CPU là gì?
Bộ xử lý trung tâm (CPU) là thành phần phần cứng đóng vai trò là đơn vị điện toán cốt lõi trong máy chủ. Máy chủ và các thiết bị thông minh khác chuyển đổi dữ liệu thành tín hiệu số và thực hiện các phép toán trên đó. CPU là thành phần chính xử lý các tín hiệu và giúp hoạt động điện toán trở nên khả thi. CPU hoạt động như bộ não của bất kỳ thiết bị máy tính nào. CPU tìm nạp hướng dẫn từ bộ nhớ, thực hiện các tác vụ cần thiết và gửi kết quả trở lại bộ nhớ. CPU xử lý tất cả các tác vụ điện toán cần thiết để chạy hệ điều hành và các ứng dụng.
Công nghệ CPU đã tiến bộ như thế nào theo thời gian?
Các máy tính đời đầu sử dụng ống chân không để xử lý tác vụ. Các máy tính như ENIAC và UNIVAC có kích thước rất lớn và cồng kềnh, chúng cũng tiêu thụ rất nhiều năng lượng và sinh nhiệt đáng kể. Việc phát minh ra bóng bán dẫn vào cuối những năm 1940 đã cách mạng hóa công nghệ CPU. Các bóng bán dẫn thay thế các ống chân không, làm cho kích thước máy tính nhỏ hơn, đáng tin cậy hơn và tiết kiệm năng lượng hơn. Vào giữa những năm 1960, mạch tích hợp (IC) được phát triển bằng cách kết hợp bóng bán dẫn và các thành phần khác trên một chip máy tính duy nhất. CPU ngày càng trở nên nhỏ hơn và nhanh hơn, dẫn đến sự xuất hiện của bộ vi xử lý.
Bộ vi xử lý
Các bộ vi xử lý kết hợp toàn bộ CPU trên một chip IC duy nhất, giúp con người dễ tiếp cận với máy tính hơn và dẫn đến sự phát triển của máy tính cá nhân. Ban đầu, CPU có thể xử lý 16 đến 32 bit dữ liệu cùng một lúc. Vào đầu những năm 2000, CPU 64 bit xuất hiện, cho phép địa chỉ hóa bộ nhớ lớn hơn và hỗ trợ xử lý dữ liệu chuyên sâu hơn.
Khi mật độ bóng bán dẫn tăng lên, việc nâng cao hiệu năng CPU lõi đơn trở nên khó khăn hơn. Thay vào đó, các nhà sản xuất CPU bắt đầu sử dụng kiến trúc bộ xử lý đa lõi để tích hợp nhiều lõi vào một chip duy nhất.
Bộ xử lý hiện đại
Với sự gia tăng của các thiết bị di động, hiệu quả sử dụng năng lượng dần trở nên quan trọng. Các nhà sản xuất CPU hiện đang phát triển CPU tiết kiệm năng lượng và tiêu thụ ít năng lượng cho các thiết bị di động hiện đại như điện thoại thông minh và máy tính bảng.
Khi trí tuệ nhân tạo (AI) và tác vụ yêu cầu cao về đồ họa trở nên phổ biến hơn, các CPU chuyên dụng như bộ xử lý đồ họa (GPU) và trình tăng tốc AI hiện đang được sử dụng để xử lý khối lượng công việc.
Hoạt động nghiên cứu và phát triển không ngừng trong công nghệ nano và khoa học vật liệu đã mở đường cho các bóng bán dẫn siêu nhỏ và CPU mạnh hơn. Công nghệ điện toán lượng tử và các công nghệ mới nổi khác cũng chứa nhiều tiềm năng để phát triển hơn nữa công nghệ xử lý máy tính.
CPU bao gồm những thành phần nào?
CPU là một mạch điện tử phức tạp bao gồm một số thành phần chính xử lý dữ liệu và chạy các lệnh. Dưới đây là các thành phần chính của CPU.
Bộ điều khiển
Bộ điều khiển quản lý hoạt động xử lý lệnh và điều phối luồng dữ liệu trong CPU và giữa các thành phần máy tính khác. Bộ phận này có một thành phần giải mã lệnh có nhiệm vụ diễn giải các lệnh được tìm nạp từ bộ nhớ và chuyển đổi chúng thành các hoạt động vi mô mà CPU có thể chạy. Bộ điều khiển chỉ đạo các thành phần CPU khác để thực hiện các hoạt động cần thiết.
