Kiến trúc bộ nhớ hợp nhất của Apple lần đầu tiên mang đến những thay đổi cho Mac với chip Apple Silicon M1. Có những lợi ích rõ ràng về mặt kiến trúc cho phần cứng — và nó vừa tốt vừa xấu cho người tiêu dùng. Đây là lý do tại sao.
Kiến trúc bộ nhớ hợp nhất (UMA) của Apple đã được công bố vào tháng 6. 2020 cùng với CPU Apple Silicon mới của nó. UMA có một số lợi ích so với các phương pháp tiếp cận bộ nhớ truyền thống hơn và đại diện cho một cuộc cách mạng về cả hiệu suất và kích thước.
Trong thiết kế máy tính để bàn và máy tính xách tay truyền thống, bộ nhớ hệ thống chính được gọi là RAM nằm trên một bus hệ thống tách biệt với CPU và GPU.
Thông thường cần có bộ điều khiển bus, bộ điều khiển này sử dụng các ngắt khi CPU cần dữ liệu từ bộ nhớ hệ thống chính. Ngắt là tín hiệu phần cứng mà các phần khác nhau của máy tính sử dụng để tạm dừng các phần khác của hệ thống trong khi một tác vụ được thực hiện.
Sự gián đoạn gây ra sự chậm trễ trong quá trình xử lý của hệ thống.
Ví dụ, mỗi khi CPU cần truy cập dữ liệu trong bộ nhớ hoặc mỗi khi cần làm mới màn hình, một ngắt sẽ được tạo ra, hệ thống tạm dừng và tác vụ hoàn tất. Khi tác vụ hoàn thành, hệ thống tiếp tục xử lý chung.
Truy cập bộ nhớ trực tiếp (DMA) được giới thiệu muộn hơn, nhưng do kích thước và khoảng cách của bo mạch chủ, việc truy cập RAM vẫn có thể bị chậm. DMA là một khái niệm trong đó một số hệ thống con máy tính có thể truy cập bộ nhớ độc lập với CPU.
Trong DMA, CPU bắt đầu truyền bộ nhớ, sau đó thực hiện công việc khác. Khi hoạt động DMA hoàn tất, bộ điều khiển bộ nhớ tạo ra một ngắt báo hiệu cho CPU rằng dữ liệu đã sẵn sàng.
Truy cập RAM chỉ là một loại ngắt trong kiến trúc máy tính truyền thống. Nói chung, càng nhiều bus và ngắt, càng có nhiều tắc nghẽn hiệu suất trên máy tính.
Hệ thống trên chip
Bộ xử lý đồ họa (GPU) và bảng điều khiển trò chơi từ lâu đã giải quyết vấn đề này bằng cách tích hợp các thành phần vào một chip đơn giúp loại bỏ bus và ngắt. Ví dụ, GPU thường có RAM riêng gắn liền với chip, giúp tăng tốc độ xử lý và cho phép đồ họa nhanh hơn.
Thiết kế Hệ thống trên chip (SoC) này là xu hướng mới trong thiết kế hệ thống và CPU vì nó vừa tăng tốc độ vừa giảm số lượng thành phần-giúp giảm chi phí tổng thể của sản phẩm.
Nó cũng cho phép các hệ thống nhỏ hơn. Điện thoại thông minh từ lâu đã sử dụng các thiết kế SoC để giảm kích thước và tiết kiệm năng lượng, chẳng hạn như SoC ARM dành cho iPhone của Apple.
PlayStation 2 của Sony là máy chơi trò chơi dành cho người tiêu dùng đầu tiên được xuất xưởng với SoC tích hợp có tên là Emotion Engine đã tích hợp hơn một chục thành phần và hệ thống con truyền thống vào một khuôn duy nhất.
Thiết kế chip M1 và M2 dựa trên ARM của Apple là tương tự nhau. Về cơ bản, chúng là một thiết kế SoC tích hợp CPU, GPU, RAM chính và các thành phần khác vào một chip duy nhất.
Với thiết kế này, thay vì CPU phải truy cập nội dung RAM thông qua một bus bộ nhớ, RAM được kết nối trực tiếp với CPU. Khi CPU cần lưu trữ hoặc truy xuất dữ liệu trong RAM, nó chỉ cần chuyển trực tiếp đến các chip RAM.
Với sự thay đổi này, sẽ không còn tình trạng gián đoạn xe buýt nữa.
Thiết kế này loại bỏ hiện tượng tắc nghẽn trên bus RAM, giúp cải thiện đáng kể hiệu suất. Ví dụ, M1 Max cung cấp thông lượng bộ nhớ 400GB/giây-gần bằng tốc độ của các máy chơi game hiện đại như PlayStation 5 của Sony.
Tích hợp SoC là một trong những lý do chính khiến dòng CPU M1 và M2 trở nên như vậy nhanh-và tại sao đồ họa ở cấp độ trò chơi bảng điều khiển hiện đại cuối cùng cũng xuất hiện trên Mac.
