ARM – Cuộc cách mạng

Ngày 10 tháng 11, năm 2020. Bất chấp cơn bão đại dịch COVID-19 đang vần vũ trên toàn cầu, một trong những thời khắc trọng đại nhất của nghành điện tử đang diễn ra. Từ đại bản doanh của Apple, Apple Park ở Cupertino, California, công bố sự ra đời chip vi xử lý M1, con chip mạnh nhất mà Apple từng thiết kế. Cho những bạn chưa biết, Apple từ trước đến nay chỉ thiết kế chip cho iPhone của họ, còn hệ vi xử lý trên Macbook được hoàn toản đảm trách bởi Intel. Đây là lần đầu tiên Apple thiết kế chip vi xử lý cho máy tính Mac thay vì sử dụng một sản phẩm của Intel. Thiết bị này được xây dựng trên nền tảng kiến trúc ARM, và với hiệu năng ưu việt của nó, đã trở thành bằng chứng hùng hồn cho việc kiến trúc ARM chính là tương lai.

“Tôi không nhớ được rằng, lần cuối mà Apple cho ra mắt 1 sản phẩm được đón nhận rộng rãi như thế này là khi nào, đặc biệt là khi nó không có quá nhiều khác biệt so với thế hệ trước. Apple đơn giản là đã xuất sắc trong việc chuyển đổi sang kiến trúc ARM.” 

— Benjamin Mayo, Tư vấn Tài chính tại J.P. Morgan.

Sự chuyển đổi của Apple từ các vi xử lý Intel sang kiến trúc ARM đã được nuôi dưỡng và ấp ủ trong nhiều năm. Nó biểu trưng cho kết tinh của một thập kỷ tính toán và sự biến chuyển dữ dội trong nghành công nghiệp máy tính. M1 không chỉ là 1 con chip – nó là 1 cuộc cách mạng. Và tất cả đều bắt đầu từ một đốm lửa đơn giản và nhỏ bé.

TẬP HỢP LỆNH

Để thực sự hiểu được điều mà Apple vừa làm, chúng ta cần du hành qua một chút lịch sử và công nghệ. Bộ xử lý trung tâm (hay CPU – Central Processing Unit) là não bộ của máy tính, nhưng chúng không thể tự mình hoạt động. Chúng chỉ vận hành khi nhận được các câu lệnh (instruction) – một dãy mã nhị phân chỉ đạo cho CPU biết nó cần phải làm gì, ví dụ như dịch chuyển data từ bộ nhớ sang các register hay thực hiện một phép tính, cộng trừ hoặc nhân chia. Tập hợp các câu lệnh này được gọi là một tập hợp lệnh (instruction set).

Giờ đến khái niệm then chốt: kiến trúc tập lệnh – ISA (Instruction Set Architecture). Trong khoa học máy tính, ISA là mô hình trừu tượng của một chiếc máy tính. Nó vẽ ra một cỗ máy tưởng tượng có thể xử lý các dạng data nhất định, sở hữu một tập hợp lệnh nhất định, định dạng các register nhất định, định nghĩa luôn cả phần cứng để quản lý bộ nhớ và một số các bộ phận cơ bản khác. Hiện thực hóa bản vẽ này thành con chip thực được gọi là một implementation.

Có thể có nhiều implementation của một ISA, cho ra các hiệu năng, kích cỡ, giá thành… khác nhau nhưng đều có thể chạy cùng một phần mềm hay một hệ điều hành. Thế nên, một chiếc CPU hiệu năng kém hơn và giá thành rẻ hơn có thể thay thế chiếc máy đắt đỏ, hiệu suất cao mà không cần phải viết lại toàn bộ phần mềm. Các công ty khác nhau có thể phát triển nên con chip của riêng họ, sử dụng các cấu trúc điện tử khác nhau, mà vẫn có thể chạy cùng một chương trình. Ví dụ như, Intel Pentium và AMD Athlon là hai con chip cùng sử dụng kiến trúc tập lệnh x86, nhưng kết cấu vật lý bên trong thì lại rất khác biệt.

intel x86

Kể từ khi được sáng lập vào năm 1968, bởi Robert Noyce & Gordon Moore, Intel đã trở thành người gác đền cho thị trường CPU, với kiến trúc tập lệnh x86 huyền thoại, được đặt tên theo một dòng chip thành công vào những năm cuối thập niên 70 và đầu 80, với số tên kết thúc bằng cặp 86. Ông tổ của dòng chip này là con chip 8086 – phát hành vào năm 1978, một CPU 16-bit đứng đầu đại gia đình x86. Thế hệ tiếp theo là 80186 & 80286 được thiết kế thêm virtual-addressing (bộ nhớ ảo) và on-chip MMU (Memory Management Unit – đơn vị quản lý bộ nhớ). 80386 là một CPU 32-bit phát hành năm 1985, nền tảng cho việc phát triển Linux. Những con chip huyền thoại này đã đưa ISA x86 trở thành kiến trúc tập lệnh hàng đầu thế giới trong nhiều thập kỷ, với toàn bộ nền tảng Windows được phát triển trên chúng.

