Chip 8080 tròn 40 tuổi & câu chuyện tiếp theo
Bùi Lê Duy (PCWorld Mỹ)

(PCWorldVN) Xuất hiện hồi năm 1974, Altair 8800 là chiếc máy tính chạy bộ xử lý 8080, và sau đó hàng triệu người nhận ra đó có thể là chiếc máy tính cá nhân, máy tính của riêng mình.

• Snapdragon 810 sẽ thay đổi điện thoại của bạn như thế nào
• Bộ xử lí ARM & Intel: Đâu là sự khác biệt
• Bộ xử lý 64-bit đầu tiên của ARM cho máy chủ và smartphone
• Những con chip lừng danh (Phần 1)
• Những con chip lừng danh (phần 2)

Đến nay, sau hơn 40 năm, từ sau sự xuất hiện của bộ xử lý Intel 8080, ngành công nghiệp vi xử lý đã đưa ra những sản phẩm kế thừa chip đầu tiên này với khả năng tính toán mạnh mẽ hơn nhiều. Nhưng bộ xử lý sẽ như thế nào trong 40 năm tới?
Đối với những ai làm việc và theo dõi ngành công nghiệp này, tấm giấy khai sinh của 8080 thực sự là nền móng cho ngành công nghiệp PC và môi trường số hóa hiện nay. Nhưng các nhà công nghiệp quan tâm nhiều hơn đến chuyện gì sẽ xảy ra, những gì mà con người sẽ tiếp nhận trong vài thập niên tới. Bài viết gồm nhiều nhận xét sâu sắc của các nhà thiết kế chip lâu năm trong ngành.

Chip 8080

Altair 8800, máy tính thương mại thành công đâu tiên dựa trên chip 8080

Khởi đầu của 8080
Tại Intel lúc đó, một người nhập cư từ Ý tên là Fredericco Faggin đã thiết kế ra 8080, là bản cải tiến của chip 8-bit đầu tiên 8008 của Intel xuất hiện khoảng 2 năm trước đó. 8008 là chip xử lí giả lập đơn trong máy tính để bàn Datapoint 2200 mà Computer Terminal Corp. of Texas giới thiệu hồi cuối năm 1970.
Một trong những cải tiến quan trọng nhất của 8080 là nâng số chân kết nối (pin) lên 40 chân, so với chỉ 18 chân của 8008. Nghĩa là nếu với 18 chân, vài đường I/O sẽ phải chia sẻ trên một số chân. Do vậy, nhà thiết kế buộc phải sử dụng nhiều chip hỗ trợ để dồn hàng I/O trên 8008, khiến cho chip này khó ứng dụng thực tế.
Và chip 8080 đã khắc phục nhược điểm này.
Khi hướng đến tương lai, nhà thiết kế chip Faggin hy vọng ông có thể thấy những thiết kế không lặp lại cách xử lý cũ của ông. Vì theo Faggin, máy tính hiện nay về quy cách không khác gì so với những hệ thống từ đầu thập niên 1950, gồm một bộ xử lý, bộ nhớ và các thuật toán để thực hiện tính toán theo chuỗi tuần tự. Faggin muốn thấy có sự thay đổi về điều này.
Faggin cũng hy vọng về một quy cách khác, bắt chước những tiến trình xử lý trong sinh học. Cách xử lý thông tin bên trong một tế bào sống hoàn toàn khác biệt so với cách vận hành của máy tính. Trong một tế bào, nó được thực hiện bởi các hệ thống động phi tuyến tính, và sự phức tạp của nó đến nay chúng ta vẫn chưa hình dung được. Có đến hàng tỉ thành phần tương tác với nhau theo cách gần như hỗn độn. Nhưng nếu chúng ta hiểu được quy trình vận hành, xử lý thông tin của tế bào thì đó sẽ là một thành công vượt bậc.
Theo Faggin, 40 năm qua, đến nay chúng ta mới bắt đầu mở được khe hẹp về cách vận hành này. Chúng ta cần đến rất nhiều máy tính để chạy được các giả lập về cấu trúc động. Song song đó, các quy trình xử lý tính toán vẫn sẽ tiếp tục vận hành theo cách truyền thống.
Nick Tredennik, nhà thiết kế ra chip Motorola 68000 hồi cuối thập niên 1970, là bộ xử lý sau đó được dùng trong chiếc máy tính Apple Macintosh đầu tiên, cũng đồng ý với quan điểm trên. Theo ông, tiến bộ lớn nhất trong công nghệ sẽ xảy ra trong 4 thập kỷ tới, khi đó chúng ta hiểu được cách hoạt động của cơ chế sinh học, gọi là bio-informatics (tin-sinh học). Từ đó, chúng ta sẽ bắt chước các mô hình vận hành sinh học của tự nhiên và ứng dụng vào thực tế.
Theo Carl Helmers - nhà sáng lập ra tạp chí Byte viết về ngành công nghiệp máy tính từ năm 1975 - mô hình công nghệ silicon hiện thời của chúng ta vẫn còn dựa trên quy tắc vận hành của cỗ máy Turing, được xây dựng trên cơ sở kiến trúc 70 năm tuổi của Von Neumann (là kiến trúc máy tính được nhà vật lý và toán học Von Neumann đưa ra vào năm 1945).

Fredericco Faggin với chip 4004 vào năm 1971. Đây là chip do ông thiết kế, tiền thân của chip 8080.

Kết hợp người - máy?
Các chuyên gia quan tâm đến cách mà con người chúng ta giao tiếp với máy tính trong tương lai nhiều hơn so với bản chất của máy tính.
Nhà phân tích công nghệ Rob Enderle cho rằng: “Bốn thập kỷ vừa qua, chúng ta đã tạo ra được môi trường điện toán, và bốn thập kỷ tiếp theo, chúng ta sẽ hòa trộn giữa con người và máy tính.”
“Cách phối hợp này sẽ liên quan đến việc con người học cách điều khiển máy bằng não bộ, giống như cách chúng ta học chơi nhạc”, đó là xu hướng mà Lee Felsenstein dự đoán. Ông là người giúp thiết kế ra máy Sol-20, một trong những máy tính đầu tiên chạy với chip 8080 và chiếc Osborne 1, máy tính xách tay thương mại hóa đầu tiên trên thị trường. Học để nắm biết một giao tiếp hệ thống máy tính với mô hình vận hành như não bộ sẽ cần bắt đầu từ những bước căn bản nhất, thậm chí phải học từ những năm học phổ thông.
Felsenstein dự đoán: “Sẽ diễn ra sự kết hợp giữa con người và máy, và kết quả không do máy hay nhà thiết kế chiếc máy đó quyết định. Mỗi người và chiếc máy của chính mình sẽ tạo ra một chút khác biệt, và chúng ta sẽ hòa hợp với lối sống ấy.”
Aaron Goldberg, nhà phân tích công nghiệp từ năm 1977 và là chủ của trang Content 4 IT, lại cho rằng: “Sắp đến sẽ là một giao tiếp xuyên suốt giữa con người và máy.”
Còn với nhà phân tích công nghiệp lâu năm Andrew Seybold, ông cho rằng: “Lý tưởng nhất là máy hiểu được bạn đang nghĩ gì và không cần đào tạo chúng. Việc tương tác với máy sẽ ít tiếp xúc hơn và ra lệnh bằng giọng nói nhiều hơn. Chúng ta nói chuyện với máy nhiều hơn, chúng trả lời chúng ta nhiều hơn và thông hiểu nhau hơn. Đó có thể vừa là điều tốt, cũng có thể là điều đáng ngại.”

Chip Intel 8080

Mặt tối
Vài nhà quan sát cho rằng máy tính có năng lực xử lý mạnh hơn có thể mang lại rắc rối.
Goldberg cho rằng: “Trong 4 thập kỷ tiếp theo, vấn đề lớn nhất có thể xảy ra là khi thiết bị thông minh hơn, có nhiều kiến thức và khả năng hơn chính con người chúng ta. Nếu chúng ta cứ đi theo sự tiến bộ này, rõ ràng chúng ta sẽ tụt lại so với công nghệ. Kết quả có thể rất khủng khiếp, hoặc rất tuyệt vời. Nhưng luôn có sợi dây nối kết giữa hai cực ấy. Chúng vừa khiến cuộc sống hấp dẫn hơn, thú vị hơn nhưng vấn đề mà chúng có thể gây ra cũng lớn hơn nhiều.”
Trong khi đó, nhà phân tích Enderle cho rằng chúng ta đang phát triển ra một chủng tộc thay thế chúng ta, hệt như những gì mà nhà vật lý học nổi tiếng Stephen Hawking từng mường tượng. “Chúng ta có thể tạo ra một thứ gì đó quá thông minh đến nỗi nó có thể tự tồn tại mà không cần đến con người. Nó có thể nhận thấy con người không phải lúc nào cũng đủ lý trí và giải quyết được các vấn đề”.
Dĩ nhiên, không phải ai cũng tán thành với suy nghĩ bi quan như trên, như Helmers của tạp chí Byte, ông cho rằng: “Cho dù 40 năm nữa, chúng ta có đạt được một thành tựu vĩ đại nào đó chăng nữa thì công nghệ vẫn luôn nằm ở mức độ mà con người kiểm soát được.”
Còn Bob Frankston, đồng sáng lập VisiCalc, một ứng dụng nổi tiếng đầu tiên cho PC hồi năm 1978, cho rằng: “CPU chỉ là một phần nhỏ của vấn đề ngày nay. Điều mà chúng ta làm với CPU mới là vấn đề lớn.”
Còn Jonathan Schmidt, một trong những nhà thiết kế ra Datapoint 2200, đặt ra câu hỏi: “Liệu bạn có muốn một chiếc đồng hồ đeo tay hay một cái gì đó gắn bên trong cơ thể bạn thông minh cỡ như Watson?” Watson là tên của hệ thống trí tuệ nhân tạo nổi tiếng mà IBM xây dựng, đã thắng cuộc trong trò chơi truyền hình "Jeopardy!" khi thi đấu với 2 nhà cựu vô địch hồi năm 2011.
Ted Nelson, người từng sáng chế ra thuật ngữ “hypertext” hồi những năm 1960, lại nghĩ khác. Ông cho rằng 40 năm qua và 40 năm tới chỉ toàn là chuyện... linh tinh vì người dùng web ngày nay vào một trang web, và họ chỉ làm được những thứ trang web ấy cho họ làm mà thôi.

Ý tưởng kết hợp giữa người và máy tính được thể hiện qua bộ phim khoa học giả tưởng Robocop (Cảnh sát người máy).

