Zephyr RTOS sau mười năm phát triển đã trở thành nền tảng sinh thái nhúng mở và trưởng thành

Tác giả bài viết, nguồn: Thế giới Kỹ thuật Điện tử

Mười năm trước, một nhóm kỹ sư từ các công ty như Intel, Wind River, NXP và Synopsys đã ra mắt Zephyr RTOS tại Hội nghị Embedded World — một hệ điều hành thời gian thực (RTOS) tối giản, mã nguồn mở, có khả năng di động và an toàn. Lúc đó, nhân của nó chỉ có kích thước từ 8KB đến 512KB, có thể chạy trên phần cứng có tài nguyên cực kỳ hạn chế, với thiết kế hướng đến quản trị mở và các thực hành bảo mật tích hợp. Ngày nay, Zephyr đã phát triển thành một nền tảng sản xuất toàn cầu bao phủ mọi thứ từ cảm biến đơn giản đến hệ thống công nghiệp phức tạp trong lĩnh vực Internet vạn vật (IoT), phục vụ nhiều ngành như điện tử tiêu dùng, điều khiển công nghiệp, y tế và nhiều lĩnh vực khác.

Zephyr ngay từ đầu đã nhấn mạnh vào tính mở và linh hoạt: nó được quản lý bởi Linux Foundation, mã nguồn mở, trung lập với nhà cung cấp, và khuyến khích các nhà sản xuất cùng cộng đồng cùng xây dựng hệ sinh thái. So với các RTOS độc quyền đóng, Zephyr cho phép các nhà phát triển tự do lựa chọn nền tảng phần cứng và tái sử dụng cùng một bộ mã trên nhiều kiến trúc khác nhau; điều này làm giảm đáng kể công việc lặp lại và chi phí phát triển giữa các dòng sản phẩm khác nhau.

Là một hệ điều hành thời gian thực mã nguồn mở, Zephyr đã phát triển từ một dự án thí nghiệm nhỏ trở thành nền tảng cốt lõi trong ngành nhúng chỉ trong vòng mười năm. Thành công của nó đến từ nhiều yếu tố như quản trị cộng đồng mở và trung lập, hệ sinh thái phong phú, hỗ trợ phần cứng đa kiến trúc, cùng thiết kế chú trọng bảo mật và khả năng bảo trì. Các nhà sản xuất bán dẫn như NXP, Silicon Labs và STMicroelectronics đã củng cố hệ sinh thái này bằng cách cung cấp hỗ trợ phần cứng, trình điều khiển mã nguồn mở và công cụ phát triển.

Bối cảnh và nguồn gốc

Dự án Zephyr lần đầu tiên được giới thiệu tại hội nghị Embedded World ở Nuremberg, Đức vào năm 2016. Tiền thân của dự án này là Rocket RTOS của WindRiver (phiên bản phân nhánh từ Virtuoso), đã được chuyển thành một dự án mã nguồn mở dưới sự quản lý của Linux Foundation và đổi tên thành Zephyr vào năm 2016. Các công ty như Intel, NXP, Synopsys tham gia với tư cách là thành viên sáng lập trong buổi ra mắt dự án, với mục tiêu xây dựng một RTOS “nhỏ gọn và tinh gọn”, có dung lượng nhân từ 8KB–512KB, kiến trúc dễ dàng di chuyển, và chú trọng vào bảo mật cũng như quản trị mã nguồn mở ngay từ đầu. Nhờ cấu trúc quản trị của Linux Foundation, Zephyr duy trì tính trung lập với nhà sản xuất và minh bạch mã nguồn mở, tránh được tình trạng độc quyền và khóa chặt, cho phép mọi nhà sản xuất và nhà phát triển đều có thể tham gia và đóng góp mã nguồn.

