Kiến trúc Snapdragon-Qualcomm

LỜI MỞ ĐẦU Thị trường thiết bị di động đang trở nên chật chội với ngày càng nhiều nhà sản xuất phần cứng, và trong đó sôi động nhất, thu hút sự chú ý nhất của người yêu công nghệ không gì khác chính là những nhà sản xuất những con chip xử lý di động, thành phần có ảnh hưởng lớn nhất tới trải nghiệm sử dụng cuối cùng của người tiêu dùng. Thiết bị phần cứng dành cho thiết bị di động và siêu di động, mà điển hình là những thiết bị như smartphone hay tablet có những đặc thù nhất định. Do giới hạn về không gian mà người ta phải sử dụng những con chip có mật độ tích hợp tính năng rất cao được gọi là SoC (System on Chip). Những con chip này không chỉ có CPU, GPU, mà còn được tích hợp cả những mạch giải mã âm thanh, mạch giải mã tín hiệu, và với một số nhà sản xuất (như Qualcomm là một ví dụ điển hình) thì là cả modem vô tuyến nữa. Ngoài những “đơn vị” truyền thống như Samsung, Qualcomm hay phần nào đó là Nvidia, thì miếng bánh thị phần đang bị nhiều công ty khác nhăm nhe xâm chiếm. Hào hứng nhất chắc chắn không ai khác là Intel. Vị vua trên mặt trận PC đang cố gắng cải tiến kiến trúc Atom để đuổi kịp kiến trúc ARM về mức độ tiết kiệm điện năng (về mặt hiệu năng thì có lẽ Intel không còn thua kém nhiều. Kế đến là những nhà sản xuất Trung Quốc, nổi bật lên là Mediatek với những sản phẩm xuất hiện hàng loạt trên những thiết bị máy tính bảng giá shock xuất hiện khá nhiều ở Việt Nam thời gian qua, mới đây hãng cũng là công ty sản xuất chip chạy 8 nhân thực sự đầu tiên. Ngoài ra cũng còn một số nhà sản xuất khác như Marvell,Broadcom cũng đang có ý định mở rộng mặt hàng của mình sang cả mảng linh kiện hứa hẹn sẽ bùng nổ trong những năm sắp tới này. MỤC LỤC NỘI DUNG Giới thiệu kiến trúc ARM và hệ thống System on Chip Kiến trúc ARM Hình 1 Chip Arm Trong khoảng 5 năm trở lại đây, cái tên ARM được nhắc đến rất nhiều đi cùng theo sự phát triển của smartphone, tablet. Nếu như trong mảng pc chúng ta có Intel và AMD thì trên mảng di động, ARM cũng nổi tiếng với mức độ tương đương bởi kiến trúc vi xử lý của họ sử dụng trong hầu hết các thiết bị di động đang có mặt trên thị trường Sơ lược về ARM ARM được phát triển bởi hãng ARM Holding có trụ sở tại Anh Quốc. Bạn đầu , ARM viết tắt của Acorn RISC Machine , trong đó RISC là một cách thiết kế vi xử lý. Sau đó chữ Acorn được thay bởi chữ Advanced do công ty đổi tên mới. Kiến trúc ARM được phát triển lần đầu tiên vào thập niên 1980 để dùng cho máy tính bàn. Tính đến thời điểm hiện tại (2013), ARM là kiến trúc tập lệnh chỉ dẫn 32-bit được phổ biến nhất thế giới, vượt qua cả kiến trúc x86 của Intel, tính theo số lượng chip được sản xuất. Theo ARM Holdings, chỉ tính riêng năm 2010, kiến trúc của họ đã có mặt trên 95% số smartphone, 35% số TV và set-top box, 10% số máy tính di động được bán ra. Các chip dùng kiến trúc ARM được tạo ra dựa trên thiết kế RISC(Reduced instruction set computing). Thiết kế này giúp giảm đáng kể số lượng bóng