Tìm hiểu phần cứng smartphone: Bộ vi xử lý

Ý tưởng đằng sau SoC là đưa tất cả những thành phần quan trọng của thiết bị vào một diện tích nhỏ trên thiết bị. Mục tiêu là để giảm kích thước vật lý của chúng trên bo mạch và giúp cho thiết bị chạy nhanh hơn, tiêu hao điện năng hiệu quả hơn. Ngoài ra, nó còn giúp làm giảm chi phí lắp ráp sản phẩm.

ARM

Trước khi đề cập đến các SoC cụ thể, một cái tên không thể không nói đến là ARM. ARM có hai thứ cơ bản là kiến trúc vi xử lý (microprocessor architecture) và bộ vi xử lý (processor core).

ARM Holdings là công ty có trụ sở ở Anh, thành lập vào năm 1983. Đây là công ty đã phát triển kiến trúc xây dựng vi xử lý ARM được dùng trong các bộ vi xử lý ARM của hãng này.


Các công ty sản xuất SoC như Nvidia, Texas Instruments (TI) và Samsung mua lõi xử lý do ARM sản xuất và phát triển để đưa vào các chipset tích hợp (với GPU, bộ nhớ và nhiều thứ khác) của họ. Qualcomm là câu chuyện hơi khác một chút và chúng tôi sẽ đề cập ở phía dưới.

Đó là lý do tại sao SoC của nhiều công ty khác nhau có thể dùng chung một loại vi xử lý, chẳng hạn như cả OMAP3630 của TI và Exynos 3310 của Samsung đều sử dụng vi xử lý lõi đơn ARM Cortex-A8 tốc độ 1 GHz. Trong khi, hai SoC này lại sử dụng những thành phần đồ họa khác: OMAP3630 sử dụng GPU PowerVR SGX530 còn Samsung Exynos 3310 sử dụng GPU PowerVR SGX540.

Kiến trúc ARM là thứ bạn không cần phải lo lắng đến khi tìm hiểu một smartphone mới bởi hầu hết các bộ vi xử lý ARM mới sử dụng kiến trúc ARMv7. Kiến trúc ARMv6 được sử dụng trên các vi xử lý ARM11 tích hợp bên trong các smartphone dùng SoC cũ như HTC Dream và iPhone 3G.

Hiện nay, có hai loại vi xử lý ARM được dùng phổ biến là: ARM Cortex-A8 và ARM Cortex-A9. Cả hai loại vi xử lý này đều sử dụng kiến trúc ARMv7. Trong đó, ARM Cortex-A8 là vi xử lý lõi đơn, còn ARM Cortex-A9 là bộ vi xử lý nhiều lõi (lên tới bốn lõi). Ngoài việc có nhiều lõi hơn, A9 có tốc độ xử lý nhanh hơn các vi xử lý A8 trên mỗi đơn vị MHz (2.0 DMIPS/MHz và 2.5 DMIPS/MHz - DMIPS hiểu đơn giản là thước đo tốc độ xử lý).

Bạn sẽ thấy bộ vi xử lý ARM Cortex-A8 trong các SoC như TI OMAP3 và Samsung SP5C (Hummingbird/Exynos 3xxx). Cortex-A9 xuất hiện trong dòng TI OMAP4, Samsung Exynos 4xxx, Apple A5, Tegra 2 và Tegra 3 của Nvidia.

ARM còn sản xuất cả các vi xử lý đồ họa Mali sẽ được chúng tôi đề cập chi tiết trong phần nói về đồ họa của loạt bài hướng dẫn này (phần 2).

Trong tương lai, chúng ta sẽ thấy các SoC sử dụng Cortex-A15 MPCore có tốc độ xử lý nhanh hơn 40% so với Cortex-A9 hiện nay. Dự kiến, bộ vi xử lý mới này của ARM sẽ xuất hiện trong TI OMAP5, Samsung Exynos 5xxx và Tegra "Wayne" ra mắt vào cuối năm 2012 hoặc đầu năm 2013. Trong tương lai gần hơn, chúng ta có thể thấy các vi xử lý ARM sử dụng kiến trúc ARMv8.

