Năm 1965 , Gordon E.Moore, là người đồng sáng lập Intel đã nói rằng số lượng Transistor trong mạch tích hợp sẽ tăng lên khoảng gấp đôi sau hai năm và điều đó ít nhiều vẫn còn đúng như vậy . Theo những đánh giá cho thấy sự tăng trưởng với sức mạnh tính toán trong đầu thế kỉ 21 dự đoán xu hướng này vẫn sẽ còn tác dụng trong vài năm nữa .

Trong khi Luật Moore được phát triển dựa trên sự tăng trưởng theo hàm số mũ cho tất cả phần cứng trong lĩnh vực tính toán thì những tuyên bố ban đầu lại được sử dụng riêng trong lĩnh vực công nghiệp bán dẫn . Do đó chúng ta có thể dễ dàng xem xét sự phát triển của CPU diễn ra trong thập kỉ vừa rồi có phù hợp với Luật Moore nay không .

Chính vì thế chúng ta chỉ hạn chế xem xét nó trong nền tảng x86 và những người tham gia chính vào cuộc chơi bên cạnh đó cũng nói thêm một số câu chuyện ngoài lề  .

10 năm qua nền công nghiệp CPU có thể được gói gọn trong một câu duy nhất

“ Đó là cuộc đua của Tốc độ xung nhịp đồng hồ “ . Có nghĩa là đó là cuộc đua của MHz/GHz giữa các bộ vi xử lí .

Trong năm 1998 , bộ vi xử lí Pentium II hàng đầu của Intel chạy với tốc độ cao nhất 450MHz . Một năm sau Pentium II bị Pentium III hất cẳng , mặc dù với tên gọi mới , nhưng Pentium III không khác nhiều với người anh em trước kia của mình là Pentium II . Thậm chí Pentium III lại có tốc độ ban đầu là 450MHz tương tự như tốc độ của Pentium II . Tuy nhiên Pentium III lại có tập những lệnh thực thi SSE ( Stream SIMD Extensions ) đầu tiên , với mục tiêu giảm số lệnh cần cho mỗi tập dữ liệu , điều đó nó đã cải thiện được hiệu quả làm việc .

Với những Thanh ghi mới và hỗ trợ những Phép tính Dấu phảy động , lệnh SSE đã được Intel và AMD phát triển lên trong những bộ vi xử lí của họ và hiện tại đã có SSE5 mà AMD đã giới thiệu trong năm 2007 . ( Chúng tôi cũng đã có bài nói riêng về tập lệnh SSD5 của AMD ) .

Vào cùng năm 1999 , AMD cho ra mắt lần đầu tiên bộ vi xử lí Athlon dựa trên cấu trúc K7 , và nó đã trở thành bộ vi xử lí thành công nhất của AMD . Athlon là bộ vi xử lí cấu trúc x86 thế hệ tiếp theo và thách thức nghiêm trọng vị trí thống trị của Intel trong thị trường x86 . Trong cấu trúc K7 đáng chú ý nhất đó là sự thành công của bộ phận FPU ( Floating Point Unit ) mới với sức mạnh tăng lên gấp ba . Chính vì thế mà với những CPU của AMD truyền thống thường có bộ phận FPU yếu từ khi sử dụng cấu trúc K7 khiến cho tốc độ xử lí FPU trong Athlon đã mạnh lên rất nhiều lần và cho phép hiệu suất làm việc FPU của AMD đã dẫn đầu trong nhiều năm sau đó .

Trong khi người sứ giả K7 bắt đầu kỉ nguyên mà Intel lần đầu tiên phải đối mặt nghiêm trọng với sự cạnh tranh quyết liệt trong một thời gian dài , Intel lại vẫn tiếp tục đẩy cao tốc độ xung nhịp MHz xa hơn nữa với Pentium III .Với 180nm Coppermine Pentium III khi đó đã đẩy lên tới tốc độ cao nhất là 733MHz . Nhưng thật không may mắn mặc dù khi chuyển sang công nghệ xử lí 180nm bộ vi xử lí Coppermine mới nhanh hơn hẳn so với Pentium III ban đầu nhờ vào bộ nhớ Cache L2 256KB chạy với tốc độ Full-Speed thì Athlon đã tỏ ra hấp dẫn hơn hẳn nhờ vào việc giá cả hợp lí .