bán dẫn cần thiết để vận hành một chiếc máy tính so với kiểu CISC (complex instruction set computer) , vốn được sử dụng phổ biến trong kiến trúc x86 của Intel cũng như các CPU AMD dành cho máy tính. Lợi ích của việc sử dụng RISC đó là các con chip được sản xuất với chi phí thấp hơn, lượng nhiệt tỏa ra khi hoạt động thấp hơn, mức độ tiêu thụ điện thấp hơn. Chính vì thế, những bộ xử lí ARM thường được dùng trong các thiết bị di động đòi hỏi thời lượng pin lâu và kiểu dáng nhỏ, nhẹ, điển hình là smartphone và tablet ngày nay. ARM sẽ cập nhật định kì kiến trúc nhân xử lí của mình. Hiện phiên bản được sử dụng phổ biến là ARMv7. Hãng cũng đã giới thiệu ARMv8 với nâng cấp đáng kể là bổ sung việc hỗ trợ điện toán 64-bit nhưng tính đến bây giờ vẫn chưa có thiết bị nào dùng chip ARMv8 được bán ra. Hầu hết các smartphone và tablet Android, iOS, Windows Phone hiện nay đều dùng chip dựa trên ARMv7, và các hãng làm chip lớn có dùng ARMv7 là Qualcomm ,NVIDIA , Samsung , AMD, TSMC, Global Foundries… Các kinh doanh và mô hình bản quyền Trong ngành công việc bán dẫn có hai khái niệm. Một là fab (fabrication maunufacturer) là những công ty có dây chuyển sản xuất và chế tạo bán dẫn. Họ chính là những người sản xuất ra nhưng con chip như Intel , Samsung, Qualcomm… Hai là fabless  (fabless manufacturing) sẽ tự mình thiết kế chip từ khâu đầu tiên đến cuối cùng theo ý muốn nhưng bản thân họ không tự sản xuất ra chip thay vào đó là đi thuê một hãng fab gia công. Ví dụ như Nvidia , AMD… ARM là một công ty đặc biệt của fabless khi họ không bán bất cứ một sản phẩm chip nào ra thị trường cả. Thay vào đó , ARM thiết kế các tài sản trí tuệ bao gồm kiến trúc tập lệnh chỉ dẫn- ISA , bộ xử lý đồ họa, các giao tiếp nội liên kiết … rồi cấp phép bản quyển cho các công ty khác. Nhưng khác hàng có thể là các hãng fabless khác như Nvidia sử dụng ARM trong chip Tegra , Samsung với chip Exynos. Đối với việc cấp bản quyền, ARM sẽ cho phép sử dụng một trong số các kiến trúc ARMv7 hay ARMv8. Sau đó các công ty khác có thể thiết kế ra các vi xử lý riêng dựa trên kiến trúc ARM mà không phải dùng đến nhân Cortex A-series của ARM. Qualcomm là một ví dụ khi hãng đã sử dụng kiến trúc ARMv7 để tạo nên những nhân Scorpion , gần đây là Krait trong các hệ thống SoC của hãng là Snapdragon. Apple cũng sự dụng kiến trúc ARMv7 để tạo nên Swiff trong các chip A6. Đây chính là bản quyền kiến trúc , các công ty có bản quyền này có thể thoải mái sắp xếp các khối nhớ , bộ nhớ đệm, vi mạch , bố cục đế nhân xử lý … tùy vào mức độ hiệu năng mong muốn. Hình 2 Bản quyền POP Thứ hai đó là bản quyền POP ( Processor optimization pack). ARM sẽ bán một thiết kế nhân xử lý Cortex A-series do hãng tạo ra sẵn, sau đó các công ty mua nó có thể tinh chỉnh để nó đạt hiệu năng mong muốn nhưng vẫn dựa vào nhân Cortex sẵn có. Các nhân hiện được cấp bản quyền POP gồm : Cortex–A57 , Cortex-A17 và 17… Thứ 3 đó là bản quyền bộ xử lý cho phép các công ty mua sử dụng