Bộ Vi Sử Lý - CPU

I - Chức năng của CPU CPU viết tắt của chữ Central Processing Unit (tiếng Anh), tạm dịch là đơn vị xử lí trung tâm. CPU có thể được xem như não bộ, một trong những phần tử cốt lõi nhất của máy vi tính. Nhiệm vụ chính của CPU là xử lý các chương trình vi tính và dữ kiện. CPU có nhiều kiểu dáng khác nhau. Ở hình thức đơn giản nhất, CPU là một con chip với vài chục chân. Phức tạp hơn, CPU được ráp sẵn trong các bộ mạch với hàng trăm con chip khác. CPU là một mạch xử lý dữ liệu theo chương trình được thiết lập trước. Nó là một mạch tích hợp phức tạp gồm hàng triệu transistor II - Cấu tạo của CPU  CPU có 3 khối chính là :  Bộ điều khiển ( Control Unit )Là các vi xử lí có nhiệm vụ thông dịch các lệnh của chương trình và điều khiển hoạt động xử lí,được điều tiết chính xác bởi xung nhịp đồng hồ hệ thống. Mạch xung nhịp đồng hồ hệ thống dùng để đồng bộ các thao tác xử lí trong và ngoài CPU theo các khoảng thời gian không đổi.Khoảng thời gian chờ giữa hai xung gọi là chu kỳ xung nhịp.Tốc độ theo đó xung nhịp hệ thống tạo ra các xung tín hiệu chuẩn thời gian gọi là tốc độ xung nhịp - tốc độ đồng hồ tính bằng triệu đơn vị mỗi giây-Mhz. Thanh ghi là phần tử nhớ tạm trong bộ vi xử lý dùng lưu dữ liệu và địa chỉ nhớ trong máy khi đang thực hiện tác vụ với chúng. Bộ số học-logic (ALU-Arithmetic Logic Unit)Có chức năng thực hiện các lệnh của đơn vị điều khiển và xử lý tín hiệu. Theo tên gọi,đơn vị này dùng để thực hiện các phép tính số học( +,-,*,/ )hay các phép tính logic (so sánh lớn hơn,nhỏ hơn…) Thanh ghi ( Register )Thanh ghi có nhiệm vụ ghi mã lệnh trước khi xử lý và ghi kết quả sau khi xử lý III - Các thông số kỹ thuật của CPU Tốc độ của CPU: Tốc độ xử lý của máy tính phụ thuộc vào tốc độ của CPU, nhưng nó cũng phụ thuộc vào các phần khác (như bộ nhớ trong, RAM, hay bo mạch đồ họa).Có nhiều công nghệ làm tăng tốc độ xử lý của CPU. Ví dụ công nghệ Core 2 Duo.Tốc độ CPU có liên hệ với tần số đồng hồ làm việc của nó (tính bằng các đơn vị như MHz, GHz, …). Đối với các CPU cùng loại tần số này càng cao thì tốc độ xử lý càng tăng. Đối với CPU khác loại, thì điều này chưa chắc đã đúng; ví dụ CPU Core 2 Duo có tần số 2,6GHz có thể xử lý dữ liệu nhanh hơn CPU 3,4GHz một nhân. Tốc độ CPU còn phụ thuộc vào bộ nhớ đệm của nó, ví như Intel Core 2 Duo sử dụng chung cache L2 (shared cache) giúp cho tốc độ xử lý của hệ thống 2 nhân mới này nhanh hơn so với hệ thống 2 nhân thế hệ 1 ( Intel Core Duo và Intel Pentium D) với mỗi core từng cache L2 riêng biệt. (Bộ nhớ đệm dùng để lưu các lệnh hay dùng, giúp cho việc nhập dữ liệu xử lý nhanh hơn). Hiện nay công nghệ sản xuất CPU làm công nghệ 65nm. Hiện đã có loại CPU Quad-Core (4 nhân). Hãng AMD đã cho ra công nghệ gồm 2 bộ xử lý, mỗi bộ 2-4 nhân. Tốc độ BUS của CPU ( FSB - Front Side Bus )  FSB - Front Side Bus là gì ? FSB - Là tốc độ truyền tải dữ liệu