Haswell: kiến trúc của đồ họa và tiết kiệm điện năng

Intel tiết lộ về kiến trúc Haswell mới - Tối ưu từ tablet cho tới server

Những sự kiện lớn thu hút được mối quan tâm của nhiều người trong vài năm trở lại đây, điển hình như sự kiện ra mắt iPhone 5 của Apple lần này cho thấy một xu hướng công nghệ mới: điện toán di động. Điều đáng chú ý là những năm trước đấy, những sự kiện về kiến trúc điện toán kiểu như IDF của Intel lại là cái đinh của làng công nghệ. Nhưng IDF San Francisco 2012 diễn ra còn thời điểm với sự kiện của Apple đã cho thấy: cần thiết phải tập trung vào mảng di động.

Lạm bàn về xu thế công nghệ

Tại sao sự kiện của Intel ít thu hút hơn của Apple? Câu trả lời khá nhiều, song có thể tựu chung ở một ý: các sản phẩm mang tính tiêu dùng (CE) dễ tiếp cận người tiêu dùng hơn là các sản phẩm mang tính thành phần, như RAM hay CPU. Kể cả khi một ai đó quan tâm vấn đề kiến trúc chip, vẫn khá khó khăn cho anh ta tiếp cận nó, vì chiếc PC phức tạp hơn nhiều một chiếc smartphone hay tablet. Còn các câu trả lời khác như là PC đã bắt đầu bão hoà, PC đã đủ mạnh, PC đã quá quen thuộc...

Chip Atom của Intel vẫn chưa đủ hấp dẫn cho giới di động.

Nhưng sự nổi lên của các hãng di động không có nghĩa các hãng sản xuất chip sẽ thoái trào. Vì xét cho cùng, để chiếc smartphone hay tablet hoạt động được, chúng cần tới chip. Không có những hãng như Qualcomm, TI, Broadcom, Samsung, NVIDIA... những chiếc smartphone chẳng bao giờ chạy được. Smartphone hay tablet hay PC hay server, thực tế đều là những chiếc máy tính. Chúng chỉ khác nhau cơ bản nhất ở vấn đề kích thước.

Như vậy có thể thấy rõ vấn đề của Intel là họ thiếu thiết kế dùng cho điện toán đi động, chứ không phải Intel đang thoái trào. Kiến trúc Haswell (HW) mà chúng ta bàn trong hôm nay, chính là quân bài mà Intel muốn đánh vào mảng di động, nơi kiến trúc ARM đang chiếm thế thượng phong so với x86.

Triết lý làm ra Haswell

Không tự dưng một con chip hay một sản phẩm ra đời. Chúng đều phải dựa trên một số triết lý / mục tiêu để đạt được. Với HW như đã nêu ở trên, tập trung vào di động là một điều tối cần thiết. Nhưng di động thôi chưa đủ, nó còn phải đạt được các yêu cầu về hiệu năng và khả năng triển khai trên nhiều loại thiết bị. Có 3 mục tiêu chính mà Intel xây dựng nên HW:

Phải mạnh mẽ (hơn thế hệ trước)Phải có khả năng triển khai rộng theo dạng module (từ tablet tới laptop, desktop, server)Phải cực kỳ tiết kiệm điện (để phù hợp cho tablet)

Ở chỗ này, có thể thấy hướng đi của Intel có hơi khác với đối thủ AMD. Trong khi AMD định hướng các kiến trúc tiết kiệm điện (LP) như Bobcat, Jaguar chỉ dành tablet / ultrabook thì Intel định hướng HW cho hầu như mọi dạng sản phẩm (trừ smartphone). Intel dành riêng smartphone cho các chip Atom (LP). Tức các mục tiêu ngắm đến của HW rộng hơn so với Piledriver / Steamroller bên phía AMD. Chưa thể nói được hướng đi của ai tốt hơn ai, nhưng rõ ràng đã có khác biệt trong định hướng sản phẩm.