Những tiến bộ cụ thể
Một số chuyên gia đã dự đoán được một vài tiến bộ cụ thể. Ví dụ, Stan Mazor, nhà thiết kế chip ở Intel trong đội thiết kế ra chip 8008, cho rằng máy tính có thể nhận diện hình ảnh sẽ là bước tiếp theo. “Khi máy tính có khả năng nhìn thấy, chúng ta sẽ có được một bước đột phá lớn hơn về mặt ứng dụng. Mặc dù hiện nay một tác vụ đơn nào đó có thể có tối đa khoảng 16 CPU cùng xử lý, nhưng nếu tác vụ ấy được phân nhỏ ra nữa thì chúng ta có thể sẽ được thấy 100.000 CPU trên một chip. Phân tích hình ảnh là một trong những dạng tác vụ phù hợp với kiểu tính toán song song quy mô lớn như vậy”, theo Mazor.
Trong khi đó, Marcian E. "Ted" Hoff, người quản lý dự án 8008 tại Intel, lại đưa ra câu hỏi: “Tại sao chúng ta không thể sử dụng năng lực xử lý của máy tính mà chúng ta có được ngày nay để làm cho máy tính giao tiếp với con người hiệu quả hơn? Hiện còn tồn tại nhiều quy trình xử lý ngôn ngữ tự nhiên không hiệu quả. Nhưng tôi hy vọng tương lai sẽ giải quyết được vấn đề này. Tôi cũng quan tâm đến điện toán đám mây như một thể thống nhất. Trước đây, độ trễ do khoảng cách vài inch giữa CPU và bộ nhớ, đến nay độ trễ chỉ còn tương đương vài tập lệnh CPU mà thôi. Lưu trữ chưa lúc nào rẻ hơn bây giờ. Và chúng ta vẫn chưa có kế hoạch di dời dữ liệu của mình lên mây, có thể vì vấn đề bảo mật, nhưng đó cũng chỉ là vấn đề về thời gian mà thôi. Chúng ta cũng cần tính đến băng thông, đường truyền.”
Đối với Nick Tredennik, cựu kỹ sư thiết kế ở Motorola, từng nghiên cứu bộ xử lý MC68000 và đồng sáng lập công ty sản xuất chip NexGen, đặt ra yêu cầu phần cứng phải cấu hình được phù hợp với nhu cầu của phần mềm. “Chúng ta cần giúp các nhà phát triển ứng dụng truy cập được vào phần cứng, mà không chỉ là các nhà thiết kế logic. Cách nay vài năm, tôi từng dự đoán như vậy nhưng điều này chưa xảy ra”. Ông tiên đoán các hệ thống vi cơ điện MEMS (micro-electromechanical systems) kết hợp với Internet of Things sẽ được ứng dụng trong các tòa nhà, công trình xây dựng để người giám sát có thể biết được tình trạng của công trình và khi nào cần bảo dưỡng.
Kết quả là chúng ta sẽ có một tương lai dựa nhiều vào năng lực xử lý của điện toán. Theo Frankston, công nghệ sẽ mang lại hòa bình cho thế giới, cũng như kéo dài tuổi thọ con người đến 300 tuổi. Công nghệ có là gì đi chăng nữa thì chục năm nữa, cha mẹ vẫn sẽ luôn than phiền về con cái họ thế nọ thế kia mà thôi.

Bộ xử lý - khởi đầu và hiện tại

Số lượng transistor của chip Intel Core i7-5960X là 2,6 tỉ, nhiều gấp 433.333 lần so với chip 8080, chỉ có 6.000 transistor. Định luật Moore (do Gordon Moore, nhà đồng sáng lập Intel đưa ra năm 1965) cho rằng số lượng thành phần có thể đặt lên một chip ở cùng mức giá cứ hai năm sẽ tăng gấp đôi. Vì thế, bộ xử lý 8-bit thương mại hóa đầu tiên được tung ra hồi năm 1974 đến nay có được 20 lần gấp đôi, tương đương với hệ số phát triển là 1.048.576. Hãy thử xét bộ xử lý "hậu duệ" của 8080 mới nhất hiện nay là chip Intel Core i7-5960X, thì năng lực tính toán chênh lệch rất lớn, cho dù các thông số khác không hoàn toàn tương đương. Ví dụ, bộ nhớ cao hơn 1 triệu lần, từ 64KB đến 64GB. Nhưng số lượng transistor của bộ xử lý tăng lên gấp 433.333 lần, từ 6.000 lên 2,6 tỉ. Tốc độ xung nhịp trong các bộ xử lý hiện nay lại bị giới hạn do yếu tố tản nhiệt. Bộ xử lý mới nhất có xung nhịp 3GHz, cao gấp 1.500 lần so với 2MHz của 8080. i7-5960X có 8 nhân, trong khi 8080 chỉ có 1 nhân. 8080 cần đến 4 chu trình xung nhịp để chạy được một tập lệnh, nên tốc độ đạt được khoảng 500.000 tập lệnh mỗi giây. Còn hiện nay, chuẩn của bộ xử lý là 4 tập lệnh mỗi chu trình xung nhịp, và với i7 có 8 nhân, tốc độ đạt được là 96 tỉ tập lệnh mỗi giây, cao hơn 192.000 lần so với 8080. Dĩ nhiên, những yếu tố khác biệt chưa tính vào như là tốc độ bộ nhớ và dung lượng bộ nhớ, tốc độ lưu trữ và dung lượng lưu trữ, bộ đệm cache trực tiếp trên bộ xử lý, và gồm cả bộ xử lý âm thanh, đồ họa tích hợp cũng tăng khả năng cho các hệ thống đời mới. Trong khi đó, giá bán lẻ của 8080 hồi năm 1974 là 360 USD, nếu tính tỉ lệ lạm phát hiện nay, mức giá này tương đương 1.740 USD. Trong khi đó, giá của i7-5960X năm 2014 là 1.059 USD, rẻ hơn gần 40%. Vậy nên trong 40 năm tiếp theo, về lý thuyết, năng lực bộ xử lý sẽ tăng gấp đôi thêm 20 lần nữa, bộ xử lý sẽ mạnh hơn 8080 gốc khoảng 40 tỉ lần. Cũng trong 40 năm, giá của chip (tính tương đương tỉ lệ lạm phát 2014) vào khoảng 635 USD. Dù vậy, vẫn có những giới hạn nào đó trong việc phát triển chip nên buộc ngành công nghiệp phải chuyển sang những phương thức, kiến trúc thay thế khác như một số chuyên gia dự đoán.

Máy tính Compute Stick của Intel gọn trong túi

Compute Stick của Intel dự kiến sẽ chính thức xuất hiện trên thị trường vào tháng 3 tới, với 2 phiên bản: Linux 89 USD và Windows 149 USD. Hồi tháng 11/2014, Intel công bố Compute Stick, là chiếc PC có kích thước như một chiếc bút nhớ USB. Đến nay, họ đã sẵn sàng tung ra thị trường chiếc máy tính bỏ túi này, chạy Windows, với mức giá 149 USD. Trong hội chợ CES 2015 vừa qua, Intel cho biết Compute Stick sẽ chính thức được bán đại trà bắt đầu vào tháng 3. Compute Stick sẽ có hai phiên bản: Windows (với Bing) giá 149 USD và Linux điện năng thấp, giá 89 USD. Thiết bị cực kỳ nhỏ gọn này được thiết kế để gắn vào mặt sau của smart TV. Dĩ nhiên đây không phải là ý tưởng gì mới. Amazon, Google và vài hãng khác cũng đã có những dạng thiết bị giống bút nhớ, gắn trực tiếp vào ngõ HDMI phía sau màn hình, đóng vai trò như hộp truyền video trực tiếp từ các dịch vụ TV trên mạng về. Mới đây nhất là thiết bị Wyse Cloud Connect (130 USD) của Dell, có thể biến một màn hình thành một chiếc máy tính, máy chơi game và thiết bị truyền đa phương tiện. Trở lại với Compute Stick, thiết bị có cấu hình: bộ xử lý Atom Z3735F, RAM 2GB và lưu trữ 32GB, đủ để chạy các ứng dụng Windows cơ bản, không hơn không kém. Nhưng Compute Stick có thêm một khe cắm thẻ microSD để cho bạn mở rộng dung lượng lưu trữ, đồng thời có tích hợp kết nối không dây Wi-Fi và Bluetooth (phiên bản Compute Stick chạy Linux có cấu hình thấp hơn, với RAM 1GB và lưu trữ 8GB). Đầu tiên là máy tính để bàn, sau đó đến máy tính xách tay, máy tính bảng, NUC của Intel và các máy tính dạng module như Amplicity, và nay là Compute Stick. Máy tính càng ngày càng nhỏ hơn. Tại sao phải quan tâm? Có lẽ bạn sẽ không có ý định thay thế chiếc PC hiện thời của mình bằng Compute Stick của Intel. Nhưng khi mọi thứ ngày càng liên quan đến điện toán đám mây thì Compute Stick có thể là công cụ cho các nhà quản lý CNTT khi phải ra ngoài làm việc.

PC World VN, 02/2015

Những con chip lừng danh (Phần 1)

Trong lĩnh vực thiết kế chip, cũng như trong cuộc sống, đôi khi những thứ nhỏ bé lại góp phần tạo nên những điều lớn lao.

Trong triều đại mạch tích hợp (Intergrated Circuit – IC) hơn nửa thế kỷ qua xuất hiện nhiều con chip tuyệt vời, nhưng chỉ một số ít thật sự nổi bật bởi tính sáng tạo, đi trước thời đại. Những con chip này tạo nên xu hướng công nghệ và góp phần làm cho cuộc sống của chúng ta thêm thú vị.

Signetics NE555 Timer

Đó là mùa hè năm 1970, trong văn phòng chen giữa 2 nhà hàng Trung Hoa ở thị trấn Sunnyvale, California (Mỹ), nhà thiết kế chip Hans Camenzind làm việc với vai trò tư vấn cho công ty bán dẫn Signetics. Tình hình kinh tế khó khăn. Camenzind có vợ và 4 con, kiếm chưa đến 15.000 USD/năm, nên rất muốn phát minh cái gì đó có thể hái ra tiền.

Và Camenzind đã tạo ra chip 555 - một IC đơn giản có thể làm việc như bộ đếm thời gian. Đến nay, 555 là con chip được bán chạy nhất trong ngành bán dẫn analog, hiện diện trong các thiết bị nhà bếp, đồ chơi, phi thuyền không gian và nhiều thứ khác. Có thể nói 555 là một trong những con chip xuất sắc nhất của mọi thời đại.

"555 gần như đã không được chấp thuận chế tạo", Camenzind nhớ lại. Ông giờ đã 75 tuổi, vẫn còn thiết kế chip, dù không ở gần nhà hàng Trung Hoa nào nữa!

Ý tưởng về chip 555 nảy sinh khi Camenzind đang làm việc trên hệ thống vòng lặp khóa pha. Với một vài điều chỉnh, hệ thống này có thể làm việc như bộ định thời gian đơn giản: kích hoạt và nó sẽ chạy trong một khoảng thời gian nhất định. Lúc đó không có chip nào giống như thế.

Thoạt đầu, phòng kỹ thuật của Signetics từ chối ý tưởng này vì công ty đang bán linh kiện mà khách hàng có thể dùng để tạo bộ định thời gian có tính năng tương tự như 555. Camenzind không nản, ông đến gặp Art Fury, giám đốc tiếp thị của Signetics. May là Fury thích nó.

Camenzind bỏ ra gần 1 năm thử nghiệm các bản thiết kế, vẽ các sơ đồ mạch trên giấy và tạo bản phim, "tất cả đều làm bằng tay". Thiết kế cuối cùng có 23 transistor, 16 trở kháng và 2 diod.
Chip 555 gây chấn động khi ra mắt thị trường vào năm 1971. Năm 1975 Signectics sát nhập vào Philips Semiconductors, và sau đó NXP. Đã có hàng tỉ chip 555 được bán ra, đến nay chip này vẫn còn được dùng.

Texas Instrument TMC0281 Speech Synthesizer

Nếu không có TMC0281, E.T (sinh vật ngoài trái đất trong bộ phim nổi tiếng cùng tên) không thể "gọi về nhà”. TMC0281 là chip tổng hợp tiếng nói đầu tiên, đây chính là trái tim (hay cái miệng) của đồ chơi "học nói và đánh vần" (Speak & Spell) của Texas Instrument (TI). Trong bộ phim E.T, sinh vật ngoài trái đất dùng chip này để tạo thiết bị liên lạc liên hành tinh.

Các biến thể của TMC0281 được dùng trong các máy chơi game của Atari và những chiếc ô-tô dòng K của Chrysler. Năm 2001, TI bán dòng chip tổng hợp tiếng nói cho Sensory, hãng này ngưng sản xuất vào cuối năm 2007. Nhưng nếu bạn cần thực hiện cuộc gọi cho khoảng cách rất xa, bạn có thể tìm thấy các con chip Speak & Spell trong tình trạng còn tốt trên eBay với giá khoảng 50USD.

