10 năm hành trình làm nên cuộc cách mạng Apple M1 – con chip làm thay đổi định kiến cả ngành bán dẫn

Từng là nơi khởi nguồn cho những huyền thoại về Apple nhưng kể từ khi Steve Jobs quay trở lại nắm quyền công ty, dòng máy tính Mac dường như chỉ là cái bóng bên cạnh nhiều sản phẩm đình đám của công ty như iPod và sau đó là iPhone.

Nhưng năm 2020 đang chứng kiến một cú comeback không thể ấn tượng hơn của dòng thiết bị này khi giới thiệu bộ xử lý do Apple tự thiết kế với cái tên đơn giản, Apple M1. Lần đầu tiên một hãng máy tính lớn chuyển dịch khỏi CPU Intel – vốn là tiêu chuẩn vàng dành cho máy tính và laptop từ nhiều thập kỷ nay – sang các bộ xử lý trên nền ARM.

Dù không phải công ty đầu tiên đề xướng việc thay thế CPU Intel bằng một bộ xử lý trên nền ARM, nhưng như thường lệ, Apple không phải người đi đầu nhưng một lần nữa, họ lại là người làm tốt nhất. Các máy tính dùng Snapdragon 8cx, CPU của Qualcomm dành cho laptop Windows đã có từ năm 2018 và bên cạnh thời lượng pin nhỉnh hơn, vô số vấn đề về phần mềm tương thích và hiệu năng đã làm nản lòng người dùng.

Đối với các máy Mac dùng chip M1 của Apple, thời lượng pin dài đến bất ngờ không phải ưu điểm duy nhất. Hiệu năng của nó còn mạnh hơn nhiều MacBook dùng chip Intel đời mới, đặc biệt đối với các ứng dụng được tinh chỉnh theo con chip mới. Sự xuất hiện của Apple M1 đã làm cả người dùng cuối lẫn những người trong ngành công nghiệp thay đổi cách nhìn về hiệu năng của các chip ARM, với công suất 5W lại sản sinh ra hiệu năng tương đương các con chip có công suất hàng chục W.

Vậy làm thế nào một hãng không chuyên về bộ xử lý máy tính như Apple lại có thể vượt mặt được người khổng lồ Intel trong chính lĩnh vực mà họ đã thành thạo trong nhiều thập kỷ qua?

Không ai có thể trả lời câu hỏi đó tốt hơn chính những người trong cuộc – các phó chủ tịch cấp cao của Apple – những người trực tiếp tham gia vào quá trình tạo nên cuộc cách mạng bán dẫn này. Cuộc phỏng vấn ngắn của ArsTechnica với những con người này đã cho thấy hành trình đó diễn ra như thế nào.

Không mấy ngạc nhiên khi thay đổi này chính là điều Apple đã lên kế hoạch từ nhiều năm nay. Nhiều tin đồn cho rằng, Apple đã lên kế hoạch cho bước chuyển đổi này từ 10 năm nay, một hành trình dài đối với bất kỳ dự án công nghệ nào. Nhưng tại sao? Lý do nào khiến Apple theo đuổi sự thay đổi triệt để đối với bộ xử lý cho dòng máy tính Mac trong thời gian dài đến vậy?

Đó là vì "máy tính Mac là linh hồn của Apple." Ông Craig Federighi, Phó Chủ tịch Kỹ thuật Phần mềm của Apple cho biết. "Máy Mac là thứ đã mang chúng tôi đến với ngành điện toán. Và máy Mac cũng là điều mang nhiều người trong số chúng tôi đến với Apple."

Là linh hồn của Apple, máy tính Mac xứng đáng với tuyên bố của ông Johny Srouji, Phó Chủ tịch Công nghệ Phần cứng: "Chúng tôi muốn tạo ra những sản phẩm tốt nhất có thể. Chúng tôi thực sự cần khả năng tự tùy chỉnh bán dẫn của riêng mình để mang lại những máy Mac tốt nhất mà chúng tôi có thể làm được."

Mong muốn mang lại những máy Mac tốt nhất cũng là lý do đằng sau mỗi cuộc chuyển dịch từ nền tảng CPU này sang nền tảng CPU khác trong nhiều thập kỷ qua của Apple. Từ các bộ xử lý của Motorola sang PowerPC, từ PowerPC sang Intel x86 và giờ đây, quá trình chuyển dịch lại diễn ra.

