Những hiểu nhầm cơ bản về phần cứng máy tính

Công nghệ phát triển quá nhanh khiến cho đôi khi những quan niệm sai lầm bằng cách nào đó thâm nhập vào trí óc không cập nhật kịp. Trong bài viết này, chúng ta sẽ lùi lại một bước và điểm qua một số hiểu nhầm phổ biến nhất khi nói về phần cứng máy tính. Đối với mỗi hiểu nhầm, chúng tôi sẽ đưa ra lý do tại sao nó không chính xác.

Các bạn có thể so sánh CPU bằng cách so sánh nhân và xung nhịp

Nếu đã tìm hiểu về công nghệ một thời gian, một lúc nào đó bạn có thể nghe ai đó đưa ra so sánh như sau: “CPU A có 4 nhân và chạy ở tốc độ 4 GHz. CPU B có 6 nhân và chạy ở tốc độ 3 GHz. Vì 4 * 4 = 16 nhỏ hơn 6 * 3 = 18, CPU B phải tốt hơn ”. Đây là một trong những sai lầm khi nói về phần cứng máy tính. Có rất nhiều biến thể và thông số nên không thể so sánh các CPU theo cách này.

Nếu mọi thứ khác đều giống nhau, một bộ xử lý có 6 nhân sẽ nhanh hơn so với con chip cùng một thiết kế với 4 nhân. Tương tự, một bộ xử lý chạy ở tốc độ 4 GHz sẽ nhanh hơn so với cùng một chip chạy ở tốc độ 3 GHz. Tuy nhiên, khi có nhiều thông số khác nhau, việc so sánh số nhân và xung nhịp sẽ trở nên vô nghĩa.

Có những tác vụ thích xung nhịp cao hơn và có những tác vụ khác được hưởng lợi từ nhiều nhân hơn. Bộ nhớ cache, thiết kế tối ưu cũng ảnh hưởng rất nhiều đến hiệu năng cuối cùng. Danh sách các thông số bạn bỏ lỡ khi so sánh CPU theo kiểu này rất dài, vui lòng đừng dùng cách đó.

CPU là con chip chịu trách nhiệm xử lí mọi tác vụ

Đây là điều đã từng hoàn toàn đúng, nhưng ngày càng trở nên ít đúng hơn. Chúng ta có xu hướng nhóm một loạt các chức năng thành cụm từ “CPU” hoặc “bộ xử lý” trong khi thực tế, linh kiện đó chỉ là một phần của bức tranh lớn hơn. Hiện nay có một xu hướng được gọi là tính toán không đồng nhất, liên quan đến việc kết hợp nhiều yếu tố tính toán với nhau thành một con chip duy nhất.

Nói chung, chip trên hầu hết các desktop và laptop là CPU. Tuy nhiên, đối với hầu hết mọi thiết bị điện tử khác (ví dụ trên điện thoại), nhiều khả năng bạn đang nhìn vào một hệ thống trên chip (SoC).

Bo mạch chủ của máy tính để bàn có thể đủ không gian để trải rộng hàng chục chip rời, mỗi chip phục vụ một chức năng cụ thể, nhưng điều đó không khả thi trên hầu hết các nền tảng khác. Các công ty đang ngày càng cố gắng đóng gói nhiều chức năng nhất có thể vào một con chip duy nhất để đạt được hiệu năng và hiệu suất tiêu thụ năng lượng tốt hơn.

Ngoài CPU, SoC trong điện thoại của bạn còn có thể bao gồm: GPU, RAM, bộ mã hóa/giải mã phương tiện, mạng, quản lý nguồn điện và hàng chục bộ phận khác. Mặc dù bạn có thể coi nó như một bộ xử lý theo nghĩa chung, nhưng CPU thực tế chỉ là một trong nhiều thành phần tạo nên một SoC hiện đại.

So sánh số nhân GPU để so sánh hiệu năng

Khi so sánh CPU với GPU, sự khác biệt lớn nhất là số nhân mà chúng có. CPU có một vài (chục) nhân rất mạnh, trong khi GPU có hàng trăm hoặc hàng nghìn nhân ít mạnh hơn. Điều này cho phép nó xử lý nhiều công việc song song.

Giống như bạn không thể so sánh một CPU 4 nhân của một công ty này với một CPU 4 nhân của một công ty khác, điều này cũng đúng với GPU. Không có cách nào để so sánh hiệu năng bằng cách so số lượng nhân GPU giữa các nhà cung cấp khác nhau. Mỗi nhà sản xuất sẽ có một kiến trúc rất khác nhau khiến loại chỉ số này gần như vô nghĩa.

Ví dụ: một công ty có thể chọn ít nhân hơn nhưng bổ sung nhiều chức năng khác, trong khi một công ty khác có thể thích nhiều nhân hơn, với mỗi nhân ít chức năng hơn. Tuy nhiên, cũng như với CPU, bạn có thể so sánh giữa các GPU từ cùng một nhà cung cấp và trong cùng một dòng sản phẩm.

