В связи с непрерывно увеличивающимся числом приложений, которые предъявляют повышенные требования по производительности обработки данных, намечается тенденция повышения спроса на 32-разр. микроконтроллеры. Данный вывод сделала маркетинговая компания Semico, которая прогнозирует 2-кратное преобладание емкости рынка 32-разр. микроконтроллеров над 8 и 16-разр. в 2007 году . В связи с этим, целью данной статьи является представить общие тенденции развития одного из самых распространенных 32-разр. ядер ARM и дать сравнительную оценку микроконтроллерам на их основе от наиболее доступных на рынках СНГ производителей.
Обзор архитектуры ARM
Микроконтроллерное ядро ARM было разработано одноименной английской компанией, организованной в 1990 году. Название ARM происходит от "Advanced RISC Machines". Следует заметить, что компания специализируется сугубо на разработке микропроцессорных ядер и периферийных блоков, при этом, не имеет производственных мощностей по выпуску микрокон-троллеров. Компания ARM поставляет свои разработки в электронной форме, на основе которой клиенты конструируют свои собственные микроконтроллеры. Клиентами компании являются свыше 60 компаний-производителей полупроводников, среди которых можно выделить таких популярных производителей на рынке полупроводниковых компонентов стран СНГ, как Altera, Analog Devices, Atmel, Cirrus Logic, Fujitsu, MagnaChip (Hynix), Intel, Motorola, National Semiconductor, Philips, ST Microelectronics и Texas Instruments.
В настоящее время архитектура ARM занимает лидирующие позиции и охватывает 75% рынка 32-разр. встраиваемых RISC-микропроцессоров. Распространенность данного ядра объясняется его стандартностью, что предоставляет возможность разра-ботчику более гибко использовать, как свои, так и сторонние программные наработки, как при переходе на новое процессорное ARM-ядро, так и при миграциях между разными типами ARM-микроконтроллеров.
В настоящее время разработано шесть основных семейств (см. рисунок 1): ARM7™, ARM9™, ARM9E™, ARM10™, ARM11™ и SecurCore™. Также совместно с компанией Intel разработаны семейства XScale™ и StrongARM®.
Как дополнение к ARM-архитектуре могут интегрироваться несколько расширений:
- Thumb® - 16-разр. набор инструкций, улучшающий эффективность использования памяти программ;
- DSP - набор арифметических инструкций для цифровой обработки сигналов;
- Jazelle™ - расширение для аппаратного непосредственного исполнения Java-инструкций;
- Media - расширение для 2-4-кратного увеличения скорости обработки аудио и видео сигналов.
Рисунок 1. Процессорные ядра ARM
Рекордными планками, которые пересекла ARM-архитектура, являются быстродействие свыше 1ГГц и удельное потребле-ние 1 мкВт/МГц. В зависимости от назначения ARM-процессоры разделяются на три группы (см. рисунок 2):
- Процессоры для операционных систем с открытой платформой в приложениях беспроводной связи, обработки изображений и пользовательской электронике.
- Процессоры для встраиваемых операционных систем реального времени для запоминающих устройств, промышленных, авто-мобильных и сетевых приложений.
- Система защиты данных для смарт-карт и SIM-карт.
| 0.18мкм (0,13 мкм) | ||||
| Ядро | Кэш-память | Площадь, мм 2 | Удельное потребление мВт/МГц | Частота, МГц |
| ARM7TDMI | - | 0,53 (0,26) | 0.24 (0,06) | 100 (133) |
| ARM7TDMI-S | - | 0,62 (0,32) | 0,39 (0,11) | 80-100 (100-133) |
| SC100 | - | 0,50 | 0.21 | 80 |
| SC200 | - | 0,70 | 0.30 | 110 |
| ARM7EJ-S | - | 1,25 (0,65) | 0,45 (0,16) | 80-100 (100-133) |
| ARM946E-S | 8к + 8к | 5,8 (3,25) | 0,9 (0,45) | 150-170 (180-210) |
| ARM966E-S | 16к+16к TCM | 4,0 (2,25) | 0,65 (0,4) | 180-200 (220-250) |
| ARM1026EJ-S | 8к + 8к | 7,5 (4,2) | 1,15 (0,5) | 190-210 (266-325) |
| ARM1136J(F)-S | 16к/16к+ 16/16к TCM | - (8,2; 9,6) | 1,30 (0,4) | 250-270 (333-400) |
Рисунок 2. Технические данные по процессорным ядрам
ВСЭ - внутрисхемный эмулятор, РВ - реальное время, ЦСП- цифровой сигнальный процессор, SIMD - несколько данных в одной инструкции, ТСМ - плотно-связанная память (кэш), ETM - встроенные трассировочные макроячейки, VIC - векторизованный контроллер прерываний, ASB, AHB -разновидности внутренних шин
Перспективность ядра ARM становится очевидной после революционного анонса компании Atmel на конференции раз-работчиков ARM-микроконтроллеров, которая состоялась в Санта Клара (США) в октябре 2004 года . Суть анонса заключалась в намерении компании Atmel выпускать 32-разр. микроконтроллеры AT91SAM7S по цене 8-разрядных, нацеливая 8-разр. приложения на расширение функциональных возможностей по обработке информации, сохраняя при этом их конкурентоспособную стоимость на прежнем уровне.
Набор инструкций Thumb
32-разр. ARM-процессоры поддерживают предшествующие 16-разр. разработки за счет поддержки набора инструк-ций Thumb. Использование 16-разр. инструкций позволяет сэкономить до 35% памяти по сравнению с эквивалентным 32-разр. кодом, при этом сохраняя все преимущества 32-разр. системы, например, доступ к памяти с 32-разр. адресным пространством.
Технология SIMD
Технология SIMD (несколько данных в одной инструкции) используется в media-расширении и нацелена на увеличение скорости обработки данных в приложениях, где требуется малое энергопотребление. SIMD-расширения оптимизированы под широкий диапазон программного обеспечения, в т.ч. аудио/видео кодеки, где они позволяют увеличить быстродействие обработки в 4 раза.
Набор инструкций ЦСП (DSP)
Многие приложения предъявляют повышенные требования по быстродействию реально-временной обработки сигналов. Традиционно в таких ситуациях разработчики прибегают к использованию цифрового сигнального процессора (ЦСП), что увеличивает энергопотребление и стоимость, как самой разработки, так и конечного устройства. Для устранения данных недостатков в ряд ARM-процессоров интегрированы инструкции ЦСП, выполняющие 16-разр. и 32-разр. арифметические операции.
