Với cả người chỉ dùng máy tính phổ thông và không quan tâm mấy đến công nghệ hay kỹ thuật thì cụm từ CPU cũng đã trở nên quá quen thuộc. CPU nguyên tên là Central Processing Unit: bộ xử lý trung tâm, là cốt lõi và linh hồn của mọi chiếc PC. Dù cồng kềnh hay nhỏ gọn, làm tác vụ cao cấp hay văn phòng bình thường, được gắn đồ nghề cao cấp, hiệu năng cao, ép xung tới tấp hay chỉ là một bộ PC giá trung bình ráp sẵn để về gõ máy học hành. Thì không có CPU, tất cả chỉ là một khối sắt vô dụng.
CPU là gì, vì sao máy tính không thể thiếu CPU?
CPU nói đơn giàn là một tập hợp các mạch điện lớn nhỏ nằm bên trong một con chip, nằm sâu trong lòng một thùng máy tính. Cấu tạo là dạng một mạch tích hợp “tích hợp” hàng triệu hoặc hàng tỷ bộ phận điện nhỏ, sắp xếp chúng thành mạch và lắp tất cả vào một hình hộp nhỏ gọn (hình dạng này có thể thay đổi tùy theo thế hệ CPU).
Nhiệm vụ của con chip này là thực hiện tất cả các lệnh của chương trình máy tính như phép tính, logic, so sánh, nhập/ xuất dữ liệu từ các dòng mã lệnh được. Nên không có CPU sẽ không có bất kỳ thao tác nào được nhận dạng hoặc bất kỳ một câu lệnh nào được ghi nhận.
Để làm được công tác nặng nề và phức tạp này, một cách không mỏi mệt, CPU được thiết kế cầu kỳ, phức tạp và mỗi phần trong CPU đều đóng vai trò lớn nhất định.
1/ CPU gồm những thành phần nào?
Cấu tạo bên trong CPU thật ra cũng không quá nhiều thành phần. Tuy vậy, CPU là sự sống của máy tính, nên mỗi thành phần đều được làm cực kỳ chi tiết và phức tạp hòng đảm bảo thực hiện tốt nhiệm vụ của mình lâu dài. Bên trong CPU gồm các phần sau:
1/ CU (Control Unit): Đơn vị điều khiển
Có nhiệm vụ dịch các lệnh của chương trình và điều khiển quá trình xử lý. CU vận hành dựa trên các xung nhịp của đồng hồ hệ thống. Đây là phần quan trọng nhất của một chip CPU. CU được tạo thành từ các mạch logic so sánh và các linh kiện bán dẫn transistor.
2/ ALU (Arithmetic Logic Unit): Đơn vị logic số học
ALU có nhiệm vụ thực hiện các phép toán số học và logic, sau đó đưa kết quả lại cho các thanh ghi hoặc bộ nhớ. Các ngôn ngữ lập trình cho phép thao tác mọi thứ trên máy tính sẽ phụ thuộc và toán học và logic mà ALU có thể hiểu được. Đây là phần quyết định khả năng tính toán của một CPU có siêu hạng, có khả năng can thiệp bằng lập trình hoặc có khả năng vươn tới AI được hay không.
3/ FPU: Floating point Unit: Đơn vị dấu phẩy động
Có tính năng giống với ALU nhưng dùng để xử lý các tập hợp số có dấu thập phân. Cả ALU và FPU là hai thành phần quan trọng nhất trong một nhân CPU.
4/ Instruction pointer: Con trỏ định hướng
CPU sẽ phải liên tục thực hiện nhiều lệnh đang xếp hàng chờ. Instruction pointer sẽ giúp định vị các vị trí trong bộ nhớ và ‘nói’ cho CPU biết nên cần đi tiếp xử lý lệnh nào và nên bắt đầu nhận lệnh mới từ đâu.
5/ Register: Thanh ghi
Register thực chất là các bộ nhớ có dung lượng nhỏ nằm phía trong CPU, có tốc độ truy cập đặc biệt cao, chuyên dùng để lưu trữ tạm thời các kết quá tính toán, địa chỉ các ô nhớ hoặc thông tin điều khiển nhận được từ ALU. Trong CPU có nhiều thanh ghi, mỗi thanh có một chức năng cụ thể khác nhau. Trong đó quan trọng nhất là thanh ghi Bộ đếm chương trình PC (Program Counter) có nhiệm vụ chỉ đến lệnh thi hành tiếp theo, Input Register: giữ tất cả các dữ liệu đang đợi CPU xử lý. Và “Instruction Register” nhận nhiệm vụ cho biết CPU cần làm gì với từng dữ liệu sắp chuyển tới. Input Register và Instruction Register gọi chung là các IR.