Sử dụng FLOPs để so sánh hiệu năng

Khi một siêu máy tính được ra mắt, bạn có thể nghe người ta quảng cáo nó có hiệu năng bao nhiêu FLOP. Từ viết tắt này có nghĩa là số lượng nghìn tỉ phép tính mà máy tính có thể thực hiện trong một giây.

Điều này có vẻ khá đơn giản, nhưng tất nhiên, các nhà cung cấp có thể chơi với các con số để làm cho sản phẩm của họ có vẻ nhanh hơn thực tế. Ví dụ: tính toán 1.0 + 1.0 dễ dàng hơn nhiều so với tính toán 1234.5678 + 8765.4321. Các công ty có thể can thiệp vào loại phép tính và độ chính xác liên quan của chúng để làm tăng số lượng FLOPs của họ.

Nhìn vào FLOP cũng chỉ đo hiệu suất tính toán CPU/GPU thô và bỏ qua một số yếu tố quan trọng khác như băng thông bộ nhớ. Các công ty cũng có thể tối ưu hóa các bài benchmark mà họ chạy để cho kết quả không công bằng.

ARM sản xuất chip

Hầu hết các hệ thống nhúng và tiết kiệm điện năng đều sử dụng bộ xử lí ARM. Nhưng thực ra, ARM không thực sự sản xuất chip vật lý. Thay vào đó, họ thiết kế các bản thiết kế “blueprints” về cách các chip này hoạt động và để các công ty khác xây dựng thêm từ chúng.

Ví dụ, A13 SoC trong iPhone 11 sử dụng kiến trúc ARM, nhưng được thiết kế bởi Apple. Nó giống như đưa cho một tác giả một cuốn từ điển và yêu cầu họ viết một cái gì đó. Tác giả có các từ, cụm từ có thể sử dụng và họ phải tuân theo nguyên tắc sử dụng từ, nhưng họ có thể viết bất cứ thứ gì họ muốn.

Bằng cách cấp phép tài sản trí tuệ (IP) của họ, ARM cho phép Apple, Qualcomm, Samsung và nhiều hãng khác tạo ra chip của riêng họ phù hợp nhất với nhu cầu của từng bên. Điều này cho phép chip được thiết kế cho TV tập trung vào mã hóa và giải mã phương tiện, trong khi chip được thiết kế cho chuột không dây sẽ tập trung vào mức tiêu thụ điện năng thấp.

Chip ARM trong chuột không cần GPU hoặc CPU quá mạnh. Bởi vì tất cả các bộ xử lý dựa trên ARM đều sử dụng cùng một bộ thiết kế và bản thiết kế cốt lõi nên chúng đều có thể chạy các ứng dụng giống nhau. Điều này làm cho công việc của nhà phát triển  phần mềm và firmware dễ dàng hơn cũng như tăng khả năng tương thích.

So sánh chip ARM với x86

ARM và x86 là hai kiến trúc tập lệnh phổ biến nhất xác định cách phần cứng máy tính hoạt động và tương tác. ARM là vua của các hệ thống nhúng và di động, trong khi x86 là bá chủ trên desktop, laptop và máy chủ. Có một số kiến trúc tập lệnh khác, nhưng chúng phục vụ ứng dụng ít phổ biến hơn.

Khi nói về kiến trúc tập lệnh là đề cập đến cách một bộ xử lý được thiết kế bên trong. Nó giống như dịch một cuốn sách sang một ngôn ngữ khác. Bạn có thể truyền đạt ý tưởng tương tự, nhưng bạn phải viết chúng ra theo một cách khác. Bạn hoàn toàn có thể viết chương trình chạy trên bộ xử lý x86 và biên dịch theo một cách khác để chạy trên ARM.

ARM khác x86 theo một vài khía cạnh, điều này đã cho phép họ thống trị thị trường di động. Điều quan trọng nhất là tính linh hoạt và phạm vi cung cấp công nghệ đa dạng của họ. Khi xây dựng một CPU ARM, nó gần giống như thể chơi với Legos. Các kĩ sư có thể chọn bất kỳ thành phần nào họ muốn để xây dựng CPU hoàn hảo cho ứng dụng của họ. Cần một con chip để xử lý nhiều video? Bạn có thể thêm GPU mạnh hơn. Cần chạy nhiều bảo mật và mã hóa? Bạn có thể thêm vào bộ tăng tốc chuyên dụng. Việc ARM tập trung vào việc cấp phép công nghệ của họ thay vì bán chip vật lý là một trong những lý do chính khiến kiến ​​trúc của họ được sản xuất rộng rãi nhất. Mặt khác, Intel và AMD đã đình trệ trong lĩnh vực này, điều này tạo ra khoảng trống mà ARM nắm quyền kiểm soát.

