CPU đa nhân, CPU đa lõi

CPU đa nhân, CPU đa lõi (tiếng Anh: multi-core) là bộ vi xử lý trung tâm (Central Processing Unit) có nhiều đơn vị vi xử lý được tích hợp trên cùng một CPU vật lý duy nhất. Một cách khác, chúng giống như sự ghép nối nhiều CPU thông thường trước đây trở thành một CPU duy nhất

CPU đa nhân nhân được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 2001 bởi hãng IBM với loại CPU Power4 dành riêng cho các máy chủ. Bắt đầu từ đó các hãng sản xuất CPU khác bắt đầu chú ý đến thể loại CPU đa nhân và định hướng phát triển sản phẩm của mình theo theo thể loại này. Hai nhà sản xuất CPU cho PC lớn là AMD và Intel cũng có các phản ứng khác nhau: AMD đã bắt đầu có định hướng ngay cho CPU đa nhân, Intel còn dè dặt trong giai đoạn đầu, nhưng cũng bắt đầu vào cuộc. Kể từ đó có một sự cạnh tranh giữa hai hãng để chiếm lĩnh thị phần CPU máy tính trên phương diện đa nhân, hiệu năng xử lý và giá bán, sự cạnh tranh này vẫn còn tồn tại cho đến thời điểm hiện nay và chưa có dấu hiệu kết thúc

Nếu như CPU chỉ có một cụm bộ xử lý bên trong lòng nó giống như các bộ xử lý thông thường: các bộ xử lý từ thế hệ đầu tiên cho đến thế hệ thứ 7 gần đây (như Pentium 4 đơn nhân) được gọi là các CPU chỉ có một nhân - hay gọi cách khác là một lõi (cách gọi theo thói quen, tuy nhiên từ lõi có thể gây nhầm lẫn với cấu trúc core của Intel nên bài này hạn chế dùng).

Những CPU hai nhân đầu tiên được Intel và AMD sản xuất khi đặt hai nhân xử lý trong cùng một tấm đế. Có nghĩa trong một CPU nhìn bề ngoài như một CPU thông thường nhưng bên trong nó chứa các phần mạch điện của cả hai CPU, điểm chung của nó là các chân cắm tiếp xúc với socket của bo mạch chủ. Nếu như chỉ nhìn hình dáng mà không nhìn vào các thông số trên vỏ CPU thì các loại CPU hai nhân này không khác so với các CPU đơn nhân sử dụng cùng loại socket.

Nhiều người có thể thắc mắc: Bên trong một CPU liệu có còn khoảng không gian trống nào không cho nhân thứ hai, thứ tư hoặc nhiều hơn nữa trong khi tấm đế của CPU vẫn giữ nguyên diện tích như vậy. Thực tế thì kích thước các nhân hiện tại của CPU đã rất nhỏ, phần đế của mỗi CPU có kích thước như hiện tại bởi chúng cần có các vị trí để có thể kết nối với các socket. Thông thường thì các ký hiệu của socket hiện nay có chứa ý nghĩa về số vị trí tiếp xúc giữa CPU và bo mạch chủ, nếu như một CPU hiện tại của Intel sử dụng socket T (LGA775) hay như AMD sử dụng socket 939 thì cũng có nghĩa rằng chúng có 775 hay 939 vị trí tiếp xúc. Với một số lượng kết nối nhiều như vậy thì các CPU nếu thiết kế tấm đế quá nhỏ sẽ không thể đáp ứng được sự kết nối giữa CPU với bo mạch chủ theo kiểu cắm để dễ dàng thay thế (nếu không muốn hàn chắc vào bo mạch chủ).

Thế hệ CPU đa nhân thông dụng đầu tiên

CPU hai nhân của Intel
Hãng Intel đã giới thiệu những CPU hai nhân Pentium Extreme Edition và Pentium D đầu tiên vào tháng 4 năm 2005 phát triển trên nền Pentium 4 Prescott. Thực chất sự ra đời của những CPU hai nhân đầu tiên này của Intel đã mong muốn giới thiệu ra thị trường càng nhanh càng tốt nên các CPU hai nhân đầu tiên: Pentium D, Pentium Extreme Edition (thường gọi tắt là Pentium EE) chứa trong lòng nó hai nhân của Pentium 4 mã Prescott. Mỗi một nhân được giao tiếp với một đường khác nhau với chipset cầu bắc trên bo mạch chủ. Chính vì vậy mà các chipset của hãng Intel như i915, i925 hoặc các chipset của các hãng khác dành cho các CPU Pentium 4 thông thường không thể sử dụng cho CPU hai nhân Pentium D (hoặc Pentium Extreme Edition). Các chipset dòng i945, i955X, i975X cho dòng máy tính cá nhân để bàn và E7230 cho dòng máy trạm là những chipset đầu tiên hỗ trợ cho những CPU hai nhân này.

