Với quá nhiều smartphone từ các nhà sản xuất như Samsung, Nokia, HTC, Apple, LG, Motorola…, người tiêu dùng hiện nay thực sự rất khó để hiểu được những phần cứng bên trong các smartphone. Có ít nhất 10 loại bộ vi xử lý khác nhau được dùng trong các smartphone, nhiều loại bộ vi xử lý đồ họa, nhiều loại màn hình và không ít các loại cảm biến, pin và camera.
Để giúp bạn đọc tìm hiểu về phần cứng smartphone, VnReview sẽ chuyển ngữ loạt bài hướng dẫn về những thành phần quan trọng bên trong smartphone của trang công nghệ Neowin.com. Loạt bài này được chia làm nhiều phần, mỗi phần tập trung giới thiệu thông tin cần thiết về một loại phần cứng. Nội dung mỗi phần hơi dài, có chỗ hơi kỹ thuật nhưng hữu ích với việc lựa chọn smartphone.
Sau phần đầu tiên về bộ vi xử lý, hôm nay chúng tôi giới thiệu tiếp phần thứ hai tìm hiểu về bộ vi xử lý đồ họa (GPU). Các phần tiếp theo sẽ đề cập lần lượt về bộ nhớ và lưu trữ, màn hình, kết nối và các cảm biến, pin và cuối cùng là camera.
Bộ vi xử lý đồ họa nằm ở đâu?
Nếu bạn đã đọc phần giới thiệu chi tiết về các bộ vi xử lý của smartphone thì bạn sẽ thấy rằng các bộ vi xử lý (CPU) chỉ là một phần của toàn bộ hệ thống xử lý (SoC) bên trong các smartphone hiện nay. Cùng với các CPU, bên trong SoC còn có bộ vi xử lý đồ họa (GPU) nằm sát ngay cạnh CPU.
SoC là con chip khá nhỏ nằm trên bo mạch của smartphone và vì GPU nằm bên trong SoC nên chúng ta không thể nhìn thấy GPU. Tất nhiên nếu bạn cố tình thì vẫn có thể tìm được vị trí của GPU bằng cách mổ tung SoC ra để tìm hiểu các thành phần bên trong nó.
GPU dùng để làm gì?
Công dụng của GPU lệ thuộc vào nhiều yếu tố: kiến trúc của SoC và cả hệ điều hành được sử dụng trên thiết bị. Trước đây, SoC thường không có chip xử lý hình ảnh riêng nên GPU được dùng để xử lý các hình ảnh video độ nét cao.
Để giúp bạn đọc tìm hiểu về phần cứng smartphone, VnReview sẽ chuyển ngữ loạt bài hướng dẫn về những thành phần quan trọng bên trong smartphone của trang công nghệ Neowin.com. Loạt bài này được chia làm nhiều phần, mỗi phần tập trung giới thiệu thông tin cần thiết về một loại phần cứng. Nội dung mỗi phần hơi dài, có chỗ hơi kỹ thuật nhưng hữu ích với việc lựa chọn smartphone.
Sau phần đầu tiên về bộ vi xử lý, hôm nay chúng tôi giới thiệu tiếp phần thứ hai tìm hiểu về bộ vi xử lý đồ họa (GPU). Các phần tiếp theo sẽ đề cập lần lượt về bộ nhớ và lưu trữ, màn hình, kết nối và các cảm biến, pin và cuối cùng là camera.
Bộ vi xử lý đồ họa nằm ở đâu?
Nếu bạn đã đọc phần giới thiệu chi tiết về các bộ vi xử lý của smartphone thì bạn sẽ thấy rằng các bộ vi xử lý (CPU) chỉ là một phần của toàn bộ hệ thống xử lý (SoC) bên trong các smartphone hiện nay. Cùng với các CPU, bên trong SoC còn có bộ vi xử lý đồ họa (GPU) nằm sát ngay cạnh CPU.
SoC là con chip khá nhỏ nằm trên bo mạch của smartphone và vì GPU nằm bên trong SoC nên chúng ta không thể nhìn thấy GPU. Tất nhiên nếu bạn cố tình thì vẫn có thể tìm được vị trí của GPU bằng cách mổ tung SoC ra để tìm hiểu các thành phần bên trong nó.
