Những yếu tố nào ảnh hưởng đến hiệu suất của CPU?

CPU, hay còn được biết đến với tên gọi bộ xử lý trung tâm, là một trong những thành phần quan trọng nhất cấu thành lên một hệ thống máy tính. CPU được coi như là bộ não, giúp điều hành và xử lý gần như tất cả các tác vụ mà bạn thực hiện trên máy tính.

Cũng như các thành phần phần cứng khác, sức mạnh xử lý của CPU cũng được phân hóa theo giá bán và công nghệ được sử dụng trên nó, vậy đã bao giờ bạn thắc mắc rằng có những nhân tố nào ảnh hưởng đến hiệu suất của một CPU? Hay nếu muốn cải thiện sức mạnh của CPU thì phải làm thế nào chưa? Nếu có, tất cả thắc mắc của bạn sẽ được giải đáp trong bài viết này, hãy cùng đến với vấn đề ngay bây giờ!

Trên thực tế, có 11 yếu tố chính đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định xem máy tính có thể đáp ứng yêu cầu xử lý thông tin của người dùng nhanh như thế nào. Hay nói một cách đơn giản hơn các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của CPU bao gồm:

• Số lõi
• Bộ nhớ cache (Bộ nhớ đệm)
• Xung nhịp
• Chu kỳ xung nhịp
• Word length
• Độ rộng địa chỉ bus
• Độ rộng data bus
• Siêu phân luồng
• Instruction Set
• Nhiệt
• Băng thông

Hãy cùng bắt đầu bằng với số lượng nhân

Trong phương pháp Anthony Neuman, là phương pháp kiến trúc máy tính được sử dụng bởi hầu hết các máy tính trước đây thì các chỉ lệnh sẽ chỉ được tìm nạp và thực hiện từng cái một. Cụ thể hơn, một lõi (nhân) thường là đơn vị tính của CPU hay ta có thể hiểu đơn giản mỗi lõi chính là một CPU riêng biệt.

Trước năm 2005 CPU chỉ có một nhân vì vậy xung nhịp chính là thông số vàng của các nhà sản xuất. Tuy nhiên ngày nay chúng ta có sự xuất hiện của các máy tính lõi kép và lõi tứ mà trong đó, mỗi lõi lại có chứa chu kỳ thực hiện và tìm nạp riêng, tạo nên hướng đi mới cho việc tăng hiệu quả hoạt động của CPU.

Điều này có nghĩa là các bộ xử lý hiện đại với nhiều lõi có thể cho tốc độ tính toán nhanh hơn gấp hai hoặc bốn lần so với những bộ xử lý truyền thống trước đây. Tuy nhiên, đó là về mặt lý thuyết, còn trên thực tế, tốc độ của một bộ xử lý còn phải phụ thuộc khá nhiều vào phần mềm mà nó đang chạy.

Không phải tất cả các phần mềm đều được thiết kế để có thể tận dụng được lợi thế của CPU lõi tứ hay lõi kép. Chẳng hạn như việc các phần mềm trò chơi và phần mềm chỉnh sửa video thường được viết ra để tận dụng tối đa công nghệ cũng như lợi thế của đa lõi, trong khi các phần mềm xử lý văn bản hoặc bảng tính lại hoàn toàn ngược lại.

Một trong những lợi ích lớn nhất mà công nghệ đa lõi mang lại đó chính là ở đa nhiệm. Với một CPU đa lõi, mỗi tác vụ sẽ được một nhân xử lý, các lõi còn lại sẽ đi vào trạng thái nghỉ cho đến khi có một tác vụ khác yêu cầu. Trước kia nếu chỉ sử dụng một nhân cả hệ thống gần như sẽ bị đóng băng nếu có một chương trình bị lỗi.

Xung nhịp

Bộ xử lý yêu cầu xung nhịp để có thể hoạt động chính xác. Một chu kỳ xung nhịp tương đương với 1Hz, tức là một chu kỳ mỗi giây. Tốc độ của máy tính thường ở cấp độ gigahertz (GHz), tương đương với hàng tỷ chu kỳ mỗi giây. Tốc độ xung nhịp điển hình của các CPU ngày nay rơi vào khoảng từ 2 đến 4GHz.

Trước khi có sự xuất hiện của các CPU đa nhân, xung nhịp là thông số đại diện cho hiệu quả hoạt động của CPU. Ví dụ 3.0GHz, 2.8GHz,… như vậy, độ lớn của xung nhịp sẽ tỉ lệ thuận với tốc độ của CPU. Tuy nhiên, CPU có xung nhịp cao lại tiêu tốn nhiều năng lượng và sản sinh một lượng nhiệt lớn hơn. Do đó, nếu nhiệt độ vượt qua khả năng chịu nhiệt của CPU, hệ thống sẽ tự động giảm xung nhịp để giảm nhiệt độ, dẫn đến việc tốc độ xử lý của máy tính cũng sẽ giảm xuống.

