Bí Mật Nhìn Thấy Bên Trong Vi Xử Lý A13 Bionic của Apple

Khoảng 72 phút vào sự kiện ra mắt iPhone hàng năm, Phó chủ tịch tiếp thị của Apple, Phil Schiller, mời Sri Santhanam lên sân khấu để nói về vi xử lý A13 Bionic hoàn toàn mới được tìm thấy trong tất cả ba chiếc điện thoại mới. Santhanam, phó chủ tịch kỹ thuật silic của Apple, nhỏ nhẹ và nhút nhát, sau đó nói trong bốn phút. Ở nhiều khía cạnh, đó là bốn phút quan trọng nhất của sự kiện. Không phải ai cũng chú ý—khán giả bị mê hoặc bởi những chiếc iPhone mới bóng bẩy, hệ thống ba máy ảnh, Chế độ Ban đêm kỳ diệu, khả năng quay video ấn tượng và, quan trọng hơn, sự tăng cường trong dung lượng pin.

Khi Santhanam kết thúc cuộc nói chuyện, tôi chỉ nghĩ đến các con số. Vi xử lý mới của Apple chứa 8.5 tỷ bóng bán dẫn. Ngoài ra, có sáu lõi CPU: Hai lõi hiệu suất cao chạy ở 2.66 GHz (gọi là Lightning), và bốn lõi hiệu suất thấp (gọi là Thunder). Nó có một bộ xử lý đồ họa tám lõi, một modem LTE, một bộ xử lý hình ảnh do Apple thiết kế, và một động cơ trí tuệ nhân tạo tám lõi để chạy các chức năng trí tuệ máy mà có thể chạy hơn năm nghìn tỷ thao tác mỗi giây.

Vi xử lý mới này thông minh hơn, nhanh hơn, và mạnh mẽ hơn, và tuy nhiên nó cách nào đó vẫn tiêu thụ ít năng lượng hơn so với người tiền nhiệm của nó. Nó khoảng 30% hiệu quả hơn so với vi xử lý A12 của năm ngoái, một trong những yếu tố góp phần vào thêm năm giờ pin mỗi ngày của iPhone mới.

Sự ra mắt của iPhone 11 Pro và các sản phẩm liên quan chỉ càng làm tăng sức mạnh thực sự của Apple so với đối thủ đến từ việc sở hữu toàn bộ ngăn xếp dọc: phần mềm, phần cứng hệ thống và thiết kế chip. Bạn có thể thấy rõ những lợi ích của những đợt tiến bộ này trong bộ tính năng của iPhone, từ khả năng thực tế ảo đến các chế độ chụp ảnh tính toán như Deep Fusion và Night Mode.

"Một trong những ví dụ lớn về lợi ích của việc tăng cường hiệu suất năm nay là tính năng đọc văn bản thành tiếng," Schiller nói khi chúng tôi ngồi xuống để thảo luận về A13 Bionic và khả năng của nó. "Chúng tôi đã cải thiện khả năng đọc văn bản thành tiếng của iOS 13 sao cho có nhiều xử lý ngôn ngữ tự nhiên hơn, và tất cả đều được thực hiện bằng máy học và động cơ nơ-ron."

Từ khi ra mắt chiếc iPhone gốc vào năm 2007, Apple đã đi được một quãng đường dài. Chiếc điện thoại đầu tiên đó chậm và không thể thực hiện ngay cả những công việc cơ bản nhất như sao chép và dán văn bản. Pin của nó tồi tệ. Camera của nó khiến người mẫu siêu mẫu trông giống như Cô Dâu Frankenstein. Việc đa nhiệm gần như không tồn tại trên iPhone gốc, được trang bị chip chạy ở tốc độ 412 MHz. Chiếc điện thoại được lắp ráp từ các thành phần bao gồm một chip được sử dụng trong máy chơi DVD của Samsung. Khó mà tưởng tượng được rằng một thiết bị như vậy một ngày nào đó sẽ làm đảo lộn toàn bộ ý tưởng về điện thoại, máy tính và giao tiếp.

