Turbo Boost – chỉ có thể là tốt hơn

Với sự ra đời của kiến trúc Nehalem năm 2008, Intel đã giới thiệu một tính năng đột phá, thay đổi diện mạo và cách thức hoạt động của hầu hết CPU, dù là desktop hay laptop. Đó chính là Turbo Boost, với một ý tưởng sáng tạo và đột phá nhưng lại đơn giản đến nỗi, nhiều người chỉ tiếc tại sao lại không nghĩ ra nó sớm hơn, ngay từ buổi đầu của cuộc đua CPU đa nhân.

Với CPU đa nhân, Intel quyết định “tận dụng” khối silicon của mình một cách thông minh hơn, với việc thay đổi xung của mỗi nhân tùy thuộc vào mức đòi hỏi của ứng dụng. Chẳng hạn trên Core i7, khi chỉ có 2 nhân hoạt động, bộ xử lý sẽ tự động nâng mức xung của 2 nhân hoạt động này (thông qua hệ số nhân), trong khi tắt bớt 2 nhân kia đi để giữ mức TDP như cũ, tức trong giới hạn cho phép. Nếu chỉ có một nhân hoạt động, xung nhịp còn có thể được đẩy lên cao hơn 1 hoặc 2 nấc hệ số nhân nữa (tương đương 133 – 266MHz). Khi 4 nhân cùng hoạt động, mức xung nhịp trở về đúng giá trị ban đầu mà Intel đã định cho CPU đó.

Trong thực tế, Turbo Boost đã rất linh hoạt trong việc điều chỉnh xung nhịp các nhân, nhưng vẫn chưa đạt được mức linh hoạt mà người ta mong đợi. Dù sao, đây cũng là tính năng cực kì quan trọng giúp Intel có thể kết hợp cả “xung cao” lẫn “nhiều nhân” vào cùng một con chip. Người dùng trước đây vẫn phải đau đầu lựa chọn giữa một CPU ít nhân nhưng xung cao, và một CPU nhiều nhân nhưng xung thấp, tùy thuộc vào ứng dụng người đó sử dụng nhiều nhất có tận dụng tốt số lượng nhân thêm vào đó hay không. Đây là một bài toán khó, và nhất là khi mục đích sử dụng của người dùng luôn thay đổi, Turbo Boost đã giúp giải quyết được tất cả những vấn đề của 2 loại CPU trên.

Turbo Boost thế hệ tiếp theo có gì?

Tại IDF 2010 vừa kết thúc hôm qua tại San Francisco, Intel đã giới thiệu nhiều thông tin về thế hệ vi kiến trúc CPU tiếp theo của họ – Sandy Bridge. Một trong rất nhiều tính năng mà tôi quan tâm là Turbo Boost, và liệu trên Sandy Bridge, mọi chuyện có gì thay đổi hay tiến bộ hơn? Câu trả lời của Intel là “có”.

Sau nửa tiếng đau đầu với việc cố gắng giải thích cơ chế hoạt động của Turbo Boost mới, chúng tôi cũng đã hiểu cách mà Intel cải tiến công nghệ này: áp dụng lý thuyết Turbo Boost và tiến gần hơn đến thực tiễn. Một số hình ảnh minh họa sau đây sẽ giúp bạn hiểu rõ vấn đề hơn.

Vạch dưới cùng trên hình là năng lượng tiêu thụ khởi điểm, khi CPU idle và Turbo Boost chưa được kích hoạt. Vạch trên cùng là mức TDP (Thermal Design Power – tạm dịch “công suất nhiệt”) mà Intel khống chế cho mỗi dòng CPU. Đây là mức công suất nhiệt năng cao nhất có thể hoạt động được, mà Intel cho rằng sẽ không ảnh hưởng tới hiệu năng hay tuổi thọ của CPU.