Thanh ghi
Thanh ghi là các vị trí lưu trữ bộ nhớ tốc độ cao, có kích thước nhỏ trong CPU. Chúng chứa dữ liệu mà CPU hiện đang xử lý và tạo điều kiện truy cập nhanh vào dữ liệu. CPU có một số loại thanh ghi như sau:
- Thanh ghi thông dụng chứa dữ liệu hoạt động
- Thanh ghi lệnh chứa lệnh hiện tại đang được xử lý
- Một bộ đếm chương trình chứa địa chỉ bộ nhớ của lệnh tiếp theo sẽ được tìm nạp
Thanh ghi cung cấp thời gian truy cập nhanh hơn các mức bộ nhớ khác như RAM hoặc bộ nhớ đệm.
ALU
Đơn vị logic số học (ALU) thực hiện các phép toán số học cơ bản (cộng, trừ, nhân và chia) và các phép toán logic (AND, OR và NOT) trên dữ liệu. Đơn vị này nhận dữ liệu từ các thanh ghi trong CPU, xử lý dữ liệu dựa trên các hướng dẫn từ bộ điều khiển và đưa ra kết quả.
Đơn vị quản lý bộ nhớ
Tùy thuộc vào kiến trúc CPU, có thể có một đơn vị giao diện bus riêng biệt hoặc đơn vị quản lý bộ nhớ. Các thành phần này xử lý các tác vụ liên quan đến bộ nhớ, chẳng hạn như quản lý tương tác giữa CPU và RAM. Đơn vị này cũng xử lý bộ nhớ đệm – một đơn vị bộ nhớ nhỏ tốc độ cao nằm trong CPU – và bộ nhớ ảo mà CPU yêu cầu để xử lý dữ liệu.
Đồng hồ
CPU dựa vào tín hiệu đồng hồ để đồng bộ hóa các hoạt động nội bộ. Đồng hồ tạo ra một xung nhịp ổn định ở một tần số cụ thể và các chu kỳ xung nhịp này phối hợp các hoạt động của CPU. Tốc độ xung nhịp được đo bằng hertz (Hz) và xác định có bao nhiêu lệnh CPU có thể thực hiện mỗi giây. CPU hiện đại có tốc độ xung nhịp thay đổi, điều chỉnh dựa trên khối lượng công việc để cân bằng hiệu suất và mức tiêu thụ điện năng.
CPU hoạt động như thế nào?
Bộ xử lý máy tính làm việc với các thành phần phần cứng và chương trình phần mềm khác để xử lý dữ liệu và quản lý luồng thông tin trong các thiết bị điện tử. Chúng thường hoạt động theo chu trình, với mỗi chu trình lệnh tương ứng với ba bước chính.
Chu trình bộ xử lý lõi
Tiếp theo là các bước cơ bản trong một chu trình lệnh.
Tìm nạp lệnh
CPU tìm nạp các lệnh từ bộ nhớ. Các lệnh ở dạng mã nhị phân tương ứng với các tác vụ hoặc thao tác cụ thể cho CPU. Bộ phận điều khiển diễn giải các lệnh và xác định thao tác sẽ được thực hiện. Bộ phận này cũng xác định các thành phần CPU cụ thể cần thiết cho tác vụ.
Xử lý lệnh
CPU thực hiện thao tác cụ thể trên dữ liệu đã được tìm nạp. CPU thực hiện các phép tính toán học, so sánh logic, thao tác dữ liệu hoặc truyền dữ liệu giữa các thanh ghi hoặc vị trí bộ nhớ.
Lưu trữ kết quả
Sau khi thực hiện các lệnh, CPU có thể cần lưu trữ kết quả trong bộ nhớ hoặc cập nhật dữ liệu mới vào các thanh ghi cụ thể. Bộ đếm chương trình (PC) được cập nhật để trỏ đến địa chỉ của lệnh sẽ được tìm nạp tiếp theo. CPU lặp lại chu trình và tìm nạp, giải mã và thực hiện các lệnh một cách tuần tự.
Các chức năng bộ xử lý bổ sung
CPU cũng có thể xử lý các lệnh luồng điều khiển như nhảy, rẽ nhánh và ngắt, tín hiệu được các thiết bị bên ngoài tạo ra hoặc các sự kiện đòi hỏi sự chú ý ngay lập tức. Khi có một lệnh ngắt, CPU tạm thời đình chỉ tác vụ hiện tại, lưu trạng thái tác vụ và nhảy sang một quy trình dịch vụ ngắt. Sau khi xử lý xong lệnh ngắt, CPU sẽ tiếp tục tác vụ trước đó.