Технология Jazelle®
Технология ARM Jazelle адресована для приложений с поддержкой языка программирования Java. Она предлагает уни-кальное сочетание высокой производительности, малой системной стоимости и невысоких запросов к энергопотреблению, что не может быть достигнуто одновременно, если использовать сопроцессор или специализированный Java-процессор.
Технология ARM Jazelle является расширением к 32-разр. RISC-архитектуре, которое позволяет ARM-процессору выполнять Java-код на аппаратном уровне. При этом достигается непревзойденное быстродействие исполнения Java-кода с помощью ARM-архитектуры. Таким образом, разработчики имеют возможность свободно реализовывать Java-приложения, в т.ч. операционные системы и прикладной код, на одном процессоре.
В настоящее время технология Jazelle интегрирована в следующие ARM-процессоры: ARM1176JZ(F)-S, ARM1136J(F)-S, ARM1026EJ-S, ARM926EJ-S и ARM7EJ-S.
Традиционные ARM-процессоры поддерживают 2 набора инструкций: в режиме ARM - 32-разрядные инструкции, а в режиме Thumb наиболее популярные инструкции сжимаются к 16-разр. формату. Технология Jazelle расширяет эту концепцию, добавляя третий набор инструкций Java, который активизируется в новом Java-режиме.
Технология интеллектуального управления энергопотреблением
Одной из основных задач, которую решают разработчики портативных устройств (например, смарт-фоны, персональные цифровые помощники и аудио/видеоплееры) - оптимизация энергопотребления, что позволяет улучшить эксплуатационные характеристики готового устройства за счет продления ресурса батареи питания или уменьшения размеров устройства.
Традиционным методом снижения энергопотребления является использование экономичных режимов работы, например, холостой ход (idle) или сон (sleep), которые различаются глубиной деактивации внутренних элементов. Как правило, активный режим работы такой системы рассчитан на наихудшие условия работы и характеризуется максимальной загрузкой, тем самым неоправданно сокращая срок службы батареи. Таким образом, для дальнейшей оптимизации расходования энергии батареи питания разработчики уделяют особое внимание управлению энергопотреблением в активном режиме работы.
Для облегчения данного процесса разработана технология интеллектуального управления энергопотреблением (Intelligent Energy Manager, IEM) для процессоров ARM. Данная технология является сочетанием аппаратных и программных компонентов, которые совместно выполняют динамическое управление напряжением питания ("power scaling").
Сущность метода динамического управления напряжением питания основывается на выражении потребляемой мощности КМОП-процессоров:
где Р- общая потребляемая мощность, С - переключаемая емкость, fc - частота процессора, - напряжение пита-ния, - ток утечки в статическом режиме. Из выражения следует, что для регулировки энергопотребления могут варьироваться частота и напряжение питания.
Снижение частоты для уменьшения энергопотребления широко используется в микроконтроллерах и системах на кристаллах (PSoC), но не недостатком этого метода является снижение быстродействия. Метод динамического управления напряжением питания основан на варьировании напряжением питания, однако, если возможности регулировки исчерпаны, то как дополнительный используется метод регулировки частоты процессора.
Микроконтроллеры на основе архитектуры ARM
В таблице 1 представлена общая сравнительная характеристика ARM-микроконтроллеров наиболее известных и доступ-ных производителей: Analog Device, Atmel, Philips Semiconductors и Texas Instruments, а в таблице 2 более подробно представлены их технические данные.
Таблица 1. Сравнение ARM-микроконтроллеров разных производителей по ключевым признакам
| TMS 470 (Texas Instruments) | AT91 (Atmel) | Micro Converter (AD) | LPC2000 (Philips) |
| Системные: | |||
| Память: | |||
| Аналоговая периферия: | |||
| Цифровая периферия: | |||
| Интерфейсы: | |||
Таблица 2. Технические данные по ARM-микроконтроллерам компаний Atmel, Analog Device, Texas Instruments, Philips Semiconductors
| Наименование | Ядро | Корпус | Память | Периферийные устройства | В/В | Макс. ч-та, МГц | ||||||
| Флэш, кбайт | ОЗУ, кбайт | Тай-мер | АЦП, кан/разр | SPI/У(С)АПП/ I2C | USB Dev/ Host | CAN | Прочее | |||||
| Микроконтроллеры семейства TMS470 компании Texas Instruments | ||||||||||||
| TMS470R1A64 | ARM7TDMI | 80 LQFP | 64 | 4 | 13 | 8/10 | 2/2/- | - | 2 | C2SI | 40 | 48 |
| ARM7TDMI | 100 LQFP | 128 | 8 | 16 | 16/10 | 2/2/- | - | 1 | C2SI | 50 | 48 | |
| ARM7TDMI | 100 LQFP | 256 | 12 | 16 | 16/10 | 2/2/- | - | 1 | C2SI | 50 | 48 | |
| ARM7TDMI | 100/144 LQFP | 288 | 16 | 12 | 12/10 | 2/2/1 | - | 2 | C2SI, ПДП, EBM, MSM | 93 | 48 | |
| ARM7TDMI | 144 LQFP | 512 | 32 | 32 | 16/10 | 2/2/- | - | 2 | ПДП | 87 | 60 | |
| ARM7TDMI | 144 LQFP | 768 | 48 | 32 | 16/10 | 5/2/- | - | 3 | ПДП | 87 | 60 | |
