Цифровой журнал «Компьютерра» № 118

Процессоры ARM: история параллельного мира Олег Нечай

Опубликовано 28 апреля 2012 года

Своей известностью Intel и AMD обязаны персональным компьютерам — на протяжении десятилетий продукция именно этих компаний устанавливалась в подавляющее большинство десктопов и ноутбуков. Менее крупные фирмы вроде VIA практически ушли с рынка, а ориентированные на корпоративных заказчиков IBM и Sun сосредоточились на специфическом сегменте чипов для серверов и рабочих станций. На этом фоне практически незаметным для широкой публики прошло восхождение к вершинам небольшой британской фирмы ARM Holdings, основным капиталом которой стал интеллектуальный потенциал её сотрудников.

Если большая часть высокотехнологичных американских компаний сосредоточена в калифорнийской Кремниевой долине, то главный офис британской ARM Holdings расположен в предместьях Кембриджа, получивших название «Кремниевое болото» (Silicon Fen). И хотя компания, известная под именем ARM Holdings, была зарегистрирована лишь в 1990 году, её история уходит в самое начало восьмидесятых, когда она была одним из непосредственных создателей индустрии персональных компьютеров.

В восьмидесятые годы, когда IBM PC ещё только разрабатывался, а предлагаемые на рынке персональные компьютеры были безумно дорогими, британские инженеры создали одну из первых действительно общедоступных «персоналок» — Sinclair ZX80. Легендарная машина стоила менее ста фунтов и пользовалась небывалым успехом — энтузиасты в СССР собирали её клоны до начала девяностых.

Одним из самых успешных конкурентов ZX в Великобритании стал ВВС Micro, разработанный фирмой Acorn Computers. Эти компьютеры поставлялись в британские школы с пятидесятипроцентной скидкой и были проданы тиражом около полутора миллионов экземпляров, а это очень много для тех лет, когда ПК считался дорогой, но практически бесполезной игрушкой.

Преемник BBC Micro, получивший претенциозное название Archimedes («Архимед»), не был столь же популярен, однако стал важной вехой в развитии компьютерной техники. Дело в том, что если в BBC Micro устанавливался стандартный восьмиразрядный процессор 6502 производства MOS Technology, то специально для Archimedes в Acorn разработали совершенно новый высокопроизводительный тридцатидвухбитный чип на основе архитектуры RISC (reduced instruction set computer — «компьютер с сокращённым набором команд»), который был назван Acorn RISC Machine или, коротко, ARM.

Младшая модель Archimedes оснащалась чипом с тактовой частотой 8 МГц, 512 Кбайтами оперативной памяти и флоппи-дисководом. Жёсткий диск мог устанавливаться за отдельную плату как опция. В чём эта машина опережала тогдашние IBM PC, так это в графике: ПК поддерживали разрешение экрана до 640 на 200 точек в монохромном или до 320 на 200 точек в четырёхцветном режиме, а Archimedes мог похвастаться работой с 256 цветовыми оттенками и разрешением до 640 на 256 точек со стандартным монитором или до 640 на 512 точек с дисплеем «высокого разрешения».

В 1990 году компании Acorn Computers, Apple Computer (да, та самая) и разработчик и производитель микросхем на заказ VLSI Technonogy создали совместное предприятие под названием Advanced RISC Machines, которое мы и знаем сегодня под названием ARM Holdings.

Первые восьмибитные процессоры вроде Intel 8080 или Motorola 6800 были способны выполнять лишь несколько простых команд: в них даже не поддерживалась инструкция умножения двух целых чисел, и для этого требовались сложные программные вычисления. Последующие модели чипов разрабатывались исходя из того, что «железо» способно работать быстрее «софта», и оснащались всё более обширным набором инструкций. Этот подход лёг в основу архитектуры CISC (complex instruction set computer — «компьютер со сложным набором команд»), на базе которой были построены практически все чипы x86, за исключением процессоров последних поколений (Pentium 4, Core, Athlon, Phenom) — они также в значительной степени используют архитектуру CISC, но корректнее считать их гибридными.

Применение именно этой архитектуры при последовательном усложнении наборов инструкций требует постоянного повышения тактовых частот. Если первые чипы могли выполнять большую часть своих простых инструкций за один или несколько тактов, то для современных процессоров необходимы несоизмеримо более высокие частоты.