ra vào CPU hay là tốc độ dữ liệu chạy qua chân của CPU. Trong một hệ thống thì tốc độ Bus của CPU phải bằng với tốc độ Bus của Chipset bắc, tuy nhiên tốc độ Bus của CPU là duy nhất nhưng Chipset bắc có thể hỗ trợ từ hai đến ba tốc độ FSB Ở dòng chíp Pen2 và Pen3 thì FSB có các tốc độ 66MHz, 100MHz và 133MHz Ở dòng chíp Pen4 FSB có các tốc độ là 400MHz, 533MHz, 800MHz, 1066MHz, 1333MHz và 1600MHz Bộ nhớ Cache. Cache: Vùng nhớ mà CPU dùng để lưu các phần của chương trình, các tài liệu sắp được sử dụng. Khi cần, CPU sẽ tìm thông tin trên cache trước khi tìm trên bộ nhớ chính. Cache L1: Integrated cache (cache tích hợp) - cache được hợp nhất ngay trên CPU. Cache tích hợp tăng tốc độ CPU do thông tin truyền đến và truyền đi từ cache nhanh hơn là phải chạy qua bus hệ thống. Các nhà chế tạo thường gọi cache này là on-die cache. Cache L1 - cache chính của CPU. CPU trước hết tìm thông tin cần thiết ở cache này. Cache L2: Cache thứ cấp. Thông tin tiếp tục được tìm trên cache L2 nếu không tìm thấy trên cache L1. Cache L2 có tốc độ thấp hơn cache L1 và cao hơn tốc độ của các chip nhớ (memory chip). Trong một số trường hợp (như Pentium Pro), cache L2 cũng là cache tích hợp. Pentium và Celeron - Pentium là Chip được thiết kế để chạy cho các ứng dụng mạnh như xử lý đồ hoạ, Video, Game 3D v v… Chip Pentium có bộ nhớ Cache lớn hơn vì vậy làm tăng hiệu suất làm việc của nó - Celeron: Là dòng chíp rút gọn của Pentium nhằm hạ giá thành, số Transistor trong Celeron ít hơn và bộ nhớ Cache nhỏ hơn, Celeron được thiết kế để chạy cho các ứng dụng nhẹ như ứng dụng Văn phòng, duyệt Web v v… So sánh chíp Pentium với Celeron - Khi chạy các ứng dụng nhẹ như văn phòng, duyệt web thì tốc độ của Pentium và Celeron gần như tương đương( nếu hai Chip có cùng MHz), nhưng khi chạy ở các ứng dụng mạnh như xử lý đồ hoạ, game, video thì Pentium có đốc độ nhanh gấp từ 1,5 đến 2 lần . Giải thích các thông số kỹ thuật của CPU ghi trên báo giá các công ty máy tính sSpec Number SLA94 Số sản phẩm CPU Speed 2.40 GHz Tốc độ xử lý của CPU * PCG 06 Hệ thống tản nhiệt, quạt Bus Speed 800 MHz Tốc độ BUS của CPU hay tốc độ FSB * Bus/Core Ratio 12 Tỷ lệ giữa tốc độ CPU và BUS hệ thống L2 Cache Size 2 MB Dung lượng bộ nhớ Cache L2 * L2 Cache Speed 2.4 GHz Tốc độ truy xuất bộ nhớ Cache L2 Package Type LGA775 Kiểu đóng gói 775 chân - Soket 775 * Manufacturing Technology 65 nm Công nghệ sản xuất chíp Core Stepping M0 Các mốc đánh dấu sự phát triển của nhân CPU CPUID String 06FDh Chuỗi ký tự mã Hexa xác định đặc tính của CPU Thermal Design Power 65W Công suất thiết kế nhiệt Thermal Specification 73.3°C Nhiệt độ cho phép, quá mức nhiệt trên CPU cóthể ngưng hoạt động Trong các thông số kỹ thuật trên thì các thông số Tốc độ CPU / tốc độ Bus FSB / dung lượng cache L2 / và kiểu đóng gói ( mục dấu * ) là quan trọng nhất mà bạn cần phải quan tâm khi mua Chip