Cải thiện về điện năng

Thực tế đây là yêu cầu tiên quyết mà Intel dành cho HW. Chưa cần biết hiệu năng có cải thiện hay không, trước mắt cứ phải thật tiết kiệm điện. Vì tính tiết kiệm điện là thứ mà x86 đang kém so với ARM. Để đạt được điều này, Intel dựa vào một số yếu tố:

Tiến trình 22nmCác trạng thái hoạt động mớiSự tiết giảm của toàn hệ thốngMức cải thiện của dây chuyền sản xuất

Vấn đề tiến trình 22nm có lẽ không cần bàn nhiều. Kích thước transistor nhỏ hơn giúp lượng rò rỉ điện năng ít hơn. Dĩ nhiên khi vượt quá ngưỡng 10nm thì điều này không còn đúng nhưng trước mắt, chip 22nm sẽ dùng ít điện hơn chip 32nm với cùng lượng trans.

Trạng thái hoạt động (state) mới là một điểm mới trên HW. Trong triết lý thiết kế chip thì điều này không mới: muốn hiệu năng (xung nhịp) cao hơn thì điện áp hoạt động phải cao hơn và ngược lại. Trước nay các thiết kế của Intel có các mức hoạt động từ S0, S1, S2... với mức tiêu thụ điện giảm dần.

Riêng với HW, Intel thêm vào một trạng thái mới - S0ix. Trạng thái này về căn bản là chip vẫn ở trạng thái hoạt động (active) nhưng tiêu thụ điện tương đương với trạng thái nghỉ (sleep). Bằng cách nào? Intel chưa tiết lộ cụ thể, nhưng theo phỏng đoán của tôi, rất có thể một lượng lớn các thành phần xử lý sẽ được ngắt điện (gated) và chỉ vài thành phần ít ỏi khác còn hoạt động. Hình dung như một toà nhà có bảo vệ và ở chế độ S0ix, thay vì cho bảo vệ nghỉ hết hoặc cùng đi tuần thì chỉ còn 1 - 2 bảo vệ làm nhiệm vụ.

Và tiết kiệm chỉ CPU thôi chưa đủ. Thực tế thì CPU thường ở chế độ nghỉ (idle), các thành phần vẫn hoạt động liên tục là chipset I/O và các bộ phận khác (DRAM, SSD, card mạng...). Với các thành phần này, Intel đặt ra thêm nhiều mức tối giảm điện năng hơn. Ví dụ trên tablet có thể không dùng hết các cổng USB, PCIe, SATA thì chúng chỉ cần duy trì ở mức tối thiểu. Intel đặt ra mục tiêu các chip điều khiển (controller) tích hợp chỉ xài chưa tới 5 mW.

Mức cải thiện của dây chuyền bán dẫn cũng là một điểm quan trọng. Vì thông thường việc chuyển qua một node bán dẫn mới vẫn còn nhiều "bỡ ngỡ". Ví như bạn chuyển sang nơi ở mới sẽ cần thời gian để làm quen những cái mới (đường đi mới, hàng xóm mới, quán ăn mới...). Dòng chip Ivy Bridge (IvB) là thế hệ 22nm đầu tiên của Intel, HW sẽ là thế hệ chip 22nm thứ hai của hãng này.

Một kiến trúc cho nhiều thiết kế

Dù có bàn tới server, nhưng các năm gần đây, Intel thường tập trung thiết kế trước cho dòng máy PC hơn. Lấy ví dụ chip Sandy Bridge-E (server) ra mắt sau các chip Sandy Bridge-DT (desktop), chip IvB-E cũng chỉ ra mắt trong năm sau trong khi IvB-DT hiện đã có mặt trên thị trường. Nên tại IDF này, thiết kế mà Intel bàn đến chỉ nằm từ tablet tới PC. Số lượng nhân (x86) thức của chúng chỉ từ 2 - 4 với 3 tuỳ chọn đồ hoạ tích hợp (IGP) gồm GT1, GT2, GT3.