Радикально иной подход к конструированию процессоров появился в начале 1980-х годов, и он получил название RISC. Согласно этому подходу процессоры должны уметь исполнять лишь несколько простых инструкций, но благодаря этой простоте такие инструкции будут исполняться за минимально возможное время, большинство из них — за один такт. В результате, несмотря на то что значительная часть работы выполняется на уровне программного обеспечения, выигрыш в производительности с лихвой компенсирует эти затраты.

С тех пор было разработано несколько семейств процессоров на основе архитектуры RISC, и все они демонстрировали впечатляющую производительность — в своей специфической нише UNIX-серверов и рабочих станций для CAD/CAM. Заслуживают особого упоминания такие чипы, как IBM Power, Sun SPARC и, конечно же, ARM. Некоторые из этих микросхем уже сняты с производства, но все они наглядно продемонстрировали, что «экономичная» архитектура RISC может на равных соперничать с «экстенсивной» CISC.

Поскольку современные процессоры ARM — прямые потомки чипа, разработанного инженерами Acorn для компьютера Archimedes в 1987 году, все они считаются построенными на единой архитектуре ARM. Точно так же современные процессоры Intel и AMD, происходящие от Intel 8086, называются чипами на базе архитектуры x86.

Тем, кто знаком с историей платформы ПК, известно понятие «поколение», используемое применительно к микропроцессорам x86. За последние годы граница между ними стала более размытой, однако первоначально можно чётко разделить чипы серий 8086 и 8088, микросхемы семейства 80286, а также последующие серии 80386, 80486, Pentium, Pentium II, Pentium III, Pentium IV, Pentium D, Core и Core 2 и т.д.

Понятие поколений применимо и к чипам на архитектуре ARM, но с одним важным отличием. Если в чипах x86 одним из важнейших признаков нового поколения была разрядность (сначала 16 бит, затем 32 и, наконец, 64 бита), то процессоры ARM со дня своего появления были тридцатидвухразрядными и остаются таковыми до настоящего времени. Однако это вовсе не означает отсутствия инноваций.

Самый первый процессор с архитектурой ARM увидел свет в 1985 году, но он не пошёл в серию. Первым коммерчески доступным чипом стал ARM 2 1986 года, которым оснащался Archimedes, и он не слишком отличался от своего предшественника. Несмотря на тридцатидвухбитную архитектуру, он получил двадцатишестиразрядную адресную шину, позволяющую адресовать до 64 Мбайт памяти — немного по нынешним меркам, но громадный объём для середины 80-х.

8 МГц тактовой частоты тоже сегодня выглядят более чем скромно, однако благодаря архитектуре RISC этого было вполне достаточно, чтобы обеспечить производительность в 4 MIPS (миллионов инструкций в секунду). Для сравнения: представленный в 1988 году процессор Intel 80386 работал на частоте 16 МГц и демонстрировал лишь немногим большую производительность в 5 MIPS.

Чтобы оценить изменения, которые претерпела архитектура ARM за прошедшие 25 лет, нужно присмотреться к её современным представителям.

Самым высокопроизводительным вычислительным ядром ARM на сегодняшний день считается Cortex-A15 на основе архитектуры седьмого поколения ARMv7. И хотя тактовая частота чипа зависит от его производителя, примерный максимум составляет около 2,5 ГГц, и на этой частоте производительность чипа достигает 35 000 MIPS.

И хотя это значение выглядит смешно на фоне показателей, к примеру, Intel Core i7 (i7 Extreme Edition 3960X работает на частоте 3,33 ГГц и обеспечивает порядка 177 730 MIPS), в пересчёте MIPS на ядро на каждый MГц их характеристики довольно близки.

Однако суть даже не в этом: Cortex-A15 потребляет менее ватта электроэнергии на каждое ядро, в то время как Core i7 потребляет десятки ватт на ядро. По энергопотреблению Cortex-A15 близок к Intel Atom, но намного опережает его по производительности, в и этом заключается принципиальное преимущество всех ARM-процессоров перед чипами на архитектуре CISC.

Читайте далее: чипы архитектуры ARM используются повсеместно — от кофеварок до телевизоров, а в автомобиле их может быть и несколько. Но смогут ли они вернуться в корпуса обычных ПК?

К оглавлению

Процессоры ARM: альтернативное будущее Олег Нечай

Опубликовано 28 апреля 2012 года

Первые компании, занимающиеся поставками микросхем, разрабатывали и самостоятельно производили чипы. Intel всё ещё следует этой модели и выпускает процессоры на собственных фабриках. AMD первоначально также владела производственными мощностями, однако со временем избавилась от них и стала заниматься исключительно разработкой, размещая заказы на выпуск чипов на заводах контрактных производителей.

