Trong những năm về trước, người dùng không có nhiều sự lựa chọn cho kiến trúc CPU. Kiến trúc x86 và x64 được phát triển bởi Intel và AMD, đã chiếm lĩnh thị trường chip máy tính suốt nhiều năm. Dù đã xuất hiện từ hàng thập kỷ trước, hầu hết máy tính cá nhân và laptop ngày nay vẫn dùng CPU với kiến trúc x86.
Nhưng trong vài năm gần đây đã nổi lên một đối thủ mới trong lĩnh vực kiến trúc CPU đó là ARM. Điều gì làm cho x86 và ARM khác biệt và làm sao để chọn đúng kiến trúc phù hợp cho nhu cầu của bạn? Bài viết này PCMag sẽ khám phá các câu hỏi đó.
Kiến trúc vi xử lý là gì?
Kiến trúc vi xử lý (Processor Architecture) là mô tả tổ chức và cách thiết kế các thành phần của một bộ vi xử lý (Processor, để thực hiện các tác vụ xử lý thông tin. Các thành phần chính bao gồm: bộ điều khiển (Control unit), bộ nhớ (Memory), bộ đệm (cache), các thanh ghi (Registers), bộ xử lý (ALU) và các đường truyền dữ liệu (Data Paths)
Khả năng và tốc độ xử lý của vi xử lý phụ thuộc vào kiến trúc của nó. Hiện nay, có một số kiến trúc vi xử lý nổi bật như: x86, ARM, MIPS, PowerPC, SPARC và RISC-V.
Kiến trúc x86 là gì?
x86 là một tập lệnh phổ biến nhất trên máy tính cá nhân, có từ những năm 1970. Intel đã tung ra bộ vi xử lý 4-bit đầu tiên vào năm 1971, tiếp theo đó là CPU 8008 8-bit vào năm 1972. Sau đó, vào năm 1974, họ giới thiệu Chip 8080 8-bit.
Bước ngoặt lớn diễn ra vào năm 1978 khi Intel giới thiệu Chip 8086, đánh dấu sự ra đời của kiến trúc x86 với nhiều phiên bản kế tiếp như: 80186, 80286, 80386, 80486,… Tuy nhiên, kiến trúc x86 hiện đại mà chúng ta biết ngày nay đã phát triển xa so với CPU 8086 ban đầu.
Thực tế, người tiên phong của dòng bộ vi xử lý x86 mà chúng ta thấy trên thị trường hiện nay là CPU 80386 của Intel ra mắt vào năm 1985, tức là 7 năm sau. Điểm đặc biệt của sản phẩm này là nó là chip đầu tiên hỗ trợ tập lệnh 32-bit, đồng thời vẫn tương thích với mã 16-bit cũ từ những CPU dựa trên kiến trúc 8086. Đôi khi, kiến trúc x86 còn được biết đến với tên gọi khác là i386 hoặc IA-32.
Theo thời gian, kiến trúc này đã phát triển lên phiên bản 64-bit, hiện được áp dụng cho tất cả CPU hiện đại và thường được gọi là x86-64, x64 hoặc AMD64.
Thực tế, AMD là công ty đã đầu tiên phát triển kiến trúc x64, không phải Intel. AMD đã mở rộng kiến trúc x86 truyền thống để tạo nên tập lệnh x64, nay đã trở thành tiêu chuẩn phổ biến. Trong khi đó, Intel đã theo đuổi một con đường khác với kiến trúc 64-bit của mình, IA-64, không tương thích ngược với x86.
Nguyên lý hoạt động của kiến trúc x86
Chip x86 sử dụng kiến trúc Von Neumann, trong đó các chương trình và dữ liệu cùng được lưu trong cùng một bộ nhớ chung. Khi cần xử lý một lệnh, CPU sẽ truy xuất lệnh đó từ bộ nhớ và tiến hành tính toán cần thiết.
Lệnh trong CPU được biểu diễn dưới hình thức mã máy, cho phép CPU đọc và xử lý chúng một cách có thứ tự. Để hỗ trợ quá trình xử lý, CPU cũng được trang bị các thanh ghi để giữ các giá trị tạm thời trong khi tính toán diễn ra.
