Všetko o architektúre mobilných procesorov ARM Cortex A53. Čo je ARM

Meno ARM už určite počul každý záujemca o mobilné technológie. Mnoho ľudí chápe túto skratku ako typ procesora pre smartfóny a tablety, iní objasňujú, že tu vôbec nejde o procesor, ale o jeho architektúru. A určite sa málokto ponoril do histórie vzniku ARM. V tomto článku sa pokúsime pochopiť všetky tieto nuansy a povedať vám, prečo moderné gadgety potrebujú procesory ARM.

Krátky exkurz do histórie

Na otázku „ARM“ uvádza Wikipedia dva významy tejto skratky: Acorn RISC Machine a Advanced RISC Machines. Začnime pekne po poriadku. Spoločnosť Acorn Computers bola založená vo Veľkej Británii v 80-tych rokoch minulého storočia a začala tým, že vytvorila osobné počítače. V tom čase sa Žaluď nazýval aj „Britské jablko“. Rozhodujúcim momentom pre spoločnosť bol koniec 80. rokov, keď jej hlavný inžinier využil rozhodnutie dvoch absolventov miestnych univerzít prísť s novým druhom architektúry RISC (Reduced Instruction Set Processor). Takto sa zrodil prvý počítač založený na Acorn Risc Machine. Úspech na seba nenechal dlho čakať. V roku 1990 Briti uzavreli dohodu s Apple a čoskoro začali pracovať na novej verzii čipsetu. Výsledkom bolo, že vývojový tím vytvoril spoločnosť s názvom Advanced RISC Machines analogicky s procesorom. Čipy s novou architektúrou sa stali známymi aj ako Advanced Risc Machine alebo skrátene ARM.

Od roku 1998 sa Advanced Risc Machine zmenil na ARM Limited. V súčasnosti sa spoločnosť nezaoberá výrobou a predajom vlastných procesorov. Hlavnou a jedinou činnosťou ARM Limited je vývoj technológií a predaj licencií rôznym spoločnostiam na používanie architektúry ARM. Niektorí výrobcovia kupujú licenciu na bežne dostupné jadrá, zatiaľ čo iní kupujú takzvanú „licenciu na architektúru“ na výrobu procesorov s vlastnými jadrami. Medzi tieto spoločnosti patria Apple, Samsung, Qualcomm, nVidia, HiSilicon a ďalšie. Podľa niektorých správ ARM Limited zarobí 0,067 $ na každom takomto procesore. Tento údaj je spriemerovaný a tiež zastaraný. Každý rok je v čipsetoch stále viac jadier a nové viacjadrové procesory prekonávajú zastarané vzorky z hľadiska nákladov.

Technické vlastnosti čipov ARM

Existujú dva typy moderných architektúr procesorov: CISC(Complex Instruction Set Computing) a RISC(Reduced Instruction Set Computing). Architektúra CISC zahŕňa rodinu procesorov x86 (Intel a AMD) a architektúru RISC, rodinu ARM. Hlavným formálnym rozdielom medzi RISC a CISC, a teda aj x86 od ARM, je redukovaná inštrukčná sada používaná v RISC procesoroch. Takže napríklad každá inštrukcia v architektúre CISC je transformovaná do niekoľkých RISC inštrukcií. Procesory RISC navyše využívajú menej tranzistorov, a teda spotrebujú menej energie.

Hlavnou prioritou procesorov ARM je pomer výkonu a spotreby energie. ARM má vyšší pomer výkonu na watt ako x86. Potrebný výkon môžete získať z 24 jadier x86 alebo stoviek malých jadier ARM s nízkou spotrebou. Samozrejme, ani ten najvýkonnejší procesor na báze ARM nebude nikdy taký výkonný ako Intel Core i7. Ale ten istý Intel Core i7 potrebuje aktívny chladiaci systém a nikdy sa nezmestí do puzdra na telefón. ARM tu nemá konkurenciu. Na jednej strane to vyzerá ako atraktívna možnosť, ako postaviť superpočítač využívajúci milión ARM procesorov namiesto tisícky x86 procesorov. Na druhej strane sa tieto dve architektúry nedajú jednoznačne porovnávať. V niektorých ohľadoch bude výhoda pre ARM a v iných - pre x86.