Số phiên bản IGP trên HW có lẽ là điểm thú vị nhất khi bàn về các phiên bản HW sẽ có mặt trên thị trường. Nếu trên SnB và IvB chúng ta chỉ có 2 nhân GT1 và GT2 thì trên HW, một đại diện mới sẽ là GT3. Khác biệt giữa chúng chính là số lượng các đơn vị xử lý (EU). Mặc dù hiện Intel chưa tiết lộ các nhân GT của HW sẽ có bao nhiêu EU, song một tin đồn cho hay HW GT1 sẽ có 10 EU, HW GT2 là 20 EU và HW GT3 là 40 EU. So với các con số 6, 12 và 16 EU trên SnB & IvB, nếu tin đồn này là sự thật, nhân HW GT3 thực sự sẽ là thay đổi đáng chú ý nhất về đồ hoạ của Intel.

Chỉ có một điểm gây "nản lòng" người dùng của Intel ở đây. Nếu ở IvB, mọi thiết kế dành cho laptop đều dùng nhân IvB GT2 (16 EU) thì với HW, sẽ có những thiết kế dùng HW GT2 thay vì GT3. Tức hiệu năng đồ hoạ một số laptop HW sẽ yếu hơn các laptop HW khác, là điều mà người dùng laptop IvB không bị gặp.

Cải thiện năng lực CPU

Hiệu năng trên HW sẽ gồm 2 phần: CPU & GPU. Chúng ta sẽ đi vào phần cơ bản trước - CPU.

Dù trước đây Intel nói rằng mỗi bước "tock" sẽ là một kiến trúc mới so với "tick" là một tiến trình mới, thì HW dường như không phải một kiến trúc mới. Đây chỉ là một sự cải tiến (enhancement) so với kiến trúc SnB / IvB hiện có. Ống lệnh trên HW không thay đổi so với SnB. Nét mới ở đây trong các phần thực thi (execution) là số cổng xuất dữ liệu tăng từ 6 lên 8 (port 6 và 7), chủ yếu tập trung vào phép toán số nguyên và tiên đoán rẽ nhánh.

Cải thiện ở phần trả kết quả (back-end) cũng tương ứng. Kích thước các bộ đệm (cache) không tăng thêm. Chúng chỉ hơn ở tốc độ nhận & trả dữ liệu, tăng cường băng thông so với trước. Kết hợp với các cải thiện ở phần thực thi, có thể nói một cách hình tượng rằng dây chuyền sản xuất vẫn như cũ, nhưng chúng ta mở rộng cửa ra vào giữa các phòng ban nhằm giúp nguyên liệu di chuyển dễ dàng hơn giữa các bộ phận. Bạn hiểu nôm na như kích thước của kho chứa không đổi, nhưng cổng ra vào to gấp đôi sẽ giúp hàng hoá qua lại thuận tiện hơn.

"May thay", HW không chỉ có vậy. Ít nhất có một điểm đáng để chúng ta quan tâm là tập lệnh AVX2. Tập lệnh này hứa hẹn sẽ giúp tăng gấp đôi năng lực tính toán số thực (FP) so với kiến trúc cũ. Điều tuyệt vời này có được một phần cũng nhờ vào việc tăng gấp đôi cổng ra vào giữa các bộ phận, giúp cho các tập lệnh có kích thước lớn luân chuyển dễ dàng hơn. Song bạn cũng cần chú ý rằng hiệu năng FP này có đạt được cũng cần phải được ứng dụng hỗ trợ. Nếu ứng dụng chỉ hỗ trợ tới AVX thì chưa có gì cho thấy nó sẽ chạy nhanh hơn ở cùng mức xung với HW.

