Bộ xử lý đơn nhân và đa nhân: Cái nào tốt hơn cho smartphone?

Những chiếc smartphone có bộ xử lý 2 nhân đầu tiên xuất hiện trên thị trường vào năm 2010. Trước khoảng thời gian đó, các smartphone đều sử dụng những bộ xử lý đơn nhân với mức xung nhịp rơi vào khoảng 1,4GHz. Kể từ đó, số lượng nhân đã tăng lên và ổn định ở mức 8 nhân cho đến ngày nay. Tuy nhiên, các bộ xử lý 4 và 6 nhân vẫn còn đang được sử dụng.

Video giải thích về hiệu quả và chênh lệch hiệu năng giữa bộ xử lý đơn nhân và đa nhân

Bỏ qua nhiều khía cạnh Heterogeneous Multi-Processing (HMP) của những bộ xử lý này thông qua các công nghệ như big.LITTLE và DynamIQ, các smartphone ngày nay sở hữu tối đa lên đến 8 CPU riêng lẻ, có thể chạy độc lập các tác vụ bên trong không gian bộ nhớ ảo của chúng. 8 engine sẵn sàng và có thể chạy ứng dụng của bạn. Nhưng tại sao đa nhân lại chạy ngay từ ban đầu? Những lợi thế và bất lợi của nó là gì? Hãy cùng Android Authority lý giải điều này.

Đơn nhân và đa nhân

Trên di động, độ hiệu quả về năng lượng là điều cực kỳ quan trọng. Trong khi các nhà sản xuất chip đang cố gắng thu hẹp tiến trình thì những hạn chế của việc chạy trong môi trường bị giới hạn về nhiệt, từ pin, chưa bao giờ được gỡ bỏ. Sức mạnh mà các bộ xử lý di động có thể sử dụng được xác định bằng 3 yêu tố chính: điện dung của mạch, điện áp của mạch và tần số xung nhịp. Công thức chính xác của mối tương quan này là P=CV²f. Dựa vào đó, chúng ta có thể thấy, tăng tần số thì mức sử dụng năng lượng cũng tăng. Khi thay đổi điện áp, mức năng lượng thay đổi đáng kể (bởi vì nó là Voltage²).

Nếu bắt đầu với giả định là một bộ xử lý đơn nhân, chúng ta có thể sử dụng "1" cho mỗi giá trị, ta có C = V = f = 1. Đây chỉ là một phép toán, không phải ví dụ đời thực. Với các giá trị đó, chúng ta có tổng công suất có thể sử dụng là 1. Để thấy mối quan hệ giữa bộ xử lý lõi đơn và lõi kép, chúng ta có thể thay các giá trị thô của bộ xử lý hai nhân, nhưng nó sẽ chỉ chạy ở xung nhịp một nửa. Điện dung tăng lên bởi có nhiều bảng mạch hơn. Việc chuyển từ lõi đơn sang lõi kép chũng cần thay thế giá trị C từ 1 thành 2, nhưng tại đây, chúng tôi sẽ sử dụng 2,2 để bao gồm cả những bảng mạch linh tinh nào khác và sự thay đổi do áp dụng hai nhân. Điện áp có thể giảm, vì tần số sẽ thấp hơn. Để tránh gặp lỗi, chúng tôi thiết lập điện áp xuống còn 0,6. Cuối cùng, tần số sẽ chỉ bằng một nửa so với bộ xử lý đơn nhân gốc, thế nên, nó sẽ là 0,5. Vậy, ta có P = 2,2 * 0,6² * 0,5. Thực hiện phép tính, ta có kết quả P = 0,396, hoặc làm tròn là 0,4.

Về khả năng xử lý thô, bộ xử lý lõi kép này có khả năng thực hiện một số phép tính tương tự như một bộ xử lý đơn nhân chạy ở xung nhịp gấp đôi, nhưng lại sử dụng ít năng lượng hơn 60%. Đó chính là sự hấp dẫn của giải pháp đa lõi.

Thí nghiệm Raspberry Pi

Để kiểm tra giả thuyết rằng bộ xử lý lõi kép có thể tính toán ở cúng mức độ với một bộ xử lý đơn nhân chạy ở tốc độ "tối đa", chúng tôi sử dụng một bo mạch Raspberry Pi và benchmark khi tính toán một con số nguyên tố. Ưu điểm của Raspberry Pi đó chính là bạn có thể vô hiệu hóa hoặc kích hoạt các lõi, cũng như thay đổi tần số xung nhịp cho những lõi đó. Rõ ràng, nó hoàn toàn hoàn hảo cho thử nghiệm lý thuyết này.