Nhanh chóng trở nên rõ ràng với Apple rằng họ sẽ cần xây dựng toàn bộ ngăn xếp - từ đầu đến đuôi - nếu muốn giữ vững trước đối thủ, đặc biệt là trong hệ sinh thái Android. Quyết định của Apple để thiết kế và xây dựng chip của riêng mình đã được đưa ra vào năm 2008. Lúc đó, công ty chỉ có 40 kỹ sư làm việc để tích hợp chip từ nhiều nhà cung cấp khác nhau. Sau đó, vào tháng 4 năm 2008, Apple mua lại một công ty khởi nghiệp chip có tên là P.A. Semi với giá 287 triệu đô la. Điều này đã tăng tổng số kỹ sư chip lên khoảng 150 và mang lại chuyên môn về điều quan trọng nhất trên điện thoại: hiệu quả năng lượng. Quả là thành công khi công việc của nhóm này lần đầu tiên được tiết lộ với thế giới trong iPad 4 và iPhone 4. Những thiết bị đó được trang bị bộ xử lý mang tên A4, một phiên bản được điều chỉnh của thiết kế chip từ ARM Holdings. Trọng tâm chính của A4 là làm cho màn hình Retina trở nên rực rỡ.

Suốt thời gian, các chip của Apple đã kích hoạt những tính năng khiến đa số mọi người trầm trồ tại những sự kiện nổi tiếng của họ. Siri, cuộc gọi video, xác định dấu vân tay và dựa trên hình ảnh, sức mạnh của camera - tất cả đều là kết quả của tiến bộ về silic của Apple. Tại sự kiện ra mắt iPhone X năm 2017, tôi đã viết trên blog của mình: "FaceID là một minh họa hoàn hảo về 'số ẩn' không mấy bí mật của Apple - một sự kết hợp hoàn hảo giữa silic, phần cứng vật lý, phần mềm và thiết kế để làm hài lòng. Khả năng biến những công nghệ phức tạp thành một khoảnh khắc kỳ diệu của họ dựa trên mối quan hệ hòa hợp này của nhu cầu." Đây mới là di sản thực sự của Steve Jobs cho công ty mà ông làm đồng sáng lập.

Johny Srouji quản lý toàn bộ hoạt động sản xuất chip lớn của Apple cùng với các công nghệ phần cứng khác. Nhiều người tin rằng một phần lớn của ngân sách nghiên cứu và phát triển hàng năm của công ty được dành cho đội ngũ của Srouji. "Steve đến kết luận rằng cách duy nhất để Apple thực sự khác biệt và mang lại điều gì đó thực sự độc đáo và tuyệt vời, là phải sở hữu chip của riêng mình," Srouji nói với Bloomberg Businessweek vài năm trước. Có nói rằng công ty có một số trăm thành viên trong đội ngũ sản xuất chip, nhưng khi báo chí đặt câu hỏi cụ thể, họ giữ thông tin cẩn thận.

Ưu thế về chip của Apple không phải là điều người ta không để ý trong ngành công nghiệp. Việc sử dụng chip từ bên thứ ba không đủ để cạnh tranh với Apple, người luôn khẳng định ưu thế của mình qua từng chiếc điện thoại và máy tính bảng. Huawei và Samsung - cái mối quan hệ lao lý với Apple từ thời bắt đầu - là hai công ty nhanh chóng nhận ra rằng tương lai của công nghệ di động đòi hỏi chip tùy chỉnh để giữ vững trước đối thủ Android và cạnh tranh tốt hơn với Apple.

Các công ty này, cùng với Qualcomm, đang tham gia vào cuộc đua về chip, liên tục thay đổi vị trí trên bảng xếp hạng. Chip A12 Bionic thế hệ trước sở hữu một ưu thế nhỏ hơn so với đối thủ của Apple khi được công bố, và sau đó năm nay, Apple đã tận dụng dịp sự kiện ra mắt iPhone 11 để củng cố ưu thế của mình.

