Từ vi xử lý đến máy vi tính

Lược sử

Ngày 16.11.1971 chip Intel 4004 chính thức xuất hiện trên thị trường và đã làm nên một cuộc cách mạng công nghệ bởi nó là sản phẩm đầu tiên gắn kết các bộ phận cần thiết cho hoạt động tính toán của máy tính ngay bên trong một mạch tích hợp (Integrated Circuit) duy nhất, được gọi là bộ vi xử (microprocessor).

Bộ vi xử lý Intel 4004

Tiếp theo sau Intel 4004, hàng loạt bộ vi xử lý đã ra đời và càng ngày tính năng càng mạnh hơn. Từ lâu, các chip 64 bit đã phổ biến và mới đây thậm chí có chip tích hợp được hàng tỷ transistor. Trong vòng hai thập niên, các máy vi tính nhỏ bé và phần mềm giá rẻ đã có thể soán ngôi những cỗ máy tính cồng kềnh ở phần lớn ứng dụng truyền thống và đặc biệt áp đảo ở những ứng dụng mới.

Không chỉ dừng ở đó, kỹ thuật vi xử lý còn cho phép các nhà sản xuất hàng tiêu dùng tích hợp trí tuệ vào những thiết bị cá nhân phục vụ cuộc sống hàng ngày như máy ảnh số, điện thoại di động cùng vô vàn thứ khác… Hàng tỷ người sử dụng những thiết bị đó rất dễ dàng kết nối với nhau qua mạng và truy cập vào các kho thông tin khổng lồ trên toàn cầu với tốc độ ngày càng cao. Ngày nay hầu hết các hoạt động từ công nghiệp, thương mại, tài chính, ngân hàng, y tế, giáo dục, văn hoá cho đến quân sự và hành chính v.v. đang chuyển đổi theo xu hướng số hoá.

Nền tảng công nghệ hình thành

Kỹ thuật vi xử lý đã được phát triển khi một công ty nhỏ chuyên chế tạo mạch tích hợp điện tử là Intel (viết tắt từ Integrated Electronics) vừa ra đời năm 1968 mà đến tháng 4.1969 đã dám ký hợp đồng chế tạo 12 chip khác nhau cho dòng máy tính bán hàng Busicom của hãng Nhật Bản NCMC. Người đầu tiên có ý tưởng làm ra CPU chỉ trong một chip thay vì 12 con là Masatoshi Shima (ảnh trên cùng), một kỹ sư 26 tuổi do NCMC cử đến Mỹ để thực tập, theo dõi và phối hợp cùng Intel thực hiện hợp đồng.

Năm 1968, Robert Noyce và Gordon Moore là hai kỹ sư làm việc cho hãng sản xuất linh kiện bán dẫn Fairchild đã quyết định nghỉ việc và thành lập công ty Intel của riêng mình. Noyce đã trình bày ý tưởng của Intel chỉ trong một trang nhưng đủ để thuyết phục nhà đầu tư mạo hiểm Art Rock ở San Francisco ủng hộ và Rock đã huy động được 2,5 triệu đô la trong vòng chưa đầy 2 ngày.

Sản phẩm hái ra tiền đầu tiên của Intel là chip bộ nhớ RAM tĩnh dù chỉ có dung lượng 64 bit. Nhưng tại thời điểm 1969, Intel không có đủ nguồn nhân lực để phát triển cho Busicom đủ cả 12 chip. Shima, Hoff và Mazor bèn thử nhét tất cả vào một vài chip đơn để tiết kiệm chi phí và do đó giảm số lượng các linh kiện bán dẫn, tức là phải thiết kế lại để có thể chứa chúng trong loại vỏ chip 16 chân nhỏ xíu (DIL16, xem ảnh trên) mà Intel sử dụng hồi ấy.

Sau khi Mazor và Hoff hoàn thành phần kiến trúc mô phỏng, Intel mời Faggin từ hãng Fairchild về công ty vào tháng 4.1970. Cũng như Hoff, Faggin đã tạo được tiếng tăm nhất định trong ngành công nghiệp. Ông là người phát triển công nghệ cổng logic bằng chất bán dẫn silicon giúp thay thế chất liệu germanium quá nhậy cảm với nhiệt độ và khó kiểm soát.

Ngày thứ hai sau khi Faggin đến Intel, Shima đã kiểm tra tiến độ công việc và tỏ ra bực mình vì mọi thứ vẫn giậm chân tại chỗ kể từ tháng 12.1969. Rất may NCMC chấp nhận gia hạn hợp đồng nhưng chính sự chậm trễ ấy lại là cơ hội cho Intel thay đổi số phận, mặc dù Faggin cùng các cộng sự phải làm việc tới 14 tiếng mỗi ngày.

