Sự khác biệt giữa RISC, RISC-V và ARM

Bộ xử lý được ví như bộ não của bất kỳ máy tính nào và nó không ngừng phát triển để nâng cao hiệu quả. Thiết kế của bộ xử lý xác định số lượng lệnh cũng như tốc độ và hiệu quả mà nó có thể thực hiện. RISC, RISC-V và ARM là các thuật ngữ được sử dụng trong thiết kế bộ xử lý để biểu thị một bộ xử lý sử dụng loại kiến ​​trúc tập lệnh (ISA) cụ thể.

Mặc dù không được sử dụng phổ biến trong các máy tính phổ thông, nhưng những bộ xử lý này cung cấp năng lượng cho điện thoại thông minh, bộ vi điều khiển, máy tính đơn bo và tất cả các loại thiết bị IoT. Cùng tìm hiểu kỹ hơn về các khái niệm này trong bài viết sau đây!.

Giải thích về kiến ​​trúc tập lệnh và RISC

Có thể khó hiểu được sự khác biệt giữa RISC, RISC-V và ARM nếu bạn không biết cách thức hoạt động của CPU và quá trình thực thi code. Vì vậy, trước khi bắt đầu so sánh các thuật ngữ, hãy nói về kiến ​​trúc tập lệnh và sự khác biệt giữa nó với những gì bộ xử lý máy tính thông thường sử dụng.

Cho dù đó là bộ vi xử lý, máy vi tính hay máy tính để bàn thông thường, bộ xử lý của chúng đều sử dụng kiến ​​trúc tập lệnh (ISA). ISA là một phần của bộ xử lý chứa tất cả các lệnh cơ bản mà bộ xử lý có thể thực thi. Các lệnh này là những building block của một chương trình máy tính. Chúng thường đơn giản như phép cộng và phép trừ cơ bản.

Nhìn chung, có hai loại ISA lưu hành trên thị trường. Chúng là kiến ​​trúc RISC và CISC. RISC là viết tắt của Reduced Instruction Set Computer, trong khi CISC là viết tắt của Complex Instruction Set Computer. Hiện nay, cả hai kiến ​​trúc đều phổ biến, với x86 (bộ xử lý Intel và AMD) là bộ xử lý hàng đầu sử dụng CISC và ARM (bộ xử lý Qualcomm và MediaTek) là kiến ​​trúc RISC phổ biến nhất.

Về cơ bản, RISC là một kiến ​​trúc máy tính được thiết kế và tối ưu hóa để sử dụng ít lệnh hơn so với CISC. Ít hướng dẫn hơn và công nghệ tối ưu hóa được sử dụng trong kiến ​​trúc RISC cho phép các loại bộ xử lý này sử dụng ít năng lượng hơn, khiến chúng trở nên lý tưởng cho điện thoại thông minh, camera, đồng hồ thông minh và tất cả các loại thiết bị IoT.

ARM là gì?

Bộ xử lý ARM được chứng minh là một trong số những kiến ​​trúc RISC hàng đầu trên thị trường. Vậy, chính xác thì ARM là gì và tại sao chúng lại là bộ xử lý RISC phổ biến nhất?

Trước RISC-V, bộ xử lý dựa trên ARM là lựa chọn duy nhất cho bất kỳ ai muốn xây dựng sản phẩm điện tử bằng bộ xử lý tùy chỉnh của riêng mình.

Arm (với “rm” viết thường) Ltd. là công ty thiết kế và cấp phép chip cho nhiều nhà sản xuất phần cứng khác nhau, chẳng hạn như Apple, MediaTek, Qualcomm và các công ty nhỏ hơn như PINE64. Họ sử dụng ISA ARM nguồn đóng của riêng mình để thiết kế các bộ vi xử lý và SoC (System-on-a-Chip) hiệu quả cao. Tất cả các thiết kế do Arm tạo ra đều được gọi là bộ xử lý Advanced RISC Machine hoặc đơn giản là bộ xử lý ARM (tất cả đều viết hoa).

Ngoài việc là một trong những công ty đầu tiên bán và thiết kế chip tùy chỉnh, Arm đã trở thành nhà thiết kế chip RISC thống trị nhờ những đổi mới liên tục về thiết kế bộ xử lý ARM ISA và ARM.

Giống như APU của AMD, kết hợp CPU và GPU thành một khuôn, bộ xử lý ARM được biết là kết hợp tất cả CPU, GPU, bộ nhớ, DSP và nhiều modem khác nhau trong một khuôn hoặc chip - đây được gọi là System on a Chip (SoC). Sự tích hợp chặt chẽ của nhiều mô-đun này đã cho phép bộ xử lý ARM hoạt động nhanh và hiệu quả.

RISC-V là gì?

RISC-V là một ISA tiêu chuẩn mở được phát triển tại Đại học California, Berkeley. ISA này không giới thiệu bất kỳ công nghệ mới nào trên thị trường, nhưng nhiều người suy đoán rằng đó là tương lai của bộ xử lý dựa trên RISC. Tại sao lại như vậy?

