Chipset là gì và vai trò của nó trong hệ thống máy tính?

Thử tưởng tượng trên một cái bo mạch chủ có kích thước không lớn nhưng có hàng tá những con IC như vậy gắn chi chít thì rõ ràng việc sản xuất cũng như hoạt động của bo mạch chủ sẽ không được hiệu quả. Chính vì vậy, các kỹ sư máy tính cần tìm ra một hệ thống tốt hơn và họ bắt đầu tích hợp những con chip đơn lẻ vào nhau, giảm đáng kể số lượng chip điều khiển trên bo mạch chủ.

Với sự xuất hiện của chuẩn truyền tải dữ liệu giữa các thiết bị ngoại vi trên bo mạch chủ PCI (Peripheral Component Interconnect) thì một khái niệm mới được sinh ra đó là bridge (cầu). Thay vì một loạt những con chip sở hữu chức năng riêng thì những chiếc bo mạch được trang bị một con chip northbridge (cầu bắc) và southbridge (cầu nam). 2 con chip ở 2 đầu bo mạch nắm giữ các nhiệm vụ rất khác nhau.

Northbridge (cầu bắc) sở dĩ có tên gọi này bởi nó nằm gần ở đầu trên, phía bắc của bo mạch chủ. Con chíp này kết nối trực tiếp với CPU và đóng vai trò giao tiếp trung gian đối với các phần cứng tốc độ cao hơn trong hệ thống, nó bao gồm vi điều khiển bộ nhớ RAM, vi điều khiển giao tiếp PCI Express và trên một số thiết kế bo mạch kiểu cũ còn có vi điều khiển AGP (Accelerated Graphics Port). Nếu những phần cứng này muốn nói chuyện với CPU, chúng buộc phải "chuyển lời" qua chip cầu bắc.

Southbridge (cầu nam) ngược lại nằm ở đầu kia hay phía nam của bo mạch chủ và nó chịu trách nhiệm kiểm soát hoạt động của các phần cứng chậm hơn như các khe PCI mở rộng, kết nối SATA và IDE dành cho ổ cứng, các cổng USB, cổng âm thanh tích hợp, mạng … Và để các phần cứng này giao tiếp với CPU thì trước tiên chúng phải đi qua cầu nam, nhưng sau đó sẽ đến cầu bắc rồi mới đến CPU.

Cầu bắc và cầu nam chung về một mối:

Thiết kế chipset cầu bắc và cầu nam truyền thống hiển nhiên cũng được cải tiến qua thời gian và từ bước hình thành khái niệm chipset như ngày này. Trên thực tế, chipset hiện đại không còn mang nghĩa là một bộ những con chip nữa.

Thay vào đó, kiến trúc cầu bắc và cầu nam nhường lại cho một hệ thống đơn giản hơn với chỉ 1 con chip. Rất nhiều thành phần như bộ nhớ, vi điều khiển card đồ họa … giờ đây được tích hợp và được xử lý trực tiếp bởi CPU. Do đó, các chức năng điều khiển ưu tiên chuyển sang cho CPU và những nhiệm vụ còn lại vẫn dành cho một con chip kiểu như chip cầu nam.

Một ví dụ, những bo mạch chủ thế hệ mới dùng vi xử lý Intel tích hợp một con chip gọi là Platform Controller Hub hay PCH. Nó có vai trò tương tự như chip cầu nam. PCH sau đó kết nối với CPU thông qua Direct Media Interface hay DMI. DMI không mới mà nó vốn là giao diện để kết nối giữa chip cầu nam và cầu bắc trên các hệ thống của Intel trước đây. Chipset của AMD cũng không khác mấy, cầu nam giờ đây được gọi là Fusion Controller Hub hay FCH. Giao diện kết nối giữa CPU và FCH trên bo mạch chủ chạy AMD được gọi là Unified Media Interface hay UMI.

Như vậy tất cả những thành phần điều khiển như vi điều khiển bộ nhớ lưu trữ (các cổng SATA), mạng, âm thanh … đều được quản lý bởi một thành phần duy nhất. Thay vì phải đi từ cầu nam lên cầu bắc rồi mới đến CPU, tất cả các phần cứng còn lại trong hệ thống chỉ cần giao tiếp qua PCH hay FCH rồi đến CPU. Kết quả là độ trễ được giảm đi đáng kể và hệ thống phản hồi nhanh hơn.

Chipset quyết định sự tương thích của phần cứng:

Chipset quyết định 3 thứ: sự tương thích của các phần cứng (chẳng hạn như CPU hay RAM mà bạn có thể gắn trên bo mạch chủ), các tùy chọn mở rộng (bạn có thể gắn bao nhiêu thiết bi qua cổng PCI) và khả năng ép xung (OC). Chi tiết hơn chút:

Khi ráp máy thì việc lựa chọn phần cứng rất quan trọng. Nhất CPU nhì chipset - 2 thành phần này luôn được chúng ta tìm hiểu và chọn lựa đầu tiên mà chipset thì luôn đi với bo mạch chủ nên có thể nói chọn CPU trước rồi bo mạch chủ sau. Khi đã có chipset hay bo mạch chủ, chúng ta sẽ biết được phải chọn những phần cứng còn lại như thế nào, chẳng hạn như loại RAM gì (DDR3 hay DDR4), tốc độ cao hay thấp; ổ cứng gì và số lượng ổ có thể gắn; các lựa chọn card đồ họa và có hỗ trợ nhiều card (thiết lập SLI hay CrossFire) hay không cũng như các tùy chọn card mở rộng khác. Chính vì sự đa dạng này khiến chipset cũng có nhiều phiên bản, phiên bản cao cấp nhất thì dĩ nhiên hỗ trợ nhiều thứ hơn và dĩ nhiên tiền cũng nhiều hơn.