Một cải thiện sau cùng ở phần CPU của HW là khả năng đồng bộ hoá các giao dịch (TSX). Đây là vấn đề nảy sinh khi giữa các luồng xử lý có sự can thiệp. Sự cải thiện này liên quan đến vấn đề lập trình nhiều hơn nên tôi không đi vào chi tiết.

GPU - Lưu tâm mới của Intel

Có thể nói rằng hiện về năng lực x86, Intel đã không còn đối thủ (AMD khá nhạt nhoà). Vả lại dù sao, với đa số người dùng hiện nay, các tác vụ hàng ngày không "vắt" được hết sức của CPU. Nên có thể nói HW không cải thiện nhiều lắm về kiến trúc cũng là điều chấp nhận được. Trong khi đó, năng lực đồ hoạ vẫn là cơn đau dài của hãng này, không chỉ từ thời Westmere mà ngay cả trước đây, IGP của Intel chưa được khi nào xem trọng. Tôi còn nhớ khi SnB ra mắt, một số game 3D còn "chê" không thèm chạy trên IGP của Intel.

Và Intel không muốn bị "mất mặt" mãi. Như đã nêu, nhân HW GT3 thực sự là một cải thiện lớn, ngay cả khi chỉ bàn về số lượng EU. Triết lý thiết kế IGP của Intel có thể ví như chiếc bánh sandwich: nó sẽ có phần đầu bị nướng đen (global asset) và các lát (slice) phía sau cứ thế dồn thêm vào. Triết lý này thực ra cũng khá giống cách AMD làm GPU. Phần Global Asset đóng vai trò gửi các lệnh vẽ điểm, đoạn, đường, mặt, in texture, tô pixel lên các nhân EU nằm ở các slice phía sau. Số lượng các slice này tương đương với các khối SIMD mà AMD và NVIDIA hiện dùng.

Theo mô tả của Intel, phần kiến trúc cơ bản trên IGP của HW giống với IvB. Điểm khác biệt chính có lẽ nằm ở số lượng các slice mà hãng này thêm vào. Ngoài ra, có thông tin (vỉa hè) cho hay rằng HW sẽ kèm thêm một bộ đệm DRAM nằm riêng nhằm tăng tốc xử lý đồ hoạ hơn. Intel không xác thực thông tin này, nhưng cũng không phủ nhận. Song bộ đệm DRAM này có thể là giải thích hợp lý cho hiệu năng đồ hoạ trên HW.

Các cải thiện còn lại về GPU của Intel cũng theo hướng của AMD và NVDIA: tăng cường năng lực encode / decode video. Trong trường hợp bạn là dân chơi HD hoặc lập trình viên, các cải thiện này có thể đáng lưu tâm với bạn. Điểm nhấn ở đây: IGP của HW cho phép giải mã các đoạn phim có độ phân giải 4K.

Sơ kết

Hãy còn khá xa để có lời kết về HW. Những gì Intel tiết lộ tại IDF lần này chỉ mới là phần nổi của tảng băng. Nhưng ít nhất, chúng ta cũng biết được tảng băng này sẽ trôi về đâu. Có thể thấy rõ: điện toán di động là thứ mà Intel ngắm đến, thay vì chỉ là cuộc đua hiệu năng mà nó gần như bão hoà ở thị trường phổ thông.

Về căn bản, chúng ta có thể hy vọng những chiếc tablet chạy Windows 8 nền HW (như Surface chẳng hạn) sẽ chạy mượt hơn, tiết kiệm điện hơn so với các đàn anh dùng chip SnB / IvB. Người dùng Ultrabook cũng có thể sẽ hài lòng hơn về mặt đồ hoạ. Các gamer có thể sẽ đỡ phiền lòng hơn với năng lực IGP của Intel (đặc biệt khi so với APU của AMD).

Hãy chờ xem liệu HW có giúp Intel thay đổi được hình tượng của mình, khi đang nằm ở "chiếu dưới" so với ARM trong mặt trận di động.

Theo Genk