Chip x86 cũng tích hợp nhiều chế độ hoạt động khác nhau, trong đó có chế độ thực (Real Mode) và chế độ bảo vệ (Potected Mode). Chế độ thực cho phép truy cập trực tiếp tới bộ nhớ và các thiết bị ngoại vi, còn chế độ bảo vệ hạn chế quyền truy cập này để ngăn chặn lỗi và các cuộc tấn công từ bên ngoài, nhằm bảo vệ hệ thống.
Kiến trúc ARM là gì?
ARM (Advanced RISC Machine) là một dòng kiến trúc vi xử lý dựa trên RISC cho các vi xử lý máy tính, được thiết kế để linh hoạt phù hợp với nhiều môi trường sử dụng khác nhau. Dù tên ARM có thể không quen thuộc với nhiều người, nhưng thực tế, các chip ARM đã có một lịch sử phát triển đáng kể và ngày càng trở nên phổ biến trong các máy tính PC.
Vi xử lý ARM đầu tiên là ARM1 được ra mắt vào năm 1985, đồng thời với sự xuất hiện của Chip Intel 80386. ARM1 với tốc độ xung nhịp là 6MHz, là sản phẩm của Arcorn Computers.
Chỉ vài năm sau, vi xử lý này đã được cải thiện đáng kể và máy tính RiscPC trở thành thiết bị đầu tiên sử dụng chip ARM, đánh dấu việc lần đầu tiên một thiết bị ARM xuất hiện lại là một chiếc máy tính.
Dù vậy, do sự chiếm lĩnh của Intel, những thiết bị ARM đầu tiên từ Acorn và Chip RISC gần như không thể cạnh tranh và dần mất hút khỏi thị trường hệ thống nhúng.
Sau thất bại đó, nhà sản xuất đã tái định hướng sang lĩnh vực di động, tiến vào thị trường điện thoại di động và các thiết bị di động khác, dẫn đến sự phổ biến của smartphone và máy tính bảng. Ngày nay, phần lớn điện thoại thông minh bán ra đều sử dụng CPU với kiến trúc ARM.
Trong vài năm trở lại đây, chúng ta đã thấy sự trở lại mạnh mẽ của ARM trong phân khúc máy tính xách tay. Năm 2017, Qualcomm tuyên bố mở rộng dòng chip di động Snapdragon của mình vào thị trường laptop. Đến năm 2020, Apple đã ra mắt MacBook Air dựa trên kiến trúc ARM đầu tiên của mình, con chip Apple M1 ARM, sau nhiều năm sử dụng CPU Intel x86.
Các sản phẩm khác của Apple, bao gồm iMac, Mac mini và Mac Studio cũng đã chuyển sang sử dụng kiến trúc ARM.
Nguyên lý hoạt động của kiến trúc ARM
Chip ARM thực hiện các tác vụ dựa trên kiến trúc RISC (Reduced Instruction Set Computers), tập trung vào việc xử lý các tập lệnh đơn giản và nhỏ hơn so với kiến trúc CISC của chip x86.
Hơn nữa, phần mềm dành cho chip ARM được thiết kế tối ưu hóa cho cả các tác vụ lớn lẫn nhỏ, giúp chip ARM xử lý dữ liệu với tốc độ cao. Chip này cũng có khả năng xử lý một số tác vụ ngầm từ trước. Tuy nhiên, để đạt hiệu suất cao, hệ thống có thể sẽ cần dùng đến lượng RAM lớn hơn.
So sánh chip x86 và ARM
x86 và ARM là hai kiến trúc hàng đầu trong ngành máy tính và điện thoại di động và chúng có một số điểm khác biệt như sau:
- Kiến trúc x86 thường được sử dụng trong máy tính để bàn và laptop, trong khi ARM chủ yếu xuất hiện trong thiết bị di động như điện thoại thông minh và máy tính bảng.
- x86 có bộ lệnh phức tạp, cho phép nó thực hiện các tác vụ nặng hơn, nhưng cũng đồng nghĩa với việc tiêu thụ nhiều năng lượng hơn, làm giảm hiệu quả trong môi trường di động.