Kể từ những năm 1980, các nhà phát triển chip đã bắt đầu thêm vào những câu lệnh ngày càng phức tạp, để được nhìn nhận như có hiệu năng tốt hơn và mạnh mẽ hơn. Điều này dẫn đến một hệ thống với các câu lệnh phức tạp, có khả năng thực hành nhiều lệnh con nhỏ hơn. Người ta gọi hệ thống này là CISC (Complex Instruction Set Computer). Tuy nhiên, các câu lệnh ngày một nhiều này sẽ dần dần làm trì trệ tính năng của vi xử lý. Không gian vật lý hữu hạn và quý báu trên con chip bị chiếm đoạt bởi các bộ xử lý lệnh màu mè mà ít khi nào hệ thống sử dụng đến.

ACORN

Trong khi Intel đang thống lĩnh nghành công nghiệp chip, thì vào năm 1983, tại Vương quốc Anh, một công ty với tên gọi Acorn Computers Ltd quyết đinh đi theo con đường khác. Thay vì làm cho hệ thống ngày một phức tạp hơn, họ chọn phương án đơn giản hơn. Ý tưởng đơn giản hóa tập lệnh được gọi là RISC (Reduced Instruction Set Computer), như một đối trọng với hệ thống CISC rườm rà. Nó cho các kỹ sư một điểm khởi đầu mới, với một ISA nhanh và hiệu quả hơn. Triết lý ở đây là không cho thêm bất kì sự phức tạp nào vào cỗ máy trừ khi nó đáng giá bởi độ thường xuyên mà nó được sử dụng. Và đây là khởi điểm cho dự án Acorn RISC Machine, hay còn được biết đến với tên gọi ARM [1][2]. Đó là thời khắc bắt đầu của kiến trúc ARM, thứ mà sau này sẽ được dùng trong tất cả mọi smartphone trên toàn thế giới.

“Khi chúng tôi bắt đầu thiết kế ARM, chúng tôi không nghĩ rằng mình sẽ thành công. Đầu tiên chúng tôi chỉ nghĩ rằng ý tưởng RISC này quá hiển nhiên, rằng các ông trùm công nghệ đều đã thử nghiệm nó. Chúng tôi chỉ dấn thân vào dự án này với hi vọng sẽ tìm được lý do tại sao không ai phát triển nó, và chúng tôi đơn giản là chẳng thấy chướng ngại vật nào. Chúng tôi cứ thế đi qua màn sương.”

Steve Furber – kỹ sư trưởng của máy tính BBC Micro và vi xử lý ARM1-32bit.

Sản phẩm thử nghiệm đầu tiên, chip ARM1, được sản xuất vào năm 1985 sử dụng tiến trình CMOS 3-micron 2 lớp kim loại [3]. Và như giáo sư Steve Furber, một trong những kỹ sư nòng cốt làm ra con chip ARM đầu tiên, đã miêu tả trong buổi phóng vấn của mình về lần đầu thử nghiệm chip ARM1, ông nhận thấy điện năng tiêu thụ trên Ampe kế hiển thị con số 0. Hóa ra các kĩ sư đã không mắc nguồn điện cho con chip, và con chip vẫn chạy bình thường – nó hoạt động nhờ điện năng thừa từ các cổng tín hiệu. Toàn bộ con chip ARM1 tiêu thụ vỏn vẹn 0.1 watt – so với hơn 2 watt điện năng mà con chip Intel 386 sử dụng [4]. Bên cạnh điện năng tiêu thụ, sự đơn giản của chip ARM1 cũng được thể hiện qua số lượng transistor – 25,000 so với 275,000 transistor trên chip 386 cùng thời.

ARM

Sau bản thử nghiệm thành công vào năm 1985, Acorn phát hành chiếc máy tính chạy chip ARM đầu tiên vào năm 1987, chiếc Acorn Archimedes [5]. Vào năm 1991, Advanced RISC Machines (ARM) được tách ra từ Acorn, trở thành một liên doanh với sự đầu tư từ Apple và VLSI [6]. Và kể từ đây, ARM trở thành người cấp phép bằng sáng chế cho các nhà sản xuất chip, chuyển mình thành một công ty IP (intellectual property) chuyên bán bản thiết kế thay vì bán chip.