MOS Technology 6502 Microprocessor

Ngưới chuyên gia có khuôn mặt mũm mĩm đặt con chip vào chiếc máy tính và khởi động khiến cả thế giới trở nên rộn ràng... Chuyên gia đó chính là Steve Wozniak, chiếc máy tính là Apple I, còn con chip là bộ vi xử lý 8-bit 6502 do MOS Technology phát triển. Con chip này đóng vai trò bộ não của những chiếc máy tính có ảnh hưởng mạnh về sau này như Apple II, Commodore PET và BBC Micro, không kể các hệ thống chơi game như Nintendo và Atari. Chuck Peddle, một thành viên tạo ra con chip này, nhớ lại lúc giới thiệu 6502 tại một cuộc triển lãm vào năm 1975: "Chúng tôi bỏ chip vào đầy 2 lọ thủy tinh, rồi tôi và vợ ngồi bán". Vậy là 6502 trở nên nổi tiếng. Lý do: 6502 không chỉ nhanh hơn chip của các hãng khác mà còn rẻ hơn, giá chỉ có 25USD trong khi 8080 của Intel và 6800 của Motorola giá gần 200USD.

Theo Bill Mensch, người đã tạo ra 6502 cùng với Peddle, yếu tố đột phá ở chỗ "tập lệnh tối thiểu kết hợp với qui trình sản xuất tạo ra số lượng chip tốt gấp 10 lần so với đối thủ”. Có thể nói chính 6502 đã kéo giá của các bộ xử lý (BXL) xuống, mở màn cho cuộc cách mạng máy tính cá nhân. Một số hệ thống nhúng hiện nay vẫn còn dùng chip này. Thú vị hơn, 6502 là bộ não điện tử của Bender, con robot hư hỏng trong bộ phim truyền hình "Futurama" được trình chiếu 1999.

Texas Instruments TMS32010 Digital Signal Processor

TMS32010 không phải là chip xử lý tín hiệu số (DSP) đầu tiên, danh hiệu này thuộc về DSP-1 của Western Electric được đưa ra vào năm 1980, nhưng nó là DSP nhanh nhất. Nó có thể thực hiện phép tính nhân trong 200 nano giây, một kỳ tích! Hơn nữa, nó có thể thực thi các câu lệnh cả từ ROM trong chip và RAM ngoài chip, trong khi các con chip cạnh tranh chỉ có các chức năng DSP lập trình sẵn. "Điều này cho phép phát triển chương trình (cho TMS32010) linh hoạt, giống như các bộ vi xử lý và vi điều khiển", theo Wand Gass, thành viên của nhóm thiết kế DSP, hiện vẫn làm việc cho TI. Với giá 500USD cho mỗi con chip, năm đầu TI chỉ bán được 1000 chip. Sau đó số lượng bán ra tăng vọt, và chip này được dùng trong các modem, thiết bị y tế và hệ thống quân sự. TMS32010 là chip đầu tiên trong dòng sản phẩm DSP phong phú đã và đang đem lại lợi nhuận cho TI.

Fairchild Semiconductor µA741 Op-Amp

Các chip khuếch đại tín hiệu (op-amp) có thiết kế thuộc loại analog. Bạn luôn có thể gắn các con chip này với nhau và gắn với hầu như bất cứ thứ gì để thỏa mãn yêu cầu. Các nhà thiết kế dùng chúng để tạo các bộ tiền khuếch đại âm thanh và video, bộ bù điện áp, bộ lọc chính xác và nhiều hệ thống khác là thành phần của các thiết bị điện tử thông dụng.

Năm 1963, Robert Widlar - kỹ sư 26 tuổi làm cho hãng Fairchild Semiconductor đã thiết kế IC op-amp nguyên khối đầu tiên, µA702. Nó được bán với giá 300USD. Widlar tiếp tục cải tiến thiết kế và µA709 có giá giảm xuống còn 70USD và đạt được thành công thương mại to lớn. Tiếp theo, Widlar đòi tăng lương. Không được đáp ứng, Widlar nghỉ việc. National Semiconductors chỉ chờ có thế và chiêu mộ ngay người mà sau đó giúp công ty này thao túng lĩnh vực thiết kế IC analog. Năm 1967, Widlar đã tạo ra op-amp tốt hơn cho National, LM101.

Trong khi các nhà quản lý Fairchild bực bội về đối thủ từ trên trời rơi xuống thì tại phòng nghiên cứu của công ty, David Fullagar, một nhân viên mới, săm soi LM101. Fullagar phát hiện con chip này tuy xuất sắc nhưng có vài khiếm khuyết. Chip này phải gắn thêm tụ ngoài để tránh việc biến dạng tần số. Hơn nữa, do chất lượng chất bán dẫn không ổn định, ngõ vào của chip này quá nhạy với nhiễu.

Fullagar lao vào thiết kế riêng của mình, xử lý những hạn chế của qui trình sản xuất bán dẫn hiện thời bằng cách gắn thêm 1 tụ 30-picofarad vào trong chip. Giải pháp cải thiện ngõ vào hết sức đơn giản – gắn thêm vài transistor. Mạch gắn thêm này làm cho việc khuếch đại ổn định hơn.

Fullagar trình thiết kế của mình cho Gordon Moore, trưởng bộ phận nghiên cứu của Fairchild, và thiết kế đó được gửi đến bộ phận sản xuất của công ty. Con chip mới, µA741, trở thành chuẩn mực cho các bộ khuếch đại. Chip này và các biến thể chế tạo bởi các đối thủ của Fairchild đã được bán ra hàng trăm triệu đơn vị. Hiện nay, với số tiền 300USD – mức giá của µA702 ban đầu – bạn có thể mua được 1.000 con chip 741.

Intersil ICL8038 Waveform Generator

ICL8038 là bộ sinh sóng sin, vuông, tam giác, răng cưa và xung nhọn, hoạt động khá thất thường, bị chê bai vì khả năng hạn chế. Nhưng các kỹ sư sớm biết cách dùng chip này một cách hiệu quả, nhờ vậy 8038 bán chạy, lên đến hàng trăm triệu đơn vị và hiện diện trong vô số thiết bị – như các bộ tổng hợp âm thanh Moog danh tiếng và "hộp xanh" mà các tay ma mãnh vẫn dùng để qua mặt các công ty điện thoại vào những năm 1980. Intersil ngưng sản xuất 8038 vào năm 2002, nhưng chip này hiện vẫn được người ta tìm để tự chế tạo những thứ nhạc cụ điện tử.

Western Digital WD1402A UART

Gordon Bell làm việc tại Digital Equipment Corp. nổi tiếng vì đã đưa ra dòng PDP (Programmed Data Processor) của máy tính mini vào thập niên 1960. Nhưng ông còn phát minh một kỹ thuật ít được biết đến nhưng không kém phần quan trọng: thu/phát bất đối xứng đa năng, hay UART (Universal Asynchronous, Receiver/Transmitter). Bell cần một mạch kết nối máy đánh chữ với PDP, việc này yêu cầu chuyển tín hiệu song song thành tín hiệu tuần tự và ngược lại. Ông đưa ra giải pháp dùng 50 thành phần riêng rẽ. Western Digital, một công ty nhỏ sản xuất chip máy tính tay, đề nghị chế tạo thành 1 chip UART. Western Digital giới thiệu WD1402A năm 1971, các phiên bản khác sớm nối bước sau đó. Giờ đây UART được dùng rộng rãi trong các modem, thiết bị ngoại vi và nhiều thiết bị khác.

Acorn Computers ARM1 Processor

Vào đầu thập niên 1980, Acorn Computers là một công ty nhỏ với 1 sản phẩm lớn. Công ty này, trụ sở đặt tại Cambridge, Anh, đã bán hơn 1,5 triệu máy tính để bàn BBC Micro. Và giờ là lúc thiết kế một model mới, các kỹ sư Acorn quyết định chế tạo bộ vi xử lý 32-bit riêng. Họ đặt tên cho nó là Acorn RISC Machine, hay ARM. ARM nhỏ, tiêu thụ ít điện năng và dễ lập trình. Sophie Wilson, người đã thiết kế tập lệnh, vẫn còn nhớ khi họ lần đầu kiểm thử chip trên máy tính. "Chúng tôi gõ PRINT PI ở dấu nhắc lệnh, và nó cho đáp án đúng". Năm 1990, Acorn tách bộ phận ARM ra, và kiến trúc ARM phát triển trở thành bộ xử lý nhúng 32-bit hàng đầu. Hơn 10 tỉ chip ARM đã được dùng trong đủ loại thiết bị, bao gồm một trong số những thất bại bẽ mặt nhất của Apple - thiết bị cầm tay Newton, và một trong những thành công sáng chói nhất của hãng - iPhone.

Kodak KAF-1300 Image Sensor

Ra mắt năm 1991, máy ảnh số Kodak DCS 100 có giá 13.000 USDvà cần bộ lưu trữ dữ liệu ngoài nặng 5kg mà người dùng phải vác trên vai. Bộ phận điện tử của máy ảnh này – đặt trong thân máy Nikon F3 – có 1 mẩu kim loại ấn tượng: 1 con chip bằng móng tay có khả năng "bắt" ảnh ở độ phân giải 1.3 megapixel, đủ cho ảnh rửa khổ 10x15 cm. "Vào lúc đó, 1 megapixel là con số kỳ diệu", theo Eric Steven, trưởng nhóm thiết kế con chip này, hiện vẫn còn làm việc cho Kodak. Con chip này – thiết bị tích điện kép 2 pha thực – trở thành nền tảng cho các bộ cảm biến CCD (Charge Coupled Device) sau này, mở ra cuộc cách mạng ảnh số.

IBM Deep Blue 2 Chess Chip

Một bên là chất xám nặng 1,5 kg. Bên kia là 480 con chip chơi cờ. Cuối cùng con người đã chịu thua máy tính vào năm 1997 khi Deep Blue, máy tính chơi cờ của IBM, đánh bại vua cờ Garry Kasparov. Mỗi con chip của Deep Blue bao gồm 1,5 triệu transistor, có thể tính 100 triệu nước đi mỗi giây. Năng lực ghê gớm đó, kết hợp với các chức năng lượng giá thông minh, đã giúp Deep Blue đưa ra những đòn quyết định.

Transmeta Crusoe Processor

Sức mạnh tính toán đi cùng miếng tản nhiệt khổng lồ, thời gian dùng pin ngắn ngủi và ngốn điện khủng khiếp. Từ đó mục tiêu thiết kế của Transmeta là một BXL tiêu thụ điện ít, qua mặt những BXL của Intel và AMD. Theo thiết kế: phần mềm sẽ dịch các lệnh x86 trực tiếp thành lệnh máy riêng của Crusoe có mức độ song song cao hơn, giúp tiết kiệm thời gian và điện năng. Người ta đã thổi phồng chip này là thứ vĩ đại nhất kể từ khi có silicon, và lúc đó nó thực sự như vậy. Crusoe và BXL tiếp theo của nó, Efficeon "cho thấy việc dịch động nhị phân khả thi về mặt thương mại", theo David Ditzel, nhà đồng sáng lập Transmeta hiện làm việc cho Intel. Không may là con chip này xuất hiện quá sớm, nhiều năm trước khi các máy tính tiêu thụ ít điện năng cất cánh. Cuối cùng, khi Transmeta không đưa ra được những gì hãng hứa hẹn, Intel và AMD – thông qua chính sách bản quyền và luật pháp – đã dập tắt nó.

Texas Instruments Digital Micromirror Device

Vào ngày 18/6/1999, Larry Hornbeck đưa vợ đi xem bộ phim Star Wars: Episode 1 – The Phantom Menace tại một rạp chiếu phim ở Burbank, California (Mỹ). Không phải người kỹ sư này hâm mộ Jedi, mà nguyên nhân thực sự là vì chiếc máy chiếu. Nó dùng con chip ánh xạ số mà Hornbeck đã phát minh tại Texas Instruments. Chip này dùng hàng triệu kính hiển vi siêu nhỏ ghép với nhau để hướng tia sáng đi qua ống kính máy chiếu. Giờ đây các máy chiếu phim dùng công nghệ xử lý ánh sáng số này, hay DLP như TI đặt tên, được dùng trong hàng ngàn rạp chiếu phim trên khắp thế giới. Nó cũng được dùng trong TV chiếu hậu, máy chiếu văn phòng và máy chiếu tí hon trong ĐTDĐ.

