Họ vi xử lý ARM - lịch sử phát triển và ứng dụng trong tương lai (P2)

TẠI SAO ARM KHÔNG THỰC SỰ TẠO RA CÁC BỘ VI XỬ LÝ?

Nhiệm vụ ban đầu của ARM không phải tạo ra một bộ vi xử lý mà tạo ra một kiến trúc của vi xử lý. Sự khác biệt tinh tế ở đây không phải là cung cấp một bộ vi xử lý cùng với các bộ tài liệu thông số của nó cho khách hàng mà còn nhiều hơn thế - trở thành một đối tác, cung cấp một giải pháp cho khách hàng muốn xây dựng bộ vi xử lý riêng của mình và kết hợp cùng với giải pháp đó. Các nhà thiết kế vi xử lý cũng tạo ra các bộ vi xử lý của riêng mình và cho phép các hệ thống khác thiết kế sử dụng vi xử lý của họ cùng với các thành phần ngoại vi khác. Trong một số trường hợp, các nhà thiết kế vi xử lý cũng tích hợp luôn các ngoại vi vào trong chip và nhắm tới mục tiêu nhúng, nhưng điều đó có nghĩa là cần phải lựa chọn nhân của bộ vi xử lý nào đó có sẵn.

Mặc dù các bộ vi xử lý ARM là một trong những bộ vi xử lý bán chạy nhất, ARM không tạo ra bộ vi xử lý riêng của mình mà cấp giấy phép (license) sở hữu trí tuệ của mình cho các công ty khác. Một số hãng sản xuất chính tham gia có sử dụng chip ARM là Intel, Nvidia, STMicroelectronics, Texas Instruments và Samsung. Đây là một điểm mạnh của ARM. Các bộ vi xử lý có nhân ARM xuất hiện và mức độ sử dụng gia tăng đáng kể. Các bộ vi xử lý ARM nhỏ và giới hạn các lựa chọn (số lượng cổng I/O, bộ nhớ nhỏ,... ) có thể tìm thấy trong các hệ thống đơn giản (ví dụ các bộ vi xử lý dựa trên ARM được ứng dụng trong các adapter Bluetooth,...). Các hệ thống phức tạp hơn cũng tồn tại và có thể chứa tất cả những gì cần thiết cho một máy tính nhỏ. Ví dụ, bộ vi xử lý MX6, có chứa một bộ điều khiển DDR, bộ điều khiển ATA, Ethernet, flash memory, bộ điều khiển USB và Video tất cả trên một chip, điều này làm giảm thiểu các linh kiện cần thiết bên ngoài.

Các ví dụ khác có thể thấy với máy tính Apple. Không hài lòng với những gì có sẵn tại thời điểm đó, Apple đã chọn giải pháp làm lấy bộ vi xử lý. Nhờ có licence ARM để tạo ra công cụ cần thiết tối ưu hệ thống nhân vi xử lý, không chỉ các thiết bị ngoại vi xung quanh mà còn tối ưu được kích thước cache để đạt mục tiêu về tốc độ và tiết kiệm năng lượng. Kết quả là bộ vi xử lý A4 và các thế hệ tiếp theo của nó ra đời.

Cũng giống như Apple, chúng ta có thể tự tạo bộ vi xử lý ARM. Công nghệ ARM có thể được cấp licence theo hai dạng: đồng bộ và macro. Trong dạng macro, nhân được cung cấp và các thành phần ngoại vi khác có thể được thêm vào xung quanh. Trong dạng đồng bộ, các thông tin có thể được tích hợp vào chip ASIC sử dụng các tham số như kích thước cache, các tùy chọn tối ưu hoặc gỡ rối. Như vậy, có nhiều việc phải làm hơn, tuy nhiên tạo ra được nhiều sáng tạo và khác biệt hơn.

Ngày nay, rất nhiều nhà sản xuất chip đề xuất hoặc sử dụng các hệ thống có nhân ARM. Hầu hết các nhà sản xuất lớn đều được cấp giấy phép ARM. Samsung sản xuất vi xử lý Exynos, Nvidia sản xuất các dòng chip Tegra ở máy tính bảng cao cấp. NEC, Panasonic, NXP, Freescale và STMicroelectronics cũng có licence ARM nhưng số lượng vi xử lý ARM hiện không có nhiều. Hiện nay, 273 công ty đã được cấp giấy phép cho nhân ARM9 và hơn 100 công ty có một giấy phép cho Cortex-A, công nghệ mới nhất.

Chiến lược không trực tiếp sản xuất chip mà chỉ bán licence sở hữu trí tuệ cho phép tập trung nguồn lực, những thứ có thể làm tốt nhất phát triển hiệu năng xử lý của vi xử lý hiệu quả hơn. ARM dành toàn bộ các quá trình nghiên cứu và phát triển để tạo ra các nhân vi xử lý. Kết quả là thị trường có rất nhiều loại vi xử lý hiệu quả hơn, năng lượng thấp với nhiều tính năng nổi trội. Có rất nhiều lựa chọn cho bộ vi xử lý và loại chip tất cả hệ thống trong một (SoC - System On a Chip). Việc khó nhất không phải tìm bộ vi xử lý phù hợp mà là việc chọn loại vi xử lý nào để cùng phát triển.

HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA  ARM

Ngày nay, chúng ta đang đứng chứng kiến cuộc cách mạng di động, ngay kể cả việc sạc điện thoại cũng có thể sử dụng không dây. Số lượng các thiết bị di động bùng nổ đồng nghĩa với sự tăng vọt số lượng bộ vi xử lý. Với các licence ARM, các công ty đã sản xuất ra những chip phức tạp và tốt hơn. Samsung Exynos Octa là một ví dụ thiết kế chưa từng có trước đây. Trong một chip đơn có tới hai cụm vi xử lý, một lõi tứ Cortex-A7 và một lõi tứ Cortex-A15, tổng cộng là 8 lõi làm bộ vi xử lý đồ họa cũng như xử lý số.

ARM cung cấp licence không chỉ cho CPU. Một trong những mối quan tâm khi phát triển họ vi xử lý 6502 là chip không có khả năng xử lý tốt đồ họa tại thời điểm đó. Mặc dù nhiều hệ thống nhúng không cần màn hình hoặc không có tải quá nặng về việc này nhưng hiện nay một máy tính bảng không chỉ cần có một CPU tốt bên trong mà còn cần phải xử lý đồ họa thật tốt. Việc có các bộ xử lý nhanh hơn không giải quyết được hết. Thực tế, nếu trang web với ảnh, video không hiển thị trôi chảy thì hệ thống cũng được coi là vô dụng. ARM phát triển và cấp licence các bộ xử lý đồ họa Mali, đạt được sức mạnh xử lý đồ họa tốt hơn một số card xử lý đồ họa của desktop trong khi sử dụng rất ít năng lượng.

ARM cũng nhắm mục tiêu vào các cấu trúc mới như ARMv8. ARMv8 là một bước nhảy vọt giới thiệu năng lực xử lý 64 bit cho hệ sinh thái ARM, trong khi vẫn hỗ trợ được 32 bit. ARMv8 sẽ mở ra một thị trường mới cho ARM. Mặc dù các bộ vi xử lý công suất thấp Cortex-A57 có thể được tích hợp trong điện thoại hoặc máy tính bảng, nó cũng có thể được sử dụng trong các server. Nhiều hãng đã sẵn sàng tích hợp và sử dụng các giải pháp dùng công nghệ ARM. Chi phí lớn nhất cho các công ty công nghệ thông tin là phòng máy chủ. Tính tổng cộng thì lượng điện tiêu thụ là khoản chi lớn nhất. Các bộ vi xử lý của server tiêu tốn quá nhiều năng lượng và cũng tạo ra rất nhiều nhiệt, có thể ước lượng tới 25% điện sử dụng cần cho làm mát. Do các hệ thống ARM có mức tiêu hao thấp nên sẽ là một ứng cử viên sáng giá cho thị trường server tầm trung trong tương lai gần.

MỘT VÀI SỐ LIỆU THỐNG KÊ ĐẾN CUỐI NĂM 2013

Theo báo cáo hàng năm của ARM Holding, công nghệ của ARM đã tiếp cận được tới 75% người dùng trên thế giới. Đến thời điểm hiện tại, tổng cộng đã có hơn 50 tỷ chip có nhân vi xử lý ARM được bán ra từ các đối tác của ARM. Riêng năm 2013, đã có 50 công ty ký kết thêm 121 licence, nâng tổng số licence đã ký, cấp phép của ARM là hơn 1.000 licence cho 386 công ty trên toàn thế giới. Đã có 10 tỷ chip vi xử lý dựa trên nhân ARM được bán ra dùng cho điện thoại di động, máy tính bảng cho tới các cảm biến thông minh và server. Tổng số chip bán ra từ trước đến cuối năm 2013 đã vượt qua con số 50 tỷ chip, 400 triệu bộ vi xử lý nhân ARM với công nghệ đồ họa Mali™ hỗ trợ games và giao tiếp thế giới 3D. Năm 2013 đánh dấu sự xuất hiện chip ARMv8 với kiến trúc vi xử lý 64 bit không chỉ thích hợp cho thiết bị nhúng, thiết bị cầm tay mà còn phù hợp với các server tiết kiệm năng lượng. Đồng thời cũng đã xuất hiện chip với công nghệ ARM big. LITTLE tăng cường về hiệu năng xử lý và năng lượng trong các dòng chip Samsung Exynos.

KẾT LUẬN

Công nghệ ARM đã đem đến một cơ hội tốt và dễ dàng cho những đơn vị, công ty muốn tham gia thị trường vi xử lý. Cách tiếp cận và bán sở hữu trí tuệ của ARM đã làm thay đổi hoàn toàn cục diện thị trường, nếu so sánh với đối thủ lớn nhất của chip ARM (vi xử lý theo dạng RISC) là chip Intel (vi xử lý theo dạng CISC). Năm 2013, ARM có doanh thu là 1,1 tỷ USD so với Intel là 53 tỷ USD. Tuy nhiên, do thị trường PC đang có xu hướng giảm rất mạnh và nếu tính bao gồm cả các doanh số bán chip vi xử lý từ Qualcomm, Nvidia, Samsung, GlobalFoundries, United Microelectronics, TSMC và các công ty có licence khác thì con số sẽ lớn hơn rất nhiều. Rõ ràng ARM là đối thủ tuy nhỏ bé nhưng rất nặng ký thách thức đối thủ khổng lồ Intel.

Tài liệu tham khảo

[1].JAMES A.LANGBRIDGE, Professoral Embedded ARM Development, John Willey & Sons Inc, 2014 .
[2].ARM HOLDINGS, Annual Report 2013: Strategic Report.
[3].Steve Furber, ARM System On Chip Architecture, Pearson Education Limitted, 2000.
[4].William Hohl, ARM Assembly Languge - Fundamentals and Techniques, CRC Press, 2009.

ThS. Nguyễn Khánh Tiềm

(TCTTTT Kỳ 2/5/2014)