CPU là gì? Những thành phần cấu tạo nên CPU và tốc độ xử lý CPU thế nào là nhanh?

CPU là một trong những yếu tố mà các khách hàng thường quan tâm đến đầu tiên khi chọn mua một sản phẩm công nghệ như: laptop, điện thoại, máy tính bảng. Vậy CPU là gì? Đóng vai trò quan trọng như thế nào trong các thiết bị công nghệ? 

CPU là gì?

CPU (Central Processing Unit) hay còn được gọi là Bộ xử lý trung tâm, là bộ phận đóng vai trò quan trọng như "bộ não" trên các thiết bị máy tính, điện thoại, máy tính bảng,... CPU sẽ chịu trách nhiệm trong quá trình xử lý chương trình và dữ liệu.

Cấu trúc của CPU không chỉ đơn giản là một bảng mạch, mà là một tổ hợp của hàng triệu transistor (một loại linh kiện bán dẫn chủ động), kết hợp thành mạng lưới để thực hiện các phép toán phức tạp với tốc độ nhanh nhất.

Hiện nay, Intel và AMD là hai nhà sản xuất hàng đầu trong lĩnh vực sản xuất CPU và cả hai đều đóng vai trò trong việc định hình xu hướng, đưa ra những đổi mới tiên tiến qua mỗi thế hệ chip.

Lịch sử phát triển của CPU máy tính

CPU trong các thế hệ máy tính đầu tiên

• Vào những năm 1940, máy tính ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) xuất hiện, với việc sử dụng bóng điện tử để thực hiện các phép tính phức tạp. ENIAC được coi là bước đột phá quan trọng trong lịch sử của CPU, mở đầu cho sự phát triển của máy tính điện tử.
• Trong thập kỷ 1950, máy tính UNIVAC I (Universal Automatic Computer I) sử dụng transistor (linh kiện bán dẫn) thay thế bóng điện tử, làm cho máy tính trở nên nhẹ nhàng và hiệu quả hơn.

Sự phát triển và nâng cấp của CPU qua các thập kỷ

• Trong những năm 1960, máy tính đa nhiệm (multiprocessing) ra đời, cho phép máy tính thực hiện nhiều tác vụ đồng thời.
• Đến những năm 1970, CPU bắt đầu được tích hợp trên một chip duy nhất, tạo nên sự thay đổi đáng kể trong cấu trúc của máy tính, nhỏ gọn hơn trước.
• Các năm 1980 chứng kiến sự phát triển nhanh chóng của CPU với việc ra đời của loạt vi xử lý (x86) của Intel, mở ra kỷ nguyên máy tính cá nhân (PC).
• Những năm 1990 đánh dấu sự gia tăng đáng kể về tốc độ xử lý của CPU. Các CPU thế hệ này đã đạt tới tốc độ đáng kể và sử dụng đơn vị siêu phalarithmic (superscalar) để xử lý nhiều lệnh đồng thời, giúp tăng hiệu suất của máy tính.

• Trong thập kỷ 2000, CPU bắt đầu dựa vào kiến thức đa lõi (multicore). Thay vì chỉ có một lõi xử lý, CPU bây giờ có thể có nhiều lõi xử lý trên cùng một chip, tạo ra khả năng xử lý đa nhiệm mạnh mẽ hơn nên máy tính có thể xử lý nhiều tác vụ cùng lúc.
• Các năm 2010 chứng kiến sự phát triển của CPU với công nghệ tiến trình sản xuất chip ngày càng nhỏ (nanometer), làm cho CPU trở nên nhỏ gọn, nhanh chóng và tiết kiệm năng lượng hơn.
• Thế kỷ 21 đã thấy sự gia tăng vượt bậc trong sự phát triển của CPU, với sự ra đời của loại CPU chuyên dành cho trí tuệ nhân tạo (AI) và tích hợp trí tuệ nhân tạo (AIoT). CPU đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý dữ liệu lớn và sâu hơn, mở ra các ứng dụng mới trong y tế, tự động hóa,…

Các thành phần cấu tạo nên CPU

CPU được chia thành nhiều thành phần quan trọng, mỗi thành phần đóng vai trò riêng để đảm bảo sự hoạt động mạnh mẽ và xử lý hiệu quả các thao tác từ người dùng. Những thành phần bao gồm:

Khối tính toán - ALU (Arithmetic Logic Unit)

Đây là một trong những thành phần quan trọng của CPU, thực hiện các phép toán số học và logic cơ bản. ALU có trách nhiệm thực hiện các phép cộng, trừ, nhân, chia cũng như các phép so sánh và các phép logic như AND, OR.

