Những thông tin cần biết về SoC bốn nhân dành cho thiết bị di động

Tinhte-Năm 2011, chúng ta được thấy rất nhiều smartphone, tablet sử dụng vi xử lí hai nhân ra mắt. Chúng nhận được sự chú ý lớn từ thị trường nói chung cũng như những người yêu thích công nghệ nói riêng. Tuy nhiên, chỉ chưa đầy một năm sau, vi xử lí bốn nhân đã xuất hiện và lấn át hoàn toàn chip hai nhân trên thị trường sản phẩm cao cấp. Vậy những con chip đó thực chất là gì và tầm quan trọng của nó như thế nào đối với thiết bị di động? Trong bài này mình sẽ chia sẻ cho các bạn một ít thông tin về vi xử lí bốn nhân loại dùng trên thiết bị di động và xu hướng phát triển của nó trong năm nay.

Tìm hiểu cơ bản về SoC

1. SoC là gì?

Trước khi đi vào vi xử lí trên di động, mời các bạn làm quen với một khái niệm là SoC. SoC là chữ viết tắt cho System on a chip, hay System on Chip. Theo nghĩa đen, nó là "cả hệ thống trên một con chip". SoC là một mạch tích hợp (mà người ta thường gọi là IC), trong đó tất cả những thành phần quan trọng của một chiếc máy tính hay một thiết bị điện tử đều được đặt trên một con chip duy nhất. Hầu hết những con chip di động mà bạn nghe nói tới như Qualcomm Snapdragon, NVIDIA Tegra, Samsung Exynos, Texas Instrument, Huawei K3V2,… đều là SoC, và tất nhiên, nó cũng chính là thứ được dùng trong smartphone, tablet của chúng ta. Thậm chí có một số máy tính xách tay cũng dùng SoC nữa.

Một con SoC của Qualcomm, nó chỉ nhỏ cỡ đồng xu mà thôi

Một SoC cơ bản thường có những thành phần sau:

• Một vi điều khiển, vi xử lí, hay nhân xử lí tín hiệu. Vài SoC thì có thể có nhiều hơn một nhân xử lí, khi đó người ta gọi nó là MPSoC, tức Multiprocessor System on Chip. Ở thế giới di động ngày nay, loại được sử dụng phổ biến là vi xử lí.
• Các khối bộ nhớ, có thể là RAM, ROM, EEPROM hay bộ nhớ flash
• Nguồn canh thời gian, chẳng hạn như mạch dao động
• Một số giao diện như USB, FireWire, Ethernet
• Bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự và ngược lại
• Mạch quản lí năng lượng, mạch kiểm soát điện áp.
• Những SoC hiện đại còn có bộ xử lí đồ họa, chip cầu bắc, chip cầu nam, bộ kiểm soát bộ nhớ,...

*Ghi chú thêm: vi xử lí (microprocessor) là IC chỉ có CPU, còn vi điều khiển (microcontroller) là có CPU, RAM và nhiều linh kiện khác được tích hợp lên một đế duy nhất.


Những thành phần kể trên sẽ được kết nối với nhau thông qua một "bus" chung (ví dụ như bus AMBA do ARM phát triển) hoặc bus do một hãng nào đó tự làm. Một số SoC có khả năng kết nối trực tiếp các giao diện với bộ nhớ mà không cần thông qua nhân xử lí nên tăng khả năng nhận dữ liệu.

SoC có một số lợi ích đó là giảm giá thành sản xuất, tăng hiệu năng của thiết bị sử dụng SoC, giảm lượng điện năng tiêu thụ. Ngoài ra, việc áp dụng SoC còn giúp giảm không gian cần thiết để tích hợp các linh kiện điện tử, do đó chúng ta có được những thiết bị nhỏ gọn hơn, hoặc một thiết bị với pin lớn hơn.