Nie je však úplne správne nazývať čipy architektúry ARM procesormi. Okrem niekoľkých procesorových jadier obsahujú aj ďalšie komponenty. Najvhodnejší výraz by bol „jeden čip“ alebo „systém na čipe“ (SoC). Moderné SoC pre mobilné zariadenia zahŕňajú pamäťový radič, grafický akcelerátor, video dekodér, audio kodek a bezdrôtové moduly. Ako už bolo spomenuté, jednotlivé komponenty čipsetu môžu byť vyvinuté tretími stranami. Najvýraznejším príkladom sú grafické jadrá, ktoré okrem ARM Limited (Mali grafika) vyvíjajú aj Qualcomm (Adreno), NVIDIA (GeForce ULP) a Imagination Technologies (PowerVR).

V praxi to vyzerá takto. Väčšina lacných mobilných zariadení s Androidom sa dodáva s čipsetmi spoločnosti. MediaTek ktorý sa takmer vždy riadi pokynmi ARM Limited a vybavuje ich jadrami Cortex-A a grafikou Mali (menej často PowerVR).

A-značky často používajú produkčné čipsety pre svoje vlajkové zariadenia. Qualcomm... Mimochodom, najnovšie čipy Qualcomm Snapdragon (,) sú vybavené plne prispôsobenými jadrami Kryo pre CPU a Adreno pre grafický akcelerátor.

Čo sa týka Apple, potom pre iPhone a iPad spoločnosť používa vlastné čipy série A s grafickým akcelerátorom PowerVR, ktoré vyrábajú spoločnosti tretích strán. Takže je nainštalovaný 64-bitový štvorjadrový procesor A10 Fusion a grafický procesor PowerVR GT7600.

V čase písania tohto článku sa architektúra rodiny procesorov považuje za aktuálnu. ARMv8... Ako prvý použil 64-bitovú inštrukčnú sadu a podporoval viac ako 4 GB RAM. Architektúra ARMv8 je spätne kompatibilná s 32-bitovými aplikáciami. Najefektívnejšie a najvýkonnejšie procesorové jadro vyvinuté spoločnosťou ARM Limited k dnešnému dňu je Cortex-A73 a väčšina výrobcov SoC ho používa bez zmeny.

Cortex-A73 ponúka o 30 % lepší výkon ako Cortex-A72 a podporuje celý rad architektúr ARMv8. Maximálna frekvencia jadra procesora je 2,8 GHz.

Rozsah ARM

Najväčšiu slávu pre ARM priniesol vývoj mobilných zariadení. V predvečer masovej výroby smartfónov a iných prenosných zariadení prišli vhod energeticky efektívne procesory. Vrcholom vývoja ARM Limited bol rok 2007, kedy britská spoločnosť obnovila partnerstvo s Apple a po chvíli Cupertinčania predstavili svoj prvý iPhone s procesorom architektúry ARM. Následne sa jednočipový systém založený na architektúre ARM stal neoddeliteľnou súčasťou takmer všetkých smartfónov na trhu.

Portfólio ARM Limited sa neobmedzuje len na jadrá Cortex-A. V skutočnosti sa pod značkou Cortex skrývajú tri série procesorových jadier, ktoré sú označené písmenami A, R, M. Rodina jadier Cortex-A, ako už vieme, je najsilnejší. Používajú sa najmä v smartfónoch, tabletoch, set-top boxoch, satelitných prijímačoch, automobilových systémoch a robotike. Jadrá procesorov Cortex-R sú optimalizované na vykonávanie vysokovýkonných úloh v reálnom čase, preto sa takéto čipy nachádzajú v zdravotníckych zariadeniach, autonómnych bezpečnostných systémoch a pamäťových médiách. Hlavná úloha rodiny Cortex-M je jednoduchosť a nízke náklady. Technicky ide o najslabšie procesorové jadrá s najnižšou spotrebou energie. Procesory založené na takýchto jadrách sa používajú takmer všade tam, kde sa od zariadenia vyžaduje minimálny výkon a nízke náklady: senzory, ovládače, alarmy, displeje, inteligentné hodinky a ďalšie zariadenia.

Vo všeobecnosti väčšina moderných zariadení, od malých po veľké, vyžadujúce centrálnu procesorovú jednotku, používa čipy ARM. Obrovským plusom je fakt, že architektúru ARM podporuje množstvo operačných systémov na platforme Linux (vrátane Androidu a Chrome OS), iOS a Windows (Windows Phone).