nhân CPU Cortex mà ARM thiết kế ra. Với bản quyền này các công ty mua sẽ không thay đổi về mặt thiết kế của Cortex mà sẽ được sử dụng lên bất kỳ hệ thống SoC nào đó. Ví dụ SoC Samsung Exynos 5 Octa sử dụng nhân ARM Cortex-A7, Nvida Tegra 4 dùng nhân Cortex-A15… Các công ty mua chỉ việc thế kế hệ thống SoC sao cho có hiệu năng, xung nhịp và khả năng tiết kiệm điện cao nhất. Hệ thống System on Chip Hình 3 System on Chip của Qualcomm Cơ bản về System on Chip SoC Soc viết tắt của System on Chip là một mạch tích hợp ( hay IC) , trong đó tất cả những thành phần quan trọng của một chiếc máy tính hay một thiết bị điện tử đều được đặt trên một con chip duy nhất. Trước đây , CPU thường chỉ dùng để xử lý các công việc tính toán của mình. Những công việc khác như xử lý đồ họa, âm thanh, bộ nhớ … phải nhờ đến những con chip khác nên những những thiết bị này thường rất to, nặng và tổn hao điện năng. Ngược lại SoC do tích hợp các con chip xử lý trên vào cùng một con chip duy nhất nên nó có thể vừa tính toán, vừa xử lý ảnh , đồ họa, video , kết nối, định vị… Một số SoC như Snapdragon của Qualcomm , Tegra của Nvidia , Exynos của Samsung... Chúng được sử dụng trong các thiết bị smartphone , tablet hay thậm chí cả máy tính xách tay nữa. Với những phát triển của ngày nay, hệ thống SoC thiết kế được thực hiện những thành phần khác nhau như hệ thống bộ nhớ dễ bay hơi, hệ thống bộ nhớ non-volatile , hệ thống xử lý tín hiệu , mạch tín hiệu hỗn hơp, và các mạch logic được hình thành thành các đơn vị và được tích hợp duy nhất trên một chip. Hình 4 Một SoC điển hình Hiện hay SoC đã phát triển với bộ vi xử lý 4 nhân, sẽ mang lại hiệu năng cao hơn cho các thiết bị di động, giúp thực thi các tác vụ trên máy một cách nhanh chóng hơn, tốc độ xử lý tốt hơn, toàn hệ thống hoạt động mượt mà hơn. Ngoài ra mỗi nhân sử dụng ít điện năng hơn do công việc ít hơn là Soc một nhân xử lý cũng khối lượng việc nên dẫn đến kết quả máy sẽ có thời lượng dùng pin dài hơn. Thành phần cơ bản của System on Chip. Một SoC cơ bản bao gồm các thành phần : Một vi điều khiển, vi xử lí, hay nhân xử lí tín hiệu. Vài SoC thì có thể có nhiều hơn một nhân xử lí, khi đó người ta gọi nó là MPSoC, tức Multiprocessor System on Chip. Ở thế giới di động ngày nay, loại được sử dụng phổ biến là vi xử lí. Các khối bộ nhớ, có thể là RAM, ROM, EEPROM hay bộ nhớ flash Nguồn canh thời gian, chẳng hạn như mạch dao động Một số giao diện như USB, FireWire, Ethernet Bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự và ngược lại Mạch quản lí năng lượng, mạch kiểm soát điện áp. Những SoC hiện đại còn có bộ xử lí đồ họa, chip cầu bắc, chip cầu nam, bộ kiểm soát bộ nhớ,... Những thành phần trên sẽ được kết nối với nhau thông qua một Bus như bus AMBA do ARM phát triển là một ví dụ hoặc Bus do một hãng nào đó tự phát triển. Một SoC có khả năng kết nối trực tiếp các giao diện với bộ nhớ mà không cần thông qua nhân xử lý nên tăng khả năng nhận dữ liệu. SoC có lợi ích