Sử dụng một công cụ kiểm tra để tính các số nguyên tố lên đến 5.000.000 với 2 luồng (có nghĩa là nó sẽ chạy trên 2 nhân cùng một lúc), chiếc Raspberry Pi 4 có thể hoàn thành nhiệm vụ trong vòng 12 giây. Đây sẽ là mốc tham khảo. Tiếp tục, chúng ta chạy cùng một thử nghiệm chỉ với một nhân được kích hoạt, nhưng 2 luồng cùng chạy, Pi hoàn thành nhiệm vụ trong vòng 24 giây. Do không còn lõi vật lý thứ hai nào cho chương trình sử dụng, tất cả các phép tính toàn đều chạy trên lõi hoạt động duy nhất và mất gấp đôi thời gian.

Sau đó, tôi kích hoạt một lõi bổ sung nhưng giảm xung nhịp từ 1,5GHz (mặc định) xuống chỉ còn 750MHz. Thế nên, 2 lõi sẽ chỉ chạy ở tốc độ một nửa. Thử nghiệm hoàn thành trong vòng 24 giây. Điều đó đồng nghĩa rằng khi chạy thử nghiệm với đơn nhân ở mức 1,5GHz và nhân ở mức 750MHz, chúng đều hoàn thành cùng một khoảng thời gian. Nhưng lõi kép lại tốn tốn năng lượng ít hơn 60%.

Thực tế, thử nghiệm không hoàn thành sau 24 giây, có một chênh lệch khoảng một phần giây giữa 2 lần chạy. Tôi thực hiện một bài kiểm tra dài mất hơn 3 phút để hoàn thành. Chạy thử nghiệm đó theo cách tương tự ở trên, tôi nhận thấy rằng bộ xử lý đơn nhân chạy ở 1,5GHz chậm hơn một chút so với thiết lập lõi kép có tốc độ chỉ một nửa. Trong 3 phút, thiếp lập lõi kép nhanh hơn 1,5 giây, tức ít hơn 1%. Một sự khác biệt nhỏ nhưng đáng để lưu ý.

Đa nhiệm, đa luồng và đa xử lý

Chìa khóa để thực hiện thử nghiệm này là các công cụ kiểm thử chạy 2 luồng. Đó là cách nó được thiết kế. Không phải tất cả mọi phần mềm đều được viết theo cách thức "đa luồng" thuần túy, nhưng hầu hết các phần mềm đều có thể hưởng lại từ việc bổ sung luông cho những thứ khác như phản hồi UI, hoạt động mạng ngầm, IO (input/output) song song.

Không phải tất cả các nhân đều như nhau

Một điều cuối cùng cần lưu ý: không phải mọi nhân đều như nhau. Mọi thứ thảo luận ở đây đều giả định cùng một thiết kế CPU được sử dụng xuyên suốt. Trên thực tế, nó phức tạp hơn một chút. Như đã đề cập trước đó, HMP được sử dụng trong những bộ xử lý di động hiện đại. Điều đó đồng nghĩa rằng một bộ vi xử lý sẽ có những nhân tiết kiệm năng lượng với hiệu năng thấp cùng các nhân hiệu năng cao, sử dụng nhiều năng lượng hơn nhưng cung cấp hiệu năng tốt hơn. Trong một vi xử lý 8 nhân thông thường, sẽ có 4 nhân mạnh và 4 nhân yếu.

Các bộ xử lý của Apple lại hơi khác một chút. Nó sử dụng 6 nhân với 2 nhân hiệu năng cao và 4 nhân tiết kiệm năng lượng. Cách Apple duy trì được mức hiệu năng cao của mình đó chính là 2 nhân mạnh này khá "lớn" và có thể đạt được mức hiệu năng trên mỗi nhân cao hơn so với các bộ xử lý từ Qualcomm hay Samsung. Điều này dẫn đến mức sử dụng năng lượng cao hơn. Đó là lý do tại sao các nhân CPU của Apple lại thường chạy ở xung nhịp thấp hơn so với những đối thủ còn lại. Đó cũng là lý do Apple dẫn đầu về hiệu năng đơn nhân, tuy nhiên, với hiệu năng đa nhân thì sự cạnh tranh của họ lại đang giảm dần.

Minh Hùng theo Android Authority