RISC-V đã thu hút được sự chú ý từ các công ty như Amazon, Google, Qualcomm, Intel, Rockchip, SiFive, Sony, ZTE và Western Digital. Điều này là do RISC-V là một ISA tiêu chuẩn mở. RISC-V International (một hiệp hội phi lợi nhuận dành cho RISC-V) cho phép mọi người sử dụng RISC-V ISA trên bộ xử lý của họ mà không phải trả phí.

Điều tuyệt vời về RISC-V là khả năng mở rộng tập lệnh dựa trên bất kỳ tiến trình nào mà chip của bạn sẽ cần cho một sản phẩm nhất định. RISC-V chỉ bắt đầu với một tập lệnh cơ sở gồm 47 lệnh. Các lệnh này bao gồm tất cả những chức năng cơ bản mà một con chip cần để hoạt động và thực hiện các tác vụ cơ bản.

Sau đó, các nhà thiết kế sẽ được tự do lựa chọn lệnh nào sẽ thêm vào tập lệnh cơ sở để cung cấp cho chip tất cả các chức năng cần thiết mà không cần thêm bất kỳ thứ gì dư thừa sẽ không được sử dụng.

Mặc dù RISC-V vẫn là một ISA tương đối mới, nhưng tiềm năng cung cấp các chip chuyên dụng hiệu quả cao và tiết kiệm chi phí cho những ứng dụng khác nhau là điều khiến nó trở thành một ISA đặc biệt.

ARM hay RISC V tốt hơn?

ARM và RISC-V đều là ISA tuân theo triết lý thiết kế RISC, vậy cái nào tốt hơn?

Đây là so sánh hiệu năng giữa bộ xử lý P670 của SiFive với bộ xử lý Cortex-A78 của Arm:

Như bạn có thể thấy trong hình minh họa, Cortex-A78 nhỉnh hơn một chút so với P670 về hiệu năng đơn luồng cao nhất. Mặc dù Cortex-A78 chiến thắng về hiệu năng thô, nhưng P670 tăng gấp đôi mật độ tính toán của Cortex-A78. Điều này có nghĩa là bộ xử lý P670 của SiFive cung cấp hiệu suất đơn luồng cao nhất tương đương so với Cortex-A78, gấp đôi kích thước vật lý của P670.

Trong phép so sánh này, bộ xử lý P670 của SiFive chiến thắng Cortex-A78 của Arm vì mang lại hiệu năng đơn luồng tương đương với kích thước chỉ bằng một nửa. Tuy nhiên, bạn cũng cần lưu ý rằng Cortex-A78 được ra mắt vào tháng 12 năm 2020 thông qua Vivo X60 và X60 Pro, trong khi P670 mới được công bố vào ngày 1 tháng 11 năm 2022.

Đó là khoảng cách hai năm về mặt nghiên cứu và phát triển. Bộ xử lý mới nhất của Arm hiện chạy trên ISA ARMv9, cải thiện đáng kể ARMv8 mà Cortex-A78 sử dụng. Nói cách khác, bộ xử lý ARMv9 mới nhất cung cấp hiệu suất cao hơn khoảng 30% và tiết kiệm năng lượng hơn 50%.

Vì vậy, xét về hiệu suất thô, bộ vi xử lý ARM vẫn dẫn đầu. Nhưng với P670 của SiFive cung cấp mật độ tính toán gấp đôi so với Cortex-A78, bộ xử lý RISC-V dường như có lợi thế hơn so với bộ xử lý ARM về các công nghệ thiết bị đeo được hưởng lợi rất nhiều từ việc sử dụng bộ xử lý kích thước nhỏ hơn.

RISC, RISC-V và ARM là các kiến ​​trúc tập lệnh khác nhau

Tóm lại, RISC là một triết lý thiết kế sử dụng ít lệnh hơn so với những gì bạn tìm thấy trên bộ xử lý máy tính để bàn thông thường như x86. Việc có các lệnh ngắn và ít hơn cho phép bộ xử lý RISC đạt hiệu suất năng lượng cao.

ARM là một ISA nguồn đóng dựa trên RISC được cấp phép cho các công ty về bộ xử lý và SoC. ARM ISA cho phép Arm thiết kế bộ xử lý RISC hiệu suất cao như chip M1 của Apple. Mặt khác, RISC-V là một ISA tiêu chuẩn mở dựa trên RISC mà bất kỳ ai cũng có thể sử dụng để thiết kế chip của riêng mình mà không phải trả phí giấy phép. Bản chất nguồn mở của nó cho phép RISC-V ISA được sửa đổi và mở rộng hơn nữa nhằm tạo ra các chip chuyên dụng cho những tác vụ cụ thể.

Mặc dù có vẻ như không quá quan trọng nhưng sự cạnh tranh đang diễn ra giữa ARM và RISC-V này chắc chắn sẽ mang lại lợi ích cho tất cả người tiêu dùng, đặc biệt là khi nói đến thiết bị IoT, bộ vi điều khiển, máy tính đơn bo và thiết bị cầm tay như điện thoại thông minh và máy tính bảng. Và ai biết được, với bằng chứng là chip M1 của Apple, bộ xử lý dựa trên RISC có thể thực sự cạnh tranh với bộ xử lý x86 sớm hơn dự kiến.