Trên nền tảng này, Zephyr đã dần mở rộng từ nhân thu gọn ban đầu và hỗ trợ thiết bị hạn chế thành một nền tảng đầy đủ: tích hợp các tính năng như lịch trình và dịch vụ nhân hiện đại, hệ thống tệp, nhật ký, mã hóa, khởi động an toàn, giao thức không dây, khung quản lý thiết bị, v.v. Tính đến cuối năm 2024, Zephyr hỗ trợ hơn 750 bo mạch, bao gồm tám kiến trúc như ARM và RISC-V cùng hàng trăm cảm biến. Sự tăng trưởng này là kết quả của sự đóng góp liên tục từ hơn một nghìn nhà phát triển toàn cầu, với hơn 100.000 lần cam kết trong năm 2024 và tổng cộng hơn 750 bo mạch được hỗ trợ.

Các yếu tố thành công then chốt

Sự thành công của Zephyr là điều tất yếu, chủ yếu nhờ sự hỗ trợ mạnh mẽ từ các đối tác sinh thái.

Chế độ quản trị mở và trung lập: Zephyr được quản lý bởi Linux Foundation, đảm bảo tính trung lập giữa các nhà sản xuất, với tất cả các nhà đóng góp (bao gồm Intel, NXP, Silicon Labs, ST, ARM...) cùng thúc đẩy dự án thông qua quản trị chung. Mô hình này tránh hiện tượng phụ thuộc vào một nhà sản xuất duy nhất, giúp các nhà phát triển tự do lựa chọn nhà cung cấp phần cứng mà không lo ngại về tương thích phần mềm. Động lực ban đầu của các thành viên sáng lập như NXP chính là phá vỡ sự phân mảnh, cùng xây dựng một nền tảng thống nhất và đầu tư chung vào mạng lưới, bảo mật và phát triển trình điều khiển.

Độ chín của hệ sinh thái và cộng đồng: Zephyr sở hữu cộng đồng sôi động và nguồn lực hệ sinh thái phong phú. Số lượng đóng góp nguồn mở toàn cầu tăng hàng năm, với hơn 1.100 nhà đóng góp vào năm 2024, trong đó hơn một nửa là người đóng góp lần đầu. Các hoạt động cộng đồng diễn ra sôi nổi, với nhiều sự kiện chia sẻ kỹ thuật, hội thảo và gặp gỡ tại các thành phố toàn cầu mỗi năm. Nhiều nhà sản xuất đã thành lập tổ chức hợp tác và tổ chức đào tạo, giúp giảm đáng kể rào cản học tập cho người mới bắt đầu. Khảo sát từ bản trắng chính thức của Zephyr cũng cho thấy độ chín của hệ sinh thái là yếu tố hàng đầu mà các nhà phát triển lựa chọn RTOS. Hiện nay, Zephyr đã hỗ trợ hơn 900 bo mạch (bao gồm MCU và SoC), 275 loại cảm biến, cùng hàng trăm module middleware và giao thức, tạo thành một nền tảng hoàn chỉnh cung cấp giải pháp “cắm là dùng” cho các nhà phát triển thiết bị.

Tính di động phần cứng và hỗ trợ đa kiến trúc: Zephyr được thiết kế từ đầu để hỗ trợ nhiều kiến trúc bộ xử lý (ARM, RISC-V, ARC, Tensilica, x86, v.v.). Sự hỗ trợ đa kiến trúc này cho phép tái sử dụng mã nguồn xuyên suốt các họ chip, giảm đáng kể chi phí phát triển khi chuyển đổi phần cứng. Một khảo sát ngành cho thấy 49% người dùng Zephyr coi “tính di động phần cứng” là lợi thế hàng đầu. Trong thực tế, khi chip ngừng sản xuất hoặc mở rộng dự án, nhà phát triển chỉ cần cập nhật cấu hình cây thiết bị để di chuyển nhanh chóng, tránh chi phí đắt đỏ phải bắt đầu lại từ đầu. Đồng thời, thiết kế mô-đun của Zephyr và các công cụ hiện đại như công cụ xây dựng West cũng tăng cường hiệu quả tái sử dụng mã và phát triển đa nền tảng.