CPU Pentium D có các đặc tính dưới đây:

* Tốc độ xử lý CPU từ 2,8 GHz đến 3,2 GHz
* FSB: 800MHz
* Mở rộng EM64T 64-bit
* Hỗ trợ Execute Disable Bit
* Sản xuất trên công nghệ 90 nm (nanomet)
* Có 2 MB L2 cache (1 MB mỗi nhân riêng biệt và độc lập)
* Sử dụng Socket T (LGA775)

Với những CPU có số hiệu 830 và 840 còn bao gồm công nghệ mới của Intel là: “EISS” (Enhanced Intel Speed Step), chúng có thể tự động thay đổi tốc độ làm việc của CPU theo nhu cầu xử lý của hệ thống để giảm công suất tiêu thụ.

Phiên bản Pentium Extreme Edition 840 có tính năng giống như Pentium D, nhưng có một số khác biệt thêm như sau:

* Hỗ trợ công nghệ Siêu phân luồng (HT Technology). Như vậy với mỗi nhân bên trong sẽ trở thành 2 nhân ảo (hệ điều hành sẽ nhận biết và sử dụng như có 4 nhân đồng thời).
* Không hỗ trợ công nghệ EISS.
* Cho phép thay đổi hệ số nhân của CPU, điều này giúp các người sử dụng hiểu biết dễ dàng ép xung với CPU mà không phải thay đổi bus hệ thống. Đây là cách lý giải tại sao Pentium EE lại không hỗ trợ công nghệ EISS bởi công nghệ này mâu thuẫn với các hành động ép xung khi chúng tự động giảm hệ số nhân để giảm tốc độ làm việc của hệ thống khi nhu cầu xử lý thấp.

Bảng thông số CPU hai nhân thế hệ đầu tiên của hãng Intel là Pentium D và Pentium Extreme Edition.

Những CPU hai nhân của AMD được giới thiệu sau so với các CPU hai nhân của Intel. Trước khi các CPU đa nhân của AMD xuất hiện thì dòng sản phẩm Athlon 64 của AMD đã khá thành công, phiên bản Athlon 64 FX đã được tạp chí PC World Mỹ bình chọn giải thưởng “World Class 2004” dành cho sản phẩm xuất sắc nhất trong năm 2004. AMD đã bắt đầu phát triển các CPU 64 bit bắt đầu từ năm 2003 trên nền cấu trúc 32 bit-x86 và đã được sử dụng rộng rãi trên các máy chủ, máy trạm và máy tính cá nhân để bàn.

Vào tháng 5 năm 2005 những CPU Athlon 64 X2 hai nhân đầu tiên của AMD xuất hiện. Althlon 64 X2 đã có hai loại theo từng mã riêng như sau:

* Cache L2 dung lượng 1 MB (ứng với 512 KB cho mỗi nhân) ở mã: Manchester

* Cache L2 dung lượng 2 MB (ứng với 1 MB cho mỗi nhân) ở mã: Toledo

Mặc dù AMD không phải là hãng đầu tiên giới thiệu CPU hai nhân, nhưng cấu trúc của CPU hai nhân của AMD đã có nhiều tiến bộ hơn so với các CPU hai nhân ban đầu của Intel (Pentium D). Cấu tạo bên trong của AMD cho phép các nhân có thể trực tiếp liên kết với nhau mà không phải thông qua chipset cầu bắc. Để hạn chế nhược điểm này, Intel đã tăng FSB để gia tăng băng thông giữa CPU và chipset cầu bắc.

1. Khác với sự thay đổi cấu trúc của Intel trong CPU hai nhân khiến cho khi nâng cấp hệ thống cần phải thay thế bo mạch chủ do các chipset cũ không hỗ trợ CPU hai nhân mới. Hệ thống của AMD có thể tương thích với hệ thống cũ, người sử dụng có thể cần nâng cấp BIOS để có thể tương thích với CPU hai nhân mới. Socket 939 cho Athlon 64 và Socket 940 cho Opteron vẫn giữ nguyên cho các CPU AMD hai nhân, cùng với các chipset cũ vẫn hỗ trợ bởi sự giao tiếp với CPU không trở thành hai dòng riêng biệt cho mỗi nhân. Đây là ưu điểm thứ nhất của CPU hai nhân AMD thế hệ đầu với Intel.

2. Khi thiết kế các CPU dòng Athlon 64/Opteron AMD đã có một sự chuẩn bị sẵn cho các thiết kế đa nhân theo định hướng ban đầu của AMD, nên khi các dòng CPU đa nhân ra đời chúng hoàn toàn thích ứng với các tính toán về nhiệt độ của CPU. Sự tác động về nhiệt độ khi tăng thêm một nhân đã ảnh hưởng không nhiều. Ví dụ đa số các CPU hai nhân Athlon 64 X2 của AMD chạy với tần số 2,2 GHz tiêu thụ công suất 89 W cũng bằng với với Athlon 64 đơn nhân hoạt động ở tần số 2,4 GHz. So sánh giữa một CPU hai nhân nóng nhất của AMD khi hoạt động ở tốc độ 2,2 đến 2,4 GHz tiêu thụ công suất 110 W với một CPU hai nhân của Intel như Pentium Extreme Edition tiêu thụ công suất 130 W sẽ thấy một ưu điểm thứ hai của CPU hai nhân hãng AMD so với Intel (xem các bảng trên).