đó là giảm giá thành sản xuất , tăng hiệu năng của thiết bị sử dụng SoC , giảm lượng điện năng tiêu thụ. Ngoài ra , việc áp dụng SoC còn giúp giảm không gian cần thiết để tích hợp các linh kiện điện tử. do đó chúng ta có được những thiết bị nhỏ gọn hơn hoặc một thiết bị với pin lớn hơn. Kiến trúc Snapdragon của Qualcomm Cơ bản về kiến trúc Snapdragon của Qualcomm. Hình 5 Chip Snapdragon Snapdragon là một dòng chip của Qualcomm được sử dụng rất nhiều trong các thiết bị thông minh ngày nay. Các sản phẩm chip của Qualcomm đã được tích hợp trên 300 loại sản phẩm khác nhau với số lượng máy lên đến hàng triệu thiết bị. Các dòng chip này được thuộc lại System on Chip nên mang lại khá nhiều ưu điểm. Hiện nay Qualcomm có 4 dòng chip chính đó là Snapdragon 200 , 400 ,600 và 800 thay cho các dòng Snapdragon S1, S2 , S3, S4 trước đó và có các phân khúc người dùng khác nhau. Hình 6 Ưu điểm Snapdragon Về Snapdragon S1 , S2 ,S3, và S4 là các dòng chip đầu tiên của kiến trúc Snapdragon. Trong mỗi dòng lại có thêm nhiều chip nhỏ khác. Mỗi con có tốc độ, xung nhịp và cấu trúc khác nhau. Dòng chip đơn giản nhân Snapdragon S1 lần đầu tiên được giới thiệu vào cuối năm 2008, nổi lên với danh hiệu là chip đầu tiên danh cho điện thoại di động có xung nhịp chạm ngưỡng 1GHz và tích hợp chip đồ họa Adreno 200. Snapdragon S1 thích hợp để trang bị cho các Smartphone phổ thông, có cấu hình thất nhất trogn cả bốn dòng và cũng là chip có số lượng bán ra nhiều nhất. Cao cấp hơn một chút là Snapdragon S2 , cũng là đơn nhân , S2 đầy xung nhịp của chip lên mức 1.4-1.5 GHz và thích hợp cho các máy di động , máy tính bảng đòi hỏi hiệu suất cao. S2 được tích hợp chip đồ hòa Adreno 205 và có mặt trong rất nhiều dòng máy nổi tiếng , Ví dụ như Lumia 900 , Xperia Arc S… Để đáp ứng nhu cầu chơi game cũng như khả năng đa nhiệm tốt , dòng chip Snadragon S3 ra đời. Nó có xung nhịp tối đa 1.5Ghz nhưng lại có đến 2 nhân , khác với kiến trúc chỉ có 1 nhân như của S1, S2. Kiến trúc 2 nhân sẽ bố trí 1 nhân chuyên dùng để xử lý , tính toán công việc , nhân còn lại sẽ đảm nhiệm các công việc như gọi điện , nhắn tin , kết nối… Vì vậy mà tốc độ và hiệu năng xử lý được nâng lên khá nhiểu. Galaxy Note , Galazy SII, HTC Evo 3D… là các máy được trang bị chip S3 Tiếp đó là các dòng chip Snapdragon S4 , hỗ trợ đến 4 nhân với xung nhịp cao nhất đạt 2.5 GHz và tích hợp chip đồ họa Adreno 320. Đây là dòng chip mà Qualcomm gọi là chip dành cho thế hệ kế tiếp , nó hỗ trợ mạng 4G LTE và có thể tìm thấy trong khá nhiều các sản phẩm mới ra gần đây như Asus Padfone , HTC One S, HTC One XL… Dòng S4 lại được chia nhỏ thành Play , Plus , Pro và Prime và ra mắt năm 2012 , Qualcomm là nhà sản xuất duy nhất tìm được cách tích hợp các thành phần thu phát sóng không dây như GPS/GLONASS, 3/4G LTE lên thẳng trên SoC. So với các máy chạy SoC Nvidia hay Samsung vốn dùng các chip và module không dây nằm riêng biệt , giải pháp của Qualcomm giúp tối ưu thời lượng dùng