Các vi xử lý Qualcomm và SoC Snapdragon

Qualcomm hơi khác so với các nhà sản xuất SoC khác bởi họ không sử dụng hoàn toàn thiết kế vi xử lý của ARM. Hãng này dựa vào ARM Cortex-A8 và đưa ra các cải tiến để phát triển thành các vi xử lý Scorpion và Krait riêng của họ. Điều này rõ ràng đòi hỏi nhiều công nghiên cứu và phát triển hơn so với OMAP của TI hay Exynos của Samsung. Vì vậy, các vi xử lý của Qualcomm có tốc độ xử lý liên quan đến đa phương tiện tốt hơn và tiêu thụ điện hiệu quả hơn so với vi xử lý Cortex-A8 tiêu chuẩn.

Các vi xử lý Scorpion và Krait được đưa vào các SoC Snapdragon của Qualcomm. Snapdragon có nhiều dòng (series) được đánh số từ S1 đến S4 (dòng mới nhất). Số series càng lớn thì tốc độ xử lý càng mạnh và là những SoC mới ra gần đây nhất. Ở thời điểm hiện tại, có một vài sản phẩm sắp ra mắt được dự kiến sẽ sử dụng Snapdragon S4 của Qualcomm như HTC One S, HTC EVO 4G LTE, HTC One XL, Asus Padfone và máy tính bảng Transfomer Pad Infinity 700.

Các SoC Snapdragon được đặt tên bằng cách sử dụng 3 ký tự cùng với dãy 4 con số phía sau. Các ký tự được dùng với Snapdragon gồm QSD (chỉ dùng với dòng S1 cũ), MSM với những thiết bị có kết nối không dây và APQ với thiết bị không có kết nối không dây. Về bốn con số, số đầu tiên (ví dụ 8xxx) thể thiện thứ hạng, trong đó 8 nghĩa là vi xử lý dùng trên thiết bị cao cấp và trung cấp, còn 7 là dùng trên thiết bị thấp cấp. Số thứ hai (ví dụ x2xx) dùng để phân biệt thiết bị GSM hoặc CDMA (số 2 là thiết bị GSM và 6 là CDMA). Hai số cuối cùng thường là đề cập về hiệu năng của vi xử lý: ví dụ MSM8255 là vi xử lý lõi đơn S2 1 GHz, còn MSM8260 là vi xử lý lõi kép S3 1.2 GHz.

Các SoC Snapdragon S1 và S2 là lõi đơn với tốc độ tối đa lên tới 1.5 GHz và bộ vi xử lý bên trong là Scorpion. S1 là loại vi xử lý duy nhất được phép sử dụng trong thế hệ Windows Phone đầu tiên và cũng được dùng trong các điện thoại Android như HTC Desire, HTC Droid Incredible, Nexus One và HTC EVO 4G.

Các dòng Snapdragon S1, S2, S3 và mới nhất là S4

Snapdragon S2 được sử dụng trong nhiều sản phẩm hơn. S2 khác với S1 là có bộ vi xử lý đồ họa mạnh hơn và được sản xuất trên quy trình 45nm (S1 sản xuất trên quy trình 65nm) nên có tốc độ xung nhịp CPU lớn hơn. Bạn sẽ thấy vi xử lý Snapdragon S2 MSM8x55 trong nhiều điện thoại Android như HTC Desire HD, HTC Desire S, HTC Thunderbolt và một số điện thoại dòng Xperia của Sony Ericsson như Xperia Play.

Dòng SoC Snapdragon S2 còn có phiên bản có tốc độ xử lý nhanh hơn là MSM8x55T với tốc độ xử lý từ 1.4 GHz đến 1.5 GHz. Loại SoC này được dùng trong các điện thoại Windows Phone thế hệ hai như các điện thoại Lumia của Nokia, HTC Titan và Samsung Focus S. Nó cũng được sử dụng trong một vài điện thoại Android như HTC Flyer và Samsung Galaxy W.

Snapdragon S3 là bước nhảy từ lõi đơn lên lõi kép và được cải thiện mạnh mẽ về đồ họa. Những SoC này được sản xuất trên quy trình 45nm và các bộ vi xử lý Scorpion được sử dụng vẫn dựa trên Cortex-A8, khác với SoC lõi kép của các hãng khác sử dụng công nghệ Cortex-A9 mới hơn. Bạn sẽ thấy S3 MSM8x60 tốc độ 1.2 - 1.5 GHz trong các sản phẩm như HTC Sensation, HTC EVO 3D, HTC Rezound và một số mẫu Samsung Galaxy S II.