3. Mặc dù tốc độ xử lý thực của các CPU hai nhân AMD thường thấp hơn CPU Intel, tuy nhiên một số kết quả kiểm tra, đánh giá hiệu năng bằng các phần mềm chuyên dụng (phần mềm benchmark) cho thấy hiệu năng của các CPU hai nhân hãng AMD cao hơn hiệu năng các CPU hai nhân của Intel ở những phiên bản đầu tiên[6]. Nhiều overclocker và người dùng thông thường từng sử dụng hai loại CPU của các hãng này cũng có nhận xét như vậy.

Đa nhân và ứng dụng

Bản quyền phần mềm

Trước khi xuất hiện các CPU đa nhân thì có nhiều người sử dụng lo ngại rằng khi sử dụng một máy tính đa nhân thì các hãng viết hệ điều hành sẽ tăng giá bán các phiên bản hệ điều hành hoặc các phần mềm. Những động thái lo ngại này không phải thiếu căn cứ bởi đã có những tiền lệ tương tự. Các phiên bản hệ điều hành cho các máy chủ thường được phân biệt sử dụng cho một hoặc nhiều hơn một CPU mà tuỳ theo số lượng CPU mà có giá bán khác nhau.

Tuy nhiên, hãng phần mềm Microsoft đã không yêu cầu người sử dụng trả thêm chi phí cho các hệ điều hành Windows các phiên bản được sử dụng các bộ xử lý đa nhân cho đến đầu năm 2008. Cách tính số lượng CPU của hãng này vẫn tính trên số lượng CPU vật lý, như vậy cho dù một máy chủ sử dụng duy nhất một CPU có bốn nhân, tám nhân hay nhiều hơn nữa thì cũng chỉ phải trả chi phí cho hệ điều hành bằng mức như với một CPU đơn nhân.

Mặc dù các bộ xử lý đa nhân đã xuất hiện từ rất lâu, nhưng đến nay chưa thấy các phần mềm thông dụng (phục vụ đa số người sử dụng hoặc chiếm thị phần tương đối) có sự chênh lệch nhau về giá bán giữa các phiên bản sử dụng cho CPU đơn nhân và đa nhân. Tuy nhiên, trong những thời gian kế tiếp có thể một số hãng phần mềm sẽ liên kết với nhau cùng tăng giá các phần mềm sử dụng trên những hệ thống máy tính sử dụng CPU đa nhân trong vòng một vài năm tới. Có thể điều này sẽ trở thành tất yếu khi mà công nghệ CPU đa nhân phát triển đến mỗi một CPU vật lý chứa rất nhiều nhân trong nó, và các phần mềm được thiết kế tối ưu cho chúng.

Tương thích với phần cứng

Trong mục CPU đa nhân thế hệ đầu tiên ta nhận thấy vấn đề tương thích của các CPU đa nhân với hệ thống phần cứng không hề đơn giản. Một số CPU đa nhân thế hệ đầu của AMD có thể tương thích với bo mạch chủ cũ dành cho các CPU một nhân trước khi chúng ra đời, các CPU đa nhân của Intel thì hoàn toàn không tương thích với các bo mạch chủ sử dụng chipset cũ nếu chúng không được thiết kế lại hoặc cho ra đời phiên bản khác.

Các thế hệ hai nhân, bốn nhân kế tiếp ra đời thì AMD không còn giữ được lợi thế về sự nâng cấp hệ thống mà không cần thay đổi bo mạch chủ nữa. Người sử dụng muốn nâng cấp lên CPU đa nhân cần phải thay thế nhiều thiết bị phần cứng khác để phù hợp với chúng.

* Bo mạch chủ là thiết bị phải thay thế đầu tiên bởi các cấu trúc mới không còn được sự hỗ trợ của chipset thế hệ cũ.

* Bộ nhớ RAM cũng có sự thay đổi khi thay thế sang loại CPU đa nhân, chúng thường là loại DDR2 thay thế cho thế hệ DDR đầu tiên để đáp ứng về tốc độ cho các thế hệ CPU mới. Thông thường thì người sử dụng CPU Intel luôn phải đối mặt với sự thay thế bo mạch chủ và RAM bởi sự phát triển CPU đa nhân của Intel luôn cần tăng tốc độ RAM do cấu trúc hiện thời của Intel có xu hướng tăng tốc độ bộ nhớ.

* Nguồn máy tính cũng là thiết bị cần phải thay thế bởi các hệ thống mới thường sử dụng nguồn máy tính theo chuẩn ATX loại 24 chân ở phần cung cấp điện năng cho bo mạch chủ. Riêng phần cung cấp nguồn cho CPU trước đây thường sử dụng một kết nối 4 chân thì với các hệ thống mới có thể đòi hỏi kết nối 8 chân.

* Bo mạch đồ hoạ phải thay đổi nếu hệ thống cũ sử dụng giao tiếp AGP. Toàn bộ các bo mạch chủ thế hệ mới đều sử dụng khe PCI Express X16. Nếu như không chơi game 3D mạnh hoặc thiết kế đồ hoạ thì người sử dụng có thể lựa chọn một bo mạch chủ được tích hợp sẵn chức năng đồ hoạ để giảm chi phí (tuy nhiên sự kết hợp CPU đa nhân với chức năng đồ hoạ tích hợp thường là một sự cọc cạch đối với người chơi game và xử lý đồ hoạ, chỉ có thể chấp nhận chúng như một bước đệm trước khi nâng cấp nên các bo mạch đồ hoạ rời trên một bo mạch chủ vừa tích hợp chức năng đồ hoạ trên bo mạch chủ, vừa có sẵn khe cắm PCI Express X16).