Các Socket CPU

Ngay từ những ngày đầu CPU của cả Intel và AMD đều đã có các kiểu socket và slot khác nhau, mục đích là chỉ sử dụng cho các bộ vi xử lý của họ. Trong hướng dẫn này, chúng tôi sẽ liệt kê tất cả các socket và kiểu slot đã được phát hành cho đến thời điểm hiện nay cùng với các chân tương ứng của chúng và ví dụ về các CPU tương thích.Trước kia, một socket CPU cần phải tương thích với một kiểu của bộ vi xử lý. Câu chuyện này đã thay đổi sau khi phát hành kiểu bộ vi xử lý 486 và sử dụng socket ZIF (Zero Insertion Force), cũng được biết đến với tên LIF (Low Insertion Force), thế hệ mới này có một mức để lắp đặt và gỡ bỏ CPU ra khỏi socket mà không cần người dùng hoặc kỹ thuật viên phải ấn CPU xuống để gắn nó vào socket. Sử dụng socket này đã giảm thiểu được rất nhiều rủi ro trong việc làm vỡ hoặc cong các chân của CPU khi lắp đặt hoặc gỡ bỏ nó. Sử dụng cấu trúc chân giống nhau bởi nhiều bộ vi xử lý đã cho phép người dùng hoặc các kỹ thuật viên có thể cài đặt các model bộ vi xử lý khác nhau trên cùng một bo mạch chủ, bằng cách gỡ bỏ CPU cũ và cài đặt vào đó cái mới. Rõ ràng bo mạch chủ cần phải tương thích với CPU mới vừa được cài đặt và cũng cần phải được cấu hình đúng.

Từ sau đó, cả Intel và AMD đã phát triển một loạt các socket và slot để có thể sử dụng CPU của họ.

Socket được sử dụng cùng với bộ vi xử lý 486 đầu tiên không phải là ZIF và cũng không cho phép bạn thay thế CPU bằng một model khác. Thậm chí socket này không có cả tên chính thức, chúng ta hãy gọi nó là socket 0. Sau socket 0, Intel đã phát hành socket 1, đây là kiểu socket có sơ đồ chân như socket 0 và thêm một chân khóa (key pin). Nó cũng được chấp thuận là chuẩn ZIF, chuẩn cho phép cài đặt một số kiểu bộ vi xử lý khác trên cùng một socket (nghĩa là trên cùng một bo mạch chủ). Các chuẩn socket khác đã được phát hành cho họ 486 sau socket 1 là socket 2, socket 3 và socket 6, mục đích nhằm để tăng số lượng các model CPU có thể được cài đặt trên socket CPU. Chính vì vậy, socket 2 chấp thuận cho các CPU mà được socket 1 chấp thuận cộng với một số model khác… Mặc dù socket 6 đã được thiết kế nhưng nó vẫn chưa bao giờ được sử dụng. Chính vì vậy chúng ta thường gọi sơ đồ chân đã được sử dụng bởi các bộ vi xử lý lớp 486 là “socket 3”. Intel đã gọi “hệ thống tăng tốc” là khả năng của một socket để chấp thuận nhiều hơn các model CPU. Intel cũng đã chấp thuận tên này cho các CPU sử dụng sơ đồ chân từ một CPU cũ, nhằm mục đích cho phép nó có thể cài đặt trên các bo mạch chủ cũ hơn.