Ngoài những khác biệt về chip xử lý và đồ họa cùng với quy trình sản xuất nhỏ hơn, mỗi dòng Snapdragon mới còn có những cải tiến về các khả năng khác như độ phân giải camera, độ phân giải màn hình và các tác vụ về đa phương tiện.

- Snapdragon S1: Hỗ trợ màn hình độ phân giải 720p, mở video độ phân giải 720p và quay phim 720p. Hỗ trợ camera lên tới 12 megapixel. Hỗ trợ kết nối tới HSPA.

- Snapdragon S2: Cải thiện hỗ trợ kết nối HSPA+. Phần cứng đồ họa tốt hơn.

- Snapdragon S3: Hỗ trợ màn hình độ phân giải WSXGA (1440 x 900 pixel), phát và quay video độ phân giải 1080p. Hỗ trợ đầy đủ các khả năng 3D và camera lên tới 16 megapixel. Hỗ trợ âm thanh vòm Dolby 5.1 và khả năng chống nhiễu.

Thế hệ tiếp theo của Snapdragon là dòng S4 không sử dụng vi xử lý Scorpion mà chuyển sang dùng bộ vi xử lý Krait mới của Qualcomm. Krait cho phép tăng số lõi trong SoC lên tới bốn lõi ở tốc độ lên tới 2.5 GHz mỗi lõi và được sản xuất trên quy trình 28nm mới. S4 cũng được cải thiện rất lớn về GPU và các khả năng khác như hỗ trợ kết nối LTE, HDMI, màn hình 1080p, camera lên tới 20 megapixel, 4 microphone để ghi âm và chống nhiễu, hỗ trợ âm thanh vòm Dolby 7.1, Wi-Fi hai dải tần và Bluetooth 4.0. Qualcomm còn cho biết CPU trong SoC mới này tiêu hao điện ít hơn do được sản xuất trong quy trình mới 28nm.

Chúng ta sẽ thấy những thiết bị sử dụng SoC Snapdragon S4 trong năm nay, dự kiến trong sản phẩm đầu tiên là chiếc máy tính bảng Lenovo IdeaTab S2 10 inch. IdeaTab S2 sẽ sử dụng Snapdragon S4 hai lõi 1.5 GHz.

OMAP của Texas Instruments

SoC của Qualcomm là sản phẩm được các nhà sản xuất smartphone (đặc biệt là HTC) chuộng nhất nhưng SoC OMAP (Open Media Application Platform) của Texas Instruments (TI) cũng được sử dụng khá rộng rãi. Motorola là fan hâm mộ OMAP và sử dụng nó trong nhiều điện thoại Android của hãng.

Giống như Snapdragon, SoC OMAP của TI cũng có nhiều dòng. Dòng OMAP 1 và 2 khá cũ, không được dùng trong các sản phẩm mới hiện nay nhưng bạn sẽ cần quan tâm đến dòng OMAP 3 và 4. Đây là hai dòng OMPA đang được dùng trong nhiều sản phẩm mới. Giống như các sản phẩm Snapdragon S4, dòng OMAP 5 là thế hệ mới nhất của TI và chưa xuất hiện trong bất kỳ thiết bị mới nào.

Cách đặt tên các dòng OMAP khá dễ hiểu, số SoC cao có nghĩa là hiệu năng mạnh hơn. Số đầu tiên luôn là số dòng (series) và các dòng mới luôn nhanh hơn các sản phẩm sử dụng dòng cũ. Sử dụng logic này, OMAP4430 tốt hơn OMAP36320, còn OMAP36320 tốt hơn OMAP3430.

Dòng OMAP 3 là SoC tích hợp vi xử lý lõi đơn ARM Cortex-A8 tốc độ từ 600 MHz đến 1 GHz và GPU bên trong là PowerVR SGX530. Cả hai dòng OMAP34xx và OMAP35xx đều được sản xuất trên quy trình 65nm, còn OMAP36xx sử dụng quy trình 45nm. Các sản phẩm sử dụng OMAP34xx gồm có Motorola Droid và Palm Pre, trong khi đó sản phẩm dùng OMAP36xx gồm Motorola Defy, Motorola Droid X, Palm Pre 2, Nook Color và Nokia N9.

