• Thứ Ba, 16/12/2003 16:44 (GMT+7)

    Bộ xử lý: rộn ràng nhịp đập

     

        Năm 1642, cỗ máy cơ khí tính toán đơn giản đầu tiên của nhân loại được chàng thanh niên 19 tuổi người Pháp Blaise Pascal sáng chế; xuất phát từ một ý muốn hết sức cao đẹp là giảm bớt gánh nặng công việc tính thuế cho cha mình. Tiếp bước theo sau Pascal trong lĩnh vực chế tạo máy tính là những tên tuổi lớn như Gottfried Liebnitz, Joseph-Marie Jacquard, Charles Babbage, Ada Lovelace, George Boole, Herman Hollerith, William Burroughs, Vannevar Bush, Konrad Zuse, John Vincent Atanasoff,... 
        Nhưng phải đến khi John von Neumann (người Hungary) nêu lên ý tưởng đưa tập lệnh tuần tự (tiền thân của chương trình phần mềm) vào bộ nhớ chung với dữ liệu và xem nội dung tập lệnh tương đương như dữ liệu vào năm 1945, kiến trúc máy tính tự động (automation calculator) mới được chia thành 4 bộ phận chức năng: tính toán trung tâm (central arithmetical), điều khiển trung tâm (central control), bộ nhớ (memory) và thiết bị xuất/nhập dữ liệu (I/O device). Tính đến nay đã hơn nửa thế kỷ, kiến trúc của Von Neumann vẫn còn tồn tại trong tất cả bộ vi xử lý (BXL) hiện đại nhất.

    CƠ SỞ NỀN TẢNG


    Máy tính Pascal

        Xét về mặt chức năng, BXL là thiết bị có khả năng đưa ra kết qua tương ứng với từng bộ giá trị đầu vào dựa trên những qui luật định sẵn. Ví dụ, nếu sử dụng BXL có chức năng thực hiện phép phủ định trong hệ nhị phân (qui luật định sẵn), bạn luôn nhận được kết quả là 0 khi nhập vào giá trị 1, và ngược lại. Trong hầu hết hệ thống máy tính hiện nay, ngôn ngữ giao tiếp cấp thấp vẫn theo dạng nhị phân, giá trị được biểu diễn bởi số 0 và 1 nên cho phép lập qui tắc tương ứng với trạng thái tắt và mở của cổng luận lý trong mạch điện tử.
        Xét về mặt cấu tạo, BXL là mạch điện tích hợp nhiều cổng luận lý - thiết bị điện tử hoạt động như một công tắc điện và được điều khiển cũng bằng dòng điện. Vào thời máy tính chiếm dụng cả gian phòng, cổng luận lý là công tắc cơ khí. Nhưng đến nay thì toàn bộ đã được thay thế bằng transistor nhỏ, chính xác và rẻ.

        Vì thế, công nghệ chế tạo vi mạch và transistor giữ vai trò quyết định đối với ngành chế tạo BXL. Transistor hiện đang sử dụng phổ biến hiện nay thuộc loại MOSFET (metal-oxide semiconductor field-effect transistor), hoạt động theo cơ chế hết sức đơn giản nhưng lại giữ chức năng rất quan trọng: tùy theo mức điện áp điều khiển mà transistor sẽ ở trạng thái đóng hoặc ngắt dòng điện.
        Để dễ hình dung, bạn hãy tưởng tượng rằng dòng điện phải đi ngang qua thân transistor. Khi điện áp điều khiển bằng 0, transistor ở trạng thái ngắt nên dòng điện không thể đi qua. Suy luận tương tự, dòng điện sẽ đi qua transistor trạng thái mở, khi điện áp điều khiển ở mức qui ước. Điện áp điều khiển thấp nhất hiện nay trong dòng Pentium 4-M là 0,844V.