Intel 8088 Microprocessor

Con chip nào đã đưa Intel vào danh sách Fortune 500? Theo Intel đó chính là 8088. Đây là CPU 16-bit mà IBM đã chọn cho dòng máy tính cá nhân (PC) đầu tiên và sau đó thống trị thị trường máy tính để bàn.

Như là sự kỳ lạ của số phận, con chip này tạo nên cái gọi là kiến trúc x86 lại có tên không gắn với con số "86". 8088 cơ bản chỉ là 1 cải tiến nhỏ của 8086, CPU 16-bit đầu tiên của Intel. Hay như kỹ sư Stephen Morse của Intel từng thốt ra, 8088 là "phiên bản cắt xén của 8086". Đó là vì điểm mới quan trọng của con chip này không chính xác là một bước tiến về mặt công nghệ: 8088 xử lý dữ liệu theo các từ 16-bit, nhưng nó dùng bus dữ liệu ngoài 8-bit.

Các nhà quản lý của Intel giữ bí mật dự án 8088 cho đến khi thiết kế 8086 gần hoàn tất. Chỉ sau khi chip 8086 có thể làm việc được đầu tiên lộ diện, Intel mới gửi tài liệu 8086 cho một đơn vị thiết kế ở Haifa, Israel, ở đó 2 kỹ sư, Rafi Retter và Dany Star, đã thay đổi chip này sang bus 8-bit.

Sự điều chỉnh này là một trong những quyết định sáng suốt nhất của Intel. CPU 8088 có 29.000 transistor cần ít chip hỗ trợ hơn và dùng chip rẻ hơn so với 8086, "tương thích hoàn toàn với phần cứng 8-bit, trong khi có khả năng xử lý nhanh hơn và chuyển đổi trơn tru sang các BXL 16-bit", theo như Robert Noyce và Ted Hoff của Intel viết trong một tài liệu năm 1981.
PC đầu tiên dùng 8088 là Model 5150 của IBM, đây là cỗ máy đơn sắc giá 3.000 USD. Giờ đây hầu hết PC trên thế giới được xây dựng trên các CPU hậu duệ của 8088. Thật không tệ cho một con chip cắt xén!

Micronas Semiconductor MAS3507 MP3 Decoder

Bạn có nhớ trước iPod có Diamond Rio PMP300? Ra mắt vào năm 1998, PMP300 nổi ngay lập tức, nhưng rồi sau đó "xì hơi". Mặc dù vậy có một điều đáng nể của thiết bị này là nó được trang bị chip giải mã MP3 MAS2507 – 1 bộ xử lý tín hiệu số dựa trên RISC (Reduce-Instruction-Set-Computing) với tập lệnh được tối ưu cho việc nén và giải nén âm thanh. Chip này, do Micronas phát triển, cho phép Rio dồn khoảng chục bài nhạc vào bộ nhớ flash của nó – quá ít đối với ngày nay nhưng vào lúc đó vừa đủ để cạnh tranh với máy chơi CD cầm tay. Rio và các hậu duệ của nó lót đường cho iPod để giờ đây bạn có thể mang theo mình hàng ngàn bài nhạc và phim trong túi.

Mostek MK4096 4-Kilobit DRAM

Mostek không phải là hãng đầu tiên đưa ra DRAM mà đó chính là Intel. Nhưng chip DRAM 4 kilobit của Mostek có một sáng tạo quan trọng - kỹ thuật "ghép địa chỉ”, do Bob Proebstring, đồng sáng lập Mostek, đưa ra. Về cơ bản, chip này sử dụng cùng số chân để truy cập các hàng và cột bộ nhớ bằng cách ghép các tín hiệu định địa chỉ. Kết quả là chip này không cần nhiều chân hơn khi mật độ bộ nhớ tăng và có thể chế tạo với chi phí thấp hơn. Chỉ có một vấn đề nhỏ về tính tương thích. 4096 dùng 16 chân, trong khi các bộ nhớ chế tạo bởi TI, Intel và Motorola có 22 chân.

Sau đó là một trong những cuộc chiến ly kỳ nhất trong lịch sử DRAM. Mostek đánh cược tương lai của mình vào con chip này, các quan chức của hãng ra sức quảng bá đến khách hàng, đối tác, báo chí, thậm chí cả nhân viên của hãng. Fred K. Beckhusen, người mới vừa được thuê để kiểm tra các thiết bị 4096, nhớ lại Proebsting và giám đốc điều hành L.J. Sevin đã đến ca đêm của anh để thuyết trình vào lúc 2 giờ sáng. "Họ đoan chắc rằng trong 6 tháng tới không còn ai nghe hay quan tâm đến DRAM 22 chân". Họ đã đúng. 4096 và các hậu duệ của nó đã thống trị DRAM nhiều năm trời.

  Những con chip lừng danh (Phần 2)

Những con chip lừng danh (phần 2)

Xilinx XC2064 FPGA
Trở lại đầu thập niên 1980, các nhà thiết kế chip cố khai thác tối đa mọi transistor trên các vi mạch. Nhưng rồi Ross Freeman có ý tưởng khác hẳn. Ông tạo ra con chip có các transistor hình thành nên những khối logic được tổ chức chặt chẽ mà có thể cấu hình và tái cấu hình bằng phần mềm. Có thể một số transistor không được dùng đến nhưng Freeman cho rằng việc này không quan trọng vì định luật Moore cuối cùng sẽ làm giá transistor trở nên thật rẻ. Đúng như vậy. Để tiếp thị con chip này, được gọi là FPGA (Field-Programmable Gate Array), Freeman đã sáng lập Xilinx. Khi sản phẩm đầu tiên của công ty, XC2064 ra mắt vào năm 1985, các nhân viên được giao 1 nhiệm vụ: họ phải vẽ mạch mẫu dùng các khối luận lý của XC2064, giống như khách hàng Xilinx sẽ làm.

Hiện nay các con chip FGA – được bán bởi Xilinx và các hãng khác – được dùng trong rất nhiều đồ vật và thiết bị mà không thể kể hết ra đây được.

Zilog Z80 Microprocessor
Federico Faggin biết rõ chi phí và nhân lực cần để tiếp thị 1 bộ vi xử lý. Khi làm việc tại Intel ông đã góp phần tạo ra 2 thiết kế có ảnh hưởng lớn về sau: 4004 và 8080. Khi ông lập hãng Zilog cùng một đồng nghiệp tại Intel là Ralph Ungermann, họ quyết định khởi đầu với cái gì đó đơn giản hơn: bộ vi điều khiển 1 chip duy nhất.

Faggin và Ungermann thuê văn phòng ở thị trấn Los Altos, California (Mỹ), phác thảo kế hoạch kinh doanh và đi tìm nguồn vốn đầu tư. Họ ăn trưa tại một siêu thị gần Safeway với “bánh quy và phó mát Camenmbert”.

Hai kỹ sư này sớm nhận ra thị trường vi điều khiển đầy những con chip rất tốt. Thậm chí nếu con chip của họ tốt hơn chip của các hãng khác đi nữa thì họ cũng chỉ kiếm được lợi nhuận khiêm tốn và sẽ phải tiếp tục ăn trưa với phó mát và bánh quy. Họ quyết định Zilog phải hướng đến mục tiêu cao hơn - dây chuyền thực phẩm, thế là dự án vi xử lý Z80 ra đời.

Mục tiêu của dự án này là vượt qua 8080 đồng thời có khả năng tương thích hoàn toàn với phần mềm 8080, để lôi kéo khách hàng khỏi Intel. Nhiều tháng trời, Faggin, Ungermann và Masatoshi Shima, một cựu kỹ sư Intel, 80 giờ mỗi tuần gập người trên bàn vẽ các mạch Z80.

Nhóm làm việc vất vả suốt từ 1975 đến 1976. Cuối cùng họ có bản mẫu chip vào tháng 3 năm 1976. Z80 cùng thời với con chip 6502 của MOS Technology, và giống con chip đó, nó nổi bật không chỉ vì thiết kế xuất sắc mà còn vì giá cực rẻ (khoảng 450.000đ). Tuy nhiên, việc đưa sản phẩm này ra thị trường mất nhiều công sức. “Đó là thời gian khắc nghiệt”, Faggin nhớ lại.

Nhưng cuối cùng việc bán chip cũng hanh thông. Z80 hiện diện trong hàng ngàn sản phẩm, bao gồm Osbone I (máy tính có thể “mang đi” đầu tiên), Radio Shack TRS 80 và các máy tính gia đình MSX, cũng như các máy in, máy fax, photocopy, modem và vệ tinh. Zilog hiện vẫn còn sản xuất Z80 được dùng phổ biến trong các hệ thống nhúng. Với cấu hình cơ bản hiện nay nó có giá 5,73 USD – rẻ hơn một bữa ăn trưa với bánh quy và phó mát.

Sun Microsystems SPARC Processor
Đầu thập niên 1980, các kiến trúc sư vi xử lý luôn tìm cách để tăng độ phức tạp của tập lệnh CPU nhằm cho phép thực hiện được nhiều tác vụ hơn trong mỗi xung nhịp máy tính. Nhưng rồi 1 nhóm tại đại học California, Berkerley, đề xuất giải pháp ngược lại: đơn giản hóa tập lệnh để có thể xử lý các lệnh với tốc độ cực nhanh nhờ đó thực hiện được nhiều lệnh hơn trong mỗi xung nhịp. Nhóm Berkerley, dẫn dắt bởi David Patterson, gọi giải pháp này là RISC, viết tắt của Reduce Instruction Set Computing.

Về lý thuyết, RISC có vẻ tuyệt. Nhưng liệu nó có thể thâm nhập thị trường? Sun Microsystems đã đánh cược vào điều đó. Năm 1984, một nhóm kỹ sư của Sun bắt tay phát triển bộ xử lý RISC 32-bit gọi là SPARC (Scalable Processor Architecture). Mục tiêu là dùng các chip này trong dòng máy trạm mới. Scott McNealy, khi đó là giám đốc điều hành của Sun, đã cho rằng “SPARC sẽ đưa Sun từ công ty có doanh thu 500 triệu USD/năm trở thành công ty có doanh thu 1 tỷ USD/năm”,.

Nhưng nhiều người ngoài Sun nghi ngờ, cho rằng Sun có thể thất bại. Tệ hơn, đội ngũ tiếp thị của Sun còn có một nhận định khủng khiếp: SPARC đánh vần ngược là CRAPS! (trò chơi súc sắc). Các thành viên của nhóm phát triển phải thề không tiết lộ từ đó cho bất kỳ ai thậm chí người trong công ty – vì sợ từ này lọt đến tai của đối thủ tinh quái MIPS Technologies, hãng cũng đang khai thác ý tưởng RISC.

Phiên bản đầu tiên của SPARC tối giản gồm “20.000 cổng, thậm chí không có các lệnh nhân/chia số nguyên”, theo Robert Garner, kiến trúc sư trưởng của SPARC, hiện nay là nhà nghiên cứu tại IBM. Tuy nhiên, với 10 triệu lệnh mỗi giây, nó chạy nhanh khoảng gấp 3 lần các BXL CISC (complex instruction set computer) hồi đó.

Sun dùng SPARC để chạy các máy trạm và máy chủ đem lại lợi nhuận nhiều năm sau. Sản phẩm dựa trên SPARC đầu tiên, giới thiệu năm 1987, là dòng máy trạm Sun-4, sản phẩm này nhanh chóng thống trị thị trường và giúp đưa doanh thu của công ty vượt qua mốc 1 tỷ USD mà McNealy tiên đoán.