Konkurencia na trhu a vyhliadky do budúcnosti

Musíme uznať, že ARM momentálne nemá vážnejšieho konkurenta. A vo všeobecnosti je to spôsobené tým, že spoločnosť ARM Limited sa v určitom čase rozhodla správne. No na samom začiatku svojej cesty firma vyrábala procesory pre PC a dokonca sa snažila konkurovať Intelu. Po tom, čo ARM Limited zmenila smer svojich aktivít, to mala ťažké aj ona. Potom softvérový monopol Microsoft, ktorý uzavrel dohodu o partnerstve s Intelom, nenechal žiadne šance na iných výrobcov, vrátane ARM Limited - Windows jednoducho nefungoval na systémoch s procesormi ARM. Akokoľvek paradoxne to môže znieť, ale teraz sa situácia môže dramaticky zmeniť a Windows je už pripravený podporovať procesory na tejto architektúre.

Po úspechu čipov ARM sa Intel pokúsil vytvoriť konkurencieschopný procesor a vstúpil na trh s čipom Intel Atom... Trvalo jej to oveľa dlhšie ako ARM Limited. Čipset vstúpil do výroby v roku 2011, ale ako sa hovorí, vlak už odišiel. Intel Atom je procesor CISC založený na x86. Inžinieri spoločnosti dosiahli nižšiu spotrebu energie ako v ARM, ale v súčasnosti sa rôzny mobilný softvér zle prispôsobuje architektúre x86.

V minulom roku Intel opustil niekoľko kľúčových rozhodnutí v budúcom vývoji mobilných systémov. V skutočnosti je spoločnosť určená pre mobilné zariadenia, pretože sa stali nerentabilnými. Jediným veľkým výrobcom, ktorý do svojich smartfónov nabalil čipsety Intel Atom, bol ASUS. Intel Atom je však stále široko používaný v netbookoch, nettopoch a iných prenosných zariadeniach.

Postavenie ARM Limited na trhu je jedinečné. V súčasnosti takmer všetci výrobcovia využívajú jeho vývoj. Spoločnosť zároveň nemá vlastné továrne. To nebráni tomu, aby bol na rovnakej úrovni ako Intel a AMD. História ARM zahŕňa ďalší zaujímavý fakt. Je možné, že teraz by technológia ARM mohla patriť spoločnosti Apple, čo bolo základom pre vznik ARM Limited. Je iróniou, že v roku 1998 Cupertínčania, ktorí prechádzali krízou, predali svoj podiel. Teraz je Apple nútený kúpiť licenciu na procesory ARM používané v iPhone a iPad spolu s ďalšími spoločnosťami.

Procesory ARM sú teraz schopné vykonávať vážne úlohy. Krátkodobo sa budú využívať na serveroch, takéto riešenia už majú dátové centrá Facebook a PayPal. V ére internetu vecí (IoT) a inteligentných domácich zariadení sú čipy ARM ešte viac žiadané. Takže to najzaujímavejšie pre ARM ešte len príde.

Procesory ARM - čo sú a čím sa jedia. Objavenie sa vysokovýkonných mobilných procesorov na trhu bolo v mnohých ohľadoch skutočným revolučným prelomom. Dá sa povedať, že po prvý raz sa v architektúre x86 objavil významný konkurent, ktorý ak v prvých fázach zaberal iba susedný výklenok, tak dnes začína vážne tlačiť na pozíciu dlhotrvajúcej pečene počítačového priemyslu.

Ale aký je v tom rozdiel? Čo je architektúra ARM a ako sa líši od x86? Ten, ktorý sa používa v procesoroch Intel a AMD, používa inštrukčnú sadu CISC. Spracovanie na nich založené je veľmi funkčné, otvára priestor pre programátorov a vývojárov hardvéru, vyžaduje však značné množstvo energetických zdrojov. Podstatou CISC, zhruba povedané, je, že každý prichádzajúci príkaz je dekódovaný do najjednoduchšieho prvku a až potom spracovaný.

To nie je prípad ARM. Funguje na báze RISC príkazov, ktoré už obsahujú hotovú sadu jednoduchých prvkov. To znižuje flexibilitu procesora, ale rýchlosť spracovania údajov sa výrazne zvyšuje, a teda znižuje spotrebu energie takéhoto procesora.