Linley Gwennap, người sáng lập công ty nghiên cứu The Linley Group và là người xuất bản bản tin ảnh hưởng Microprocessor Report, được coi là một trong những chuyên gia hàng đầu về vi xử lý. Gwennap đã dành phần lớn cuộc đời mình để tận tâm nghiên cứu về vi xử lý và chip, và ông không dễ dàng để lại ấn tượng bởi ngôn ngữ quảng cáo. Dĩ nhiên, Apple có ưu thế, ông nói, và nó thắng trong các thử nghiệm. Nhưng ưu thế không phải là quá lớn.

Khi nói về vi xử lý A12 Bionic thế hệ trước trong một cuộc phỏng vấn, Gwennap chỉ ra rằng trong khi Apple dẫn đầu trong cuộc đua CPU đơn, những người khác có độ cạnh tranh tương đối với họ.

"Tôi không thấy họ vượt trội xa," ông nói. "Tôi kỳ vọng Samsung, Qualcomm và Huawei sẽ nâng cao trình độ của họ."

Vậy họ đã nâng cao trình độ từ khi A12 của năm trước chưa? Chính xác là vi xử lý A13 Bionic mới có sáu nhân thì nó đối đầu thế nào với những vi xử lý mới nhất từ ba đối thủ lớn của Apple? Hãy nhìn vào các con số.

Vi xử lý mới nhất của Samsung, Exynos 9825, có tám nhân được sắp xếp trong ba nhóm: hai nhân tùy chỉnh hiệu suất cao Mongoose chạy ở 2.73 GHz, hai nhân Cortex A75 chạy ở 2.4 GHz và bốn nhân Cortex A55 tập trung vào hiệu suất hiệu quả chạy ở 1.9 GHz. Có một GPU Mali và đơn vị xử lý nơ-ron của Samsung, cùng với khả năng LTE và bộ nhớ.

Chip của Huawei, được gọi là Kirin 990 5G, tuân theo một phương pháp tương tự với ba nhóm tám nhân (còn được biết đến là tám nhân). Có hai nhân Cortex A76 hiệu suất cao chạy ở 2.86 GHz, hai nhân A76 khác chạy ở 2.35 GHz và bốn nhân Cortex A55 tập trung vào hiệu suất hiệu quả chạy ở tốc độ thấp hơn là 1.95 GHz. Điểm đặc biệt của chip là GPU 16 nhân và một động cơ nơ-ron Da Vinci với ba nhân. Chip của Huawei chứa tới 10.3 tỷ transistor.

Snapdragon 855 Plus mới của Qualcomm rất giống với Kirin 990 và Exynos. Nó sử dụng nhân tùy chỉnh Kryo 485 Gold với một nhóm mạnh mẽ chạy ở 2.96 GHz, ba nhân Kryo 485 Gold khác chạy ở tốc độ 2.42 GHz và bốn nhân Kryo 485 Silver tập trung vào hiệu suất hiệu quả chạy ở 1.78 GHz. Nó bao gồm một GPU Adreno và động cơ trí tuệ nhân tạo Hexagon 690 của Qualcomm.

Những vi xử lý này có một số thành phần nhanh hơn và nhiều hơn, vì vậy bạn có thể nghĩ rằng những vi xử lý đó hoạt động tốt hơn so với của Apple. Nhưng thực tế là chúng ta hiếm khi sử dụng toàn bộ công suất của chip trong thiết bị di động của chúng ta. Một hoặc hai nhân hiệu suất cao đủ cho hầu hết những gì chúng ta đặt ra cho điện thoại của mình. Thiết kế sáu nhân của Apple có vẻ kém hơn so với các vi xử lý tám nhân từ đối thủ, nhưng thực sự, hai bộ xử lý lớn trên chip của nó dễ dàng vượt trội so với thiết kế của đối thủ. Vi xử lý của Apple tiêu thụ năng lượng một cách hiệu quả hơn, và điều đó mang lại ưu thế độc đáo so với đối thủ. Ví dụ, chip Mongoose của Samsung cần được sử dụng một cách khôn ngoan, tránh khiến thiết bị chứa chúng quá nhiệt. Ngay cả những nhân hiệu suất hiệu quả tùy chỉnh mới trong A13 cũng vượt trội so với đối thủ.

