Первые чипы ARM появились еще три десятилетия назад благодаря стараниям британской компании Acorn Computers (ныне ARM Limited), но долгое время пребывали в тени своих более именитых собратьев – процессоров архитектуры х86. Все перевернулось с ног на голову с переходом IT-индустрии в пост-компьютерную эпоху, когда балом стали править уже не ПК, а мобильные гаджеты.
Особенности архитектуры ARM
Начать стоит, пожалуй, с того, что в процессорной архитектуре x86, которую сейчас используют компании Intel и AMD, применяется набор команд CISC (Complex Instruction Set Computer), хоть и не в чистом виде. Так, большое количество сложных по своей структуре команд, что долгое время было отличительной чертой CISC, сначала декодируются в простые, и только затем обрабатываются. Понятное дело, на всю эту цепочку действий уходит немало энергии.
Чип ARM1 – первенец компании Acorn Computers, который производился на фабриках VLSI
В качестве энергоэффективной альтернативы выступают чипы архитектуры ARM с набором команд RISC (Reduced Instruction Set Computer). Его преимущество в изначально небольшом наборе простых команд, которые обрабатываются с минимальными затратами. Как результат, сейчас на рынке потребительской электроники мирно (на самом деле, не очень мирно) уживаются две процессорные архитектуры – х86 и ARM, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки.
Первым в истории устройством на базе процессора архитектуры ARM был персональный компьютер BBC Micro
Архитектура х86 позиционируется как более универсальная с точки зрения посильных ей задач, включая даже столь ресурсоемкие, как редактирование фотографий, музыки и видео, а также шифрование и сжатие данных. В свою очередь архитектура ARM «выезжает» за счет крайне низкого энергопотребления и в целом-то достаточной производительности для важнейших на сегодня целей: прорисовки веб-страниц и воспроизведения медиaконтента.
Архитектурные отличия процессоров x86 (набор команд CISC) и ARM (набор команд RISC)
Выводы
В этой статье мы рассмотрели чем отличается ARM от x86. Отличия довольно серьезные. Но в последнее время грань между обоими архитектурами стирается. ARM процессоры становятся более производительными и быстрыми, а x86 благодаря уменьшению размера структурного элемента платы начинают потреблять меньше энергии и выделять меньше тепла. Уже можно встретить ARM процессор на серверах и в ноутбуках, а x86 на планшетах и в смартфонах.
А как вы относитесь к этим x86 и ARM? За какой технологией будущее по вашему мнению? Напишите в комментариях! Кстати, Линус Торвальдс предпочитает x86.
На завершение видео о развитии арихтектуры ARM:
Похожие записи:
Нет похожих записей
Бизнес-модель компании ARM Limited
Сейчас компания ARM Limited занимается лишь разработкой референсных процессорных архитектур и их лицензированием. Создание же конкретных моделей чипов и их последующее массовое производство – это уже дело лицензиатов ARM, которых насчитывается превеликое множество. Есть среди них как известные лишь в узких кругах компании вроде STMicroelectronics, HiSilicon и Atmel, так и IT-гиганты, имена которых у всех на слуху – Samsung, NVIDIA и Qualcomm. С полным списком компаний-лицензиатов можно ознакомиться на соответствующей странице официального сайта ARM Limited.
Только компаний, получивших лицензию на производство чипов семейства ARM Cortex-A, насчитается несколько десятков, а ведь в портфолио ARM Limited есть и другие разработки
Столь большое число лицензиатов вызвано в первую очередь обилием сфер применения ARM-процессоров, причем мобильные гаджеты – это лишь вершина айсберга. Недорогие и энергоэффективные чипы используется во встраиваемых системах, сетевом оборудовании и измерительных приборах. Платежные терминалы, внешние 3G-модемы и спортивные пульсометры – все эти устройства основаны на процессорной архитектуре ARM.
Российская со штаб-квартирой в Зеленограде, что интересно, тоже получила лицензию на производство чипов архитектуры ARM
По подсчетам аналитиков, сама ARM Limited зарабатывает на каждом произведенном чипе $0,067 в виде роялти. Но это сильно усредненная сумма, ведь по себестоимости новейшие многоядерные процессоры значительно превосходят одноядерные чипы устаревшей архитектуры.
