Tại sao chip của Apple luôn nhanh hơn chip của Qualcomm?

Như thường lệ, chip mới của Apple lại được so sánh với chip mới nhất tới từ Qualcomm, Samsung và Huawei. Không mất nhiều thời gian để các phần mềm đo hiệu năng như Antutu hay Geekbench đưa ra kết quả và Apple lại tiếp tục là người thắng cuộc trong năm nay. Thậm chí, nhà sáng lập Geekbench John Poole cho biết ông cảm thấy kinh ngạc trước sức mạnh của chip A11 Bionic trên iPhone 8.

Vậy, lý do nào đã khiến chip của Apple luôn áp đảo trước các đối thủ? Tại sao chip trên smartphone Android lại đang tụt hậu rất xa ở phía sau? Và chip của Apple có thực sự tốt? Nhà báo Gary Sims tới từ trang công nghệ Android Authority vừa đưa ra một bài viết để giúp bạn trả lời những câu hỏi kể trên:

Tìm hiểu về chip A11 Bionic

Apple thiết kế bộ vi xử lý của mình dựa trên kiến trúc 64 bit của ARM. Điều đó có nghĩa là chip của Apple sử dụng chung kiến trúc RSIC (Reduced Instruction Set Computer- điện toán với tệp lệnh đơn giản hóa) tương tự như Qualcomm, Samsung, Huawei và các hãng sản xuất chip khác. Điều khác biệt là Apple đã kí được một giấy cấp phép kiến trúc với ARM, điều sẽ cho phép Táo khuyết tự thiết kế lấy con chip của riêng mình ngay từ những bước phác thảo đầu tiên. Chip ARM 64-bit đầu tiên do Apple sản xuất là A7 được sử dụng trên iPhone 5S. Đây là con chip lõi kép, có xung nhịp 1.4 GHZ và được trang bị GPU 4 lõi PowerVR G6430.

4 năm trôi qua nhanh chóng và chip A11 Bionic mới nhất của Apple đã có 6 lõi, sử dụng cấu hình đa xử lý không đồng nhất (Heterogeneous Multi-Processing, HMP) theo công nghệ big.LITTLE của ARM. Ngoài ra, A11 Bionic cũng sử dụng GPU (bộ vi xử lý đồ họa) "cây nhà lá vườn" của Apple sau khi hãng chấm dứt hợp tác với công ty Imagination vào năm ngoái.

Sáu lõi CPU của A11 Bionic bao gồm 2 lõi hiệu năng (tên mã là Monsoon) và 4 lõi năng lượng hiệu quả (tên mã là Mistral). Khác với chip A10 của năm ngoái, A11 Bionic có thể dùng đồng thời cả sáu lõi trong vòng một lúc.

Apple tuyên bố hai lõi hiệu năng Monsoon trên A11 Bionic cung cấp khả năng xử lý nhanh hơn 25% so với chip A10. Trong khi đó, 4 lõi năng lượng hiệu quả Mistral lại nhanh hơn tới 70% so với những lõi năng lượng hiệu quả trên con chip tiền nhiệm. A11 Bionic được sản xuất trên quy trình 10 nm của hãng TSMC (Đài Loan) và chứa tới 4,3 tỷ bóng bán dẫn. Mặc dù vậy, A11 Bionic lại chỉ có kích thước 89,23 nm², tức nhỏ hơn chip A10 30%.

Theo bài kiểm tra được trang công nghệ Android Authority tiến hành trên iPhone 8 Plus, thiết bị sử dụng chip A11 Bionic này đã đạt số điểm 4260 trong bài thử nghiệm đơn lõi và đạt số điểm 10221 trong bài thử nghiệm đa lõi trên Geekbench. Nếu so sánh với chip A10 tiền nhiệm và chip cao cấp nhất hiện nay của Qualcomm là Snapdragon 835, chúng ta sẽ thấy sự khác biệt đáng kinh ngạc:

A11 Bionic và Snapdragon 835 đều sử dụng quy trình sản xuất 10 nm như nhau. Ngoài ra, cả hai chip đều có khả năng sử dụng tất cả các lõi đồng thời. Mặc dù, A11 Bionic chỉ có 6 lõi trong khi Snapdragon 835 lại có tới 8 lõi nhưng điều này lại không quá quan trọng. Vấn đề là tại sao có cấu hình gần như tương tự nhau nhưng điểm số của A11 Bionic lại gần như gấp đôi đối thủ?

Nhìn lại lịch sử

Trên bảng kết quả đa lõi, chip 6 lõi A11 Bionic nhanh hơn tới 50% so với chip 8 lõi Snapdragon 835. Phần mềm của Geekbench không thể thử nghiệm hết các yếu tố khác trên chip như DSP (công nghệ xử lý tín hiệu số), ISP (công nghệ kết nối mạng) hay các tính năng liên quan đến AI có thể ảnh hưởng tới trải nghiệm của người dùng. Tuy nhiên, nếu xét trên tốc độ đơn thuần, A11 Bionic của Apple rõ ràng là mạnh mẽ hơn hẳn.