Chipset quyết định các tùy chọn mở rộng:

Chipset quyết định các tùy chọn phần cứng mở rộng nhờ bus. Những thành phần phần cứng và thiết bị ngoại vi kết nối với bo mạch chủ thông qua các bus. Mọi bo mạch chủ đều hỗ trợ nhiều loại bus khác nhau và mỗi loại bus có tốc độ, băng thông khác nhau. Chúng ta có thể chia làm 2 loại bus: bus trong (internal bus) và bus ngoài (external bus).

PCI Express (PCIe) là loại internal bus điển hình và nó khai thác các lane để các thành phần như card mở rộng (card đồ họa, card âm thanh, card mạng …), RAM giao tiếp với CPU và ngược lại. Theo cách giải thích đơn giản nhất thì một lane là 2 cặp dây dẫn, một dây gởi dữ liệu đi và dây kia nhận dữ liệu. Như vậy, PCIe x1 sẽ có 4 dây, PCIe x2 sẽ có 8 dây … Càng nhiều dây, càng nhiều dữ liệu được trao đổi. Kết nối PCIe x1 đạt tốc độ truyền tải dữ liệu 250 MB/s mỗi chiều, PCIe x2 thì 500 MB/s … Về các phiên bản PCIe thì sẽ có một bài riêng, những thông số này tương ứng với PCIe thế hệ đầu tức PCIe 1.x, thế hệ PCIe mới nhất là PCIe 4.0 thì 1 lane đã có tốc độ đến gần 2 GB/s.

Số lượng lane sẵn có trên bo mạch chủ tùy thuộc vào khả năng của CPU và bản thân bo mạch chủ. Một ví dụ, rất nhiều CPU dành cho desktop của Intel hỗ trợ 16 lane và một số CPU thế hệ mới, dòng cao cấp hỗ trợ từ 28 đến 40 lane. Trong khi đó, bo mạch chủ dùng chipset Z170 thường cung cấp thêm từ 20 lane. Như vậy với một hệ thống CPU hỗ trợ 16 lane và bo mạch chủ 20 lane thì chúng ta có tổng cộng 36 lane.

Do đó, nếu bạn gắn vào hệ thống này một chiếc card đồ họa dùng PCIe x16 thì nó sẽ sử dụng đến 16 lane. Nếu gắn 2 card chạy cầu đôi thì cả 2 có thể chạy cùng nhau ở tốc độ tối đa nhưng bạn chỉ còn lại 4 lane dành cho các thành phần khác. Và nếu bạn có ý định gắn nhiều loại card mở rộng thì bạn cần phải xem xét khả năng hỗ trợ của CPU và chipset. Nếu hết lane mà bạn vẫn còn trống khe PCIe thì khi gắn thêm card vào, nó không thể hoạt động.

Chipset quyết định khả năng OC của hệ thống:

Như vậy bạn đã biết về vai trò định đoạt của chipset về tính tương thích và khả năng mở rộng phần cứng, giờ là khả năng ép xung. Ép xung có nghĩa đơn giản là đẩy xung nhịp của các thần phần phần cứng lên cao hơn so với xung mặc định. Tỉ lệ thuận với tốc độ là điện năng tiêu thụ và nhiệt sản sinh, những yếu tố này có thể khiến hệ thống bất ổn định và giảm tuổi thọ linh kiện. Do đó hệ thống sẽ cần đến khả năng tản nhiệt tốt hơn, chẳng hạn như tản nhiệt nước và bộ nguồn cao cấp.

Vấn đề nằm ở chỗ chỉ có một số loại CPU có thể ép xung được, điển hình là dòng K của Intel và AMD. Hơn nữa cũng chỉ có một số loại chipset hỗ trợ ép xung và một số đòi hỏi phải có firmware đặc biệt để mở khóa khả năng ép xung. Do đó nếu bạn muốn ép xung chiếc máy tính của mình thì ngay từ khi chọn mua phần cứng ráp máy, bạn phải tìm đúng bo mạch chủ dùng chipset có khả năng ép xung.

Chipset hỗ trợ ép xung bắt buộc phải có khả năng điều khiển các yếu tố cần thiết trong khi ép xung như điện áp, multiplier, xung nhịp … trong UEFI hay BIOS để có thể đẩy tốc độ CPU lên cao hơn mức thiết kế. Nếu chipset không thể ép xung, những tính năng này sẽ không có hoặc nếu có thì cũng không dùng được và bạn sẽ chỉ có thể sử dụng con CPU đó với tốc độ theo nhà sản xuất thiết lập.