Ở bên tay trái, bạn thấy đường đồ thị thể hiện trạng thái xung nhân khi Turbo Boost được kích hoạt trên kiến trúc Nehalem cũ. Bộ điều khiển PCU (Power Control Unit) quyết định mức TDP vẫn nằm dưới mức giới hạn cho phép, và tăng xung cùng cường độ dòng điện lên mức tương ứng, giúp gia tăng hiệu năng và tận dụng triệt để mức TDP cao nhất có thể. PCU cũng “cho rằng” mức TDP mới của CPU sẽ đạt được ngay tức thì, cùng thời điểm khi mà xung nhịp và cường độ dòng điện tăng. Ví dụ: nếu CPU có 1 nhân hoạt động ở TDP 40 watt và mức xung 2.5GHz, Turbo Boost quyết định sẽ tăng mức xung này lên 2.8GHz, ứng với TDP 50 watt. PCU lúc này cho rằng, mức TDP 50 watt là đạt được ngay tức thì.

Đáng tiếc, trong thực tế mọi việc không diễn ra một cách trơn tru như vậy. Điều thực sự xảy ra là đường đồ thị “cong cong” như Turbo Boost của Sandy Bridge biểu hiện. Khi nhân CPU được cung cấp thêm năng lượng và đẩy xung lên 2.8GHz gần như tức thì, thì mức TDP không tăng cấp kì như vậy: TDP mất một thời gian để tăng và rồi ổn định ở mức mới. Turbo Boost mới của Sandy Bridge nhận biết điều này và lợi dụng khoảng thời gian này để tăng xung cùng cường độ dòng điện cao hơn nữa, trong khi TDP vẫn còn nằm trong mức cho phép.

Trong khoảng thời gian này (kí hiệu “s”), Intel đã quyết định họ sẽ tăng mức xung Turbo Boost thậm chí cao hơn cả mức mà TDP cao nhất cho phép. Có thể CPU TDP giới hạn mức xung cao nhất có thể là 2.8 GHz, nhưng Turbo Boost hậm chí tăng mức này lên tới 3.2GHz trong thời gian s, và giảm từ từ trong khi “chờ” TDP tăng đến giới hạn. Một khi TDP đã tới hạn, Turbo Boost lúc này cũng đã “kịp thời” giảm xung CPU xuống đúng 2.8 GHz như trước. Thời gian s chính là thời gian mà người dùng tận hưởng lợi ích mới mà mức xung Turbo Boost cao mang lại, và dù nó không dài lắm, tôi cảm tưởng tính năng này sẽ khá hiệu quả, vì hiếm khi CPU duy trì ở một mức xung cao liên tục do đòi hỏi phần mềm.

Intel nói gì về Turbo Boost mới?

Intel chưa đưa ra thông tin gì thêm về bước nhảy xung mới này, liệu nó có cao không, có khả năng nào tùy chỉnh giữa “tăng ít nhưng lâu” và “tăng nhiều nhưng chóng vánh” hay không, v..v.. Dù sao, khoảng thời gian s chính xác là nơi mà Intel cho biết, người dùng sẽ nhận được một “cú hích” (boost) về hiệu năng và tốc độ đáp ứng của hệ thống (responsiveness), chẳng hạn khi mở ứng dụng, load tập tin phức tạp hay thực hiện việc giải mã, mã hóa. Đây cũng chính xác là những gì người dùng cần và mong muốn ở Turbo Boost. Và nếu bạn nghĩ thời gian “s” kia sẽ thay đổi tùy thuộc vào cấu hình hệ thống hay hiệu quả làm mát trên hệ thống của mình, thì Intel đã “vùi dập” không thương tiếc ý nghĩ này. Thời gian “s” được ấn định tối đa ở mức 25 giây, sau khi các kĩ sư và QA của Intel nghiên cứu kĩ lưỡng những tác động của tính năng Turbo Boost mới đối với vi xử lý. Sau 25 giây, mức xung Turbo Boost sẽ trở về như thời Nehalem (trong ví dụ ở trên là về mức 2.8GHz), và vẫn còn có khả năng nâng cao lên trở lại sau một khoảng thời gian xác định.