    TẬP LỆNH BXL

        CISC (complex instruction set computer) là kiến trúc máy tính truyền thống mà ở đó BXL phải giải quyết tập những lệnh có chiều dài lệnh thay đổi động và sử dụng cả địa chỉ trung gian. Vì thế mạch giải mã lệnh rất phức tạp và khó mở rộng.
        Sau nhiều năm phát triển theo xu hướng này, tập lệnh BXL ngày càng trở nên lớn và phức tạp. Năm 1974, John Cocke làm việc tại trung tâm nghiên cứu của IBM đưa ra giải pháp giúp thu gọn tập lệnh CPU. Đến giữa thập niên 1980, nhiều nhà sản xuất máy tính đã chuyển sang ủng hộ xu hướng hiện thực BXL với tập lệnh giới hạn, gọi là RISC (reduced instruction set computer).
        BXL RISC làm việc với tập các lệnh có chiều dài không đổi và không cho phép sử dụng địa chỉ trung gian. Ưu điểm của BXL RISC là thực thi lệnh nhanh vì lệnh trong tập lệnh rất đơn giản nên có thể thực hiện 1 lệnh/xung. Ngoài ra, kiến trúc BXL RISC cũng đơn giản nên dùng ít transistor hơn so với CISC, giúp giảm giá thành thiết kế và sản xuất.
        Nhiều người hoài nghi thì cho rằng việc đơn giản hóa phần cứng của RISC sẽ tăng gánh nặng lên phần mềm. Bộ biên dịch RISC buộc phải có thủ tục chuyển đổi lệnh phức tạp cho phù hợp với tập lệnh đơn giản mà phần cứng hỗ trợ; khiến cho tốc độ xử lý của hệ thống giảm sút.
        Tuy nhiên, việc hiện thực CISC hoặc RISC giờ đây cũng không còn quá cách biệt. Chip RISC hỗ trợ ngày càng nhiều lệnh trước đây của CISC và ngược lại, chip CISC hiện nay cũng sử dụng nhiều công nghệ từ RISC. Ngay cả nhà vô địch trong lĩnh vực CISC là Intel cũng đã quyết định dùng kỹ thuật RISC trong BXL 486 và tiếp tục duy trì cho đến dòng Pentium hiện nay.

    KIẾN TRÚC
        BXL thường phải có các bộ phận chức năng chính là nhân (CORE), bộ tiên đoán lệnh (Branch Predictor), bộ tính toán dấu chấm động (floating point unit), bộ đệm cấp 1 (level 1 cache), giao tiếp bus (bus interface).
        1. Nhân (hoặc lõi): là bộ phận thực thi chính. Theo kiến trúc hiện nay, nhân thường được thiết kế nhiều hàng lệnh (pipeline) để xử lý đồng thời nhiều lệnh.
        2. Bộ tiên đoán lệnh: cố đoán lệnh kế tiếp mỗi khi trong chương trình xuất hiện lệnh nhảy có điều kiện; để bộ nạp (prefetch) và bộ giải mã (decode) chuẩn bị trước dữ liệu.
        3. Bộ tính toán dấu chấm động: chuyên thực hiện phép tính với giá trị số không nguyên.
        4. Bộ đệm cấp 1: chứa mã lệnh và dữ liệu tạm thời phục vụ cho tính toán. Tốc độ truy xuất bộ đệm cấp 1 nhanh hơn nhiều so với bộ đệm thứ cấp bên ngoài. Dần dần, khi công nghệ phát triển, nhà sản xuất đã thiết kế thêm đệm cấp 2, cấp 3.
        5. Giao tiếp bus: kênh truyền mã và dữ liệu vào BXL.

    Theo cơ chế mạch đồng bộ, tất cả bộ phận chức năng đều làm việc theo hiệu lệnh phát ra từ mạch đồng hồ trung tâm nên giá trị xung hoạt động trở thành một trong hai tiêu chí phổ biến dùng để so sánh khả năng BXL. Nhưng trong tương lai, khi cơ chế mạch không đồng bộ trở nên hoàn thiện, có lẽ tiêu chí này sẽ không còn phù hợp nữa! (Xem thêm bài “Truất phế mạch đồng hồ máy tính”, trang 89)