(Điều thú vị là ở kiến trúc của các bộ xử lý này. Apple đã chuyển qua lại từ kiến trúc CISC (với Motorola 68k) sang kiến trúc RISC (với PowerPC) sau đó lại về CISC (với Intel x86) và giờ họ lại quay lại RISC với bộ xử lý nền ARM của mình).

Khác với nhiều đối thủ, Apple lại là một trong số ít hãng công nghệ trên thế giới có thể tự quyết định điều gì là tốt nhất cho những thiết bị của mình.

"Mỗi công ty đều có chuyên môn riêng của mình." Ông Greg Joswiak, Phó Chủ tịch Tiếp thị Toàn cầu cho biết. "Công ty phần mềm thì muốn công ty phần cứng làm điều gì đó. Còn công ty phần cứng thì muốn công ty hệ điều hành sẽ làm điều gì đó, nhưng họ lại có chuyên môn cạnh tranh nhau. Và đó không phải chúng tôi. Chúng tôi thống nhất được cả phần cứng và phần mềm."

Không giống các công ty khác, Apple có một vị thế đặc biệt để thành công. "Chúng tôi không thiết kế chip với tư cách thương nhân, nhà cung cấp hay một giải pháp chung chung – chúng tôi mang đến khả năng tích hợp thực sự chặt chẽ giữa phần mềm và phần cứng cùng sản phẩm – đó chính là những gì chúng tôi cần." Ông Srouji cho biết.

Trước M1, Apple đã làm nên danh tiếng với các bộ xử lý SoC có hiệu năng hàng đầu dành riêng cho iPhone, iPad và các sản phẩm phần cứng khác của mình. Chính vì vậy, khi Apple lần đầu thông báo việc sử dụng CPU tự thiết kế cho máy Mac, nhiều người đã dự đoán rằng những con chip như A12X hoặc A12Z của iPad Pro hoặc các con chip mạnh hơn như A14X của iPhone 12 năm nay sẽ là CPU của máy Mac mới.

Nhưng một bộ xử lý máy tính như Apple M1 còn phức tạp hơn nhiều so với bộ xử lý trên iPhone như A12X.

Ông Federighi cho biết, Apple "đã phải làm nhiều phân tích về các tải ứng dụng của máy Mac, loại tính năng đồ họa cần thiết để chạy tải trên máy Mac, các định dạng texture cần thiết, khả năng hỗ trợ các loại điện toán của GPU và những thứ khác có mặt trên máy Mac… ngay cả số lượng lõi, tính năng điều khiển màn hình cỡ máy Mac và hỗ trợ ảo hóa cũng như Thunderbolt."

Kinh nghiệm tự thiết kế chip từ một thập kỷ nay của Apple – với các CPU, bộ xử lý đồ họa, ISP, chip trí tuệ nhân tạo Neural Engine cho iPhone – đã trở thành nền tảng cho những khả năng này.

Nhưng kiến trúc bên trong chip Apple M1 không phải là yếu tố duy nhất làm nên thành công hiện tại của các máy tính Mac dùng chip mới. Còn phải kể đến một yếu tố đặc biệt quan trọng khác – kiến trúc bộ nhớ hợp nhất hay Unified Memory Architecture

Nếu chỉ nhìn vào những con số benchmark ấn tượng của Apple M1, người dùng sẽ không hiểu làm thế nào một con chip di động công suất thấp lại có thể đạt được mức hiệu năng cao như vậy. Theo Apple, một thành phần quan trọng của điều đó đến từ kiến trúc UMA này.

Trên mainboard máy tính truyền thống, các thành phần như CPU, GPU và bộ nhớ RAM nằm tách rời nhau. Do vậy khi người dùng chạy các ứng dụng cần tải nặng, các bộ phận này sẽ mất nhiều thời gian để sao chép và dịch chuyển dữ liệu cần thiết trong bo mạch. Nhưng với kiến trúc UMA, các vấn đề này sẽ được giải quyết triệt để.

UMA – hay kiến trúc bộ nhớ hợp nhất – nghĩa là tất cả các thành phần từ CPU, bộ xử lý đồ họa GPU, bộ xử lý trí tuệ nhân tạo NPU, bộ xử lý hình ảnh ISP … đều dùng chung một bộ nhớ RAM tốc độ cao và được đặt sát cạnh nhau. Đến lúc này, hóa ra đặc điểm công suất thấp của Apple M1 lại là ưu điểm khi nhiệt độ thấp của nó không gây ảnh hưởng đến các thành phần khác trong khối kiến trúc UMA.