Cấu tạo cơ bản của SoC Qualcomm Snapdragon S4. Khối modem bao gồm những thứ về kết nối không dây, ví dụ bộ thu nhận GPS, chip xử lí tín hiệu số, bộ thu phát sóng di động 3G/4G LTE. Khối nhân xử lí thì có hai nhân CPU Krait, bộ nhớ đệm L1/L2. Khồi đa phương tiện thì có GPU, chip tăng tốc video, âm thanh. Ngoài ra chúng ta còn có những hệ thống cốt lõi, RAM (hay bộ nhớ), bộ phận quản lí năng lượng cho thiết bị

2. Vi xử lí bên trong SoC

Như vậy chúng ta đã biết được SoC là một cái lớn, bên trong nó sẽ có nhiều thành phần nhỏ cần thiết để hệ thống hoạt động, và một trong những thành phần quan trọng nhất đó chính là vi xử lí (microprocessor). Vi xử lí, đôi khi còn được gọi với cái tên bộ vi xử lí, là một linh kiện điện tử được chế tạo từ các transitor siêu nhỏ bên trên một vi mạch tích hợp (cũng là IC). Nó có các tính năng như lập trình được, chấp nhận và xử lí dữ liệu, thực thi các lệnh chỉ dẫn mà hệ thống đưa ra, truy cập vào bộ nhớ để lấy hoặc lưu dữ liệu, tính toán,.… Nói cách khác, nó giống như chức năng của bộ xử lí trung tâm (CPU) dùng trên máy tính. Một vi xử lí có thể có nhiều nhân xử lí. Như hình trên thì bạn thấy SoC Snapdragon này có 2 nhân CPU Krait. Snapdragon S4 Pro thì có 4 nhân Krait.

3. Kiến trúc ARM với nhân xử lí

ARM là một công ty có trụ sở tại Anh. Hãng này chuyên nghiên cứu kiến trúc lõi cũng như thiết kế nên các vi xử lí rồi sau đó cấp quyền sử dụng cho các hãng sản xuất khác. Kiến trúc tập lệnh (instruction set architecture) của ARM đang được sử dụng phổ biến hiện tại là ARMv7. Nó có mặt trên hầu hết các SoC dùng trong smartphone, tablet ngày nay. ARM cũng có phát triểnARMv8 với đặc trưng là hỗ trợ điện toán 64-bit, tuy nhiên nó vẫn chưa được nhiều công ty sử dụng vào các sản phẩm thực tế. ARM có hai hình thức cung cấp bản quyền xử lí kiến trúc chứ bản thân họ không tự sản xuất ra các con chip.

Ở hình thức thứ nhất, các hãng như NVIDIA, Samsung, Texas Instrument,… sẽ mua các nhân xử lí do ARM thiết kế sẵn, ví dụ phổ biến là Cortex-A7, Cortex-A8, Cortex-A9, Cortex-A15. Các vi xử lí này sau đó sẽ được kết hợp với nhiều thành phần khác rồi đặt vào bên trong SoC. Hình thức này được sử dụng phổ biến nhất vì nó đơn giản, tiết kiệm chi phí cho các hãng sản xuất phần cứng, trong khi vẫn đảm bảo mang lại hiệu suất như mong muốn.

Một số hãng khác thì không dùng thứ do ARM làm, họ chỉ lấy kiến trúc của ARM về rồi tự thiết kế nên vi xử lí của riêng mình, sau đó mới tích hợp vào SoC. Thông thường, việc các công ty tự thiết kế vi xử lí sẽ mang lại hiệu năng cao hơn các sản phẩm cùng cấp do nó được tối ưu hóa riêng cho SoC, rộng hơn nữa là tối ưu hóa cho cả thiết bị, mà công ty đó muốn sản xuất. Đổi lại, các công ty sẽ phải chi ra rất nhiều tiền bạc, sử dụng nhiều nhân lực nếu muốn tự mình thiết kế vi xử. Qualcomm với nhân Krait, Apple với nhân tùy biến trong A6 là hai cái tên được biết đến rộng rãi trong việc sử dụng hình thức cấp bản quyền thứ hai của ARM. Ngoài ra chúng ta còn có Marvell với nhân XScale, NVIDIA thì có dự án Denver.

