Про ARM-архитектуру слышал каждый, кто интересуется мобильными технологиями. При этом для большинства людей это ассоциируется с процессорами планшетов или смартфонов. Другие же поправляют их, уточняя, что это не сам камень, а лишь его архитектура. Но практически никто из них уж точно не интересовался, откуда и собственно когда возникла эта технология.
А между тем данная технология широко распространена среди многочисленных современных гаджетов, которых с каждым годом становится все больше и больше. К тому же на пути развития компании, которая занялась разработкой ARM-процессоров, есть один интересный случай, о котором не грех упомянуть, возможно, для кого-то он станет уроком на будущее.
ARM-архитектура для чайников
Под аббревиатурой ARM скрывается довольно успешная британская компания ARM Limited в области IT-технологий. Расшифровывается она как Advanced RISC Machines и является одним из крупных мировых разработчиков и лицензиаров 32-разрядной архитектуры RISC-процессоров, которыми оснащается большинство портативных устройств.
Но, что характерно, сама компания не занимается производством микропроцессоров, а лишь разрабатывает и лицензирует свою технологию другим сторонам. В частности ARM-архитектура микроконтролеров закупается такими производителями:
- Atmel.
- Cirrus Logic.
- Intel.
- Apple.
- nVidia.
- HiSilicon.
- Marvell.
- Samsung.
- Qualcomm.
- Sony Ericsson.
- Texas Instruments.
- Broadcom.
Некоторые из них известны широкой аудитории потребителей цифровых гаджетов. По заверениям британской корпорации ARM, общая численность произведенных по их технологии микропроцессоров - более 2,5 миллиарда. Существует несколько серий мобильных камней:
- ARM7 - тактовая частота 60-72 МГц, что актуально для мобильных бюджетных телефонов.
- ARM9/ ARM9E - частота уже более высокая около 200 МГц. Такими микропроцессорами оснащаются более функциональные смартфоны и карманные компьютеры (КПК).
Cortex и ARM11 являются уже более современными семействами микропроцессоров в сравнении с прошлой архитектурой микроконтроллеров ARM, с тактовой частотой до 1 ГГц и расширенными возможностями обработки цифровых сигналов.
Популярные микропроцессоры xScale от компании Marvell (до середины лета 2007 года проект находился в распоряжении Intel) на самом деле представляют собой расширенный вариант архитектуры ARM9, дополненный набором инструкций Wireless MMX. Данное решение от Intel было ориентировано на поддержку мультимедийных приложений.
ARM-технология относится к 32-битной микропроцессорной архитектуре, содержащая сокращенный набор команд, что именуется как RISC. По проведенным подсчетам, применение процессоров ARM - это 82% от всего количества производимых RISC-процессоров, что говорит о довольно широкой зоне охвата 32-битных систем.
Многие электронные устройства оснащаются ARM-архитектурой процессора, и это не только PDA и сотовые телефоны, но и портативные игровые консоли, калькуляторы, компьютерная периферия, сетевое оборудование и многое другое.
Небольшое путешествие назад в прошлое
Отправимся на воображаемой машине времени на несколько лет назад и попробуем разобраться, с чего же все начиналось. Можно с уверенностью сказать, что компания ARM - это, скорее, монополист в своей области. И это подтверждается тем, что подавляющее большинство смартфонов и прочих электронных цифровых устройств работают под управлением микропроцессоров, созданных по данной архитектуре.
В 1980 году была основана компания Acorn Computers, которая начала создавать персональные компьютеры. Поэтому ранее ARM была представлена как Acorn RISC Machines.
Год спустя на суд потребителей была представлена домашняя версия ПК BBC Micro с самой первой ARM-архитектурой процессора. Это был успех, тем не менее чип не справлялся с графическими задачами, а прочие варианты в лице процессоров Motorola 68000 и National Semiconductor 32016 тоже не годились для этого.
Тогда руководство компании задумалось над созданием своего микропроцессора. Инженеров заинтересовала новая процессорная архитектура, придуманная выпускниками местного университета. В ней как раз использовался сокращенный набор команд, или RISC. И после появления первого компьютера, который управлялся процессором Acorn Risc Machine, успех пришел довольно быстро - в 1990 году между британским брендом и Apple был заключен договор. Это положило началу разработки нового чипсета, что, в свою очередь, привело к образованию целой команды разработчиков, именуемой как Advanced RISC Machines, или ARM.
Начиная с 1998 года, компания сменила название на ARM Limited. И теперь специалисты не занимаются производством и реализацией ARM-архитектуры. Что это дало? На развитии компании это никоим образом не сказалось, хоть основным и единственным направлением компании стала разработка технологий, а также продажа лицензий сторонним фирмам, чтобы те могли пользоваться процессорной архитектурой. При этом некоторые компании приобретают права на готовые ядра, другие же по приобретенной лицензии оснащают процессоры своими ядрами.
Согласно некоторым данным заработок компании на каждом подобном решении составляет 0,067 $. Но эти сведения усредненные и устаревшие. Ежегодно количество ядер в чипсетах растет, соответственно и себестоимость современных процессоров превосходит старые образцы.
Область применения
Именно развитие мобильных устройств и принесло компании ARM Limited огромную популярность. А когда производство смартфонов и прочих портативных электронных устройств приобрело массовый характер, энергоэффективным процессорам тут же нашлось применение. Вот интересно, а есть ли linux на arm-архитектуре?
Кульминационный период развития компании ARM приходится на 2007 год, когда были возобновлены партнерские отношения с брендом Apple. После этого на суд потребителей был представлен первый iPhone на базе ARM процессора. Начиная с этого времени подобная процессорная архитектура стала неизменной составляющей практически любого выпускаемого смартфона, которые только можно найти на современном мобильном рынке.
Можно сказать, что практически каждое современное электронное устройство, которое нуждается в управлении процессором, так или иначе оснащенном чипами ARM. А тот факт, что такая процессорная архитектура поддерживает многие операционные системы, будь то Linux, Android, iOS, и Windows, является неоспоримым преимуществом. Среди них числиться и Windows embedded CE 6.0 Core, архитектура arm тоже ею поддерживается. Данная платформа рассчитана на наладонные компьютеры, мобильные телефоны и встраиваемые системы.
Отличительные особенности x86 и ARM
Многие пользователи, которые наслышаны о ARM и x86, немного путают эти две архитектуры между собой. А между тем у них есть определенные различия. Существует два основных типа архитектур:
- CISC (Complex Instruction Set Computing).
- Computing).
К CISC относятся процессоры x86 (Intel либо AMD), к RISC, как уже можно понять, семейство ARM. У архитектуры x86, и arm есть свои почитатели. Благодаря стараниям специалистов ARM, которые делали упор на энергоэффективность и использование простого набора инструкций, процессоры сильно выиграли от этого - мобильный рынок начал стремительно развиваться, а многие смартфоны практически почти приравнялись с возможностями компьютеров.
