Что такое ARM-архитектура? Процессоры ARM: особенности архитектуры, отличия и перспективы

В наше время существует две самые популярные архитектуры процессоров. Это x86, которая была разработана еще 80х годах и используется в персональных компьютерах и ARM - более современная, которая позволяет сделать процессоры меньше и экономнее. Она используется в большинстве мобильных устройств или планшетов.

Обе архитектуры имеют свои плюсы и минусы, а также сферы применения, но есть и общие черты. Многие специалисты говорят, что за ARM будущее, но у нее остаются некоторые недостатки, которых нет в x86. В нашей сегодняшней статье мы рассмотрим чем архитектура arm отличается от x86. Рассмотрим принципиальные отличия ARM или x86, а также попытаемся определить что лучше.

Процессор - это основной компонент любого вычислительного устройства, будь то смартфон или компьютер. От его производительности зависит то, насколько быстро будет работать устройство и сколько оно сможет работать от батареи. Если говорить просто, то архитектура процессора - это набор инструкций, которые могут использоваться при составлении программ и реализованы на аппаратном уровне с помощью определенных сочетаний транзисторов процессора. Именно они позволяют программам взаимодействовать с аппаратным обеспечением и определяют каким образом будут передаваться данные в память и считываться оттуда.

На данный момент существуют два типа архитектур: CISC (Complex Instruction Set Computing) и RISC (Reduced Instruction Set Computing). Первая предполагает, что в процессоре будут реализованы инструкции на все случаи жизни, вторая, RISC - ставит перед разработчиками задачу создания процессора с набором минимально необходимых для работы команд. Инструкции RISC имеют меньший размер и более просты.

Архитектура x86

Архитектура процессора x86 была разработана в 1978 году и впервые появилась в процессорах компании Intel и относится к типу CISC. Ее название взято от модели первого процессора с этой архитектурой - Intel 8086. Со временем, за неимением лучшей альтернативы эту архитектуру начали поддерживать и другие производители процессоров, например, AMD. Сейчас она является стандартом для настольных компьютеров, ноутбуков, нетбуков, серверов и других подобных устройств. Но также иногда процессоры x86 применяются в планшетах, это довольно привычная практика.

Первый процессор Intel 8086 имел разрядность 16 бит, далее в 2000 годах вышел процессор 32 битной архитектуры, и еще позже появилась архитектура 64 бит. Мы подробно рассматривали в отдельной статье. За это время архитектура очень сильно развилась были добавлены новые наборы инструкций и расширения, которые позволяют очень сильно увеличить производительность работы процессора.

В x86 есть несколько существенных недостатков. Во-первых - это сложность команд, их запутанность, которая возникла из-за длинной истории развития. Во-вторых, такие процессоры потребляют слишком много энергии и из-за этого выделяют много теплоты. Инженеры x86 изначально пошли по пути получения максимальной производительности, а скорость требует ресурсов. Перед тем, как рассмотреть отличия arm x86, поговорим об архитектуре ARM.

Архитектура ARM

Эта архитектура была представлена чуть позже за x86 - в 1985 году. Она была разработана известной в Британии компанией Acorn, тогда эта архитектура называлась Arcon Risk Machine и принадлежала к типу RISC, но затем была выпущена ее улучшенная версия Advanted RISC Machine, которая сейчас и известна как ARM.

При разработке этой архитектуры инженеры ставили перед собой цель устранить все недостатки x86 и создать совершенно новую и максимально эффективную архитектуру. ARM чипы получили минимальное энергопотребление и низкую цену, но имели низкую производительность работы по сравнению с x86, поэтому изначально они не завоевали большой популярности на персональных компьютерах.

В отличие от x86, разработчики изначально пытались получить минимальные затраты на ресурсы, они имеют меньше инструкций процессора, меньше транзисторов, но и соответственно меньше всяких дополнительных возможностей. Но за последние годы производительность процессоров ARM улучшалась. Учитывая это, и низкое энергопотребление они начали очень широко применяться в мобильных устройствах, таких как планшеты и смартфоны.

Отличия ARM и x86

А теперь, когда мы рассмотрели историю развития этих архитектур и их принципиальные отличия, давайте сделаем подробное сравнение ARM и x86, по различным их характеристикам, чтобы определить что лучше и более точно понять в чем их разница.

Производство

Производство x86 vs arm отличается. Процессоры x86 производят только две компании Intel и AMD. Изначально эта была одна компания, но это совсем другая история. Право на выпуск таких процессоров есть только у этих компаний, а это значит, что и направлением развития инфраструктуры будут управлять только они.

ARM работает совсем по-другому. Компания, разрабатывающая ARM, не выпускает ничего. Они просто выдают разрешение на разработку процессоров этой архитектуры, а уже производители могут делать все, что им нужно, например, выпускать специфические чипы с нужными им модулями.

Количество инструкций

Это главные различия архитектуры arm и x86. Процессоры x86 развивались стремительно, как более мощные и производительные. Разработчики добавили большое количество инструкций процессора, причем здесь есть не просто базовый набор, а достаточно много команд, без которых можно было бы обойтись. Изначально это делалось чтобы уменьшить объем памяти занимаемый программами на диске. Также было разработано много вариантов защит и виртуализаций, оптимизаций и многое другое. Все это требует дополнительных транзисторов и энергии.

ARM более прост. Здесь намного меньше инструкций процессора, только те, которые нужны операционной системе и реально используются. Если сравнивать x86, то там используется только 30% от всех возможных инструкций. Их проще выучить, если вы решили писать программы вручную, а также для их реализации нужно меньше транзисторов.

Потребление энергии

Из предыдущего пункта выплывает еще один вывод. Чем больше транзисторов на плате, тем больше ее площадь и потребление энергии, правильно и обратное.