| TMS470R1A1024 | ARM7TDMI | 144 LQFP | 1024 | 64 | 12 | 12/10 | 5/2/1 | - | 2 | DMA, EBM, MSM | 93 | 60 |
| Семейство AT91 ARM Thumb компании Atmel | ||||||||||||
| ARM7TDMI | QFP100 | - | 8 | 3 | -/2/- | EBI | 32 | 40 | ||||
| ARM7TDMI | QFP100 | - | 256 | 3 | -/2/- | EBI | 32 | 70 | ||||
| ARM7TDMI | BGA121 | 512 | 256 | 3 | -/2/- | EBI | 32 | 70 | ||||
| ARM7TDMI | BGA121 | 2048 | 256 | 3 | -/2/- | EBI | 32 | 70 | ||||
| ARM7TDMI | QFP144 BGA144 |
- | 8 | 6 | 2/2/- | EBI, PIT, RTT | 54 | 33 | ||||
| ARM7TDMI | QFP176 BGA176 |
- | 8 | 6 | 8/10 | 1/3/- | EBI, RTC, 2х10 р. ЦАП | 58 | 33 | |||
| ARM7TDMI | QFP100 | 256 | 96 | 6 | 1/4/1 | 1/- | SSC, PIT, RTC, RTT | 63 | 66 | |||
| ARM7TDMI | BGA256 | 1 | 16 | 3 | 1/2/- | EBI, инт. SDRAM, 2xEthernet | 48 | 36 | ||||
| ARM7TDMI | QFP144 | - | 4 | 9 | 8/10 | 1/3/- | EBI, 4 ШИМ, CAN | 49 | 40 | |||
| ARM7TDMI | QFP176 | - | 16 | 10 | 16/10 | 1/2/- | 4 | EBI | 57 | 30 | ||
| ARM7TDMI | QFP100 | 256 | 32 | 9 | 16/10 | 2/4/1 | 1/- | 1 | 8 ШИМ, RTT, PIT, RC-ген., SSC, MCI | 62 | 60 | |
| ARM7TDMI | QFP48 | 32 | 8 | 3 | 8/10 | 1/1/1 | 21 | 55 | ||||
| ARM7TDMI | QFP64 | 64 | 16 | 3 | 8/10 | 1/2/1 | 1/- | 4 ШИМ, RTT, PIT, RC-ген., SSC | 32 | 55 | ||
| ARM7TDMI | QFP64 | 128 | 32 | 3 | 8/10 | 1/2/1 | 1/- | 4 ШИМ, RTT, PIT, RC-ген., SSC | 32 | 55 | ||
| ARM7TDMI | QFP64 | 256 | 64 | 3 | 8/10 | 1/2/1 | 1/- | 4 ШИМ, RTT, PIT, RC-ген., SSC | 32 | 55 | ||
| ARM7TDMI | QFP100 | 128 | 32 | 3 | 8/10 | 1/2/1 | 1/- | 1 | 4 ШИМ, RTT, PIT, RC-ген., SSC, Ethernet | 60 | 55 | |
| ARM920T | QFP208 BGA256 |
128 | 16 | 6 | 1/4/1 | 1/2 | EBI, RTC, RTT, PIT, инт.SDRAM, 3xSSC, MCI, Ethernet | 94 | 180 | |||
| AT91SAM9261 | ARM7TDMI | BGA217 | 32 | 160 | 3 | 3/3/1 | 1/2 | EBI, RTT, PIT, инт.SDRAM, 3xSSC, MCI | 96 | 200 | ||
| Микроконтроллеры семейства MicroConverter компании Analog Device | ||||||||||||
| ARM7TDMI | CP-40 | 62 | 8 | 5/12 | 1/1/2 | 4 x 12р.ЦАП, К, ПЛМ | 14 | 45 | ||||
| ARM7TDMI | CP-40 | 62 | 8 | 8/12 | 1/1/2 | 2 x 12р.ЦАП, К, ПЛМ | 13 | 45 | ||||
| ARM7TDMI | CP-40 | 62 | 8 | 10/12 | 1/1/2 | К, ПЛМ | 13 | 45 | ||||
| ARM7TDMI | CP-64 | 62 | 8 | 10/12 | 1/1/2 | 2 x 12р.ЦАП,3ф. ШИМ, К, ПЛМ | 30 | 45 | ||||
| ARM7TDMI | CP-64 | 62 | 8 | 12/12 | 1/1/2 | 3ф. ШИМ, К, ПЛМ | 30 | 45 | ||||
| ARM7TDMI | ST-80 | 62 | 8 | 12/12 | 1/1/2 | 4 x 12р.ЦАП, 3-ф.ШИМ, К, ПЛМ | 40 | 45 | ||||
| ARM7TDMI | ST-80 | 62 | 8 | 16/12 | 1/1/2 | 3ф. ШИМ, К, ПЛМ | 40 | 45 | ||||
| Микроконтроллеры семейства LPC2000 компании Philips Semiconductors | ||||||||||||
| ARM7TDMI-S | LQFP48 | 128 | 16 | 4 | 1/2/1 | 6 кан. ШИМ | 32 | 60 | ||||
| ARM7TDMI-S | LQFP48 | 128 | 32 | 4 | 1/2/1 | 6 кан. ШИМ | 32 | 60 | ||||
| ARM7TDMI-S | LQFP48 | 128 | 64 | 4 | 1/2/1 | 6 кан. ШИМ | 32 | 60 | ||||
| ARM7TDMI-S | LQFP64 | 128 | 16 | 4 | 4/10 | 2/2/1 | 6 кан. ШИМ | 46 | 60 | |||
| ARM7TDMI-S | LQFP64 | 128 | 16 | 4 | 4/10 | 2/2/1 | 6 кан. ШИМ | 46 | 60 | |||
| ARM7TDMI-S | LQFP64 | 256 | 16 | 4 | 4/10 | 2/2/1 | 6 кан. ШИМ | 46 | 60 | |||
| ARM7TDMI-S | LQFP64 | 256 | 16 | 4 | 4/10 | 2/2/1 | 6 кан. ШИМ | 46 | 60 | |||
| 2/2/1 | 6 кан. ШИМ | 112 | 60 | |||||||||
| ARM7TDMI-S | LQFP144 | 256 | 16 | 4 | 8/10 | 2/2/1 | 2 | 6 кан. ШИМ | 112 | 60 | ||
| ARM7TDMI-S | LQFP144 | 256 | 16 | 4 | 8/10 | 2/2/1 | 4 | 6 кан. ШИМ | 112 | 60 | ||
Несмотря на использование в большинстве микроконтроллеров общего ядра ARM7TDMI у микроконтроллеров разных производителей вырисовывается довольно таки четкий портрет. Analog Device является бесспорным лидером по аналоговой периферии, имея в своем арсенале 12-разр. АЦП и ЦАП класса 1МГц. В этом направлении заметно отстает Atmel, которая в своих разработках отдельных АЦП уже взяла барьер 2ГГц, а вот интегрировать приличный АЦП в 32-разр. микроконтроллер, так и не смогла. Однако данный недостаток микроконтроллеров Atmel перекрывает их "дружелюбность" (при использовании встроенного RC-генератора и стабилизатора для запуска микроконтроллера потребуется только подача одного напряжения питания), экономичность, а самое главное низкая стоимость. Среди рассматриваемых микроконтроллеров, микроконтроллеры Atmel - единственные, которые содержат интерфейс USB. Для микроконтроллеров TI характерна избыточная представитель-ность при умеренной стоимости. Работая с микроконтроллерами TMS470 можно быть уверенным в достаточности периферийных ресурсов. Микроконтроллеры LPC2000 (Philips) можно назвать золотой серединой по рассматриваемым крите-риям. Отличает их наличие УАПП, выполненного в традициях Philips и который совместим со стандартным УАПП 16C550, а также имеет модемный интерфейс и режим аппаратного управления связью с FIFO-буферизацией. Среди ARM-микроконтроллеров Philips можно найти представителей для расширенного температурного диапазона -40…+105°C.