- ARM tiết kiệm năng lượng hơn so với x86, là lựa chọn ưu tiên cho các thiết bị di động và cung cấp hiệu suất cao trong việc xử lý các tác vụ đơn giản.
- Hệ điều hành Windows và Linux tương thích tốt với x86, trong khi ARM thường được liên kết với Android và iOS.
- Kiến trúc ARM cho phép tích hợp tất cả trên một chip, trong khi x86 thường được thiết kế dành cho bộ vi xử lý đa nhân.
Những câu hỏi thường gặp
Kiến trúc ARM 64-bit là gì?
Kiến trúc ARM 64-bit còn được biết đến với tên gọi ARMv8-A là phiên bản cải tiến từ kiến trúc ARM truyền thống, hỗ trợ vi xử lý 64-bit.
Do ARM Holdings phát triển, kiến trúc này được áp dụng rộng rãi trong các thiết bị như điện thoại di động, máy tính bảng, máy tính nhúng, và máy chủ. Kiến trúc ARM 64-bit mang lại nhiều lợi ích so với phiên bản 32-bit trước đó, bao gồm:
- Cải thiện tốc độ xử lý: Khả năng xử lý lệnh 64-bit giúp tăng cường tốc độ và hiệu suất tổng thể của hệ thống.
- Nâng cao bảo mật: Các tính năng bảo mật mới, bao gồm bảo vệ bộ nhớ và kiểm soát truy cập, giúp tăng cường khả năng bảo vệ hệ thống khỏi các mối đe dọa.
- Mở rộng khả năng: Hỗ trợ vi xử lý mở rộng giúp dễ dàng nâng cấp và phát triển hệ thống trong tương lai.
- Tăng cường hiệu suất đa nhiệm: Hỗ trợ tính năng đa nhiệm mạnh mẽ, bao gồm xử lý đa luồng và đa nhân, để tối ưu hóa hiệu suất làm việc đồng thời.
Các dòng Chip ARM
- Cortex-A: Là lõi vi xử lý phổ biến trên nhiều chip Android, nổi bật với khả năng xử lý đa dữ liệu SMID, cho phép thực hiện các tác vụ như truy cập và xử lý dữ liệu bộ nhớ song song hiệu quả.
- Cortex-R: Cung cấp các giải pháp tính toán cao cấp cho hệ thống nhúng yêu cầu cao về bảo mật và độ tin cậy, hỗ trợ xử lý thời gian thực.
- Cortex-M: Được thiết kế nhỏ gọn, lý tưởng cho ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô, không chiếm nhiều diện tích trong hệ thống linh kiện.
- Ethos-N: Được đánh giá cao trong lĩnh vực AI nhờ khả năng tương thích với máy học, đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng trí tuệ nhân tạo.
- Ethos-U: Phiên bản thu gọn của Ethos-N, hoạt động như một Co-processor để hỗ trợ xử lý đồng thời các tác vụ.
- Neoverse: Mới được giới thiệu vào tháng 10/2018, Neoverse phục vụ chủ yếu cho hệ thống máy chủ và trung tâm dữ liệu, với mục tiêu cung cấp hiệu suất cao và hiệu quả năng lượng.
- SecurCore: Tập trung vào bảo mật, SecurCore được thiết kế bởi ARM Holdings, Ltd cho các ứng dụng như thẻ thông minh, được ưa chuộng trong lĩnh vực ngân hàng và thanh toán.
Chip ARM của hãng nào?
ARM Holdings, còn được biết đến với tên gọi đầy đủ là Advanced RISC Machines Ltd., là công ty chuyên thiết kế vi xử lý, có trụ sở tại Anh. Được Hermann Hauser sáng lập vào năm 1990, ARM Holdings đã được niêm yết tại Sở Giao dịch Chứng khoán London dưới mã ARM và tại NASDAQ dưới mã ARMHY.
Công ty này được biết đến rộng rãi với các vi xử lý kiến trúc ARM, ưu điểm nổi bật là khả năng tiêu thụ điện năng thấp, làm cho nó trở thành sự lựa chọn ưu tiên cho thiết bị nhúng và thiết bị di động. Điện thoại di động và máy PDA hiện đại hầu hết sử dụng CPU dựa trên kiến trúc ARM.