    BXL MÁY TÍNH

        Bài toán trong thực tế rất phong phú và đa dạng, đòi hỏi con người phải áp dụng nhiều phương pháp giải khác nhau. BXL cũng vậy! Ứng với từng mục đích sử dụng, kiến trúc BXL cũng phải thay đổi cho phù hợp. Hiện tại, BXL máy tính được phân chia theo mục đích sử dụng như sau:
        1. Tính toán công suất cao: BXL chuyên dụng dành cho mainframe, máy chủ, và máy trạm chuyên giải quyết những bài toán doanh nghiệp, ứng dụng chuyên nghành hoặc mang tầm quốc gia, quốc tế như dự báo thời tiết, thống kê số liệu dân số, kinh tế, giải mã gien người, truy tìm vệ tinh trong thiên hà,... Thông thường, kiến trúc BXL máy chủ thường mạnh và đắt gấp nhiều lần so với BXL dành cho máy tính cá nhân. Bên cạnh xu hướng thiết kế kiến trúc riêng biệt cho BXL máy chủ, nhà sản xuất còn chọn con đường “góp gió thành bão”: ghép nhiều nhân BXL thông thường thành một hệ thống thống nhất.
        2. Ứng dụng cá nhân: BXL cho máy tính cá nhân đòi hỏi sự cân đối về sức mạnh xử lý với giá thành và phải đáp ứng tốt toàn bộ nhu cầu của người dùng thông thường (gồm ứng dụng văn phòng, chơi game, xem phim, nghe nhạc,...).
        3. Ứng dụng di động: Thiết bị di động không yêu cầu nhiều về sức mạnh nhưng lại quan tâm đến tính gọn nhẹ, năng lượng tiêu thụ thấp. So với BXL dành cho máy tính cá nhân, thiết kế của BXL di động được tinh lược nhiều, sử dụng thiết bị cao cấp và công nghệ nhằm thu nhỏ kích thước, giảm mức điện năng tiêu thụ, kéo dài thời gian làm việc di động của thiết bị.

        4. Tích hợp vào thiết bị: Sản phẩm thuộc nhóm này thường được tích hợp vào trong những thiết bị với chức năng
    rất hẹp như điều khiển thiết bị mạng, xử lý dữ liệu đồ họa, xử lý dữ liệu âm thanh, bảo mật,...

    CPU CHO MÁY CHỦ

        Xét theo mức độ phức tạp và sức mạnh, bạn thường nghĩ đến BXL dành cho máy chủ do tác động bởi yếu tố giá thành và ý nghĩa bài toán mà chúng giải quyết. Nhà sản xuất luôn trang bị cho BXL máy chủ những công nghệ mới và mạnh nhất. Đây cũng chính là sản phẩm mà nhà sản xuất dường như đặt cược toàn bộ sự nghiệp kinh doanh. AMD, IBM, Intel, HP, Sun và NEC là những tên tuổi lớn về BXL máy chủ. Trong giai đoạn quá độ hiện nay, hầu hết bộ xử lý kiến trúc 64bit đều phải có cơ chế hỗ trợ ứng dụng 32bit. Nhưng chỉ kiến trúc AMD Opteron là hỗ trợ tự nhiên từ phần cứng, HP Alpha, IBM PowerPC và Intel Itanium thì lại chọn giải pháp giả lập.

        AMD góp mặt với sản phẩm Athlon MP và Opteron. Cả hai đều được trang bị công nghệ QuantiSpeed. Riêng Opteron có thêm công nghệ HyperTransport và tuy sử dụng kiến trúc tập lệnh (instruction set architecture-ISA) 64-bit nhưng vẫn cho phép chạy ứng dụng 32-bit. Athlon MP vẫn thuộc kiến trúc 32-bit (tham khảo bài “Bắc cầu sang 64bit”, trang 87). Tuy nhiên, hiệu năng và khả năng mở rộng của Opteron vẫn chưa thể bắt kịp Xeon MP và Itanium của Intel (tham khảo bảng “Đuổi theo Intel”, trang 87).
        Intel Xeon tiếp tục phát triển theo kiến trúc Intel 32-bit (IA-32) trong khi Itanium đã được nâng lên IA-64. Itanium 2 mới nhất đạt tốc độ 1,5GHz, được xây dựng trên kiến trúc EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing) với bộ đệm cấp 3 lên đến 6MB, FSB 400MHz giao tiếp 128bit có khả năng xử lý đồng thời 20 lệnh/giây. Ngoài ra, Intel còn muốn nâng hiệu năng xử lý cho sản phẩm này bằng những công nghệ như HyperThreading, PCI-X, PCI-Express.
        Âm thầm ủng hộ nền tảng UNIX là BXL Alpha của HP, PowerPC của IBM và UltraSPARC của Sun. Trong dòng máy chủ AlphaServer mới, HP sử dụng BXL Alpha 64-bit EV7 kết hợp với chip IO7 để nâng băng thông truy xuất trực tiếp giữa EV7 với cổng I/O chỉ định lên 32GB/s (full-duplex). Tốc độ EV7 cao nhất đạt 1,2GHz và cho phép mở rộng lên đến 64 BXL. Hệ thống HP AlphaServer lắp đặt tại Phòng Thí Nghiệm Quốc Gia Los Alamos và Ủy Ban Năng Lượng Nguyên Tử Pháp hiện đang giữ kỷ lục siêu máy tính mạnh nhất tại Mỹ và châu Âu (theo Top500 Supercomputer Sites - www.top500.org). 
        Kiến trúc IBM Power4 mới nhất tích hợp 2 BXL (2 lõi), cho phép ghép nối thành hệ thống đa BXL đối xứng 32 đường và tương thích với cả ứng dụng 64-bit lẫn 32-bit. Ứng dụng vào dòng máy chủ pSeries và iSeries, IBM tích hợp sẵn nhiều BXL Power4 và cho phép khách hàng chủ động kích hoạt BXL tùy theo nhu cầu tính toán tại từng thời điểm. Chip Opteron 64-bit của AMD cũng đi theo hướng này để giải quyết bài toán 64-bit và 32-bit.