32-разр. микроконтроллеры с альтернативными ядрами
Когда речь идет о 32-разр. микроконтроллерах несправедливым будет не упомянуть о других 32-разр. альтернативах ядру ARM. В этом плане следует выделить ядро FR компании Fujitsu и М68000/М68300 компании Motorola.
Ядро FR используется в обширном количестве микроконтроллеров (свыше 40), образующих несколько семейств, и имеет 16-разрядный режим набора инструкций для оптимизации использования памяти программ при минимальном ухудшении эф-фективности работы, что идентично ядру ARM. Размер ПЗУ и ОЗУ достигает до 512 кбайт, в зависимости от типа поддерживаются разнообразные стандартные периферийные устройства, в т.ч. 10-разр. АЦП, 12-разр. ШИМ, интерфейс CAN, УАПП и др. Так же, как и в случае с микроконтроллерами ARM, микроконтроллеры на основе ядра FR выделяются общими традициями, которые закладывает разработчик, и которые узнаваемы во всей линейке микроконтроллеров. В случае Fujitsu это аппаратная поддержка эндианизма, аппаратная функция поиска бита, множество каналов однотипных периферийных уст-ройств, вход немаскируемого прерывания. Во множество микроконтроллеров интегрирован довольно приличный 10-разр. АЦП (время преобразования 1,7 мкс) и ЦАП (0,9 мкс). В семействе FRLite поставлен рекорд по удельному энергопотреблению 1мА/МГц. Максимальным быстродействием обладает семейство FR 65Е, у которого тактовая частота достигает 66МГц.
32-разр. микроконтроллеры Motorola характеризуются реализацией из набора стандартных функциональных модулей. В состав микроконтроллеров семейства 68300 входят: 32-разрядный процессор (CPU32), модули внутренней памяти, интер-фейсный модуль системной интеграции (SIM), модуль последовательного интерфейса (QSM), таймерный процессор (TPU) или таймерный модуль (GPT), аналого-цифровой преобразователь (ADC) и ряд других. Между собой модули соединяются посред-ством межмодульной шины. Процессор CPU32, используемый в микроконтроллерах семейства 68300, по своим основным функциям аналогичен 32-разрядному микропроцессору MC68020 семейства 68000. Для использования в системах связи вы-пускаются микроконтроллеры, содержащие модуль коммуникационного RISC-процессора, имеющий набор специальных средств для обмена данными. Такие коммуникационные контроллеры (68360, 68302, 68356) также входят в состав семейства 68300. Особенностью процессора CPU32 является его работа с 16-разрядной шиной данных и 24-разрядной шиной адреса (ад-ресуемая память 16 Мбайт), а основным архитектурным принципом функционирования процессоров семейства 68000 является разделение их ресурсов и возможностей в зависимости от класса решаемых задач. При этом подразумевается выполнение двух классов задач: управление работой самой микропроцессорной системы с помощью системного программного обеспечения (операционной системы - супервизора) и решение прикладных задач пользователя. От этого происходят режимы функционирования: режим супервизора или режим пользователя. В зависимости от режима при выполнении программ разрешается доступ ко всем ресурсам микроконтроллера или их части. В режиме супервизора разрешается выполнение любых команд, реализуемых процессором, и доступ ко всем регистрам. В режиме пользователя запрещается выполнение ряда команд и дос-туп к некоторым регистрам, чтобы ограничить возможности таких изменений состояния системы, которые могут помешать выполнению других программ или нарушить установленный супервизором режим работы процессора. Сильным аргументом в сторону выбора микроконтроллеров Motorola - высокая популярность в свое время семейства M68000 и программная совместимость микроконтроллеров M68000 и более современных M68300, что позволяет использовать существующие программные наработки в новых разработках, тем самым сокращая сроки проектирования.
- Несомненным преимуществом ядра ARM является его стандартность, что позволяет использовать программное обеспечение от других совместимых микроконтроллеров, иметь более широкий доступ к средствам для проектирования или более просто осуществлять миграцию между микроконтроллерами.
- Несмотря на использование одного и того же ядра ARM в микроконтроллерах разных производителей, все-таки каждый из них имеет свое лицо, что достигается оригинальной "рецептурой" периферийных устройств и занятие в некоторых из типов периферийных устройств лидерских позиций, например, для Analog Device это цифро-аналоговые преобразователи.
- ARM-ядра имеют представительную номенклатуру и динамику развития, однако, из сравнения следует, что для широких масс доступны в основном микроконтроллеры на основе ядра ARM7TDMI. Объяснить это можно, например, тем, что основ-ная сфера потребления ARM-микроконтроллеров - бытовые, офисные, пользовательские электронные приборы и оборудование, которые, к сожалению, в основном выпускают зарубежные ОЕМ-производители.
- Рынок 32-разрядных микроконтроллеров обладает высокой емкостью, которая будет динамично возрастать в ближай-шие годы, поэтому, нам остается следить за борьбой производителей микроконтроллеров за долю данного рынка, следить за анонсами и успевать осваивать новые технологии.
Литература
- J. Wilbrink. Facilitation the Migration from 8-bit to 32-bit Microcontrollers/Atmel Corporation -2004.
- "Atmel Introduces World"s First Sub $3 ARM7 Flash Microcontroller", новость компании Atmel от 19.10.04, www.atmel.com.
- Processor Cores Flyer//Ref: ARM DOI 0111-4/05.03, Issued: May 2003.
- Материалы сайта
www.arm.com
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.
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?
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.
Компьютерный мир стремительно меняется. Настольные ПК уступили первые строчки в рейтингах продаж ноутбукам, а они вот-вот могут отдать рынок планшетам и другим мобильным устройствам. 10 лет назад мы ценили чистые мегагерцы, настоящую мощь и производительность. Теперь, чтобы завоевать рынок процессор должен быть не только быстрым, но и экономичным. Многие считают, что архитектурой XXI века является ARM. Так ли это?