pin tốt hơn. Tốc đọ thu phát sóng , nhất là sóng di động 3G , cũng được tăng cường, tốc độ truy cập nhanh hơn. Sau khi đổi tên dòng chip , Qualcomm từ bỏ kiểu S1,S2 ,S3,S4 thày vào đó là các dòng 200, 400, 600, 800. Qualcomm Snapdragon 400 và 200. Hình 7 Thiết bị sử dụng Snapdragon 400 và 200 Snapdragon 400 được thiết kế để mang lại hiệu năng cân bằng với kết nối đa dạng và thời lượng pin dài. Nó sử dụng CPU với hai nhân Krait hoặc bốn nhân Cortex A7 , GPU 305 , hỗ trợ hai sim với kết nối đa dạng, camera tối đa 13.5 MP , quay phim 1080p, chuẩn truyền nội dung không dây Miracast. Trong khi đó , Snapdragon 200 thì sở hữu bốn nhân Cortex A5 , GPU Adreno 203 , hỗ trợ đa sim, hiển thị hình ảnh HD và camera tối đa 8MP. Một số model của Snapdragon 400 và 200 sẽ được tích hợp modem 4G/3G , một số khác thì không. Qualcomm Snapdragon 800 và 600 Hình 8 HTC sử dụng Snapdragon 800 Đây là 2 dòng chip cao cấp nhất của Qualcomm tính đến thời điểm hiện tại, chúng được ra mắt tại triển lãm CES 2013. Nhà sản xuất cho biết mẫu Snapdragon 800 có thể mang lại hiệu năng cao hơn 75% so với S4 nhờ việc sử dụng dây truyền sản xuất 28nm High Performance for mobile ( HPm) . Lượng điện tiêu thị cũng nhờ đó mà giảm xuống. Qualcomm cho biết thêm Soc 800 sử dụng bốn nhân CPU krait 400 xung nhịp tối đa 2.3 GHz mỗi lõi. GPU Adreno 330 , DSP Hexagon v5 và bộ thu phát sóng 4G LTE Cat 4 (150 Mbps) hứa hẹn tăng cường hiệu quả hoạt động của toàn hệ thống. Một điểm thú vị khác nữa của Snapdragon 800 đó là nó được tích hợp kết nối Wi-Fi 802.11ac , thế hệ Wi-Fi mới nhất có phép tốc độ và vùng phủ sóng tốt hơn nhiều so với chuẩn 802.112 đang được dùng phổ biến. Trong khi đó ,Qualcomm Snapdragon 600 thì có cấu hình thất hơn một chút ,tuy nhiên nó vẫn mang lại hiệu năng cao hơn 40% so với S4 trong khi mức tiêu thụ điện năng ít hơn. SoC 600 sử dụng bốn nhân Krait 300 với tốc độ tối đa 1.9GHz , GPU Adreno 320 , hỗ trợ bộ nhớ LPDDR3. Kết nối wifi 802.11ac , Miracast đều có mặt đầy đủ trên Soc 600. Tuy nhiên so với S4 và Snapdragon 800, thì Snapdragon 600 không được tích hợp model 3G/4G vào bên trong Soc. Do đó nhà sản xuất phải sử dụng modem rời bên ngoài. Kiến trúc Snapdragon. Qualcomm không giống các nhà sản xuất SoC khác, họ không sử dụng hoàn toàn thiết kế vi xử lý 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 năng hiệu quả hơn so với vi xử lý Cortex A8 tiêu chuẩn. Vi xử lý Scorpion Vi xử lý Scorpion là vi xử lý ARM đầu tiên của Qualcomm. Nó dựa trên kiến trúc ARM v7 và có các cấu trúc gần giống với các CPU Cortex A 7,8 của ARM . Hình 9 Cấu trúc Vi xử lý Scorpion. Năm 2005 , Qualcomm thông báo đã có được bản quyền của kiến trúc ARMv7 và sau đó đã làm việc với ARM để tạo ra một kiến trúc hiệu năng cao cho riêng mình. Nó có tên là Scorpion được sản xuất trên quy trình 65nm và có tốc độ 1GHz mang hiệu năng cao, giảm tiêu tốn điện năng trong mục tiêu của ngành di dộng lúc đó. Mặt dù Scorpion giống với Cortex A8 , nhưng