Tripath Technology TA2020 AudioAmplifier
Có một bộ phận những người sành nghe nhạc cho rằng các bộ khuếch đại (ampli) dùng đèn cho âm thanh là tốt nhất và sẽ không có gì hơn được. Vì vậy giới nghe nhạc xôn xao khi nghe có tuyên bố cho rằng ampli lớp D thể rắn (solid-state class-D), được chế tạo bởi 1 công ty ở thung lũng Silicon có tên là Tripath Technology, cho âm thanh không thua ampli đèn. Kỹ thuật của Tripath là dùng 1 hệ thống tạo xung 50MHz để điều khiển ampli. Công ty này khoe rằng sản phẩm TA2020 của mình cho hiệu suất tốt hơn và rẻ hơn bất kỳ ampli thể rắn tương đương nào. TA2020 sử dụng điện năng hiệu quả, không yêu cầu bộ tản nhiệt và có thể chế tạo thành một khối gọn. Phiên bản 15W cấp thấp của TA2020 được bán với giá 3USD (khoảng 48.000đ) và được dùng cho các hệ thống rạp hát gia đình, hệ thống âm thanh cao cấp và TV của các hãng Sony, Sharp, Toshiba và nhiều hãng khác. Sau đó, các công ty bán dẫn lớn theo kịp, tạo các chip tương tự và đưa Tripath vào quên lãng. Tuy nhiên, các con chip của hãng đã tạo nên dấu ấn sâu đậm. Các bộ khuếch đại âm thanh dựa trên TA2020 hiện vẫn còn được các công ty như 41 Hz Audio, Sure Electronics và Winsome Labs chế tạo.

Amati Communications Overture ADSL Chip Set
Khi DSL xuất hiện, các modem 56,6 Kbps bị vứt bỏ thảm hại. Hai phần ba người dùng băng rộng trên thế giới - những người dùng DSL nên cám ơn Amati Communications, một công ty nhỏ thuộc đại học Standford. Vào những năm 1990, công ty này đưa ra giải pháp điều chế DSL gọi là đa âm rời rạc, hay DMT (discrete multitone). Về cơ bản đây là phương thức làm cho một đường điện thoại hoạt động như hàng trăm kênh con và cải thiện việc truyền tải dùng giải thuật Robin Hood ngược. John M. Cioffi, người đồng sáng lập Amati và giờ là giáo sư công nghệ tại Standford, giải thích: “Các bit được lấy khỏi những kênh kém nhất để dành cho những kênh tốt nhất”. DMT đánh bại các giải pháp cạnh tranh – bao gồm các giải pháp từ các hãng khổng lồ như AT&T – và trở thành chuẩn toàn cầu cho DSL. Vào giữa thập niên 1990, bộ chip DSL của Amati (1 chip analog, 2 chip kỹ thuật số) được bán với số lượng hết sức khiêm tốn, nhưng đến năm 2000, số lượng tăng lên hàng triệu. Đầu những năm 2000, số lượng bán ra vượt 100 triệu chip mỗi năm. Texas Instruments đã mua lại Amati vào năm 1997.

Motorola MC68000 Microprocessor
Motorola tham gia thị trường vi xử lý 16-bit muộn, vì vậy hãng quyết định tạo phong cách riêng. MC6800 16-bit/32-bit “đóng gói” 68.000 transistor, hơn gấp đôi số transistor của Intel 8086. Nó có các thanh ghi nội 32-bit, nhưng bus 32-bit làm đội giá thành, vì vậy 68000 dùng địa chỉ 24-bit và các đường dữ liệu 16-bit. 68000 dường như là bộ xử lý quan trọng cuối cùng được thiết kế dùng bút chì và giấy. Chip 68000 tìm được cách thâm nhập các máy tính Macintosh đầu tiên, cũng như các máy Amiga và Atari ST. Và 68000 có được thành công thương mại với các ứng dụng nhúng trong các máy in laser, máy chơi game và các bộ điều khiển công nghiệp. Nhưng 68000 cũng gây nên một trong những mất mát gần như lớn nhất lịch sử, đó là Pete Best, thành viên của nhóm thiết kế, đã bị mất vị trí tay trống trong nhóm nhạc lừng danh Beatles. IBM đã muốn dùng 68000 trong dòng máy tính cá nhân của mình, nhưng hãng này đã chọn 8088 của Intel vì 68000 lúc đó còn khan hiếm. Nếu không, có thể đã không có đế chế “2 vua” Windows-Intel được biết đến với cái tên Wintel hiện nay.

Chips & Technologies AT Chip Set
Vào năm 1984, khi IBM giới thiệu dòng PC 80286 AT, công ty này đã nổi lên như người thống trị hiển nhiên trong địa hạt máy tính để bàn và vẫn muốn duy trì sự thống trị của mình. Nhưng kế hoạch của Big Blue bị sụp đổ bởi một công ty nhỏ xíu có tên Chips & Technologies, có trụ sở tại San Jose, California (Mỹ). C&T đã phát triển 5 chip bắt chước tính năng của bo mạch AT dùng khoảng 100 chip. Các kỹ sư của C&T đã xác định việc duy nhất phải làm đó là đảm bảo bộ chip này tương thích với IBM PC. Các chip của C&T cho phép các nhà sản xuất như Acer của Đài Loan chế tạo máy tính rẻ hơn và kích hoạt quá trình xâm lấn của PC nhái. Intel đã mua lại C&T vào năm 1997.

Computer Cowboys Sh-Boom Processor
Hai nhà thiết kế chip vào một quán bar. Đó là Russell H. Fish III và Chuck H. Moore, còn quán bar có tên là Sh-Boom. Đây thật sự là một phần của câu chuyện công nghệ đầy ắp những mối bất hòa và kiện tụng, rất nhiều kiện tụng. Mọi chuyện bắt đầu vào năm 1988 khi Fish và Moore tạo ra 1 BXL kỳ lạ gọi là Sh-Boom. Con chip này có thể chạy nhanh hơn đồng hồ trên bo mạch điều khiển phần còn lại của máy tính. Vì vậy 2 nhà thiết kế này đã tìm ra cách để buộc BXL này chạy đồng hồ bên trong cực nhanh của riêng nó, trong khi vẫn giữ đồng bộ với phần còn lại của máy tính. Sh-Boom không hề đạt được thành công thương mại, sau khi có bằng phát minh liên quan đến con chip này, Moore và Fish chia tay. Fish sau đó bán phát minh của mình cho Patriot Scientific, một công ty có trụ sở tại Carlsbad, California, phát minh này vẫn không đem lại lợi nhuận cho đến khi các quan chức của công ty phát hiện ra một điều: nhiều năm qua kể từ phát minh ra Sh-Boom, tốc độ các BXL đã vượt xa bo mạch chủ, vì vậy hầu như mọi nhà sản xuất máy tính và thiết bị điện tử tiêu dùng đều áp dụng giải pháp giống hệt phát minh của Fish và Moore. Vậy là Patriot xúc tiến một loạt vụ kiện chống lại các công ty Mỹ và Nhật. Việc các con chip của các công ty này có dựa trên ý tưởng Sh-Boom hay không là vấn đề gây tranh cãi. Nhưng từ năm 2006, Patriot và Moore đã thu về trên 125 triệu USD phí bản quyền cấp cho Intel, AMD, Sony, Olympus và các hãng khác. Về cái tên SH-Boom, Moore, giờ làm việc cho IntellaSys ở Cupertino, California, nói: “nó tình cờ nảy sinh từ tên của quán bar nơi Fish và tôi uống rượu”.

Intel 1702 2048-bit EPROM Chip
Tia tử ngoại (UV) được biết đến là công cụ diệt vi khuẩn hiệu quả. Nhưng vào thập niên 1970 và 1980, nó cũng được dùng để “diệt” dữ liệu. Các con chip nhớ chỉ đọc có thể lập trình và có thể xoá, được gọi là EPROM, có cửa sổ thạch anh nhỏ qua đó người ta chiếu tia UV để xóa sạch dữ liệu và lập trình lại. Khi Dov Frohman-Bentchkowsky, kỹ sư làm việc cho Intel, giới thiệu ý tưởng này tại hội thảo IEEE International Solid-State Circuits Conference năm 1971, nó đã gây xôn xao trong giới công nghệ. Thời đó, các chip nhớ hoặc hoàn toàn không thể lập trình lại hoặc có thể lập trình lại nhưng bị mất dữ liệu khi mất nguồn (chip ROM được ghi dữ liệu lúc sản xuất và bất biến). Intel 1702 là chip EPROM đầu tiên, nó có thể chứa 2 kilobit dữ liệu.

Microchip Technology PIC 16C84 Microcontroller
Những năm đầu thập niên 1990, thế giới vi điều khiển 8-bit thuộc về gã khổng lồ Motorola. Sau đó xuất hiện đối thủ nhỏ bé với cái tên rất thường, Microchip Technology. Microchip đã phát triển PIC 16C84 tích hợp một loại bộ nhớ gọi là EEPROM viết tắt của Electrical Erasable Programmable Read-Only Memory (bộ nhớ chỉ đọc có thể xóa bằng điện). Nó không cần dùng đến tia tử ngoại để xóa như các loại EPROM trước đó. Hơn nữa, chip này có giá chưa đến 5USD, chỉ bằng ¼ giá của các chip cạnh tranh khác mà hầu hết thuộc hãng Motorola. Tính đến nay đã có khoảng 6 tỉ con chip 16C84 được bán ra, nó được dùng trong các thẻ thông minh, thiết bị điều khiển từ xa, thiết bị bắn pháo hoa điều khiển bằng chip, thiết bị hàng không vận hành tự động...

Toshiba NAND Flash Memory
Trước khi bộ nhớ flash ra đời, cách duy nhất để lưu cái mà khi đó được cho là lượng dữ liệu lớn là dùng băng từ, đĩa mềm và đĩa cứng. Nhiều công ty cố gắng tạo giải pháp thay thế thể rắn, nhưng các lựa chọn như EPROM và EEPROM (thêm chữ E của “electrical”) không thể lưu lượng dữ liệu lớn một cách kinh tế.

Năm 1980, một nhà quản lý phân xưởng của Toshiba tên là Fuijio Masuoka đã tuyển 4 kỹ sư cho một dự án bí mật thiết kế một chip nhớ có thể lưu trữ nhiều dữ liệu với giá chấp nhận được. Chiến lược đơn giản: “chi phí của con chip sẽ liên tục giảm khi transistor được thu nhỏ kích thước”, Masuoka cho biết. Ông giờ là giám đốc kỹ thuật của Unisantis Electronics ở Tokyo.

Nhóm của Masuoka đưa ra nhiều biến thể EEPROM có đặc điểm 1 ô nhớ chỉ gồm 1 transistor. Vào lúc đó, EEPROM thông thường có 2 transistor mỗi ô nhớ. Một khác biệt nhỏ nhưng ảnh hưởng lớn đến chi phí.

Để có một cái tên hấp dẫn, họ chọn “flash” vì khả năng xóa cực nhanh của chip này. Nếu bạn nghĩ Toshiba vội vã đưa phát minh này vào sản xuất và chờ tiền đổ về thì bạn không hiểu rõ về cách các tập đoàn lớn thường đối xử với những sáng tạo nội bộ. Cấp trên của Masuoka tại Toshiba đã ra lệnh cho ông từ bỏ ý tưởng đó đi.

Dĩ nhiên Masuoka không làm như vậy. Năm 1984 ông trình tài liệu thiết kế bộ nhớ của mình tại hội thảo quốc tế về thiết bị điện tử của IEEE tổ chức tại San Francisco. Thiết kế này đã gợi ý cho Intel bắt đầu phát triển một dạng bộ nhớ flash dựa trên cổng luận lý NOR. Năm 1988, công ty này đã giới thiệu chip 256 kilobit được dùng trong xe hơi, máy tính và các vật dụng phổ thông khác, tạo nên một công việc kinh doanh tốt đẹp cho Intel.