В свою очередь Intel всегда славилась выпуском процессоров с высокой производительностью и пропускной способностью для настольных ПК, ноутбуков, серверов и даже суперкомпьютеров.
Эти два семейства по-своему завоевывали сердца пользователей. Но в чем их различие? Отличительных признаков или даже особенностей несколько, разберем наиболее важные из них.
Мощность обработки
Начнем разбор различий архитектур ARM и x86 с этого параметра. Особенность профессоров RISC заключается в использовании как можно меньшего количества инструкций. Причем они должны быть максимально простыми, что наделяет их преимуществами не только для инженеров, но и разработчиков программного обеспечения.
Философия здесь несложная - если инструкция простая, то для нужной схемы не нужно слишком большое количество транзисторов. Как результат, освобождается дополнительное пространство для чего-либо или же размеры чипов становятся меньше. По этой причине микропроцессоры ARM стали объединять в себе периферийные устройства, вроде графических процессоров. Показательный пример - компьютер Raspberry Pi, у которого минимальное количество компонентов.
Однако простота инструкций обходится дорого. Чтобы выполнять те или иные задачи необходимы дополнительные инструкции, что обычно приводит к росту потребления памяти и времени на выполнение задач.
В отличие от arm-архитектуры процесора инструкции чипов CISC, коими являются решения от Intel, могут выполнять сложные задачи с большой гибкостью. Иными словами, машины на базе RISC производят операции между регистрами, и обычно требуется, чтобы программа загружала переменные в регистр, перед выполнением операции. Процессоры CISC способны на выполнение операций несколькими способами:
- между регистрами;
- между регистром и местом памяти;
- между ячейками памяти.
Но это лишь часть отличительных особенностей, перейдем к разбору других признаков.
Потребляемая мощность
В зависимости от типа устройства потребляемая мощность может иметь разную степень значимости. Для той системы, которая подключена к постоянному источнику питания (электросеть) ограничения потребления энергии попросту нет. Однако мобильные телефоны и прочие электронные гаджеты в полной мере зависят от управления питанием.
Еще одно различие архитектуры arm и x86 в том, что у первой энергопотребление меньше чем 5 Вт, включая многие сопутствующие пакеты: графические процессоры, периферийные устройства, память. Такая малая мощность обусловлена меньшей численностью транзисторов в совокупности с относительно низкими скоростями (если провести параллель с процессорами для настольных ПК). В то же время это нашло отпечаток на производительности - для выполнения сложных операций требуется больше времени.
Ядра Intel отличаются сложность структурой и в силу этого потребление энергии у них существенно выше. К примеру, процессор Intel I-7 с высокой производительностью потребляет около 130 Вт энергии, мобильные версии - 6-30 Вт.
Программное обеспечение
Проводить сравнение по этому параметру довольно трудно, поскольку оба бренда очень популярны в своих кругах. Устройства, которые основываются на процессорах arm-архитектуры, прекрасно работают с мобильными операционными системами (Android и прочее).
Машины под управлением процессоров от Intel способны работать с платформами наподобие Windows и Linux. К тому же оба семейства микропроцессоров дружат с приложениями, написанными на языке Java.
Разбирая различия архитектур, можно однозначно сказать одно - процессоры ARM главным образом управляют энергопотреблением мобильных устройств. Задача же настольных решений большего всего заключается в обеспечении высокой производительности.
Новые достижения
Компания ARM за счет ведения грамотной политики, полностью прибрала к рукам мобильный рынок. Но в дальнейшем она не собирается останавливаться на достигнутом. Не так давно была представлена новая разработка ядер: Cortex-A53, и Cortex-A57, в которых было проведено одно важное обновление - поддержка 64-битных вычислений.
Ядро A53 является прямым последователем ARM Cortex-A8, у которого хоть и была не очень высокая производительность, но энергопотребление на минимальном уровне. Как отмечают специалисты, у архитектуры энергопотребление снижено в 4 раза, а по производительности она не будет уступать ядру Cortex-A9. И это притом, что площадь ядра A53 на 40% меньше, чем у A9.
Ядро A57 придет на замену Cortex-A9 и Cortex-A15. При этом инженеры ARM заявляют о феноменальном приросте производительности - в три раза выше, чем у ядра A15. Иными словами микропроцессор A57 будет в 6 раз быстрее Cortex-A9, а его энергоэффективность будет в 5 раз лучше, чем у A15.
Если подытожить, то серия cortex, а именно более совершенная a53, отличается от своих предшественников более высокой производительностью на фоне не менее высокой энергоэффективности. Даже процессоры Cortex-A7, которые ставятся на большинство смартфонов, не выдерживают конкуренции!
Но что более ценно это то, что архитектура arm cortex a53 - это та составляющая, которая позволит избежать проблем, связанных с нехваткой памяти. К тому же и устройство будет медленнее разряжать батарею. Благодаря новинке эти проблемы теперь останутся в далеком прошлом.
Графические решения
Помимо разработки процессоров, компания ARM трудится над воплощением графических ускорителей серии Mali. И самый первый из них - это Mali 55. Этим ускорителем оснастили телефон LG Renoir. И да, это самый обычный мобильник. Только в нем GPU отвечала не за игры, а лишь отрисовывал интерфейс, ведь если судить по современным меркам, графический процессор отличается примитивными возможностями.
Но прогресс неумолимо летит вперед и поэтому, чтобы идти в ногу со временем, у компании ARM есть и более совершенные модели, которые актуальны для смартфонов средней ценовой категории. Речь идет о распространенных GPU Mali-400 MP и Mali-450 MP. Хоть у них и небольшая производительность и ограниченный набор API, это не мешает им находить применение в современных мобильных моделях. Яркий пример - телефон Zopo ZP998, в котором восьмиядерный чип MTK6592 работает в паре с графическим ускорителем Mali-450 MP4.
Конкурентоспособность
В настоящее время компании ARM пока еще никто не противостоит и главным образом это обусловлено тем, что в свое время было принято верное решение. Но когда-то давно еще в начале своего пути команда разработчиков трудилась над созданием процессоров для ПК и даже предприняла попытку конкурировать с таким гигантом как Intel. Но даже после того, как направление деятельности было сменено, компании приходилось тяжело.
А когда всемирно известный компьютерный бренд Microsoft заключил договор с Intel, у остальных производителей просто не было шансов - операционная система Windows отказывалась работать с процессорами ARM. Как тут не удержаться от использования эмуляторов gcam на архитектуру arm?! Что касательно компании Intel, то наблюдая волну успеха ARM Limited, тоже попыталась создать процессор, который бы составил достойную конкуренцию. Для этого широкой публике был предоставлен чип Intel Atom. Но заняло это намного больший промежуток времени, чем у ARM Limited. И в производство чип ушел лишь в 2011 году, но драгоценное время было уже потеряно.