Tiến tới tần số cao hơn

Tiếp tục cuộc đua tranh cả AMD và Intel đều tung ra thị trường những bộ vi xử lí với những mức mới hơn bằng việc tăng tốc độ của tần số làm việc CPU , tất cả trong một thời gian ngắn từ 1999 và 2000 . Không có gì là ngạc nhiên khi mà AMD Athlon sớm đạt được tới tốc độ 1GHz . Một điều rõ ràng ưu thế của Athlon rất lớn và những bản cải tiến , với tên mã ThunderBird , đã làm cho Athlon nhanh hơn và thiết kế Cache tốt hơn so với phiên bản ban đầu .  Những ngày đó Pentium III của Intel luôn luôn đi sau trong những kiểm nghiệm Benchmark , AMD đã nhanh chóng chiếm được nhiều thị phần và khiến cho Intel phải chịu thiệt hại to lớn . Bên cạnh đó AMD bắt đầu xây dựng những nhà máy mới để tăng sản lượng , mặc dù họ còn xa mới có thể bắt kịp Intel .

Cuộc đua tốc độ xung nhịp giữa hai đối thủ cạnh tranh chính là Intel và AMD ngày càng quyết liệt khi chúng ta bước vào thế kỷ 21 . Intel với sự ra đời của cấu trúc mới với tên gọi NetBurst mà có thể đẩy tốc độ CPU lên rất cao . Bộ vi xử lí Pentium 4 đầu tiên có Pipeline bằng 20 điều đó có nghĩa là Intel sẽ tung ra những CPU có tốc độ cao hơn sớm hơn những CPU của AMD , thậm trí chúng không cần nhanh hơn khi kiểm nghiệm Benchmark . Trong khi đó với những thông tin ít ỏi nhiều người dùng lại cứ nghĩ bộ vi xử lí nào có tốc độ cao hơn sẽ chạy hiệu quả hơn vì thế họ sẽ có khuynh hướng lựa chọn những bộ vi xử lí Pentium 4 .

Chính vì điều đó mà AMD đã giới thiệu những bộ vi xử lí trong những hệ thống PR ( Performance Rating ) trong chiến lược Marketing của mình . Nó chính là Athlon được cải tiến lần thứ ba với tên mã Palomino và có tên thương mại là Athlon XP , XP được viết tắt từ eXtreme Performance chứ không phải xuất phát trong Windows XP . AMD cũng tìm kiếm câu chuyện hoang đường liên quan tới tốc độ xung nhịp và che dấu tốc độ thực bộ vi xử lí của mình trong hệ thống PR ( những bên trong BIOS có hiển thị tốc độ thực của xung nhịp CPU ) . Ví dụ Athlon XP 1500+ thì có tốc độ xung nhịp là 1333MHz và Athlon XP 1800+ có tốc độ xung nhịp 1533MHz .

Tất nhiên trong thời gian này Intel Pentium 4 đã bắt đầu đạt gần với hiệu suất của Athlon . Việc giới thiệu Chipset Intel845 mới cho phép hệ thống của Intel sử dụng bộ nhớ SDRAM rẻ tiền hơn thay vì bộ nhớ mà Intel liên doanh với RAMBUS trong năm 2001 nên bộ vi xử lí Pentium 4 nhanh chóng trở nên thông dụng  .Trong khi đó Intel tiếp tục mở rộng cấu trúc của mình bằng những lõi mới hơn và sớm đạt tới tốc độ 2GHz và cao hơn . Intel đã bắt đầu chuyển sang sản xuất CPU bằng công nghệ xử lí 130nm cho phép họ tăng số lượng Transistor và nâng cao tốc độ .

Trong năm 2002 lõi Northwood mới đã mang công nghệ Hyper-Threading vào bộ vi xử lí của Intel cho phép CPU xử lí được nhiều luồng dữ liệu cùng một lúc tương tự như bộ vi xử lí mà có 02 lõi vật lí . Tất nhiên để sử dụng được công nghệ này thì hệ điều hành cũng phải hỗ trợ 02 luồng dữ liệu .

Trong khi AMD chuyển sang công nghệ xử lí 130nm họ không cần đưa ra những CPU có tốc độ xung nhịp cao mà vẫn có hiệu suất làm việc cao hơn những bộ vi xử lí Pentium 4 mới của Intel . Những cải tiến khác đó là thiết kế với bộ nhớ Cache lớn hơn và FSB cao hơn cũng không làm cho hiệu suất làm việc của CPU Intel tăng lên . Khi ấy AMD lại có thêm một vi cấu trúc mới .