        Trong nhiều năm, IBM và Apple hợp tác chế tạo dòng BXL PowerPC Gx theo hệ MAC chuyên dụng cho giới thiết kế, chế bản. Bên cạnh dòng PowerPC G4 mạnh trên kiến trúc 32bit, tháng 6/2003 vừa qua, họ tiếp tục công bố BXL 64-bit đầu tiên PowerPC G5 với rất nhiều tính năng nổi bật: tích hợp hai BXL PowerPC tốc độ 2GHz, bộ nhớ 18 exabyte (exabyte = tỷ tỷ byte), FSB (front side bus) 1GHz và được sản xuất trên dây chuyền 0,13µm hiện đại nhất của IBM. PowerPC G5 có khả năng thực hiện đồng thời 215 lệnh và cũng có khả năng chạy hầu hết ứng dụng 32-bit.
        UltraSPARC IIIi mới nhất của Sun dùng tập lệnh VIS theo chuẩn mở SPARC V9 64-bit nên hỗ trợ tốt hệ điều hành Solaris. Sản phẩm cho phép nâng cấp tối đa 4 BXL, trang bị 16GB bộ nhớ với băng thông 4,2GB/s và đạt tốc độ 1GHz. Có thể từ dòng UltraSPARC IV, Sun sẽ tích hợp hai nhân BXL vào trong chip nhằm nhân đôi số lượng BXL mà không cần mở rộng không gian cho hệ thống máy chủ cao cấp chuyên phục vụ nghiên cứu khoa học hoặc chạy phần mềm nghiệp vụ phức tạp. Phó chủ tịch điều hành của Sun chuyên về sản phẩm BXL và mạng cho biết rằng đối với chip đa nhân (multicore chip), khía cạnh phần mềm quan trọng hơn nhiều so với phần cứng và Sun đã vạch sẵn lộ trình đưa ra thị trường BXL UltraSPARC 4 nhân trong thời gian tới.
        NEC tuy chưa nổi bật song lại đủ sức gây kinh ngạc nếu bạn biết rằng kỷ lục siêu máy tính mạnh nhất thế giới vào thời điểm 6/2003 đang thuộc về hệ thống Earth Simulator đặt tại Yokohama (Nhật Bản) sử dụng 5.120 BXL NEC 500MHz với khả năng xử lý 35,86Tflop/s.

    BXL MÁY TÍNH CÁ NHÂN

        Không mạnh bằng BXL máy chủ song BXL máy tính cá nhân lại là sản phẩm rất gần gũi với đa số người dùng. Mục tiêu chính mà dòng sản phẩm này phải đáp ứng là xử lý tốt ứng dụng  văn phòng, nội dung kỹ thuật số như hình ảnh, âm thanh, phim; và tái hiện hiệu ứng 3D trong trò chơi.
        AMD Athlon XP sử dụng kiến trúc x86 với FSB 400MHz, thiết kế tối ưu cho Windows XP, được gia tăng bộ nhớ đệm lên 64KB, trang bị công nghệ 3DNow! Professional và QuantiSpeed. Dòng Duron dành cho người dùng ít tiền nay đang dậm chân tại tốc độ 1,3GHz. BXL Athlon 64, được cải tiến từ kiến trúc Athlon, cũng sắp được đưa ra vào quí 2 năm 2003.
        Gần đây, Intel vừa giới thiệu công nghệ HyperThreading (siêu luồng) cho phép tạo thêm BXL ảo thứ hai trong dòng Pentium 4. Nhìn chung, hiệu suất hệ thống máy tính có tăng lên nhưng để phát huy được hết khả năng của công nghệ HyperThreading, bạn cần chờ đến thời điểm xuất hiện nhiều hơn nữa phần mềm ứng dụng tối ưu cho công nghệ này. Hiện tại, công nghệ HyperThreading đã qui tụ đủ 3 yếu tố nền tảng:  BXL, chipset và hệ điều hành.
        Intel Pentium 4 được xây dựng trên vi kiến trúc Netburst, vừa đạt tốc độ kỷ lục là 3,2GHz, FSB 800MHz và bộ đệm cấp 2 512KB. Celeron hướng đến là người dùng cấp thấp nên chỉ được trang bị 128KB đệm cấp 2, hỗ trợ FSB 400MHz và thiếu hẳn công nghệ HyperThreading. Tốc độ cao nhất hiện nay của Celeron là 2,6GHz.