По сути, Intel Atom - это CISC-процессор с архитектурой x86. Специалистам удалось добиться более низкого энергопотребления, чем в ARM решениях. Тем не менее весь тот софт, который выходит под мобильные платформы, плохо адаптирован к архитектуре x86.
В конечном итоге компания признала полную повальность принятого решения и в дальнейшем отказалась от производства процессоров под мобильные устройства. Единственный крупный производитель чипов Intel Atom - это компания ASUS. В то же время эти процессоры не канули в лету, ими в массовом порядке оснащали нетбуки, неттопы и прочие портативные устройства.
Однако существует вероятность, что ситуация изменится и любимая всеми операционная система Windows станет поддерживать микропроцессоры ARM. К тому же шаги в этом направлении делаются, может и правда появятся что-то наподобие эмуляторов gcam на ARM-архитектуру для мобильных решений?! Кто знает, время покажет и все расставит по местам.
В истории развития компании ARM есть один интересный момент (в самом начале статьи именно он имелся ввиду). Когда-то в основе ARM Limited находилась компания Apple и вероятно, что вся технология ARM принадлежала бы именно ей. Однако судьба распорядилась иначе - в 1998 году Apple находилась в кризисном положении, и руководство было вынуждено продать свою долю. В настоящее время она находится наравне с прочими производителями и остается для своих устройств iPhone и iPad закупать технологии у ARM Limited. Кто же мог знать, как все может обернуться?!
Современные процессоры ARM способны выполнять боле сложные операции. А в ближайшем будущем руководство компании нацелилось выйти на серверный рынок, в чем она, несомненно, заинтересована. К тому же в наше современное время, когда близится эпоха развития интернет вещей (IoT), в числе которых и «умные» бытовые приборы, можно прогнозировать еще большую востребованность чипов с ARM-архитектурой.
Так что у компании ARM Limited впереди далеко не беспросветное будущее! И вряд ли в ближайшее время найдется кто-нибудь, кто может потеснить такого, вне всякого сомнения, мобильного гиганта по разработке процессоров для смартфонов и прочих подобных электронных устройств.
В качестве заключения
Процессоры ARM довольно быстро захватили рынок мобильных устройств и все благодаря низкому энергопотреблению и пусть не очень высокой, но все же, хорошей производительности. В настоящее время положению дел у компании ARM можно только позавидовать. Многие производители пользуются ее технологиями, что ставит Advanced RISC Machines наравне с такими гигантами в области разработок процессоров как Intel и AMD. И это притом, что компания не имеет собственного производства.
Какое-то время конкурентом мобильного бренда была компания MIPS с одноименной архитектурой. Но в настоящее время есть пока единственный серьезный конкурент в лице корпорации Intel, правда ее руководство не считает, что arm-архитектура может представлять угрозу для ее рыночной доли.
Также, по мнению специалистов из Intel, процессоры ARM не способны обеспечить запуск настольных версий операционных систем. Однако такое заявление звучит немного нелогично, ведь владельцы ультрамобильных ПК не пользуются «тяжеловесным» программным обеспечением. В большинстве случаев нужен выход в сеть интернет, редактирование документов, прослушивание медиафайлов (музыка, кино) и прочие несложные задачи. А ARM решения прекрасно справляются с такими операциями.
Первые чипы ARM появились еще три десятилетия назад благодаря стараниям британской компании Acorn Computers (ныне ARM Limited), но долгое время пребывали в тени своих более именитых собратьев – процессоров архитектуры х86. Все перевернулось с ног на голову с переходом IT-индустрии в пост-компьютерную эпоху, когда балом стали править уже не ПК, а мобильные гаджеты.
Начать стоит, пожалуй, с того, что в процессорной архитектуре x86, которую сейчас используют компании Intel и AMD, применяется набор команд CISC (Complex Instruction Set Computer), хоть и не в чистом виде. Так, большое количество сложных по своей структуре команд, что долгое время было отличительной чертой CISC, сначала декодируются в простые, и только затем обрабатываются. Понятное дело, на всю эту цепочку действий уходит немало энергии.
В качестве энергоэффективной альтернативы выступают чипы архитектуры ARM с набором команд RISC (Reduced Instruction Set Computer). Его преимущество в изначально небольшом наборе простых команд, которые обрабатываются с минимальными затратами. Как результат, сейчас на рынке потребительской электроники мирно (на самом деле, не очень мирно) уживаются две процессорные архитектуры – х86 и ARM, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки.
Архитектура х86 позиционируется как более универсальная с точки зрения посильных ей задач, включая даже столь ресурсоемкие, как редактирование фотографий, музыки и видео, а также шифрование и сжатие данных. В свою очередь архитектура ARM «выезжает» за счет крайне низкого энергопотребления и в целом-то достаточной производительности для важнейших на сегодня целей: прорисовки веб-страниц и воспроизведения медиaконтента.
Бизнес-модель компании ARM Limited
Сейчас компания ARM Limited занимается лишь разработкой референсных процессорных архитектур и их лицензированием. Создание же конкретных моделей чипов и их последующее массовое производство – это уже дело лицензиатов ARM, которых насчитывается превеликое множество. Есть среди них как известные лишь в узких кругах компании вроде STMicroelectronics, HiSilicon и Atmel, так и IT-гиганты, имена которых у всех на слуху – Samsung, NVIDIA и Qualcomm. С полным списком компаний-лицензиатов можно ознакомиться на соответствующей странице официального сайта ARM Limited .
Столь большое число лицензиатов вызвано в первую очередь обилием сфер применения ARM-процессоров, причем мобильные гаджеты – это лишь вершина айсберга. Недорогие и энергоэффективные чипы используется во встраиваемых системах, сетевом оборудовании и измерительных приборах. Платежные терминалы, внешние 3G-модемы и спортивные пульсометры – все эти устройства основаны на процессорной архитектуре ARM.
По подсчетам аналитиков, сама ARM Limited зарабатывает на каждом произведенном чипе $0,067 в виде роялти. Но это сильно усредненная сумма, ведь по себестоимости новейшие многоядерные процессоры значительно превосходят одноядерные чипы устаревшей архитектуры.
Однокристальная система
С технической точки зрения называть чипы архитектуры ARM процессорами не совсем верно, ведь помимо одного или нескольких вычислительных ядер они включают целый ряд сопутствующих компонентов. Более уместными в данном случае являются термины однокристальная система и система-на-чипе (от англ. system on a chip).
Так, новейшие однокристальные системы для смартфонов и планшетных компьютеров включают контроллер оперативной памяти, графический ускоритель, видеодекодер, аудиоокодек и опционально модули беспроводной связи. Узкоспециализированные чипы могут включать дополнительные контроллеры для взаимодействия с периферийными устройствами, например датчиками.