Không may hãng NCMC bị phá sản trước khi hợp đồng hoàn thành, Shima ở lại Mỹ và chuyển sang làm cho Intel. Hãng này đã khôn ngoan mua lại bản quyền chip 4004 với giá 60 nghìn USD và đăng ký bằng sáng chế U.S. Patent #3,821,715 cho 3 kỹ sư Mỹ: Ted Hoff, Stan Mazor (người đã viết phần mềm cho con chip mới) và Federico Faggin. Còn Shima sau làm giám đốc tiếp thị của Intel tại Nhật Bản rồi được vinh danh khá muộn màng ở quê hương mình.

Chín tháng sau, tức cuối năm 1971, bộ sản phẩm hoàn thiện và bao gồm: chip ROM lưu trữ phần mềm 4001, chip RAM lưu trữ dữ liệu 4002, chip nhập/xuất dữ liệu 4003 và chip vi xử lý 4 bit 4004, chứa 2300 bóng bán dẫn. Gordon Moore, Giám đốc điều hành của Intel thời đó, coi đây là “một trong những phát minh mang tính cách mạng của lịch sử nhân loại”.

Electronic News là tờ báo đầu tiên viết về sự ra đời của Intel 4004, cho biết nó xử lý 4 bit dữ liệu, chạy ở tốc độ 100kHz và có thể thực hiện các phép toán số học và logic cơ bản. Giá bán của nó chỉ ở mức dưới 100 USD. Trong khi đó, một số người khác không mấy quan tâm đến sự kiện này. Một chuyên gia phân tích của công ty máy tính mini Digital Equipment (DEC) là Nathan Brookwood đã nhận định: “Đó là một vấn đề thực sự hấp dẫn nhưng nó sẽ khó có thể được xem như sản phẩm của tương lai.”

Nhiều năm sau đó, chip 4004 cũng vẫn chưa nhận được sự ủng hộ của số đông. Năm 1975, một kỹ sư cao cấp của DEC một lần nữa tuyên bố chip 4004 không thể là “người mở đường cho tương lai của Intel”. Nhưng việc đánh giá không mấy mặn mà với chip này chỉ là sự nhận thức mang tính truyền thống của ngành kinh doanh máy tính mini kéo dài từ những năm đầu đến cuối thập niên 1970.

Bộ vi xử lý Intel 8008

Thiết bị điều khiển và máy vi tính

“Tôi cho rằng chip vi xử lý đã mang đến tương lai cho Intel. Nhưng vào thập niên 1970 trước đây chúng tôi đâu có nhận ra được điều đó,” cựu Chủ tịch Intel Andy Grove cho biết. “Chip vi xử lý về sau đã trở thành một ngành kinh doanh chủ chốt của Intel. Nhưng khoảng 10 năm đầu tiên chúng tôi lại chỉ xem đó là một lĩnh vực kinh doanh nhất thời.”

Tháng 4.1972, Intel tung ra chip 8-bit 8008. Chip 8008 là sản phẩm được thiết kế riêng cho công ty máy tính Datapoint, tuy nhiên Datapoint đã không thể đủ sức thanh toán hợp đồng thiết kế sản xuất với Intel. Thay vào đó Datapoint quyết định cấp quyền cho Intel được phép sử dụng con chip 8008, bao gồm cả tập lệnh điều khiển tích hợp trong chip vốn là sản phẩm của Datapoint. Chính tập lệnh điều khiển đó đã trở thành nền tảng của kiến trúc x86 sau này.

Bước đột phá trong việc sản xuất vi xử lý đến vào năm 1974 với sự ra mắt của chip 8080. Chip này có tập lệnh điều khiển phức tạp hơn và đóng gói trong một vỏ mạch 40 chân (DIL40). Đây là hai sáng chế thực sự quan trọng làm gia tăng đáng kể sức mạnh của vi xử lý.

Hãng nghiên cứu Mercury Research cho biết từ khoảng cuối thập niên 1970 các chip vi xử lý và chip vi điều khiển (microcontroler, sự kết hợp của chip vi xử lý với vài chip khác chuyên dùng trong các thiết bị điều khiển) đã xâm nhập dần vào hầu khắp mọi lĩnh vực. Sau này chỉ tính riêng trong năm 2000, toàn thế giới đã tiêu thụ tổng cộng 385 triệu chip vi xử lý và 6,4 tỉ chip vi điều khiển.

Ngay sau Intel, nhiều công ty cạnh tranh như RCA, Motorola, NS, Texas, Honeywell và Fairchild v.v. cũng giới thiệu các chip tương tự, trong đó có dòng vi xử lý của Motorola với khả năng dùng trong điều khiển công nghiệp. Tuy nhiên, Intel lại trở thành người chiến thắng trong phần lớn các máy vi tính [1]. Các đối thủ đã tính toán sai nhu cầu của người sử dụng, chẳng hạn hãng NS vội vàng cho ra mắt dòng chip xử lý 16 bit mạnh hơn nhưng không tương hợp với các chip 8 bit đã phổ biến từ trước.