Các bộ vi xử lý Pentium đầu tiên (60 MHz và 66 MHz) đã sử dụng chuẩn sơ đồ chân có tên gọi là socket 4, đây cũng là sơ đồ chân được cấp 5 V. Các bộ vi xử lý Pentium từ 75 MHz trở lên đều được cấp 3,3V và vì vậy yêu cầu thêm một chân mới, kiểu chân này được gọi là socket 5, không tương thích với socket 4 (ví dụ, Pentium-60 không thể cài đặt trên socket 5 và Pentium-100 không thể cài đặt được trên socket 4). Socket 7 sử dụng cùng sơ đồ chân như socket 5 cộng với một chân bổ sung (key pin), chấp thuận các bộ vi xử lý tương tự đã được chấp thuận bởi socket 5 cộng với các CPU mới, đặc biệt CPU được thiết kế bởi các công ty máy tính (sự khác biệt thực sự giữa socket 5 và socket 7 là: socket 5 luôn được cấp với các CPU 3,3V còn socket 7 lại cho phép các CPU có thể được cấp một mức điện áp khác, như 3,5V hoặc 2,8V). Super 7 socket là một kiểu socket 7 có khả năng chạy lên đến 100MHZ, được sử dụng bởi các CPU AMD. Chúng ta thường gọi Pentium Classic và các sơ đồ chân CPU có khả năng tương thích là “socket 7”.

Như những gì bạn đã thấy, các socket và sơ đồ chân ở giai đoạn này có rất nhiều lộn xộn, vì bộ vi xử lý đã cho có thể được cài đặt trên nhiều kiểu socket khác nhau. 486DX-33 có thể đựợc cài đặt trên các socket 0, 1, 2, 3 và có thể cả 6 nếu đã được phát hành.

Các nhà sản xuất CPU phải theo một lược đồ đơn giản hơn, mỗi CPU nên được cài đặt chỉ trên một kiểu socket.

Trong bảng dưới đây, chúng tôi sẽ liệt kê tất cả các kiểu socket và slot đã đựợc tạo bởi Intel và AMD từ CPU 486 và ví dụ về các CPU tương thích với chúng.

Socket	Số lượng chân	Ví dụ về các CPU tương thích
Socket 0	168	486 DX
Socket 1	169	486 DX 486 DX2 486 SX 486 SX2
Socket 2	238	486 DX 486 DX2 486 SX 486 SX2 Pentium Overdrive
Socket 3	237	486 DX 486 DX2 486 DX4 486 SX 486 SX2 Pentium Overdrive 5x86
Socket 4	273	Pentium-60 and Pentium-66
Socket 5	320	Pentium-75 to Pentium-133
Socket 6	235	486 DX 486 DX2 486 DX4 486 SX 486 SX2 Pentium Overdrive 5x86
Socket 7	321	Pentium-75 tới Pentium-200 Pentium MMX K5 K6 6x86 6x86MX MII
Socket Super 7	321	K6-2 K6-III
Socket 8	387	Pentium Pro
Socket 370	370	Celeron Pentium III FC-PGA Cyrix III C3
Socket 423	423	Pentium 4
Socket 463	463	Nx586
Socket 478	478	Pentium 4 Celeron Celeron D Celeron M Core Duo Core Solo Pentium 4 Extreme Edition Pentium M Mobile Pentium III Mobile Celeron Mobile Pentium 4
Socket 479 (Socket M)	479	Core Duo Core Solo Pentium M Mobile Pentium III Mobile Celeron Mobile Pentium 4 Celeron M
Socket 775 (LGA775) (Socket T)	775	Pentium 4 Pentium 4 Extreme Edition Pentium D Pentium Extreme Edition Celeron D Core 2 Duo Core 2 Extreme
Socket 603	603	Xeon Mobile Pentium 4
Socket 604	604	Xeon
Socket 771	771	Xeon
Socket 418	418	Itanium
Socket 611	611	Itanium 2
Socket 462 (Socket A)	453	Athlon Duron Athlon XP Sempron
Socket 754	754	Athlon 64 Sempron Turion 64
Socket 939	939	Athlon 64 Athlon 64 FX Athlon 64 X2 Opteron
Socket 940	940	Athlon 64 FX Opteron
Socket AM2	940	Athlon 64 Athlon 64 FX Sempron Athlon 64 X2
Socket AM2+	940	Athlon 64 Athlon 64 X2 Opteron Phenom
Socket S1	638	Turion 64 X2
Socket F	1,207	Opteron Athlon 64 FX (7x models)
Slot 1	242	Pentium II Pentium III (Cartridge) Celeron SEPP (Cartridge)
Slot 2	330	Pentium II Xeon Pentium III Xeon
Slot A	242	Athlon (Cartridge)

Một số thuật ngữ trong sản xuất chip

Nhị phân (Binary):Có hai phần. Hệ đếm nhị phân mà máy tính sử dụng bao gồm hai con số 0 và 1.