Thiết kế về bảo mật và tuân thủ: Bảo mật luôn là mối quan tâm cốt lõi của Zephyr. Ngay từ giai đoạn đầu, dự án đã thành lập Ủy ban Bảo mật, áp dụng các quy chuẩn mã hóa an toàn và quy trình phản ứng với lỗ hổng. Từ khi trở thành tổ chức cấp số CVE năm 2017, đến khi nhận được chứng nhận Vàng Cơ sở hạ tầng cốt lõi của Linux Foundation năm 2018, đến việc liên tục sử dụng các công cụ SBOM tự động, Zephyr không ngừng nâng cao tính minh bạch và tốc độ phản hồi về bảo mật. Hiện nay, Zephyr sở hữu đội ngũ phản ứng khẩn cấp về bảo mật sản phẩm (PSIRT) chuyên biệt, hợp tác với cộng đồng để vá lỗi nhanh chóng, đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt của ngành. Năm 2024, dự án đã nhận được sự công nhận khái niệm an toàn chức năng IEC 61508 và đang thúc đẩy các chứng nhận bao gồm quy trình quản lý chất lượng, cho thấy Zephyr đang mở rộng sang các môi trường yêu cầu an toàn cao như công nghiệp và ô tô.

Khả năng middleware và kết nối đầy đủ: Zephyr tích hợp hỗ trợ mạng và thiết bị ngoại vi phong phú, bao gồm các giao thức như IPv4/IPv6, CoAP, MQTT, Bluetooth LE, 802.15.4/Zigbee, Thread, Wi‑Fi; cùng với nhiều hệ thống tệp tin, cơ chế cập nhật firmware thiết bị (DFU), v.v. Những tính năng được tích hợp sẵn này giảm đáng kể khối lượng công việc cần thiết để port giao thức, giúp rút ngắn đáng kể chu kỳ phát triển sản phẩm. Ngoài ra, các nhà sản xuất và cộng đồng liên tục đóng góp các trình điều khiển cảm biến, trình điều khiển truyền thông và thư viện hỗ trợ trí tuệ nhân tạo (như tạo dữ liệu tổng hợp, chuỗi công cụ TinyML...), giúp Zephyr sở hữu tiềm năng ứng dụng mạnh mẽ trong các bối cảnh tính toán biên, IoT và AIoT.

Hỗ trợ và bảo trì dài hạn: Quản lý phiên bản của Zephyr nhấn mạnh các bản phát hành LTS (Hỗ trợ Dài hạn). Phiên bản 3.7 (ra mắt năm 2024) được định vị là LTS, cam kết bảo trì an toàn và ổn định trong 2,5 năm. Chiến lược này cung cấp nền tảng đáng tin cậy cho các nhà phát triển sản phẩm, đảm bảo các bản cập nhật bảo mật không làm gián đoạn hệ thống. Đường dẫn kỹ thuật của cộng đồng cũng tập trung dài hạn vào khả năng bảo trì, chẳng hạn như giới thiệu dần các phân tích tĩnh, tiêu chuẩn MISRA, quy trình kiểm thử CI toàn diện, nhằm giảm chi phí bảo trì theo thời gian.

Tóm lại, sự hợp tác mở và đóng góp từ nhiều bên đã giúp nền tảng Zephyr ngày càng hoàn thiện: hiện nay, nó không chỉ là một nhân RTOS, mà còn là một hệ sinh thái toàn diện. Các ví dụ thành công của Zephyr trải rộng từ thiết bị đeo được, nhà thông minh đến tự động hóa công nghiệp, thể hiện mức độ trưởng thành và khả năng mở rộng của nó. Tuy nhiên, Zephyr trong mô hình mã nguồn mở vẫn đối mặt với những thách thức như đường cong học tập dốc đứng, chi phí bảo trì dài hạn và chứng nhận cao, đòi hỏi việc cải tiến liên tục công cụ và hỗ trợ đào tạo.