Quan trọng hơn cả, hãng máy tính số 1 thế giới là IBM đã (ngẫu nhiên?) chọn bộ ba sản phẩm gồm chip Intel 8088, chương trình BIOS mã mở và hệ điều hành Microsoft DOS cho chiếc máy tính cá nhân IBM PC lịch sử, sau khi bị thất bại về tiếp thị với con chip và hệ điều hành riêng của mình trong loạt máy vi tính IBM 5120 năm 1980, có giá từ 9340 USD trở lên nên cao quá tầm tay của hầu hết cá nhân.

Bộ vi xử lý Intel 8088

1981 đến nay: thời đại máy tính cá nhân

Tháng 11.1981 chiếc IBM PC (Personal Computer: máy tính cá nhân) hay IBM 5150 đã đánh dấu một bước ngoặt cơ bản trong ngành công nghiệp máy tính. Giờ đây, người ta khó có thể thấy được tất cả những tác động mà một phần tư thế kỷ phát triển của máy tính cá nhân đã mang lại cho cuộc sống hàng ngày. Nhưng có một điều chắc chắn rằng nhiều người không thể hình dung thế giới sẽ ra sao nếu không có máy tính cá nhân tại gia đình hay công sở.

IBM PC chỉ được trang bị màn hình trắng đen, không có ổ cứng, sử dụng Intel 8088 chứa 29.000 bóng bán dẫn với tốc độ 4,77 MHz, ổ đĩa mềm 5,25 inch 160 KB, bộ nhớ RAM 64 KB và có khả năng mở rộng lên 256 KB. Chiếc PC chậm chạp và phức tạp này có giá tới 3.000 USD nhưng hồi ấy nó thuộc loại khá rẻ. Phần mềm cho nó chỉ dùng kiểu nhập dữ liệu dạng text (không phải dạng đồ hoạ), bao gồm hệ điều hành PC-DOS hoặc CP/M-86, trình dịch ngôn ngữ MBASIC hoặc UCSD Pascal, bảng tính VisiCalc và trình soạn thảo Easywriter.

25 năm sau, người sử dụng có thể sắm một PC với cấu hình cơ bản gồm Intel Celeron D, ổ cứng 160 GB, RAM 256 MB và màn hình phẳng với giá chưa đến 500 USD. Hoặc họ có thể sở hữu máy tính hiệu suất hoạt động cực cao với Intel Core 2 Duo, RAM 4 GB, ổ cứng 500 GB theo nhiều mức giá khác nhau tùy từng nhà sản xuất.

Bộ vi xử lý Intel i9-10980XE

Còn tương lai?

Jeffrey Rayport, giáo sư Đại học Harvard, đã so sánh giữa tốc độ phát triển của bộ vi xử lý với 2 ngành sản xuất xe hơi và máy bay: Nếu hai ngành công nghiệp này phát triển với tốc độ tương đương ngành công nghiệp bán dẫn thì một chiếc Rolls-Royce sẽ có giá 2,75 USD và đi được 4,8 triệu km mà chỉ tốn 4 lít xăng. Trong khi đó, chiếc máy bay Boeing 767 chỉ còn 500 USD và bay vòng quanh trái đất trong 20 phút với 20 lít nhiên liệu (theo Semiconductor Industry & Business Survey, 12.18.95).

Hiện nay, kỹ thuật vi xử lý hướng tới người tiêu dùng, khác với trước đây chính phủ Mỹ sử dụng kỹ thuật vi mạch để đưa con người lên mặt trăng, chủ yếu vì mục đích chính trị trong cuộc đua “chinh phục vũ trụ” với Liên Xô. Cựu đồng chủ tịch Intel Gordon Moore năm 1965 đã cho rằng khả năng của bộ vi xử lý sẽ tăng xấp xỉ gấp đôi trong vòng 18 tháng, tạo ra sự tăng trưởng cấp số mũ về sức mạnh tính toán trong khoảng thời gian tương đối ngắn. Được biết đến với tên gọi Định luật Moore, xu hướng này vẫn đúng cho tới ngày nay.

“Những tác động theo cấp số nhân của máy tính, Internet và giáo dục sẽ nhân đôi tầm ảnh hưởng của những lợi ích mà công nghệ mang lại trên phạm vi toàn thế giới trong 5 năm nữa”, tân Giám đốc điều hành Intel Paul Otellini nhận xét. “Chúng ta đang tiến gần tới mốc 1 tỷ máy tính nối mạng và những thành quả kinh tế, xã hội, cá nhân sẽ đi kèm với con số này”.

NCCông