6/ Cache: Bộ nhớ đệm
Bộ nhớ đệm có tốc độ truy xuất rất nhanh và được tích hợp sẵn trong mỗi nhân CPU. Các dữ liệu được đưa vào bộ nhớ đệm sẽ được đọc bởi các chương trình đã gửi lệnh yêu cầu từ trước. Cache còn có một vai trò quan trọng khác là gửi dữ liệu ngược lại. Nó sẽ lưu trữ dữ liệu và lệnh mà CPU cần xử lý, trước khi đưa dữ liệu đó vào ALU. Dữ liệu lúc đầu được lấy từ RAM, nhưng sau đó sẽ được lưu trên cache để CPU lấy ra nhanh hơn và giúp máy tính thực hiện các lệnh tốc độ, nhẹ nhàng hơn.
7/ Opcode
Phần này có thể có hoặc không tùy vào thế hệ CPU. Nó có nhiệm vụ chứa mã máy của CPU, hỗ trợ thực hiện các lệnh trong file thực thi.
8/ MMU: Memory Management Unit: Đơn vị quản lý bộ nhớ
Có chức năng điều khiển toàn bộ các unit kể trên và điều khiển tốc độ xung nhịp. Xung nhịp là đơn vị dùng để đo lường và đồng bộ thao tác xử lý trong và ngoài CPU với các khoảng thời gian không đổi. Tốc độ xung nhịp là tốc độ xung nhịp hệ thống tạo ra các xung tín hiệu chuẩn thời gian, được tính bằng MHz. MMU này nằm tách biệt khỏi nhân CPU và có nhiệm vụ lưu chuyển luồng dữ liệu giữa RAM và nhân CPU.
9/ iGPU: Đơn vị xử lý đồ họa tích hợp
Đây là phần cũng khá quan trọng, có nhiệm vụ xử lý các tác vụ liên quan tới đồ họa. Và iGPU không nằm trên nhân CPU mà nhằm ở một khu vực các của die CPU.
10/ Die CPU: Khuôn CPU
Die là mảnh silicon thực sự có chứa các bóng bán dẫn tạo ra CPU. Cốt lõi của die CPU là một Control Unit có nhiệm vụ quản lý các nhân của chip CPU. Control unit này sẽ đồng bộ các nhân trên cùng một chip CPU dựa trên nguyên tắc dùng tín hiệu xung nhịp chạy ở mức độ xung nhịp nhất định. Đây chính là tốc độ xung nhịp mà ta thường hay nghe nói tới và cũng là con số được ghi trên phần nắp IHS của CPU.
11/ IHS: Nắp CPU
Khác với các phần trên đều nằm bên trong CPU, IHS lại nằm ngoài. IPS còn gọi là nắp CPU, là một khối kim loại lớn ở phía trên CPU. IHS có hai nhiệm vụ chính. Một là bảo vệ chip tránh khỏi sự gãy nứt. Đồng thời dẫn nhiệt từ die CPU lên, sau đó chuyển nó đến bộ phận làm mát – thường là làm mát không khí hoặc làm mát bằng chất lỏng.
Ngoài ra ở một số CPU cả bộ hiện đại còn có thêm Tản nhiệt tích hợp
Tất nhiên phần này không tính là cấu tạo trong của chip CPU. Tản nhiệt stock chính là bộ phận dùng để giảm nóng, kiểm soát nhiệt lượng tỏa ra nơi các CPU, giúp toàn bộ CPU hoạt động ổn định, an toàn và duy trì tuổi thọ tốt hơn. Tùy đặc điểm mà CPU có thể có sẵn hoặc không có tản nhiệt tích hợp. Nhưng hiện tại tất cả các stock tản nhiệt tích hợp trên CPU đều là tản nhiệt khí.
CPU càng mạnh thì thường nhiệt lượng tỏa ra cũng càng cao, đặc biệt là các dòng CPU dành cho chơi game, chạy render hoặc dân mê ép xung. Nên hiện tại ngoài tản nhiệt stock luôn được trang bị sẵn trong CPU thì người dùng luôn bổ sung thêm tản nhiệt rời bên ngoài để tăng cường độ mát cho bộ máy (ở dạng khí hoặc lỏng hoặc All-In-One).
2/ Cơ chế hoạt động và mối liên hệ giữa các thành phần trong CPU này diễn ra như sau
Dữ liệu từ ngoài thông qua các thiết bị ngoại vi sẽ được đưa tới Registers. Register sẽ ‘chứa tạm’ mọi thứ đầu vào đang đợi CPU xử lý.
Lấy ví dụ cụ thể: bạn nhập vào phép cộng đơn giản ‘3+5’. Lúc này CPU sẽ đưa 3 và 5 vào Input Register, còn phép tính cộng sẽ được đưa vào Instruction register. ALU sẽ dựa vào các yêu cầu đó để đưa ra đán án. Đáp án này được gửi tới Accumulator. Accumulator sẽ đưa đáp án tới Cache.
Nguyên lý hoạt động chung của CPU có thể chia thành 3 bước sau: Fetch >> Decode và Execute. Nôm na là nhận lệnh, giải mã, và thực thi.