Sự hỗ trợ mạnh mẽ từ các nhà sản xuất chip

Sự thành công của Zephyr không thể tách rời khỏi sự hỗ trợ mạnh mẽ từ các nhà sản xuất chip nền tảng, các nhà sản xuất MCU hàng đầu thế giới đều không tiếc công sức hỗ trợ Zephyr.

NXP

Là một trong những thành viên Platinum sáng lập của Zephyr, NXP đã tích cực tham gia ngay từ khi dự án mới bắt đầu. NXP đánh giá cao tính trung lập mã nguồn mở và khả năng mở rộng xuyên suốt danh mục sản phẩm của Zephyr, đồng thời cung cấp hỗ trợ Zephyr trên nhiều nền tảng MCU/MPU. NXP đã đóng góp nhiều trình điều khiển và ví dụ trên các dòng chip như Kinetis, LPC, i.MX và edge processors. Để thúc đẩy sự phát triển của hệ sinh thái, NXP đã phát hành các hướng dẫn bắt đầu và mẫu tùy chỉnh nhằm hỗ trợ nhanh chóng triển khai Zephyr trên các bo mạch đánh giá chủ lực của họ, chẳng hạn như loạt bo FRDM. IDE MCUXpresso của NXP cũng cung cấp các dự án ví dụ Zephyr. Ngoài ra, trong những năm gần đây, NXP đã tổ chức các hội thảo đào tạo dành cho sinh viên và doanh nghiệp, đồng thời khuyến khích các nhà phát triển thử nghiệm Zephyr bằng cách tặng hàng ngàn bo FRDM. Theo blog chính thức của họ, NXP mong muốn thông qua Zephyr giảm thiểu sự phân mảnh, xây dựng các khả năng bảo mật và kết nối trên một nền tảng thống nhất, từ đó giúp nhiều công ty cùng nhau kiến tạo một hệ sinh thái mạnh mẽ hơn.

Silicon Labs

Silicon Labs từ năm 2021 đã gia nhập cộng đồng Zephyr (nâng cấp lên thành thành viên bạch kim vào năm 2025). Là nhà dẫn đầu trong lĩnh vực kết nối không dây, Silicon Labs đã giới thiệu hỗ trợ cho loạt chip không dây của mình (như chip EFR32 Bluetooth/Wi-Fi/Thread) vào Zephyr. Công ty đã gửi các trình điều khiển và giao thức mạng liên quan lên upstream Zephyr, đồng thời phụ trách duy trì các giao thức không dây như Wi-SUN, Zigbee và Bluetooth. Đầu năm 2026, Silicon Labs đã ra mắt Simplicity SDK dựa trên Zephyr, cung cấp cho các nhà phát triển các stack không dây và trình điều khiển đã được xác thực bởi nhà sản xuất, kèm theo cam kết hỗ trợ vòng đời dài. Silicon Labs nhấn mạnh việc duy trì sự nhất quán giữa Zephyr upstream và SDK downstream để cân bằng giữa đổi mới mã nguồn mở và độ tin cậy cấp doanh nghiệp. Ngoài ra, Silicon Labs cũng rất tích cực trong các hoạt động cộng đồng: trưởng nhóm kỹ thuật của họ đảm nhiệm vai trò Chủ tịch Hội đồng Zephyr (năm 2026) và cùng các thành viên khác tổ chức các buổi trao đổi kỹ thuật. Silicon Labs còn công bố các ví dụ điều chỉnh trên GitHub (kho zephyr-silabs), thúc đẩy hệ sinh thái nhà phát triển. Những nỗ lực này đã làm phong phú thêm ứng dụng của Zephyr trong lĩnh vực không dây IoT và cung cấp nền tảng ổn định cho các dự án như Zigbee trong nhà thông minh.