Новое – хорошо забытое старое
Журналисты вслед за пиарщиками ARM нередко преподносят эту архитектуру как нечто совершенно новое, что должно похоронить убеленную сединами х86.
На самом деле ARM и х86, на базе которой построены процессоры Intel, AMD и VIA, устанавливаемые в ноутбуки и настольные ПК, практически ровесники. Первый чип х86 увидел свет в 1978 году. Проект ARM официально стартовал в 1983, но при этом базировался на разработках, которые велись практически одновременно с созданием х86.
Первые ARM впечатляли своим изяществом специалистов, но со своей относительной низкой производительностью не могли бы завоевать рынок, который требовал высоких скоростей и не обращал внимание на эффективность работы. Должны были сложиться определенные условия, чтобы популярность ARM резко пошла вверх.
На рубеже восьмидесятых и девяностых с их относительно недорогой нефтью были востребованы огромные внедорожники с мощными 6-литровыми двигателями. Мало кого интересовали электромобили. Но в наше время, когда баррель нефти стоит больше $100, большие машины с прожорливыми движками нужны только богатым, остальные спешат пересесть на экономичные автомобили. Похожее случилось и с ARM. Когда встал вопрос мобильности и экономичности, архитектура оказалась сверхвостребованной.
«Рисковый» процессор
ARM представляет собой RISC-архитектуру. В ней используется сокращенный набор команд – RISC (reduced instruction set computer). Архитектура этого типа появилась в конце семидесятых, примерно тогда же, когда Intel предложила свою х86.
Экспериментируя с различными компиляторами и процессорами с микрокодной реализацией, инженеры заметили, что в некоторых случаях последовательности простых команд выполнялись быстрее, чем одна сложная операция. Было решено создать архитектуру, которая предполагала бы работу с ограниченным набором простейших инструкций, декодирование и выполнение которых занимало бы минимум времени.
Один из первых проектов RISC-процессоров был реализован группой студентов и преподавателей из Университета Беркли в 1981 году. Как раз в это время британская компания Acorn столкнулась с вызовом времени. Она выпускала весьма популярные на Туманном Альбионе образовательные компьютеры BBC Micro на базе процессора 6502. Но вскоре эти домашние ПК стали проигрывать более совершенным машинам. Acorn рисковала потерять рынок. Инженеры компании, познакомившись со студенческими работами по RISC-процессорам, решили, что справиться с созданием собственного чипа будет достаточно просто. В 1983 году стартовал проект Acorn RISC Machine, который позднее превратился в ARM. Через три года был выпущен первый процессор.
Первые ARM
Он был крайне простым. Первые чипы ARM даже были лишены команд умножения и деления, которые представлялись набором более простых инструкций. Другой особенностью чипов стали принципы работы с памятью: все операции с данными могли осуществляться только в регистрах. При этом процессор работал с так называемым регистровым окном, то есть мог обращаться лишь к части из всех доступных регистров, которые были в основном универсальными, а их работа зависела от режима, в котором находился процессор. Это позволило в самых первых версиях ARM отказаться от кэша.
Кроме того, упрощая наборы команд, разработчики архитектуры смогли обойтись без ряда других блоков. Например, в первых ARM начисто отсутствовал микрокод, а также модуль выполнения операций с плавающей запятой – FPU. Общее число транзисторов в первом ARM составляло 30 000. В аналогичных х86 их было в несколько раз, а то и на порядок больше. Дополнительная экономия энергии достигается за счет условного выполнения команд. То есть та или иная операция будет выполнена, если в регистре есть соответствующий факт. Это помогает процессору избежать «лишних телодвижений». Все инструкции выполняются последовательно. В результате ARM потерял в производительности, но не существенно, при этом значительно выиграл в энергопотреблении.
Основные принципы построения архитектуры остаются теми же, что и в первых ARM: работа с данными только в регистрах, сокращенный набор команд, минимум дополнительных модулей. Все это обеспечивает архитектуре низкое энергопотребление при относительно высокой производительности.
С целью ее увеличения ARM в течение последних лет внедрила несколько дополнительных наборов инструкций. Наряду с классической ARM, существуют Thumb, Thumb 2, Jazelle. Последняя предназначена для ускорения выполнения Java-кода.
Cortex – самые совершенные ARM
Cortex – современные архитектуры для мобильных устройств, встроенных систем и микроконтроллеров. Соответственно CPU обозначаются как Cortex-A, встроенные – Cortex-R и микроконтроллеры – Cortex-M. Все они построены на базе архитектуры ARMv7.
Наиболее совершенная и мощная архитектура в линейке ARM – Cortex-A15. Предполагается, что на ее базе будут производиться в основном двух или четырехъядерные модели. Cortex-A15 из всех предыдущих ARM наиболее близка к х86 по количеству и качеству блоков.
В основе Cortex-A15 лежат процессорные ядра, снабженные блоком FPU и набором SIMD-инструкций NEON, призванных ускорить обработку мультимедийных данных. Ядра имеют 13-стадийный конвейер, они поддерживают выполнение инструкций в свободном порядке, виртуализацию на базе ARM.
Cortex-A15 поддерживает систему расширенной адресации памяти. ARM остается 32-битной архитектурой, но инженеры компании научились преобразовывать 64-битную или другую расширенную адресацию в понятную процессору 32-битную. Технология получила название Long Physical Address Extensions. Благодаря ей, Cortex-A15 в теории может адресовать до 1 Тбайт памяти.
Каждое ядро снабжено кэшем первого уровня. Кроме того, есть до 4 Мбайт распределенного кэша второго уровня с низким уровнем латентности. Процессор снабжен 128-битной когерентной шиной, которая может быть использована для связи с другими блоками и периферией.
Ядра, которые лежат в основе Cortex-A15 являются развитием Cortex-A9. Они имеют схожую структуру.
Cortex-A9, в отличие от Cortex-A15, может выпускаться как во много-, так и одноядерном варианте. Максимальная частота составляет 2.0 ГГц, Cortex-A15 предполагает возможность создания чипов, работающих на частоте 2.5 ГГц. Чипы на ее базе будут изготавливаться по техпроцессам 40 нм и более тонким. Cortex-A9 выпускается по техпроцессам 65 и 40 нм.
Cortex-A9, как и Cortex-A15, предназначен для использования в высокопроизводительных смартфонах и планшетах, но более серьезное применение, например, в серверах ему не по зубам. Только Cortex-A15 имеет аппаратную виртуализацию, расширенную адресацию памяти. Кроме того, набор SIMD-инструкций NEON Advanced и блок FPU в Cortex-A9 являются опциональными элементами, в то время как в Cortex-A15 они обязательны.