GPU là phần "xử lý đồ họa 2D/3D" (2D/3D graphics processor) trong SoC Tegra 2
Trên máy tính để bàn hoặc xách tay, GPU và CPU được tích hợp trên hai khu vực riêng biệt trên bo mạch. Nhưng trên smartphone, hai chip xử lý này được đặt cùng nhau bên trong SoC. Có ba lý do để làm như vậy: đầu tiên là vì smartphone và máy tính bảng không có nhiều khoảng trống bên trong nên các thành phần cơ bản phải đóng gói cùng nhau để bo mạch của thiết bị có kích thước nhỏ nhất có thể và dành diện tích để cải thiện dung lượng pin. Hai là việc tích hợp GPU và CPU giúp làm giảm chi phí sản xuất do chỉ phải sản xuất một con chip thay vì làm hai con chip riêng. Cuối cùng là việc tích hợp chặt chẽ CPU và GPU vào một nơi còn có tác dụng làm giảm tiêu thụ điện và nhiệt độ phát ra.GPU dùng để làm gì?
Công dụng của GPU lệ thuộc vào nhiều yếu tố: kiến trúc của SoC và cả hệ điều hành được sử dụng trên thiết bị. Trước đây, SoC thường không có chip xử lý hình ảnh riêng nên GPU được dùng để xử lý các hình ảnh video độ nét cao.
Trên các hệ điều hành, GPU được dùng để xử lý các game và ứng dụng 3D. CPU không được thiết kế để xử lý những tác vụ đó nên trong tất cả các hệ điều hành, GPU gánh trách nhiệm này. CPU cũng hỗ trợ trong việc tính toán (nhất là với các game 3D) nhưng người thực thi chính là chip đồ họa.
Hầu hết chip đồ họa còn hỗ trợ cả xử lý hình ảnh 2D ở một số chức năng như phóng to thu nhỏ hình ảnh và xử lý đồ họa máy tính (animation). CPU cũng thường xử lý những tác vụ này do đó tùy vào hệ điều hành của thiết bị mà GPU có tham gia vào xử lý hình ảnh 2D hay không.
Chơi game Asphalt 6 trên Galaxy Note rất khó khăn vì không có GPU mạnh
Windows Phone thường chứa nhiều yếu tố đồ họa nặng trong khi các SoC được dùng trong các điện thoại Windows Phone có cấu hình yếu không đủ khả năng xử lý mượt mà nếu chỉ dựa vào CPU. Vì vậy, GPU đóng vai trò lớn trong việc xử lý giao diện đồ họa, mang lại cho người dùng trải nghiệm rất mượt.Android là câu chuyện khác. Trong thời kỳ đầu, các thiết bị thấp cấp chạy Android không có GPU mạnh bên trong nên nó không tham gia vào xử lý hình ảnh 2D. Google đã quyết định như vậy để Android có sự tương thích tốt hơn với nhiều loại thiết bị nhưng đổi lại, khả năng xử lý đồ họa của nhiều điện thoại Android kém hẳn. Điều này đã được chỉnh sửa trong phiên bản Android 4.0 bởi vì các SoC hiện nay đều có GPU mạnh. Vì vậy, Google cho phép các thiết bị chạy phiên bản Android mới nhất xử lý các yếu tố giao diện bằng GPU.
iOS trên iPhone và iPod Touch hoạt động rất mượt bởi nó xử lý hầu hết các yếu tố giao diện bằng GPU. So với Android, Apple có lợi thế là chỉ phải làm việc với một số ít lựa chọn phần cứng nên họ có thể tích hợp hệ điều hành iOS với phần cứng chặt chẽ hơn, do đó giảm thiểu được các vấn đề cần tăng GPU để đạt hiệu quả.
GPU Adreno của Qualcomm
Bộ vi xử lý đồ họa Adreno là chip đồ họa độc quyền được sử dụng trong các SoC của Qualcomm. Các GPU Adreno từng được gọi là Imageon và được sản xuất bởi ATI (đơn vị con của hãng bán dẫn AMD) đến khi Qualcomm mua lại và đổi tên thành Adreno. Các dòng Adreno 1xx cũ được sử dụng trong các SoC Qualcomm 7xxx, còn dòng Adreno 2xx mới hơn được tích hợp trong các dòng SoC Snapdragon.