Kiến trúc này mang lại một lợi thế lớn cho Apple M1 khi "không phải dữ liệu quay lại và thay đổi định dạng liên tục làm chậm tốc độ của nó. Và chúng tôi đã có được một bước tăng đáng kể về hiệu năng."

Đó không phải yếu tố tối ưu hóa duy nhất. Trong vài năm gần đây, API đồ họa Metal Graphics của Apple đã triển khai khả năng "kiết xuất dạng ô" (tile-based deferred rendering) và nó đang phát huy ưu thế của mình trên GPU của Apple M1. Lời giải thích của ông Federighi cho thấy rõ ràng hơn điều này:

"Về cơ bản, trong khi các GPU kiểu cũ xử lý toàn bộ cả khung hình cùng lúc, chúng tôi xử lý những ô có thể dịch chuyển vào bộ nhớ siêu nhanh trên chip, và sau đó thực hiện một chuỗi khổng lồ các phép tính với tất cả các đơn vị tính toán khác nhau cho ô đó. Đó là cách tận dụng băng thông cực kỳ hiệu quả mà GPU rời không thể làm được. Và sau đó, bạn chỉ cần kết hợp điều đó với chiều rộng vô cùng lớn trong ống dẫn của chúng tôi đến RAM và các thành phần hiệu quả khác của con chip – đó là một kiến trúc tốt hơn."

Nếu chỉ tối ưu về thiết kế chip và kiến trúc bo mạch chủ, chắc hẳn Apple M1 đã không thể làm nên cuộc cách mạng về chip xử lý như mọi người đang ca ngợi. Một phần cốt lõi khác phải kể đến là những phần mềm tương thích với phần cứng mới đó. Đây cũng là thách thức to lớn cho đối thủ đi trước Apple M1, khiến người dùng lạnh nhạt với các máy tính dùng chip ARM.

Với dòng máy Mac đã trải qua nhiều lần chuyển nhà, Apple rõ ràng có kinh nghiệm hơn hẳn so với các đối thủ khác trong việc chuẩn bị cho điều này. Phiên bản mới của MacOS được tích hợp sẵn Rosetta 2, công cụ biên dịch các ứng dụng được tạo ra trên máy Mac Intel thành phiên bản chạy được trên Apple M1. Tốc độ và hiệu năng của nó làm cả các biên tập viên của ArsTechnica cũng phải bất ngờ.

Bản thân Apple cũng viết lại toàn bộ ứng dụng của mình để nó có thể chạy tốt trên cả hai nền tảng, chip Intel và M1. Trong khi các máy Mac dùng chip M1 mới ra mắt, những máy Mac dùng chip Intel vẫn còn rất phổ biến và vì vậy, các ứng dụng universal dành cho cả 2 nền tảng chip sẽ còn cần thiết trong một thời gian dài nữa.

Tuy nhiên công sức chuyển đổi kiến trúc của Apple sẽ mang lại một thành quả bất ngờ: mở ra cánh cửa cho hàng triệu ứng dụng được viết trên iPhone và iPad đặt chân lên máy Mac một cách native – điều không đối thủ nào có thể làm được.

Có một thực tế là thị phần nhỏ nhoi của máy tính Mac khiến số lượng phần mềm bên thứ ba dành cho nó cũng khá hiếm hoi, kém xa so với iOS và Windows. Nhưng mở ra cánh cửa để các ứng dụng iOS chạy được trên máy Mac hứa hẹn sẽ là một giải pháp để giải quyết vấn đề này.

Để đảm bảo người dùng vẫn có được trải nghiệm tốt như trên iPhone và iPad, từ năm ngoái, Apple đã giới thiệu dự án Project Catalyst, một framework để các nhà phát triển có thể dễ dàng làm ứng dụng iPad tương thích với máy Mac. Nhưng dường như đây chỉ là lý thuyết.

Trong khi ông Federighi cho rằng, "khoảng 90% ứng dụng hoạt động tốt", nhưng các biên tập viên của ArsTechnica nhận thấy, chỉ có một vài ứng dụng có thể hoạt động tốt trên MacOS, và ngay cả với các ứng dụng này, trải nghiệm người dùng vẫn chưa hoàn toàn lý tưởng.