Отдельные компоненты однокристальной системы могут быть разработаны как непосредственно ARM Limited, так и сторонними компаниями. Ярким тому примером являются графические ускорители, разработкой которых помимо ARM Limited (графика Mali) занимаются Qualcomm (графика Adreno) и NVIDIA (графика GeForce ULP).
Не стоит забывать и про компанию Imagination Technologies, которая ничем другим, кроме проектирования графических ускорителей PowerVR, вообще не занимается. А ведь именно ей принадлежит чуть ли не половина глобального рынка мобильной графики: гаджеты Apple и Amazon, планшетники Samsung Galaxy Tab 2, а также недорогие смартфоны на базе процессоров MTK.
Устаревшие поколения чипов
Морально устаревшими, но все еще широко распространенными процессорными архитектурами являются ARM9 и ARM11, которые принадлежат к семействам ARMv5 и ARMv6 соответственно.
ARM9 . Чипы ARM9 могут достигать тактовой частоты 400 МГц и, скорее всего, именно они установлены внутри вашего беспроводного маршрутизатора и старенького, но все еще надежно работающего мобильного телефона вроде Sony Ericsson K750i и Nokia 6300. Критически важным для чипов ARM9 является набор инструкций Jazelle, который позволяет комфортно работать с Java-приложениями (Opera Mini, Jimm, Foliant и др.).
ARM11 . Процессоры ARM11 могут похвастаться расширенным по сравнению с ARM9 набором инструкций и куда более высокой тактовой частотой (вплоть до 1 ГГц), хотя для современных задач их мощности тоже не достаточно. Тем не менее, благодаря невысокому энергопотреблению и, что не менее важно, себестоимости, чипы ARM11 до сих пор применяются в смартфонах начального уровня: Samsung Galaxy Pocket и Nokia 500.
Современные поколения чипов
Все более-менее новые чипы архитектуры ARM принадлежат к семейству ARMv7, флагманские представители которого уже достигли отметки в восемь ядер и тактовой частоты свыше 2 ГГц. Разработанные непосредственно ARM Limited процессорные ядра принадлежат к линейке Cortex и большинство производителей однокристальных систем используют их без существенных изменений. Лишь компании Qualcomm и Apple создали собственные модификации на основе ARMv7 – первая назвала свои творения Scorpion и Krait, а вторая – Swift.
ARM Cortex-A8. Исторически первым процессорным ядром семейства ARMv7 было Cortex-A8, которое легло в основу таких известных SoC своего времени как Apple A4 (iPhone 4 и iPad) и Samsung Hummingbird (Samsung Galaxy S и Galaxy Tab). Оно демонстрирует примерно вдвое более высокую производительность по сравнению с предшествующим ARM11. К тому же, ядро Cortex-A8 получило сопроцессор NEON для обработки видео высокого разрешения и поддержку плагина Adobe Flash.
Правда, все это негативно сказалось на энергопотреблении Cortex-A8, которое значительно выше чем у ARM11. Несмотря на то, что чипы ARM Cortex-A8 до сих пор применяются в бюджетных планшетниках (однокристальная система Allwiner Boxchip A10), их дни пребывания на рынке, по всей видимости, сочтены.
ARM Cortex-A9. Вслед за Cortex-A8 компания ARM Limited представила новое поколение чипов – Cortex-A9, которое сейчас является самым распространенным и занимает среднюю ценовую нишу. Производительность ядер Cortex-A9 выросла примерно втрое по сравнению с Cortex-A8, да еще и появилась возможность объединять их по два или даже четыре на одном чипе.
Сопроцессор NEON стал уже необязательным: компания NVIDIA в своей однокристальной системе Tegra 2 его упразднила, решив освободить побольше места для графического ускорителя. Правда, ничего хорошего из этого не вышло, ведь большинство приложений-видеопроигрывателей все равно ориентировались на проверенный временем NEON.
Именно во времена «царствования» Cortex-A9 появились первые реализации предложенной ARM Limited концепции big.LITTLE, согласно которой однокристальные системы должны иметь одновременно мощные и слабые, но энергоэффективные процессорные ядра. Первой реализацией концепции big.LITTLE стала система-на-чипе NVIDIA Tegra 3 с четырьмя ядрами Cortex-A9 (до 1,7 ГГц) и пятым энергоэффективным ядром-компаньоном (500 МГц) для выполнения простеньких фоновых задач.
ARM Cortex-A5 и Cortex-A7. При проектировании процессорных ядер Cortex-A5 и Cortex-A7 компания ARM Limited преследовала одно и ту же цель – добиться компромисса между минимальным энергопотреблением ARM11 и приемлемым быстродействием Cortex-A8. Не забыли и про возможность объединения ядер по два-четыре – многоядерные чипы Cortex-A5 и Cortex-A7 мало-помалу появляются в продаже (Qualcomm MSM8625 и MTK 6589).
ARM Cortex-A15. Процессорные ядра Cortex-A15 стали логическим продолжением Cortex-A9 – как результат, чипам архитектуры ARM впервые в истории удалось примерно сравниться по быстродействию с Intel Atom, а это уже большой успех. Не зря ведь компания Canonical в системных требования к версии ОС Ubuntu Touch с полноценной многозадачностью указала двухъядерный процессор ARM Cortex-A15 или аналогичный Intel Atom.
Очень скоро в продажу поступят многочисленные гаджеты на базе NVIDIA Tegra 4 с четырьмя ядрами ARM Cortex-A15 и пятым ядром-компаньоном Cortex-A7. Вслед за NVIDIA концепцию big.LITTLE подхватила компания Samsung: «сердцем» смартфона Galaxy S4 стал чип Exynos 5 Octa с четырьмя ядрами Cortex-A15 и таким же количеством энергоэффективных ядер Cortex-A7.
Дальнейшие перспективы
Мобильные гаджеты на базе чипов Cortex-A15 еще толком не появились в продаже, а основные тенденции дальнейшего развития архитектуры ARM уже известны. Компания ARM Limited уже официально представила следующее семейство процессоров ARMv8, представители которого в обязательном порядке будут 64-разрядными. Открывают новую эпоху RISC-процессоров ядра Cortex-A53 и Cortex-A57: первое энергоэффективное, а второе высокопроизводительное, но оба способны работать с большими объемами оперативной памяти.
Производители потребительской электроники семейством процессоров ARMv8 пока особо-то не заинтересовались, но на горизонте вырисовались новые лицензиаты, планирующие вывести чипы ARM на серверный рынок: AMD и Calxeda. Идея новаторская, но вполне имеет право на жизнь: те же графические ускорители NVIDIA Tesla, состоящие из большого числа простых ядер, на практике доказали свою эффективность как серверных решений.
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.