STMicroelectronics

STMicroelectronics đã trở thành thành viên bạc của cộng đồng Zephyr vào năm 2024. Các đóng góp của ST tập trung vào các MCU dòng STM32 và các trình điều khiển thiết bị ngoại vi liên quan. Các kỹ sư ST đã lâu năm đóng góp mã nguồn vào dự án Zephyr, bao gồm hỗ trợ phần cứng cho bộ điều khiển USB, màn hình LCD-TFT, card mạng, chế độ tiết kiệm năng lượng, v.v. Họ cũng dành nhiều nỗ lực để xem xét các đóng góp từ bên ngoài, đảm bảo các cải tiến từ bên thứ ba cho nền tảng STM32 được xác minh và tích hợp kịp thời. Phiên bản Zephyr 4.4.0 mới nhất đã thêm hỗ trợ cho các dòng MCU như STM32C5, STM32H5, STM32U3 và STM32WBA2X. Trong thực tế, ST kết hợp Zephyr với hệ sinh thái STM32Cube để cung cấp nhiều ví dụ, tài liệu và nền tảng phần cứng phong phú. ST khuyến nghị các nhà phát triển bắt đầu nhanh chóng thông qua trang tài liệu Zephyr và cộng đồng Discord (ví dụ: kênh #STM32). Ở cấp độ cộng đồng, ST cũng tích cực quảng bá Zephyr thông qua các dự án đối tác, đào tạo và diễn đàn mã nguồn mở, đồng thời trình diễn các dự án mẫu như màn hình cảm ứng và trình điều khiển cảm biến chạy trên Zephyr. Sự tham gia liên tục của ST càng củng cố niềm tin của ngành công nghiệp vào tính khả dụng của Zephyr trong các lĩnh vực chuyên môn như điều khiển công nghiệp và IoT.

ADI

CodeFusion Studio 2.0 do ADI phát hành năm 2025 hiện hỗ trợ toàn bộ luồng làm việc AI, cho phép nhà phát triển mang theo mô hình của riêng mình và triển khai hiệu quả lên các bộ xử lý và vi điều khiển của ADI, từ các thiết bị biên tiết kiệm năng lượng đến DSP (bộ xử lý tín hiệu số) hiệu năng cao. Nền tảng mới nhất dựa trên Microsoft Visual Studio Code, tích hợp trình kiểm tra tương thích mô hình, công cụ phân tích hiệu suất và các tính năng tối ưu hóa, đảm bảo việc triển khai ổn định và đáng tin cậy, đồng thời rút ngắn thời gian đưa sản phẩm ra thị trường.

Khung nền mô-đun mới dựa trên Zephyr hỗ trợ phân tích hiệu suất thời gian thực cho các tải trọng AI/ML, cho phép phân tích từng lớp và tích hợp liền mạch với nền tảng dị hợp của ADI. Việc đóng gói công cụ thành một hệ thống thống nhất không chỉ đơn giản hóa việc triển khai học máy mà còn tăng cường khả năng hiểu biết về hiệu suất hệ thống.

Texas Instruments

TI cũng là một trong những thành viên Silver của Zephyr, đã đóng góp mã nguồn upstream cho Zephyr trong thời gian dài. Trang web chính thức của TI cho biết, kể từ khi Zephyr ra đời năm 2016, đội ngũ TI đã tích cực tham gia vào phát triển dự án và sử dụng các khung Twister và Ztest của Zephyr để đảm bảo chất lượng sản phẩm. TI còn duy trì các kho downstream của Zephyr dành cho các lĩnh vực như vô tuyến, MCU và điều khiển thời gian thực, giúp các nhà phát triển có thể trải nghiệm sớm các tính năng mới nhất. Ngoài ra, TI còn đầu tư phát triển các tiện ích mở rộng VS Code, công cụ gỡ lỗi và các công cụ khác để tăng cường hỗ trợ Zephyr trên các chip của mình.