Điều đó làm cho Toshiba cuối cùng quyết định đưa phát minh của Masuoka ra thị trường. Chip flash của ông dựa trên công nghệ NAND, cung cấp mật độ lưu trữ lớn hơn nhưng khó sản xuất. Thành công đến vào năm 1989 khi chip flash NAND đầu tiên của Toshiba ra mắt thị trường. Đúng như Masuoka tiên đoán, giá liên tục hạ.

Kỹ thuật ảnh số mang lại cho flash một lực đẩy lớn vào cuối thập niên 1990 và Toshiba trở thành một trong những tay chơi lớn nhất trong thị trường nhiều tỉ đô la. Tuy nhiên, đồng thời, mối quan hệ của Masuoka với các quan chức khác rạn nứt, và ông rời Toshiba.

Giờ đây bộ nhớ flash NAND là thành phần quan trọng trong mọi điện thoại di động, máy ảnh, máy chơi nhạc và dĩ nhiên, trong các ổ USB mà dân kỹ thuật thích mang theo mình.

IBM/Sony/Toshiba Cell Processor (2004)
Lấy một mẩu silicon; đưa vào đó 1 bộ xử lý PowerPC; thêm 8 bộ đồng xử lý tính toán cực nhanh; và tất cả kết nối qua bus dữ liệu 300-gigabit; kết quả cho ra 1 trong những chip vi xử lý độc đáo nhất trong lịch sử bán dẫn – Cell, được phát triển bởi IBM, Sony và Toshiba. Nó ngốn của các công ty này 400 triệu USD, 400 nhân lực và 4 năm để đưa chip ra thị trường. Được thiết kế để xử lý các luồng MPEG (phim), game 3D và biến đổi Fourier, Cell được dùng trong Sony PlayStation 3, các máy chủ cao cấp và siêu máy tính. Các nhà khoa học máy tính và các nhà lập trình tranh nhau tìm cách khai thác tiềm năng của Cell. 5 năm sau, họ vẫn tiếp tục mày mò.

Philips Semiconductors TDA93xx TV Processor
Nhân viên tiếp thị của Philips gọi nó là “bộ xử lý TV trên 1 chip tuyệt vời”. Các kỹ sư Philips thì gọi nó là TDA93xx. Đơn giản đây là chip tích hợp 1 bộ xử lý tín hiệu TV, 1 bộ giải mã thuyết minh và 1 nhân vi điều khiển. Philips tạo ra nó bằng cách kết hợp mạch CMOS (complementary-metal-oxide semiconductor) thông thường với BiMOS analog, một sự kết hợp của công nghệ CMOS và lưỡng cực. Chip này hỗ trợ 3 chuẩn TV quốc tế (PAL, NTSC và SECAM), và bằng cách thêm bộ vi điều khiển, Philips loại bỏ nhu cầu có nhiều thành phần khác nhau. Các nhà sản xuất TV thích con chip này. Bộ phận bán dẫn của Philips, giờ đây được biết đến với cái tên NXP – ước tính đã bán ra trên 850 triệu con chip.

Lucent WaveLAN IEEE Wi-Fi Chip Set
Duyệt web không dây trong khi nhấm nháp cà phê thật tuyệt – rất ít người tranh cãi điều này. Nhưng việc tạo ra công nghệ không dây này lại liên quan đến những cuộc tranh cãi nảy lửa giữa các công ty công nghệ hùng mạnh nhất. Trước khi Wi-Fi xuất hiện, có rất nhiều chuẩn không dây “ngự trị” trên không; mỗi công ty dùng một công nghệ riêng của mình. Chỉ có kỹ sư người Hà Lan tên Vic Hayes – được trang bị các kỹ năng ngoại giao tầm cỡ Liên Hợp Quốc (UN) – mới có thể đưa tất cả các công nghệ trên vào “cùng 1 giỏ”. Với tư cách chủ tịch của nhóm IEEE 802.11 Working Group, Hayes tập hợp thành chuẩn mạng không dây mà sẽ hiện diện khắp nơi từ trong nhà, văn phòng, trường học, sân bay và... dĩ nhiên cả tiệm cà phê. Năm 1996, nhóm này đưa ra phiên bản đầu tiên của chuẩn 802.11. Sau đó Hayes mang nó đến phòng công nghệ của công ty mình, Lucent Technologies, và đồng sự của ông trong nhóm cũng làm tương tự. Dĩ nhiên, việc soạn thảo chuẩn là một việc; còn việc hiện thực nó trong silicon lại trong 1 sản phẩm có thể mang lại lợi nhuận là một việc khác. Lucent thuộc số công ty đầu tiên tạo ra bộ chip 802.11 được giới thiệu vào năm 1998 với cái tên WaveLAN IEEE, được bán chung với các router và modem không dây. Bộ chip này sớm được cập nhật để hỗ trợ phiên bản 802.11b cho phép truyền dữ liệu ở tốc độ lên đến 11 megabit/s và giúp công nghệ Wi-Fi trở nên phổ biến. Lucent không thu lợi nhiều từ dòng WaveLAN IEEE; hãng tách bộ phận bán dẫn thành Agere Systems vào năm 2000 và đặt lại tên chip là Orinoco, sau đó được Proxim mua lại. Từ đó, Wi-Fi có được cuộc sống riêng, và giờ đây chip Wi-Fi của các hãng Atheros, Broadcom, Cisco, Intel, Marvell và nhiều hãng khác là thành phần của mọi máy tính.

AMD Opteron Processor
Kể từ khi thành lập vào năm 1969, Advanced Micro Devices (AMD) đã có chỗ đứng trên thị trường IC. Những con chip luận lý vào thời kỳ đầu của công ty, rồi đến bộ vi xử lý AMD 9080 (một bản sao của Intel 8080 8-bit) và dòng chip 4-bit Am2900 có thể nhóm lại để tạo các bộ điều khiển 8 hay 16 bit. Nhưng gần đây nhất, chip AMD thật sự nổi bật là BXL Opteron 64-bit. CPU này mở rộng tập lệnh 32-bit sang kiến trúc 64-bit. Hơn thế nữa, nó tích hợp 1 bộ điều khiển bộ nhớ nhúng và 1 kết nối trong chip-chip tốc độ cao. Opteron nhắm đến server, nhưng AMD sớm chuyển sáng tạo của mình thành Athlon 64 nhắm đến các PC phổ thông. Hai BXL AMD mạnh mẽ này cho phép người dùng thực hiện các tác vụ tính toán mà trước đây chỉ dành cho những hệ thống RISC đắt đỏ. Chip này cũng buộc Intel bổ sung những khả năng tương tự cho các BXL x86 của mình.

IBM POWER Processor
Bạn đã nghe tới IBM PC. Nhưng có từng nghe về IBM RT? Đó là 1 máy trạm Unix chưa từng đem lại nhiều lợi nhuận cho IBM nhưng là một cột mốc quan trọng đối với Big Blue. Đó là vì RT dùng 1 BXL tiên phong dựa trên khái niệm RISC (RT tượng trưng cho RISC Technology). Từ đó, IBM tiếp tục phát triển các chip RISC khác có ảnh hưởng mạnh về sau: POWER và PowerPC. Hai họ CPU 32-bit này là trái tim của nhiều server, máy trạm và siêu máy tính đình đám của IBM. Dòng sản phẩm server và máy trạm đầu tiên dùng BXL POWER là RISC System/6000 (hay RS/6000) được giới thiệu năm 1990. 4 năm sau, RS/6000 được nâng cấp với BXL PowerPC mới mà IBM đã hợp tác với Apple và Motorola phát triển. Nhiều BXL tiếp sau, bao gồm các CPU chịu được phóng xạ, các phiên bản dành cho máy chơi game như Nintendo Wii, Microsoft Xbox 360 và BXL Cell đa nhân.

Communications Services RFID
Mario Cardullo phát minh ra thiết bị nhận dạng tần số vô tuyến (RFID) đầu tiên vào năm 1969. Đây thật sự không phải là 1 con chip mà là 1 mạch có kích cỡ 1 con chip trong đó có 1 bộ thu, 1 bộ phát và bộ nhớ 16 bit không mất. Khi đó không được gọi là RFID. Phát minh của ông được nộp vào năm 1970 và đưa ra vào năm 1973 – được gọi là “hệ thống và dụng cụ thu phát”. Cardullo thành lập Communication Services Corp. để tiếp thị hệ thống này. Ông nghĩ nó có thể dùng cho việc thu phí điện tử và nhiều thứ khác. Communication Services không hề bán được hệ thống này. Năm 1990, bằng phát minh hết hạn. Nhưng Cardullo không phải là người duy nhất nghĩ đến các thiết bị nhận dạng có thể đọc từ xa. Nhiều người khác đã làm việc trên cùng ý tưởng đó để đưa công nghệ RFID ra thị trường. Hiện nay RFID được dùng trong các thẻ thông minh, thẻ ra vào, thẻ đồ đạc và hộ chiếu. Công nghệ này được dùng để giám sát thú nuôi, súc vật, kho hàng và cả con người (các con chip RFID có thể cấy vào cơ thể người).

RFID được đưa vào danh sách này vì chúng ta không thể bỏ qua RFID, nó hứa hẹn sẽ hiện diện khắp nơi và tạo nên ngành công nghiệp nhiều tỉ USD.

Danh sách ở trên không sắp xếp theo thứ tự thời gian xuất hiện, cũng không sắp xếp theo mức độ quan trọng – thật sự các con chip giới thiệu ở đây đều xứng đáng có vị trí trang trọng trong trang sử công nghệ.

Bộ xử lí ARM & Intel: Đâu là sự khác biệt
Bùi Lê Duy

(PCWorldVN) Tại sao CPU của ARM lại được nhiều nhà sản xuất chọn dùng hơn CPU của Intel cho các thiết bị dị động? Và CPU đóng vai trò như thế nào trong các thiết bị này.

• Sôi động cuộc đua chip nền ARM
• Intel vs ARM: Trận chiến định mệnh
• ARM thiết kế chip dùng transistor 3D như Intel
• Sôi động cuộc đua chip nền ARM
• Intel vs ARM: Trận chiến định mệnh

 Android hỗ trợ 3 kiến trúc bộ xử lý: ARM, Intel và MIPS, trong đó, phổ biến nhất trong cả ba thương hiệu kể trên là ARM. Intel biết tiếng là nhờ có tên tuổi trong thị trường máy tính bàn và máy chủ trong hàng chục năm qua, tuy nhiên về mảng di động, Intel lại ít có tác động. MIPS lại có bề dày lịch sử, đạt nhiều thành công cho cả hai giải pháp 32-bit và 64-bit trong nhiều mảng thị trường nhúng khác nhau. Tuy vậy, MIPS hiện ít phổ biến nhất.
Tóm lại, chỉ có ARM và Intel đang là tay chơi lớn nhất. Vậy đâu là sự khác biệt giữa bộ xử lý ARM và Intel? Tại sao ARM lại được nhiều nhà sản xuất chọn dùng hơn? Và CPU đóng vai trò như thế nào trong điện thoại thông minh và máy tính bảng?