Как устроен процессор. Почему за ARM будущее?Современного потребителя электроники очень сложно удивить. Мы уже привыкли к тому, что наш карман законно занимает смартфон, в сумке лежит ноутбук, на руке послушно отсчитывают шаги «умные» часы, а слух ласкают наушники с активной системой шумоподавления.
Забавная штука, но мы привыкли носить с собой не один, а сразу два, три и более компьютеров. Ведь именно так можно назвать устройство, у которого есть процессор. И вовсе неважно, как выглядит конкретный девайс. За его работу отвечает миниатюрный чип, преодолевший бурный и стремительный путь развития.
Почему мы подняли тему процессоров? Все просто. За последние десять лет произошла настоящая революция в мире мобильных устройств.
Между этими устройствами всего 10 лет разницы. Но Nokia N95 тогда нам казалась космическим девайсом, а на ARKit сегодня мы смотрим с определенным недоверием
А ведь все могло бы сложиться иначе и потрепанный Pentium IV так бы и остался пределом мечтаний рядового покупателя.
Мы постарались обойтись без сложных технических терминов и рассказать, как работает процессор, и выяснить, за какой архитектурой будущее.
1. С чего все началось
Первые процессоры были абсолютно не похожи на то, что вы можете видеть, приоткрыв крышку системного блока вашего ПК.
Вместо микросхем в 40-е годы XX века использовались электромеханические реле, дополненные вакуумными лампами. Лампы выполняли роль диода, регулировать состояние которого можно было за счет понижения или повышения напряжения в цепи. Выглядели такие конструкции так:
Для работы одного исполинского компьютера нужны были сотни, иногда тысячи процессоров. Но, при этом, вы не смогли бы запустить на таком компьютере даже простенький редактор, как NotePad или TestEdit из штатного набора Windows и macOS. Компьютеру банально не хватило бы мощности.
2. Появление транзисторов
Первые полевые транзисторы появились еще в 1928 году. Но мир изменился лишь после появления так называемых биполярных транзисторов, открытых в 1947-м.
В конце 40-х физик-экспериментатор Уолтер Браттейн и теоретик Джон Бардин разработали первый точечный транзистор. В 1950 его заменил первый плоскостной транзистор, а в 1954 году небезизвестный производитель Texas Instruments анонсировал уже кремниевый транзистор.
Но настоящая революция наступила в 1959 году, когда ученый Жан Энри разработал первый кремниевый планарный (плоский) транзистор, который стал основой для монолитных интегральных схем.
Да, это немного сложно, поэтому давайте копнем немного глубже и разберемся с теоретической частью.
3. Как работает транзистор
Итак, задача такого электрического компонента как транзистор заключается в управлении током. Проще говоря, этот немного хитрый переключатель, контролирует подачу электричества.
Основное преимущество транзистора перед обычным переключателем в том, что он не требует присутствия человека. Т.е. управлять током такой элемент способен самостоятельно. К тому же, он работает намного быстрее, чем вы бы самостоятельно включали или отключали электрическую цепь.
Задача компьютера заключается в том, чтобы представить электрический ток в виде чисел.
И если раньше задачу переключения состояний выполняли неповоротливые, громоздкие и малоэффективные электрические реле, то теперь эту рутинную работу взял на себя транзистор.
С начала 60-х транзисторы стали изготавливать из кремния, что позволило не только делать процессоры компактнее, но и существенно повысить их надежность.
Но сначала разберемся с диодом
Кремний (он же Si - «silicium» в таблице Менделеева) относится к категории полупроводников, а значит он, с одной стороны, пропускает ток лучше диэлектрика, с другой, - делает это хуже, чем металл.
Хочется нам того или нет, но для понимания работы и дальнейшей история развития процессоров придется окунуться в строение одного атома кремния. Не бойтесь, сделаем это кратко и очень понятно.
Задача транзистора заключается в усилении слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.
У атома кремния есть четыре электрона, благодаря которым он образует связи (а если быть точным - ковалентные связи) с такими же близлежащими тремя атомами, формируя кристаллическую решетку. Пока большинство электронов находятся в связи, незначительная их часть способна двигаться через кристаллическую решетку. Именно из-за такого частичного перехода электронов кремний отнесли к полупроводникам.
Но столь слабое движение электронов не позволило бы использовать транзистор на практике, поэтому ученые решили повысить производительность транзисторов за счет легирования, а проще говоря - дополнения кристаллической решетки кремния атомами элементов с характерным размещением электронов.
Так стали использовать 5-валентную примесь фосфора, за счет чего получили транзисторы n-типа. Наличие дополнительного электрона позволило ускорить их движение, повысив пропуск тока.
При легировании транзисторов p-типа таким катализатором стал бор, в который входят три электрона. Из-за отсутствия одного электрона, в кристаллической решетке возникают дырки (выполняют роль положительного заряда), но за счет того, что электроны способны заполнять эти дырки, проводимость кремния повышается в разы.
Предположим, мы взяли кремниевую пластину и легировали одну ее часть при помощи примеси p-типа, а другую - при помощи n-типа. Так мы получили диод - базовый элемент транзистора.
Теперь электроны, находящиеся в n-части, будут стремится перейти в дырки, расположенные в p-части. При этом n-сторона будет иметь незначительный отрицательный, а p-сторона - положительный заряды. Образованное в результате этого «тяготения» электрическое поле –барьер, будет препятствовать дальнейшему перемещению электронов.
Если к диоду подключить источник питания таким образом, чтобы "–" касался p-стороны пластины, а "+" - n-стороны, протекание тока будет невозможно из-за того, что дырки притянутся в минусовому контакту источника питания, а электроны - к плюсовому, и связь между электронами p и n стороны будет утеряна за счет расширения объединенного слоя.
Но если подключить питание с достаточным напряжением наоборот, т.е. "+" от источника к p-стороне, а "–" - к n-стороне, размещенные на n-стороне электроны будут отталкиваться отрицательным полюсом и выталкиваться на p-сторону, занимая дырки в p-области.
Но теперь электроны притягивает к положительному полюсу источника питания и они продолжаются перемещаться по p-дыркам. Это явление назвали прямым смещением диода.
Диод + диод = транзистор
Сам по себе транзистор можно представить как два, состыкованных друг к другу диода. При этом p-область (та, где размещены дырки) у них становится общей и именуется «базой».
У N-P-N транзистора две n-области с дополнительными электронами - они же «эмиттер» и «коллектор» и одна, слабая область с дырками - p-область, именуемая «базой».
Если подключить источник питания (назовем его V1) к n-областям транзистора (независимо от полюса), один диод получит обратное смещение и транзистор будет находиться в закрытом состоянии.
Но, как только мы подключим еще один источник питания (назовем его V2), установив "+" контакт на «центральную» p-область (базу), а "–" контакт на n-область (эмиттер), часть электронов потечет по вновь образованной цепи (V2), а часть будет притягиваться положительной n-областью. В результате, электроны потекут в область коллектора, а слабый электрический ток будет усилен.