Đa nhân trên máy tính xách tay

Ngay từ khi các CPU hai nhân đầu tiên xuất hiện trên thị trường, các nhà sản xuất máy tính xách tay đã ứng dụng chúng trong các sản phẩm của mình. Những CPU đa nhân đầu tiên ở các máy tính xách tay đã cải thiện hiệu năng tăng khoảng 30% so với các CPU một nhân cùng tốc độ trong các thử nghiệm benchmark. Ngay các thế hệ CPU đa nhân kế tiếp ở các phiên bản CPU di động cũng không cải thiện được hiệu năng và khả năng tiết kiệm pin như một số nhà sản xuất CPU tuyên bố.

Bởi vì máy tính xách tay thường thiết kế cho các mục đích sử dụng di động với các ứng dụng không đòi hỏi nhiều năng lực CPU nên có vẻ chúng không cải thiện được tốc độ nhiều. Trừ các loại máy tính xách tay chuyên dụng cho game, xử lý đồ hoạ thì các dòng máy tính xách tay thông thường dành cho học sinh, sinh viên, doanh nhân đến thời điểm đầu năm 2008 vẫn chưa là một bước đột phá so với các dòng máy tính xách tay sử dụng CPU hai nhân của thế hệ đầu tiên.

Khai thác hiệu năng đa nhân

Đa nhân và phần mềm

CPU đa nhân đã ra đời nhưng hầu hết các phần mềm hiện nay đều chưa được chuẩn bị sẵn sàng cho chúng. Mặc dù hiểu một cách đơn giản thì các phần mềm vẫn hoạt động trơn chu trên các máy tính được trang bị CPU đa nhân, nhưng thực sự chúng còn có thể hoạt động tốt hơn nữa nếu khai thác được hết khả năng của đa nhân. Hầu hết các phần mềm hiện tại đang được viết cho các CPU đơn luồng, mọi hành động xử lý của chúng đều do hệ điều hành phân phối đến các luồng trong CPU đa nhân. Các hãng phần mềm cũng có lý do để chưa vội vàng biên dịch lại chúng tối ưu với các CPU đa nhân bởi hiện tại (đầu năm 2008) chưa phải tất cả các máy tính có thể sử dụng phần mềm đã được trang bị bộ xử lý đa nhân và chưa phải các bộ xử lý đa nhân đều hỗ trợ khả năng xử lý 64 bit (sẽ trở thành thông dụng về sau này). Mặt khác, việc chuyển đổi có thể cần phải xây dựng lại các thư viện lập trình sẵn có và cần có các khoản chi phí lớn. Vậy thì cách thức phát triển phần mềm truyền thống vẫn là một sự lựa chọn an toàn hơn với họ.

Tuy nhiên, không phải tất cả các hãng phần mềm đều chưa có động thái về hỗ trợ CPU đa nhân. Các phần mềm sử dụng cho máy chủ, máy trạm đã hỗ trợ xử lý đa luồng từ trước đây, bởi chúng ở một lĩnh vực riêng nên ít được người sử dụng máy tính thông thường biết đến. Đối với máy tính cá nhân để bàn sẽ xuất hiện nhiều phần mềm hỗ trợ đa luồng hơn mà trước hết là từ những phần mềm cần đến khả năng xử lý lớn như: xử lý đồ hoạ, xử lý video...

Các trò chơi trên máy tính (game) 3D hiện nay cũng chưa được thiết kế tối ưu cho hoạt động với các CPU đa nhân, đích nhắm tới hiện nay của chúng thường là hỗ trợ DX10 và DX10.1 (với khả năng đồ hoạ tuyệt đẹp hỗ trợ trên Windows Vista) nhiều hơn, do đó chúng vẫn thường chỉ chiếm một nhân khi xử lý ở CPU đa nhân.

Tương lai phần mềm vẫn sẽ phải phát triển theo hướng phù hợp với CPU đa nhân, nhất là với các phần mềm chiếm tài nguyên của CPU nhiều khi thực thi phần mềm đó. Đây là một định hướng tất yếu bởi khi sử dụng một phần mềm lớn, chúng chỉ chiếm một nhân trên CPU thì các nhân còn lại sẽ chỉ được sử dụng cho các phần mềm, dịch vụ chạy ở chế độ nền gây lãng phí năng lực xử lý trong khi có khả năng khai thác toàn bộ các nhân cùng hoạt động như vậy. Bạn hãy thử quan sát biểu đồ hoạt động thực tại của các nhân trong CPU khi sử dụng phần mềm chiếm nhiều tài nguyên sẽ nhận thấy sự lãng phí này. Ngược lại với các phần mềm chiếm tài nguyên thấp có thể không nhất thiết phải viết lại phù hợp cho các CPU đa nhân bởi điều đó là không cần thiết khi chúng không thể chiếm đến trên 10% năng lực xử lý trên một nhân (ví dụ như các phần mềm trợ giúp bỏ dấu tiếng Việt trong soạn thảo văn bản chỉ yêu cầu xử lý thấp).