Dòng OMAP 4 tích hợp vi xử lý ARM Cortex-A9 lõi kép tốc độ từ 1 đến 1.8 GHz và GPU PowerVR SGX54x. Hiện có ba phiên bản trong dòng OMAP 4:

- OMAP4430 được dùng trong LG Optimus 3D và Motorola Droid Rarz, Motorola Droid Bionic. SoC này có tốc độ xử lý 1.0 hoặc 1.2 GHz và sử dụng PowerVR SGX540 tốc độ 304 MHz.

- OMAP4460 được nâng cấp tốc độ xử lý từ 1.2 Ghz lên 1.5 GHz và GPU tăng lên 384 MHz. SoC này được sử dụng trong Samsung Galaxy Nexus.

- OMAP4470 có tốc độ xử lý lên tới 1.8 GHz và GPU cũng tăng lên đáng kể. SoC này hiện chưa được sử dụng trong sản phẩm nào tính đến thời điểm hiện tại.

Một hạn chế chính của dòng SoC OMAP là không tích hợp các kết nối không dây và nhiều thành phần quan trọng khác trong chipset giống như Snapdragon. Điều này làm tăng sự linh hoạt khi cần bổ sung công nghệ không dây bạn cần như LTE nhưng nó làm tăng kích thước của bo mạch bên trong thiết bị.


Tuy nhiên, các SoC OMAP có một số tính năng hấp dẫn riêng. TI đã tích hợp công nghệ tiết kiệm điện SmartReflex vào dòng OMAP giúp thiết bị sử dụng có thể mở phim độ nét full-HD 1080p liên tục trong hơn 10 giờ và nghe nhạc liên tục trong 120 giờ. Tuy nhiên, TI không nói pin nào được dùng để có thời gian ấn tượng như trên. Một lợi thế khác của dòng OMAP 4 là chúng có thêm hai lõi ARM Cortex-M3 được dùng trong tình huống sử dụng đòi hỏi khả năng xử lý thấp để tiết kiệm điện và tăng thời gian pin.

Dòng OMAP 5 là thế hệ tương lai của OMAP và chứa đứng nhiều tính năng không có trong các SoC OMAP cũ. Bạn sẽ thấy hai lõi ARM Cortex-A15 có tốc độ xử lý lên tới 2 GHz cùng với chip đồ họa PowerVR cải tiến, một chip đồ họa 2D rời, bộ vi xử lý âm thanh và chip xử lý video. SoC OMAP 5 sẽ bắt đầu xuất hiện trong các thiết bị ra mắt cuối năm 2012.

Exynos của Samsung

SoC Exynos chủ yếu chỉ xuất hiện trong các smartphone và máy tính bảng của Samsung, cùng với một ngoại lệ duy nhất là các sản phẩm smartphone của Meizu, nhà sản xuất điện thoại Trung Quốc. Mặc dù Samsung sản xuất SoC riêng nhưng họ không sử dụng nó trong tất cả các sản phẩm của hãng, thường sử dụng cả Snapdragon của Qualcomm bởi Exynos không đáp ứng được những yêu cầu như cần có hỗ trợ LTE và hiệu quả chi phí.


SoC Exynos đầu tiên của Samsung được biết đến với tên gọi Samsung Hummingbird (hoặc Samsung Exynos 3310) và được sử dụng trong điện thoại Samsung Galaxy S. Exynos 3310 được sản xuất trên quy trình 45nm và chứa một vi xử lý ARM Cortex-A8 lõi đơn 1 GHz cùng với vi xử lý đồ họa PowerVR SGX540 rất mạnh ở thời điểm đó. Điều ngạc nhiên là Exynos 3310 hỗ trợ độ phân giải full-HD 1080p, khả năng thường không có trong các SoC dùng vi xử lý lõi đơn từ các hãng khác (thường chỉ hỗ trợ tối đa là 720p).