До недавних пор компания ARM, разработчик одноимённых процессорных архитектур, уделяла пристальное внимание переносимости кода. Единожды созданный код для конкретной версии ядра должен работать везде, вне зависимости от того, какая именно компания реализовала это ядро в «кремнии».
Более того, ARM в прошлом году на специально созданном сайте, который был спешно удалён, прямо указывала, что для конкурирующей, открытой архитектуры RISC-V есть риск фрагментации из-за возможности добавления собственных инструкций. Однако теперь компания сама пошла на попятную.
На мероприятии ARM Techcon 2020 компания анонсировала возможность добавления собственных инструкций для процессоров с архитектурой ARMv8-M. Первыми её получат ядра Cortex-M33 для микроконтроллеров. Стоимость лицензирования при этом не изменится. Дизайн Cortex-M33, таким образом, получит возможность оптимизации для ускорения выполнения популярных ныне задач машинного обучения и искусственного интеллекта.
Архитектурно поддержка настраиваемых инструкций осуществляется за счёт добавления в состав ядра Cortex-M33 специального настраиваемого модуля, делящего интерфейсы доступа с обычным ALU. Для модификации доступно до 8 регионов, в зависимости от типа и количества специфических инструкций, которые планируется добавить.
В качестве меры защиты от излишней фрагментации будет добавлено особое исключение NOCP, которое будет выдаваться ядром при попытке запуска неподдерживаемого кода. Кроме того, наличие базового набора инструкций всё равно остаётся обязательным.
Внедрение поддержки наборов настраиваемых инструкций планируется начать в первой половине 2020 года. Появление новых процессоров ARM с настраиваемыми инструкциями следует ожидать в 2020 или 2021 году. Интерес проявили такие компании, как STMicro, NXP и Silicon Labs. Подробную информацию о поддержке кастомных инструкций можно найти на сайте ARM Developer.
Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER. | Можете написать лучше? Мы всегда рады новым авторам.
Однокристальная система
С технической точки зрения называть чипы архитектуры ARM процессорами не совсем верно, ведь помимо одного или нескольких вычислительных ядер они включают целый ряд сопутствующих компонентов. Более уместными в данном случае являются термины однокристальная система и система-на-чипе (от англ. system on a chip).
Так, новейшие однокристальные системы для смартфонов и планшетных компьютеров включают контроллер оперативной памяти, графический ускоритель, видеодекодер, аудиоокодек и опционально модули беспроводной связи. Узкоспециализированные чипы могут включать дополнительные контроллеры для взаимодействия с периферийными устройствами, например датчиками.
Схема строения однокристальной системы с четырьмя ядрами ARM Cortex-A9
Отдельные компоненты однокристальной системы могут быть разработаны как непосредственно ARM Limited, так и сторонними компаниями. Ярким тому примером являются графические ускорители, разработкой которых помимо ARM Limited (графика Mali) занимаются Qualcomm (графика Adreno) и NVIDIA (графика GeForce ULP).
Не стоит забывать и про компанию Imagination Technologies, которая ничем другим, кроме проектирования графических ускорителей PowerVR, вообще не занимается. А ведь именно ей принадлежит чуть ли не половина глобального рынка мобильной графики: гаджеты Apple и Amazon, планшетники Samsung Galaxy Tab 2, а также недорогие смартфоны на базе процессоров MTK.
Устаревшие поколения чипов
Морально устаревшими, но все еще широко распространенными процессорными архитектурами являются ARM9 и ARM11, которые принадлежат к семействам ARMv5 и ARMv6 соответственно.
ARM9. Чипы ARM9 могут достигать тактовой частоты 400 МГц и, скорее всего, именно они установлены внутри вашего беспроводного маршрутизатора и старенького, но все еще надежно работающего мобильного телефона вроде Sony Ericsson K750i и Nokia 6300. Критически важным для чипов ARM9 является набор инструкций Jazelle, который позволяет комфортно работать с Java-приложениями (Opera Mini, Jimm, Foliant и др.).