Đa nhân và hệ điều hành

Khác với phần mềm thì hệ điều hành cần thiết phải hỗ trợ các CPU đa nhân đa nhân và có thể tận dụng mọi công nghệ của CPU. Nếu như hệ điều hành không hỗ trợ các CPU đa nhân thì chúng chỉ nhận dạng duy nhất một bộ xử lý và có thể dẫn đến làm việc không ổn định. Hãy thử sử dụng hệ điều hành MS-DOS với các ứng dụng cũ sẽ nhận thấy chúng hoàn toàn có thể không phù hợp và hoạt động nhanh hơn đối với các CPU thế hệ trước đây bởi DOS và các hệ điều hành Windows 3.X thường phù hợp hơn với các CPU 16 bit.

Các hệ điều hành còn được sử dụng trong những năm 2008 thường hỗ trợ tốt đối với các CPU đa nhân bởi chúng có thể nhận dạng các CPU đa nhân và phân các luồng xử lý tới từng nhân để phân chia và cân bằng giữa các ứng dụng đơn luồng tới từng nhân của CPU. Để đạt được sự hỗ trợ đa nhân, người sử dụng có thể cần đến các bản nâng cấp hoàn chỉnh (service pack, thường viết tắt là SP và một con số chỉ thứ tự) hoặc các bản nâng cấp đơn lẻ. Ví dụ với Windows 2000 cần nâng cấp lên SP4, Windows XP cần SP2, đôi khi có các bản nâng cấp riêng lẻ dành riêng cho một vài loại CPU riêng biệt (ví dụ như cho dòng Core 2 Duo của Intel bằng bản KB936357-x86 ở Windows XP - SP2 của Microsoft).

Những hệ điều hành mới ra mắt gần đây dành cho máy tính cá nhân tất yếu phải hỗ trợ CPU đa nhân, ví dụ như Windows Vista của Microsoft. Chúng cũng có các phiên bản riêng dành cho những nhóm người sử dụng (người sử dụng ở gia đình, sử dụng trong doanh nghiệp...) và các phiên bản hỗ trợ xử lý 64 bit với giá bán khác nhau để tiết kiệm hơn cho từng đối tượng sử dụng.

Đối nghịch với đa nhân: Thị trường PC giá thấp

Khi mà các hãng sản xuất CPU có xu hướng phát triển các sản phẩm CPU đa nhân như một tất yếu trong lịch sử phát triển của máy tính thì vẫn còn một thị trường không kém sôi động cho các vi xử lý một nhân. Các bộ xử lý cho máy tính rẻ tiền vẫn còn trong vòng ngắm của các hãng sản xuất thiết bị phần cứng.

Cả hai hãng AMD và Intel vẫn có những kế hoạch sản xuất CPU cho các máy tính rẻ tiền, dành cho người thu nhập thấp (loại máy tính low-cost PC với giá dự định thấp hơn 350 USD). Hãng Intel với chiến lược “5 năm, một tỷ người” nhằm giúp thúc đẩy số người sử dụng Internet trong năm năm tới thêm một tỷ máy tính nữa kết nối được với mạng toàn cầu (hiện nay số lượng người sử dụng Internet trên thế giới ước tính là 1 tỷ người sau 30 năm phát triển). Những kế hoạch của Intel không phải là quá xa vời khi hãng này chuẩn bị tung ra bộ CPU Diamond View cùng với chipset đi kèm dưới dạng OEM với giá khoảng 30 USD với sức mạnh tương đương với CPU Pentium M mà hãng đã sản xuất trước đây. Mục tiêu của gói CPU-chipset này nhắm tới các máy tính xách tay giá rẻ và các thiết bị Internet di động (mobile Internet device) của Intel.

Các hãng khác hoặc các dự án khác cũng đã chú ý đến thị trường PC giá rẻ từ trước đó: Dự án “Mỗi trẻ em một máy tính” OLPC (One Laptop Per Child) cũng được khởi động đã lâu với giá thành dự định dưới 100 USD cũng đã dần hạ giá thành những chiếc máy tính xách tay theo dự án đạt mức giá dự định. Ngoài ra, các thương hiệu máy tính giá rẻ như Asus EEPC, Intel Classmate cũng đang được triển khai.

Ngoài các CPU phục vụ cho các máy tính cá nhân, máy chủ, máy trạm thì bộ vi xử lý nhúng lại là một thị trường còn lớn hơn nữa. Rất ít người sử dụng hiểu được rằng vi xử lý nhúng đã được sử dụng đến từng thiết bị gia dụng trong đời sống: từ những chiếc ti vi, máy giặt, máy phát đĩa CD/DVD, đầu thu truyền hình số, điện thoại di động...đều sử dụng các bộ vi xử lý nhúng. Chúng chỉ là các vi xử lý có tốc độ thấp và chưa cần thiết đến đa nhân nhưng theo thống kê những năm 2000 thì chúng chiếm đến 96% trên tổng số các vi xử lý nhúng, (cho đến nay chúng có thể còn lớn hơn nữa do sự phát triển của sản phẩm dân dụng luôn lớn hơn so với những chiếc PC).