Các CPU hiện đại thường sử dụng các kỹ thuật như tính song song và tạo quy trình lệnh để nâng cao hiệu năng. Nhiều lệnh có thể cùng lúc nằm trong các giai đoạn chu trình khác nhau, điều này cho phép sử dụng tài nguyên CPU một cách hiệu quả hơn.
Đâu là một số tính năng CPU nâng cao?
CPU tốt nhất sẽ vượt trội về hiệu năng, hiệu quả và tính linh hoạt, cho phép nó xử lý hiệu quả một loạt các tác vụ điện toán. Tiếp theo, chúng tôi sẽ đưa ra vài tính năng nâng cao.
Lõi
Dù bộ xử lý lõi đơn là tiêu chuẩn trong quá khứ, tất cả các CPU ngày nay đều được trang bị nhiều lõi vật lý. Lõi là một đơn vị xử lý riêng lẻ trong một CPU. Có nhiều lõi hơn cho phép CPU xử lý song song nhiều luồng (chuỗi lệnh), giúp cải thiện đáng kể hiệu năng tổng thể. Các ứng dụng có thể tận dụng lợi thế của thiết kế đa lõi bằng cách chia các tác vụ thành các tác vụ nhỏ hơn để có thể hoàn thành cùng lúc.
Siêu phân luồng
Siêu phân luồng là công nghệ triển khai đa luồng đồng thời được phát triển bởi Intel, cho phép mỗi lõi CPU chạy nhiều luồng cùng một lúc. Công nghệ này cho phép mỗi lõi vật lý xuất hiện dưới dạng hai lõi ảo trong hệ điều hành. Phần mềm sử dụng tài nguyên phần cứng có sẵn hiệu quả hơn.
Tập lệnh nâng cao
CPU hiện đại cũng chứa các tập lệnh nâng cao và công nghệ tiên tiến được thiết kế để tăng tốc các tác vụ cụ thể. Các tập lệnh này không chỉ thực hiện các phép toán số học và logic cơ bản mà còn cung cấp thêm các tính năng để xử lý các tính toán phức tạp hiệu quả hơn.
Ví dụ: CPU có thể bao gồm các tập lệnh cụ thể cho các tác vụ sau:
- Các tác vụ đa phương tiện, chẳng hạn như giải mã video, mã hóa âm thanh và xử lý hình ảnh.
- Các thuật toán mã hóa và giải mã, như Tiêu chuẩn mã hóa tiên tiến (AES) và Thuật toán băm an toàn (SHA).
- Các tác vụ lệnh đơn, nhiều dữ liệu (SIMD) yêu cầu CPU thực hiện đồng thời cùng một thao tác trên các tập dữ liệu lớn. Những tác vụ bao gồm kết xuất đồ họa, mô phỏng khoa học và xử lý tín hiệu số.
- Ảo hóa, cho phép các máy ảo (VM) chạy hiệu quả hơn.
- Khối lượng công việc AI như vận hành mạng nơ-ron.
AWS có thể hỗ trợ các yêu cầu của bạn về bộ xử lý bằng cách nào?
Amazon Web Services (AWS) có các dịch vụ để hỗ trợ yêu cầu về bộ xử lý của bạn.
Đám mây điện toán linh hoạt của Amazon (Amazon EC2) cung cấp nền tảng điện toán rộng nhất và sâu nhất. Nền tảng này có hơn 600 phiên bản và bạn có thể lựa chọn bộ xử lý, kho lưu trữ, kết nối mạng, hệ điều hành và mô hình mua mới nhất cho phù hợp nhất với nhu cầu khối lượng công việc của mình. Chúng tôi là nhà cung cấp đám mây lớn đầu tiên hỗ trợ các bộ xử lý Intel, AMD và Arm, cũng như là dịch vụ đám mây duy nhất có phiên bản EC2 Mac theo nhu cầu.
Khi sử dụng Amazon EC2, bạn sẽ nhận được những lợi ích này ngay lập tức:
- Có được hiệu năng giá tốt nhất để đào tạo máy học cũng như mức chi phí thấp nhất cho mỗi phiên bản suy luận trên đám mây
- Chọn cách kết hợp tốt nhất giữa CPU, bộ nhớ, dung lượng lưu trữ và tài nguyên mạng cho các ứng dụng của bạn
- Chọn Hình ảnh máy Amazon (AMI) được định cấu hình sẵn theo mẫu để khởi động và vận hành ngay lập tức
Bắt đầu với các phiên bản và bộ xử lý tùy chỉnh trên AWS bằng cách tạo tài khoản ngay hôm nay.