Процессоры x86 потребляют намного больше энергии, чем ARM. Но на потребление энергии также влияет размер самого транзистора. Например, процессор Intel i7 потребляет 47 Ватт, а любой процессор ARM для смартфонов - не более 3 Ватт. Раньше выпускались платы с размером одного элемента 80 нм, затем Intel добилась уменьшения до 22 нм, а в этом году ученые получили возможность создать плату с размером элемента 1 нанометр. Это очень сильно уменьшит энергопотребление без потерь производительности.

За последние годы потребление энергии процессорами x86 очень сильно уменьшилось, например, новые процессоры Intel Haswell могут работать дольше от батареи. Сейчас разница arm vs x86 постепенно стирается.

Тепловыделение

Количество транзисторов влияет еще на один параметр - это выделение тепла. Современные устройства не могут преобразовывать всю энергию в эффективное действие, часть ее рассеивается в виде тепла. КПД плат одинаковый, а значит чем меньше транзисторов и чем меньше их размер - тем меньше тепла будет выделять процессор. Тут уже не возникает вопрос ARM или x86 будет выделять меньше теплоты.

Производительность процессоров

ARM изначально не были заточены для максимальной производительности, это область преуспевания x86. Отчасти этому причина меньше количество транзисторов. Но в последнее время производительность ARM процессоров растет, и они уже могут полноценно использоваться в ноутбуках или на серверах.

Выводы

В этой статье мы рассмотрели чем отличается ARM от x86. Отличия довольно серьезные. Но в последнее время грань между обоими архитектурами стирается. ARM процессоры становятся более производительными и быстрыми, а x86 благодаря уменьшению размера структурного элемента платы начинают потреблять меньше энергии и выделять меньше тепла. Уже можно встретить ARM процессор на серверах и в ноутбуках, а x86 на планшетах и в смартфонах.

А как вы относитесь к этим x86 и ARM? За какой технологией будущее по вашему мнению? Напишите в комментариях! Кстати, .

На завершение видео о развитии арихтектуры ARM:

Британская корпорация ARM усовершенствовала гетерогенную вычислительную архитектуру ARM big.LITTLE , на которой основаны все ведущие микропроцессоры ARM начиная с Cortex-A7 (2011 год) - и вчера представила новую гетерогенную архитектуру DynamIQ big.LITTLE . На микросхемах выделено место для специальных аппаратных ускорителей приложений машинного обучения. Возможно, в будущем аппаратная поддержка нейросетей станет новым трендом среди разработчиков микропроцессоров и неотъемлемым качеством новых смартфонов.

Особенность архитектуры ARM big.LITTLE состоит в наличии процессорных ядер двух типов: относительно медленных, энергоэффективных (LITTLE) и относительно мощных и прожорливых (big). Обычно система активирует только один из двух типов ядер: только большие или только маленькие. Понятно, что фоновые задачи на смартфоне или другом устройстве удобно решать с маленькими ядрами, которые потребляют очень мало энергии. В случае необходимости процессор активирует мощные прожорливые ядра, которые в многопоточном режиме, работая сообща, демонстрируют особенно высокую производительность. В принципе, у всех ядер есть доступ к общей памяти, так что задачи можно ставить для выполнения на обоих типах ядер одновременно. То есть большие и маленькие будут переключаться на лету.

Подобная гетерогенная архитектура и переключение задач на лету с одного типа ядер на другой задуманы для создания динамического изменения мощности и энергопотребления процессора. Сама ARM заявляла, что в некоторых задачах та архитектура экономит до 75% энергии.

DynamIQ big.LITTLE - это эволюционный шаг вперёд. Новая архитектура позволяет задействовать разнообразные сочетания больших и малых ядер, которые раньше не были возможны. Например, 1+3, 2+4 или 1+7, или даже 2+4+2 (ядра трёх разных мощностей). Типичный смартфон будущего может иметь восьмиядерную систему на кристалле с двумя мощными ядрами, четырьмя средними и двумя низкопроизводительными ядрами для фонового режима.

С аппаратной поддержкой машинного обучения и ИИ разработчикам станут доступны новые специальные процессорные инструкции (например, вычисления с ограниченной точностью). ARM обещает , что в следующие три-пять лет процессоры Cortex-A на новой архитектуре обеспечат до 50-кратной прибавки производительности в приложениях ИИ, в сравнении с нынешними системами на базе Cortex-A73 и ещё дополнительную прибавку за счёт встроенных ускорителей на микросхеме. Специальный порт доступа с низкой задержкой между ЦП и акселераторами имеет 10-кратную производительность.

Это означает, что на смартфонах будут гораздо лучше работать обученные нейросети, в том числе которые обсчитывают графику и видео, приложения компьютерного зрения и другие системы, которые обрабатывают большие потоки данных.

В каждом кластере может располагаться до восьми ядер разных характеристик. Это тоже можно использовать для ускорения приложений ИИ, по сравнению с нынешними системами. К тому же, переработанная подсистема памяти обеспечит более быстрый доступ к данным и улучшит энергоэффективность. Кстати, в кластеры ядер необязательно вообще включать ядра LITTLE со слабой производительностью, которые обычно используются в мобильных устройствах для сбережения заряда аккумулятора. Если вам нужна очень высокая производительность независимо от энергопотребления - никто не мешает делать кластеры из восьми больших ядер, и объединять их в особо мощные компьютерные системы. ARM считает, что это позволит расширить сферу применения процессоров ARM за пределы смартфонов.

Кластеры DynamIQ практически неограниченного масштаба с общей памятью - это предложение создавать мощнейшие вычислительные системы самого разного назначения.