Cortex-A8 в будущем будет постепенно уходить со сцены, но пока этот одноядерный вариант найдет применение в бюджетных смартфонах. Недорогое решение с частотой от 600 МГц до 1 ГГц представляет собой сбалансированную архитектуру. Она имеет блок FPU, поддерживает первый вариант SIMD NEON. Cortex-A8 предполагает единственный техпроцесс – 65 нм.
ARM предыдущих поколений
На мобильном рынке довольно распространены процессоры ARM11. Они построены на базе архитектуры ARMv6 и ее модификаций. Она характеризуется 8-9-стадийными конвейерами, поддержкой Jazelle, способствующей ускорению обработки Java-кода, потоковых инструкций SIMD, Thumb-2.
XScale, процессоры ARM10E, ARM9E основаны на архитектуре ARMv5 и ее модификациях. Максимальная длина конвейера составляет 6 стадий, Thumb, Jazelle DBX, Enhanced DSP. Чипы XScale имеют кэш второго уровня. Процессоры использовались в смартфонах середины нулевых, сегодня их можно найти в некоторых недорогих мобильниках.
ARM9TDMI, ARM8, StrongARM – представители ARMv4, обладающей 3-5 стадийным конвейером, поддерживающей Thumb. ARMv4, например, можно было найти в первых классических iPod.
ARM6 и ARM7 относятся к ARMv3. В этой архитектуре впервые появился блок FPU, было реализована 32-битная адресация памяти, а не 26-битная, как в первых образцах архитектуры. Формально ARMv2 и ARMv1 были 32-битными чипами, но в действительности активно работали только с 26-битным адресным пространством. Кэш впервые появился в ARMv2.
Имя им легион
Acorn изначально не собиралась становиться игроком процессорного рынка. Задачей проекта ARM должно было стать создание чипа собственного производства для выпуска компьютеров – именно создание ПК в Acorn считали своим основным бизнесом.
Из группы разработчиков ARM превратилась в компанию, благодаря Apple. В 1990 году Apple совместно с VLSI и Acorn начала разработку экономичного процессора для первого карманного компьютера Newton. Для этих целей и была создана отдельная компания, получившая имя внутреннего проекта Acorn – ARM.
При участии Apple была создан процессор ARM6, наиболее близкий к современным чипам английского разработчика. В то же время компания DEC смогла запатентовать архитектуру ARM6 и начала выпуск чипов под маркой StrongARM. Спустя пару лет, технологии перешли к Intel в рамках очередного патентной спора. Микропроцессорный гигант создал на основе ARM свой аналог – процессор XScale. Но в середине предыдущего десятилетия Intel избавилась от этого «непрофильного актива», сосредоточившись исключительно на х86. XScale перекочевал в руки Marvell, которая уже лицензировала ARM.
Новоявленная миру ARM на первых порах была не в состоянии заниматься производством процессорам. Ее руководство выбрало другой способ зарабатывания денег. Архитектура ARM отличалась простотой и гибкостью. Ядро на первых порах было лишено даже кэша, поэтому впоследствии дополнительные модули, включая FPU, контроллеры не тесно интегрировались в процессор, а как бы навешивались на основу.
Соответственно, ARM получил в руки интеллектуальный конструктор, который позволял технологически развитым компаниям создавать процессоры или микроконтроллеры под свои нужды. Делается это при помощи так называемых сопроцессоров, которые могут расширять стандартную функциональность. Всего архитектура поддерживает до 16 сопроцессоров (номера от 0 до 15), но номер 15 зарезервирован под сопроцессор, выполняющий функции управления кэшем и памятью.
Периферийные устройства подключаются к чипу ARM, отображая свои регистры в пространстве памяти процессора или сопроцессора. К примеру, чип для обработки изображений может состоять из сравнительно простого ядра на базе ARM7TDMI и из сопроцессора, обеспечивающего декодирование HDTV-сигнала.
ARM начала лицензировать свою архитектуру. Воплощением ее в кремнии занимались уже другие компании, среди них Texas Instruments, Marvell, Qualcomm, Freescale, но и также совсем непрофильные вроде Samsung, Nokia, Nintendo или Canon.
Отсутствие собственных фабрик, а также внушительные лицензионные отчисления позволили ARM быть более гибкой в разработке новых версий архитектуры. Компания пекла их как горячие пирожки, выходя в новые ниши. Помимо смартфонов и планшетов, архитектура задействована в специализированных процессорах, например, в GPS-навигаторах, цифровых фотоаппаратах и видеокамерах. На ее базе создаются промышленные контроллеры и другие чипы для встраиваемых систем.
Система лицензирования ARM представляет собой настоящий гипермаркет микроэлектроники. Компания лицензирует не только новые, но и устаревшие архитектуры. Последние могут быть использованы для создания микроконтроллеров или чипов для недорогих устройств. Естественно, уровень лицензионных отчислений зависит от степени новизны и сложности интересующего производителя варианта архитектуры. Традиционно техпроцессы, под которые ARM разрабатывает процессоры, отстают на 1-2 шага от тех, что считаются актуальными для х86. Высокая энергоэффективность архитектуры делает ее менее зависимой от перехода на новые технормы. Intel и AMD стремятся делать более «тонкие» чипы, чтобы наращивать частоты и количество ядер при сохранении физических размеров и энергопотребления. ARM изначально обладает меньшими требованиями к питанию, а также выдает больший уровень производительности на один ватт.
Особенности процессоров NVIDIA, TI, Qualcomm, Marvell
Лицензируя ARM направо и налево, разработчики усиливали позиции своей архитектуры за счет компетенций партнеров. Классическим примером в данном случае можно считать NVIDIA Tegra. Эта линейка систем-на-чипе имеет в основе архитектуру ARM, но у NVIDIA уже были свои весьма серьезные наработки в области трехмерной графики и системной логики.
ARM дает своим лицензиарам широкие полномочия по переработке архитектуры. Соответственно инженеры NVIDIA получили возможность совместить в Tegra сильные стороны ARM (вычисления CPU) и собственной продукции – работа с трехмерной графикой и т.д. В результате Tegra обладают высочайшей для своего класса процессоров производительностью в 3D. Они на 25-30% быстрее PowerVR, используемых Samsung и Texas Instruments, а также почти в два раза превосходят Adreno, разработку Qualcomm.