Đó là lý do tại sao macOS cuối cùng cũng cảm thấy linh hoạt và phản hồi nhanh sau khi cảm thấy hơi cao su trong nhiều thập kỷ.
SoC cũng giảm đáng kể mức tiêu thụ điện và nhiệt, khiến chúng trở nên lý tưởng cho máy tính xách tay, điện thoại, máy tính bảng và các thiết bị di động khác. Ít nhiệt hơn cũng có nghĩa là các bộ phận tồn tại lâu hơn và ít bị xuống cấp vật liệu hơn theo thời gian.
Nhiệt ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống theo thời gian vì nó làm giảm dần các đặc tính của vật liệu chứa trong các thành phần, dẫn đến hiệu suất thấp hơn một chút. Đây là một trong những lý do tại sao các máy tính rất cũ dường như”chậm lại”theo thời gian và là nguyên nhân chính gây ra lỗi.
“Nhiệt là kẻ thù của thiết bị điện tử”như người ta vẫn nói trong thế giới EE.
CPU M1 của Apple có RAM tích hợp.
Nhược điểm của bộ nhớ tích hợp trong Apple Silicon
Mặc dù các thiết kế SoC của Apple đã được chứng minh là có nhiều cải tiến so với các thiết kế truyền thống, nhưng vẫn có một số nhược điểm.
Điều đầu tiên và rõ ràng nhất là nâng cấp — với RAM hệ thống nằm trong chính CPU, không có cách nào để nâng cấp RAM sau này, ngoại trừ việc thay thế CPU-điều mà với Thiết bị Surface-Mount hiện đại (SMD) công nghệ hàn, có thể bạn sẽ không muốn làm.
Các mẫu máy Mac trước đây có các dải RAM DIMM (Mô-đun bộ nhớ nội tuyến kép) hoặc”thanh”bộ nhớ có thể hoán đổi vào và ra để có kích thước lớn hơn nhằm nâng cấp bộ nhớ.
Với Apple Silicon, tùy chọn đó không còn nữa vì bản thân chip RAM được sản xuất bên trong CPU. Khi bạn mua một chiếc Apple Silicon Mac, bạn sẽ bị mắc kẹt với bất kỳ kích thước RAM nào mà bạn đã đặt hàng ban đầu.
Một nhược điểm khác là nếu RAM hoặc CPU bị hỏng, toàn bộ thiết bị sẽ hỏng. Không thể chỉ thay thế một bộ phận, bạn phải làm tất cả.
Các bo mạch chủ Mac hiện đại rất nhỏ với hầu hết các thành phần SMD. Trong hầu hết các trường hợp, việc thay thế toàn bộ hoặc chỉ cần mua một máy Mac mới sẽ rẻ hơn và nhanh hơn.
Một nhược điểm khác và không kém phần rõ ràng của SoC là việc sử dụng GPU tích hợp có nghĩa là không có cách nào để nâng cấp cạc đồ họa của máy Mac sau này để có phiên bản nhanh hơn hoặc lớn hơn. Và với việc Apple bỏ hỗ trợ cho các hộp mở rộng GPU Thunderbolt bên ngoài trong Apple Silicon, ngay cả việc mở rộng GPU bên ngoài cũng không còn là một tùy chọn.
Tất cả những điều này có nghĩa là, tất nhiên, máy Mac hiện đại ngày càng trở nên giống”thiết bị gia dụng”hơn là giống máy tính như chúng ta vẫn nghĩ về chúng theo cách truyền thống.
Nhìn chung, đây là một điều tốt.
Điều đó có nghĩa là bạn sẽ muốn mua máy Mac mới vài năm một lần, nhưng những cải tiến về hiệu suất khiến lộ trình nâng cấp đó trở nên đáng giá. So với kiến trúc truyền thống dựa trên Intel cũ của Apple, Apple Silicon là một cuộc cách mạng hoàn toàn về mặt hiệu năng.
Khi các hệ thống ngày càng nhỏ hơn, các thiết bị cũng vậy. Máy tính xách tay sẽ trở nên mỏng hơn và nhẹ hơn, đồng thời thời lượng pin sẽ tiếp tục được cải thiện-ngay cả khi hiệu suất được cải thiện theo thời gian.
Trong một vài năm nữa, chắc chắn Apple sẽ cải tiến Apple Silicon đủ xa để một chiếc máy Mac mới có thể xứng đáng với chi phí bỏ ra. Thời gian là tiền bạc và khối lượng công việc bạn có thể hoàn thành trên máy Mac hiện đại sử dụng Apple Silicon vượt xa chi phí nâng cấp.
Bạn có thể đọc thêm về chi tiết kỹ thuật của Apple Silicon trên trang web dành cho nhà phát triển của Apple.