Выдыхаем!
4. Так как все-таки работает компьютер?
А теперь самое главное.
В зависимости от подаваемого напряжения, транзистор может быть либо открыт, либо закрыт. Если напряжение недостаточное для преодоления потенциального барьера (того самого на стыке p и n пластин) - транзистор будет находится в закрытом состоянии - в состоянии «выключен» или, говоря языком двоичной системы - «0».
При достаточно напряжении транзистор открывается, а мы получаем значение «включен» или «1» в двоичной системе.
Такое состояние, 0 или 1, в компьютерной индустрии назвали «битом».
Т.е. мы получаем главное свойство того самого переключателя, который открыл человечеству путь к компьютерам!
В первом электронном цифровом вычислителе ЭНИАК, а проще говоря - первом компьютере, использовалось около 18 тысяч ламп-триодов. Размер компьютера был сопоставим с теннисным кортом, а его вес составлял 30 тонн.
Для понимания работы процессора нужно понять еще два ключевых момента.
Момент 1. Итак, мы определились с тем, что такое бит. Но с его помощью мы можем лишь получить две характеристики чего-либо: или «да» или «нет». Для того, чтобы компьютер научился понимать нас лучше, придумали комбинацию из 8 битов (0 или 1), которую прозвали байтом.
Используя байт можно закодировать число от нуля до 255. Используя эти 255 чисел - комбинаций нулей и единиц, можно закодировать все что угодно.
Момент 2. Наличие чисел и букв без какой-либо логики нам бы ничего не дало. Именно поэтому появилось понятие логических операторов.
Подключив всего два транзистора определенным образом, можно добиться выполнения сразу нескольких логических действий: «и», «или». Комбинация величины напряжения на каждом транзисторе и тип их подключения позволяет получить разные комбинации нулей и единиц.
Стараниями программистов значения нулей и единиц, двоичной системы, стали переводить в десятичную для того, чтобы мы могли понять, что именно «говорит» компьютер. А для ввода команд привычные нами действия, вроде ввода букв с клавиатуры, представлять в виде двоичной цепи команд.
Проще говоря, представьте, что есть таблица соответствия, скажем, ASCII, в которой каждой букве соответствует комбинация 0 и 1. Вы нажали кнопку на клавиатуре, и в этот момент на процессоре, благодаря программе, транзисторы переключились таким образом, чтобы на экране появилась та самая, написанная на клавише буква.
5. И началась транзисторная гонка
После того, как в 1952 году британский радиотехник Джеффри Дамер предложил размещать простейшие электронные компоненты в монолитном кристалле полупроводника, компьютерная индустрия сделал семимильный шаг вперед.
От интегральных схем, предложенных Дамером, инженеры быстро перешли на микрочипы, в основе которых использовались транзисторы. В свою очередь, нескольких таких чипов уже образовывали сам процессор.
Разумеется, что размеры таких процессоров мало чем схожи с современными. К тому же, вплоть до 1964 года у всех процессоров была одна проблема. Они требовали индивидуального подхода - свой язык программирования для каждого процессора.
1964 год IBM System/360. Компьютер, совместимый с универсальным программным кодом. Набор инструкций для одной модели процессора мог использоваться и для другой.
70-e годы. Появление первых микропроцессоров. Однокристальный процессор от Intel . Intel 4004 - 10 мкм ТП, 2 300 транзисторов, 740 КГц.
1973 год Intel 4040 и Intel 8008. 3 000 транзисторов, 740 КГц у Intel 4040 и 3 500 транзисторов при 500 кГц у Intel 8008.
1974 год Intel 8080. 6 мкм ТП и 6000 транзисторов. Тактовая частота около 5 000 кГц. Именно этот процессор использовался в компьютере Altair-8800. Отечетсвенная копия Intel 8080 - процессор КР580ВМ80А, разработанный Киевским НИИ микроприборов. 8 бит.
1976 год Intel 8080. 3 мкм ТП и 6500 транзисторов. Тактовая частота 6 МГц. 8 бит.
1976 год Zilog Z80. 3 мкм ТП и 8500 транзисторов. Тактовая частота до 8 МГц. 8 бит.
1978 год Intel 8086. 3 мкм ТП и 29 000 транзисторов. Тактовая частота около 25 МГц. Система команд x86, которая используется и сегодня. 16 бит.
1980 год Intel 80186. 3 мкм ТП и 134 000 транзисторов. Тактовая частота - до 25 МГц. 16 бит.
1982 год Intel 80286. 1,5 мкм ТП и 134 000 транзисторов. Частота - до 12,5 МГц. 16 бит.
1982 год Motorola 68000. 3 мкм и 84 000 транзисторов. Этот процессор использовался в компьютере Apple Lisa.
1985 год Intel 80386. 1,5 мкм тп и 275 000 транзисторов. Частота - до 33 МГц в версии 386SX.
Казалось бы, продолжать список можно было бы до бесконечности, но тут инженеры Intel столкнулись с серьезной проблемой.
На дворе конец 80-х. Еще в начале 60-х один из основателей компании Intel Гордон Мур формулировал так называемый «Закон Мура». Звучит он так:
Каждые 24 месяца количество транзисторов, размещенных на кристалле интегральной схемы, удваивается.
Назвать этот закон законом сложно. Вернее будет окрестить его эмпирическим наблюдением. Сопоставив темпы развития технологий, Мур сделал вывод, что может сформироваться подобная тенденция.
Но уже во время разработки четвертого поколения процессоров Intel i486 инженеры столкнулись с тем, что уже достигли потолка производительности и больше не могут разместить большее количество процессоров на той же площади. На тот момент технологии не позволяли этого.
В качестве решения был найден вариант с использованием рядом дополнительных элементов:
кэш-памяти;
конвейера;
встроенного сопроцессора;
множителя.
Часть вычислительной нагрузки ложилась на плечи этих четырех узлов. В результате, появление кэш-памяти с одной стороны усложнило конструкцию процессора, с другой - он стал значительно мощнее.
Процессор Intel i486 состоял уже из 1,2 млн транзисторов, а максимальная частота его работы достигла 50 МГц.
В 1995 году к разработке присоединяется компания AMD и выпускает самый быстрый на тот момент i486-совместимый процессор Am5x86 на 32-битной архитектуре. Изготавливался он уже по 350 нанометровому техпроцессу, а количество установленных процессоров достигло 1,6 млн штук. Тактовая частота повысилась до 133 МГц.
Но гнаться за дальнейшим наращиванием количества установленных на кристалле процессоров и развитии уже утопической архитектуры CISC (Complex Instruction Set Computing) чипмейкеры не решились. Вместо этого американский инженер Дэвид Паттерсон предложил оптимизировать работу процессоров, оставив лишь самые необходимые вычислительные инструкции.