Другие производители процессоров на базе архитектуры ARM усиливают те или иные дополнительные блоки, совершенствуют чипы, чтобы добиться более высоких частот и производительности.
Например, Qualcomm не использует референсный дизайн ARM. Инженеры компании серьезно переработали его и назвали Scorpio – именно он лежит в основе чипов Snapdragon. Отчасти дизайн был переработан с целью освоения более тонких техпроцессов, чем предусмотрено стандартным IP ARM. В результате первые Snapdragon выпускались по нормам 45 нм, что обеспечило им более высокие частоты. А новое поколение этих процессоров с заявленными 2.5 ГГц и вовсе может стать самым быстрым среди аналогов на базе ARM Cortex-A9. Также Qualcomm применяет собственное графическое ядро Adreno, созданное на базе разработок, приобретенных у AMD. Так что в некотором роде Snapdragon и Tegra – враги на генетическом уровне.
Samsung при создании Hummingbird также пошла по пути оптимизации архитектуры. Корейцы совместно с компанией Intrinsity изменили логику, благодаря чему сократилось количество инструкций необходимых для выполнения некоторых операций. Таким образом удалось выиграть 5-10% производительности. Кроме того, был добавлен динамический кэш второго уровня и мультимедийное расширение ARM NEON. В качестве графического модуля корейцы использовали PowerVR SGX540.
Texas Instruments в новых сериях OMAP на базе архитектуры ARM Cortex-A добавила специальный модуль IVA, ответственный за ускорение обработки изображений. Он позволяет быстрее обрабатывать данные, поступающие с сенсора встроенной камере. Кроме того, он подключен к ISP и содействует ускорению видео. В OMAP также применяется графика PowerVR.
Apple A4 обладает большим кэшем в 512 Кбайт, в нем используется графика PowerVR, а само ARM-ядро построено на базе варианта архитектуры, переработанного Samsung.
Двухъядерный Apple A5, дебютировавший в iPad 2 в начале 2011 года, базируется на архитектуре ARM Cortex-A9, также, как и в предыдущий раз оптимизированной Samsung. По сравнению с А4 новый чип обладает удвоенным объемом кэш-памяти второго уровня - его увеличили до 1 Мбайт. Процессор содержит двухканальный контроллер оперативной памяти, обладает улучшенным видеоблоком. В результате его производительность в некоторых задачах вдвое выше, чем у Apple A4.
Marvell предлагает чипы на базе собственной архитектуры Sheeva, которая при ближайшем рассмотрении оказывается гибридом XScale, некогда купленной у Intel, и ARM. Данные чипы обладают большим по сравнению с аналогами объемом кэш-памяти, снабжены специальным мультимедийным модулем.
Сейчас лицензиаты ARM производят только чипы на базе архитектуры ARM Cortex-A9. При этом, хотя она и позволяет создавать четырехъядерные варианты, NVIDIA, Apple, Texas Instruments и другие пока ограничиваются моделями с одним или двумя ядрами. Кроме того, чипы работают на частоте до 1.5 ГГц. Cortex-A9 позволяет делать двухгигагерцовые процессоры, но опять же производители не стремятся быстро наращивать частоты - ведь пока рынку хватит и двухъядерников на 1.5 ГГц.
По-настоящему многоядерными должны стать процессоры на базе Cortex-A15, но они если и анонсированы, то на бумаге. Их появления в кремнии стоит ожидать в следующем году.
Современные процессоры лицензиатов ARM на базе Cortex-A9:
x86 – главный соперник
х86 – представитель CISC-архитектур. В них используется полный набор команд. Одна инструкция в данном случае выполняет несколько низкоуровневых операций. Программный код, в отличие от ARM, компактнее, но выполняется не столь быстро и требует больших ресурсов. Кроме того, с самого начала х86 оснащались всеми необходимыми блоками, что предполагало как их универсальность, так и прожорливость. Дополнительная энергия тратилась на безусловное, параллельное выполнение команд. Это позволяет достичь преимущества в скорости, но некоторые операции при этом выполняются вхолостую, так как не удовлетворяют предыдущим условиям.
Такими были классические х86, но, уже начиная с 80486, Intel де-факто создала внутреннее RISC-ядро, которое выполняло CISC-инструкции, предварительно разложенные на более простые команды. Такую же конструкцию имеют современные процессоры Intel и AMD.
Windows 8 и ARM
ARM и х86 сегодня различаются меньше, чем 30 лет назад, но все-таки базируются на разных принципах, что и разводит их по разным нишам процессорного рынка. Архитектуры могли бы никогда не пересечься, если бы не стал видоизменяться сам компьютер.
На первое место вышла мобильность и экономичность, больше внимания стало уделяться смартфонам и планшетам. Apple делает огромные деньги на мобильных гаджетах и привязанной к ним инфраструктуре. Microsoft не желает отставать и уже второй год пытается закрепиться на рынке планшетов. Достаточно успешно действует Google.
Настольный ПК становится в первую очередь рабочим инструментом, нишу бытового компьютера занимают планшеты и специализированные устройства. В этих условиях Microsoft собирается пойти на беспрецедентный шаг. . Пока не совсем ясно, к чему это приведет. Мы получим две версии операционной системы, или одну, которая будет работать с обеими архитектурами. Похоронит ли поддержка ARM со стороны Microsoft x86, или нет?
Информации пока немного. Microsoft продемонстрировала работу Windows 8 на устройстве с ARM-процессором во время выставки CES 2011. Стив Балмер показал, что на платформе ARM с помощью Windows можно смотреть видео, работать с изображениями, пользоваться Интернетом – Internet Explorer даже работал с аппаратным ускорением – подключать USB-устройства, печатать документы. Наиболее важным в этой демонстрации было наличие Microsoft Office, работающего на ARM без участия виртуальной машины. На презентации были показаны три гаджета на базе процессоров Qualcomm, Texas Instruments и NVIDIA. Windows имела стандартную оболочку «семерки», но представители Microsoft заявил о новом, переработанном ядре системы.
Однако, Windows - это не только ОС, сделанная инженерами Microsoft, это еще и миллионы программ. Некоторое ПО является критичным для людей многих профессий. Например, пакет Adobe CS. Будет ли компания поддерживать версию ПО для ARM-Windows, или новое ядро позволит Photoshop и другим популярным приложениям работать на компьютерах с NVIDIA Tegra или другим похожим чипам без дополнительных модификаций кода?