Khối điều khiển - CU (Control Unit)

Khối điều khiển CU đọc lệnh từ bộ nhớ, có khả năng giải mã và điều phối các tín hiệu điều khiển để thực hiện các phép toán cần thiết.

Các thanh ghi - Register

Register là các ô nhớ nhỏ và nhanh trên CPU được sử dụng để lưu trữ dữ liệu tạm thời trong quá trình thực hiện các phép toán. Có nhiều loại đăng ký (Register) khác nhau, bao gồm đăng ký dữ liệu, đăng ký địa chỉ và các đăng ký điều khiển.

Bộ nhớ đệm -Cache Memory

Cache là một bộ nhớ nhỏ, nhưng cực kỳ nhanh chóng và tiện lợi, được sử dụng để lưu trữ dữ liệu và lệnh mà CPU có thể cần sử dụng thường xuyên. Có nhiều cấp độ cache khác nhau như: L1, L2 và L3, với L1 gần nhất với CPU và nhanh nhất.

Tốc độ xung nhịp - Clock Speed

Tốc độ đồng hồ của CPU là một yếu tố quyết định quan trọng về hiệu suất. Được đo bằng đơn vị hertz (Hz), tốc độ đồng hồ xác định số lượng chu kỳ xử lý mà CPU có thể thực hiện mỗi giây. Một tốc độ đồng hồ cao thường đồng nghĩa với khả năng xử lý nhanh hơn.

Bus Interface

Bus là một hệ thống giao tiếp giữa các thành phần của CPU và các thành phần khác của hệ thống. Bus có thể chia thành các loại khác nhau như: bus dữ liệu, bus địa chỉ và bus điều khiển.

Cách CPU xử lý lệnh và tính toán

Mô tả cách hoạt động của CPU

Để hiểu rõ hơn về cách CPU thực hiện công việc của mình, chúng ta có thể xem xét quá trình xử lý lệnh và tính toán trong CPU. Khi CPU hoạt động, nó lặp lại các bước sau:

• Lấy lệnh (Fetch): Đầu tiên, CPU cần biết lệnh nào cần thực hiện. Để làm điều này, nó lấy lệnh từ bộ lưu trữ lệnh (Instruction Memory) và đặt lệnh vào bộ xử lý lệnh (Instruction Decoder).
• Dịch lệnh (Decode): Bước này quyết định xem lệnh đó nghĩa là gì và cần thực hiện những gì. Lệnh có thể là một phép toán như cộng, trừ, nhân, chia, hoặc nhiều tác vụ khác nhau như gán giá trị từ một nơi này sang một nơi khác.
• Thực hiện lệnh (Execute): Sau khi lệnh được dịch, CPU sẽ thực hiện lệnh đó. Bước này đòi hỏi sự hỗ trợ của bộ xử lý phép toán và logic (ALU) để thực hiện các phép toán và tính toán cần thiết trên dữ liệu. Kết quả của lệnh thường sẽ được lưu vào bộ đăng ký (Register).
• Lưu trữ kết quả (Store): Cuối cùng, kết quả của lệnh sẽ được lưu trữ lại. Nếu lệnh yêu cầu, dữ liệu này có thể được gửi trở lại bộ lưu trữ dữ liệu (Data Memory) hoặc được trả về cho bộ nhớ chính (RAM).

Ví dụ thực tế cách hoạt động của CPU

Tưởng tượng bạn đang chơi một trò chơi máy tính đòi hỏi hiệu suất cao như LOL trên chiếc máy tính của mình. Trong khi bạn di chuyển nhân vật, bắn đạn và giao tiếp với môi trường ảo, CPU của máy tính đang hoạt động một cách đồng thời để thực hiện các tác vụ quan trọng.