Ngoài ra, giới hạn công nghệ cũng như kinh phí khổng lồ trong việc cố gắng tăng xung nhịp đã khiến các nhà sản xuất phải tìm ra một phương thức khác để cải thiện hiệu quả hoạt động của CPU, và giải pháp chính ở đây chính là CPU đa nhân mà chúng ta vừa tìm hiểu phía trên.

Chu kỳ xung nhịp (Clock Cycle)

Chu kỳ xung nhịp đề cập đến xung điện trong CPU, trong đó mỗi xung sẽ đóng vai trò như tín hiệu để CPU thực hiện một lệnh nhất định. Một CPU sẽ thực hiện một hoặc nhiều lệnh trong mỗi chu kỳ, tùy thuộc vào kiến ​​trúc của CPU.

Các CPU hiện đại ngày nay có thể thực hiện nhiều lệnh trong mỗi chu kỳ, không giống như những model cũ, nơi nó chỉ có thể thực hiện một lệnh mỗi chu kỳ.

Vì vậy, về mặt kỹ thuật, chu kỳ xung nhịp càng cao, CPU càng có thể thực hiện nhiều lệnh, do đó, nó sẽ hoạt động càng nhanh.

Bộ nhớ cache (Bộ nhớ đệm)

Bộ nhớ cache là một lượng nhỏ RAM (bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên) có hiệu suất cao được tích hợp sẵn trong CPU. Lượng RAM này sẽ lưu trữ những dữ liệu đã được bộ xử lý sử dụng nhiều lần và nó không yêu cầu sử dụng không gian từ bộ nhớ hệ thống. Loại dữ liệu này đóng vai trò rất quan trọng trong việc xử lý nhanh chóng các trò chơi, trình chỉnh sửa video và ứng dụng khác trên hệ thống.

Nói cách khác, bộ nhớ cache được dùng cho CPU để giảm thời gian truy cập vào bộ nhớ chính, cache càng lớn CPU càng hoạt động hiệu quả. Để cho dễ hình dung, bạn có thể tưởng tượng bộ nhớ cache giống như biển báo tên đường vậy. Trong một thành phố có hàng ngàn con đường, nếu không được gắn biển, đặt tên cụ thể, việc tìm đường sẽ rất phức tạp và mất thời gian. Dung lượng bộ nhớ cache thường chỉ rơi vào khoảng vài KB đến vài MB, nhưng lại đóng vai trò rất quan trọng trong việc quyết định tốc độ của CPU nói riêng và của toàn hệ thống nói chung.

Word length

Word length là độ dài từ của CPU. Đây là số bit mà CPU có thể xử lý đồng thời trong một khoảng thời gian cụ thể. Ví dụ, bộ xử lý 32 bit cho tốc độ xử lý nhanh hơn bộ xử lý 16 bit vì đơn giản là nó sở hữu word length rộng hơn. Word length của một hệ thống máy tính thông thường nằm trong khoảng từ 32 đến 64 bit.

Dưới đây là ba ví dụ về cách thức mà tốc độ xung nhịp và word length của CPU có thể khác nhau như thế nào:

• Bộ xử lý 8088 có tốc độ xung nhịp 4.77MHz và word length là 8 bit.
• Bộ xử lý 80486 có tốc độ xung nhịp từ 50 đến 80MHz và có word length là 32 bit.
• Bộ xử lý Pentium 4 có tốc độ xung nhịp rơi vào khoảng từ 1.5 gigahertz đến 3.2 gigahertz, và có word length là 64 bit.

Độ rộng address bus

Độ rộng address bus có thể tạm hiểu là chiều rộng của bus địa chỉ và có vai trò xác định số lượng tối đa của các vị trí địa chỉ. Ví dụ: nếu bạn có address bus 8 bit, điều này có nghĩa là bạn có thể sở hữu tối đa 256 địa chỉ. Các địa chỉ hoặc vị trí bộ nhớ này sẽ được đánh số từ 0 đến 255.

Tất nhiên nếu độ rộng address bus của bạn càng rộng thì bộ nhớ có thể được truy cập được sẽ càng lớn.

Độ rộng data bus

Độ rộng bus dữ liệu có thể hiểu nôm na là số bit có thể được truyền đồng thời từ thiết bị này sang thiết bị khác. Thông thường bus dữ liệu sẽ có cùng kích thước với bus địa chỉ nhưng không phải lúc nào cũng vậy. Nếu bus dữ liệu là 16 bit và bus địa chỉ là 32 bit thì dữ liệu sẽ được tìm nạp trong các nhóm 2 x 16 bit.