SoC bốn nhân dành cho thiết bị di động

Đến đây thì chắc các bạn cũng hiểu SoC bốn nhân là gì rồi phải không nào? Nó là một SoC với bốn nhân xử lí, hay ở Việt Nam người ta gọi là SoC lõi tứ. Thực chất phải nói chính xác là "SoC có vi xử lí bốn nhân (lõi tứ)", hay "SoC có CPU bốn nhân (lõi tứ)", nhưng như vậy thì dài quá nên người ta chuyển sang nói "SoC" + số lõi. Một số người thì chỉ gọi là SoC là vi xử lí lõi tứ, điều này không hoàn toàn chính xác vì chỉ đề cập đến mỗi tính năng xử lí của SoC, nhưng thôi cũng tạm chấp nhận. Đó cũng sẽ là cụm từ mà bạn thường được nghe khi đọc các bài giới thiệu hoặc khi đi mua smartphone, tablet.

Sự thay đổi mang tính cách mạng

SoC lõi tứ dùng cho thiết bị di động bắt đầu có mặt trên thị trường từ những tháng đầu năm 2012, mặc dù nó đã được giới thiệu trong những tháng cuối năm 2011. Qualcomm và NVIDIA là hai cái tên lớn rất nhanh chóng trong việc công bố sản phẩm SoC bốn nhân của mình. Nó đánh dấu một bước tiến nhanh và mang tính cách mạng của công nghệ bán dẫn kích thước nhỏ vì chỉ trong vòng một năm, các công ty đã tìm được cách tối ưu hóa và đặt thêm nhân vào SoC. Trong khi chỉ mới năm 2011, SoC hai nhân mới là cái tên được chú ý trên smartphone, tablet. Trước khi SoC được công bố, người ta khó có thể ngờ rằng một thiết bị nhỏ xíu như điện thoại, máy tính bảng lại có ngày có được số nhân xử lí tương đương với một chiếc máy tính hiện đại.

Một số cột mốc đáng chú ý của SoC bốn nhân

• 9/11/2011: NVIDIA Tegra 3 được ra mắt chính thức, cùng thời điểm với tablet Asus Transformer Prime. Đây là thiết bị di động đầu tiên, cũng là máy tính bảng đầu tiên, sử dụng SoC lõi tứ.
• 23/2/2012: Trước thềm triển lãm MWC 2012, LG công bố chiếc điện thoại LG Optimus 4X HD với chip NVIDIA Tegra 3
• 26/2/2012: Đến lượt HTC ra mắt One X cũng sử dụng NVIDIA Tegra 3
• Cũng trong ngày 26/2/2012: Huawei ra mắt D1 Quad XL chạy trên SoC K3V2 do chính hãng phát triển
• 4/5/2012: Samsung Galaxy S III ra mắt. Đây là sản phẩm đầu tiên của Samsung chạy chip bốn nhân Exynos 4 Quad
• 29/8/2012: Samsung Galaxy Note II được công bố. Nó cũng dùng chip bốn nhân Exynos 4, tuy nhiên xung nhịp được đẩy lên cao hơn một chút so với S III.
• 28/8/2012: LG Optimus G, thiết bị đầu tiên dùng chip Snapdragon S4 Pro của Qualcomm ra mắt. Đây là một trong những sản phẩm đầu tiên được tích hợp bộ thu phát sóng không dây thẳng vào bên trong SoC để mang lại khả năng tiết kiệm điện tốt hơn, hiệu suất máy được nâng cao.
• 29/10/12: Nexus 4 được Google công bố, mang trong mình cấu hình mạnh mẽ với Snapdragon S4 Pro, RAM 2GB, màn hình 4,7" 720p và mức giá rất thấp: 299$ cho bản 8GB, 349$ cho bản 16GB
• 13/11/2012: HTC Butterfly J được giới thiệu ở Nhật. Thiết bị này cũng như chip Snapdragon S4 Pro và là điện thoại đầu tiên trên thế giới có màn hình Full-HD 1080p 5". Bản quốc tế của nó, HTC Butterfly, hiện đã có mặt tại Việt Nam.
• 7/1/2013: NVIDIA công bố thế hệ chip lõi tứ mới là Tegra 4, bao gồm 4 nhân Cortex-A15, 72 nhân GPU, hứa hẹn tăng thời lượng dùng pin lên 45% so với Tegra 3.
• 8/1/2013: Qualcomm ra mắt loạt chip Snapdragon mới cho năm 2013, trước hết là hai dòngSnapdragon 800 và Snapdragon 600. Hiệu năng của hai con chip này cao hơn so với Snapdragon S4 Pro và sẽ có mặt trên các điện thoại, tablet của năm 2012.
• 18/2/2013: LG Optimus G Pro ra mắt như là điện thoại đầu tiên dùng chip Snapdragon 600
• 19/2/2013: HTC One trình làng, lại một thiết bị nữa được tích hợp SoC Qualcomm Snapdragon 600.
• 19/2/2013: Cũng trong ngày này, NVIDIA bất ngờ ra mắt chip Tegra 4i có tích hợp bộ thu phát sóng 4G LTE nhưng chỉ dùng bốn nhân Cortex-A9
• 21/2/2013: Qualcomm công bố chi tiết về Snapdragon 400 và Snapdragon 200 dành cho thị trường trung và thấp cấp. Đây là những con chip đầu tiên dành cho phân khúc khác cao cấp mà có bốn nhân xử lí, đánh dấu một bước đi đầy ấn tượng cho Qualcomm.