hai core đều có những điểm khác nhau. Ví dụ trong khi Scorpion and Cortex A8 đều hoạt động với cùng tập lệnh SIMD , Scorpion thực hiện vớ 128 bit dữ liệu song song, so sánh với 64 bit của Cortex A8. Một nửa trong số dữ liệu SIMD có thể được tắt đi để tiết kiệm năng lượng. Đường ống trong Scorpion rất sâu với 13 kiểu load/store đường ống and 2 luồng số nguyên. Scorpion cũng có 23 kiểu dấu phẩy động trên luồng SIMD và không giống như Cortex A8. 10/12 stage integer pipeline with 2-way decode, 3-way out-of-order speculatively issued superscalar execution Pipelined VFPv3 and 128-bit wide NEON (SIMD) 3 execution ports 256 KB (single-core) or 512 KB (dual-core) L2 cache Single or dual-core configuration 2.1 DMIPS/MHz 65/28 nm process Vi xử lý Krait. Vi xử lý Krait là thế kệ tiếp theo của Scorpion. Được giới thiệu năm 2012 và nó có cấu trúc tương tự như Cortex A15 và được sử dụng trong các Soc Snapdragon 400, 600, 800. Hiện nay vi xử lý Krait có 4 phiên bản tương ứng Krait 200, 300, 400. Hình 10 Cấu trúc Soc sử dụng Krait 11 stage integer pipeline with 3-way decode and 4-way out-of-order speculative issue superscalar execution Pipelined VFPv4 and 128-bit wide NEON (SIMD) 7 execution ports 4 KB + 4 KB direct mapped L0 cache 16 KB + 16 KB 4-way set associative L1 cache 1 MB 8-way set associative (dual-core) or 2 MB (quad-core) L2 cache Dual or quad-core configurations Performance (DMIPS/MHz): Krait: 3.3 (28 nm) Krait 200: 3.1 (28 nm) Krait 300: 3.39 (28 nm) Krait 400: 3.39 (28 nm) Krait 450: 3.51 (20 nm) Hình 11 So sánh hiệu năng giữa Scorpion với Krait Chip GPU Adreno GPU Adreno là một series GPUs được phát triển bởi Qualcomm và được sử dụng trong rất nhiều các SoCs của họ. Những lõi này được phát triển dưới bên Imageon bởi ATI Technology. Sau khi mua lại vào năm 2008 , Qualcomm đổi tên Imageon thành Adreno. Hình 12 Hiệu năng các dòng Adreno So sánh hiệu năng của Snapdragon với cái SoC khác. Do được Qualcomm thiết kế lại dựa trên nền ARM và sử dụng GPU Adreno của chính mình nên các Soc của Qualcomm có hiệu năng cao hơn hẳn. Thêm vào đó là sự ổn định cùng mức tiêu thụ điện năng thấp. Kèm theo đó các modem hỗ trợ trong việc kết nối, DSP trong SoC cũng được thiết kế tốt hơn. Hình 13 Kết quả benchmark của TheVerge Hình 14 Kết quả benchmark của Engadget Qua hai bảng kết quả trên dễ dàng thấy được sự vượt trội của chip từ Qualcomm so với các đối thủ. Chứng tỏ được rằng phương pháp điều chỉnh xung nhịp bất đồng bộ của Qualcomm có ưu thế hơn hẳn kiểu 4 xung nhịp trong đó 1 xing nhịp thấp của Terga, kèm theo đó là sự vượt trội về khả năng xử lý đồ họa. KẾT LUẬN Thật khó để đánh giá SoC nào tốt nhất khi ta 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. 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. Cuộc chiến giữa các Hãng sản xuất Chip xử lý di động, cuộc chiến hiệu năng giữa các dòng Chip có lẽ sẽ không ngừng lại. Thật khó có thể hình dung được về giới hạn của công nghệ theo thời gian.