Ukazuje sa teda, že x86 je univerzálna architektúra vhodná na riešenie mnohých problémov, zatiaľ čo ARM vyžaduje jemnejšie vybrúsenie hardvéru a možnosti takejto architektúry sú o niečo obmedzenejšie. Schopnosti ARM sú však čoraz ambicióznejšie. Už teraz sú takéto procesory vhodné na bežnú kancelársku prácu, prehrávanie mediálneho obsahu a prácu na internete.

ARM sa rýchlo rozvíja, čomu napomáha aj fakt, že na tejto technológii pre franchising pracujú desiatky konkurenčných značiek, pričom na architektúre x86 pracujú len dve korporácie, ktorých predstavitelia takmer priamo hovoria, že segment stagnuje ... a o ARM sa to povedať nedá.

Keď už hovoríme o tom, čo sú čipy ARM, mali by sme si všimnúť taký moment, ako je zložitosť navrhovaných moderných mobilných systémov. ARM nie je len jeden procesor. Spravidla obsahuje: radič RAM, grafický akcelerátor, video dekodér, zvukový kodek a voliteľné bezdrôtové moduly. Takýto systém sa nazýva jednočipový. Inými slovami, ARM je čip na čipe.

ARM má v súčasnosti niekoľko generácií procesorov:

ARM9... Čipy ARM9 môžu dosiahnuť rýchlosť hodín 400 MHz. Tieto čipy sú zastarané, ale stále sú žiadané. Napríklad v bezdrôtových smerovačoch a platobných termináloch. Sada jednoduchých príkazov takéhoto čipu uľahčuje spustenie mnohých Java aplikácií.

ARM11... Procesory ARM11 sa pýšia kompletnejšou sadou jednoduchých inštrukcií, ktoré rozširujú ich funkčnosť a vysokým taktom (až 1 GHz). Vďaka nízkej spotrebe energie a nízkym nákladom sa čipy ARM11 stále používajú v smartfónoch základnej úrovne.

ARMv7. Moderné čipy architektúry ARM patria do rodiny ARMv7, ktorej vlajkoví predstavitelia už dosiahli hranicu ôsmich jadier a taktu nad 2 GHz. Procesorové jadrá vyvinuté priamo spoločnosťou ARM Limited patria do radu Cortex a bez výraznejších úprav ich používa väčšina SoC.

ARM Cortex-A8. Historicky prvým procesorovým jadrom rodiny ARMv7 bol Cortex-A8, ktorý tvoril základ pre také slávne SoC svojej doby ako Apple A4 (iPhone 4 a iPad) a Samsung Hummingbird (Samsung Galaxy S a Galaxy Tab). Vykazuje približne dvojnásobný výkon v porovnaní s predchodcom ARM11 a bohužiaľ aj vyššiu spotrebu energie, vďaka čomu je tento čip dnes extrémne nepopulárny.

ARM Cortex-A9. Po Cortex-A8 spoločnosť ARM Limited predstavila novú generáciu čipov - Cortex-A9, ktorá je teraz najrozšírenejšia a zaberá strednú cenovú medzeru. Výkon jadier Cortex-A9 sa v porovnaní s Cortex-A8 zvýšil približne trojnásobne a dokonca existuje možnosť kombinovať ich po dvoch alebo dokonca štyroch na jednom čipe.

ARM Cortex-A5 a Cortex-A7. Pri návrhu jadier procesorov Cortex-A5 a Cortex-A7 sledovala spoločnosť ARM Limited rovnaký cieľ – dosiahnuť kompromis medzi minimálnou spotrebou energie ARM11 a prijateľným výkonom Cortex-A8. Nezabudli ani na možnosť kombinácie dvoch či štyroch jadier – v predaji sa postupne objavujú viacjadrové čipy Cortex-A5 a Cortex-A7 (Qualcomm MSM8625 a MTK 6589).

ARM Cortex-A15. Procesorové jadrá Cortex-A15 sa stali logickým pokračovaním Cortex-A9 – vďaka tomu sa čipom architektúry ARM prvýkrát v histórii podarilo zhruba vyrovnať rýchlosti Intel Atom, a to už je veľký úspech. Nie nadarmo Canonical v systémových požiadavkách pre verziu Ubuntu Touch OS s plným multitaskingom špecifikoval dvojjadrový procesor ARM Cortex-A15 alebo podobný Intel Atom.