    BXL DI ĐỘNG

        Người dùng máy tính thường xuyên di chuyển thường đặt yêu cầu tăng thời gian làm việc với Pin và kết nối không dây lên trên yếu tố tốc độ xử lý. Vì thế, nhà sản xuất phải thiết kế thêm phiên bản BXL di động với kiến trúc tinh gọn hơn so với BXL cho máy tính cá nhân, tiêu thụ năng lượng thấp và hỗ trợ tốt công nghệ kết nối không dây.
        Intel có dòng Pentium 4-M và Pentium III-M trang bị 4 công nghệ đặc trưng là Enhanced Intel SpeedStep, Deeper Sleep Alert State và Low-Voltage/ Ultra LowVoltage Mobile Processor. Tương ứng, dựa trên kiến trúc Athlon và Duron, AMD thiết kế thêm phiên bản di động bằng cách áp dụng công nghệ PowerNow!.

        Chung xu hướng với Intel và AMD nhưng cách hiện thực của Transmeta lại khác biệt khi giới thiệu BXL Crusoe đầu tiên vào tháng 3/2000. Crusoe được thiết kế trên nền tảng kiến trúc mới nhưng hoàn toàn tương thích với môi trường ứng dụng x86. Điểm chính của công nghệ này là kết hợp chặt chẽ giữa phần cứng với phần mềm: nhiều chức năng trước đây thực hiện bởi phần cứng nay đã được chuyển giao cho lớp phần mềm, giúp giảm bớt số lượng transistor phải sử dụng nên giảm được điện năng tiêu thụ và giá thành. Lượng transistor dùng trong Crusoe TM3120 và TM5400 thấp hơn sản phẩm tương đương đến 3/4. Để đảm bảo thực thi đầy đủ tập lệnh x86, phần mềm Code Morphing, được Transmeta thiết kế làm lớp trung gian giữa hệ điều hành với phần cứng, chịu trách nhiệm chuyển dịch lệnh. Kiến trúc phần cứng VLIW (very long instruction word) được thiết kế khá đơn giản, gồm 2 BXL số nguyên, BXL dấu chấm động, nạp/lưu bộ nhớ và bộ tiên đoán lệnh. Nhờ vậy, một lệnh dài 64/128 bit của Crusoe có thể chứa đến 4 lệnh RICS và được thực thi song song. Ngoài ưu điểm về kích thước và điện năng tiêu thụ, chip Crusoe có khả năng thích ứng linh hoạt với những thay đổi từ cả cấp phần cứng đến hệ điều hành vì chỉ cần thay đổi phần Code Morphing là đủ. Phạm vi ứng dụng của Crusoe hiện nay vẫn còn khá hẹp: máy tính xách tay tiết kiệm điện của Fujitsu, Sony; thiết bị cầm tay của HP; và sắp tới sẽ là màn hình thông minh (Smart Display) của Microsoft. Mặc dù trước mắt còn khó khăn song Transmeta vẫn quyết tâm đưa ra thế hệ Crusoe mới mang tên Astro nhằm cạnh tranh với Pentium M của Intel.
        Dòng BXL VIA C3 được xây dựng trên kiến trúc CoolStream cho phép giảm thiểu điện áp và nhiệt lượng tỏa ra: C3 1GHz chỉ tiêu thụ khoảng 10W điện năng. Đặc biệt, sản phẩm này còn được tích hợp bộ tạo số ngẫu nhiên trong phần cứng để hỗ trợ công nghệ PadLock Data Encryption bảo mật thông tin lưu trên máy và truyền qua mạng. Tuy nhiên số lượng nhà sản xuất máy tính sử dụng C3 1GHz còn hạn chế.

