Kiến trúc big.LITTLE của CPU ARM giúp tiết kiệm năng lượng hơn cho ngành máy tính

Kiến trúc big.LITTLE trong chip ARM là một giải pháp đa nhân dị thể (heterogeneous multi-core), được ARM giới thiệu lần đầu năm 2011, nhằm cân bằng giữa hiệu năng cao và tiết kiệm điện trên cùng một SoC (System on Chip). Kiến trúc này đã thay đổi cả ngành thiết kế chip trên toàn thế giới, đưa ARM trở thành kiến trúc chip CPU được sử dụng nhiều nhất trên thế giới hiện nay và đẩy kiến trúc cũ X86 (AMD64) trở thành người đi sau và học hỏi.

Nguyên lý hoạt động của big.LITTLE

big: Là các nhân CPU mạnh mẽ, xung nhịp cao, kiến trúc phức tạp → chuyên xử lý tác vụ nặng (game, biên dịch, AI, xử lý ảnh/video…). Ví dụ: ARM Cortex-A75, A76, X1, X3…
LITTLE: Là các nhân tiết kiệm năng lượng, đơn giản hơn, xung nhịp thấp → chuyên xử lý tác vụ nhẹ, chạy nền, hoặc standby. Ví dụ: ARM Cortex-A53, A55…

Hai loại nhân này cùng tồn tại trên một chip và được điều phối bởi bộ lập lịch (scheduler) trong hệ điều hành, hoặc firmware quản lý năng lượng.

Cách hoạt động (có 3 mô hình)

Cluster Migration: cả cụm big hoặc cụm LITTLE chạy, chuyển đổi nguyên cụm (ít dùng hiện nay).
CPU Migration: từng cặp nhân big–LITTLE song song, khi cần hiệu năng thì nhân big thay nhân LITTLE (kiểu “one-to-one”).
Heterogeneous Multi-Processing (HMP): tất cả nhân big và LITTLE có thể chạy đồng thời. Đây là dạng phổ biến hiện nay trên smartphone, tablet.

Ưu điểm

Tiết kiệm điện năng: tác vụ nhẹ thì chỉ dùng nhân LITTLE, giúp kéo dài pin đối với các thiết bị di động, hoặc tiết kiệm năng lượng sử dụng
Hiệu năng cao khi cần: tác vụ nặng có thể kích hoạt nhân big.
Linh hoạt: hệ thống tự động cân bằng giữa hiệu năng và điện năng.

Ứng dụng thực tế

Smartphone, tablet: gần như tất cả SoC ARM hiện nay dùng trên các thiết bị di động dùng pin (Qualcomm Snapdragon, Samsung Exynos, MediaTek Dimensity, HiSilicon Kirin…) đều dùng big.LITTLE.
SBC (Single Board Computer) : như Orange Pi 5, Radxa Rock 5, … cũng có cấu hình big.LITTLE để vận hành ngoại biên, tiết kiệm pin hoặc điện khi ở các khu vực xa trung tâm hoặc hẻo lánh.
AIBOX và AI PC : các máy thiết bị AI ngoại biên hiện nay cũng sử dụng các SoC Hybrid ngoài các chip CPU big, LITTLE còn có NPU, GPU và RISC-V để tận dụng tối đa hiệu năng các chip này.

👉 Nói ngắn gọn: big.LITTLE = sự kết hợp nhân mạnh và nhân tiết kiệm điện trong một SoC ARM, giúp vừa mạnh khi cần vừa tiết kiệm pin khi nhàn rỗi. Trong khi đó, kiến trúc x86 truyền thống thì không có big.LITTLE vì các CPU Intel/AMD xưa giờ thường dùng đa nhân đồng nhất (symmetric multi-core) → tất cả nhân giống nhau về kiến trúc, chỉ khác xung nhịp khi turbo, dẫn đến năng lượng tiêu tốn của các máy tính X86 gần như giống nhau, kể cả khi đang nghỉ ngơi hoặc không có tác vụ nào nặng.

Tuy nhiên, vài năm gần đây Intel đã bắt đầu áp dụng mô hình tương tự big.LITTLE, nhưng với tên gọi khác:

Intel Hybrid Architecture (Performance/Efficient cores)

Bắt đầu từ Intel Alder Lake (thế hệ 12, 2021).
Có P-core (Performance core): mạnh, xử lý đơn luồng nặng (gaming, render…).
Có E-core (Efficient core): tiết kiệm điện, xử lý đa luồng nhẹ hoặc chạy nền.
Intel gọi đây là P-core + E-core, hoạt động giống big.LITTLE của ARM.
Bộ lập lịch Intel Thread Director phối hợp với Windows/Linux để phân công luồng phù hợp.