Дополнительную гибкость в динамической подстройке мощности/энергопотребления даст функция индивидуального изменения тактовой частоты отдельных процессоров в кластере из множества процессоров ARM. Разработчики из Кембриджа считают, что это особенно важно в шлемах виртуальной реальности, которые длительные периоды времени находятся в состоянии низкого энергопотребления. Переходы процессора в одно из трёх энергетических состояний (ON, OFF, SLEEP) осуществляются гораздо быстрее, автоматически на аппаратном уровне.

В конце концов, продвинутая архитектура DynamIQ позволяет строить более надёжные системы с дублированием функций, что повышает уровень безопасности в автономных системах, которым нужно реагировать на сбои. Например, это системы компьютерного зрения в беспилотных автомобилях - Advanced Driver Assistance Systems (ADAS). Когда один кластер ядер выходит из строя или ускоритель сбоит - другой кластер автоматически берёт его функции на себя.

Процессорную архитектуру ARM применяют по лицензии в своих чипах многие производители, в том числе Samsung, Qualcomm, Nvidia, Intel и Apple (iPhone, iPad). Между 2013 и 2017 годами в мире было продано более 50 млрд микрочипов на архитектуре ARM, и английские разработчики надеются, что в ближайшие четыре года это число удвоится до более 100 млрд.

Большинство устройств на процессорах ARM не нуждаются в активном охлаждении. Компания уверена, что с увеличением мощности этих систем и переходе на архитектуру DynamIQ всё останется по-прежнему.

Ответ - для приложений с повышенной функциональной безопасностью. По крайней мере ядра ARM Cortex-R в высокопроизводительных «реальновременных» микроконтроллерах компании Texas Instruments для этого и применяются.

Хотя процессоры Cortex-R практически полностью совместимы с процессорами Cortex-A и Cortex-M в плане набора инструкций, все-таки между ними есть существенные различия. В частности, ядро Cortex-R характеризуется более высокой производительностью по сравнению с Cortex-M, и в то же время оно может выполнять детерминированные операции, чего сложно добиться на процессорах приложений Cortex-A. Так что с точки зрения производительности Cortex-R располагается между Cortex-M и Cortex-A, но в то же время может применяться как в микроконтроллерах, так и в процессорах.

Ядро Cortex-R построено по гарвардской архитектуре и обеспечивает высокую тактовую частоту благодаря 8-ступенчатому конвейеру и суперскалярному выполнению инструкций. Аппаратные SIMD-инструкции позволяют осуществлять высокопроизводительную цифровую обработку сигналов и работу с медиа-данными. Кроме того, Cortex-M характеризуется такими увеличивающими производительность особенностями, как блок предвыборки инструкций, блок предсказания ветвлений и аппаратный делитель. Такие архитектурные компоненты помогают процессорам Cortex-R4 и Cortex-R5 достигнуть высоких показателей производительности DMIPS/МГц. Другой интересной особенностью ядра Cortex-R является то, что конвейер операций с плавающей точкой, совместимый со стандартом IEEE-754, поддерживает форматы как одинарной точности (32 бита), так и двойной точности (64 бита), и работает параллельно с конвейером операций над числами с фиксированной точкой.

Благодаря тесно связанной с процессором памяти с малой задержкой отклики на события реального времени происходят максимально быстро, также максимально быстро выполняется обработка прерываний. Эти возможности, а также высокая производительность и детерминизм ядра Cortex-R, позволяют соответствовать требованиям приложений реального времени, для которых также необходима функциональная безопасность.

Если вы работаете в отрасли, связанной с обеспечением безопасности и надежности устройств, то, наверно, слышали о функциональной безопасности программируемых электронных компонентов, и в первую очередь в голову может прийти стандарт IEC 61508. Это основной международный стандарт безопасности, существующий около 20 лет и соблюдаемый во многих отраслях. Функциональная безопасность предусматривается на транспорте (аэрокосмическая, железнодорожная и автомобильная отрасли), в промышленности, медицине, возобновляемой энергетике и других областях. В этих отраслях либо были разработаны собственные стандарты безопасности, либо были адаптированы международные стандарты, например, IEC 61508. Особо следует отметить, что в 2012 году в автомобильной промышленности был утвержден собственный стандарт функциональной безопасности ISO 26262.

Так, чем же хорош Cortex-R в плане функциональной безопасности? В первую очередь уникальными конфигурационными особенностями, позволяющими осуществлять коррекцию ошибок. Эти особенности являются опциями, которые компания ARM встроила прямо в ядро, и которые включают функции обнаружения и исправления ошибок, защищающие шины и системы памяти первого уровня, пользовательский и привилегированный режимы работы программного обеспечения с блоком защиты памяти (MPU) и поддержку конфигурации dual-core Lock Step (DCLS).

Что же такое DCLS и зачем оно нужно? Если вы инженер-программист и работаете над проектом, предусматривающим надежную и безопасную работу устройства, то DCLS сделает вашу жизнь намного проще. Это особенно полезно, если вы используете два микроконтроллера или два независимых ядра для диагностики ошибок в одном ядре.

При работе с независимым ядром имеется пара специфичных проблем. Во-первых, вам нужно писать «лишний» код для каждого микроконтроллера, который будет мониторить другой микроконтроллер. Во-вторых, теперь вам нужно сделать этот код основной частью вашего модуля системной безопасности, это означает, что вы должны в каждой строчке данного кода предусмотреть надежность и безопасность дальнейшей работы. Благодаря DCLS этот «лишний» код, а также необходимость его обезопасить уходят в прошлое. Конечно, разработчику все равно предстоит написать много строк связанного с безопасностью кода, но данный механизм все же позволяет облегчить ему жизнь.