Exynos 4210 là thế hệ thứ hai của Exynos có sự cải thiện về tốc độ xử lý lên ARM Cortex-A9 lõi kép cùng với GPU ARM Mali-400 MP4. SoC này ban đầu được thiết kế để chạy ở tốc độ 1 GHz nhưng khi được đưa vào Galaxy S II thì tốc độ xử lý đã tăng lên 1.2 GHz và sau đó tăng lên 1.4 GHz trong chiếc Galaxy Note. Bạn sẽ thấy Exynos 4210 xuất hiện trong máy tính bảng Galaxy Tab 7.7.


Exynos 4210 lõi kép không chỉ cải thiện mạnh về tốc độ so với 3310, nó còn tích hợp các tính năng khác như GPS, HDMI và USB Host. Dòng OMAP này không hỗ trợ khả năng hiển thị và ghi hình ảnh 3D.

So với các SoC khác, Exynos 4210 có độ phân giải màn hình tối đa thấp nhất: 1280 x 800 (XXVGA) so với 1440 x 900 (WSXGA) của Snapdragon và 1920 x 1200 (WUXGA) của OMAP.


Tuy vậy, tương lai của Exynos khá xán lạn. Samsung đang thử nghiệm Exynos 5250 tích hợp các bộ vi xử lý ARM Cortex-A15 lõi kép 2 GHz cùng với vi xử lý đồ họa Mali cải tiến, hỗ trợ 3D, màn hình độ phân giải 2560 x 1600 (WQXGA) và những khả năng camera cũng được cải thiện.

Tegra của Nvidia

Các loại SoC Tegra hiện được sử dụng trong các smartphone và máy tính bảng là dòng Tegra 2 hoặc Tegra 3 với tên mã là Kal-El. Cả hai dòng SoC này đều tích hợp vi xử lý đa lõi ARM Cortex-A9 tốc độ từ 1 GHz đến 1.4 GHz; cả hai đều sử dụng quy trình 40nm và cả hai sử dụng GPU tiết kiệm điện GeForce làm chip xử lý đồ họa.


Điểm khác nhau cơ bản giữa hai dòng này là Tegra 2 tích hợp CPU lõi kép và Tegra 3 tích hợp CPU bốn lõi. Tegra 3 sử dụng vi xử lý đồ họa mạnh hơn và chứa một số tính năng không có trong Tegra 2 như lõi thứ năm để dùng trong tình huống xử lý không cần khả năng xử lý cao. Cả hai chip này đều có những dấu ấn lịch sử: Motorola Atrix 4G (sử dụng Tegra 2) là smartphone hai lõi đầu tiên trên thế giới và Asus Transformer Prime (sử dụng Tegra 3) là máy tính bảng đầu tiên dùng chip bốn lõi.

Dòng Tegra 2 có bốn phiên bản SoC khác nhau: hai loại được thiết kế cho máy tính bảng và hai loại được thiết kế cho smartphone. Tegra 250 AP20H và Tegra 250 T20 đều chứa vi xử lý ARM lõi kép 1 GHz nhưng tốc độ GPU khác nhau, GPU trong Tegra 250 T20 nhanh hơn được thiết kế để dùng cho máy tính bảng. Hai phiên còn lại Tegra 250 AP25 và Tegra 250 3D T25 có tốc độ vi xử lý 1.2 GHz và GPU nhanh hơn.

Theo bảng cấu hình về Tegra 2 của Nvidia, SoC này có khả năng xử lý video độ phân giải 1080p cũng như có các bộ vi xử lý riêng để xử lý video và âm thanh giống như OMAP của TI và Snapdragon của Qualcomm.

Tegra 3 có nhiều cải thiện hơn Tegra 2 và là SoC bốn lõi đầu tiên trên thế giới dành cho thiết bị di động. Nhưng tiếc là Nvidia không sử dụng vi xử lý Cortex-A15 mới nhất thay cho Cortex-A9 giống như các nhà sản xuất chip xử lý khác đang làm với thế hệ SoC mới nhất của họ, nhưng đây không phải là vấn đề đáng kể.

Tốc độ xử lý của các lõi A9 đã được tăng từ 1.2 GHz lên 1.3 GHz ở cấu hình 4 lõi và GPU cũng được tăng đáng kể. Tegra 3 có thể chạy trên màn hình độ phân giải lên tới 2048 x 1530 pixel nhưng chỉ có thể quản lý hai màn hình đồng thời trong khi các chip mới của OMAP và Exynos có thể quản lý tới 3 hoặc 4 màn hình cùng lúc.