Vi cấu trúc này có tên gọi K8 và được giới thiệu lần đầu tiên trong những bộ vi xử lí cho máy chủ , Opteron . Bằng việc giới thiệu Opteron mới , trong tháng Tư 2003 , AMD hy vọng sẽ xâm nhập được vào thị trường máy chủ mà Intel đang có mặt với sự hiện diện của bộ vi xử lí Xeon . Opteron mới đã thành thành công ngoài mức mong đợi và vượt qua mọi kiểm nghiệm 32-bit mặc dù trên thực tế nó là bộ vi xử lí 64-bit ( AMD64) . Một năm sau Intel 64-bit là bản sao của AMD64 mới có mặt trên thị trường . Tuy nhiên dù sao Opteron 64-bit vẫn được phát hành đầu tiên nên thị phần bộ vi xử lí cho máy chủ của AMD đã tăng mạnh và những nhà sản xuất lớn như HP , Sun … cuối cùng đã chào những máy chủ và máy trạm dựa trên sức mạnh của Opteron .

Tiếp theo phiên bản cho máy chủ , AMD giới thiệu tiếp phiên bản cho máy tính để bàn với tên gọi Athlon64 , cho phép người tiêu dùng sử dụng hệ thống 64-bit đầu tiên . Với hiệu suất làm việc cao nên Athlon64 hoàn toàn cạnh tranh lại với những Pentium 4 nhanh hơn của Intel . AMD đã đã sản xuất Athlon64 với mức độ vừa phải . Những phiên bản cải tiến lõi trong năm tiếp theo đã cho phép Athlon64 nhanh hơn HyperTransport và bộ phận điều khiển bộ nhớ Dual-Channel trong những nền tảng của Intel trước đó . Hai tháng sau Intel đã chuyển sang sản xuất bộ vi xử lí Pentium 4 đã được cải tiến với tên gọi Prescott ( với Pipeline sâu hơn ) .

Nhờ đó tốc độ xung nhịp của Prescott Pentium 4 đã vượt quá ngưỡng 3GHz . Bộ vi xử lí FX-55 mạnh nhất của AMD cũng không quá tới khi đạt được tới tốc độ 2.6GHz và bản chất nó vẫn được chế tạo bằng công nghệ 130nm . Trong khi AMD cũng đã chuyển sang công nghệ sản xuất 90nm cho những lõi cải tiến tiếp theo để cạnh tranh với Intel thì những bộ vi xử lí Prescott đã chạy quá nóng do mức độ tiêu thụ điện năng quá cao khi tăng tốc độ xung nhịp khiến cho người tiêu dùng không hài lòng . Intel đã lần đầu tiên dự đoán rất khó đạt được tới tốc độ 4GHz với lõi Prescott và 5GHz thì là điều không tưởng . Kỷ nguyên của cuộc chạy đua về tốc độ xung nhịp đã đi tới hồi kết thúc .

Tổng số lõi

 Tiếp sau cuộc đua về tốc độ xung nhịp đồng hồ lại đến lượt cuộc đua nhét thật nhiều lõi bộ vi xử lí vào bên trong một vỏ CPU .

Intel đã phải ngồi lại để nghiên cứu lại lộ trình khác nhau từ cấu trúc NetBurst cho tới những Pentium 4 có tốc độ cao .  Quay trở lại với Pentium 3 và những vấn đề liên quan . Chip Pentium M , có nguồn góc từ lõi Pentium 3 mới nhất - có tên mã là Tualatin , và được sử dụng cho nền tảng Centrino . Nhóm nghiên cứu của Intel tại Israel đã phát triển cấu trúc mới dựa trên Pentium M với 02 lõi và có Pipeline ít phức tạp hơn với 14 tầng ( Stage ) . Đó chính là bước ngoặt quan trọng nhất để tạo ra cấu trúc Core mới mà có mức tiêu thụ điện năng thấp hơn hẳn so với Pentium 4 .

Hiển nhiên AMD cũng không nằm ngoài cuộc đua tranh này và họ xây dựng nền tảng cấu trúc mới này của mình dựa trên lõi K8 đang có sẵn . Tiếp theo Athlon 64 là Athlon 64X2 , cho phép 02 lõi Athlon 64 nằm trên cùng một vỏ . Đó là thời điểm cuối năm 2005 . Tuy nhiên đầu năm đó Intel đã có Pentium D Dual-Core ( với tên mã Smithfiled ) , mà vẫn dựa trên vi cấu trúc NetBurst và bản chất nó là 02 lõi Prescott 64-bit đặt cạnh nhau trên cùng một vỏ .