Для простоты понимания механизм DCLS можно представить как сочетание основного процессора и проверочного модуля. С точки зрения программиста программирование такой системы не будет отличаться от программирования обычного одноядерного микроконтроллера. Второе ядро, то есть проверочный модуль, наряду с логикой сравнения выполняет работу описанного выше «лишнего» кода, а также много чего еще. Логика сравнения может обнаружить ошибку за несколько циклов процессора в то время, как дискретное ядро может потратить на это сотни или даже тысячи циклов. Поэтому DCLS гораздо быстрее в деле обнаружения ошибок и может сэкономить драгоценное время при разработке надежного кода.

Подавляющее большинство современных гаджетов используют процессоры на архитектуре ARM, разработкой которой занимается одноимённая компания ARM Limited. Что интересно, компания сама не производит процессоры, а только лицензирует свои технологии для сторонних производителей чипов. Помимо этого, компания также разрабатывает процессорные ядра Cortex и графические ускорители Mali, которых мы обязательно коснёмся в этом материале.

ARM Limited

Компания ARM, фактически, является монополистом в своей области, и подавляющее большинство современных смартфонов и планшетов на различных мобильных операционных системах используют процессоры именно на архитектуре ARM. Производители чипов лицензируют у ARM отдельные ядра, наборы инструкций и сопутствующие технологии, причём стоимость лицензий значительно разнится в зависимости от типа процессорных ядер (это могут быть как маломощные бюджетные решения, так и ультрасовременные четырёхъядерные и даже восьмиядерные чипы) и дополнительных компонентов. Годовой отчёт о прибыли ARM Limited за 2006 год показал выручку в 161 миллион долларов за лицензирование около 2,5 миллиардов процессоров (в 2011 году этот показатель составил уже 7,9 млрд), что означает примерно 0,067 долларов за один чип. Впрочем, по озвученной выше причине, это очень усреднённый показатель из-за разницы в ценах на различные лицензии, и с тех пор прибыль компании должна была вырасти многократно.

В настоящее время ARM-процессоры имеют очень широкое распространение. Чипы на этой архитектуре используются повсюду, вплоть до серверов, но чаще всего ARM можно встретить во встраиваемых и мобильных системах, начиная с контроллеров для жёстких дисков и заканчивая современными смартфонами, планшетами и прочими гаджетами.

Ядра Cortex

ARM разрабатывает несколько семейств ядер, которые используются для различных задач. К примеру, процессоры, основанные на Cortex-Mx и Cortex-Rx (где “х” — цифра или число, обозначающее точный номер ядра) используются во встраиваемых системах и даже бытовых устройствах, к примеру, роутерах или принтерах.

Подробно на них мы останавливаться не будем, ведь нас, в первую очередь, интересует семейство Cortex-Ax — чипы с такими ядрами используются в наиболее производительных устройствах, в том числе смартфонах, планшетах и игровых консолях. ARM постоянно работает над новыми ядрами из линейки Cortex-Ax, но на момент написания этой статьи в смартфонах используются следующие из них:

Чем больше цифра — тем выше производительность процессора и, соответственно, дороже класс устройств, в которых он используется. Впрочем, стоит отметить, что это правило соблюдается не всегда: к примеру, чипы на ядрах Cortex-A7 имеют большую производительность, нежели на Cortex-A8. Тем не менее, если процессоры на Cortex-A5 уже считаются чуть ли не устаревшими и почти не используются в современных устройствах, то CPU на Cortex-A15 можно найти во флагманских коммуникаторах и планшетах. Не так давно ARM официально объявила о разработке новых, более мощных и, одновременно, энергоэффективных ядер Cortex-A53 и Cortex-A57, которые будут объединены на одном чипе с применением технологии ARM big.LITTLE и поддерживать набор команд ARMv8 (“версию архитектуры”), но в настоящее время они не применяются в массовых потребительских устройствах. Большинство чипов с ядрами Cortex могут быть многоядерными, и в современных топовых смартфонах повсеместное распространение получили четырёхъядерные процессоры.

Крупные производители смартфонов и планшетов обычно используют процессоры известных чипмейкеров вроде Qualcomm или собственные решения, которые уже успели стать довольно популярными (к примеру, Samsung и её семейство чипсетов Exynos), но среди технических характеристик гаджетов большинства небольших компаний зачастую можно встретить описание вроде “процессор на Cortex-A7 с тактовой частотой 1 ГГц” или “двухъядерный Cortex-A7 с частотой 1 ГГц”, которое обычному пользователю ничего не скажет. Для того, чтобы разобраться, в чём заключаются отличия таких ядер между собой, остановимся на основных.

Ядро Cortex-A5 используются в недорогих процессорах для наиболее бюджетных устройств. Такие устройства предназначены только для выполнения ограниченного круга задач и запуска простых приложений, но совершенно не рассчитаны на ресурсоёмкие программы и, тем более, игры. В качестве примера гаджета с процессором на Cortex-A5 можно назвать Highscreen Blast, который получил чип Qualcomm Snapdragon S4 Play MSM8225, содержащий два ядра Cortex-A5 с тактовой частотой 1,2 ГГц.

Процессоры на Cortex-A7 являются более мощными, чем чипы Cortex-A5, а кроме того, больше распространены. Такие чипы выполняются по 28-нанометровому техпроцессу и имеют большой кэш второго уровня до 4 мегабайт. Ядра Cortex-A7 встречаются, преимущественно, в бюджетных смартфонах и недорогих устройствах среднего сегмента вроде iconBIT Mercury Quad, а также, в качестве исключения, в Samsung Galaxy S IV GT-i9500 с процессором Exynos 5 Octa — этот чипсет при выполнении нетребовательных задач использует энергосберегающий четырёхъядерный процессор на Cortex-A7.