Trước đây, việc tiêu thụ điện năng thấp tuy là một đặc điểm thú vị, nhưng nó không có nhiều nổi trội với những chiếc máy tính bàn có dây điện cắm thẳng vào tường. Nhưng khi các thiết bị xách tay trở nên phổ biến, chip ARM trở thành lựa chọn đầu tiên trong tất cả mọi thứ – từ di dộng Nokia cho đến máy nghe nhạc Sony Ericsson. Chúng còn được sử dụng trong các chip đồ họa của Nintendo 64 – nhờ vào khả năng xử lý đồ họa ưu việt. Và chúng được sử dụng rộng rãi nhất bởi công ty thân thiết nhất với ARM – gã khổng lồ Apple.

iPhones

ARM Holdings và Apple đã có một sự liên kết khắng khít ngay từ những ngày đầu. Vào năm 2001, Apple tung ra sản phẩm iPod – chiếc máy nghe nhạc mp3 huyền thoại với slogan “1000 bài hát trong túi quần bạn”- sử dụng chip ARM7T dựa trên nền tảng kiến trúc tập lệnh ARMv4. Sáu năm sau, vào năm 2007, chiếc iPhone đầu tiên được ra mắt – sử dụng chip ARM11 dựa trên nền tảng kiến trúc ARMv6. Và vào năm 2010, chiếc iPhone 4, một trong những sản phẩm iPhone vĩ đại nhất, được tung ra thị trường sử dụng chip A4 – con chip do chính tay Apple thiết kế dựa trên nhân Cortex-A8 của ARM. Intel lẽ ra đã có phần trong chuỗi thành công rực rỡ này nếu họ không từ chối lời đề nghị trở thành nhà cung cấp chip cho iPhone vào năm 2005.

Trở lại năm 2008, Apple kí một hợp đồng bí mật với ARM cho phép họ tự phát triển một con chip của riêng mình dựa trên nền tảng kiến trúc tập lệnh của ARM [7]. Họ cũng mua lại PA Semi, một công ty được sáng lập bởi Dan Dobberpuhl, nhà chuyên gia trong việc phát triển các con chip ARM hiệu năng cao. Những bước đi chiến lược này là chìa khóa mang Apple đến thành công của dòng chip A, bắt đầu bằng con chip A4 trong iPhone 4. Vào năm 2012, Apple cho ra mắt con chip A6 – CPU đầu tiên được họ thiết kế toàn phần (mật danh Swift), lắp đặt trong iPhone 5 và nhanh gấp đôi con chip ở thế hệ trước.

Nhưng bất ngờ lớn nhất đến vào năm 2013, khi mà Apple gây chấn động nghành điện tử với con chip A7 (mật danh Cyclone) sử dụng trong iPhone 5S. Trong khi tất cả chip ARM thời bấy giờ đang sử dụng kiến trúc 32-bit, chip A7 đã sớm ứng dụng kiến trúc ARM 64-bit, đồng nghĩa với việc bộ phận thiết kế của Apple đã bỏ xa chính công ty ARM tới hơn 1 năm. Bản thiết kế 64-bit đầu tiên của ARM mãi cho tới 2014 mới được trình làng trong chiếc điện thoại Galaxy S4. Và kể từ đây, các vi xử lý của Apple dần thu hẹp khoảng cách về hiệu năng với những con chip Intel, tiệm cận tới ngưỡng mà họ gọi là đẳng cấp desktop.

Bên trong những chiếc iPhone của Apple, các con chip mang kiến trúc ARM dần tiến hóa, trở nên mạnh mẽ hơn và tiêu hao ít điện năng hơn. Vào tháng 9 năm 2020, với con chip A14 Bionic (mật danh Firestorm/Icestorm) sử dụng trong iPhone 12 / 12 Pro / 12 Pro Max, có vẻ như Apple đã bắt kịp Intel. Con chip Intel ở góc đỉnh của biểu đồ bên dưới – con chip Core i9-10900K – là một vi xử lý cho máy tính bàn tiêu thụ 65 Watts, trong khi chip A14 của Apple với hiệu năng tương đương, chỉ ngốn 6 Watts từ thanh pin điện thoại của mình. Intel đang mất dần vị trí dẫn đầu của mình về cấu hình CPU. Trong khi đó, tính tới 2019, 130 tỉ vi xử lý ARM đã được sản xuất [8], đưa ARM vượt lên trở thành kiến trúc tập lệnh được sử dụng rộng rãi nhất trên toàn thế giới [9].

