Khi nói về công nghệ, chúng ta thường nghe thấy nhiều về chip vi xử lý (CPU), đặc biệt khi tham khảo thông tin về công nghệ hoặc khi mua một thiết bị thông minh mới. Vậy CPU là gì? Vai trò của nó là gì? Và hiện nay, loại chip nào đang được sử dụng rộng rãi? Đừng lo, trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu và giải đáp những câu hỏi đó.
1. Định nghĩa CPU
Viết tắt của Central Processing Unit – CPU có thể dịch là “bộ vi xử lý trung tâm”. Đây là mạch điện tử thực hiện các lệnh mà nó nhận được từ phần cứng và phần mềm trên thiết bị. Để nói một cách cụ thể, CPU thực hiện các phép tính số học, đo lường, so sánh, logic và cung cấp dữ liệu từ các mã lệnh cho máy tính.
Trong máy tính, CPU được xem như bộ phận chủ đạo, chịu trách nhiệm điều khiển và xử lý, khác biệt với các thành phần khác như bộ nhớ và bo mạch. CPU ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ xử lý của thiết bị, đặc biệt là các CPU cao cấp và hiện đại, mang lại trải nghiệm xử lý mượt mà trên các thiết bị như máy tính, laptop và điện thoại.
CPU có một cấu trúc phức tạp, nhưng có thể hình dung rằng nó bao gồm các thành phần số học logic, thanh ghi và bộ điều khiển để nạp các mã lệnh và điều phối việc thực hiện mã lệnh này thông qua các thành phần khác.
2. Lịch sử phát triển của chip máy tính
Mặc dù công nghệ hiện đại như ngày nay, nhưng ít ai biết rằng những chip CPU đầu tiên được phát triển rất đơn giản. Để hiểu rõ hơn về quá trình phát triển, chúng ta hãy quay lại lịch sử của CPU từ những con chip máy tính đầu tiên.
2.1. CPU đời đầu
Thuật ngữ “CPU” đã xuất hiện từ thế kỷ trước và được định nghĩa là một thiết bị dùng để chạy phần mềm. Sự xuất hiện của những chiếc máy tính đầu tiên cũng đồng thời công nhận sự tồn tại của CPU. Những CPU đầu tiên này được thiết kế để sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau và được sản xuất hàng loạt.
Ban đầu, máy tính có kích thước lớn, nhưng sau đó các máy tính nhỏ gọn dần ra đời. Tuy nhiên, CPU với vi mạch ngày càng phổ biến. Sau đó, CPU tiếp tục được phát triển thông qua tiêu chuẩn hóa và thu nhỏ, giúp các thiết bị thông minh như máy tính xuất hiện tại cuộc sống hàng ngày của con người. Với công nghệ vi mạch, CPU ngày càng nhỏ gọn và được xây dựng trên tiến trình nanomet.
2.2. Các CPU sử dụng transistors
Thiết kế CPU trở nên phức tạp hơn khi con người phát triển nhiều công nghệ hiện đại, tạo điều kiện để xây dựng những thiết bị nhỏ hơn và đáng tin cậy hơn, mang nhiều chức năng tiện ích. Cải tiến đầu tiên có thể kể đến là sự xuất hiện của transistors. Từ đó, CPU không còn dựa trên các phần tử chuyển mạch cồng kềnh hay mong manh, thay vào đó là CPU được xây dựng trên mạch in phức tạp với các thành phần riêng biệt.
Máy tính sử dụng CPU mạch bán dẫn đã có một số lợi ích so với các dòng máy tính đầu tiên. CPU trở nên đáng tin cậy hơn và tiêu thụ năng lượng ít hơn. Các bóng bán dẫn giúp CPU hoạt động tốt hơn, tốc độ xử lý nhanh hơn. Nhờ vào transistors, các nhà phát triển đã mở ra một thời đại mới trong công nghệ vi xử lý.
2.3. Các CPU tích hợp quy mô nhỏ
Ý tưởng về việc sản xuất nhiều transistors và liên kết chúng với nhau trong một không gian nhỏ đã được phát triển rộng rãi. Nhờ mạch in, một lượng lớn bóng bán dẫn có thể được tích hợp trên một con chip.
Việc sản xuất CPU dựa trên cấu trúc mạch in đã trở thành xu hướng. Vi mạch SSI có thể tích hợp hàng nghìn transistors trong một con chip bán dẫn.
2.4. Các CPU tích hợp quy mô lớn
Sau đó, nhà phát triển đã bắt đầu suy nghĩ về việc xây dựng dòng chip tích hợp quy mô lớn (LSI), mặc dù quá trình này gặp không ít khó khăn. Với sự phát triển của công nghệ, vi mạch có thể chứa nhiều transistors hơn trên một con chip duy nhất. Việc sản xuất vi mạch MSI và LSI đã trở nên dễ dàng hơn.