Bộ xử lí trung tâm
CPU (central processing unit - Bộ xử lí trung tâm) vẫn giữ nguyên vai trò của nó từ trước tới nay, là “bộ não” của thiết bị điện toán. Nhiệm vụ của nó là thực thi chuỗi các lệnh để điều khiển phần cứng trên thiết bị như màn hình, modem nhận sóng di động,... nhằm làm cho nguyên một khối thiết bị trở thành chiếc điện thoại thông minh, hay máy tính bảng trở nên sống động. Thiết bị di động luôn là vật phức tạp, yêu cầu CPU phải thực thi hàng triệu tập lệnh để có thể vận hành như chúng ta mong muốn. Tốc độ xử lí và mức tiêu thụ điện năng là hai yếu tố cực kỳ quan trọng. Tốc độ ảnh hưởng đến trải nghiệm người dùng trong khi mức tiêu thụ điện năng lại ảnh hưởng đến thời gian dùng pin. Thiết bị di động hoàn hảo phải có được cả về tốc độ lẫn tiêu tốn ít điện năng.
Đó là lý do tại sao chọn lựa CPU là rất quan trọng. Một CPU ngốn điện sẽ khiến pin mau hết, nhưng một CPU hiệu quả và mạnh mẽ sẽ cho bạn cả hai thứ: tốc độ và thời gian dùng pin lâu.
Ở mức cao nhất, sự khác biệt đầu tiên giữa CPU của ARM và Intel là ARM dùng RISC (Reduced Instruction Set Computing – tập lệnh rút gọn) và Intel dùng CISC (Complex Instruction Set Computing – tập lệnh đầy đủ). Nói ngắn gọn, RISC gọn hơn, cụ thể hơn trong khi CISC lớn hơn, phức tạp hơn. Điều này có nghĩa là mỗi tập lệnh cần chuyển dịch ra từng lệnh đơn mà CPU có thể thực thi, ví dụ thêm nội dung vào hai thanh ghi (register). CISC diễn đạt một ý tưởng duy nhất nhưng CPU phải cần đến 3 hay 4 lệnh cơ bản hơn nữa thì mới có thể thực thi được. Ví dụ, một CPU CISC nhận được lệnh là cùng lúc thêm vào 2 số lưu trong bộ nhớ chính. Để làm điều này, CPU CISC cần lấy số từ địa chỉ 1 (1 công việc), lấy số từ địa chỉ 2 (công việc thứ 2), thêm hai số vào bộ nhớ (công việc thứ 3) và cứ tiếp tục như thế.
Mọi CPU hiện đại sử dụng một khái niệm gọi là microcode (vi mã), là một tập lệnh nội hàm của CPU dùng để mô tả các công việc chi tiết như trên mà CPU có thể thực hiện. Đó là những công việc ở cấp thấp nhất, nhỏ nhất mà CPU thực sự phải làm. Trên bộ xử lý RISC, các công việc trong tập lệnh phức tạp và các công việc trong tập lệnh microcode rất gần nhau. Còn trên CISC, các lệnh phức tạp cần phải chia nhỏ thành các lệnh microcode nhỏ hơn. Điều này có nghĩa là bộ giải mã tập lệnh phải làm việc nhiều hơn trên bộ nhớ CISC, còn bộ xử lý RISC thì xử lý đơn giản hơn, cũng có nghĩa là ít tốn điện và hiệu quả cao hơn.
Quy trình xử lý
Sự khác biệt lớn tiếp theo giữa bộ xử lý ARM và Intel là ARM ngay từ ban đầu đã được thiết kế với mục đích hiệu quả về điện năng. Và ARM đã tinh thông về công nghệ hướng đến yếu tố này. Tuy vậy, Intel lại rất “sành” trong việc thiết kế ra những bộ xử lý mạnh mẽ dành cho máy tính bàn và máy chủ. Đến nay, Intel vẫn dẫn đầu ngành trong thị trường máy bàn và máy chủ từ 20 năm qua. Tuy vậy, khi đến với di động, Intel lại tiếp tục sử dụng cùng cấu trúc tập lệnh CISC mà họ dùng cho máy bàn và chỉnh sửa cấu trúc ấy cho hợp với thiết bị di động.
Bộ xử lý Intel i7 trung bình sản sinh nhiệt lượng khoảng 45W. Một chip SoC của điện thoại thông minh chạy nền ARM (gồm cả GPU) có ngưỡng nhiệt lượng tối đa khoảng 3W, ít hơn 15 lần so với Intel i7. Intel hiện nay có được đội ngũ kỹ sư giỏi, hùng hậu. Bộ xử lý Atom mới nhất của họ có thiết kế nhiệt tương tự với bộ xử lý nền ARM, nhưng để làm được điều đó thì họ phải sử dụng quy trình sản xuất 22 nm mới nhất. Theo hướng này, chỉ số nanomet càng thấp thì càng hiệu quả về điện năng. Bộ xử lý ARM cũng có những đặc tính nhiệt lượng tương tự nhưng ở quy trình xử lý nanomet lớn hơn. Ví dụ, Qualcomm Snapdragon 805 sử dụng quy trình 28 nm.

Điện toán 64-bit
Khi nói đến điện toán 64-bit, cũng có vài khác biệt quan trọng giữa ARM và Intel. Bạn cần biết Intel thậm chí không phải là công ty phát minh ra bản 64-bit của tập lệnh x86 của họ. Trước đây còn có tên là x86-64 (hoặc đôi khi chỉ vắn tắt là x64), tập lệnh này thực chất do AMD thiết kế. Câu chuyện là Intel muốn đi lên điện toán 64-bit nhưng nếu sử dụng kiến trúc 32-bit x86 để tạo ra bản 64-bit là không hiệu quả. Vì vậy, Intel khởi động một dự án bộ xử lý 64-bit mới tên là IA64. Và kết quả là dòng bộ xử lý Itanium ra đời. Trong khi đó, AMD biết họ không thể sản xuất được bộ xử lý tương thích IA64 nên AMD đi trước một bước khi mở rộng thiết kế x86 để có thể tương thích được với bộ định địa chỉ và thanh ghi 64-bit. Kết quả là kiến trúc mang tên AMD64 ra đời, trở thành chuẩn 64-bit không chính thức dành cho bộ xử lý x86.
Dự án IA64 chưa bao giờ đạt được thành công mỹ mãn và đến nay đã đi vào ngõ cụt. Cuối cùng, Intel cũng phải chấp nhận AMD64. Các sản phẩm di động hiện thời của Intel là bộ xử lý 64-bit sử dụng tập lệnh 64-bit do AMD thiết kế nhưng có vài khác biệt nhỏ.
Còn với ARM, câu chuyện lại khác đi. Nhận thấy nhu cầu điện toán 64-bit cho di động, ARM công bố kiến trúc ARMv8 64-bit hồi năm 2011. Đây là kết quả của quá trình nhiều năm nghiên cứu về kiến trúc tập lệnh (ISA, instruction set architecture) ARM thế hệ tiếp theo. Kiến trúc ARMv8 sử dụng hai trạng thái thực thi, AArch32 và AArch64.
Giống như tên của hai trạng thái này, ARMv8 chạy mã 32-bit bằng AArch32 và mã 64-bit bằng AArch64. Điểm nhấn của thiết kế ARM là bộ xử lý có thể chuyển đổi qua lại giữa hai trạng thái rất mượt trong suốt quá trình vận hành. Bộ giải mã cho các lệnh 64-bit hoàn toàn mới, không cần tương thích với bộ giải mã 32-bit. Tuy vậy, bộ xử lý này lại có vấn đề về khả năng tương thích ngược.

AMD64 trở thành chuẩn 64-bit không chính thức dành cho bộ xử lý x86

Điện toán không đồng nhấtKiến trúc big.LITTLE (kiểu chơi chữ: ý nói nhỏ nhưng lớn, lớn nhưng nhỏ) của ARM là một cải tiến mà Intel không thể bắt kịp. Trong big.LITTLE, các nhân CPU không cần cùng loại. Trước nay, một bộ xử lý nhân đôi hay nhân tứ có 2 hoặc 4 nhân cùng loại. Vì vậy, bộ xử lý Atom nhân đôi có hai nhân x86-64 giống nhau, đều có tốc độ xử lý như nhau và sử dụng cùng mức năng lượng. Nhưng với big.LITTLE, ARM đưa ra khái niệm điện toán không đồng nhất (heterogeneous computing) cho thiết bị di động. Điều này có nghĩa là các nhân có thể khác nhau về tốc độ xử lý lẫn điện năng tiêu thụ. Khi thiết bị di động không phải làm nhiều việc thì nhân điện năng thấp chạy, nhưng khi tải các ứng dụng nặng như game thì nhân tốc độ cao sẽ vào cuộc.
Nhưng đây mới là điều kỳ diệu. Khi nói về thiết kế CPU, có một loạt quyết định quan trọng về mặt thiết kế ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ xử lý và lượng điện năng tiêu tốn của bộ xử lý. Khi một lệnh được giải mã và chuẩn bị được đưa vào thực thi thì CPU (cả ARM lẫn Intel) sử dụng luồng pipeline, điều này nghĩa là mỗi một phần của quy trình giải mã lệnh ấy đều đang được xử lý song song. Nên giai đoạn 1 là CPU đi lấy lệnh từ bộ nhớ, sau đó giai đoạn 2 là lọc ra loại lệnh nào cần được kiểm tra và giải mã, giai đoạn 3 là lệnh đó sẽ được thực thi, và cứ tiếp tục vòng lặp như vậy. Điểm hay của luồng xử lý pipeline là trong khi lệnh đầu tiên đang ở giai đoạn 2 thì lệnh tiếp theo đã nằm ở giai đoạn 1. Khi lệnh đầu tiên đang ở giai đoạn 3 thì lệnh thứ 2 đã đến giai đoạn 2 và lệnh thứ 3 đang ở giai đoạn 1, liên tục như vậy.
Để đẩy nhanh tiến độ thì luồng pipeline này được chỉnh sửa để lệnh có thể được thực thi theo một trật tự khác một chương trình thông thường. Có một nguyên tắc logic để quy định lệnh tiếp theo là gì dựa trên nội dung của lệnh trước đó. Cả Intel và ARM đều đưa ra nguyên tắc logic riêng nhưng đó là công nghệ phức tạp. Phức tạp ở đây có ý là tốn nhiều điện năng để xử lý. Trên bộ xử lý Intel, các nhà thiết kế chọn cách áp dụng một lệnh nào đó có cần được sắp xếp để thực thi hay không. Nhưng với điện toán bất đồng thì không là vấn đề. Nhân ARM Cortex-A53 đưa hết các lệnh vào thực thi mà không cần sắp xếp, nghĩa là ít tốn điện năng hơn; còn nhân Cortex-A57 thì sắp xếp lệnh đầu vào, nghĩa là chạy nhanh hơn nhưng tốn nhiều điện năng hơn. Trong bộ xử lý big.LITTLE, có cả hai nhân Cortex-A53 và Cortex-A57 và hai nhân này được sử dụng tuỳ vào nhu cầu. Bạn không cần đến một lệnh thực thi cực nhanh nào chỉ để âm thầm đồng bộ email nhưng bạn lại cần lệnh đó khi chơi game. Vậy nhân thích hợp cần dùng đúng thời điểm.
Nguyên tắc sử dụng logic phức tạp trong bộ xử lý để tăng tốc độ xử lý và logic đơn giản để tiết kiệm điện không chỉ đơn thuần là áp dụng cho dòng lệnh pipeline. Nguyên tắc này cũng áp dụng cho các đơn vị tính toán dấu chấm động cho đến logic SIMD (như NEON trên ARM và SSE/MMX trên Intel) và cách mà bộ đệm cache L1 và L2 chạy. Intel đưa ra một giải pháp cho mỗi chip Atom SoC, còn ARM thông qua đối tác của họ, đưa ra được nhiều cấu hình nhân xử lý, nhiều nhân trong số này có thể đặt đồng thời trên một tấm silicon.

Tính tương thích
ARM hiện dẫn đầu thị trường về bộ xử lý di động. Các đối tác của ARM đã xuất khoảng 50 tỉ chip dựa trên thiết kế của ARM cho mọi thiết bị di động và thiết bị nhúng trên thị trường. Đối với Android, ARM là chuẩn không chính thức và hiện thực này đang tạo ra vấn đề đối với Intel và MIPS. Mặc dù Android sử dụng Java là ngôn ngữ lập trình chủ đạo nhưng nó cũng cho phép các nhà lập trình tận dụng mã nguồn (như C, C++) hiện thời để tạo ứng dụng. Nhưng nhìn chung, những ứng dụng được thiết kế riêng (native) đều được biên dịch cho bộ xử lý ARM, còn với Intel và MIPS thì không. Để giải quyết điều này, Intel và MIPS cần dùng một phần mềm chuyển dịch chuyên biệt để chuyển đổi các lệnh ARM thành mã nguồn cho bộ xử lý của họ. Điều này lại tác động đến hiệu năng. Tính đến nay, MIPS và Intel có thể khẳng định tính tương thích chip của họ với các app trên Play Store đạt khoảng 90%. Con số này đạt gần đến 100% đối với 150 app nằm trong top đầu. Một mặt, đây có thể là dấu hiệu tốt nhưng mặt khác, nó lại cho thấy sự thống trị của ARM mà các nhà thiết kế bộ xử lý khác cần phải tạo thêm một lớp tương thích nữa.