Ядро Cortex-A8 не так распространено, как его “соседи”, Cortex-A7 и Cortex-A9, но всё же используется в различных гаджетах начального уровня. Рабочая тактовая частота чипов на Cortex-A8 может составлять от 600 МГц до 1 ГГц, но иногда производители разгоняют процессоры и до более высоких частот. Особенностью ядра Cortex-A8 является отсутствие поддержки многоядерных конфигураций (то есть, процессоры на этих ядрах могут быть только одноядерными), а выполняются они по 65-нанометровому техпроцессу, который уже считается устаревшим.

Сortex-A9

Ещё пару лет назад ядра Cortex-A9 считались топовым решением и использовались как в традиционных одноядерных, так и более мощных двухъядерных чипах, например Nvidia Tegra 2 и Texas Instruments OMAP4. В настоящее время процессоры на Cortex-A9, выполненные по 40-нанометровому техпроцессу не теряют популярность и используются во многих смартфонах среднего сегмента. Рабочая частота таких процессоров может составлять от 1 до 2 и более гигагерц, но обычно она ограничивается 1,2-1,5 ГГц.

В июне 2013 года компания ARM официально представила ядро Cortex-A12, которое выполняется по новому 28-нанометровому техпроцессу и призвано заменить ядра Cortex-A9 в смартфонах среднего сегмента. Разработчик обещает увеличение производительности на 40% по сравнению с Cortex-A9, а кроме того, ядра Cortex-A12 смогут участвовать в архитектуре ARM big.LITTLE в качестве производительных вместе с энергосберегающими Cortex-A7, что позволит производителям создавать недорогие восьмиядерные чипы. Правда,на момент написания статьи всё это только в планах, и массовое производство чипов на Cortex-A12 ещё не налажено, хотя компания RockChip уже объявила о своём намерении выпустить четырёхъядерный процессор на Cortex-A12 с частотой 1,8 ГГц.

На 2013 год ядро Cortex-A15 и его производные является топовым решением и используется в чипах флагманских коммуникаторах различных производителей. Среди новых процессоров, выполненных по 28-нм техпроцессу и основанных на Cortex-A15 — Samsung Exynos 5 Octa и Nvidia Tegra 4, а также это ядро нередко выступает платформой для модификаций других производителей. Например, последний процессор компании Apple A6X использует ядра Swift, которые являются модификацией Cortex-A15. Чипы на Cortex-A15 способны работать на частоте 1,5-2,5 ГГц, а поддержка множества стандартов сторонних компаний и возможность адресовать до 1 ТБ физической памяти делает возможным применение таких процессоров в компьютерах (как тут не вспомнить мини-компьютер размером с банковскую карту Raspberry Pi).

Cortex-A50 series

В первой половине 2013 года ARM представила новую линейку чипов, которая получила название Cortex-A50 series. Ядра этой линейки будут выполнены по новой версии архитектуры, ARMv8, и поддерживать новые наборы команд, а также станут 64-битными. Переход на новую разрядность потребует оптимизации мобильных операционных систем и приложений, но, разумеется, сохранится поддержка десятков тысяч 32-битных приложений. Первой на 64-битную архитектуру перешла компания Apple. Последние устройства компании, например, iPhone 5S, работают на именно таком ARM-процессоре Apple A7. Примечательно, что он не использует ядра Cortex – они заменены на собственные ядра производителя под названием Swift. Одна из очевидных причин необходимости перехода к 64-битным процессорам — поддержка более 4 ГБ оперативной памяти, а, кроме того, возможность оперировать при вычислении намного большими числами. Конечно, пока это актуально, в первую очередь, для серверов и ПК, но мы не удивимся, если через несколько лет на рынке появятся смартфоны и планшеты с таким объёмом ОЗУ. На сегодняшний день о планах по выпуску чипов на новой архитектуре и смартфонов с их использованием ничего не известно, но, вероятно, именно такие процессоры и получат флагманы в 2014 году, о чём уже заявила компания Samsung.

Открывает серию ядро Cortex-A53, которое будет прямым “наследником” Cortex-A9. Процессоры на Cortex-A53 заметно превосходят чипы на Cortex-A9 в производительности, но, при этом, сохраняется низкое энергопотребление. Такие процессоры могут быть использованы как по одиночке, так и в конфигурации ARM big.LITTLE, будучи объединенными на одном чипсете с процессором на Cortex-A57

Perfomance Cortex-A53, Cortex-A57

Процессоры на Cortex-A57, которые будут выполнены по 20-нанометровому техпроцессу, должны стать самыми мощными ARM-процессорами в ближайшем будущем. Новое ядро значительно превосходит своего предшественника, Cortex-A15 по различным параметрам производительности (сравнение вы можете видеть выше), и, по словам ARM, которая всерьёз нацелена на рынок ПК, станет выгодным решением для обычных компьютеров (включая лэптопы), а не только мобильных устройств.

ARM big.LITTLE

В качестве высокотехнологичного решения проблемы энергопотребления современных процессоров ARM предлагает технологию big.LITTLE, суть которой заключается в объединении на одном чипе ядер различных типов, как правило, одинакового количества энергосберегающих и высокопроизводительных.

