Th8
Bạn có biết rằng hầu hết các thiết bị thông minh hiện nay đều sử dụng bộ xử lý ARM? Từ điện thoại, máy tính bảng, đồng hồ thông minh cho đến máy chủ, máy tính xách tay và thiết bị IoT. Vậy ARM là gì và tại sao nó lại phổ biến đến vậy? Trong bài viết này, chúng tôi sẽ giải thích cho bạn định nghĩa và chức năng của bộ xử lý ARM, cũng như các ưu điểm và nhược điểm của nó so với các loại bộ xử lý khác. Hãy cùng tìm hiểu nhé!
Bộ xử lý ARM là gì?
ARM là viết tắt của Advanced RISC Machine (trước đây là Acorn RISC Machine), là một kiến trúc bộ xử lý RISC (Reduced Instruction Set Computer), có tập lệnh đơn giản và hiệu quả, được phát triển bởi Arm Holdings, Ltd. ARM được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị di động và IoT (Internet of Things).
ARM sản xuất các bộ vi xử lý RISC 32 bit và 64 bit, có khả năng thực hiện nhiều lệnh mỗi giây (MIPS) với mức tiêu thụ điện năng thấp. ARM không tự sản xuất chip mà chỉ thiết kế kiến trúc và cấp phép cho các công ty đối tác, cho phép họ tùy biến và tích hợp ARM vào các chipset của mình. Các ví dụ về các công ty đối tác của ARM là Nvidia, Texas Instruments, Samsung, Microsoft, Apple,… mua lõi xử lý do ARM cung cấp và phát triển chúng, đưa chúng vào các chipset tích hợp trong GPU (Graphics Processing Unit), CPU (Central Processing Unit) và bộ nhớ của mình.
Các đặc điểm chính của ARM?
- Cấu trúc nạp/lưu trữ: chỉ cho phép truy xuất bộ nhớ trong các lệnh nạp và lưu, còn các lệnh khác chỉ làm việc với thanh ghi.
- Tập lệnh trực giao: các lệnh có cùng độ dài và cấu trúc, dễ dàng giải mã và thực thi.
- Hầu hết các lệnh đều thực hiện trong vòng một chu kỳ đơn: tăng tốc độ xử lý và giảm độ phức tạp của bộ xử lý.
- Hỗ trợ ảo hóa phần cứng: cho phép chạy nhiều hệ điều hành khác nhau trên cùng một bộ xử lý.
- Tăng cường thiết kế tiết kiệm điện: sử dụng ít năng lượng hơn so với các bộ xử lý khác, phù hợp với các thiết bị di động và IoT
Ưu nhược điểm giữa kiến trúc ARM và x86
| Kiến trúc | Ưu điểm | Nhược điểm |
| ARM | Tiết kiệm điện hơn, thích hợp cho các thiết bị di động và IoT | Không mạnh bằng x86, có thể gặp khó khăn khi chạy các ứng dụng Windows và Linux |
| Có thể tùy biến được nhiều hơn, vì ARM chỉ bán thiết kế cho các nhà sản xuất khác | Có nhiều hạn chế về tính linh hoạt và thời gian thực hiện | |
| Có thể chạy được các ứng dụng Android và iOS | Có ít hỗ trợ phần mềm hơn x86 | |
| x86 | Mạnh hơn ARM, có thể chạy được nhiều ứng dụng Windows và Linux | Tiêu thụ điện năng nhiều hơn, không phù hợp cho các thiết bị di động và IoT |
| Có kiến trúc CISC, với các tập lệnh rộng và phức tạp hơn | Không thể tùy biến được nhiều, vì Intel và AMD kiểm soát quyền sở hữu trí tuệ | |
| Có công nghệ chế tạo tiên tiến, do Intel và AMD sản xuất | Không thể chạy được các ứng dụng Android và iOS |
Các bộ xử lý ARM từng được sản xuất?
Arm là nhà cung cấp các kiến trúc chip phổ biến nhất cho các thiết bị di động và nhúng. Arm cung cấp nhiều loại và kiểu lõi bộ xử lý khác nhau, từ Cortex-A cho các ứng dụng hiệu năng cao đến Cortex-M cho các hệ thống nhỏ gọn. Arm cũng có các bộ xử lý chuyên biệt cho học máy (Ethos-N, Ethos-U), máy chủ (Neoverse) và thẻ thông minh (SecurCore). Ngoài ra, Arm còn cho phép các đối tác tùy chỉnh cấu trúc lõi xử lý theo nhu cầu riêng, ví dụ như Apple với các chipset cho iPhone, iPad và Mac.