ARM Holdings за всё время своего существования не произвела ни одной микросхемы. Более того, эта компания даже не занимается продвижением продукции под своей маркой. Вместо этого она продаёт (лицензирует) интеллектуальную собственность, которая позволяет другим фирмам разрабатывать и производить чипы на основе архитектуры ARM.

Эти чипы могут быть как микропроцессорами в полном смысле этого слова, так и сложными «системами на чипе», представляющими собой аппаратную основу мобильных телефонов, планшетов или других устройств. Такие системы могут включать в себя самые разнообразные модули: графические ускорители, интерфейсы, блоки беспроводной связи и т.д.

Что же получает фирма, приобретая лицензию на выпуск чипа с вычислительными ядрами на архитектуре ARM? Первоначально в распоряжение покупателя поступала вся документация на так называемые топологические блоки, в которой подробно описывалась конструкция интегральной микросхемы. Со временем количество используемых в чипах транзисторов намного увеличилось, а число возможных технологических процессов выросло настолько, что такой подход потерял всякий смысл.

В настоящее время конструкция предоставляется в виде описания цепей, на основе которых лицензиат самостоятельно разрабатывает физический дизайн микросхемы под собственный техпроцесс. Такое описание представляет собой текстуальный рассказ о том, как различные блоки соединяются друг с другом. При этом используется специальный язык RTL (register transfer-level — «на уровне перемещения между регистрами»), который характеризует конструкцию не на уровне транзисторов, а описывает то, как потоки данных должны перемещаться между регистрами.

Разумеется, такая схема подходит не всем, и ARM иногда предоставляет партнёрам готовые топологические блоки, что позволяет оптимизировать конструкцию под конкретные задачи и ускорить вывод готовой системы на рынок. К примеру, так продаются лицензии на процессор Osprey (двуядерный Cortex-A9), и всё, что остаётся сделать производителю, — это изготовить литографические маски для тиражирования микросхем.

Обычно мы представляем себе процессор в виде главной микросхемы на системной плате, а ядра, которых может быть несколько, — как его составные части, непосредственно отвечающие за исполнение инструкций.

В мире ARM термины «процессор» и «ядро» имеют несколько иное значение. Процессором называется конструкция, состоящая из одного или нескольких ядер, кэш-памяти, системной шины и прочих элементов, которую производитель может немедленно превратить в микросхему. Так, процессоры ARM Cortex-A9 в настоящее время выпускают несколько компаний, среди которых NEC, Texas Instruments и Toshiba.

Ядро — это центральный элемент микропроцессора, который производитель может использовать для создания микросхем собственной конструкции. Такая «система на чипе» (SoC) может представлять собой гораздо более сложное изделие, чем процессор, и отвечать за большую часть функциональности того или иного устройства в целом. Подобные микросхемы позволяют свести к минимуму число компонентов для сборки конечного продукта, уменьшить габариты печатной платы и снизить себестоимость, что особенно важно для крупносерийного производства.

Типичный пример современной «системы на чипе» — микросхема Samsung Exynos 4210, предназначенная для сборки смартфонов, планшетов и нетбуков. В состав этого чипа входят два ядра ARM Cortex-A9, работающие на частоте 1,2 ГГц, графический 3D-ускоритель, кодек видео высокой чёткости 1080p, звуковой адаптер, флэш-память, интерфейсы для подключения экрана, камеры и клавиатуры, шины USB, PCI Express, SATA. Кроме того, предусмотрена возможность работы с различными чипами беспроводной связи 3G/4G, HSPA+, Wi-Fi и GPS. Иными словами, в одной такой микросхеме умещается практически всё, что представлено отдельными модулями на материнской плате обычного настольного ПК.

Всем известно, что процессоры ARM и «системы на кристалле» на базе архитектуры ARM используются в смартфонах, планшетах, нетбуках и других портативных устройствах, но это лишь вершина айсберга.

Гуляя по любому современному торговому центру, вы проходите мимо огромного количества процессоров ARM, даже не подозревая об этом. Такие чипы установлены в самой разнообразной электронике: в телевизионных и игровых приставках, медиаплеерах и интернет-радиоприёмниках, телевизорах и музыкальных центрах, проигрывателях DVD и Blu-ray, приёмниках GPS и электронных книгах, цифровых фото- и видеокамерах и в домашних медиацентрах. Процессоры ARM используются в разнообразном медицинском оборудовании — от сканеров до систем удалённого мониторинга.