Trong dòng SoC Snapdragon hiện nay, bạn có thể thấy 3 dòng GPU Adreno được sử dụng: Adreno 200 (tích hợp trong Snapdragon S1), Adreno 205 (Snapdragon S2) và Adreno 220 (Snapdragon S3). Nhìn vào logic trên bạn có thể dễ dàng đoán được các dòng có số càng lớn thì GPU càng mạnh. Qualcomm cho rằng mỗi GPU đời mới có tốc độ nhanh gấp hai lần đời trước đó, nghĩa là Adreno 220 nhanh hơn gấp 4 lần so với Adreno 200.
Hiệu năng xử lý của các dòng Adreno
Các GPU Adreno tích hợp trong Snapdragon S3 hỗ trợ cả OpenGL ES 2.0 và 1.1 cùng với Direct3D 9.3; các GPU Adreno trước đó, gồm Adreno 205, hỗ trợ SVG và Adobe Flash. Đó là những API (giao diện lập trình ứng dụng) cần để đảm bảo các game di động hiện đại hoạt động trên smartphone tích hợp GPU Adreno. Hiện nay, rất hiếm game thực sự dùng nền tảng mới OpenGL ES 3.0 hoặc Direct3D 11.Trong tương lai, Qualcomm đã tiết lộ GPU Adreno 225 sẽ xuất hiện đầu tiên trong SoC Snapdragon S4, nền tảng SoC sử dụng bộ vi xử lý Krait mới của hãng này. Qualcomm cho rằng GPU Adreno 225 sẽ có tốc độ nhanh hơn Adreno 220 khoảng 50% và sánh ngang với bộ vi xử lý đồ họa PowerVR SGX543MP2 (có trong Apple A5), với khả năng thực hiện 19,2 tỷ phép tính mỗi giây (GFLOPS) ở tốc độ xung nhịp 300 MHz.
GPU PowerVR của Imagination Technologies
Hãng chip đồ họa lớn thứ hai là Imagination Technologies, nhà sản xuất GPU PowerVR cho di động. Có rất nhiều dòng GPU PowerVR GPU nhưng các thiết bị hiện nay thường sử dụng các dòng PowerVR SGX 5 hoặc 5XT.
Các GPU PowerVR được bán cho các nhà sản xuất SoC nên chúng xuất hiện trong nhiều loại thiết bị. Các SoC OMAP của Texas Instruments (TI) chỉ sử dụng GPU PowerVR và bạn cũng có thể thấy chúng trong một số SoC Exynos của Samsung và Apple A4 hoặc A5. GPU PowerVR còn được tích hợp trong các vi xử lý x86 của Intel được sử dụng trong các laptop cấp thấp.
Dòng PowerVR SGX 5 chứa nhiều loại GPU nhưng chỉ có một vài loại được sử dụng phổ biến. PowerVR SGX530 được dùng trong OMAP 3 của TI và có thể thấy trong một số smartphone lõi đơn như Motorola Droid và Nokia N9. Với tốc độ xung nhịp 200 MHz, PowerVR SGX530 có khả năng xử lý 1,6 GFLOPS. PoweVR SGX535 (được dùng trong iPhone 3GS và iPhone 4) có kích cỡ nhỏ hơn PowerVR SGX530 và hỗ trợ DirectX 9.0c (PowerVR 530 không hỗ trợ) nhưng tốc độ xử lý vẫn tương tự.
Hình ảnh kiến trúc dòng PowerVR SGX 5XT
GPU nổi tiếng nhất của dòng 5 là PowerVR SGX540 được sử dụng trong SoC Exynos tên mã Hummingbird của Samsung (tích hợp bên trong điện thoại Galaxy S) cùng với các dòng OMAP 4 của TI. Nó có hỗ trợ DirectX10 và có khả năng thực hiện 3,6 GFLOPS ở xung nhịp 200 MHz, gấp đôi so với PowerVR SGX530. Không như PowerVR SGX530, PowerVR SGX540 có thể ép xung lên 400 MHz và do đó trên lý thuyết thì GPU này có thể đạt khả năng thực hiện tới 7,2 GFLOPS.Một số người có thể băn khoăn tại sao SGX540 xuất hiện trong SoC Hummingbird đời cũ (dùng trong Galaxy S) nhưng cũng xuất hiện trong các SoC hai lõi OMAP 4460 được sử dụng trong Galaxy Nexus. Lý do là tốc độ xung nhịp giữa hai SoC này khác nhau: Hummingbird sử dụng trong Galaxy S có tốc độ xung nhịp 200 MHz (khả năng thực hiện 3,2 GFLOPS), trong khi OMAP 4430 sử dụng trong Droid Razr có tốc độ 304 MHz ( tương đương 4,8 GFLOPS) và OMAP 4460 có tốc độ 384 MHz (tương đương 6,1 GFLOPS).