Cortex-A
Cortex-A – Kiến trúc hiệu năng cao cho các ứng dụng đa dạng Cortex-A là kiến trúc được tiếp thị là “workhorse” của Arm với chữ A đại diện cho khả năng tương thích ứng dụng (Application). Cortex-A có thể xử lý các tác vụ phức tạp và đa dạng như chơi game, duyệt web, xem video,… Cortex-A sử dụng tập lệnh RISC đơn giản và ít hơn so với x86, nhưng có thể kết hợp nhiều lõi để tăng hiệu suất. Cortex-A cũng có công cụ SIMD tiên tiến có tên mã là NEON, cho phép xử lý song song trên một tập hợp các vectơ.
Cortex-R
Cortex-R: Kiến trúc bảo mật cao cho các hệ thống nhúng Cortex-R cung cấp các giải pháp tính toán hiệu năng cao cho các hệ thống nhúng với độ bảo mật, tính sẵn sàng cao cùng khả năng đáp ứng thời gian thực bắt buộc. Cortex-R được sử dụng trong các thiết bị yêu cầu độ tin cậy cao như hệ thống điều khiển và phanh trên ô tô, máy bay,…
Cortex-M
Cortex-M: Kiến trúc nhỏ gọn cho các hệ thống điều khiển Cortex-M là một hệ số dạng thu nhỏ của Cortex-A, phù hợp hơn với không gian chật hẹp như hệ thống điều khiển và phanh trên ô tô, máy ảnh kỹ thuật số,… Cortex-M có thể tiêu thụ ít năng lượng hơn và xử lý các tác vụ đơn giản nhanh hơn. Kể từ năm 2018, Arm đổi tên các dòng Cortex và gọi chung thành Cosmos.
Ethos-N
Ethos-N: Kiến trúc tối ưu cho học máy Ethos-N là loạt bộ xử lý dành riêng cho các ứng dụng liên quan đến học máy hoặc một số trình xử lý Neural Network khác. Ethos-N có thể kết hợp với các lõi Cortex-A để tạo ra các SoC mạnh mẽ và linh hoạt cho các thiết bị thông minh. Ethos-N có thể hỗ trợ các khung như TensorFlow Lite, PyTorch và ONNX.
Ethos-U
Ethos-U: Kiến trúc nhỏ gọn cho học máy Ethos-U là phiên bản thu gọn của Ethos-N, được thiết kế để hoạt động tương tự như một bộ đồng xử lý Co-processor. Ethos-U có thể kết hợp với các lõi Cortex-M để tăng cường khả năng xử lý học máy trên các thiết bị nhúng. Ethos-U có thể hỗ trợ các khung như TensorFlow Lite Micro và CMSIS-NN.
Neoverse
Neoverse: Kiến trúc dành cho máy chủ và trung tâm dữ liệu Neoverse ra mắt vào tháng 10 năm 2018 là lõi xử lý được sử dụng cho các máy chủ và trung tâm dữ liệu. Neoverse có thể đáp ứng nhu cầu về hiệu năng, khả năng mở rộng và hiệu quả năng lượng cho các ứng dụng đám mây, mạng và cạnh. Neoverse có thể hỗ trợ các công nghệ như PCIe 4.0, DDR4/5, CCIX và CXL.
SecurCore
SecurCore: Kiến trúc bảo mật cao cho thẻ thông minh SecurCore là loại vi xử lý được Arm thiết kế dành riêng cho thẻ thông minh Smart Card. SecurCore có thể bảo vệ các dữ liệu nhạy cảm như thông tin cá nhân, thanh toán hay chứng minh thư. SecurCore có thể chống lại các cuộc tấn công vật lý và logic.
Những đối tác của Arm
Bên cạnh việc cung cấp các kiến trúc chip sẵn có, Arm cũng cấp phép độc quyền cho một số phiên bản tùy chỉnh, cho phép các công ty đối tác tùy chỉnh cấu trúc lõi xử lý và xây dựng nên những bộ xử lý độc đáo khác. Những khách hàng chính của ARM gồm có:
Apple
Apple: Hãng đã tự thiết kế và sản xuất nhiều chipset dựa trên cấu trúc Arm cho các dòng iPhone, iPad và mới đây nhất là dòng Mac. Apple đã sử dụng kiến trúc Firestorm và Icestorm để tạo ra chip M1, M1 Pro và M1 Max cho các máy tính Macbook Pro và Macbook Air.