Lupienky ARMčaká skvelá budúcnosť. Počet príkazov, frekvencia prevádzky, počet jadier aktívne rastie a spotreba energie zostáva na nízkej úrovni. V budúcnosti sa čipy ARM stanú vhodnými pre plnoformátový multitasking, ktorý je teraz typický iba pre systémy x86. Aj pri podmienkach súčasného vektora vývoja je však priskoro povedať, že segment spotrebnej elektroniky úplne prejde na čipy ARM. A tu ide v prvom rade o cenu. Náklady na mobilné čipy exponenciálne rastú, zatiaľ čo x86 naďalej klesá. Je to cenový faktor spolu s rozdielom vo funkčnosti, ktorý bude trochu prekonaný a existuje celkom pochopiteľná prognóza, že vyvinuté systémy ARM čoskoro nezískajú bezpodmienečné víťazstvo v pretekoch o svojho spotrebiteľa ...

Korporácia ARM so sídlom v Spojenom kráľovstve vylepšila heterogénnu výpočtovú architektúru ARM big.LITTLE, ktorá poháňa všetky popredné mikroprocesory ARM od roku 2011, Cortex-A7 – a včera predstavila novú heterogénnu architektúru DynamIQ big.LITTLE. Na čipoch je priestor pre dedikované hardvérové ​​akcelerátory pre aplikácie strojového učenia. Snáď sa v budúcnosti hardvérová podpora pre neurónové siete stane novým trendom medzi vývojármi mikroprocesorov a neodmysliteľnou kvalitou nových smartfónov.

Charakteristickým rysom architektúry ARM big.LITTLE je prítomnosť dvoch typov procesorových jadier: relatívne pomalé, energeticky efektívne (LITTLE) a relatívne výkonné a nenásytné (veľké). Typicky systém aktivuje iba jeden z dvoch typov jadier: iba veľké alebo len malé. Je jasné, že úlohy na pozadí na smartfóne či inom zariadení pohodlne riešia malé jadrá, ktoré spotrebujú veľmi málo energie. V prípade potreby procesor aktivuje výkonné nenásytné jadrá, ktoré vo viacvláknovom režime pri spolupráci vykazujú obzvlášť vysoký výkon. V princípe majú všetky jadrá prístup k zdieľanej pamäti, takže úlohy je možné nastaviť tak, aby bežali na oboch typoch jadier súčasne. To znamená, že veľký a malý sa prepne za behu.

Táto heterogénna architektúra a prepínanie úloh za chodu z jedného typu jadra na druhý je navrhnutá tak, aby dynamicky menila výkon a spotrebu energie procesora. Samotný ARM uviedol, že v niektorých úlohách táto architektúra ušetrí až 75 % energie.

DynamIQ big.LITTLE je evolučný krok vpred. Nová architektúra umožňuje rôzne kombinácie veľkých a malých jadier, ktoré predtým neboli možné. Napríklad 1 + 3, 2 + 4 alebo 1 + 7 alebo dokonca 2 + 4 + 2 (jadrá troch rôznych síl). Typický smartfón budúcnosti môže mať osemjadrový systém na čipe s dvoma výkonnými jadrami, štyrmi jadrami strednej triedy a dvomi nízkovýkonnými jadrami na pozadí.

Vďaka hardvérovej podpore strojového učenia a AI budú vývojárom k dispozícii nové špeciálne procesorové inštrukcie (napríklad výpočty s obmedzenou presnosťou). ARM sľubuje, že v priebehu nasledujúcich troch až piatich rokov budú procesory Cortex-A na novej architektúre poskytovať až 50x vyšší výkon v aplikáciách AI v porovnaní so súčasnými systémami Cortex-A73 a ešte viac s akcelerátormi na čipoch. Vyhradený prístupový port s nízkou latenciou medzi CPU a akcelerátormi má 10x výkon.

To znamená, že smartfóny budú oveľa lepšie spolupracovať s trénovanými neurónovými sieťami, vrátane tých, ktoré vykresľujú grafiku a video, aplikácie počítačového videnia a ďalšie systémy, ktoré spracúvajú veľké dátové toky.