Quảng cáo
Dòng 5XT chưa xuất hiện trong nhiều thiết bị, mới chỉ được tích hợp trong SoC Apple A5 được dùng trong iPad 2, iPhone 4S và PlayStation Vita. Nếu dòng 5 chỉ có GPU lõi đơn, dòng 5XT hỗ trợ tới 16 lõi, mỗi lõi có tốc độ gấp hai lần SGX540. Các GPU trong dòng 5XT sử dụng hậu tố MPx, trong đó "x" chỉ số lõi: ví dụ SGX543MP2 sử dụng trong Apple A5 có hai lõi.
SGX543 hiện là chip duy nhất được tích hợp trong các SoC, còn SGX544 dự kiến sẽ được đưa vào dòng OMAP 5 của TI. SGX543 có khả năng thực hiện 6,4 GFLOPS mỗi lõi ở xung nhịp 200 MHz, nghĩa là ở mức 200 MHz, SGX543MP2 trong Apple A5 có khả năng thực hiện 12,8 GFLOPS.
Chúng tôi đoán sẽ không nhiều nhà sản xuất sử dụng quá hai lõi trong SGX543 vì tăng số lõi của GPU sẽ ngốn điện nhiều hơn. Tuy nhiên, Sony là ngoại lệ vì hãng này đã quyết định sử dụng SGX543MP4+ bốn lõi trong PlayStation Vita. Với tốc độ xung nhịp 200 MHz, GPU của PlayStation Vita có khả năng thực hiện tới 25,6 GFLOPS, tăng lên xung nhịp 300 MHz thì GPU của nó có khả năng thực hiện tới 38,4 GFLOPS. Tương tự Apple, Sony không công bố tốc độ xung nhịp của GPU.
PowerVR SGX543MP16 (16 lõi) hoạt động ở xung nhịp 400 MHz sẽ có khả năng thực hiện tới 204,8 GFLOPS (204 tỷ phép tính mỗi giây). Đó là con số rất lớn và chắc chắn sẽ ngốn rất nhiều điện nhưng đến nay chưa có GPU 16 lõi nào được tích hợp trong smartphone bán ra thị trường.
GPU Mali của ARM
Phạm vi ứng dụng của GPU Mali hiện khá hẹp bởi nó hiện chỉ được dùng trong một loại SoC: Samsung Exynos 4210 có trong Samsung Galaxy S II, Galaxy Note và Galaxy Tab 7.7. GPU Mali là sản phẩm của ARM, do đó nó là sản phẩm lý tưởng để tích hợp với các bộ vi xử lý Cortex được dùng trong Exynos.
Mặc dù trên lý thuyết có nhiều GPU Mali nhưng thực tế chỉ có một loại được dùng là Mali-400 MP4 bốn lõi được tích hợp trong SoC Exynos 4210. Tuy ARM nói rằng Mali-400 MP4 có bốn lõi nhưng nó không thực sự là bốn lõi xử lý giống như PowerVR SGX543MP4 mà đơn giản là bốn bộ vi xử lý đổ bóng điểm (pixel shader processor) được đặt cạnh nhau. Đó là lý do tại sao Mali-400 MP4 không có khả năng đồ họa mạnh như GPU PowerVR bốn lõi thực sự.