Ngoài ra, ARM và x86 thường bị đem ra so sánh về hiệu năng. Thật dễ dàng để nghĩ rằng vi xử lý x86 luôn nhanh hơn vi xử lý ARM và đó là lý do tại sao chúng ta không thấy vi xử lý ARM trong các hệ thống cao cấp hơn. Mặc dù điều đó thường đúng (cho đến nay), nó không thực sự là một so sánh công bằng và thiếu đi vài luận điểm. Toàn bộ triết lý thiết kế của ARM là tập trung vào hiệu quả và mức tiêu thụ điện năng thấp. Họ để x86 có thị trường cao cấp vì họ biết rằng họ không thể cạnh tranh ở đó. Trong khi Intel và AMD tập trung vào hiệu suất tối đa với x86, ARM đang tối đa hóa hiệu suất trên mỗi Watt.

GPU xử lí nhanh hơn CPU

Trong vài năm qua, chúng ta đã thấy sự gia tăng đáng kể về mức độ phổ biến của GPU. Từ một thiết bị vốn chỉ để xuất hình và phục vụ chơi game, đến nay có nhiều khối lượng công việc thường chạy trên CPU đã chuyển sang GPU để tận dụng tính song song của chúng. Đối với các tác vụ có nhiều phần nhỏ có thể được tính toán cùng một lúc, GPU nhanh hơn nhiều so với CPU. Tuy nhiên, không phải tác vụ nào cũng như vậy và đó là lý do chúng ta vẫn cần CPU.

Để chạy chương trình trên CPU hoặc GPU, nhà phát triển phải thiết kế mã của họ với các trình biên dịch và giao diện đặc biệt được tối ưu hóa cho nền tảng. Các nhân xử lý trên GPU, dù số lượng rất nhiều, đều rất sơ khai so với CPU. Chúng được thiết kế cho các hoạt động nhỏ được lặp đi lặp lại. Mặt khác, các nhân trong CPU được thiết kế cho rất nhiều hoạt động phức tạp. Đối với các chương trình không thể chạy song song, CPU sẽ luôn nhanh hơn nhiều.

Vi xử lí sẽ liên tục được cải tiến và nhanh hơn

Một trong những đại diện nổi tiếng nhất của ngành công nghệ là Định luật Moore. Định luật cho biết số lượng bóng bán dẫn trong một con chip sẽ tăng gần gấp đôi sau mỗi 2 năm. Nó đã chính xác trong 40 năm qua, nhưng chúng ta đang ở giai đoạn cuối và việc tăng mật độ bóng bán dẫn không diễn ra như trước đây.

Nếu chúng ta không thể thêm nhiều bóng bán dẫn hơn vào chip, liệu chúng ta có thể làm cho chúng lớn hơn? Rất tiếc câu trả lời là không, vì vấn đề nhiệt lượng và tỉ lệ lỗi. Vấn đề đó chúng tôi sẽ có một bài riêng phân tích.

Nếu chúng ta không thể tạo ra một con chip lớn hơn, vậy hãy tiếp tục thu nhỏ bóng bán dẫn? Vấn đề là chúng ta đang tiến tới giới hạn vật lí và khi nhỏ đến một mức độ nhất định, định luật vật lí cổ điển sẽ bị thay thế bởi các định luật vật lí lượng tử, khiến cho hiệu suất không những không tăng mà còn giảm.

Với quy trình 7nm mới và quy trình 3nm trong tương lai, hiệu ứng lượng tử bắt đầu trở thành một vấn đề lớn và các bóng bán dẫn ngừng hoạt động bình thường. Vẫn còn một khoảng trống nữa để thu nhỏ, nhưng nếu không có đột phá, chúng ta sẽ không thể thu nhỏ hơn nữa.

Vậy, nếu chúng ta không thể tạo ra các con chip lớn hơn và cũng không thể làm cho các bóng bán dẫn nhỏ hơn, liệu chúng ta có thể làm cho những bóng bán dẫn hiện có đó chạy nhanh hơn?

Trong nhiều năm qua, xung nhịp của các vi xử lí chỉ nằm trong khoảng 3-5GHz. Điều này là do sự kết hợp của một số thứ. Điện năng tiêu thụ là 1 vấn đề, nhưng vấn đề chính lại liên quan đến những hạn chế của các bóng bán dẫn nhỏ hơn và các định luật vật lý.

Khi bóng bán dẫn nhỏ hơn, chúng ta cũng phải làm cho các dây kết nối nhỏ hơn, điều này làm tăng điện trở của chúng. Theo truyền thống, chúng ta có thể làm cho các bóng bán dẫn hoạt động nhanh hơn bằng cách đưa các thành phần bên trong của chúng lại gần nhau hơn, nhưng một số thành phần đã chỉ cách nhau một hoặc hai nguyên tử. Không có cách nào đẩy chúng sát hơn nữa.

Xem thêm : Dịch vụ cho thuê máy photocopy tại hải Phòng

Tổng hợp tất cả những lý do này lại, rõ ràng là chúng ta sẽ không thấy những đột phá về hiệu năng như các thế hệ trước, nhưng hãy yên tâm rằng có rất nhiều người thông minh đang giải quyết những vấn đề này.

image_pdf

Bình luận trên Facebook