Turbo Boost và khả năng “hồi phục” thông minh

Như đã nói ở trên, Turbo Boost sẽ giảm dần mức xung khi TDP chạm giới hạn cho phép, nhưng mọi thứ còn phức tạp hơn khi Turbo Boost vẫn có thể đẩy xung CPU lên cao trở lại nếu điều kiện cho phép. Thực tế, Turbo Boost sẽ “lưu lại” các mức TDP khi hoạt động và quyết định xem, khi nào và bao lâu có thể kích hoạt lần “lên đỉnh” tiếp theo (chúng ta cứ tạm gọi đỉnh 2.8GHz là đỉnh 2, còn đỉnh 3.2GHz là đỉnh 1). Cụ thể: khi CPU chạy dưới mức TDP tối đa và CPU load nhỏ hơn 100%, nó sẽ “tự sạc” lại để có thể tự thưởng cho mình một lần lên đỉnh 1 nữa. tùy thuộc vào mức TDP kia nằm dưới top TDP bao nhiêu và CPU load là bao nhiêu. Quả thật là nhức não!

Xem hình vẽ phía trên, trong các khoảng thời gian “x”, CPU tự biết nó đang chạy không tải, do đó nhiệt độ CPU đã giảm xuống gần hoặc ngang bằng với mức nhiệt độ thấp nhất có thể. Khi đó CPU sẽ tự thưởng cho mình bằng một cú “boost” trong lần load tiếp theo. Và ngay cả trong thời gian “x/2” CPU không idle hoàn toàn, nó vẫn có thể “tự hồi phục” nhưng chậm rãi hơn, và sẽ mất nhiều thời gian hơn để “lên đỉnh” lần nữa. Nói cho dễ hiểu với các fan RPG: CPU của bạn cần thời gian hồi phục “mana” và sẽ tung chưởng “Turbo Boost” khi nào mana đầy. Đáng tiếc, Intel không cung cấp “tốc độ hồi phục – mana recharge rate” là bao nhiêu, vì vậy các tester sẽ có rất, rất nhiều việc để làm khi Sandy Bridge ra mắt, nhằm vén hoàn toàn bức màn bí mật quanh tính năn “lạ mà quen” này. Điều khó khăn nằm ở chỗ: Turbo Boost nay không còn hoạt động theo một cách mà chúng ta có thể “đoán biết” trước, nó phụ thuộc vào cách và thói quen sử dụng CPU load của bạn như thế nào, và tất nhiên thời điểm benchmark cũng cần được tính toán cẩn thận để đảm bảo rằng, Turbo Boost sẽ đạt trạng thái tốt nhất, cho xung CPU cao nhất. Điều này cũng giống như trước khi chiến trùm cuối, nhân vật của bạn cần hồi phục toàn bộ mana để có thể sẵn sàng “tung hết công lực”.

Dù thời gian hồi phục của CPU vẫn chưa được Intel công bố, một điều chắc chắn duy nhất là nó không phụ thuộc vào giải pháp tản nhiệt của bạn xịn cỡ nào. Intel đã cố định con số đó, và cho biết nó sẽ nhanh hơn nhiều so với chúng ta tưởng tượng. Họ cam đoan, ngay cả trong điều kiện benchmark khắc nghiệt liên tục, những cú “boost” đầy đủ công lực vẫn xảy ra rất thường xuyên.

Turbo Boost không phụ thuộc vào nhiệt độ CPU

Dù rằng có thể từ đầu bài đến giờ, bạn đã nghĩ toàn bộ quá trình Turbo Boost hoạt động phụ thuộc vào TDP – nói cách khác là nhiệt độ CPU, tuy nhiên điều này là hoàn toàn sai lầm. Intel không sử dụng cảm biến nhiệt độ để tính toán tốc độ Turbo Boost, thay vào đó, họ sử dụng mạch đo cường độ dòng điện cung cấp cho CPU, từ đó tính toán TDP khi tản nhiệt khí đi kèm (stock fan) và toàn bộ thuật toán Turbo Boost sẽ sử dụng các giá trị tham chiếu đó.