Так производители процессоров перешли на платформу RISC (Reduced Instruction Set Computing]. Но и этого оказалось мало.
В 1991 году выходит 64-битный процессор R4000, работающий на частоте 100 МГц. Через три года появляется процессор R8000, а еще через два года - R10000 с тактовой частотой вплоть до 195 МГц. Параллельно развивался рынок SPARC-процессоров, особенностью архитектуры которых стало отсутствие инструкций умножения и деления.
Вместо борьбы за количество транзисторов, производители чипов стали пересматривать архитектуру их работы. Отказ от «ненужных» команд, выполнение инструкций в один такт, наличие регистров общего значения и конвейеризация позволили оперативно наращивать тактовую частоту и мощность процессоров, не извращаясь с количеством транзисторов.
Вот лишь некоторые из появившихся с период с 1980 по 1995 год архитектур:
В их основе лежала платформа RISC, а в некоторых случаях и частичное, совмещенное использование CISC-платформы. Но развитие технологий вновь подталкивало чипмейкеров продолжить наращивание процессоров.
В августе 1999 года на рынок выходе AMD K7 Athlon, изготовленный по 250 нанометровому техпроцессу и включающий 22 млн транзисторов. Позднее планку подняли до 38 млн процессоров. Потом до 250 млн Увеличивался технологический процессор, росла тактовая частота. Но, как гласит физика, всему есть предел.
7. Конец транзисторных соревнований близко
В 2007 году Гордон Мур выступил с весьма резким заявлением:
Закон Мура скоро перестанет действовать. Устанавливать неограниченное количество процессоров до бесконечности невозможно. Причина тому - атомарная природа вещества.
Невооруженным глазом заметно, что два ведущих производителям чипов AMD и Intel последние несколько лет явно замедлили темпы развития процессоров. Точность технологического процесса выросла всего до нескольких нанометров, но размещать еще больше процессоров невозможно.
И пока производители полупроводников грозятся запустить многослойные транзисторы, проводя параллель с 3DNand памятью, у упершейся в стену архитектуры x86 еще 30 лет назад появился серьезный конкурент.
8. Что ждет «обычные» процессоры
«Закон Мура» признан недействительным еще с 2016 года. Об этом официально заявил крупнейший производитель процессоров Intel. Удваивать вычислительную мощность на 100% каждые два года чипмейкеры больше не состоянии.
И теперь у производителей процессоров есть несколько малоперспективных вариантов.
Первый вариант - квантовые компьютеры. Попытки построить компьютер, который использует для представления информации частицы, уже были. В мире существует несколько подобных квантовых устройств, но они способны справляться лишь с алгоритмами небольшой сложности.
К тому же, о серийном запуске подобных устройств в ближайшие десятилетия не может идти и речи. Дорого, неэффективно и… медленно!
Да, квантовые компьютеры потребляют намного меньше энергии, чем их современные коллеги, но при этом работать они будут медленнее до тех пор, пока разработчики и производители комплектующих не перейдут на новую технологию.
Второй вариант - процессоры со слоями транзисторов. О данной технологии всерьез задумались и в Intel, и в AMD. Вместо одного слоя транзисторов планируют использовать несколько. Похоже, что в ближайшие годы вполне могут появится процессоры, в которых будут важны не только количество ядер и тактовая частота, но и количество транзисторных слоев.
Решение вполне имеет право на жизнь, и таким образом монополистам удастся доить потребителя еще пару десятков лет, но, в конце концов, технология опять-таки упрется в потолок.
Сегодня же, понимая стремительное развитие ARM-архитектуры, Intel провела негромкий анонс чипов семейства Ice Lake. Процессоры будут изготавливаться по 10-нанометровому технологическому процессу и станут основой для смартфонов, планшетов и мобильных устройств. Но произойдет это в 2019 году.
9. Будущее за ARM Итак, архитектура x86 появилась в 1978 году и относится к типу платформы CISC. Т.е. сама по себе она предполагает наличие инструкций на все случаи жизни. Универсальность - главный конек x86.
Но, в тоже время, универсальность сыграла с этими процессорами и злую шутку. У x86 есть несколько ключевых недостатков:
сложность команд и откровенная их запутанность;
высокое потребление энергии и выделение теплоты.
За высокую производительность пришлось попрощаться с энергоэффективностью. Более того, над архитектурой x86 сейчас трудятся две компании, которых можно смело отнести к монополистам. Это Intel и AMD. Производить x86-процессоры могут только они, а значит и правят развитием технологий только они.
В тоже время разработкой ARM (Arcon Risk Machine) занимаются сразу несколько компания. Еще в 1985 году в качестве основы для дальнейшего развития архитектуры разработчики выбрали платформу RISC.
В отличие от CISC, RISC предполагает разработку процессора с минимально необходимым количеством команд, но максимальной оптимизацией. Процессоры RISC намного меньше CISC, более энергоэффективны и просты.
Более того, ARM изначально создавался исключительно как конкурент x86. Разработчики ставили задачу построить архитектуру, более эффективную чем x86.
Еще с 40-х годов инженеры понимали, что одной из приоритетных задач остается работа над уменьшением габаритов компьютеров, а, в первую очередь - самих процессоров. Но вряд ли почти 80 лет назад кто-либо мог предположить, что полноценный компьютер будет меньше спичечного коробка.
Скептически настроенным пользователям, которые пройдутся по топовым строчкам Geekbench лишь хочется напомнить: в мобильных технологиях размер - это то, что прежде всего имеет значение.
Установите на стол моноблок с мощным 18-ядерный процессором, который «в клочья разрывает ARM-архитектуру», а затем положите рядом iPhone. Чувствуете разницу?
11. Вместо вывода
Объять 80-летнюю историю развития компьютеров в одном материале невозможно. Но, прочитав данную статью, вы сможете понять как устроен главный элемент любого компьютера - процессор, и чего стоит ждать от рынка в последующие годы.
Безусловно, Intel и AMD буду работать над дальнейшим наращиванием количества транзисторов на одном кристалле и продвигать идею многослойных элементов.
Но нужна ли вам как покупателю такая мощность?
Вряд ли вас не устраивает производительность iPad Pro или флагманского iPhone X. Не думаю, что вы недовольны производительностью расположившейся на кухне мультиварки или качеством картинки на 65-дюймовом 4K-телевизоре. А ведь во всех этих устройствах используются процессоры на ARM-архитектуре.
Windows уже официально заявила, что с интересом смотрит в сторону ARM. Поддержку этой архитектуры компания включила еще в Windows 8.1, а ныне активно работает над тандемом с ведущим ARM-чипмейкером Qualcomm.