Một tính năng thú vị khác của Tegra 3 là ngoài bốn lõi Cortex-A9 bình thường còn có thêm lõi Cortex-A9 thứ năm để sử dụng trong điều kiện không cần khả năng xử lý mạnh. Lõi thứ năm có tốc độ 500 MHz và được thiết kế để xử lý các tác vụ nền để tiết kiệm pin hơn.

Thế hệ Tegra tương lai được gọi với tên mã là Wayne dự kiến sẽ tích hợp các bộ vi xử lý ARM Cortex-A15 trong cấu hình bốn lõi hoặc tám lõi. GPU GeForce cũng sẽ được tăng lên nhưng Tegra 3 vừa ra mắt chưa lâu nên thế hệ Tegra mới có thể sẽ phải chờ đến năm tới.

SoC của Apple

Apple hiện chỉ phát triển hai loại SoC, đó là A4 và A5 được dùng cho iPad và iPhone 4. Thực tế, Apple lấy nguồn SoC trực tiếp từ Samsung, hãng có sản phẩm SoC mang tên Exynos đã đề cập ở trên. Nhưng khi iPad ra mắt, chúng được đổi tên là Apple A4 nhưng thực tế thì vẫn là SoC do Samsung sản xuất.

A4 là SoC tích hợp vi xử lý ARM Cortex-A8 lõi đơn tốc độ từ 800 MHz đến 1 Ghz và GPU PowerVR SGX535. Nó được sản xuất trên quy trình 45nm. Không rõ các thứ khác được tích hợp trong SoC này còn có những gì nhưng có thể sẽ có bộ vi xử lý tín hiệu hình ảnh (image signal processor – ISP) riêng.

A5 được cải thiện đáng kể về sức mạnh với việc tích hợp vi xử lý ARM Cortex-A9 lõi kép và GPU PowerVR SGX543MP2 lõi kép cùng với bộ nhớ RAM 512 MB (A4 dùng RAM 256 MB). Hầu hết các thứ khác vẫn tương tự A4 như tốc độ xung nhịp, quy trình 45nm, bộ vi xử lý tín hiệu hình ảnh cũng như công nghệ "earSmart" để khử nhiễu âm thanh.

Apple thích giữ bí mật về các sản phẩm chip của họ đến khi ra mắt điện thoại hoặc máy tính mới do đó chúng ta chỉ có thể suy đoán những cải tiến sẽ được áp dụng. Khả năng cao là SoC A6 sẽ sử dụng quy trình 28nm và tích hợp nhiều lõi với tốc độ vi xử lý cao hơn cùng khả năng tích hợp Cortex-A15 thay cho Cortex-A9.

SoC nào tốt nhất?

Thật khó để nói SoC nào tốt nhất khi bạn chỉ nhìn vào một vài khía cạnh. Hầu hết SoC mới nhất của các hãng đều sử dụng chung bộ vi xử lý ARM Cortex-A9 ở tốc độ xung nhịp tương tự và như vậy chúng có hiệu năng CPU như nhau. Sự khác biệt có thể đến khi có sự chênh lệch trong chip đồ họa tích hợp, thành phần có tác động lớn đến hiệu năng xử lý chung (chúng tôi sẽ đề cập chi tiết hơn về xử lý đồ họa ở phần 2 của loạt bài này).

Về khía cạnh kích thước vật lý, Snapdragon có ưu thế rõ ràng bởi nó không chỉ tích hợp các bộ vi xử lý, chip đồ họa và chip xử lý video bên trong mà còn chứa cả chip xử lý không dây (3G, LTE), GPS và RAM. Vì vậy, so với các SoC khác, kích thước bo mạch in của các thiết bị dùng Snapdragon về lý thuyết sẽ nhỏ hơn, tạo điều kiện cho các nhà sản xuất sử dụng pin dung lượng lớn hơn hoặc làm cho điện thoại trở nên mỏng hơn.

Ngoài ra, có một vài thứ khác có thể có trong SoC của hãng này mà không có trong SoC của hãng kia như khả năng hỗ trợ camera độ phân giải lên tới 16 megapixel và màn hình độ phân giải 1920 x 1200 pixel với khả năng xuất HDMI 1080p.