Điều này có vẻ không vui vẻ cho lắm, nhất là đối với các rân chơi hạng nặng. Turbo Boost sẽ không hoạt động khác đi dù rằng CPU của bạn có nhiệt độ thấp hơn khi dùng stock fan cả 10-20 độ, và bạn đã trang bị cho mình một dàn water-cooling hoành tráng. Nói cách khác, không thể thay đổi được gì tính năng Turbo Boost này, hay kéo dài thời gian nó diễn ra. Tất nhiên, người dùng không làm được thì sẽ có việc cho các nhà sản xuất mainboard làm, và tôi sẽ đề cập đến vấn đề này ở phần sau.

Overclock với Sandy Bridge sẽ hoàn toàn thay đổi

Sandy Bridge sẽ không có base clock dễ thay đổi như các thế hệ trước, tin buồn này chúng ta đã biết từ lâu. Việc Intel ép OCer sử dụng các CPU dòng K (unlock hệ số nhân) đã là một thiệt thòi, tuy nhiên với cách mà Turbo Boost hoạt động như đã đề cập ở trên, gần như không còn lối thoát nào cho người tiêu dùng ít tiền ngoại trừ việc “Intel cho gì thì dùng nấy”.

Người tiêu dùng không hài lòng, các nhà sản xuất mainboard cũng sẽ không hài lòng. Khả năng overclock gần như là tiêu chí duy nhất để phân biệt các dòng mainboard cao cấp so với các sản phẩm mainboard khác, vì vậy họ sẽ không thể để Intel cướp mất miếng cơm của mình (với giả thiết của tôi là đa số người dùng không mua CPU dòng K). Khi không sử dụng CPU dòng K, không có khả năng tăng base clock, cách duy nhất để người dùng can thiệp vào xung nhịp CPU Sandy Bridge giờ đây chính là Turbo Boost. Từ một tính năng được các OCer “ưu tiên” tắt bớt đầu tiên ở thế hệ Nehalem, nay Turbo Boost sẽ trở thành anh hùng cứu thế với Sandy Bridge. Dù vậy, OC “bằng tay” với Turbo Boost thay vì để Turbo Boost tự động, dự đoán cũng sẽ không dễ dàng.

Ở thế hệ Nehalem, tăng VCore CPU đơn giản chỉ là việc thay đổi một thiết lập trong BIOS, nhưng với Sandy Bridge, mọi chuyện sẽ không đơn giản như vậy. Khi Turbo Boost bắt buộc phải được bật, điện áp CPU chắc chắn cũng sẽ bị giới hạn bởi một ngưỡng nào đó, để cường độ dòng điện không vượt quá mức tối đa mà Turbo Boost cho phép (Turbo Boost dựa vào cường độ dòng điện để tính toán TDP theo tản nhiệt chuẩn và không cho phép cường độ này vượt quá mức tối đa). Điều duy nhất tôi có thể dự đoán lúc này, đó là việc các nhà sản xuất mainboard có khả năng sẽ can thiệp bằng việc “đánh lừa” CPU về cường độ dòng điện mà nó đang được nhận. Việc này sẽ mất kha khá công sức và thời gian, chứ không đơn giản là dồn thật nhiều phase và chích điện hết ga như ở Nehalem. Một khả năng khác là tìm cách thay đổi giá trị TDP tối đa mà Turbo Boost cho phép, tuy nhiên họ có khả năng này hay không thì thật khó nói. Turbo Boost thế hệ 2 còn rất nhiều câu hỏi khác cần lời đáp, đáng tiếc là chẳng có đáp án nào cụ thể cả.

Sơ kết

Dù gì, Sandy Bridge vẫn là một kiến trúc còn ẩn chứa nhiều bí mật hấp dẫn. Trong toàn cảnh bức tranh mà Intel vẽ ra, Turbo Boost nhiều khả năng sẽ là điểm nhấn về chiều sâu công nghệ, cũng như sự phức tạp mà nó đem lại cũng vượt xa so với thời Nehalem. Ông bà ta thường nói, “cái khó ló cái khôn”, nhưng ai biết được, trào lưu CPU desktop trong năm tới có thể sẽ là “về zin chạy default”?

Theo VOZ