Tuy nhiên sự kiện chính mà đánh dấu sự vươn lên mạnh mẽ của Intel lại diễn ra vào tháng 7/2006 khi mà họ cho ra mắt bộ vi xử lí Core 2 mới . Trước khi sản phẩm này được chính thức ra mắt thì cũng đã có khá nhiều tin đồn về cấu trúc Core mới này . Intel đã đưa ra tới 05 bộ vi xử lí Core 2 Duo có tốc độ từ 1.86GHz cho tới 2.67GHz và Core 2 Extreme với tốc độ 2.93 GHz . Tất cả những CPU trên đều dựa trên công nghệ chế tạo 65nm và lõi Conroe , chúng có 2 – 4MB Cache và đang chú ý nhất là TDP chỉ là 65W trong khi phiên bản Extreme là 75W . Khỏi phải nói , hiệu suất của những bộ vi xử lí Core 2 Duo này vượt qua tất cả những đối thủ từ AMD , không những thế chúng lại còn có mức tiêu thụ điện năng ít hơn . Core 2 bắt đầu cất cánh từ đây .

Những bộ vi xử lí Core 2 chiếm vị trí thượng phong cho tới ngày nay . Dựa vào cấu trúc Core mới Intel cũng mở rộng phạm vi thị trường bằng bộ vi xử lí Single-Core Celeron sử dụng lõi Conroe-L có mức tiêu thụ điện năng thấp hơn , có bộ nhớ Cache L2 ít hơn và lõi Merom để tạo nên những bộ vi xử lí cho máy để bàn trên nền tảng Centrino . Với thị trường máy chủ Intel đưa ra bộ vi xử lí Xeon dựa trên lõi Woodcrest để chống lại bộ vi xử lí Opteron của AMD .

Nổi bật nhất vào cuối năm 2006 , Intel đã phát hành bộ vi xử lí Quad-Core đầu tiên dựa trên lõi Kentsfiled . Bộ vi xử lí Quad-Core này được tạo ra từ 02 bộ vi xử lí Core 2 Duo cùng nằm trên cùng một vỏ . Tuy nhiên để đạt được hiệu suất làm việc tốt với CPU Quad-Core thì lại phụ thuộc nhiều vào những ứng dụng nhưng công suất tiêu thụ điện năng của nó tất nhiên là gần gấp đôi so với Core 2 Duo . Khi đó , hầu hết trong năm 2006 , những bộ vi xử lí của AMD vẫn đang được chế tạo bằng công nghệ 90nm nên không thể cạnh tranh lại được với những bộ vi xử lí Core 2 về mức tiêu thụ điện năng cũng như là hiệu suất làm việc .

Tuy nhiên AMD cũng tiên liệu được điều đó và họ chuẩn bị với vi cấu trúc tiếp theo có tên mã K10 . Những bộ vi xử lí cho thị trường máy chủ Opteron dựa trên cấu trúc K10 đã có mặt trên thị trường vào giữa năm 2007 trước khi có những phiên bản cấu trúc K10 cho người tiêu dùng . Nhưng vi cấu trúc Core có trong bộ vi xử lí máy chủ Xeon với tên mã Woodcrest đã giành được những ấn tượng to lớn và nhanh chóng lấy lại những gì mà Opteron giành được trong vài năm trước và điều đó khiến cho AMD lâm vào tình trạng cực kì khó khăn .

Cũng trong năm 2007 , Intel tuyên bố thực hiện phát triển bộ vi xử lí của mình theo chiến thuật Tick-Tock . Đó là một lộ trình nghiêm ngặt để theo đó mà có sự cải tiến về mặt cấu trúc cũng như thu nhỏ công nghệ xử lí . Trong trường hợp này một năm Intel sẽ có Tick được cho là thu nhỏ công nghệ xử lí hoặc Tock là đưa ra một vi cấu trúc mới cho bộ vi xử lí . Ví dụ những bộ vi xử lí 65nm Core 2 có mặt vào giữa năm 2006 , Intel đã bắt đầu chuyển sang công nghệ xử lí 45nm và đưa ra giới thiệu những bộ vi xử lí 45nm Penryn tại IDF 2007 .