Nvidia
Nvidia: Hãng đồng thiết kế hai dòng vi xử lý với Arm, dòng gần đây nhất được gọi là Carmel. Được biết đến với tư cách là nhà sản xuất GPU, Nvidia tận dụng thiết kế Carmel để tạo ra SoC Tegra Xavier 64-bit. Con chip này cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện toán có kích thước nhỏ được gọi là Jetson AGX Xavier.
Samsung
Samsung: Công ty đã sản xuất nhiều bộ vi xử lý Arm 32 bit và 64 bit cho toàn bộ dòng thiết bị điện tử tiêu dùng của mình, nổi trội với dòng Exynos. Đặc biệt, Samsung cũng từng cho ra đời các biến thể của các dòng smartphone Galaxy Note
Qualcomm
Qualcomm: Đối tác chiến lược của Microsoft và ARM Qualcomm là một trong những nhà sản xuất SoC Snapdragon hàng đầu thế giới, sử dụng thiết kế lõi có tên Kryo, đây là một biến thể bán tùy chỉnh của Cortex-A. Qualcomm cũng bắt tay với Microsoft và ARM để cho ra đời chip SQ1, SQ2 dựa trên ARM cho dòng Surface Pro X và Surface Pro X 2020. Những chip này có thể chạy các ứng dụng Windows 10 trên nền tảng ARM với hiệu năng cao và tiết kiệm năng lượng.
Ampere Computing
Ampere Computing: Khởi nghiệp thách thức Intel Ampere Computing là công ty khởi nghiệp được thành lập bởi cựu chủ tịch Intel – Renee James, sản xuất vi xử lý cho máy chủ đa lõi có tên Altra. Altra là một chip 80 lõi dựa trên kiến trúc Neoverse N1 của ARM, có thể cạnh tranh với các chip Xeon của Intel trong thị trường máy chủ. Altra cũng hỗ trợ các công nghệ như PCIe 4.0, DDR4-3200 và CCIX.
Điều gì làm cho kiến trúc bộ xử lý Arm trở nên độc đáo?
Chữ R trong ARM là viết tắt của RISC – Máy tính có tập lệnh đơn giản hóa; do đó, ARM tận dụng hiệu quả của sự đơn giản để làm mọi việc mà một bộ xử lý có thể làm trên một con chip duy nhất. Đồng thời, tập lệnh đơn giản cũng đồng nghĩa với việc bộ xử lý có thể mã hóa chúng bằng số lượng bit ít hơn, giúp làm giảm mức tiêu hao bộ nhớ cũng như thời gian chu kỳ thực thi.
Kiến trúc RISC đầu tiên được xây dựng thành công bởi các sinh viên tại Đại học California, Berkeley, vào năm 1982. Sau đó, ARM được phát triển bởi Acorn Computers vào năm 1985 để sử dụng cho máy tính cá nhân BBC Micro. ARM sau này được cấp phép cho nhiều nhà sản xuất khác và trở thành kiến trúc vi xử lý phổ biến nhất cho các thiết bị di động. ARM cũng cho phép thiết kế các SoC trên các tập hợp lõi nhỏ, tăng khả năng linh hoạt và tùy biến cho các ứng dụng khác nhau.
Triển vọng của ARM?
Nhờ vào những định hướng của ARM Holdings mà smartphone đang dần nhỏ, nhẹ, di động, có hiệu suất cao và giá phải chăng hơn.
ARM cũng đang mở rộng ảnh hưởng của mình trong các lĩnh vực khác như siêu máy tính, máy chủ và học máy. Tháng 7 năm 2019, siêu máy tính dựa trên ARM của Fujitsu có tên là Fugaku cũng đã được xây dựng thành công tại Trung tâm khoa học máy tính RIKEN Nhật Bản, đứng thứ nhất trong top 500 Siêu máy tính hàng đầu nửa đầu năm 2019.
Ngoài ra, ARM cũng đang dần có mặt trên một số tablet, tablet 2 trong 1 chú trọng vào tính di động, Chromebook giá rẻ hay mới đây nhất là Mac M1 mới của Apple. Đồng thời, cuối tháng 1 năm 2021, WinFuture.de còn cho biết rằng Qualcomm đang trong quá trình hoàn thiện bộ xử lý ARM mới có tên là SC8280 – phiên bản kế nhiệm của chip Windows ARM cũ và được cho là sẽ cạnh tranh trực tiếp với chip M1 của Apple. Những thông tin thông số đầu tiên của SC8280 được chia sẻ bao gồm: hỗ trợ RAM LPDDR5 mới, lên đến 32GB LPDDR4X, có kích thước 20 x 17 mm.