Lưỡng cực (Bipolar):Một công nghệ có tốc độ cao nhưng tương đối đắt đỏ. Được sử dụng trong sản phẩm đầu tiên của Intel - bộ nhớ 3101.

Chip: Một hình chữ nhật hoặc hình vuông nhỏ, mỏng có chứa các vi mạch điện tử tích hợp. Các chip còn được gọi là khuôn. Chip phức tạp nhất chính là bộ vi xử lý. (Xem thêm thuật ngữ "Bộ vi xử lý").

Mạch điện (Circuit): Đường đi cho dòng điện tử di chuyển.

Phòng sạch (Cleanroom): Phòng vô trùng dùng để chế tạo các chip. Không khí trong căn phòng này sạch hơn hàng nghìn lần so với không khí của các phòng phẫu thuật.

CMOS (complementary metal oxide semiconductor): Bao gồm cả các bóng bán dẫn kênh dương và kênh âm trên cùng một thiết kế mạch điện. Tạo ra các mạch điện có mức tiêu thụ nguồn thấp. Hiện nay phần lớn các chip của Intel được sản xuất bằng công nghệ này.

Thiết kế được máy tính hỗ trợ (Computer-aided design - CAD): Hệ thống máy tính và phần mềm tinh vi được sử dụng để thiết kế các chip vi mạch tích hợp.

Khuôn (Die): Xem "Chip" và "Bộ vi xử lý".

Hóa khắc (Doping): Một quy trình sản xuất tấm wafer trong đó những khu vực hở của tấm silicon được bắn phá bằng các hợp chất hóa học để thay đổi bản chất dẫn điện của silicon tại những khu vực đó.

Kênh dẫn (Drain): Một khu vực có mức độ bắn phá bằng hợp chất hóa học cao, gần với một kênh mang dòng điện hiện tại của bóng bán dẫn. Truyền tải dòng điện tử đi ra từ bóng bán dẫn đến phần tử mạng hoặc dây dẫn mới.

Khắc axit (Etching): Việc loại bỏ những phần nhất định của vật liệu để xác định các lớp theo mẫu trên chip.

Chế tạo (Fabrication): Quá trình sản xuất chip.

Fab: Thuật ngữ rút gọn của "Nhà máy sản xuất chip", nơi chế tạo các chip silicon.

Đóng gói chip kiểu "lật" (Flip-chip packaging): Một kiểu đóng gói chip bằng cách lật chip về mặt trước và gắn nó với đế, khác với kiểu đóng gói chip như là kiểu nối dây trong đó gắn phần lưng của chip với đế.

Hộp chứa wafer có cửa mở ở mặt trước (Front-opening unified pod - FOUP): Một hộp chứa là một phần của hệ thống tự động trong một nhà máy sản xuất chip dùng để đựng và vận chuyển các tấm wafer. Màu của FOUP biểu thị khi nào thì các tấm wafer chứa đồng hoặc nhôm. Bình màu cam chứa đồng; Bình màu xanh chứa nhôm.

Cổng (Gate): Khu vực tín hiệu điều khiển của một bóng bán dẫn nơi có thể áp đặt một điện áp âm hoặc dương.

Thanh silic hình trụ (Ingot): Thanh silicon gần tinh khiết hình trụ giống như một chiếc xi-lanh dùng để cắt thành các tấm wafer.