    BXL NHÚNG

        Không còn bó hẹp trong phạm vi tính toán số liệu, BXL còn xuất hiện trong rất nhiều lĩnh vực khác như y tế, quốc phòng, giáo dục, truyền thông... Trong hầu hết thiết bị điện tử gia dụng, bạn đều có thể tìm thấy BXL (chip điều khiển) ẩn mình bên trong. Chức năng của chip điều khiển có thể đơn giản là tắt/mở đèn vào thời gian ấn định trước hoặc phức tạp như tự động điều tiết nhiệt độ trong phòng, giám sát mọi người ra vào tòa nhà. Trong điện thoại di động mà bạn thường dùng cũng có BXL để trao đổi tín hiệu kiểm tra định kỳ, đồng bộ kênh truyền nhận dữ liệu với mạng di động và đặc biệt là mã hóa dữ liệu trao đổi trên mạng để những “lời thì thầm qua sóng” của bạn không lọt vào tai kẻ khác. Trong hệ thống máy tính cũng có khá nhiều BXL chuyên dụng về âm thanh, đồ họa, bảo mật mạng...
        Intel và Motorola là hai đại gia về BXL nhúng. Sản phẩm của họ gần như phổ biến trong thiết bị mạng Ethernet/gigabit/băng rộng/không dây, chipset, lưu trữ, viễn thông, quang học,...
        Đi đầu trong dòng BXL đồ họa hiện nay là ATI và nVidia với hai dòng chip xử lý đồ họa Radeon và GeForce. Công nghệ chế tạo vi mạch của họ cũng không hề thua kém giới sản xuất BXL gạo cội khi mới đưa vào áp dụng công nghệ vi mạch 0,13µm và tích hợp 135 triệu transistor trên chip Radeon 9800 Pro và GeForce FX 5900 gần đây. Chip ATI không chỉ được dùng trong card đồ họa mà còn được Pinnacle sử dụng làm BXL hiệu ứng và dựng phim trong dòng sản phẩm Edition Pro mới nhất.
        Liên tục nhiều năm, Creative giữ vững danh hiệu hàng đầu trong lĩnh vực xử lý âm thanh số cho máy tính. Chip xử lý âm thanh mới nhất Creative Audigy 2 cho phép mã hóa và xử lý âm thanh ở mức 24-bit nên có thể tái tạo lại trung thực âm thanh, đặc biệt là lọc tạp âm rất chính xác.

    HƯỚNG NGHIÊN CỨU TƯƠNG LAI

        Kích thước transistor gần bằng kích thước điện tử, giới hạn vật lý hiện nay. Vậy BXL tương lai sẽ phải phát triển theo hướng nào: cố gắng phá vỡ giới hạn vật lý hay chuyển sang công nghệ sản xuất mới? Dưới đây là một số công nghệ mới rất có khả năng được ứng dụng cho ngành sản xuất bộ vi xử lý trong tương lai.
        1. BXL không đồng bộ. Đại học Tokyo cùng viện nghiên cứu công nghệ Tokyo và công ty NEC vừa giới thiệu bộ vi xử lý không đồng bộ, 52.3 VAX MIPS, theo kiến trúc TITAC-2 dựa trên mô hình Scalable Delay Insensitive (SDI).
        Mạch không đồng bộ có khá nhiều ưu điểm. Thời gian xử lý lệnh có thể thay đổi linh hoạt (rút ngắn với lệnh đơn giản hoặc kéo dài khi gặp lệnh phức tạp) nên hiệu suất xử lý trung bình của mạch tăng và không xuất hiện lỗi khi dữ liệu chưa truyền đến bộ nhớ kịp thời. Dữ liệu chỉ được truyền khi cần thiết nên không phải duy trì liên tục nguồn điện nuôi. Vì thế, tiết kiệm được điện năng.
        Trong xu hướng phát triển mạch không đồng bộ, giới khoa học đã đưa ra một số phương pháp: giới hạn độ trễ cổng và đường mạch (fundamental mode), không giới hạn độ trễ cổng nhưng độ trễ đường mạch phải bằng 0 (speed independent), không giới hạn độ trễ của cổng và đường mạch (delay insensitive), không giới hạn độ trễ của cổng và đường mạch nhưng độ trễ tất cả đường mạch phải bằng nhau (quasi delay insensitive). Hiện tại, việc chế tạo cổng hoặc thiết kế đường mạch có độ trễ chính xác như nhau là điều vượt quá khả năng. Nhưng nếu chọn phương án delay insensitive, vi mạch hoạt động không ổn định và rất khó kiểm soát trạng thái. Chính vì thế phương án SDI chỉ đặt điều kiện duy nhất là tỷ số độ trễ thực tế với độ trễ thiết kế phải nằm trong khoảng giá trị từ 1/K đến K; với K là một hằng số.

