Tại sao chúng ta không có CPU 128-bit ?

Chúng ta đã chuyển từ 8-bit sang 16-bit, 32-bit và kết thúc mọi thứ ở 64-bit. Đây là lý do tại sao CPU 128-bit không tồn tại.

Bit là đơn vị nhỏ nhất trong lĩnh vực máy tính, nó chính là nền tảng của mọi công nghệ chúng ta sử dụng ngày nay. Từ rất rất lâu rồi chúng ta đã có những trò chơi điện tử phong cách pixel dựa trên nền tảng 8-bit hoặc 16-bit, sau đó 32-bit phổ biến và cuối cùng là 64-bit.

Nếu bạn nhìn vào lịch sử đó, bạn có thể thấy rằng khả năng xử lý bit đã tăng lên qua nhiều năm. Tuy nhiên, trong khi chip 64-bit được giới thiệu lần đầu tiên vào những năm 90 và trở thành xu hướng chủ đạo vào những năm 2000, chúng ta vẫn chưa có CPU 128-bit. Vậy lý do là gì, chúng ta hãy cùng tìm hiểu nhé.

Bit là gì?

Trước khi nói về lý do tại sao CPU 128-bit không tồn tại, chúng ta cần nói về bit là gì. Về cơ bản, nó đề cập đến khả năng của CPU. Bit được hình thành từ các từ nhị phân và chữ số, đây là đơn vị nhỏ nhất trong điện toán và là điểm khởi đầu của mọi chương trình. Một bit chỉ có thể được định nghĩa là 1 hoặc 0 (do đó là nhị phân), mặc dù những số này có thể được hiểu là đúng hoặc sai, bật hoặc tắt và thậm chí là dấu cộng hoặc dấu trừ.

Bản thân một bit không hữu ích lắm, nhưng sử dụng nhiều bit hơn lại là một câu chuyện khác vì sự kết hợp giữa số 1 và số 0 có thể được định nghĩa là một thứ gì đó, chẳng hạn như số, chữ cái hoặc ký tự khác, đó chính là bảng mã nhị phân.

Đối với điện toán chúng ta chỉ quan tâm đến số nguyên (các số không có dấu thập phân) và càng có nhiều bit thì bộ xử lý càng có thể xác định được nhiều số hơn. Nó sử dụng công thức 2^x khá đơn giản, với x là số lượng bit. Trong điện toán 4-bit, số nguyên lớn nhất bạn có thể đếm đến là 15, thấp hơn một đơn vị so với số 16 mà công thức cung cấp cho bạn, nhưng các lập trình viên bắt đầu đếm từ 0 chứ không phải từ 1.

Nếu 4-bit chỉ có thể lưu trữ 16 số nguyên khác nhau, thì có vẻ như việc chuyển sang 8, 32 hoặc thậm chí 128-bit sẽ không phải là vấn đề lớn. Nhưng ở đây chúng ta đang nói đến số mũ, mọi thứ nó tăng lên rất rất nhiều lần khi số bit tăng 2 lần. Để chứng minh điều này, đây là một bảng tính các số nguyên lớn nhất mà bạn có thể tính ở dạng nhị phân từ 1 đến 128-bit.

Chúng ta đã chuyển từ 1-bit sang 64-bit

Khá rõ ràng tại sao CPU chuyển từ 1-bit sang có nhiều bit hơn: Chúng ta muốn máy tính của mình làm được nhiều thứ hơn. Bạn không thể làm được nhiều việc với một hoặc hai hoặc bốn bit, nhưng ở mốc 8-bit, máy chơi game arcade, các đầu băng chơi game, máy chơi game cần tay trở nên khả thi.

Bản chất cấp số nhân của bit trở nên rõ ràng khi so sánh các máy chơi game consoles 16-bit như SNES và Sega Genesis với các thiết bị tiền nhiệm 8-bit của chúng - NES. Super Mario Bros 3 là một trong những trò chơi phức tạp nhất của NES về cơ chế và đồ họa và nó hoàn toàn bị lấn át bởi Super Mario World, trò chơi được phát hành chỉ hai năm sau đó.

Bên cạnh các trò chơi, việc chuyển từ 256 số ở dạng 8 bit sang 65,356 số ở dạng 16-bit có nghĩa là theo dõi thời gian chính xác hơn, hiển thị nhiều màu hơn trên màn hình và xử lý các tệp lớn hơn.

Ngành công nghiệp này đã chuyển đổi khá nhanh chóng từ 16-bit sang 32-bit và cuối cùng là điện toán 64 bit, vốn đã trở thành xu hướng chủ đạo vào cuối những năm 90 và đầu những năm 2000. Một số CPU 64-bit đầu tiên quan trọng nhất được tìm thấy trong Nintendo 64 và các máy tính chạy CPU Athlon 64 và Opteron của AMD.