Cấp bằng sáng chế

ARM sở hữu một mô hình kinh doanh vô cùng độc đáo. Khác với AMD, Intel, Qualcomm, hay NVIDIA – những công ty kiếm tiền từ việc bán chip – doanh thu của ARM đến hoàn toàn từ việc cấp phép IP. Có 2 khoản tiền mà các đối tác của ARM phải trả: tiền phí trả trước và tiền bản quyền. Khoản phí trả trước cho phép đối tác/khách hàng của ARM sử dụng các bản thiết kế, ví dụ như bản thiết kế các nhân CPU Cortex hay các GPU Mali. Tiền bản quyền là một phần trăm nhất định từ tiền bán những con chip có mang kiến trúc ARM.

Hầu hết các đối tác của ARM sẽ là những người được cấp phép vi xử lý – quyền được sử dụng bản thiết kế CPU hay GPU mà ARM thiết kế. Họ không thể hoàn toàn thay đổi bản thiết kế nhưng được tự do áp dụng theo cách của mình, giúp cho sản phẩm chip cuối cùng có được hiệu năng hay công suất tốt hơn. Ví dụ như, chip Samsung Exynos 5 tám nhân áp dụng 4 nhân ARM Cortex-A7 và 4 nhân ARM Cortex-A15. Và với nhân Cortex-A8, Apple & Samsung đã có các áp dụng vật lý của riêng mình giúp cho các nhân này có hiệu năng tốt hơn so với sản phẩm của các hãng khác.

Một lựa chọn khác cho các đối tác là mua bằng cấp phép kiến trúc – chính là ISA, là cỗ máy tưởng tượng mà ARM định nghĩa, và tự thiết kế vi xử lý của mình dựa trên đó. Đây là một con đường khó khăn hơn, là phương pháp mà Qualcomm đã sử dụng để thiết kế nên vi xử lý Scorpion, Krait, và nhân 64-bit Kryo, và cũng là cách mà Apple sử dụng để xây dựng nên vi xử lý Swift. Những mẫu thiết kế này có cấu trúc vật lý rất khác nhau nhưng đều có thể vận hành những phần mềm tương đồng như tất cả các chip ARM.

Kết luận

Qua hàng thập kỉ tranh đấu giữa kiến trúc ARM và x86 của Intel, ARM đã vượt lên và trở thành lựa chọn chính trong các thiết bị cần tiêu thụ điện năng thấp. Kiến trúc này đã tiếp tục cuộc chinh phạt của mình vào thị trường laptop, và hiện đang được đón nhận bởi Apple với vi xử lý M1 và Microsoft với chip SQ1 trong máy tính Surface Pro X. Tuy nhiên, Intel cũng không kém cạnh trong việc phát triển, với chip Lakefield sở hữu những tính năng ngày một tương đồng với các nhân ARM.

Vào năm 2016, ARM được mua lại bởi Softbank – một liên hiệp tập đoàn của Nhật Bản đứng đầu bởi Masayoshi Son – với giá 32 tỷ USD. Bốn năm sau, vào ngày 13 tháng 9, 2020, NVIDIA công bố thỏa thuận mua lại công ty thiết kế chip quyền lực này với mức giá vào khoảng 40 tỷ USD, số tiền sẽ khiến cho đây trở thành thương vụ bán dẫn đắt giá nhất lịch sử. Tuy rằng số phận của thương vụ này vẫn chưa được định đoạt bởi còn cần sự chấp thuận của các ủy ban giám sát, một điều chắc chắn rằng ARM vẫn sẽ là nền tảng kiến trúc cho tất cả smartphone trên thế giới trong tương lai gần. Nó đã phát động một cuộc cái tổ sâu rộng trên toàn lĩnh vực điện tử, và thật đáng mừng khi chúng ta được sống trong thời đại của các phát minh và những cuộc cách mạng.

Trích dẫn:

1. VLSI Technology, Inc. (1990). Acorn RISC Machine Family Data Manual. Prentice-Hall. ISBN 9780137816187.
2. Acorn Archimedes Promotion from 1987. 1987.
3. “Some facts about the Acorn RISC Machine” Roger Wilson
4. “Reverse engineering the ARM1, ancestor of the iPhone’s processor”. Ken Shirriff’s blog.
5. Acorn Archimedes Promotion from 1987 on YouTube
6.  Weber, Jonathan (28 November 1990). “Apple to Join Acorn, VLSI in Chip-Making Venture”. Los Angeles Times. Los Angeles. Retrieved 6 February 2012. Apple has invested about $3 million (roughly 1.5 million pounds) for a 30% interest in the company, dubbed Advanced Risc Machines Ltd. (ARM) […]
7. How Apple Designed Own CPU For A6 // Linley on Mobile, 15 September 2012
8. “Architecting a smart world and powering Artificial Intelligence: ARM”. The Silicon Review. 2019. Retrieved 8 April 2020.
9. Kerry McGuire Balanza (11 May 2010). “ARM from zero to billions in 25 short years”. Arm Holdings. Retrieved 8 November 2012.