Barcelona của AMD đã tới nhưng Core 2 vẫn dẫn đầu

Trong tháng 09/2007 , AMD đã cho ra mắt bộ vi xử lí Barcelona mới nhất cho dòng Opteron mà quảng cáo rùm beng thiết kế Quad-Core đồng nhất . Một số lợi ích mà bộ vi xử lí mới này mang lại đó chính là hiệu quả sử dụng điện năng tốt hơn ( TDB 68 - 95W ) nhờ vào việc sử dụng Đồng hồ xung nhịp độc lập và Bộ phận quản lí điện năng cho mỗi lõi , cải tiến Cache và sử dụng HyperTransport 3.0 .

Tuy nhiên những bộ vi xử lí Opteron đầu tiên này mạnh nhất của AMD khi đó lại có tốc độ 2GHz để cạnh tranh với bộ vi xử lí 3GHz Xeon của Intel . Nhưng thậm trí nếu khi cạnh tranh cùng với tốc độ xung nhịp thì Barcelona Opteron cũng không cạnh tranh lại được với Xeon cả về hiệu suất làm việc cùng như về điện năng tiêu thụ . Rõ ràng cấu trúc K10 cũng đã cải tiến nhiều so với K8 nhưng nó chưa thực sự đủ mạnh để chống lại vi cấu trúc Core của Intel .

Phiên bản K10 cho máy tính để bàn có tên gọi Phenom là bước tiếp theo của Barcelona Opteron trong tháng 9/2007 . Phenom X4 là tên cho những bộ vi xử lí K10 Quad-Core , nhưng bộ vi xử lí cho máy tính để bàn này lại bị vướng vào lỗi liên quan tới TLB ( Translation Lookaside Buffer ) ngay sau khi được phát hành . Nó nhanh chóng được sửa lỗi TLB bằng nâng cấp BIOS nhưng thật không may mắn là nó lại khiến cho hiệu suất làm việc của Phenom X4 giảm đi . AMD đã phải quay lại bộ phận sản xuất và cho tới tháng 03/2008 mới phát hành bản sửa lỗi Phenom X4 B3-Stepping mới để giải quyết lỗi TLB . Nhưng thời gian lại không chờ đợi AMD và tới lúc đó bộ vi xử lí 45nm Wolfdale và Yorkfiled của Intel đã có mặt trên thị trường và công nghệ chế tạo của họ đã làm cho những bộ vi xử lí này sử dụng điện năng hiệu quả hơn nữa . Intel không chỉ dẫn đầu về hiệu quả sử dụng điện năng mà họ còn đi đầu trong hầu hết những kiểm nghiệm Benchmark . Phenom X4 của AMD lại còn phải cạnh tranh với những bộ vi xử lí Intel Dual-Core có tốc độ cao hơn .

Những vấn đề mới nổi

Năm 2008 đánh dấu một bước ngoặt mới mà Intel thực sự không ngờ tới đó và việc họ giới thiệu bộ vi xử lí mới tiêu thụ ít điện năng có tên gọi là Atom có cấu trúc dựa trên Pentium . Atom có mức tiêu thụ điện năng TDP dưới 4W vì thế nó chiếm ưu thế trong những thiết bị cầm tay loại nhỏ .

 

NVIDIA có Tegra và VIA có Isaiah cũng cho thị trường thiết bị cầm tay loại nhỏ nhưng cũng thật quá sớm để có thể cạnh tranh lại với Intel trong phân khúc thị trường này .

Trong năm 2008 , AMD cũng có lộ trình với quy trình sản xuất 45nm với những bộ vi xử lí K10 bằng việc giới thiệu Opteron dựa trên lõi Shanghai và tiếp theo là Phenom Dual-Core cũng sẽ được giới thiệu . Phiên bản Shanghai cho người tiêu dùng trên hệ thống để bàn có tên gọi Phenom II được trưng bày tại CES 2009 . Bằng việc cho ra mắt những CPU dựa trên công nghệ sản xuất 45nm cho phép AMD thu hẹp khoảng cách với Intel .

Trong thời gian đó Intel cũng cho ra mắt vi cấu trúc Nehalem thế hệ tiếp theo là bước tiếp theo của cấu trúc Core . Nehalem có thể có tới 08 lõi xử lí và tích hợp bộ phận điều khiển bộ nhớ bên trong , hỗ trợ bộ nhớ DDR3 . Việc Intel cho ra mắt Nehalem cho thấy họ đang duy trì trận tuyến số lượng lõi bên trong CPU của nền tảng x86 trong một tương lai gần . Như vậy Luật của Moore vẫn tiếp tục được duy trì .