Về mặt phần mềm, 64-bit bắt đầu nhận được sự hỗ trợ phổ biến từ các hệ điều hành như Linux và Windows vào đầu những năm 2000. Ngày nay, CPU 64-bit có mặt ở khắp mọi nơi, từ điện thoại thông minh, PC đến máy chủ. Các chip có ít bit hơn vẫn được tạo ra và có thể phù hợp cho các ứng dụng cụ thể không yêu cầu xử lý phức tạp. Tuy nhiên, chúng ta vẫn chưa có CPU 128-bit mặc dù đã gần ba thập kỷ kể từ khi chip 64-bit đầu tiên tung ra thị trường.

Ngoài ra, như bạn đã biết 32-bit bị giới hạn ở 4GB RAM, mức RAM có thể nói là khá thấp để chạy các tác vụ phức tạp. Nhưng 64-bit thì khác, còn lâu chúng ta mới cần đến 16 Exabytes RAM.

Điện toán 128-bit đang cần tìm "một bài toán khó"

Bạn có thể nghĩ rằng 128-bit không khả thi vì nó khó hoặc thậm chí không thể thực hiện được, nhưng thực tế không phải vậy. Rất nhiều bộ phận trong bộ xử lý có kích thước 128-bit hoặc lớn hơn, như bus bộ nhớ trên GPU và SIMD (Single instruction, multiple data - lệnh đơn, nhiều dữ liệu) trên CPU kích hoạt lệnh AVX.

Điều đó cũng có nghĩa là các CPU-128 bit hoàn toàn khả thi và chúng thậm chí đã được nghiên cứu và tạo ra trong phòng thí nghiệm nhưng chưa có công ty nào thực sự tung ra CPU-128 bit. Câu trả lời có lẽ là CPU 128-bit không thực sự hữu ích.

CPU 64-bit có thể xử lý hơn 18 triệu tỷ số, từ 0 đến 18,446,744,073,709,551,615. Trong khi đó CPU 128-bit sẽ có thể xử lý từ 0 đến 340,282,366,920,938,463,463,374,607,431,768,211,455, một con số là có lẽ bạn chưa và sẽ không bao giờ nhìn thấy trong cuộc đời mình. Về cơ bản, chúng ta chưa tìm ra yêu cầu gì đó phổ biến mà cần khả năng tính toán lớn đến như vậy.

Các trường hợp sử dụng quan trọng duy nhất đối với số nguyên 128-bit là địa chỉ IPv6, số nhận dạng duy nhất trên toàn cầu (hoặc UUID) được sử dụng để tạo ID duy nhất cho người dùng (Minecraft là trường hợp sử dụng phổ biến cho UUID) và các hệ thống tệp như ZFS. Vấn đề là, CPU 128-bit không cần thiết để xử lý các tác vụ này vì chúng có thể tồn tại tốt trên phần cứng 64-bit.

Ngoài ra, 128-bit cũng cần một hệ sinh thái phần mềm mới, giống như thời kỳ chuyển từ 32-bit sang 64-bit. Việc chuyển từ 32-bit sang 64-bit là cần thiết, vì vậy các nhà sản xuất, lập trình viết đều phải tập trung chuyển đổi phần cứng và phần mềm của mình. Còn việc chuyển sang 128-bit ở thời điểm hiện tại (và có thể là cả nhiều năm tới) không có nhiều ý nghĩa, không ai bỏ rất rất nhiều thời gian công sức, tiền bạc để làm một thứ không có nhiều ý nghĩa cả.

Nói chung, CPU 128-bit là khả thi, công nghệ hiện tại có thể dễ dàng chế tạo các CPU 128-bit nếu muốn, nhưng đơn giản là không muốn.

Cánh cửa nào cho CPU 128-bit

Mặc dù ngày nay CPU 128-bit không phổ biến và có vẻ như không có công ty nào sẽ sớm phát hành CPU 128-bit nhưng trong tương lai xa CPU 128-bit vẫn có thể xảy ra. 

340 theo sau bởi 36 chữ số 0, con số lớn nhất có thể tạo ra với 128 bit vẫn thua xa số nguyên tử trong vũ trụ (được dự đoán là khoảng 10^82), con số lớn nhất có ý nghĩa trong thế giới của chúng ta. Nếu khoa học vũ trụ phát triển vượt bậc, con người có nhu cầu mô phỏng vũ trụ, du hành không gian thì CPU 128-bit hay thậm chí 256-bit... sẽ thực sự hữu ích. Ngoài ra, hiện tại chúng ta chưa biết CPU 128-bit dùng để làm gì.

Nhưng đừng quên rằng, nhiều năm trước chúng ta cũng tự hỏi 1TB RAM dùng để làm gì thì giờ hiện tại siêu máy tính Frontier đang có 9200TB RAM để phục vụ các tính toán phức tạp.