Nhận thức của người sử dụng

Nhận thức về tốc độ

Chỉ có một số ít những người sử dụng máy tính có thể hiểu được đúng về các thể loại CPU cũng như về phần cứng máy tính nói chung để có thể nhận rõ các công nghệ trong các bộ xử lý cũng như các thành phần khác liên quan để một hệ thống có thể vận hành tối ưu nhất. Phần đông số người sử dụng còn lại thường cho rằng tốc độ xử lý của CPU là yếu tố hàng đầu để đánh giá mức độ “có chạy nhanh hay không” ở một máy tính. Chính vì vậy mà họ thường chọn một bộ xử lý có tốc độ cao mà không chú ý đến các yếu tố còn lại như công nghệ của bộ xử lý hoặc toàn bộ các thành phần khác để cấu thành lên một chiếc máy tính. Một số còn lựa chọn các CPU hoàn toàn dựa trên cảm tính, chẳng hạn chọn loại Celeron của Intel thay cho các bộ xử lý Pentium với một lập luận rất đơn giản là tốc độ cao và giá rẻ, hoặc chọn một CPU Pentium D thay vì chọn Core 2 Duo bởi chúng cũng gồm hai nhân và có tốc độ cao hơn. Đây là các nhận thức không đúng bởi hiệu năng thực tế mới là vấn đề đáng quan tâm nhất của các CPU. Các kết quả của quá trình benchmark thường phản ánh đúng hơn các hiệu quả làm việc khi so sánh giữa các CPU.

Một số người sử dụng lại cho rằng hai nhân giúp cho tốc độ CPU được tăng gấp đôi. Ví dụ một CPU Core 2 Duo số hiệu E6420 có tốc độ 2,13 GHz (mỗi nhân) thì cả hai nhân sẽ hoạt động với tốc độ 4,26 GHz (tăng gấp đôi). Điều này cũng không đúng bởi cả hai nhân không đồng thời cùng xử lý một ứng dụng và hai nhân không gia tốc việc xử lý cùng một yêu cầu một cách nối tiếp nhau. Nhiều kết quả benchmark cho thấy hiệu năng của CPU hai nhân đối với các ứng dụng bình thường (không được viết lại cho các CPU đa nhân) tăng lên gấp đôi mà chúng chỉ tăng thêm hiệu năng khoảng 30%. Nhiều ứng dụng nặng như các phần mềm xử lý đồ hoạ, biên tập video, game 3D chỉ hoạt động trên một nhân của CPU đa nhân.

Nhận thức về tên gọi

Một số người sử dụng lại nhận thức nhầm về thông số đặt tên của các CPU. Hai hãng sản xuất phần cứng gần đây đã thay đổi ký hiệu các CPU của họ theo các cách khác nhau.

* Intel đặt tên các sản phẩm của mình bằng một con số thay vì chỉ để một số thông số chính về FSB và tốc độ xử lý. Ví dụ các CPU có số hiệu 830, 540, 640...các con số này thường làm người sử dụng so sánh giữa các con số để hiểu về năng lực của CPU, nhưng thực chất không phải như vậy bởi có các CPU có số hiệu thấp lại có hiệu năm cao hơn CPU có số hiệu cao.

* AMD đặt tên theo các con số có một quy luật khác hơn mà được một số người cho rằng những thông số đó tương đương với hiệu năng của một CPU của hãng khác có cùng cấu trúc x86. Ví dụ 3800+, 4200+ nhằm hàm ý những CPU đó tương đương với một CPU của Intel có tốc độ xử lý 3800 Mhz, 4200 Mhz. Thực chất điều này chưa có cơ sở và cũng không được giải thích chính thức bởi có thể gây ra tranh cãi, kiện tụng giữa các hãng sản xuất.

Nâng cấp vội vàng

Trước sự ra đời ồ ạt của các bộ xử lý đa nhân trong hai năm gần đây, một số người sử dụng đã vội vã nâng cấp CPU cho dù những công việc thường ngày của họ ít cần đến xử lý đa luồng: chẳng hạn chỉ duyệt web đọc tin tức, soạn thảo văn bản, sử dụng với các bảng tính và chơi các game đơn giản hoặc các game thế hệ cũ, không cần xử lý 3D nhiều mà hệ thống cũ vẫn có thể đáp ứng được. Trong trường hợp này tuy máy tính của họ cũng được cải thiện về tốc độ, tuy nhiên thời điểm đầu năm 2008 thì vẫn chưa phải là thời điểm nâng cấp hợp lý khi mà các hãng phần cứng đang cạnh tranh và sẽ xuất hiện nhiều thế hệ chipset mới mà chỉ chúng mới hỗ trợ các công nghệ CPU đa nhân sắp tới. Những sự cạnh tranh như vậy luôn luôn thuận lợi hơn cho người sử dụng bởi có thể sở hữu những CPU đa nhân với giá thành hạ hơn trước.