Renesas

Tháng 6 năm 2025, Renesas thông báo nâng cấp cấp độ thành viên lên Bạch kim. Ông Aish Dubey, quản lý cấp cao của Renesas, cho biết công ty cam kết làm cho “các giải pháp RTOS dựa trên OSS được ứng dụng rộng rãi trong mọi ngành công nghiệp” và sẽ hợp tác chặt chẽ với đội ngũ lãnh đạo Zephyr để đẩy nhanh việc đáp ứng các yêu cầu ngày càng khắt khe về an toàn chức năng và an ninh mạng. Trước đó, Renesas đã có nhiều vi điều khiển (dòng RX, RA, v.v.) được Zephyr hỗ trợ, việc nâng cấp mới này cho thấy công ty sẽ tiếp tục tăng cường đầu tư và mở rộng ảnh hưởng của Zephyr trong lĩnh vực IoT và hiệu năng cao.

Nordic Semiconductor

Zephyr là thành phần cốt lõi của Nordic nRF Connect SDK. Vào tháng 9 năm 2025, Nordic đã giới thiệu sự tích hợp giữa Wi-Fi SoC thế hệ mới (dòng nRF70) với Zephyr: thông qua Zephyr RTOS, giải pháp này mang đến chức năng Wi-Fi 6 tiết kiệm năng lượng, cung cấp khả năng kết nối đám mây cho các MCU bên thứ ba.

Thử thách của Zephyr

Thách thức và rủi ro: Mặc dù hệ sinh thái Zephyr ngày càng mạnh mẽ, nhưng vẫn tồn tại những thách thức.

Đầu tiên, đường cong học tập khá dốc. Các quy trình phát triển hiện đại của Zephyr (như Devicetree, CMake, West, Kconfig) khiến các kỹ sư có nền tảng từ RTOS truyền thống hoặc bare-metal cảm thấy陌生, 20% người dùng khảo sát phản ánh tiến độ đào tạo và làm quen còn hạn chế. Điều này dẫn đến việc cần thêm nguồn lực đào tạo khi mở rộng đội ngũ.

Thứ hai, chi phí duy trì và chứng nhận dài hạn không thể bỏ qua. Mặc dù Zephyr đang thúc đẩy việc chứng nhận các tiêu chuẩn an toàn như IEC 61508, nhưng để đáp ứng đầy đủ các yêu cầu tuân thủ cấp công nghiệp và ô tô vẫn cần đầu tư nhiều nhân lực.

Thứ ba, cần cảnh giác với các rủi ro liên quan đến cạnh tranh và quản trị hệ sinh thái: Các RTOS khác (như FreeRTOS) đã trải qua những thay đổi từ các công ty lớn như Amazon và Microsoft, cho thấy mô hình dọc có thể mang lại sự không ổn định. Nhưng chính nhờ mô hình do cộng đồng dẫn dắt, Zephyr đã dần trở thành tiêu chuẩn thực tế trong ngành.

Cuối cùng, các quy định (như Luật An ninh Mạng EU CRA) đặt ra yêu cầu cao hơn về bảo mật IoT, đòi hỏi Zephyr phải tuân thủ nghiêm ngặt hơn trong việc thông báo lỗ hổng và tăng cường bảo mật các thành phần phụ thuộc.

Nhìn chung, mười năm của dự án Zephyr đã chứng minh sức mạnh của sự hợp tác mã nguồn mở: sự tham gia của nhiều bên đã biến một RTOS nhẹ trở thành một nền tảng toàn cầu, bao gồm nỗ lực của hàng ngàn kỹ sư. Nhờ sự thúc đẩy chung từ nhiều nhà sản xuất về chip và phát triển phần mềm, Zephyr không ngừng mở rộng phạm vi ứng dụng trong lĩnh vực IoT và tính toán biên. Tuy nhiên, con đường công nghệ nào cũng không hề bằng phẳng. Khi độ phức tạp của thiết bị tăng lên và các yêu cầu pháp lý ngày càng nhiều, cộng đồng Zephyr và các đối tác sinh thái cần liên tục đổi mới và cải tiến.

Nhưng dù sao đi nữa, trong thập kỷ này, hệ sinh thái Zephyr đã làm đúng và thành công.