1/ Fetch
RAM nhận lệnh, gửi qua cache của CPU, sau đó được cache chuyển tới các IR (gồm Input Register và Instruction Register) và được xử lý bởi ALU trong nhân CPU. Đồng thời IR cũng sẽ nhận diện lệnh tiếp theo đang chờ để tiếp tục chuyển tới cho ALU. Ở các CPU thời cũ, công đoạn này được làm tuần tự, nghĩa là IR nhận lệnh 1, chuyển tới ALU giải quyết xong rồi mới nhận tiếp lệnh 2 rồi lại chuyển tới ALU. Cách vận hành như vầy khá mất thời gian, làm cho CPU giảm hiệu quả tính toán. Các CPU đời mới thì công đoạn này được làm kiểu “cuốn chiếu”, IR liên tục nhận lệnh không chờ tới khi ALU làm xong. CPU lúc nào cũng trong tình trạng vận hành liên tục và đạt hiệu quả cao hơn về năng suất.
2/ Decode
Một lệnh được tìm nạp xong sẽ lưu trữ trong IR. Lúc này dữ liệu kết quả này sẽ được truyền tới Bộ giải mã lệnh của CPU, để đổi thành tín hiệu thể loại phù hợp với các bộ phận nhận và đưa ra bên ngoài các thiết bị hiển thị.
3/ Execute
Các lệnh đã được decoded sẽ được gửi tới các bộ phận của CPU. Kết quả được lưu trên IR, và được tham chiếu bằng các hướng dẫn cụ thể tới từng thành phần đã nhận lệnh trước đó.
3/ CPU nhanh hay chậm là tùy thuộc vào điều gì?
Tốc độ CPU tùy thuộc vào tốc độ xung nhịp. Đó là lý do mà mỗi khi có một chip CPU nào mới thì dân tình lại xôn xao tìm cho ra được các tin rò rỉ về tốc độ xung nhịp của em nó, để so sánh với các đời CPU trước hoặc so với CPU đối thủ. Tốc độ xung nhịp được đo bằng GHz, biểu th5i cho số chu kỳ xử lý mỗi giây mà CPU có thể thực hiện được. Tốc độ xung nhịp cao đồng nghĩa CPU về lý thuyết chạy nhanh hơn.
Nhưng trong thực tế, CPU nhanh hay chậm còn phụ thuộc vào các yếu tố này:
1/ Số nhân CPU: lý thuyết thì càng nhiều nhân càng mạnh. Nhưng mạnh lên bao nhiêu thì còn tùy, vì có nhiều loại nhân với khả năng khác nhau, có nhân hiệu năng cao, có nhân tiết kiệm điện, có nhân chuyên xử lý các tác vụ tính năng đặc biệt.
2/ Còn tùy vào công nghệ sản xuất bán dẫn (tính bằng đơn vị nanomet: nm), hay ta vẫn thường gọi là tiến trình. Tiến trình càng nhỏ thì càng tiết kiệm điện và hiệu năng cao hơn. Đó là lý do ta chứng kiến rất nhiều cuộc cạnh tranh tiến trình từ cả hai thương hiệu Intel và AMD.
3/ Tốc độ CPU còn tùy thuộc vào công nghệ làm tăng tốc độ xử lý của mỗi thế hệ CPU (pipeline, turbo boost, siêu phân luồng,…).
4/ Bộ nhớ đệm: vì các cache có trách nhiệm lưu các lệnh và dữ liệu nên việc có nhiều hay ít cache và cách chúng phân chia nhiệm vụ như thế nào sẽ ảnh hưởng tới thời gian chờ của CPU, từ đỏ ảnh hưởng tới tốc độ chung cuộc.
Ngoài các yếu tố lớn này, thì còn hàng loạt các yếu tố nhỏ bên ngoài có thể ảnh hưởng ít nhiều tới tốc độ chung của CPU như Đồ họa tích hợp iGPU, chỉ số TDP (công suất thoát nhiệt, đại diện cho mức tiêu thụ điện của chip, TDP thấp thì càng tốt cho CPU).
Lời kết
Bạn có thể thấy là chỉ một con chip nhỏ trong lòng bàn tay, nhưng chứa trong đó là cả vũ trụ. Đã bao thế hệ CPU có mặt trong lịch sử công nghệ, đời sau luôn nhiều cải tiến hơn đời trước. Hai hãng CPU lớn nhất hiện nay là Intel và AMD không chỉ cạnh tranh về chức năng mà còn mở ra những thời kỳ mới cho máy tính nhân loại bằng hàng loạt những phát minh, thiết kế CPU mới. Điển hình gần đây nhất là thiết kế lai kết hợp nhân hiệu năng cao và nhân tiết kiệm điện trên cùng một con chip của dòng CPU thế hệ 12 Alder Lake của Intel.
Đôi khi chỉ một thay đổi nhỏ về mặt lý thuyết, nhưng khi đưa vào thực tế các chi tiết trên từng con chip càng ngày càng nhỏ thì lại mở ra một chân trời mới với hàng loạt tính năng và khả năng mới. Mời các bạn tiếp tục chia sẻ các góp ý hoặc bổ sung vào bài viết của mình trong bình luận bên dưới nhé. Xin chào và hẹn gặp lại trong một nội dung khác về thế giới phần cứng muôn màu.