Có một lời giải thích cho điều này, theo ông Federighi, có thể do "công nghệ đó không xuất hiện hoặc không tương thích với máy Mac. Một ví dụ điển hình là cảm biến con quay hồi chuyển gyroscope. Một số khác là những ứng dụng cũ" không tương thích với môi trường phát triển hiện tại của máy Mac. Chính vì vậy, Apple cam kết sẽ sàng lọc các ứng dụng này ra khỏi cửa hàng nếu chúng gặp vấn đề nào đó.

Những tưởng mọi khía cạnh dành cho máy tính Mac dùng M1 đều đã được Apple chuẩn bị một cách đầy đủ, nhưng vẫn còn một vấn đề nằm ngoài tầm với của người khổng lồ này: khả năng chạy Windows trên nền tảng bộ xử lý mới.

Dù ít hay nhiều, khả năng chạy các phần mềm Windows cũng là một phần mang đến thành công cho các máy tính Mac dùng chip Intel, đặc biệt đối với người dùng chuyên nghiệp. Nhưng đối với máy tính Mac dùng chip M1, khả năng này dường như nằm ngoài tầm với của Apple.

Ông Federighi cho biết, để Windows chạy native trên máy Mac M1, điều này "hoàn toàn phụ thuộc vào Microsoft" và rằng Apple đã có "các công nghệ cốt lõi để chạy Windows phiên bản ARM, vốn hỗ trợ một số ứng dụng ở chế độ x86. Nhưng đó là quyết định mà Microsoft phải đưa ra, để cấp phép cho người dùng chạy được công nghệ đó trên các máy Mac này. Nhưng chắc chắn các máy Mac này có khả năng làm được điều đó."

Chắc hẳn phải mất một thời gian nữa, người dùng mới chứng kiến một phiên bản Windows hoàn thiện dành cho máy Mac dùng chip M1. Trong thời gian chờ đợi đó, một vài giải pháp tình thế đã được đưa ra, ví dụ như dùng Parallel để chạy ảo hóa Windows ARM phiên bản Insider. Đây chỉ là phiên bản beta của Windows ARM, do vậy, nó chỉ hiệu quả đối với một số ứng dụng x86/x64 nhẹ.

Đây không phải lần đầu Apple chuyển đổi nền tảng chip cho máy Mac của mình, nhưng đây là lần đầu mọi thành phần quan trọng của máy Mac đều nằm trong sự kiểm soát của Apple. Đối với Apple, đây là một khía cạnh khác cho thành công của họ khi chuyển dịch sang nền tảng bộ xử lý mới.

Nhiều năm trước, Steve Jobs từng tạo ra iPhone với suy nghĩ rằng: "Apple phải tạo ra và kiểm soát mọi thứ để duy trì tính cạnh tranh" và quả thật, Apple đang dần dần kiểm soát mọi thành phần quan trọng trong chiếc smartphone này. Nhưng với máy Mac, phải đến khi chip Apple M1 ra mắt, giấc mơ của Steve Jobs mới có thể trở thành hiện thực.

Không chỉ hoàn thành được giấc mơ của Steve Jobs, Apple M1 thực sự đang làm nên một cuộc cách mạng trong lĩnh vực thiết kế bộ xử lý máy tính. Chủ tịch Qualcomm, đối thủ của Apple trong lĩnh vực bộ xử lý smartphone, cũng phải thừa nhận rằng, Apple M1 là minh chứng hùng hồn cho tiềm năng của chip di động trên các máy tính PC.

Thành công của Apple M1 cũng đang lôi kéo các hãng chip khác, ngoài Qualcomm, quan tâm đến tiềm năng của chip di động. Nhiều tin đồn cho thấy, ngay cả AMD, đối thủ của Intel trên sân chơi chip x86, gần đây cũng đang bắt đầu khởi động lại dự án bộ xử lý trên nền ARM của mình. Thế nhưng cũng giống với Qualcomm, có thể họ sẽ gặp phải một thách thức khác, khả năng tương thích về phần mềm – điều này lại phụ thuộc vào Microsoft.

Với Apple, đây lại không phải là vấn đề. Bộ xử lý M1 một lần nữa minh chứng cho câu nói của ông Greg Joswiak, Phó Chủ tịch Tiếp thị Toàn cầu của Apple, về vị thế đặc biệt của công ty: "Chúng tôi thống nhất được cả phần cứng và phần mềm".

Tham khảo ArsTechnica