Kết luận
Tạo một CPU là ngành kinh doanh phức tạp. ARM, Intel và MIPS đều đang nỗ lực hết mình để mang ra thị trường công nghệ tốt nhất cho thiết bị di động. Tuy nhiên, rõ ràng ARM đang đi đầu. Họ tập trung tốt và điện năng tiêu tốn của bộ xử lý, thiết lập 64-bit gọn đẹp, điện toán không đồng nhất và họ gần như trở thành chuẩn trong ngành điện toán di động.

Khi chuyển sang điện toán 64-bit, có nhiều khác biệt lớn giữa ARM và Intel

PC World VN, 12/2014

Bộ xử lý 64-bit đầu tiên của ARM cho máy chủ và smartphone
Mai Phương

ARM sẽ công bố bộ xử lý 64-bit đầu tiên của mình dành cho máy chủ và điện thoại thông minh (smartphone) thế hệ mới vào cuối năm nay và hỗ trợ thêm phần mềm cho nó.

Bộ xử lý 64-bit đầu tiên của ARM sắp được cấp phép bản quyền cho các nhà sản xuất thiết bị, và nó dựa trên kiến trúc ARMv8 từng được thông báo vào tháng 10/2011.Bộ xử lý 64-bit này sẽ được sản xuất khối lượng lớn vào năm 2014 sau khi có thể thâm nhập vào các thiết bị. Nó có thể thúc đẩy các smartphone 64-bit đầu tiên xuất hiện, cho hiệu suất tốt hơn so với các thiết bị dựa trên bộ xử lý ARM hiện hỗ trợ 32-bit.
Bộ xử lý kiến trúc 64-bit cũng có thể hỗ trợ các ứng dụng trong môi trường Windows và Linux. Các bộ xử lý hiện được gán tên mã Atlas và Apollo cho đến khi phiên bản cuối cùng được công bố.
Hầu hết các smartphone và tablet hiện nay dùng bộ vi xử lý ARM, và ARM đang cố gắng có một chỗ đứng vững chắc ở thị trường máy chủ mà Intel đang vượt trội. ARM đã phát triển về kiến trúc, thiết kế bộ vi xử lý và cấp giấy phép sử dụng bộ xử lý cho các hãng gồm Apple, Texas Instruments, Nvidia, Samsung và Qualcomm.
ARM đã cấp 4 bản quyền kiến trúc ARMv8 64-bit cho Nvidia và AppliedMicro Circuits và một số hãng khác sẽ được thông báo vào cuối năm nay. Nvidia đang triển khai ARMv8-A với tên mã Project Denver dành cho smartphone, tablet, máy tính PC và máy chủ. Hồi năm ngoái, nhà sản xuất chip AppliedMicro đã giới thiệu chip 64-bit với tốc độ 3GHz.
Có một khoảng cách vài năm giữa việc giới thiệu bộ xử lý ARM và thời gian chip được triển khai trên các thiết bị. Ví dụ, ARM đã giới thiệu bộ xử lý Cortex-A9 32-bit vào năm 2007 và chip này có mặt trên tablet và smartphone vào cuối năm ngoái. Vào năm 2010, ARM đã giới thiệu kiểu thiết kế Cortex-A15 và nó có thể xuất hiện trên một số thiết bị vào cuối năm 2012 này.
Smartphone sẽ cần chip 64-bit dành cho các thiết bị chạy nhiều ứng dụng đa phương tiện và khi đó các nhà sản xuất thiết bị sẽ chuyển sang khoang chứa bộ nhớ lớn hơn. Đối với máy chủ thì việc trang bị bộ xử lý 64-bit là điều hiển nhiên do các ứng dụng và yêu cầu hiện tại đòi hỏi. ARM đã đưa các bộ xử lý vào các trung tâm dữ liệu xanh và các nhà sản xuất máy chủ thông báo đã trải nghiệm bộ vi xử lý Cortex-A9. HP đã công bố thiết kế máy chủ dựa trên ARM, còn Nvidia thì kết hợp chip Tegra 3 với các bộ xử lý đồ họa trong một siêu máy tính ở Barcelona.

ARM cũng hỗ trợ việc thiết lập phần mềm nhằm tăng tốc bộ vi xử lý 64-bit ở các máy chủ. Ví dụ, bản hệ điều hành Ubuntu dựa trên Linux đã được giới thiệu và Red Hat có dự định triển khai ARMv8. Về mặt máy chủ, ARM có thể gặp khó khăn khi “chạm trán” với Intel, hiện đang cung cấp chip x86 trong nhiều năm qua và tỏ ra chiếm ưu thế ở thị trường máy chủ.
Gần đây, Intel cũng nhảy vào cuộc đua di động với ARM bằng bộ xử lý 32-bit Medfield dành cho smartphone. Intel cũng tiến tới bộ xử lý 64-bit dành cho smartphone với một số tinh chỉnh. Tuy nhiên, điều này không làm ARM “nao núng” vì hiện ARM đang vượt trội tại thị trường này và nhu cầu đối với bộ xử lý 64-bit trên smartphone cũng chưa đến mức cấp bách.

ARM trên đường đua với Intel
Lê Duy

Có thể bạn chưa bao giờ nghe đến ARM Holdings và "mòn tai, mòn mắt" với Intel. Thế nhưng, những gì ARM Holdings làm được chính là điều mà Intel hằng mong mỏi...

Chip A4 trong iPhone sử dụng thiết kế của Arm Holdings và do Samsung sản xuất.

Trong một bài báo trên PC Pro, tác giả Dick Pountain đã chỉ ra những tiềm năng mạnh mẽ của ARM Holdings về nền tảng di động và máy chủ sắp đến. ARM Holdings là công ty chuyên thiết kế chip, không sản xuất, và là công ty đạt thành công rất lớn nhưng lại ít được biết đến nhất (ARM Holding có trụ sở tại Anh mà 99% người Anh cũng chưa từng nghe đến thương hiệu này). Sản phẩm của họ chính là 15 tỷ chip có mặt trong ĐTDĐ, máy rút tiền, thiết bị y khoa, các đồ chơi điện tử... trên khắp các châu lục. Vài năm gần đây, Intel đang chuyển tầm ngắm vào mảng thị trường này.Nói thêm về chip ARM: chip này có tên nguyên gốc là Acorn RISC Machine, xuất hiện lần đầu vào năm 1986, được trang bị cho máy tính Archimedes của Acorn. Lúc ấy, chip do kỹ sư Steve Furber thiết kế, được xem là có kiến trúc xử lý nhỏ nhất thời ấy và còn có khả năng thu nhỏ nhiều lần hơn nữa.
Khác với các hãng thiết kế chip khác, ARM đa dạng hóa thiết kế theo các nhân chuyên dụng như nhân quản lý bộ nhớ, nhân điều khiển lưu trữ, nhân xử lý thông tin và truyền dữ liệu... và đến cuối những năm 1990, với thiết kế chip của ARM Holdings, các nhà sản xuất chip có thể tạo được trọn vẹn 1 thiết bị trên 1 bản mạch duy nhất và tiêu thụ ít điện năng hơn các chip cạnh tranh khác.
Có thể bạn không chú ý là các bộ xử lý Snapdragon trong nhiều điện thoại thông minh màn hình cảm ứng nền Android hiện nay là do Qualcomm sản xuất, dựa trên nhân ARM. iPhone cũng thế, sử dụng chip do Samsung sản xuất với nhân ARM. Hàng tỷ thiết bị di động, các điều khiển nhúng như mạch điều khiển xe hơi, các máy bán hàng tự động... đều chạy với nhân ARM.
Intel hiện vẫn thống trị thị trường bộ xử lý cho máy tính để bàn và cả máy chủ, chỉ chịu sự cạnh tranh không mấy gắt gao từ AMD, và họ càng "thoải mái" hơn nữa khi Sun từ bỏ thị trừơng bộ xử lý cho máy chủ cách nay vài năm. Tuy vậy, thị trường máy chủ gần đây có những chuyển biến rõ nét khi nhiều doanh nghiệp đang tiếp cận xu hướng ảo hóa và tiết kiệm điện năng cho hệ thống. Intel có thể mạnh về các công nghệ ảo hóa, nhưng có lẽ họ đang đau đầu về các công nghệ tiết kiệm điện năng. Các dòng bộ xử lý cho máy chủ của Intel nói riêng và các bộ xử lý chuyên dụng cho máy chủ nói chung đều rất ngốn điện, đến nỗi nhiều doanh nghiệp tìm đến các giải pháp "tình thế" như xây dựng hệ thống máy chủ chạy các bộ xử lý dành cho máy để bàn hoặc máy tính sổ tay như Atom.
Trong khi đó, về phía ARM Holdings, họ cũng đang hướng đến thị trường máy chủ và rõ ràng thế mạnh của họ chính là khả năng tiết kiệm điện năng. ARM đã hợp tác với nhà sản xuất Marvell để tung ra bộ xử lý máy chủ 4 nhân tên là Armada XP hồi đầu tháng 11/2010 với thiết kế chip là của ARM. Và theo đánh giá của các nhà phân tích, chip máy chủ này tiêu thụ điện năng rất ít, rất thích hợp cho các dòng máy chủ cấp thấp, cần ít tài nguyên tính toán như máy chủ web.
Hồi tháng 9 vừa qua, ARM cũng có tung ra bộ xử lý Cortex có 16 nhân trên cùng một đế, chạy tốc độ 2,5GHz, cũng hướng đến những tác vụ dành cho máy chủ như ảo hóa, hỗ trợ bộ nhớ vật lý đến 1TB. Hiện vẫn chưa có nhà sản xuất nào ứng dụng thiết kế chip này của ARM.
Tuy vậy, thiết kế chip "truyền thống" của ARM lại bị một hạn chế về mặt máy chủ, đó là họ sử dụng kiến trúc thiết kế 32-bit nên chỉ hỗ trợ được bộ nhớ tối đa 4GB, thiếu hụt nhiều bộ nhớ so với thiết kế 64-bit của Intel hay AMD. ARM vẫn muốn giữ nguyên tiêu chí thiết kế của họ là tiết kiệm điện năng nên không đi theo hướng đi lên kiến trúc 64-bit. Nên nhiều năm nay, các kỹ sư tại ARM tiếp cận theo cách khác là dùng bộ nhớ ảo, đưa vào đơn vị quản lý bộ nhớ ảo để chuyển các lệnh truy cập bộ nhớ vào một vùng có dung lượng lớn hơn và đánh lừa CPU là bộ nhớ chỉ có 4GB. Tuy vậy, cách tiếp cận này lại không ưu việt về mặt xử lý của hệ điều hành và cả tiết kiệm điện năng.
ARM "lấn sân" máy chủ, Intel "lấn sân" di động, máy chủ và di động cũng đang dần dần chuyển vị thế dưới góc nhìn của người dùng. Thiết bị di động không còn là công cụ cá nhân nữa mà đang đi vào kế hoạch của các phòng CNTT trong các tổ chức. Máy chủ không còn là một cỗ máy duy nhất, nằm 1 chỗ, xử lý mọi thứ mà được ảo hóa, chạy các ứng dụng đám mây... ARM và Intel, mỗi hãng đều có thế mạnh riêng nhưng ARM đang chứng minh cho thế giới biết 1 điều ngược lại với các lý thuyết kinh doanh: thành công không phải là được nhiều người biết đến.