Trong ngành công nghiệp máy tính thì đây là một bước tiến quan trọng. Trong vòng vài năm tới bạn sẽ được tiếp xúc một tương lai mạng với các máy tính đa lõi. Điều này sẽ ảnh hưởng tới mạng của bạn, từ việc đăng ký và giá cả phát triển phần mềm tới toàn bộ trung tâm cấu trúc mạng.

Bài viết này sẽ giải thích rõ tại sao ngành công nghiệp lại chuyển biến theo hướng này và sẽ đưa ra một vài ảnh hưởng của nó đối với bạn cũng như mạng của bạn.

Thuật ngữ

Thuật ngữ trong ngành công nghiệp CNTT có thể khiến cho bạn bối rối. Vì vậy trước tiên ta phải hiểu rõ vấn đề đang nói đến. CPU đa lõi là có chứa từ hai bộ xử lý trở lên trong một vi mạch. Điều này hoàn toàn khác so với thuật ngữ “đa chíp” - là có chứa nhiều vi mạch được đóng gói cùng nhau. Và cũng hoàn toàn khác so với thuật ngữ “đa CPU” - là có nhiều bộ xử lý làm việc cùng nhau.

Ưu điểm

Vậy tại sao các kiến trúc sư phần cứng lại muốn đặt nhiều CPU vào cùng một chip? Lý do lớn nhất là việc đặt nhiều lõi lên cùng một vi mạch sẽ giúp giảm không gian trên bản mạch chính khi có nhu cầu muốn sử dụng với số lượng CPU lõi đơn tương đương. Thêm nữa, lợi thế của việc sử dụng đa lõi trên cùng một vi mạch đương nhiên sẽ làm việc kết hợp cùng nhau chặt chẽ và nâng cao được hiệu quả hơn.

Khả năng tiết kiệm năng lượng cũng được phát huy thấy rõ đối với thiết kế này. Khi nhiều lõi cùng nằm trên một chip, xung tín hiệu truyền giữa các lõi sẽ ngắn hơn. Ngoài ra, đặc trưng của CPU đa lõi là chạy với điện năng thấp hơn vì công suất tiêu tốn để tín hiệu truyền trên dây bằng với bình phương điện áp chia cho điện trở trong dây, do đó điện năng thấp hơn sẽ dẫn đến kết quả là nguồn điện sử dụng đi.

Một lý do khác đối với việc tiết kiệm nguồn điện là tốc độ đồng hồ. Như bạn thấy, CPU đa lõi có thể thực thi các hoạt động nhiều lần hơn trong một giây trong khi tần số thấp hơn. Ví dụ bộ xử lý MIT RAW 16 lõi hoạt động ở tần số 425MHz có thể thực thi gấp 100 lần các hoạt động trong một giây đối với Intel Pentium 3 đang chạy ở tần số 600 MHz. Vậy tần số như vậy ảnh hưởng như thế nào với sự tiêu thụ điện năng của CPU? Đây quả là vấn đề khá phức tạp, nhưng bạn phải hiểu một quy tắc đơn giản là mỗi một phần trăm tăng thêm tốc độ đồng hồ sẽ tăng 3% điện năng tiêu thụ. Và tất nhiên là điều đó còn chưa tính tới tác động của các nhân tố khác có ảnh hưởng tới sự tiêu thụ điện năng.

CPU đa lõi còn có thể chia sẻ một mạch ghép nối bus tốt như mạch lưu trữ. Theo Intel, CPU Core 2 dual có thể lên tới 4MB được chia sẻ L2 Cache.

Nói về cache CPU, sản phẩm Tile64 (một bộ xử lý 64 bit) mới ra mắt gần đây của Tilera chính là một cache điển hình. Tile64 sử dụng một câu trúc lưới. Cấu trúc này cho phép các lõi riêng lẻ thực hiện các hoạt động khá khác nhau. Khi lõi hướng tới L2 cache và không tìm thấy cái cần tìm, nó đầu tiên sẽ tìm kiếm trong L2 cache của các lõi khác trên lưới trước khi yêu cầu dữ liệu từ bộ nhớ chính. Về cơ bản thì điều này có nghĩa là các hoạt động lưới giống như một L3 cache.

Tính năng lưu trữ đặc biệt của Tile64 là một điển hình của việc thay đổi chủ yếu trong cấu trúc máy tính. Các máy tính hiện nay đều tập trung vào bộ nhớ chính, và dùng bộ xử lý để truy cập tới bộ nhớ này. Điều này yêu cầu khá nhiều đến sự truyền thông và thường xảy ra vấn đề nghẽn hoặc giới hạn tốc độ xử lý. Với việc sử dụng đa lõi, ngành công nghiệp máy tính đã hướng tới một cấu trúc trung tâm truyền thông và xử lý tốt hơn. Cấu trúc mới này vừa đạt hiệu quả nhanh hơn và còn năng suất cao hơn trong việc sử dụng.

Cấu trúc bộ nhớ trung tâm hiện tại sẽ không thể thực hiện được hết các lợi thế của lõi đa nhân. Ví dụ, một bộ đọc lưu trữ điển hình chỉ cần 10% năng lượng cần thiết để đọc một off-chip nhớ xác định. Tốc độ hoạt động đọc off-chip sẽ bị giới hạn bởi công nghệ nhớ và phương tiện kết nối được sử dụng.