Kiến trúc bên trong GPU Mali của ARM
Hiệu năng của Mali-400 MP4 có khả năng thực hiện 7,2 GFLOPS ở xung nhịp 200 MHz, nghĩa là nhanh hơn PowerVR SGX543 lõi đơn. Tốc độ xung nhịp được sử dụng trong Exynos 4210 là 275 MHz, nghĩa là GPU này có khả năng thực hiện 9,9 GFLOPS và là GPU nhanh nhất hiện nay trong các smartphone Android.GPU Mali-400 MP4 trong Galaxy S II nhanh gấp hai lần GPU PowerVR SGX540 trong Droid Razr và nhanh hơn gần 75% so với GPU được dùng trong Galaxy Nexus. Ngược lại, GPU PowerVR SGX543MP2 trong iPhone 4S có khả năng xử lý nhanh gấp hai lần GPU Mali-400 MP4.
Samsung đã tuyên bố sẽ tiếp tục sử dụng GPU Mali trong các SoC Exynos 5xxx thế hệ mới. Theo Samsung, GPU trong chip Exynos thế hệ mới sẽ có tốc độ nhanh gấp bốn lần so với GPU trong Exynos 4210.
GPU ULP GeForce của Nvidia
Mặc dù là nhà sản xuất card đồ họa khổng lồ trong lĩnh vực máy tính nhưng GPU của Nvidia tích hợp trong các SoC cho smartphone của họ không thực sự ấn tượng. Trong thực tế, ULP GeForce trong Tegra là GPU chậm hơn các đối thủ cạnh tranh.
Quảng cáo
ULP GeForce được dùng trong hai SoC Tegra 2: Tegra 250 AP20H (dùng cho smartphone) và Tegra 250 T20 (dùng cho máy tính bảng). ULP GeForce có khả năng thực hiện 4,8 GFLOPS ở xung nhịp 300 MHz với SoC Tegra 250 AP20H và 5,33 GFLOPS ở xung nhịp 320 MHz với SoC Tegra 250 T20.
Hình ảnh 5 lõi chip của Tegra 3, GPU ẩn bên trong chip xử lý
Như vậy, số đơn vị GFLOPS của Tegra 2 trong smartphone bằng với PowerVR SGX540 ở xung nhịp 300 MHz. Tuy nhiên, tốc độ xung nhịp tối đa của PowerVR SGX540 trong thiết Galaxy Nexus là 384 MHz, nghĩa là có khả năng thực hiện tới 6,1 GFLOPS. Con số này nhanh hơn cả GPU của Tegra 2 dùng cho máy tính bảng (333 MHz), biến Tegra 2 trở thành GPU có khả năng xử lý thấp nhất.Tất nhiên, nhận định trên chỉ thuần túy dựa trên thông số và trên thực tế có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng của GPU như tốc độ xung nhịp của CPU và kích cỡ màn hình.
Trong xu hướng chuyển sang nền tảng xử lý đa lõi, Nvidia là hãng đầu tiên ra mắt thị trường bộ vi xử lý Tegra 3 bốn lõi. Tuy nhiên, chip xử lý đồ họa tích hợp trong Tegra 3 có cải thiện khả năng xử lý không được như kỳ vọng.
Chip xử lý đồ họa Kal-El GeForce của Tegra 3 có khả năng thực hiện 4,8 GFLOPS ở tốc độ xung nhịp 200 MHz, như vậy bạn có thể thấy ngay là nó thấp hơn Mali-400 MP4 và PowerVR SGX543MP2. NVIDIA không tiết lộ tốc độ xung nhịp của GPU dùng trong Tegra 3 (tích hợp trong ASUS Transformer Prime) nhưng chắc hẳn tốc độ đó lớn hơn trong Tegra 2. Giả sử nó chạy ở tốc độ xung nhịp 400 MHz, GPU của Tegra 3 chỉ có khả năng thực hiện 9,6 GFLOPS, vẫn thấp hơn Mali-400 MP4.
So sánh các GPU dùng trên smartphone
Dưới đây là bảng so sánh tốc độ xử lý của các GPU bên trong các smartphone cao cấp đã được bán ra trên thị trường. Lưu ý là con số này không phản ánh hiệu năng thực tế của các GPU. Bởi như trên đã nói, hiệu năng đồ họa thực sự của smartphone còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tốc độ xung nhịp của CPU, loại và tốc độ RAM, độ phân giải màn hình…
Các con số được gắn dấu sao (*) là dựa trên tốc độ xung nhịp ước đoán của SoC chứ không được nhà sản xuất công bố.