Микросхемы ARM применяются в качестве «мозга» жёстких дисков и твёрдотельных накопителей, принтеров и маршрутизаторов, точек доступа и беспроводных клавиатур. Более дешёвые и простые чипы на ядрах ARM можно обнаружить в кофеварках, беспроводных телефонах и даже в игрушках. Если у вас более-менее современный автомобиль, то в нём наверняка найдётся несколько устройств с микросхемами ARM — это и информационно-навигационные системы, и модули управления подушками безопасности, и блоки управления двигателем.

Заслуживает отдельного упоминания проект Mont-Blanc, объединивший европейских разработчиков аппаратного и программного обеспечения в работе над гибридным суперкомпьютером на базе чипов ARM NVIDIA Tegra. Цель проекта — создать на площадке Барселонского супервычислительного центра машину, не уступающую по производительности лучшим современным суперкомпьютерам, но чтобы при этом она потребляла в 15-30 раз меньше электроэнергии. К 2014 году планируется добиться примерно десятикратной энергоэффективности по сравнению с машинами на чипах x64 при сопоставимой производительности.

Архитектура ARM зародилась в чипах для настольных персональных компьютеров, затем в течение двух десятилетий она пряталась в микросхемах для бытовой техники и промышленного оборудования, а сегодня снова вышла на компьютерный рынок в планшетах и нетбуках. Но смогут ли процессоры ARM вернуться в корпуса обычных ПК и потеснить чипы CISС?

Скорее всего, нет, но рынок стремительно движется к отказу от десктопов в сторону всё более мобильных устройств — ноутбуков, нетбуков, планшетов. Для такой техники, рассчитанной на работу от аккумуляторов, критически важным становится низкое энергопотребление, а именно это — одна из самых сильных сторон архитектуры ARM. Кроме того, «системы на кристалле» позволяют сделать максимально компактный аппарат, что не менее важно для мобильного гаджета.

К ограничениям современных процессоров ARM часто относят их тридцатидвухразрядную архитектуру, ограничивающую объём адресуемой памяти, однако уже в ближайшем будущем ожидается появление нового поколения шестидесятичетырёхбитных чипов ARMv8, которые смогут найти применение там, где требуется работа с большими объёмами данных, например в серверах. Новые процессоры особенно хорошо подходят для серверов, размещаемых в дата-центрах, одними из ключевых требований к которым являются энергоэффективность и коэффициент производительности MIPS на единицу занимаемой площади.

В частности, компания HP работает над проектом Redstone Server Development Platform, в рамках которого разработано серверное шасси высотой 4U. В это шасси могут загружаться 72 платы, на каждой из которых установлено по четыре процессора Calxeda EnergyCore на базе ARM Cortex-A9 c тактовой частотой 1,3 ГГц, 4 Гбайта ОЗУ и 4 Мбайта кэша второго уровня.

Цель другого проекта HP под названием Moonshot — создание максимально энергоэффективных серверов, способных потреблять на 89 процентов меньше энергии и занимать на 94 процента меньше места по сравнению с серверами классической конструкции. Основным элементом этого проекта является север Redstone на процессорах ARM.

Наконец, ARM постепенно закрепляется на рынке мобильных графических ускорителей, которые, как и «обычные» вычислительные процессоры, могут похвастаться исключительной производительностью при выдающейся энергоэффективности. Среди таких новинок стоит отметить чип Mali-T658, рассчитанный на работу совместно с ARM Cortex-A15 и Cortex-A7, а также с ядрами следующего поколения ARMv8. Как утверждают разработчики, новинка в десятки раз быстрее ускорителя Mali 400 MP, который встроен, например, в «систему на чипе» Samsung Exynos. Чистая производительность T658 достигает 256 Гфлопс (миллиардов операций с плавающей запятой в секунду), что сравнимо с мощностью PlayStation 3.

На этом рассказ о мощных и экономичных процессорах ARM, которых продаётся в мире намного больше, чем ЦП Intel и AMD вместе взятых, пока что заканчивается. Но это только пока.

Читайте также: История центральных процессоров не сводится к противостоянию Intel и AMD. Чипов с архитектурой ARM в мире продаётся больше, чем всех процессоров этих двух гигантов.

К оглавлению