ARM11. Процессоры ARM11 могут похвастаться расширенным по сравнению с ARM9 набором инструкций и куда более высокой тактовой частотой (вплоть до 1 ГГц), хотя для современных задач их мощности тоже не достаточно. Тем не менее, благодаря невысокому энергопотреблению и, что не менее важно, себестоимости, чипы ARM11 до сих пор применяются в смартфонах начального уровня: Samsung Galaxy Pocket и Nokia 500.
Чип Broadcom Thunderbird – один из немногочисленных представителей поколения ARM11, который до сих пор применяется в Android-смартфонах
Современные поколения чипов
Все более-менее новые чипы архитектуры ARM принадлежат к семейству ARMv7, флагманские представители которого уже достигли отметки в восемь ядер и тактовой частоты свыше 2 ГГц. Разработанные непосредственно ARM Limited процессорные ядра принадлежат к линейке Cortex и большинство производителей однокристальных систем используют их без существенных изменений. Лишь компании Qualcomm и Apple создали собственные модификации на основе ARMv7 – первая назвала свои творения Scorpion и Krait, а вторая – Swift.
Чип Apple A6 (ядро Swift) – первая попытка Купертино собственноручно модифицировать архитектуру ARMv7
ARM Cortex-A8. Исторически первым процессорным ядром семейства ARMv7 было Cortex-A8, которое легло в основу таких известных SoC своего времени как Apple A4 (iPhone 4 и iPad) и Samsung Hummingbird (Samsung Galaxy S и Galaxy Tab). Оно демонстрирует примерно вдвое более высокую производительность по сравнению с предшествующим ARM11. К тому же, ядро Cortex-A8 получило сопроцессор NEON для обработки видео высокого разрешения и поддержку плагина Adobe Flash.
Правда, все это негативно сказалось на энергопотреблении Cortex-A8, которое значительно выше чем у ARM11. Несмотря на то, что чипы ARM Cortex-A8 до сих пор применяются в бюджетных планшетниках (однокристальная система Allwiner Boxchip A10), их дни пребывания на рынке, по всей видимости, сочтены.
Однокристальная система TI OMAP 3 – представитель некогда популярного, но сейчас уже угасающего поколения ARM Cortex-A8
ARM Cortex-A9. Вслед за Cortex-A8 компания ARM Limited представила новое поколение чипов – Cortex-A9, которое сейчас является самым распространенным и занимает среднюю ценовую нишу. Производительность ядер Cortex-A9 выросла примерно втрое по сравнению с Cortex-A8, да еще и появилась возможность объединять их по два или даже четыре на одном чипе.
Сопроцессор NEON стал уже необязательным: компания NVIDIA в своей однокристальной системе Tegra 2 его упразднила, решив освободить побольше места для графического ускорителя. Правда, ничего хорошего из этого не вышло, ведь большинство приложений-видеопроигрывателей все равно ориентировались на проверенный временем NEON.
Почти все флагманские планшетные компьютеры образца 2011 года были построены на базе чипа NVIDIA Tegra 2
Именно во времена «царствования» Cortex-A9 появились первые реализации предложенной ARM Limited концепции big.LITTLE, согласно которой однокристальные системы должны иметь одновременно мощные и слабые, но энергоэффективные процессорные ядра. Первой реализацией концепции big.LITTLE стала система-на-чипе NVIDIA Tegra 3 с четырьмя ядрами Cortex-A9 (до 1,7 ГГц) и пятым энергоэффективным ядром-компаньоном (500 МГц) для выполнения простеньких фоновых задач.
ARM Cortex-A5 и Cortex-A7. При проектировании процессорных ядер Cortex-A5 и Cortex-A7 компания ARM Limited преследовала одно и ту же цель – добиться компромисса между минимальным энергопотреблением ARM11 и приемлемым быстродействием Cortex-A8. Не забыли и про возможность объединения ядер по два-четыре – многоядерные чипы Cortex-A5 и Cortex-A7 мало-помалу появляются в продаже (Qualcomm MSM8625 и MTK 6589).