"Mặc dù những nhân của Apple không phải là lớn nhất, chúng vẫn tiếp tục dẫn đầu về hiệu suất di động," Gwennap chú ý vào đầu năm nay trong The Microprocessor Report. Và vào thời điểm ông viết điều đó, ông đang nói về chip A12. A13 hoạt động khoảng 20% tốt hơn.

Vậy nên điều quan trọng ở đây là thông số kỹ thuật và các bảng đánh giá không tính đến những ưu điểm thực sự của Apple - sự tích hợp chặt chẽ vào thiết bị và chiến lược phát triển của công ty để làm tăng thời gian sử dụng pin trong khi nâng cao hiệu suất của các ứng dụng chính.

Vậy, làm thế nào một công ty điện thoại minh họa những tiến bộ kỹ thuật này một cách tương tác với khách hàng? Ngôn ngữ chuyên ngành không quan trọng. Quan trọng là có camera tốt nhất, điện thoại nhanh nhất và - ơi có vẻ đúng - pin lớn nhất. Càng lâu chúng ta có thể sử dụng Instagram, Facebook hoặc YouTube, chúng ta sẽ càng sẵn lòng chi tiền cho những chiếc điện thoại cao cấp này. iPhone 11 Pro và iPhone 11 Pro Max mới của Apple đều đáp ứng đủ về pin. Hai chiếc điện thoại này sẽ có thêm bốn và năm giờ thời lượng pin, tương ứng. Làm thế nào họ làm được điều đó?

Câu trả lời cho câu hỏi đó rõ ràng là một minh họa về ưu thế tự nhiên khi Apple sở hữu toàn bộ ngăn xếp. Để hiểu về cách tích hợp dọc này thể hiện trong một chip như A13 Bionic, tôi ngồi xuống nói chuyện với Schiller và Anand Shimpi, người trước đây là một nhà báo có ảnh hưởng tới bán dẫn và hệ thống, sáng lập trang web AnandTech. Shimpi hiện nay là một phần của đội ngũ Kiến trúc Nền tảng của Apple.

Chip mới A13 vượt xa A12 của năm trước, với một tăng cường hiệu suất ấn tượng lên đến 20% trên tất cả các thành phần chính: sáu nhân CPU, bộ xử lý đồ họa và động cơ nơ-ron. Đối với một chip đã có hiệu suất cao, việc thấy một sự tăng đột ngột như vậy giống như xem Usain Bolt vượt qua chính mình trong một cuộc đua.

"Chúng tôi nói nhiều về hiệu suất một cách công khai," Shimpi nói, "nhưng thực tế là, chúng tôi xem nó như hiệu suất mỗi watt. Chúng tôi nhìn nhận nó từ góc độ hiệu quả năng lượng, và nếu bạn xây dựng một thiết kế hiệu quả, bạn cũng tình cờ xây dựng một thiết kế hiệu suất."

Cả Shimpi và Schiller đều mạnh mẽ về sự tập trung cuồng nhiệt này vào hiệu quả năng lượng và hiệu suất. Ví dụ, nhóm CPU sẽ nghiên cứu cách ứng dụng được sử dụng trên iOS và sau đó sử dụng dữ liệu đó để tối ưu hóa thiết kế CPU trong tương lai. Như vậy, khi phiên bản tiếp theo của thiết bị xuất hiện, nó sẽ hoạt động tốt hơn trong việc thực hiện những công việc mà hầu hết mọi người thường làm trên iPhone của họ.