Každý klaster môže obsahovať až osem jadier rôznych charakteristík. Aj toto sa dá využiť na zrýchlenie aplikácií AI oproti súčasným systémom. Prepracovaný pamäťový subsystém navyše poskytne rýchlejší prístup k dátam a zlepší energetickú účinnosť. Mimochodom, do zhlukov jadier nie je nutné zaraďovať LITTLE jadrá so slabým výkonom, ktoré sa zvyčajne používajú v mobilných zariadeniach kvôli šetreniu batérie. Ak potrebujete veľmi vysoký výkon, bez ohľadu na spotrebu energie, nikto sa neobťažuje vytvoriť zhluky ôsmich veľkých jadier a spojiť ich do obzvlášť výkonných počítačových systémov. ARM verí, že to rozšíri dosah procesorov ARM za hranice smartfónov.

Prakticky neobmedzený rozsah DynamIQ Shared Memory Clusters ponúka maximálny výpočtový výkon pre širokú škálu aplikácií.

Dodatočnú flexibilitu pri dynamickom nastavovaní výkonu / spotreby poskytne funkcia individuálnej zmeny taktovacej frekvencie jednotlivých procesorov v klastri viacerých ARM procesorov. Vývojári so sídlom v Cambridge sa domnievajú, že je to dôležité najmä pri náhlavných súpravách VR, ktoré sú dlhší čas v stave nízkej spotreby. Prechody procesora do jedného z troch energetických stavov (ON, OFF, SLEEP) prebiehajú oveľa rýchlejšie, automaticky na hardvérovej úrovni.

V konečnom dôsledku pokročilá architektúra DynamIQ umožňuje spoľahlivejšie systémy s redundantnou funkcionalitou, čo zvyšuje úroveň bezpečnosti v autonómnych systémoch, ktoré potrebujú reagovať na poruchy. Ide napríklad o systémy počítačového videnia v bezpilotných vozidlách – Advanced Driver Assistance Systems (ADAS). Keď zlyhá jeden klaster jadier alebo zlyhá akcelerátor, jeho funkcie automaticky prevezme iný klaster.

Architektúru procesorov ARM používa na základe licencie vo svojich čipoch mnoho výrobcov vrátane Samsungu, Qualcommu, Nvidie, Intelu a Apple (iPhone, iPad). V rokoch 2013 až 2017 sa celosvetovo predalo viac ako 50 miliárd mikročipov ARM a britskí vývojári dúfajú, že toto číslo sa v nasledujúcich štyroch rokoch zdvojnásobí na viac ako 100 miliárd.

Väčšina zariadení na báze ARM nepotrebuje aktívne chladenie. Spoločnosť je presvedčená, že s nárastom výkonu týchto systémov a prechodom na architektúru DynamIQ zostane všetko pri starom.

Nie je to tak dávno (len pred 10 rokmi) boli na trhu s custom procesormi tri architektúry a všetky boli viac-menej dobre oddelené: ARM procesory boli inštalované v mobilných zariadeniach, kde bola dôležitá výdrž batérie, x86 procesory boli inštalované v zariadení pod kontrolou Windows a Apple napriek Intelu vo svojich zariadeniach používal procesory založené na architektúre PowerPC (aj keď vieme, že sa stále „preplazil“ na x86). Dnes však na trhu s procesormi pre spotrebiteľov zostali len dve architektúry – PowerPC vypadol zo závodu a nedávno: posledné zariadenie založené na tejto architektúre, PlayStation 3, sa zastavilo len pred pár týždňami. Navyše stále viac uniká, že bude možné spustiť plnohodnotný Windows na ARM procesoroch a na druhej strane ten istý Android funguje dobre aj s x86 procesormi od verzie 4.0. To znamená, že ako vidíme, rozdiel medzi týmito architektúrami sa v očiach používateľov čoraz viac stiera a v tomto článku sa dozvieme, prečo sa to deje.

architektúra X86

Najprv si definujme, čo je architektúra. Zjednodušene povedané, z pohľadu programátora je architektúrou procesora jeho kompatibilita s určitou sadou inštrukcií, ktoré je možné použiť pri písaní programov a sú implementované na hardvérovej úrovni pomocou rôznych kombinácií procesorových tranzistorov.


Procesory x86 sú postavené na architektúre CISC (Complex Instruction Set Computing) - to znamená, že procesor implementuje maximálny počet inštrukcií, čo na jednej strane zjednodušuje písanie programov a znižuje ich hmotnosť a na druhej strane , procesor je prakticky nemožné vyťažiť na 100%.