Существует три схемы работы ядер различного типа на одном чипе: big.LITTLE (миграция между кластерами), big.LITTLE IKS (миграция между ядрами) и big.LITTLE MP (гетерогенный мультипроцессинг).

big.LITTLE (миграция между кластерами)

Первым чипсетом на архитектуре ARM big.LITTLE стал процесссор Samsung Exynos 5 Octa. В нём используется оригинальная схема big.LITTLE “4+4”, что означает объединение в два кластера (отсюда и название схемы) на одном кристалле четырёх высокопроизводительных ядер Cortex-A15 для ресурсоёмких приложений и игр и четырёх энергосберегающих ядер Cortex-A7 для повседневной работы с большинством программ, причём в один момент времени могут работать ядра только одного типа. Переключение между группами ядер происходит практически мгновенно и незаметно для пользователя в полностью автоматическом режиме.

big.LITTLE IKS (миграция между ядрами)

Более сложная реализация архитектуры big.LITTLE — объединение нескольких реальных ядер (как правило двух) в одно виртуальное, управляемое ядром операционной системы, которое решает, какие задействовать ядра — энергоэффективные или производительные. Разумеется, виртуальных ядер также несколько — на иллюстрации приведен пример схемы IKS, где в каждом из четырёх виртуальных ядер находятся по одному ядру Cortex-A7 и Cortex-A15.

big.LITTLE MP (гетерогенный мультипроцессинг)

Схема big.LITTLE MP является наиболее “продвинутой” — в ней каждое ядро является независимым и может включаться ядром ОС по необходимости. Это значит, что если используются четыре ядра Cortex-A7 и столько же ядер Cortex-A15, в чипсете, построенном на архитектуре ARM big.LITTLE MP, смогут работать одновременно все 8 ядер, даже несмотря на то, что они разных типов. Одним из первых процессоров такого типа стал восьмиядерный чип компании Mediatek — MT6592, который может работать на тактовой частоте 2 ГГц, а также записывать и воспроизводить видео в разрешении UltraHD.

Будущее

По имеющейся на данный момент информации, в ближайшее время ARM совместно с другими компаниями планирует наладить выпуск big.LITTLE чипов следующего поколения, которые будут использовать новые ядра Cortex-A53 и Cortex-A57. Кроме того, бюджетные процессоры на ARM big.LITTLE собирается выпускать китайский производитель MediaTek, которые будут работать по схеме “2+2”, то есть, использовать две группы по два ядра.

Графические ускорители Mali

Помимо процессоров, ARM также разрабатывает и графические ускорители семейства Mali. Подобно процессорам, графические ускорители характеризуются множеством параметров, например, уровнем сглаживания, интерфейсом шины, кэшем (сверхбыстрая память, используемая для повышения скорости работы) и количеством “графических ядер” (хотя, как мы писали в прошлой статье, этот показатель, несмотря на похожесть с термином, использующимся при описании CPU, практически не влияет производительность при сравнении двух GPU).

Первым графическим ускорителем ARM стал ныне неиспользуемый Mali 55, который был использован в сенсорном телефоне LG Renoir (да-да, самом обычном сотовом телефоне). GPU не использовался в играх — только для отрисовки интерфейса, и обладал примитивными по нынешним меркам характеристиками, но именно он стал “родоначальником” серии Mali.

С тех пор прогресс шагнул далеко вперёд, и сейчас немалое значение имеют поддерживаемые API и игровые стандарты. К примеру, поддержка OpenGL ES 3.0 сейчас заявлена только в самых мощных процессорах вроде Qualcomm Snapdragon 600 и 800, а, если говорить о продукции ARM, то стандарт поддерживают такие ускорители, как Mali-T604 (именно он стал первым графическим процессором ARM, выполненным на новой микроархитектуре Midgard), Mali-T624, Mali-T628, Mali-T678 и некоторые другие близкие к ним по характеристикам чипы. Тот или иной GPU, как правило, тесно связан с ядром, но, тем не менее, указывается отдельно, а, значит, если вам важно качество графики в играх, то имеет смысл посмотреть на название ускорителя в спецификациях смартфона или планшета.

Есть у ARM в линейке и графические ускорители для смартфонов среднего сегмента, наиболее распространёнными среди которых являются Mali-400 MP и Mali-450 MP, которые отличаются от своих старших братьев сравнительно небольшой производительностью и ограниченным набором API и поддерживаемых стандартов. Несмотря на это, указанные GPU продолжают использоваться в новых смартфонах, к примеру, Zopo ZP998, который получил графический ускоритель Mali-450 MP4 (улучшенную модификацию Mali-450 MP) вдобавок к восьмиядерному процессору MTK6592.

Предположительно, в конце 2014 года должны появиться смартфоны с новейшими графическими ускорителями ARM: Mali-T720, Mali-T760 и Mali-T760 MP, которые были представлены в октябре 2013 года. Mali-T720 должен стать новым GPU для недорогих смартфонов и первым графическим процессором этого сегмента с поддержкой Open GL ES 3.0. Mali-T760, в свою очередь, станет одним из наиболее мощных мобильных графических ускорителей: по заявленным характеристикам, GPU имеет 16 вычислительных ядер и обладает поистине огромной вычислительной мощностью, 326 Гфлопс, но, в то же время, в четыре раза меньшим энергопотреблением, чем упомянутый выше Mali-T604.

Роль CPU и GPU от ARM на рынке

Несмотря на то, что компания ARM является автором и разработчиком одноимённой архитектуры, которая, повторимся, сейчас используется в подавляющем большинстве мобильных процессоров, её решения в виде ядер и графических ускорителей не пользуются популярностью у крупных производителей смартфонов. К примеру, справедливо считается, что флагманские коммуникаторы на Android OS должны иметь процессор Snapdragon с ядрами Krait и графический ускоритель Adreno от Qualcomm, чипсеты этой же компании используются в смартфонах на Windows Phone, а некоторые производители гаджетов, к примеру, Apple, разрабатывают собственные ядра. Почему же в настоящее время сложилась именно такая ситуация?

Возможно, часть причин может лежать глубже, но одна из них — отсутствие чёткого позиционирования CPU и GPU от ARM среди продуктов других компаний, вследствие чего разработки компании воспринимаются как базовые компоненты для использования в устройствах B-брендов, недорогих смартфонах и создания на их основе более зрелых решений. К примеру, компания Qualcomm почти на каждой своей презентации повторяет, что одной из её главных целей при создании новых процессоров является уменьшение энергопотребления, а её ядра Krait, будучи доработанными ядрами Cortex, стабильно показывают более высокие результаты по производительности. Аналогичное утверждение справедливо и для чипсетов Nvidia, которые ориентированы на игры, ну а что касается процессоров Exynos от Samsung и A-серии от Apple, то они имеют свой рынок за счёт установки в смартфоны этих же компаний.