        BXL đầu tiên theo kiến trúc TITAC-2 vừa được sản xuất trên qui trình CMOS 3,3V, 0,5µm của NEC có kích thước 12,15mmx12,15mm, tích hợp 496.367 transistor luận lý và bộ nhớ 8,6KB. Đồng thời BXL này còn được thiết kế hàng lệnh 5 giai đoạn, bộ đệm lệnh 8KB, 40 thanh ghi 32-bit.

        2. Máy tính DNA. Thay vì sử dụng bộ vi xử lý, máy tính tương lai có thể hoạt động dựa trên phản ứng của các đoạn nhiễm sắc thể (DNA-deoxyribonucleic acid). 
        Hãng Olympus Optical phối hợp với đại học Tokyo (Nhật Bản) phát triển máy tính DNA thương mại đầu tiên dùng vào công việc phân tích gien .
        Tùy theo điều kiện phản ứng hóa học, các đoạn DNA kết hợp với nhau thành sợi theo trật tự riêng. Bằng cách phân tích và ghi lại mã DNA, người vận hành tìm được câu trả lời tương ứng với điều kiện mình đặt ra. Trong cùng một ống thử nghiệm, phản ứng có thể diễn ra đồng thời trên nhiều đoạn DNA khác nhau nên có thể xử lý song song như BXL hiện nay.
        Máy tính công nghệ DNA đạt năng lực tính toán song song lớn, phù hợp với bài toán phân tích gien, nghiên cứu sinh học, chẩn đoán dịch bệnh và cho phép nhà khoa học giả lập phản ứng hóa học với chi phí thấp. Thời gian xử lý cũng được rút ngắn nhiều lần: một bài toán phân tích gien trước đây cần đến 3 ngày phân tích thì nay được giải xong trong 6 giờ.
        3. Máy tính lượng tử. Với đà phát triển của công nghệ vi mạch hiện nay, sẽ đến lúc kích thước transistor chỉ nhỏ bằng nguyên tử. Khi ấy, công việc chế tạo và thiết kế vi mạch phải vượt qua nhiều giới hạn vật lý về dòng điện, giải nhiệt, kim loại bán dẫn, kim loại dẫn điện,...
        Theo dự đoán của IBM, vào năm 2020, linh kiện vi mạch nhỏ bằng nguyên tử hoặc phân tử nên định luật Moore có lẽ sẽ dừng lại! Vì thế, trung tâm nghiên cứu IBM, cùng với đại học Stanford và đại học Calgary bắt tay vào nghiên cứu dự án phát triển máy tính lượng tử.
        Máy tính lượng tử của IBM dùng 5 nguyên tử Flo, đặt trong cấu trúc phân tử đặc biệt được thiết kế sao cho quĩ đạo của các hạt nhân Flo có thể tương tác lẫn nhau; tạo nên bit lượng tử (qubit) với vai trò tương đương cổng luận lý trong bộ vi xử lý silicon hiện nay. Nguyên tử Flo được điều khiển bằng tần số radio và xác định trạng thái bởi thiết bị cộng hưởng từ hạt nhân (khá phổ biến trong bệnh viện và phòng thí nghiệm hóa học). Dựa trên chiều quĩ đạo nguyên tử, máy tính lượng tử xác định giá qubit bằng 0 hoặc 1.
        Nếu vận dụng máy tính lượng tử để giải biểu thức hàm mũ, tốc độ xử lý nhanh hơn hệ thống máy tính thông thường nhiều lần nhờ có khả năng thực hiện đồng thời nhiều phép tính toán trong một xung.
        Theo IBM, máy tính lượng tử 5 qubit chỉ mới đủ sức sử dụng làm thiết bị thí nghiệm, muốn trở thành máy tính lượng tử thương mại, hệ thống cần đạt vài chục qubit. Và điều này đòi hỏi thêm nhiều năm nghiên cứu nữa. Ứng dụng tiềm năng của máy tính lượng tử là trở thành bộ đồng xử lý trong các vấn đề như tìm kiếm máy tính, mã hóa, và giải bài toán khó.
        4. Vi mạch kim cương. Tháng 4/2003, Tổ Chức Phát Triển Công Nghệ Công Nghiệp và Năng Lượng Mới thuộc Bộ Kinh Tế, Thương Mại và Công Nghiệp Nhật Bản vừa quyết định phát triển dự án trị giá 6 triệu USD nhằm phát triển ngành bán dẫn kim cương, thay thế cho công nghệ bán dẫn silicon hiện nay.