Кроме того встает вопрос с видеокартами. Сейчас видеокарты для ноутбуков делаются путем оптимизации энергопотребления настольных графических чипов – архитектурно они совпадают. В то же время сейчас видеокарта представляет собой что-то вроде «компьютера в компьютере» - у нее есть собственная сверхскоростная оперативная память и собственный вычислительный чип, который в специфических задачах существенно превосходит обычные процессоры. Само собой, что под них сделана соответствующая оптимизация приложений, работающих с 3D-графикой. Да и различные программы видеомонтажа и графические редакторы (в частности Photoshop с версии CS4), а с недавних пор еще и браузеры используют аппаратное ускорение средствами GPU.
Конечно, в Android, MeeGo, BlackBerry OS, iOS и других мобильных системах сделана необходимая оптимизация под различные присутствующие на рынке мобильные (точнее сверхмобильные) ускорители. Однако их поддержки нет в Windows. Драйверы, само собой, написаны будут (да и уже написаны – процессоры Intel Atom серии Z500 поставляются вкупе с чипсетом, куда интегрировано «смартфонное» графическое ядро PowerVR SGX 535), но вот оптимизация под них приложений может запоздать, если вообще случится.
Очевидно, что «ARM на десктопе» особо не приживется. Разве что в маломощных системах, на которых будут выходить в Интернет, да фильмы смотреть. На неттопах в общем. Так что ARM пока лишь пытается замахнуться на ту нишу, что занял Intel Atom и куда сейчас активно щемится AMD со своей платформой Brazos. И у нее это, видимо, отчасти получится. Если только обе процессорные компании не «выстрелят» чем-нибудь весьма конкурентоспособным.
Местами Intel Atom и ARM уже конкурируют. Они используются для создания сетевых хранилищ данных и маломощных серверов, которые могут обслуживать малый офис или квартиру. Также есть несколько коммерческих проектов кластеров на базе экономичных чипов Intel. Характеристики новых процессоров на базе ARM Cortex-A9 позволяют использовать их для поддержания инфраструктуры. Таким образом, через пару лет мы можем получить ARM-серверы или ARM-NAS для небольших локальных сетей, нельзя исключать и появление маломощных веб-серверов.
Первый спарринг
Главным соперником ARM со стороны х86 является Intel Atom, а теперь к ним можно прибавить еще и платформу . Сравнение х86 и ARM провёл Вэн Смит, который создал тестовые пакеты OpenSourceMark, miniBench и один из соавторов SiSoftware Sandra. В «забеге» приняли участие Atom N450, Freescale i.MX515 (Cortex-A8), VIA Nano L3050. Частоты чипов х86 были снижены, но у них все равно оставалось преимущество за счет более совершенной памяти.
Результаты оказались весьма интересными. ARM-чип оказался также быстр, как и конкуренты в целочисленных операциях, при этом расходуя меньше энергии. Здесь нет ничего удивительного. Изначально архитектура была и достаточно быстрой и экономичной. В операциях с плавающей точкой ARM уступила х86. Здесь сказался традиционно мощный блок FPU, имеющийся у чипов Intel и AMD. Напомним, что в ARM он появился относительно недавно. Задачи, ложащиеся на FPU, занимают в жизни современного пользователя значительно место – это игры, кодирование видео и аудио, другие потоковые операции. Конечно, тесты, проведенные Вэном Смитом, сегодня уже не так актуальны. ARM значительно усилила слабые стороны своей архитектуры в версиях Cortex-A9 и особенно Cortex-A15, которая, например, уже может выполнять инструкции безусловно, распараллеливая решение задач.
Перспективы ARM
Так на какую архитектуру ставить в итоге, на ARM или х86? Наиболее правильно будет ставить на обе. Сегодня мы живем в условиях переформатирования компьютерного рынка. В 2008 году нетбукам предрекали безоблачное будущее. Дешевые компактные ноутбуки должны были стать основным компьютером для большинства пользователей, особенно на фоне мирового кризиса. Но затем началось восстановление экономики и появился iPad. Теперь королями рынка объявлены планшеты. Однако планшет хорош в качестве развлекательной консоли, но не очень удобен для работы в первую очередь из-за сенсорного ввода – эту статью писать на iPad было бы очень непросто, да и долго. Выдержат ли планшеты проверку временем. Возможно, через пару лет мы придумаем себе новую игрушку.
Но все-таки в мобильном сегменте, там, где не требуется высокой производительности, а активность пользователя в основном ограничена развлечениями, и не связана с работой, ARM выглядят предпочтительнее х86. Они обеспечивают приемлемый уровень производительности, а также большое время автономной работы. Попытки Intel довести до ума Atom пока неудачны. ARM задает новую планку производительности на ватт потребляемой энергии. Скорее всего, в компактных мобильных гаджетах ARM будут пользоваться успехом. На рынке нетбуков они также могут стать лидерами, но здесь все зависит не столько от разработчиков процессоров, сколько от Microsoft и Google. Если первая реализует нормальную поддержку ARM в Windows 8, а вторая доведет до ума Chrome OS. Пока же смартбуки, предложенные Qualcomm, не сделали рынка. Нетбуки на базе х86 устояли.
Прорыв в этом направлении, по задумке ARM должна совершить архитектура Cortex-A15. Компания рекомендует двух- и четырехъядерные процессоры на ее базе с частотой 1.0-2.0 ГГц для домашних развлекательных систем, которые будут объединять воедино медиаплеер, 3D-телевизор и интернет-терминал. Четырехъядерные чипы с частотой 1.5-2.5 ГГц могут стать основой домашних и веб-серверов. Наконец самый амбициозный вариант применения Cortex-A15 - инфраструктура беспроводных сетей. Здесь могут использоваться чипы с четырьмя и более ядрами, частотой 1.5-2.5 ГГц.
Но пока это только планы. Cortex-A15 была представлена ARM в сентябре прошлого года. Cortex-A9 была показана компанией в октябре 2007 года, через два года компания презентовала вариант А9 с возможностью увеличения частоты чипы до 2.0 ГГц. Для сравнения NVIDIA Tegra 2 - одно из самых раскрученных решений на базе Cortex-A9 – увидело свет только в январе прошлого года. Ну а первые гаджеты на его основе пользователи смогли пощупать еще через шесть месяцев.
Сегмент рабочих ПК и высокопроизводительные решения останутся за х86. Это не будет означать смерти архитектуры, но в денежном выражении Intel и AMD стоит подготовиться к потери части доходов, которые перейдут производителям ARM-процессоров.