Vào năm 1968, nhà phát triển đã giảm số lượng IC để tạo ra một CPU hoàn chỉnh chỉ với 24 con chip. So với vi mạch SSI và MSI, vi mạch LSI đầu tiên chỉ chứa 1 CPU gồm 4 mạch LSI.
2.5. Bộ vi xử lý
Từ sự ra đời của con chip thương mại đầu tiên với tên gọi Intel 4004, cũng như bộ vi xử lý được sử dụng rộng rãi khác Intel 8008, mô hình này dường như đã vượt qua các bộ vi xử lý trung tâm khác. Các hãng máy tính mini bắt đầu phát triển với các chương trình độc quyền để nâng cấp kiến trúc máy tính vốn có của họ. Các dòng máy tính cá nhân bắt đầu trở nên phổ biến trong cuộc sống.
Thuật ngữ CPU từ giai đoạn này được sử dụng độc quyền, dành cho các bộ vi xử lý. Kích thước CPU được thu gọn nhỏ hơn. Thời gian chuyển đổi và thực hiện các phép tính, các lệnh cũng được cải thiện nhiều lần. Xung nhịp của CPU có thể phát triển từ MHz lên đến GHz, các transistors cực nhỏ cũng được xây dựng. CPU ngày càng có thể xử lý các lệnh phức tạp hơn nhờ việc tăng số lượng bóng bán dẫn.
Công nghệ xử lý ngày càng cải tiến, các đơn đặt hàng từ các công ty máy tính ngày càng nhiều. Cho đến nay, các bộ vi xử lý đã được ứng dụng cho nhiều thiết bị công nghệ khác nhau và mang công nghệ hiện đại phổ biến vào cuộc sống hàng ngày.
3. Nguyên lý hoạt động của CPU
Mặc dù có cấu trúc phức tạp, CPU hoạt động theo các bước cơ bản sau: tìm và nạp thông tin, giải mã thông tin và thực hiện các lệnh từ phần mềm. Tổng hợp lại, quá trình này được gọi là chu kỳ lệnh, được thực hiện trên bộ vi xử lý. Hoạt động của CPU không phụ thuộc vào hình thức vật lý, mà chủ yếu dựa trên việc thực hiện các lệnh đã được mã hóa từ chương trình.
Các chu kỳ lệnh sẽ được lặp đi lặp lại. Sau khi thực hiện một lệnh, lệnh tiếp theo sẽ được thực thi trong chuỗi giá trị. Có nhiều dạng lệnh khác nhau, như lệnh nhảy hoặc lệnh logic. Bên cạnh đó, còn có hàng loạt các loại lệnh khác như tính toán, so sánh…
4. Cấu trúc CPU bao gồm những thành phần nào?
CPU có một cấu trúc phức tạp, tuy nhiên có thể chia thành 5 thành phần cơ bản:
- Khối điều khiển (CU – Control Unit): Đây là thành phần quan trọng, chịu trách nhiệm biên dịch các lệnh từ phần mềm và điều khiển hoạt động xử lý của chip.
- Khối tính toán (ALU – Arithmetic Logic Unit): Bộ phận này có chức năng chính là thực hiện các phép tính số học và logic, sau đó trả kết quả cho bộ nhớ hoặc thanh ghi.
- Các thanh ghi (Registers): Là các bộ nhớ nhỏ và có tốc độ truy cập cao, được sử dụng để lưu trữ tạm thời kết quả tính toán, thông tin và địa chỉ trong bộ nhớ. Mỗi thanh ghi có chức năng cụ thể, trong đó có thanh ghi quan trọng như bộ đếm chương trình (Program Counter), dùng để xác định lệnh tiếp theo cần thực thi.
- Opcode: Là bộ nhớ dùng để chứa mã máy của CPU, cho phép CPU thực hiện các lệnh trong file cần thực thi.
- Phần điều khiển: Điều khiển khối và tần số xung nhịp. Thao tác xử lý trong và ngoài CPU được đồng bộ nhờ vào mạch xung nhịp hệ thống. Khoảng thời gian giữa hai xung nhịp được gọi là chu kỳ xung nhịp. Tốc độ xung nhịp có thể được tính bằng MHz hoặc GHz.
5. Hai cấu trúc phổ biến của CPU
Hiện nay, có hai dòng chip phổ biến trên thị trường, được áp dụng hai cấu trúc khác nhau là x86 và ARM. Hãy tìm hiểu chi tiết về từng cấu trúc sau đây.