Mặt nạ (Mask): Một tấm thạch anh với những mẫu vẽ giống như khuôn tô được khắc bằng crôm. Được sử dụng trong chế tạo tấm wafer khi "in" các mẫu mạch điện theo lớp trên một con chip.

Bộ vi xử lý (Microprocessor): "Bộ não" của mỗi chiếc máy tính. Nhiều bộ vi xử lý phối hợp làm việc với nhau tạo thành "trái tim" của máy chủ, thiết bị truyền thông và nhiều thiết bị số khác.

Nanometer: Một phần tỷ mét.

Công nghệ NMOS (negative-channel metal oxide semiconductor): Công nghệ ưa thích trong sản xuất những chip hàng đầu ở thập kỷ 70 và 80 thế kỷ trước. Đây là một công nghệ rẻ và có mật độ bóng bán dẫn cao hơn so với công nghệ lưỡng cực và có tốc độ cao hơn công nghệ PMOS.

Công nghệ quang khắc (Photolithography): Quá trình chuyển các mẫu thiết kế mạch điện của chip lên bề mặt của tấm waffer bằng cách sử dụng các mặt nạ để chuyển hình ảnh bằng cơ cấu quang học.

Quang trở (Photoresist): Một chất liệu bị tan ra khi chiếu tia tử ngoại. Được sử dụng để hình thành mẫu mạch điện trong quá trình chế tạo chip.

Mảng chân cắm lưới (Pin grid array - PGA): Một công nghệ đóng gói chỉ được sử dụng cho các bộ vi xử lý cao cấp.

Công nghệ PMOS (positive-channel metal oxide semiconductor): Một công nghệ có tốc độ thấp và hiện nay đã lỗi thời từng được sử dụng trong những sản phẩm MOS thế hệ đầu tiên của Intel.

Silic đa tinh thể (Polysilicon): Viết tắt của polycrystalline silicon, hay silic được tạo thành từ nhiều tinh thể. Vật liệu dẫn điện này được sử dụng như là một lớp kết nối trên một chip.

Sơ đồ mạch điện (Schematic): Sơ đồ biểu thị thuộc tính logic của mạch điện.

Chất bán dẫn điện (Semiconductor): Một loại vật liệu (như là silic) có thể bị biến đổi để cho phép dòng điện tử đi qua hoặc chặn dòng điện đó lại.

Silic (Silicon): Vật liệu được sử dụng để chế tạo các tấm wafer và từ đó sản xuất ra các chip. Nó là vật liệu bán dẫn điện tự nhiên và là nguyên tố phổ biến thứ hai trên trái đất chỉ đứng sau oxy.

Điôxit Silic (Silicon dioxide): Vật liệu được phủ lên trên tấm wafer trong quá trình chế tạo chip với vai trò của một lớp cách điện. Thủy tinh là một dạng thường thấy của Điôxit Silic.

Cực nguồn (Source): Khu vực của một bóng bán dẫn nơi các điện tử đi vào kênh dẫn.

Công nghệ hàn bề mặt (Surface-mount technology - SMT): Một dạng công nghệ hàn cho phép dán chip lên trên bề mặt thay vì gắn với các lỗ cắm trên một bảng mạch in.

Công nghệ đóng gói chip kiểu xếp chồng (Stacked-chip packaging): Là một công nghệ hàn cho phép xếp chồng nhiều chip trên một bảng mạch.

Bóng bán dẫn (Transistor): Một dạng công tắc điều khiển luồng chảy của dòng điện tử. Một con chip có thể chứa hàng triệu, thậm chí hàng tỷ bóng bán dẫn.

Tấm Wafer: Một miếng silicon mỏng được cắt ra từ thanh silicon hình trụ. Được sử dụng như là vật liệu nền để sản xuất vi mạch tích hợp.

Phân loại tấm Wafer (Wafer sort): Một thủ tục kiểm tra bằng điện tử để phát hiện những chip không hoạt động trên một tấm wafer.

Nối dây (Wire bonding): Quá trình kết nối những sợi dây cực mảnh từ các mạch điện trên chip với dây dẫn trên đế chip.