúc ARM. Ngoài nhóm của ARM, còn có các nhóm đến từ Apple, Qualcomm và Samsung. Như các ngành công nghiệp khác, (ô tô, dệt may, sinh học, …) luôn có một nhóm dẫn đầu về khía cạnh này hoặc khía cạnh khác.

Nếu so sánh về lõi có hiệu năng cao nhất, hiện tại phần thắng sẽ thuộc về Apple. Có ba nguyên nhân dẫn đến kết luận này.

- Đầu tiên : tại thời điểm của bài viết này, các sản phẩm sử dụng chip Snapdragon 820 hay Exynos 8 hay bất cứ bộ xử lý Cortex-A72 nào đều chưa ra mắt.

- Thứ hai : tính điểm chuẩn hiệu suất của CPU trên hai hệ điều hành khác nhau là không đáng tin.

- Thứ ba : chip SoC của Apple còn đạt các hiệu suất cao do các yếu tố bên ngoài như việc Apple sở hữu toàn bộ hệ sinh thái chạy trên CPU đó, thông qua iOS và các trình biên dịch cũng như thiết bị. Trong khi đó, Android thì không có được những ưu điểm này.

Khi có thể kiểm soát toàn bộ mọi thứ từ SoC cho đến thiết bị, bao gồm iOS và các trình biên dịch, Apple có thể bổ sung thêm nhiều chi tiết để tăng cường hiệu suất cho bộ xử lý. Ví dụ, Apple có thể tăng cường thêm phần cứng nếu họ nhận ra việc này có thể giúp iOS hoạt động tốt hơn. Hoặc nếu họ nhận ra phần cứng có thể được tăng cường bằng các dòng lệnh mới cho lõi CPU, Apple sẽ thêm vào các phần cứng riêng biệt cho chip SoC, ví dụ các bộ xử lý hình ảnh, bộ xử lý chuyển động, các chip âm thanh chất lượng cao.

Thiết kế của chip SoC Apple A9.

Những dữ liệu benchmark ban đầu cho thấy chip Snapdragon 820 và Exynos 8, cũng có hiệu suất tương tự như chip SoC A9 của Apple. Tuy nhiên, hiện tại bộ xử lý 64-bit của Apple đang ở thế hệ thiết kế thứ ba, trong khi Qualcomm và Samsung đang ở thế hệ đầu tiên, ARM đang ở thế hệ thứ hai (Cortex-A72 là thế hệ tiếp theo Cortex-A57), vì vậy, một cách logic, có thể thấy Apple sẽ duy trì vị thế dẫn đầu trong một thời gian nữa. Nhưng với những nhóm thiết kế CPU giàu kinh nghiệm khác trên thế giới, có thể trong thời gian không xa nữa, ta sẽ chứng kiến sự đổi ngôi trong hiệu suất CPU.

Tuy nhiên, ARM lại là người chiến thắng nếu so sánh về hiệu quả năng lượng, vì hai lý do. Đầu tiên : bản thân ARM được dựng nên dựa trên thiết kế các lõi CPU hiệu quả về năng lượng, ví dụ như các lõi Cortex-A35. Ngoài ra, một lý do dễ thấy khác là các những nhóm thiết kế lõi tùy chỉnh khác không nhằm vào mục tiêu hiệu quả năng lượng. Các công ty như Apple, Qualcomm hay Samsung đều hướng đến mục tiêu hiệu suất trước tiên, hiệu quả chỉ là thứ hai.

Không như Apple chỉ làm một lõi cho mỗi thế hệ chip, ARM có nhiều thiết kế lõi cho các mục đích khác nhau. Cortex-A35 đem lại hiệu quả năng lượng so với hiệu suất, trong khi Cortex-A72 mang lại hiệu suất cao, còn Cortex-A53 và Cortex-A57 thì nằm giữa hai chip này về hiệu suất và hiệu quả năng lượng. Không chỉ Apple, mà cả Samsung hay Qualcomm, cũng không có được những dải sản phẩm rộng như thế.

Tổng kết

Vậy tất cả những điều này có ý nghĩa gì với người tiêu dùng? Ở mức cao nhất, nó cho thấy sự sáng tạo và tiến bộ của bộ xử lý hiện đều thuộc về hệ sinh thái ARM. Điều này được tiếp sức từ sự cạnh tranh quyết liệt giữa các công ty như Apple, Samsung và Qualcomm. ARM cũng bị cuốn vào cuộc cạnh tranh này và đẩy nó đi xa hơn bằng sự sáng tạo của mình.

Điều này cũng mang lại cho người tiêu dùng nhiều sự lựa chọn hơn, đặc biệt là phân khúc cao cấp. Bạn có Kryo, Mongoose, Cortex-A72, Twister. Còn nếu phân khúc trung cấp đến cấp thấp, bạn còn có nhiều sự lựa chọn hơn : Cortex-A57, Cortex-A53, Krait và Cortex-A53. Mỗi loại lõi còn đi kèm với hàng loạt cấu hình khác nhau như : lõi đôi dual-core, lõi tứ quad-core, lõi sáu hexa core, lõi tám octa-core, có hay không có HMP.

Đa dạng sự lựa chọn với sự cạnh tranh giữa các công ty cho thấy không chỉ có một “con đường đúng” duy nhất. Apple A9 SoC là chip lõi đôi. Snapdragon 820 là chip lõi tứ với cấu hình HMP. Còn chip Exynos 8 lại lõi tám octa-core với cấu hình HMP. Trong khi đó, MediaTek Helio X20 lại là chip 10 lõi với hai lõi Cortex-A72 và tám lõi Cortex-A53 trong cấu hình HMP. Mỗi cấu hình trên đều có ưu điểm và nhược điểm riêng.

Trên thực tế, bản thân các lõi ARM cũng là các lõi tùy chỉnh, chỉ là được “tùy chỉnh” bởi chính những người đã thiết kế ra kiến trúc này. Nhưng không như Apple, Qualcomm hay Samsung, các kỹ sư của ARM tạo ra các lõi với nhiều mục đích khác nhau, không chỉ nhằm đến thị trường thiết bị cao cấp, mà còn thị trường thiết bị tiết kiệm năng lượng hay dành cho các smartphone cấu hình thấp.

Theo Androidauthority.com