Prvý x86 procesor bol Intel 8086, prvý 16-bitový procesor od Intelu, ktorý bežal až do 10 MHz a bol vydaný v roku 1978. Procesor sa ukázal byť mimoriadne populárny a vyrábal sa až do roku 1990 a všetky nasledujúce procesory s ním začali byť kompatibilné. Najprv sa táto kompatibilita prejavila v podobe konca názvu procesora na 86, no neskôr, s vydaním Pentia, sa rozhodli architektúru nazvať x86.

V roku 1985 bol vydaný procesor i386, ktorý sa stal prvým 32-bitovým procesorom od Intelu a do roku 1989 Intel vydal prvý skalárny procesor i486 – tento procesor bol schopný vykonať jednu operáciu za cyklus. Neskôr, s vydaním Pentia v roku 1993, sa procesory Intel stali superskalárnymi, to znamená, že sa naučili robiť niekoľko operácií v jednom cykle a boli superpipelinové, to znamená, že mali dve výpočtové potrubia. To však nebolo všetko – v skutočnosti všetky procesory Intel, počnúc i486DX, sú CISC procesory s jadrom RISC (Reduced Instruction Set Computer, procesory s redukovanou inštrukčnou sadou): v mikroprocesore je zabudovaný hardvérový prekladač, ktorý je konvertuje CISC bezprostredne pred vykonaním inštrukcií procesora x86 na jednoduchšiu sadu interných inštrukcií RISC, pričom jedna inštrukcia x86 môže generovať viacero inštrukcií RISC.

Odvtedy sa nič veľmi nezmenilo – áno, počet pipeline narástol, počet operácií na takt narástol, procesory sa stali viacjadrovými a 64-bitovými, no zatiaľ sú všetky riešenia od Intelu a AMD super pipeline superskalárne mikroprocesory založené na architektúre CISC s jadrom RISC.

architektúra ARM

Architektúra ARM sa objavila neskôr ako x86, v roku 1986 s vydaním procesora ARM2. Cieľom jeho vývoja bolo maximalizovať a znížiť počet tranzistorov - napríklad procesor x86 pri zaťažení vtedy spotreboval sotva 30 % z počtu všetkých tranzistorov, všetky ostatné boli jednoducho nečinné. Preto ARM vyvinul svoj vlastný čip na architektúre RISC, ktorý sa nazýval ARM2 - mal iba 30 000 tranzistorov (v porovnaní s 275 000 tranzistormi vo vtedajšom i386) a nemal vyrovnávaciu pamäť (čo vo všeobecnosti bolo vtedy norma pre procesory - je možné zakúpiť a dodať samostatne), ale aj firmvér ako taký - mikrokód bol spustený ako každý iný strojový kód, jeho prevedením do jednoduchých inštrukcií:


Výsledkom je, že vzhľadom na skutočnosť, že počet tranzistorov v procesoroch ARM je výrazne nižší ako v procesoroch x86, zistíme, že ich odvod tepla je tiež výrazne nižší. Ale na druhej strane, kvôli zjednodušenej architektúre je výkon ARM tiež výrazne nižší ako výkon x86.

V budúcnosti bola na ARM priskrutkovaná aj podpora pre superskalaritu aj superpipelín, procesory sa stali viacjadrovými a pred niekoľkými rokmi sa stali 64-bitovými. Výsledkom sú moderné riešenia od ARM super zreťazené superskalárne mikroprocesory založené na architektúre RISC.

výsledky

V dôsledku toho vidíme dva extrémy: x86 sú výkonné riešenia, pokryté inštrukciami, ktoré dokážu robiť absolútne akúkoľvek úlohu dobrou rýchlosťou. Ale musíte za to zaplatiť zvýšeným odvodom tepla. Na druhej strane ARM sú jednoduché procesory s výrazne menšou inštrukčnou sadou, takže pre pomalosť procesu na nich nemá veľký zmysel vykonávať veľa vážnych úloh. Zároveň je však tvorba tepla nízka. Najdôležitejšie však je, že obe architektúry podporujú inštrukcie RISC, čo znamená, že na oboch architektúrach môžete spustiť rovnaký OS, čo vidíme v prípade Androidu, Linuxu a Windowsu a to znamená, že v budúcnosti bude rozdiel medzi x86 a ARM bude všetko rozmazané.

V súčasnosti existujú dve z najpopulárnejších architektúr procesorov. Toto je x86, ktorý bol vyvinutý už v 80-tych rokoch a používa sa v osobných počítačoch a ARM - modernejší, čo vám umožňuje robiť procesory menšie a úspornejšie. Používa ho väčšina mobilných zariadení alebo tabletov.