На ARM успела посмотреть и Google - операционная система Chrome OS поддерживает эту архитектуру. Появились сразу несколько дистрибутивов Linux, которые также совместимы с данной архитектурой. И это только начало.
И лишь попробуйте на минутку представить, каким приятным будет сочетание энергоэффективного ARM-процессора с графеновым аккумулятором. Именно эта архитектура позволит получить мобильные эргономичные гаджеты, которые смогут диктовать будущее.
Всем привет. В сегодняшней статье мы с Вами познакомимся с архитектурой ARM.
И в последующих записях будем работать с данными микроконтроллерами, повышая производительность и функциональность проектов. Рассмотренные уже нами мк AVR, и задействованные в различных устройствах, например последний, как USB-устройство, в дальнейших проектах будут использоваться как промежуточные звенья.
ARM
- семейство 32-битных и 64-битных микропроцессорных ядер, которые широко используются в потребительской электронике. Появилась при изучении документации проекта RISC. Официальный проект Acorn RISC Machine был начат в 
октябре 1983 года. И первый процессор ARM1 был произведен 26 апреля 1985 года. Через год появились серийные процессоры arm2. Далее было семейство ARM3. ARM6 в 1992 году. И так далее. Сама компания не производит микросхемы и на данный момент не производит процессоры. Основной бизнес это продажа лицензий. Например обладатели «архитектурную лицензию» имеют право разрабатывать собственные микропроцессорные ядра, реализующие инструкции ARM и использующие патенты ARM. А в 2016 году японская компания Softbank (третий по величине оператор Страны восходящего солнца) приобрела британскую компанию ARM за $32 млрд.
Если сравнивать ARM c х86 , то последняя позиционируется как обработчик ресурсоемких задач, а ткакже CISC (Complex Instruction Set Computing), т.е. реализованы инструкции на все случаи жизни, в отличии от, RISC - набором минимально необходимых для работы команд. Минусом х86 можна назвать энергоемкость, соответственно выделения большого количества теплоты ну и сложность команд. ARM — минимальное энергопотребление, низкая цена, и низкая производительность работы по сравнению с x86. В последнее время грань между обоими архитектурами стирается. ARM процессоры становятся более производительными и быстрыми. В общем стоит отметить что эти две архитектуры представляют основной процент продаж на рынке.
Архитектура развивалась с течением времени, и начиная с ARMv7 были определены 3 профиля:
— ‘A’(application) - для устройств, требующих высокой производительности (смартфоны, планшеты)
— ‘R’(real time) - для приложений, работающих в реальном времени,
— ’M’(microcontroller) - для микроконтроллеров и недорогих встраиваемых устройств.
M-профиль
(версии ARMv6-M и ARMv7-M, ядра Cortex-M), строго говоря, не относится к «настоящим» ARM-процессорам. Во-первых, он кардинальным образом отличается по системной архитектуре от всех прочих разработок фирмы ARM, а соответственно, на системном уровне несовместим ни с более ранними процессорами, ни с другими профилями 7-й версии архитектуры. Во-вторых, в этих кристаллах реализована только система команд Thumb (ARMv6-M, ядра Cortex-M0 и -M1) или Thumb-2 (ARMv7-M, все прочие ядра Cortex-M), а команды набора ARM не поддерживаются. Предназначена эта серия для использования в качестве микроконтроллеров малой и средней производительности. Благодаря низкой стоимости и энергопотреблению они могут успешно конкурировать с намного более слабыми по вычислительными возможностям 8- и 16-разрядными микроконтроллерами. Заметим, что принадлежность ядер Cortex-M0 и -M1 к 6-й версии архитектуры является чисто формальной. Всю интересующую документацию можна скачать на официальном сайте https://developer.arm.com/
Забегая на перед, мы с Вами будем работать с архитектурой ARMv7Е-M, ядро Cortex-M. В процессе работы с ним изучим все тонкости.
Ниже таблица семейства Cortex-M.
И последнее рассмотрим набор инструкций Thumb. Это режим процессоров ARM (начиная с ARM7TDMI), где используется сокращенная система команд. Состоит из 36 команд, взятых из стандартного набора 32-разрядных команд архитектуры ARM и преобразованных до 16-разрядных кодов, т.е. выполняет альтернативный набор 16-битных команд. Длина команд Thumb составляет половину длины стандартных 32-разрядных команд, что позволяет существенно сократить необходимые объёмы памяти программ (порядка 30 %), а также использовать более дешёвую 16-разрядную память. При выполнении эти команды дешифруются процессором в эквивалентные операции ARM, выполняемые за то же количество тактов. Более короткие коды операций в целом дают большую плотность кода, хотя некоторые операции требуют дополнительных команд. В ситуациях, когда порт памяти или ширина шины ограничены 16 битами, более короткие коды операций режима Thumb становятся гораздо производительнее по сравнению с обычным 32-битным ARM-кодом, так как меньший программный код придется загружать в процессор при ограниченной пропускной способности памяти. Thumb-2 (являющийся смесью ARM и Thumb) - технология, стартовавшая с ARM1156 core, анонсированного в 2003 году. Он расширяет ограниченный 16-битный набор команд Thumb дополнительными 32-битными командами, чтобы задать набору команд дополнительную ширину. Цель Thumb-2 - достичь плотности кода, как у Thumb, и производительности, как у набора команд ARM на 32 битах. Можно сказать, что в ARMv7 эта цель была достигнута. Thumb-2 расширяет как команды ARM, так и команды Thumb ещё большим количеством команд. Язык «Unified Assembly Language» (UAL) поддерживает создание команд, как для ARM, так и для Thumb из одного и того же исходного кода. Версии Thumb на ARMv7 выглядят, как код ARM. Все кристаллы ARMv7 поддерживают набор команд Thumb-2, а некоторые кристаллы, вроде Cortex-m3, поддерживают только Thumb-2. Остальные кристаллы Cortex и ARM11 поддерживают наборы команд как Thumb-2, так и ARM.
Архитектура ARM имеет много версий, на сегодняшний день (2017) последняя это ARMv8-A семейства Cortex-A50, кстати весной 2017 года компания ARM представила два процессорных ядра Cortex-A75 и Cortex-A55. Мы с Вами не рассматриваем разработки сторонними компаниями, владеющими архитектурной лицензией от ARM, которая разрешала реализацию запатентованных инструкций. Мы с Вами познакомимся с архитектурой ARMv7E-M на ядре Cortex-M4, работая с микроконтроллером STM32F303VCT6 на отладочной плате STM32F3 Discovery. Выше я писал, о переходе на arm ради производительности и функциональности, но также мы расширим немного кругозор, изучим новую технологию и научимся ее интегрировать в проекты, совмещая с другими технологиями. В следующей записи познакомимся с микроконтроллером STM32F303VCT6, рассмотрим его архитектуру, и научимся с ним работать. На этом сегодня и остановимся. Всем пока.