Вышесказанное совершенно не значит, что разработки ARM значительно хуже процессоров и ядер сторонних компаний, но конкуренция на рынке в конечном итоге идет покупателям смартфонов только на пользу. Можно сказать, что ARM предлагает некие заготовки, приобретая лицензию на которые, производители могут уже самостоятельно их доработать.

Заключение

Микропроцессоры на архитектуре ARM успешно завоевали рынок мобильных устройств благодаря низкому энергопотреблению и сравнительно большой вычислительной мощности. Раньше с ARM конкурировали другие RISC-архитектуры, например, MIPS, но сейчас у неё остался только один серьёзный конкурент — компания Intel с архитектурой x86, которая, к слову, хотя и активно борется за свою долю рынка, пока не воспринимается ни потребителями, ни большинством производителей всерьёз, особенно при фактическом отсутствии флагманов на ней (Lenovo K900 сейчас уже не может конкурировать с последними топовыми смартфонами на ARM-процессорах).

А как вы думаете, сможет ли кто-нибудь потеснить ARM, и как дальше сложится судьба этой компании и её архитектуры?

Название ARM, безусловно, слышали все, кто интересуется мобильными технологиями. Многие понимают данную аббревиатуру как тип процессора для смартфонов и планшетов, другие уточняют, что это вовсе не процессор, а его архитектура. И уж точно мало, кто вникал в историю появления ARM. В этой статье мы попробуем разобраться во всех этих нюансах и расскажем зачем нужны процессоры ARM современным гаджетам.

Краткий экскурс в историю

По запросу «ARM» Википедия выдает два значения этой аббревиатуры: Acorn RISC Machine и Advanced RISC Machines. Начнем по порядку. В 1980-х годах в Великобритании была основана компания Acorn Computers, которая начинала свою деятельность созданием персональных компьютеров. В то время Acorn еще называли «британской Apple». Решающим периодом для компании стал конец 80-х годов, когда ее главный инженер воспользовался решением двух выпускников местного университета, придумавших новый вид процессорной архитектуры с сокращенным набором команд (RISC). Так появился первый компьютер на базе процессора Acorn Risc Machine. Успех не заставил себя долго ждать. В 1990 году британцы заключили договор с Apple и вскоре начали работу над новой версией чипсета. В итоге команда разработчиков сформировала компанию под названием Advanced RISC Machines по аналогии с процессором. Чипы с новой архитектурой также стали именоваться Advanced Risc Machine или сокращенно ARM.

С 1998 года Advanced Risc Machine стала называться ARM Limited. На текущий момент компания не занимается производством и продажей собственных процессоров. Основным и единственным направлением деятельности ARM Limited является разработка технологий и продажа лицензий различным компаниям на использование архитектуры ARM. Некоторые производители покупают лицензию на готовые ядра, другие – так называемую «архитектурную лицензию» на производство процессоров с собственными ядрами. Среди таких компаний значатся Apple, Samsung, Qualcomm, nVidia, HiSilicon и другие. По некоторым данным, ARM Limited зарабатывает на каждом таком процессоре $0,067. Эта цифра усредненная и к тому же устаревшая. С каждым годом ядер в чипсетах становится все больше, и новые многоядерные процессоры превосходят по себестоимости устаревшие образцы.

Технические особенности чипов ARM

Существует два типа современных процессорных архитектур: CISC (Complex Instruction Set Computing) и RISC (Reduced Instruction Set Computing). К архитектуре CISC относится семейство процессоров x86 (Intel и AMD), к архитектуре RISC – семейство ARM. Основным формальным отличием RISC от CISC и, соответственно, x86 от ARM является сокращенный набор команд, используемый в RISC-процессорах. Так, например, каждая инструкция в CISC-архитектуре трансформируется в несколько RISC-команд. В добавок, RISC-процессоры используют меньше транзисторов и, таким образом, потребляют меньше энергии.

Основным приоритетом ARM-процессоров является отношение производительности к потреблению энергии. ARM имеет большее соотношение производительности на ватт чем x86. Вы можете получить необходимую мощность из 24 ядер x86 или из сотен маленьких ядер ARM с низким энергопотреблением. Разумеется, один даже самый мощный процессор на архитектуре ARM никогда не будет сопоставим по мощности с Intel Core i7. Но тот же Intel Core i7 нуждается в активной системе охлаждения и никогда не поместится в корпус телефона. Здесь ARM вне конкуренции. С одной стороны, это выглядит привлекательным вариантом для построения суперкомпьютера с использованием миллиона ARM-процессоров вместо тысячи процессоров x86. С другой стороны, нельзя однозначно сравнивать две архитектуры. В чем-то преимущество будет за ARM, а в чем-то – за x86.

Однако называть чипы архитектуры ARM процессорами не совсем корректно. Кроме нескольких процессорных ядер, они также включают другие компоненты. Наиболее подходящим будет термин «однокристальная система» или «система на кристалле» (SoC). Современные однокристальные системы для мобильных устройств включают контроллер оперативной памяти, графический ускоритель, видеодекодер, аудиокодек и модули беспроводной связи. Как уже было сказано ранее, отдельные компоненты чипсета могут быть разработаны сторонними производителями. Наиболее ярким примером этого являются графические ядра, разработкой которых кроме ARM Limited (графика Mali), занимаются Qualcomm (Adreno), NVIDIA (GeForce ULP) и Imagination Technologies (PowerVR).