• Lấy lệnh (Fetch): Khi bạn thực hiện một hành động trong trò chơi, chẳng hạn như nhấn nút để nhân vật di chuyển, CPU lấy lệnh tương ứng từ bộ lưu trữ lệnh. Mỗi giây, CPU có thể lấy hàng triệu lệnh từ bộ lưu trữ lệnh, thậm chí nhiều hơn.
• Dịch lệnh (Decode): CPU dịch lệnh để hiểu ý nghĩa của nó. Ví dụ, nếu bạn nhấn nút "W" để di chuyển nhân vật về phía trước, CPU sẽ dịch lệnh này thành lệnh di chuyển lên trên màn hình. Điều này xảy ra trong mili giây (1 mili giây = 1/1000 giây).
• Thực hiện lệnh (Execute): CPU sẽ thực hiện lệnh bằng cách sử dụng Arithmetic Logic Unit (ALU) để tính toán vị trí mới của nhân vật dựa trên lệnh di chuyển. Nó cũng kiểm tra xung quanh để xác định xem có đối thủ nào xuất hiện gần bạn không. Tất cả những điều này diễn ra trong cự ly nhỏ hơn 1 mili giây.
• Lưu trữ kết quả (Store): Kết quả của lệnh, tức là vị trí mới của nhân vật, sẽ được lưu vào bộ đăng ký. Bộ đăng ký có thể lưu trữ hàng trăm giá trị tạm thời cùng một lúc.

CPU thực hiện tất cả những tác vụ này với tốc độ siêu nhanh và có khả năng xử lý hàng triệu lệnh mỗi giây và quản lý nhiều luồng dữ liệu khác nhau đồng thời. Điều này đảm bảo rằng trò chơi chạy mượt mà, phản hồi nhanh chóng và mang lại trải nghiệm tương tác tốt cho người chơi.

Tốc độ xử lý CPU thế nào là nhanh?

Tốc độ xử lý của CPU được đo bằng đơn vị gọi là "tần số xung" hoặc "clock speed" thường được đo trong đơn vị Hertz (Hz). Tần số xung xác định số lần mà CPU có thể thực hiện các tác vụ trong một giây. Tuy nhiên, tốc độ xử lý không phải lúc nào cũng là thước đo duy nhất để đánh giá hiệu suất của CPU.

Ngoài tần số xung, hiệu suất CPU còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác, bao gồm:

• Kiến trúc CPU: Cấu trúc bên trong CPU có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất. Các kiến trúc tiên tiến có khả năng thực hiện nhiều phép toán trong một chu kỳ xung, làm tăng hiệu suất tổng thể.
• Số lõi và luồng: CPU đa lõi và hỗ trợ đa luồng có khả năng xử lý nhiều tác vụ đồng thời. Số lõi và luồng càng nhiều, CPU càng có khả năng xử lý đa nhiệm tốt.
• Bộ đệm: Kích thước và tốc độ của bộ đệm trong CPU ảnh hưởng đến khả năng truy xuất dữ liệu nhanh chóng. Bộ đệm lớn hơn và nhanh hơn giúp tăng hiệu suất.
• Kiến thức kỹ thuật và khả năng ép xung: Cách tối ưu hóa phần mềm và ép xung cho CPU cũng có tác động đáng kể đến hiệu suất.

Tốc độ xử lý CPU thường được biểu thị bằng đơn vị Megahertz (MHz) hoặc Gigahertz (GHz), với 1 GHz bằng 1 tỷ Hz. Hiện nay, các CPU có tốc độ xử lý thông thường nằm trong khoảng từ vài GHz đến vài chục GHz. Các CPU được thiết kế cho máy tính cá nhân thường có tốc độ từ 2 GHz đến 5 GHz hoặc cao hơn.

Tuy nhiên, không phải lúc nào tốc độ xử lý cao cũng là yếu tố quyết định duy nhất về hiệu suất CPU. Mà cần xem xét toàn bộ hệ thống máy tính bộ nhớ đệm, RAM, chip đồ họa, ổ cứng…

Các loại CPU đang được sử dụng hiện nay

Hiện nay, có một số loại CPU đang được sử dụng rộng rãi trong máy tính và thiết bị di động. Dưới đây là một số loại CPU phổ biến:

CPU Intel

Intel là một trong những nhà sản xuất CPU hàng đầu trên thế giới, cung cấp nhiều dòng sản phẩm khác nhau để phù hợp với nhiều mục tiêu sử dụng. Dòng CPU Intel bao gồm Intel Core i3, i5, i7 và i9 thường được sử dụng trong máy tính cá nhân, máy tính xách tay và máy tính để bàn.