5.1. Cấu trúc x86
Cấu trúc x86 là cấu trúc của các chip sản xuất bởi thương hiệu Intel, bắt đầu từ những năm 1978. Sau đó, Intel đã cho phép một số nhà sản xuất khác sử dụng cấu trúc chip này. Một số con chip x86 phổ biến trên thị trường bao gồm dòng Intel Core i3, i5, i7 và dòng chip khác như Ryzen, EPIC và Threadripper từ AMD.
Các loại chip x86 có thể xử lý các lệnh phức tạp dựa trên kiến trúc CISC và thực hiện nhiều phép toán cùng lúc. Các dòng chip này có tốc độ xử lý nhanh chóng và tiết kiệm RAM hơn.
5.2. Cấu trúc ARM
Cấu trúc ARM thường được cấp phép cho các nhà phát triển chip để tùy chỉnh và tích hợp GPU, RAM và tạo ra hệ thống trên chip (SoC). Các loại chip ứng dụng kiến trúc ARM rất phổ biến trong các sản phẩm của Apple như iPhone và iPad, và còn có một số loại chip khác như Qualcomm S2Q trên máy Surface Pro X.
Chip ARM xử lý các lệnh nhỏ và đơn giản với kiến trúc RISC. Các phần mềm sản xuất cho chip ARM cũng được tối ưu hóa từ những tác vụ lớn nhất cho đến nhỏ nhất. Các chip ARM có tốc độ xử lý nhanh chóng và có thể xử lý trước các tác vụ ngầm liên quan, tuy nhiên có thể yêu cầu nhiều RAM hơn khi xử lý các lệnh.
6. Các thông số cơ bản của CPU
Các loại CPU có nhiều thông số khác nhau, nhưng nếu bạn đang muốn mua một máy tính, bạn chỉ cần quan tâm đến một vài thông số quan trọng sau đây:
6.1. Tốc độ xung nhịp (Clock Speed)
Tốc độ xung nhịp là tốc độ hoạt động của CPU và thường được đo bằng GHz (Gigahertz). Xung nhịp càng cao, tốc độ xử lý càng nhanh. Hầu hết các CPU trên thị trường hiện nay đều có khả năng tự điều chỉnh xung nhịp để phù hợp với các tác vụ và lệnh cần thực hiện trong máy tính của bạn. Chú ý rằng máy tính thường có thông số xung nhịp tối thiểu và tối đa của CPU.
6.2. Tốc độ xung nhịp tối đa (Turbo Speed)
Tốc độ xung nhịp tối đa là xung nhịp tối ưu của CPU khi được ép xung. Việc này có thể tăng tốc CPU lên gần như gấp đôi, nhưng cũng có một số ảnh hưởng đến thiết bị. Trước khi áp dụng tính năng này cho thiết bị của bạn, hãy tìm hiểu xem máy tính có hỗ trợ ép xung hay không.
6.3. Số nhân (Core)
Mỗi CPU được cấu tạo từ nhiều nhân, còn được gọi là core. Mỗi nhân là một đơn vị độc lập với các chức năng xử lý các dải chỉ dẫn của hệ thống khác nhau. Các nhân trong CPU có thể tự sắp xếp và phân chia công việc, cho phép hệ thống xử lý và chạy nhiều ứng dụng cùng lúc. Với nhiều nhân, CPU có khả năng xử lý tốt hơn, hỗ trợ tối ưu công việc và tác vụ từ người dùng.
6.4. Số luồng (Thread)
Luồng cho phép chương trình chia sẻ dữ liệu với các luồng khác trong cùng một tiến trình. Luồng hỗ trợ các chương trình xử lý nhiều công việc hơn cùng một lúc.
6.5. Chân cắm (Socket)
Chân cắm là mối nối giữa chip vi xử lý và bo mạch chủ, giúp cố định vị trí của con chip và truyền dữ liệu giữa CPU và bo mạch chủ.
6.6. Card đồ họa tích hợp (Card Onboard)
Card đồ họa tích hợp GPU là bộ phận xử lý tác vụ đồ họa trên thiết bị, đáp ứng các yêu cầu về hình ảnh 2D, 3D. Nó hỗ trợ máy tính khi gặp sự cố với card đồ họa riêng.
7. Các loại CPU dành cho máy tính và laptop
Ở Việt Nam, hiện nay có hai thương hiệu CPU phổ biến và nổi tiếng với chất lượng tốt, hiệu năng mạnh mẽ và ổn định: Intel và AMD.
7.1. Chip Intel
Intel là thương hiệu CPU lớn nhất trên thế giới, được biết đến và sử dụng rộng rãi. Với hơn 50 năm phát triển, các sản phẩm mới của h