Đối với nhiều người dùng Android, đây là một sự thật có thể thật khó để nuốt trôi. Vậy lý do dẫn tới việc này là gì? Hãy bỏ chút thời gian nhìn lại lịch sử của các nhà sản xuất chip để tìm hiểu:

Công bằng mà nói, Qualcomm đã ngủ quên và để Apple vượt lên khi ra mắt chip 64-bit đầu tiên vào năm 2013. Trước thời điểm đó, cả Apple và Qualcomm vẫn sử dụng chip 32-bit ARMv7 để cung cấp cho các thiết bị di động. Với chip Snapdragon 800 sử dụng lõi Krait 400 và GPU Adreno 330, Qualcomm đã trở thành người dẫn đầu trong thị trường chip-32 bit.

Mọi thứ lúc đó đã diễn ra rất tốt đẹp với Qualcomm và khiến hãng ngủ quên trên chiến thắng. Khi Apple giới thiệu chip 64-bit đầu tiên có tên là A7, Qualcomm đã không có bất cứ động thái nào cả. Chỉ có một lần duy nhất người ta thấy lãnh đạo của Qualcomm chế giễu chip 64-bit của Apple là một "mánh khóe marketing". Tuy nhiên, không lâu sau, Qualcomm đã nhận ra sai lầm tai hại của mình và tiến hành nghiên cứu chip 64-bit.

Vào tháng 4/2014, Qualcomm đã công bố chip Snapdragon 810 với 4 lõi Cortex-A57 và 4 lõi Cortex-A53. Lõi Cortex được cung cấp trực tiếp bởi ARM và được tùy chỉnh dựa theo kiến trúc của hãng. Nhưng cùng năm đó, Apple đã công bố A8, tức thế hệ chip 64-bit thứ hai của mình. Và phải chờ tới tận tháng 3/2015, Qualcomm mới có thể công bố chip 64-bit đầu tiên, đó là chip Snapdragon 820 với lõi tùy chỉnh Kryo. Tuy nhiên, chỉ 6 tháng sau, Apple đã công bố thế hệ chip 64-bit thứ ba là chip A9 trên iPhone 6S. Như vậy, Qualcomm đã bị tụt hậu tới tận hai thế hệ so với Apple trong cuộc đua chip 64-bit.

Vào năm 2016, Qualcomm lại một lần nữa quay trở lại làm việc với ARM nhưng với một sự thay đổi mang tính bước ngoặt. ARM đã tạo ra một chương trình cấp phép nhằm giúp các đối tác đáng tin cậy của hãng được tiếp cận với những thiết kế CPU mới nhất và thậm chí là tiến hành các tùy chỉnh cần thiết. Kết quả là lõi Kryo 280 đã được ra đời. Dựa theo thông số kĩ thuật được công bố, chip Snapdragon 835 của Qualcomm đã sử dụng 8 lõi Kryo 280 (một số nơi ghi là 4 lõi Cortex-A73 và 4 lõi Cortex-A53).

Một điểm đáng chú ý là khi giới thiệu Snapdragon 835, Qualcomm đã rời lễ công bố từ mùa xuân sang mùa đông. Điều này có nghĩa là Snapdragon 835 được giới thiệu sau khi chip A10 và iPhone 7 được ra mắt. Đây là một biện pháp của Qualcomm nhằm rút ngắn khoảng cách với chip mới nhất tới từ Apple. Từ giờ cho tới hết năm 2017 vẫn còn 3 tháng nữa và đây là thời gian để Qualcomm giới thiệu chip cao cấp dành cho flagship tiếp theo. Tuy nhiên, nếu không có những cải tiến đáng kể so với Snapdragon 835, con chip này nhiều khả năng vẫn sẽ tiếp tục thua kém chip A11 Bionic của Apple.

Điểm khác biệt trên lõi CPU của Apple là gì?

Dưới đây là những điều đã tạo nên sự khác biệt của lõi CPU trên chip của Apple so với các đối thủ khác:

Thứ nhất, Apple có xuất phát điểm sớm hơn tất cả trong lĩnh vực phát triển CPU dựa trên kiến trúc 64-bit của ARM. Mặc dù, ARM đã giới thiệu lõi Cortex-A57 vào tháng 10/2012, các đối tác của hãng phải chờ tới tận năm 2014 để nhận được loại lõi mới này. Trong khi đó, Apple đã có thiết bị sử dụng chip-64 bit đầu tiên vào năm 2013. Táo khuyết đã tận dụng được lợi thế dẫn đầu và sản xuất một thiết kế CPU mỗi năm.