Bộ xử lý đa lõi sẽ trở nên phổ biến hơn và được sử dụng nhiều hơn. Khi đó, các chuyên gia phát triển phần mềm sẽ bắt đầu phát triển các ứng dụng đa tuyến thực sự và khi đó bạn sẽ thấy sự thay đổi trong các mạng. Mạng của bạn sẽ có khẳ năng thay đổi từ trung tâm bộ nhớ sang trung tâm truyền thông và xử lý. Mạng lúc đó tất nhiên sẽ không phù hợp để sử dụng bộ xử lý lõi kép hay lõi tứ (ngoại trừ máy tính sử dụng thông thường). Trang thiết bị mạng của bạn lúc đó có thể sẽ cần 10 hay cả trăm lõi.

Đa luồng

Nhưng kiến trúc này có tác dụng gì với các nhà phát triển phần mềm? Một nhân tố khác giới hạn lợi ích thực thi của CPU đa lõi là phần mềm chạy trên nó. Đối với người dùng bình thường, hiệu suất lớn nhất mà họ đạt được khi lựa chọn một CPU đa lõi là tính đa nhiệm được cải thiện. Ví dụ, với một CPU đa lõi bạn sẽ thấy sự cải thiện lớn khi xem DVD trong lúc máy vẫn đang được quét virus mà tốc độ không bị ảnh hưởng, bởi vì từng ứng dụng sẽ được gán trên các lõi khác nhau.

Nếu người dùng đang chạy một ứng dụng đơn trên máy tính đa lõi thì sẽ không thấy rõ được việc tăng hiệu suất đáng kể lắm. Bởi hầu hết các ứng dụng không được xử lý đa luồng. Chính vì vậy các ứng dụng cũng cần phải thay đổi trong thiết kế. Ví dụ một chương trình quét virus chạy trên một tuyến mới trong khi GUI lại chạy trên một tuyến khác. Việc xử lý đa luồng đúng cách là khi khối lượng công việc được phân chia thành nhiều luồng khác nhau. Việc quét virus là một ví dụ, luồng GUI làm việc rất ít, trong khi luồng quét virus thực hiện một nhiệm vụ rất nặng và không có khả năng chia nhỏ ra và gửi đến các lõi khác.

Việc phát triển một ứng dụng đa luồng đích thực yêu cầu rất nhiều công việc phức tạp. Điều này rõ ràng cũng tốn khá nhiều chi phí vào một chu trình thiết kế phần mềm. Đó là lý do tại sao phần lớn các ứng dụng phần mềm sẽ không được phát triển như các ứng dụng thực sự đa luồng cho đến khi số lượng lõi đủ cao để thực hiện nhiều tác vụ mà không làm ảnh hưởng tới hiệu suất. Và điều này sẽ đạt được khi người dùng có nhu cầu.

Tuy vậy các mạng của bạn còn có nhiều vấn đề khác. Các router có thể trở thành các thiết bị được chấp nhận rộng rãi trước tiên với kiến trúc đa lõi cũng như việc xử lý đa luồng. Các máy chủ cũng sẽ tăng hiệu suất đáng kể từ công nghệ mới này. Trong số các bạn có ai cho rằng vẫn chưa có các sản phẩm đa lõi? Điều này hoàn toàn có thể được cũng như điều tôi đã nói về bước tiến quan trọng đối với tầm quan trọng của lõi. Intel đã hứa rằng sẽ cung cấp một lõi 80 vào năm 2011 và điều này thực sự là rất đáng trông chờ.

Bản quyền phần mềm

Câu hỏi tiếp theo mà bạn đặt ra có lẽ là điều này có ảnh hưởng gì tới bản quyền phần mềm của mình? Hiện tại thì đây vẫn còn là một câu hỏi khó. Rất nhiều công ty phần mềm cũng sẽ cần đến một bản quyền để chạy trên các CPU đa lõi. Tất nhiên, điều này thường chỉ áp dụng đối với các CPU có từ 2 hoặc có thể là 4 lõi. Microsoft tuyên bố rằng họ vẫn tiếp tục cấp bản quyền phần mềm máy chủ theo từng bộ xử lý chứ không phải theo lõi. Điều này cũng có thể làm thay đổi ngành công nghiệp. Tuy nhiên, chúng ta có thể đợi và chờ xem các công ty phần mềm sẽ làm những gì khi người dùng sẽ dần muốn chạy phần mềm của họ trên hệ thống 80 lõi.

Trong khi không có nhiều kiến thức liên quan đến việc đăng ký, một số bất thuận lợi liên quan đến sự phát triển phần mềm, thì bước đi theo hướng các bộ vi xử lý đa lõi vẫn là một bước tiến quan trọng. Vài năm trở tới đây, bạn có thể đã thấy rằng tốc độ của các CPU ngày càng tăng một cách rõ rệt, trong khi đó hiệu suất của chúng chỉ tăng ở mức độ bình thường. Đó thực sự là những bất thuận lợi cho công nghệ mới này, công nghệ có thể mang lại hiệu suất đáng kể!