        Chip kim cương có thể hoạt động ở 1.000oC trong khi chip silicon sẽ hỏng khi nhiệt độ vượt quá 150oC. Đặc tính này cho phép chip kim cương đạt tần số, tốc độ nhanh và có thể làm việc tại môi trường nhiệt độ cao.
        Kim cương chịu được điện áp 200V, cao hơn mức 20V của chip silicon nên không cần sử dụng mạch biến áp phức tạp, giúp thu nhỏ đáng kể kích thước mạch thiết bị. Điện cực màn hình phẳng dùng kim cương giải phóng nhiều điện tử và có tuổi thọ cao gấp đôi điện cực hiện nay. Sắp tới, nhóm nghiên cứu dự định ứng dụng chip kim cương để tạo ra tia laser bước sóng 235 nanomet, phá vỡ kỷ lục 405 nanomet của tia laser xanh dương vừa được công bố gần đây. Trong tương lai, BXL kim cương sẽ được trang bị cho những thiết bị tự hành làm việc trong môi trường khắc nghiệt.
        Nhược điểm của công nghệ này là chi phí sản xuất quá cao và dẫn điện chưa tốt. Giá đế kim cương diện tích 4 mm2 đắt hơn đế silicon đến vài chục ngàn lần. Để nhanh chóng ứng dụng công nghệ vào thực tế, nhiều công ty điện tử lớn của Nhật đã nhiệt tình tham gia dự án: Kobe Steel tìm kiếm vật liệu cơ bản cho chip kim cương trong khi Sumitomo Electric đang tập trung sản xuất kim cương nhân tạo.
        5. Transitor GaAr. Đại học Wincosin đang có một dự án nghiên cứu sử dụng Gali Asen (gallium arsenide) làm nguyên liệu cơ bản để tạo nên transistor điện tử đơn. Hầu hết công nghệ chế tạo chip hiện nay đều dùng silicon; tuy không linh hoạt bằng GaAr nhưng rẻ. Nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ tìm ra phương pháp sản xuất transistor GaAr rẻ hơn nhưng có tính năng tương đương với transistor silicon.
        Bằng cách ngăn cản sự tương tác giữa dòng điện tử với vật liệu dẫn, nhà sản xuất có thể tích hợp nhiều transistor hơn, giảm độå rò điện tại cổng transistor. Nhờ vậy, mạch giảm thiểu được điện năng thất thoát và nhiệt lượng giải phóng; yếu điểm đang còn tồn tại trong công nghệ sản xuất chip CMOS hiện nay.
        6. Tích hợp vi mạch lên kính. Các kỹ sư Nhật Bản đang tiến đến gần mục tiêu là tích hợp toàn bộ mạch thiết bị PDA lên tấm kính nhỏ. Trước đây, khi công nghệ transistor tấm mỏng (thin film transistor) mới được công bố, giới khoa học đã nghĩ ngay đến việc ứng dụng để tích hợp vi mạch lên đế kính nhưng điều này không thành công vì tốc độ di chuyển và tính linh hoạt của điện tử không cao bằng công nghệ dùng đế silicon. Nhờ thành tựu công nghệ poly-silicon, nhược điểm này đã được loại bỏ. Vi mạch có thể được tích hợp trực tiếp lên đế kính theo công nghệ sản xuất màn hình LCD.
        Nếu BXL Intel 8086 giới thiệu năm 1978 chứa chưa đến 30.000 transistor thì vào năm 2000, Intel tích hợp thành công 42 triệu transistor lên BXL Pentium 4. Thú vị là trong suốt thời gian qua, lượng transistor trong mạch tích hợp liên tục tăng gấp đôi sau 18 tháng; theo đúng tiên đoán mà ông Gordon Moore đưa ra năm 1965.
        Từ kiến trúc x86 của Intel, BXL phát triển theo nhiều hướng phong phú khác nhau nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng đa dạng của con người và qui mô ngày càng phức tạp của bài toán thực tế. Không còn bó mình trong hệ thống máy vi tính, BXL xuất hiện ngày càng phổ biến trong cuộc sống và đang chia sẻ với chúng ta rất nhiều gánh nặng công việc.

        Dưới bàn tay và trí tuệ của con người, BXL đập nhịp ngày càng nhanh, rộn ràng hơn nhằm giúp chính con người tìm ra lời giải cho vô vàn “câu hỏi lớn chưa lời đáp”!

    Duy Khánh

    ID: A0307_78