На практике это выглядит следующим образом. Большинство бюджетных мобильных устройств на Android поставляются с чипсетами производства компании MediaTek , которая практически неизменно следует инструкциям ARM Limited и комплектует их ядрами Cortex-A и графикой Mali (реже PowerVR).

А-бренды для своих флагманских устройств зачастую используют чипсеты производства Qualcomm . К слову, последние чипы Qualcomm Snapdragon ( , ) оснащены полностью кастомными ядрами Kryo – для центрального процессора и Adreno – для графического ускорителя.

Что касается Apple , то для iPhone и iPad компания использует собственные чипы А-серии с графическим ускорителем PowerVR, производством которых занимаются сторонние компании. Так, в установлен 64-битный четырехъядерный процессор A10 Fusion и графический процессор PowerVR GT7600.

Актуальной на момент написания статьи считается архитектура процессоров семейства ARMv8 . В ней впервые стал использоваться 64-битный набор инструкций и появилась поддержка более 4 ГБ оперативной памяти. Архитектура ARMv8 имеет обратную совместимость с 32-битными приложениями. Наиболее эффективным и самым мощным процессорным ядром, разработанным ARM Limited, на данный момент является Cortex-A73 , и большинство производителей однокристальных систем используют его без изменений.

Cortex-A73 обеспечивает на 30% более высокую производительность по сравнению с Cortex-А72 и поддерживает полный набор ARMv8-архитектуры. Максимальная частота процессорного ядра составляет 2,8 ГГц.

Сфера использования ARM

Наибольшую славу ARM принесло развитие мобильных устройств. В преддверии массового производства смартфонов и другой портативной техники энергоэффективные процессоры пришлись как нельзя кстати. Кульминацией развития ARM Limited стал 2007 год, когда британская компания возобновила партнерство с Apple, а спустя некоторое время купертиновцы представили свой первый iPhone с процессором на архитектуре ARM. В последующем однокристальная система на базе архитектуры ARM стала неизменным компонентом практически всех смартфонов, представленных на рынке.

Портфолио компании ARM Limited не ограничивается только ядрами семейства Cortex-A. Фактически, под маркой Cortex существует три серии процессорных ядер, которые обозначаются буквами A, R, M. Семейство ядер Cortex-А , как мы уже знаем, является наиболее мощными. Их в основном используют в смартфонах, планшетах, ТВ-приставках, спутниковых ресиверах, автомобильных системах, робототехнике. Процессорные ядра Cortex-R оптимизированы для выполнения высокопроизводительных задач в режиме реального времени, поэтому такие чипы встречаются в медицинском оборудовании, автономных системах безопасности, носителях информации. Основной задачей семейства Cortex-M является простота и низкая стоимость. Технически это самые слабые процессорные ядра с наиболее низким энергопотреблением. Процессоры на базе таких ядер используются практически везде, где от устройства требуется минимальная мощность и низкая стоимость: сенсоры, контроллеры, сигнализации, дисплеи, умные часы и другая техника.

В общем, большинство современных устройств от маленьких до больших, нуждающихся в центральном процессоре, используют чипы ARM. Огромным плюсом при этом является тот факт, что архитектура ARM поддерживается множеством операционных систем на платформе Linux (в том числе Android и Chrome OS), iOS, и Windows (Windows Phone).

Конкуренция на рынке и перспективы на будущее

Стоит признать, на данный момент у ARM нет серьезных конкурентов. И по большому счету это связано с тем, что компания ARM Limited в определенное время сделала правильный выбор. А ведь в самом начале своего пути компания выпускала процессоры для ПК и даже пыталась конкурировать с Intel. После того, как ARM Limited поменяла направление своей деятельности, ей также было непросто. Тогда программный монополист в лице Microsoft, заключив партнерское соглашение с Intel, не оставил никаких шансов другим производителям, в том числе и ARM Limited – ОС Windows просто не работала на системах с процессорами ARM. Как бы парадоксально это не звучало, но сейчас ситуация может кардинально измениться, и уже ОС Windows готова поддерживать процессоры на этой архитектуре.

На волне успехов чипов ARM компания Intel предприняла попытку создать конкурентоспособный процессор и вышла на рынок с чипом Intel Atom . Для этого ей потребовалось гораздо больше времени, нежели ARM Limited. В производство чипсет поступил в 2011 году, но, как говорится, поезд уже ушел. Intel Atom является CISC-процессором с архитектурой x86. Инженеры компании добились более низкого энергопотребления, нежели в ARM, однако на текущий момент разнообразный мобильный софт имеет плохую адаптацию к архитектуре x86.

В прошлом году Intel отказалась от нескольких ключевых решений в дальнейшем развитии мобильных систем. Фактически компания для мобильных устройств, поскольку они стали нерентабельными. Единственным крупным производителем, который комплектовал свои смартфоны чипсетами Intel Atom, был ASUS. Однако массовое использование Intel Atom все же получил в нетбуках, неттопах и других портативных устройствах.

Положение ARM Limited на рынке уникальное. На данный момент практически все производители пользуются ее разработками. При этом у компании нет собственных заводов. Это не мешает ей стоять в одном ряду с Intel и AMD. История ARM включает еще один любопытный факт. Не исключено, что сейчас технология ARM могла бы принадлежать компании Apple, которая стояла в основе формирования ARM Limited. По иронии судьбы в 1998 году купертиновцы, переживая кризисные времена, продали свою долю. Теперь Apple вынуждена наряду с другими компаниями покупать лицензию на процессоры ARM, используемые в iPhone и iPad.

Сейчас процессоры ARM способны выполнять серьезные задачи. В ближайшей перспективе – использование их в серверах, в частности такие решения уже имеют дата-центры Facebook и PayPal. В эпоху развития интернета вещей (IoT) и «умных» бытовых устройств чипы ARM получили еще большую востребовательность. Так что самое интересное у ARM еще впереди.