Bản nâng cấp DynamIQ

DynamIQ là một kiến trúc cốt lõi mới được ARM công bố vào tháng 5 năm 2017 và đóng vai trò như sự kế thừa của big.LITTLE. DynamIQ đưa những gì big.LITTLE đã làm với tính toán không đồng nhất đi xa hơn.

Trong khi big.LITTLE chỉ giới hạn ở hai cụm, DynamIQ tăng số lõi tối đa trên mỗi cụm lên 8, cho phép thiết kế nhiều lõi trong một cụm duy nhất và cho phép tối đa 32 cụm trên mỗi CPU. Ngoài ra, DynamIQ cung cấp khả năng điều chỉnh điện áp mỗi lõi chính xác hơn và tốc độ bộ nhớ đệm L2 tốt hơn. Nói tóm lại, nó khá giống với big.LITTLE nhưng lại linh hoạt hơn trong việc có nhiều cụm và thiết kế cốt lõi.

Một ví dụ về bộ xử lý DynamIQ là Snapdragon 888, con chip hàng đầu của Qualcomm cho năm 2021. Trong các bộ vi xử lý big.LITTLE, người ta thường thấy các cụm lõi lớn và nhỏ. Tuy nhiên, trong Snapdragon 888, có một “lõi chính”, một lõi Cortex-X1 tốc độ 2,84 GHz, sau đó là một cụm hiệu năng cao, bao gồm ba lõi Cortex-A78 tốc độ 2,42 GHz . Cuối cùng, các lõi tiết kiệm năng lượng là bốn lõi Cortex-A55 tốc độ 1,8 GHz. Đó là một thiết lập tám lõi, nhưng nó sử dụng ba thiết kế lõi khác nhau nhằm giải quyết các tác vụ khác nhau. Kiểu này gọi là tri-cluster design, 3 lõi được gọi là big, LITTLE và middle.

Cách thức điều khiển đa nhân dị thể

Trong kiến trúc big.LITTLE / DynamIQ, việc quyết định tác vụ nào chạy trên big, LITTLE hay middle là sự phối hợp giữa phần cứng (chip) và phần mềm (scheduler + OS).

1. Phần cứng (trên chip)

Chip ARM có tích hợp Power Management Unit (PMU) và firmware (thường là ARM Trusted Firmware, SCPI, SCP firmware).
Các thành phần này có thể:
- Quản lý điện năng (bật/tắt nhân, thay đổi tần số, điện áp).
- Cung cấp thông tin về hiệu suất và tiêu thụ điện cho hệ điều hành.
Tuy nhiên, chip không tự quyết định chạy tác vụ ở đâu. Nó chỉ cung cấp công cụ cho phần mềm điều khiển.

2. Phần mềm (scheduler trong OS)

Chính scheduler của hệ điều hành (Linux, Android, iOS, Windows) mới là “người điều phối” tác vụ.
Trên Linux/Android, có hai cơ chế phổ biến:

Heterogeneous Multi-Processing (HMP) – kiểu cũ	Energy Aware Scheduler (EAS) – kiểu mới
Scheduler biết có 2 nhóm nhân (big, LITTLE). Khi có tác vụ nặng, nó gán sang nhân big. Khi nhẹ, nó gán sang nhân LITTLE.	EAS tích hợp trong Linux kernel (dùng trong Android từ ~2016). Không chỉ nhìn “big vs LITTLE”, mà còn tính toán mức tiêu thụ năng lượng + hiệu năng mong muốn để chọn nhân tối ưu. Ví dụ: một tác vụ có thể chạy tốt ở LITTLE 2.0 GHz thay vì big 2.8 GHz để tiết kiệm pin.

Như vậy với kiến trúc big.LITTLE / DynamIQ, vấn đề quan trọng ko phải con chip mà do chính Hệ điều hành và Phần mềm điều khiển, để tiết kiệm năng lượng thì phần mềm và Hệ điều hành phải phối hợp với nhau “ăn ý” điều khiển chip thực hiện các tác vụ nhanh nhất và tiết kiệm năng lượng nhất.

Note: Bài viết được thực hiện dưới sự giúp đỡ của Trí tuệ nhân tạo (AI)