Thứ hai, nỗ lực phát triển vi xử lý của Apple luôn kết hợp chặt chẽ với chu kì ra mắt điện thoại mới của hãng. Thiết kế một CPU di động có hiệu suất cao là một việc rất khó, khó cho cả Apple, ARM, Qualcomm và tất cả các hãng khác. Bởi vì khó như vậy nên nó cần nhiều thời gian để phát triển.

Lõi Cortex-A57 được giới thiệu từ năm 2012 nhưng phải tới tận tháng 4/2014 mới xuất hiện trên smartphone. Đó là một quá trình dài. Tuy nhiên, những quá trình như vậy đang thay đổi theo hướng rút ngắn.  Ví dụ: chip Kirin 960 trên Huawei Mate 9 được giới thiệu chỉ 8 tháng sau khi GPU Mali-G71 của ARM được chuyển tới. Đã có những lập luận cho rằng kể từ khi Apple muốn tự làm mọi thứ trên chip, hãng đã tiết kiệm được nhiều tuần trong chu kì phát triển so với trước đây.

Kích thước lõi của của chip A10 trên iPhone 7 so với lõi của chip tới từ các đối thủ.

Thứ ba, CPU của Apple luôn lớn hơn đối thủ và trong thị trường di động, lớn hơn có nghĩa là đắt hơn. Theo một báo cáo trong năm 2016 của tập đoàn Linley Group, lõi Hurricane trên chip A10 "có kích cỡ lớn gấp đôi so với CPU trên mẫu di động cao cấp khác". Kể cả lõi Zephyr nhỏ hơn trên chip A10 cũng đã lớn "gần gấp đôi so với lõi Cortex-A53".

Lý do chính khiến Apple dám làm CPU kích thước lớn là do điều được Táo khuyết nhắm tới là bán smartphone chứ không phải là bán chip. Do đó, Apple sẵn sàng trang bị CPU đắt tiền hơn cho iPhone vì biết có thể lấy lại tiền ở những nơi khác, bao gồm cả giá bán lẻ cuối cùng dành cho người dùng.

Trong khi đó, ARM và Qualcomm là những công ty kinh doanh chip thật sự. ARM thiết kế lõi CPU cho Qualcomm (và các hãng khác như MediaTek). Sau đó, Qualcomm dùng thiết kế của ARM để làm chip cho Samsung, Sony, LG và các hãng Android khác. ARM cần lợi nhuận, Qualcomm cần lợi nhuận và các nhà sản xuất khác cũng tương tự. Vì vậy, Qualcomm không thể tạo ra những bộ vi xử lý quá đắt tiền vì điều này sẽ khiến các nhà sản xuất smartphone đi mua ở nơi khác hoặc tự nghiên cứu chip cho riêng mình.

Thứ tư, CPU của Apple có bộ nhớ đệm (cache) lớn. Silicone được dùng để tạo ra bộ nhớ đệm rất đắt tiền và nhiều nhà sản xuất chip muốn tiết kiệm bằng cách loại bỏ chi tiết có kích thước 0.5 mm² này. Tuy nhiên, như đã nói ở trên, Apple có thể làm các con chip đắt hơn nên họ sẵn sàng trang bị bộ nhớ đệm lớn.

Trước khi Cortex-A75 được ra mắt, không có lõi Cortex nào của ARM hỗ trợ bộ nhớ đệm L3. Tuy nhiên, Apple đã trang bị bộ nhớ đệm L3 kích thước lớn ngay từ khi ra mắt chip A7. Cụ thể, chip A7 và A8 có bộ nhớ đệm L1 kích thước 1 MB và bộ nhớ đệm L3 kích thước 4 MB. Chip A9 và A10 có bộ nhớ đệm L2 kích thước 3 MB và bộ nhớ đệm L3 kích thước 4 MB. Theo Geekbench, chip A11 Bionic có bộ nhớ đệm L2 kích thước 8 MB và không có bộ nhớ đệm L3. Trong khi lõi Cortex-A75 có thể hỗ trợ bộ nhớ đệm L3 tới 4 MB, chúng ta phải đợi xem Qualcomm muốn thế hệ chip Snapdragon tiếp theo có bộ nhớ đệm lớn cỡ nào. Bộ nhớ đệm lớn có khả năng ngăn chặn hiện tượng thắt cổ chai khi thiết bị phải xử lý số lượng lớn dữ liệu và đó là một trong những lý do làm nên sức mạnh của những con chip tới từ Apple.

Thứ năm và cuối cùng, kế hoạch làm chip có pipeline (cấu trúc đường ống lệnh, cho phép chia nhỏ các tác vụ lớn thành các tác vụ nhỏ) rộng và tốc độ xung nhịp thấp của Apple đang có kết quả tốt. Nhìn chung, các nhà sản xuất chip hiện đang có hai lựa chọn, làm ra lõi CPU có pipeline hẹp nhưng có tốc độ xung nhịp lớn hoặc pipeline rộng nhưng dùng tốc độ xung nhịp nhỏ.