Những CPU này có hiệu suất ấn tượng, đặc biệt là ở các dòng i7 và i9, phù hợp cho người dùng đòi hỏi hiệu suất cao cho các ứng dụng đa nhiệm và trò chơi.

CPU AMD

CPU AMD là một đối thủ mạnh mẽ của Intel trong thị trường. Các CPU AMD Ryzen đang thu hút sự quan tâm với hiệu suất ấn tượng và giá bán thường được đánh giá thấp hơn Intel. Dòng sản phẩm Ryzen bao gồm Ryzen 3, Ryzen 5, Ryzen 7 và Ryzen 9, phù hợp với nhiều mục tiêu sử dụng, từ máy tính cá nhân đến máy trạm và máy chơi game.

• Xem thêm: Giữa CPU và RAM, thành phần nào quan trọng hơn?

CPU ARM

CPU ARM (Advanced RISC Machine) thường được sử dụng trong các thiết bị di động như điện thoại thông minh và máy tính bảng.

Ví dụ nổi bật là dòng chip Apple A14 Bionic và Apple M1 của Apple cho các sản phẩm iPhone, iPad và Mac. Các CPU ARM thiết kế để tiết kiệm năng lượng và có hiệu suất tốt trong môi trường di động.

CPU Apple Silicon

Apple đã chuyển từ việc sử dụng CPU Intel sang sử dụng CPU tự phát triển, được gọi là Apple Silicon. Dòng sản phẩm bao gồm Apple M1, được sử dụng trong các máy tính Mac của họ. Apple Silicon đạt được sự tích hợp tốt giữa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng và đặc biệt tối ưu cho hệ điều hành macOS.

CPU nhúng

CPU nhúng thường được tích hợp trực tiếp vào các thiết bị nhúng như: máy giặt, lò vi sóng, điều khiển tự động,... Chúng có kích thước nhỏ gọn và tiêu thụ ít năng lượng, được thiết kế để xử lý các tác vụ cụ thể trong các ứng dụng nhúng.

CPU máy chủ

CPU máy chủ, chẳng hạn như các dòng sản phẩm Intel Xeon và AMD EPYC, được sử dụng trong các máy chủ và trung tâm dữ liệu để cung cấp hiệu suất và khả năng đáp ứng nhu cầu cao cho các ứng dụng máy chủ và lưu trữ. Đây là các CPU mạnh mẽ có khả năng đa nhiệm và khả năng xử lý tốt cho các tác vụ máy chủ và tính toán khoa học.

CPU di động

CPU di động được sử dụng trong các thiết bị di động như điện thoại thông minh, máy tính bảng và đồng hồ thông minh. Chúng được thiết kế để tiết kiệm năng lượng và cung cấp hiệu suất phù hợp cho các ứng dụng di động, chẳng hạn như lướt web, gọi điện và chơi game trên điện thoại di động.

Phần kết

Trên đây FPT Shop đã giải đáp chi tiết thắc mắc CPU là gì, lịch sử phát triển, các thành phần, cách hoạt động và các loại CPU đang được sử dụng phổ biến hiện nay. 

Nếu bạn quan tâm đến các thông tin khác về CPU hoặc công nghệ, có thể theo dõi FPT Shop để biết nhiều thông tin hữu ích. Nếu có bất kỳ câu hỏi hoặc thắc mắc, hãy để lại trong phần bình luận bên dưới nhé.

Xem thêm:

• So sánh CPU dòng U và M, đôi nét về cách đặt tên chip Intel
• Chơi game chọn CPU nào cho phù hợp nhu cầu và túi tiền?

Hiện tại, FPT Shop có rất nhiều mẫu laptop Intel giá cực tốt dành cho bạn. Nếu bạn đang quan tâm laptop Intel có thể đến FPT Shop khám phá và tìm hiểu ngay nhé.

Tham khảo các mẫu laptop Intel mới tại đây:

• Laptop CPU Intel