Схема строения однокристальной системы c четырьмя ядрами ARM Cortex-A5
ARM Cortex-A15. Процессорные ядра Cortex-A15 стали логическим продолжением Cortex-A9 – как результат, чипам архитектуры ARM впервые в истории удалось примерно сравниться по быстродействию с Intel Atom, а это уже большой успех. Не зря ведь компания Canonical в системных требования к версии ОС Ubuntu Touch с полноценной многозадачностью указала двухъядерный процессор ARM Cortex-A15 или аналогичный Intel Atom.
Первой массовой однокристальной системой Cortex-A15 стала двухъядерная Exynos 5250, которая применяется в планшетнике Google Nexus 10 и лэптопе Samsung Chromebook
Очень скоро в продажу поступят многочисленные гаджеты на базе NVIDIA Tegra 4 с четырьмя ядрами ARM Cortex-A15 и пятым ядром-компаньоном Cortex-A7. Вслед за NVIDIA концепцию big.LITTLE подхватила смартфона Galaxy S4 стал чип Exynos 5 Octa с четырьмя ядрами Cortex-A15 и таким же количеством энергоэффективных ядер Cortex-A7.
Схема однокристальной системы big.LITTLE с процессорными ядрами ARM Cortex-A15 (big) и Cortex-A7 (LITTLE)
Устройства Advantech на платформе ARM
Advantech давно производит продукты на базе платформы ARM для разных отраслей и задач. От промышленных контроллеров, до сетевого оборудования и компактных компьютеров. Мы уже рассказывали о некоторых наших продуктах на ARM в других статьях.
WISE-710 — IoT-шлюз на базе i.MX6
WISE-710 — универсальное устройство, которое одновременно может быть шлюзом для промышленных интерфейсов, устройством сбора и обработки данных, хабом для IoT устройств и маршрутизатором. Построено на базе SoC i.MX6, процессора на архитектуре ARM Cortex-A7.
ECU-1152 — Шлюз для промышленных интерфейсов на базе ARM Cortex A8
ECU-1152 — шлюз для промышленных интерфейсов а также устройство для связи с объектом и устройства сбора и передачи данных с объекта. Построено на базе процессора ARM процессора с ядром Cortex A8
Миниатюрный ARM-компьютер UNO-1251G
UNO-1251G — крохотных компьютер, умещающийся на DIN-рейку, на базе 32-битного процессора Cortex A8 под управлением Linux или Windows CE. Поддерживает модули расширения Wi-Fi/3G/4G. Имеет встроенную CAN-шину и два интерфейса RS-232. Два порта LAN позволяют подключать его к двум независимым Ethernet сетям или использовать как маршрутизатор.
Компьютеры для машинного обучения на базе Nvidia Jetson
MIC-720AI — построен на базе платформы Jetson TX2, работающей на собственных ядрах Nvidia ARM Cortex-A57 и NVIDIA Denver 2 с полностью пассивным охлаждением. Предназначен для установки в промышленные системы машинного зрения, на производстве и в подвижных объектах. Безвентиляторная конструкция обеспечивает полную бесшумность в работе и позволяет использовать компьютер в пыльных помещениях без необходимости обслуживания. Работает под управлением Linux
Дальнейшие перспективы
Мобильные гаджеты на базе чипов Cortex-A15 еще толком не появились в продаже, а основные тенденции дальнейшего развития архитектуры ARM уже известны. Компания ARM Limited уже официально представила следующее семейство процессоров ARMv8, представители которого в обязательном порядке будут 64-разрядными. Открывают новую эпоху RISC-процессоров ядра Cortex-A53 и Cortex-A57: первое энергоэффективное, а второе высокопроизводительное, но оба способны работать с большими объемами оперативной памяти.
Производители потребительской электроники семейством процессоров ARMv8 пока особо-то не заинтересовались, но на горизонте вырисовались новые лицензиаты, планирующие вывести чипы ARM на серверный рынок: AMD и Calxeda. Идея новаторская, но вполне имеет право на жизнь: те же графические ускорители NVIDIA Tesla, состоящие из большого числа простых ядер, на практике доказали свою эффективность как серверных решений.