Điều cũng giống như khi bạn dùng hai đường ống khác nhau để bơm nước. Trong đó, bạn có thể bơm nước ở áp suất cao khi dùng đường ống nhỏ và bơm nước ở áp suất thấp khi dùng ống nước lớn. Cả hai cách này đều cho bạn số lượng nước như nhau.

Trong thị trường chip hiện nay, ARM đang dùng pipeline hẹp và Apple đang dùng pipeline rộng. Điều này giải thích tại sao tốc độ xung nhịp trên chip Apple luôn kém hơn chip của Qualcomm nhưng hiệu suất lại không bao giờ thua kém. Cụ thể, lõi Cortex-A75 có tốc độ xung nhịp là 3 GHZ, trong khi đó, chip A10 có tốc độ xung nhịp chỉ 2.34 GHZ. Tốc độ xung nhịp của chip A11 Bionic hiện vẫn chưa được Apple công bố.

Cơ hội nào cho Qualcomm và các nhà sản xuất chip khác

Không thể phủ nhận rằng Apple đang sở hữu một đội ngũ sản xuất chip đẳng cấp khi liên tục tạo ra những vi xử lý tốt nhất thế giới trong vài năm qua. Thành công của Apple không phải tới từ phép thuật hay tự nhiên mà có. Đó là kết quả tới từ sự lao động của những kĩ sư tài giỏi, xuất phát điểm sớm hơn đối thủ và chấp nhận làm chip với giá thành đắt hơn.

Để các nhà sản xuất chip khác như Qualcomm, Samsung hay Huawei có thể đánh bại Apple, phải có ít nhất một trong hai điều sau đây xảy ra:

- Apple tạo ra một con chip "tồi tệ". Điều đó có thể dẫn tới việc Táo khuyết bị mất vị thế dẫn đầu trên thị trường.

- Một nhà sản xuất chip dám tạo ra một ra một con chip đắt tiền với kích thước lớn và bộ nhớ đệm dung lượng cao, tức là mọi thứ đều tốt hơn chip của Apple.

Mặc dù vậy, cả hai điều kể trên đều khó xảy ra. Thứ nhất, đội ngũ làm việc của Apple rất ít khi mắc sai lầm. Thứ hai, đầu tư một số tiền lớn để làm chip là một canh bạc lớn và vô cùng mạo hiểm. Thay vào đó, sản xuất chip giá rẻ hoặc đi mua chip để lắp ráp vào điện thoại lại dễ dàng hơn nhiều.

Tuy nhiên, lõi CPU không phải là tất cả mọi thứ trên chip. Ngoài ra, còn có GPU, DSP, ISP và nhiều thành phần khác. Chip A11 Bionic của Apple rất ấn tượng nhưng Snapdragon 835 cũng như vậy. Hãy xét tới trải nghiệm cuối cùng của người dùng. iPhone 8 và chip A11 Bionic hoàn toàn có thể đem lại trải nghiệm tuyệt vời cho người dùng. Và chip Snapdragon 835 trên Galaxy Note 8 cũng có thể làm được điều tương tự.

Hơn nữa, chúng ta có thể đặt hi vọng vào việc trải nghiệm của người dùng sẽ thay đổi. Chip A11 Bionic chứa một linh kiện có tên là "Neutral Engine" để cho phép sử dụng tính năng nhận diện khuôn mặt FaceID. Tuy nhiên, trong một bài phát biểu mới đây, CEO Huawei cho biết chip Kirin 970 của hãng đã được trang bị bộ xử lý thần kinh chuyên dụng (NPU) cho phép nhận diện hình ảnh nhanh hơn tới 20 lần. Huawei cũng không ngần ngại chế giễu Apple và khẳng định sẽ cho người dùng thấy đâu mới là một chiếc smartphone hỗ trợ "AI thật sự".

Trước đó, Qualcomm đã thông báo là sẽ không gọi chip là vi xử lý nữa. Thay vào đó, hãng sẽ gọi là nền tảng. Mặc dù điều này chỉ là thay đổi tên gọi, đó có thể là cách Qualcomm thay đổi góc nhìn từ bộ vi xử lý lấy trọng tâm là CPU sang một cái nhìn toàn diện hơn, bao gồm cả việc hỗ trợ trí thông minh nhân tạo (AI).

Điều đó có nghĩa là Qualcomm, Samsung, Huawei và ARM đang trên con đường tái định nghĩa lại bộ vi xử lý truyền thống và triển khai các tính năng mới như AI. Nếu làm tốt hơn Apple, họ sẽ có cơ hội giành lấy vị thế dẫn đầu trong thị trường chip di động trong tương lai.