Siêu phân luồng (Hyper-Threading)

Siêu phân luồng là công nghệ cho phép hai nhân CPU hợp lý chia sẻ các tài nguyên thực thi vật lý. Điều này có thể cải thiện nhanh tốc độ xử lý. Ví dụ nếu một CPU ảo bị trì trệ và phải chờ đợi, thì một CPU ảo khác có thể mượn tài nguyên thực thi của nó. Quá trình phân luồng Hyper-threading có thể giúp tăng tốc hệ thống của bạn, nhưng nó sẽ không thể hiệu quả bằng với việc máy bạn được bổ sung nhân thực tế. Ở các bộ xử lý đời đầu thường chỉ có một lõi duy nhất và được được phân thành 2 luồng. Nhưng các CPU hiện đại của Intel hiện có cả hai lõi thật và công nghệ siêu luồng.

Nếu xét về các tác vụ mà đa số chúng ta thường sử dụng hằng ngày như duyệt web, email và xử lý văn bản, siêu phân luồng sẽ không có nhiều tác dụng, hay nói cách khác, sự tác động là không đáng kể. Về mặt lý thuyết siêu phân luồng sẽ giúp con chip hoạt động tốt hơn ở đa tác vụ. Tuy nhiên, bộ vi xử lý ngày nay quá nhanh, đến nỗi các chương trình cơ bản hiếm khi bị trễ bởi tốc độ của bộ vi xử lý.

Tuy nhiên, khi bạn đang cố gắng thực hiện một số công việc nặng nhọc, siêu phân luồng chắc chắn sẽ tỏ ra hữu ích hơn rất nhiều. Có thể thấy được điều này rõ rệt nhất thông qua các chương trình dựng hình ảnh 3D, ứng dụng chuyển mã âm thanh, video nặng và các ứng dụng khoa học được xây dựng cho hiệu suất đa luồng tối đa, sẽ có những lúc siêu phân luồng có thể tăng hiệu suất lên đến 30%.

Instruction Set (tập lệnh)

Instruction Set, còn được gọi là ISA hay “Instruction Set Architecture”, là một tập hợp các lệnh mà CPU có thể hiểu được. Những lệnh này bao gồm số 1 và 0, còn được gọi là các chữ số nhị phân. Điều này cho CPU biết nó phải làm gì.

Vì CPU không thể hiểu ngôn ngữ thông thường mà người dùng sử dụng, nên mỗi lệnh, do người dùng cung cấp cho máy tính, sẽ được chuyển đổi thành lệnh 1 và 0 bằng trình biên dịch, để CPU xử lý lệnh này.

Các bộ vi xử lý hiện đại ngày nay sử dụng tập lệnh 64-bit, tập lệnh này cũng có khả năng tương thích ngược với tập lệnh x86 hoặc 32 bit.

Nhiệt

Khi bạn tiếp tục ném các tác vụ khác nhau vào CPU của mình, nó sẽ tạo ra nhiều nhiệt hơn, sau đó nhiệt có thể làm giảm hiệu suất CPU.

Mặc dù điều này có thể dễ dàng tránh được, nhưng một CPU không được làm mát đúng cách hoặc không đủ khả năng thông gió có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất.

Tình trạng quá nóng kéo dài còn có thể lây lan sang các linh kiện khác, ảnh hưởng đến hiệu suất chung của máy tính.

Hầu hết các CPU ngày nay đều có nhiệt độ tối đa cho phép được đo bằng °C. Ví dụ, Core i7 9700K có thể hoạt động lên đến 100°C, có nghĩa là nó có thể hoạt động bình thường cho đến thời điểm này.

Tuy nhiên, để CPU hoạt động ở nhiệt độ tối đa không phải là điều lý tưởng nhất, vì việc này sẽ ảnh hưởng rất nhiều đến hiệu suất của CPU. Trong trường hợp xấu nhất, nó sẽ làm giảm tuổi thọ của CPU.

Hầu hết những người sử dụng máy tính có kiến ​​thức đều biết nhiệt độ lý tưởng là thấp hơn 80°C, hoặc thậm chí có thể thấp hơn 75°C. Những nhiệt độ này có thể đạt được với bộ làm mát hiệu quả và khung thông gió tốt.

Băng thông

Băng thông, hay băng thông bộ nhớ, là khả năng bộ xử lý đọc và ghi dữ liệu trong bộ nhớ. Nó đo tốc độ của CPU xem nó có thể tìm nạp và lưu trữ dữ liệu này nhanh ra sao. Điều này thường được biểu thị bằng GB/s hoặc gigabyte mỗi giây.

Hầu hết các CPU ngày nay có thể hỗ trợ lên đến ~40+GB/s, có nghĩa là băng thông càng lớn thì tốc độ đọc và lưu trữ dữ liệu càng nhanh.

Trên đây là 11 yếu tố cơ bản quyết định tới tốc độ xử lý của một CPU. Hi vọng các thông tin trong bài hữu ích với bạn!