Những điều làm nên sức mạnh cho SoC bốn nhân

Với SoC bốn nhân, sức mạnh của nó bao gồm rất nhiều thành phần. Nếu xét về hiệu năng xử lí, nhân CPU và GPU sẽ đóng vai trò quan trọng, trong đó CPU đảm đương những công việc thiên về tính toán, còn GPU thì thiên về đồ họa (mặc dù bây giờ GPU cũng được tăng cường khả năng điện toán của mình). Nhân CPU càng mạnh thì SoC có thể xử lí được nhiều dữ liệu, chỉ dẫn hơn, ví dụ nhân Cortex-A9 sẽ tốt hơn Cortex-A8, Cortex-A15 thì vượt trội so với Cortex-A9... Còn GPU thì Adreno 320 sẽ hơn Adreno 310, tương tự như vậy cho các model khác. Để một hệ thống trở nên mạnh mẽ hơn, cả nhân CPU và GPU phải cùng phối hợp với nhau để mang lại trải nghiệm tốt nhất cho người dùng. Như đã nói ở trên, thường (chỉ là thông thường thôi nhé) thì những nhân tùy biến sẽ hoạt động mạnh mẽ hơn là nhân có sẵn. Qualcomm và Apple là hai cái tên được biết đến nhiều trong lĩnh vực tùy biến nhân CPU.

Nếu nói về khả năng tiết kiệm điện của SoC, chúng ta có một số yếu tố như quy trình sản xuất, công nghệ quản lí điện năng, mức độ tiêu thụ điện của nhân CPU và GPU và rất nhiều thứ khác. Một quy trình sản xuất càng nhỏ sẽ giúp tiết kiệm điện hơn, ví dụ SoC Snapdragon S4 Pro sản xuất trên quy trình 28nm thì sẽ tiết kiệm điện hơn so với Tegra 3 vốn làm trên dây chuyền 40nm. Còn công nghệ quản lí điện năng và năng lượng mà CPU, GPU tiêu thụ thì chúng ta khó biết chính xác vì những thông này khá nặng về mặt kĩ thuật. Chúng ta chỉ biết được thông qua lời giới thiệu của các bên có liên quan, ví dụ ARM nói Cortex-A9 tiết kiệm điện hơn A8, còn Qualcomm thì nói nhân Krait tiết kiệm điện hơn nhân Scorpion...
Các dòng chip bốn nhân phổ biến

Qualcomm Snapdragon S4 Pro

Thực chất, dòng Snapdragon S4 của Qualcomm chia nhỏ thành Play, Plus, Pro và Prime. Ở đây chúng ta đề cập đến SoC 4 nhân di động nên mình chỉ nói đến các chip Pro mà thôi. Con chip này mang mã hiệu APQ8064, được sản xuất trên tiến trình 28nm, một trong những tiến trình có thể xem là nhỏ và tiên tiến trong thế giới chip di động. APQ8064 sử dụng bốn nhân Krait, mỗi nhân có xung nhịp tối đa là 1,7GHz. GPU Adreno 320 bên trong SoC này mang lại hiệu năng đồ họa ấn tượng, trong một số thử nghiệm thì nó vượt trội hơn cả NVIDIA Tegra 3. Nói riêng về nhân Krait, nó là nhân xử lí được Qualcomm xây dựng dựa trên kiến trúc ARM v7. Krait có nhiều điểm tương đồng với Cortex-A15, tuy nhiên cấu trúc của nó là do Qualcomm thiết kế riêng chứ không phải bê y nguyên chip A15 vào SoC Snapdragon.