"Đối với các ứng dụng không cần hiệu suất bổ sung, bạn có thể chạy ở hiệu suất của năm ngoái và chỉ làm điều đó với mức công suất thấp hơn rất nhiều," Shimpi nói.

Chiến lược này không chỉ dành cho CPU. Những nguyên tắc hiệu suất mỗi watt tương tự cũng áp dụng cho các chức năng học máy và xử lý đồ họa. Ví dụ, nếu một nhà phát triển làm việc trên phần mềm camera của iPhone thấy nhiều sự sử dụng của GPU, thì cô ấy có thể làm việc với một kiến trúc sư GPU để tìm ra cách làm tốt hơn. Điều này dẫn đến một thiết kế hiệu quả hơn cho các vi xử lý đồ họa trong tương lai.

Vậy nên điều gì xảy ra bên trong A13 Bionic khi nó bắt đầu làm việc? Khái niệm chung liên quan đến việc phân công, ủy quyền và chuyển giao. Đối với các nhiệm vụ năng lượng thấp - ví dụ như mở và đọc email - iPhone sẽ sử dụng những lõi hiệu quả hơn. Nhưng đối với những nhiệm vụ tăng cường như tải trang web phức tạp, các lõi hiệu suất cao sẽ tiếp quản. Đối với một số công việc học máy thông thường và đã được thiết lập, động cơ nơ-ron có thể tự mình hoạt động. Nhưng đối với các mô hình học máy mới, hiện đại hơn, CPU và các bộ tăng tốc học máy chuyên biệt của nó đều đưa ra một bàn tay giúp đỡ.

Bí mật của Apple, tuy nhiên, nằm ở cách tất cả những phần khác nhau của chip này hoạt động cùng nhau một cách tiết kiệm năng lượng pin. Trong một vi xử lý điện thoại thông thường, các phần của chip được bật để thực hiện các nhiệm vụ cụ thể. Hãy nghĩ đến việc bật nguồn cho cả một khu phố để họ có thể ăn tối và xem Game of Thrones, sau đó tắt nguồn, sau đó bật nguồn cho một khu phố khác muốn chơi game điện tử.

Với A13, hãy tưởng tượng làm cách tiếp cận tương tự, nhưng trên cơ sở của mỗi ngôi nhà. Ít electron đi vào ph waste.

"Học máy đang chạy suốt thời gian đó, cho dù đó là quản lý tuổi thọ pin của bạn hay tối ưu hiệu suất," Schiller nói. "Không có học máy chạy 10 năm trước. Bây giờ, nó luôn luôn chạy, làm việc."

Cuối cùng, sự tiến triển của công nghệ này được quyết định bởi những điều đơn giản mà chúng ta, con người, muốn từ chiếc điện thoại của mình - những trò chơi căng thẳng chạy mượt trên điện thoại di động như trên máy console, hoặc một chiếc máy ảnh chụp những bức ảnh đẹp và sạch sẽ giữa đêm tối ảm đạm. Khi chúng ta nhấn và vuốt, các kỹ sư của Apple đang chú ý, điều chỉnh lại thiết kế của họ và làm việc trên một chip cho năm sau sẽ kích thích chúng ta nâng cấp lại một lần nữa.

• Sau sáu năm lưu vong, Edward Snowden giải thích về chính mình
• Cách thực hành tư duy dài hạn trong một thế giới bị xao lạc
• Những người sống ở ngoại ô làm cho sa mạc nở hoa với những căn nhà lớn
• Cài đặt quyền riêng tư Windows 10 bạn nên kiểm tra ngay bây giờ
• Hãy tưởng tượng cảnh đẹp từ chiếc tàu Thụy Sĩ thiết kế của Ý này
• 👁 Máy học như thế nào? Ngoài ra, đọc tin tức mới nhất về trí tuệ nhân tạo
• ✨ Tối ưu hóa cuộc sống gia đình của bạn với những lựa chọn tốt nhất của đội ngũ Gear chúng tôi, từ robot hút bụi đến đệm giá rẻ đến loa thông minh.