Chắc hẳn các bạn đã từng nghe qua bộ vi xử lý ARM trong điện thoại thông minh, máy tính bảng hay cả trên những chiếc laptop. Công nghệ này đóng vai trò đáng kể trong việc thúc đẩy sự phát triển của nhiều dòng smartphone và đang dần dần thay đổi khái niệm về bộ xử lý trên PC.

Vậy ARM là gì? Đặc điểm của ARM? Những dòng chip ARM nào đã từng được sản xuất và sự khác biệt giữa ARM với các bộ xử lý khác?

ARM là gì?

ARM viết tắt của Advanced RISC Machine (trước đây là Acorn RISC Machine) là bộ xử lý dựa trên kiến trúc RISC (Reduced Instruction Set Computer – Máy tính có tập lệnh đơn giản hóa), được phát triển bởi Arm Holdings, Ltd.

Do không có nhà máy để tự sản xuất chip, Arm Holdings phát triển kiến trúc và cấp phép cho các công ty đối tác của mình, cho phép họ sử dụng ARM như một khuôn mẫu để xây dựng hệ thống, thiết kế lại, tự sản xuất hoặc thuê bên ngoài sản xuất và bán chúng dưới tên gọi là chip hợp tác giữa Arm và công ty đó. Cụ thể, các công ty sản xuất SoC như Nvidia, Texas Instruments, Samsung, Microsoft, Apple,… sử dụng lõi xử lý do ARM cung cấp và phát triển chúng, đưa chúng vào các chipset tích hợp trong GPU, CPU và bộ nhớ của mình.

Các bộ xử lý có kiến trúc RISC thường yêu cầu ít bóng bán dẫn hơn các bộ xử lý có kiến trúc điện toán CISC (như bộ xử lý x86 có trong hầu hết các máy tính cá nhân), loại bỏ các lệnh không cần thiết, thực hiện nhiều lệnh hơn trên mỗi giây (MIPS) và tối ưu hóa các đường dẫn giúp giảm mức tiêu thụ điện năng, tiết kiệm diện tích, ít tản nhiệt, cung cấp mức hiệu suất vượt trội, lý tưởng cho các thiết bị di động nhỏ gọn như điện thoại thông minh, máy tính xách tay, máy tính bảng.

Bộ vi xử lý ARM được thiết kế để hoạt động hiệu năng nhất có thể, chỉ chấp nhận các lệnh có thể được thực hiện trong một chu kỳ bộ nhớ. Quá trình phổ biến đối với CPU là tìm nạp, giải mã và thực thi lệnh.

Các đặc điểm chính của ARM?

Các đặc điểm chính của ARM bao gồm

Cấu trúc nạp / lưu trữ
Tập lệnh trực giao
Hầu hết các lệnh đều thực hiện trong vòng một chu kỳ đơn.
Hỗ trợ ảo hóa phần cứng
Tăng cường thiết kế tiết kiệm năng lượng

Các bộ xử lý ARM

Để duy trì tính cạnh tranh, Arm đã cung cấp nhiều loại và kiểu lõi bộ xử lý trong những năm qua. Nếu như Intel tập trung sản xuất các bộ xử lý như Celeron, Core và Xeon, hướng đến các đối tượng sử dụng khác nhau hay AMD chú trọng vào Ryzen cho laptop, desktop và Epyc cho máy chủ thì ngược lại, ARM đã liên tục cho ra đời các cấu trúc hoàn chỉnh, cho phép các đối tác sử dụng nguyên mẫu hoặc tùy chỉnh theo mục đích riêng.

Các cấu trúc chip nổi bật được sản xuất bởi Arm Holdings:

Cortex-A được biến đến là kiến trúc hiệu năng “workhorse” của Arm với chữ A đại diện cho khả năng tương thích ứng dụng (Application). Công cụ chính của Cortex-A là tập lệnh đa dữ liệu (SIMD) tiên tiến có tên mã là NEON, cho phép thực hiện các lệnh như truy cập bộ nhớ và xử lý dữ liệu song song trên một tập hợp các vectơ.
Cortex-M là một hệ số dạng thu nhỏ, phù hợp hơn với không gian chật hẹp như hệ thống điều khiển và phanh trên ô tô, máy ảnh kỹ thuật số,... Kể từ năm 2018, Arm đổi tên các dòng Cortex và gọi chung thành Cosmos.
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.

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-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.
Neoverse ra mắt vào tháng 10 năm 2018 là lõi xử lý được sử dụng cho các máy chủ và trung tâm dữ liệu.

Arm Cortex A78 / X1

Bên cạnh đó, 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: 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.

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: 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, Galaxy S và Galaxy A dựa trên SoC Exynos hợp tác với ARM.

Qualcomm: Hãng có các mẫu SoC Snapdragon 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.

Ampere Computing: 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.

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.

Năm 1982, các sinh viên tại Đại học California, Berkeley, đã từng xây dựng thành công kiến trúc RISC đầu tiên bằng cách lựa chọn thận trọng những chức năng nào sẽ được sử dụng thường xuyên nhất và gán các chức năng đó lên phần cứng, các chức năng còn lại được hiển thị dưới dạng phần mềm. Đó cũng chính là một trong những điểm khiến SoC trên các tập hợp lõi nhỏ trở nên khả thi.

ARM khác với CPU x86 như thế nào?

Tất cả máy tính, máy tính bảng, máy tính xách tay và điện thoại thông minh hoạt động được là nhờ bộ xử lý. Thuật ngữ chung cho bộ xử lý của thiết bị được gọi là CPU hay bộ xử lý trung tâm. Đây là nơi hầu hết các thuật toán của thiết bị thực hiện. Tuy nhiên, CPU không phải là một bộ xử lý đơn lẻ mà là sự kết hợp từ nhiều thành phần khác nhau.

Thông thường, máy tính để bàn và máy tính xách tay sử dụng bộ vi xử lý của AMD hoặc Intel (CPU x86). Các CPU này được thiết kế để mang lại mức hiệu suất tối ưu, có dung lượng pin lớn, được trang bị card đồ họa chuyên dụng cùng hệ thống làm mát, xử lý được các thuật toán phức tạp cùng lúc. Tuy nhiên, đi kèm với sự phát triển của công nghệ, nhu cầu sử dụng các thiết bị có tính di động cao cũng t tăng dần theo, đòi hỏi PC phải nhỏ hơn, gọn hơn, lược bỏ đi hệ thống tản nhiệt, cắt giảm kích thước pin. Và đó cũng chính là lý do ARM dần lấn sân từ bộ xử lý cho các dòng smartphone sang tablet 2 trong 1, laptop và Chromebook.

Intel và x86 đã thống trị không gian bộ xử lý máy tính trong suốt 4 thập kỷ và chip Arm đã tồn tại ở dạng này hay dạng khác trong gần như suốt thời gian đó - kể từ năm 1985. ARM hướng vào các thị t trường mà x86 chưa khai thác triệt để, hoạt động yếu kém hoặc không tương thích được.

Triển vọng của ARM?

Nhờ vào quy trình của ARM Holdings mà smartphone đang dần nhỏ, nhẹ, di động, có hiệu suất cao và giá phải chăng hơn.

Trong mảng siêu máy tính, 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.