Ở thời điểm Snapdragon S4 Pro ra mắt (và trong cả năm 2012), Qualcomm là nhà sản xuất duy nhất tìm được cách tích hợp các thành phần thu phát sóng không dây như GPS/GLONASS, 3G/4G LTE lên thẳng trên SoC. So với các máy chạy SoC NVIDIA Tegra 3/4 hay Samsung Exynos - vốn dùng các chip và module không dây nằm riêng biệt, giải pháp của Qualcomm giúp tối ưu thời lượng dùng pin tốt hơn. Tốc độ thu phát sóng, nhất là sóng di động 3G, cũng được tăng cường, tốc độ truy cập nhanh hơn.

Một số máy dùng SoC Qualcomm Snapdragon hiện nay có thể kể đến như LG Nexus 4, LG Optimus G, LG Optimus LTE II, HTC Butterfly, HTC Desire X, HTC Desire SV, HTC One SV,HTC One S, Sony Xperia T/TX, Xperia V, Xperia S/P/U, Motorola Droid RAZR HD/MAXX HD… Chuyện tiết kiệm pin bên trên cũng đúng cho cả các máy chạy Windows Phone 7 và 8, vốn đều đang sử dụng SoC Snapdragon S4 của Qualcomm, chẳng hạn như Nokia Lumia 920, Nokia Lumia 820, HTC Windows Phone 8X, HTC Windows Phone 8S, Samsung ATIV S...

Qualcomm Snapdragon 800 và 600

Đây là hai dòng chip cao cấp nhất của Qualcomm tính đến thời điểm hiện tại, chúng được ra mắt tại triển lãm CES 2013. Nhà sản xuất cho biết mẫu Snapdragon 800 có thể mang lại hiệu năng cao hơn 75% so với S4 Pro nhờ việc sử dụng dây chuyền sản xuất 28nm High Performance for mobile (HPm), trong khi S4 Pro chỉ là dây chuyền 28nm thông thường. Lượng điện tiêu thụ cũng nhờ đó mà giảm xuống. Qualcomm cho biết thêm rằng SoC 800 sử dụng bốn nhân CPU Krait 400 (xung nhịp tối đa 2,3GHz mỗi lõi), GPU Adreno 330, DSP Hexagon v5 và bộ thu phát sóng 4G LTE Cat 4 (150 Mbps) hứa hẹn tăng cường hiệu quả hoạt động của toàn hệ thống.

Về phần GPU Adreno 330, Qualcomm nói nó có thể mang lại khả năng tính toán cao hơn gấp 2 lần so với thế hệ Adreno 320. Một điểm thú vị khác nữa của Snapdragon 800 đó là nó được tích hợp kết nối Wi-Fi 802.11ac, thế hệ Wi-Fi mới nhất cho phép tốc độ và vùng phủ sóng tốt hơn nhiều so với chuẩn 802.11n đang được dùng phổ biến hiện nay.

Trong khi đó, Qualcomm Snapdragon 600 thì có cấu hình thấp hơn một chút, tuy nhiên nó vẫn mang lại hiệu năng cao hơn 40% so với Snapdragon S4 Pro trong khi tiêu thụ ít điện hơn. SoC 600 sử dụng bốn nhân CPU Krait 300 với tốc độ tối đa 1,9GHz, GPU Adreno 320 và hỗ trợ bộ nhớ LPDDR3. Kết nối 4G LTE 150Mbps, Wifi 802.11ac, Miracast đều có mặt đầy đủ trên SoC 600.

Snapdragon 800 có lẽ phải đến giữa hoặc cuối năm nay mới chính thức có mặt trên thị trường, còn Snapdragon 600 thì đã xuất hiện trên LG Optimus G Pro bản quốc tế, HTC One.