Obe architektúry majú svoje klady a zápory, ako aj oblasti použitia, existujú však podobnosti. Mnoho odborníkov hovorí, že ARM je budúcnosť, ale stále má určité nevýhody, ktoré x86 nemá. V našom dnešnom článku sa pozrieme na to, ako sa architektúra ramena líši od x86. Pozrime sa na základné rozdiely medzi ARM a x86 a tiež sa pokúsme určiť, čo je lepšie.

Procesor je hlavnou súčasťou každého výpočtového zariadenia, či už ide o smartfón alebo počítač. Jeho výkon určuje, ako rýchlo bude zariadenie fungovať a ako dlho môže bežať na batériu. Jednoducho povedané, architektúra procesora je súbor inštrukcií, ktoré možno použiť na písanie programov a sú implementované v hardvéri pomocou špecifických kombinácií tranzistorov procesora. Sú to tie, ktoré umožňujú programom interagovať s hardvérom a určujú, ako sa budú dáta prenášať a čítať z pamäte.

V súčasnosti existujú dva typy architektúr: CISC (Complex Instruction Set Computing) a RISC (Reduced Instruction Set Computing). Prvý predpokladá, že v procesore budú implementované inštrukcie pre všetky príležitosti, druhý, RISC, kladie pred vývojárov úlohu vytvoriť procesor so sadou minimálnych inštrukcií potrebných na prevádzku. Pokyny RISC sú menšie a jednoduchšie.

architektúra X86

Architektúra procesora x86 bola vyvinutá v roku 1978 a prvýkrát sa objavila v procesoroch Intel a je typu CISC. Jeho názov je prevzatý z modelu prvého procesora s touto architektúrou – Intel 8086. Postupom času, pre nedostatok lepšej alternatívy, začali túto architektúru podporovať aj iní výrobcovia procesorov, napríklad AMD. Teraz je to štandard pre stolné počítače, notebooky, netbooky, servery a ďalšie podobné zariadenia. Ale niekedy sa v tabletoch používajú procesory x86, to je celkom bežná prax.

Prvý procesor Intel 8086 bol 16-bitový, potom v roku 2000 vyšiel 32-bitový procesor a ešte neskôr sa objavila 64-bitová architektúra. Podrobne sme to rozobrali v samostatnom článku. Za tento čas sa architektúra veľmi rozvinula, pribudli nové inštrukčné sady a rozšírenia, ktoré môžu výrazne zvýšiť výkon procesora.

x86 má niekoľko významných nevýhod. Jednak je to zložitosť tímov, ich zmätok, ktorý vznikol dlhou históriou vývoja. Po druhé, takéto procesory spotrebúvajú príliš veľa energie, a preto generujú veľa tepla. Inžinieri X86 sa spočiatku vybrali cestou maximálneho výkonu a rýchlosť si vyžaduje zdroje. Predtým, ako sa pozrieme na rozdiely medzi arm x86, povedzme si o architektúre ARM.

architektúra ARM

Táto architektúra bola predstavená o niečo neskôr pre x86 - v roku 1985. Bol vyvinutý slávnou britskou spoločnosťou Acorn, potom sa táto architektúra nazývala Arcon Risk Machine a patrila k typu RISC, ale potom bola vydaná jej vylepšená verzia Advanted RISC Machine, ktorá je dnes známa ako ARM.

Pri vývoji tejto architektúry si inžinieri dali za cieľ odstrániť všetky nedostatky x86 a vytvoriť úplne novú a najefektívnejšiu architektúru. Čipy ARM dostali minimálnu spotrebu energie a nízku cenu, no v porovnaní s x86 mali slabý výkon, takže si spočiatku na osobných počítačoch nezískali veľkú obľubu.

Na rozdiel od x86 sa vývojári spočiatku snažili získať minimálne náklady na zdroje, majú menej inštrukcií procesora, menej tranzistorov, ale podľa toho aj menej ďalších funkcií. V posledných rokoch sa však výkon procesorov ARM zlepšil. S ohľadom na túto skutočnosť a nízku spotrebu energie sa začali vo veľkej miere používať v mobilných zariadeniach, ako sú tablety a smartfóny.

Rozdiely medzi ARM a x86

A teraz, keď sme zvážili históriu vývoja týchto architektúr a ich základné rozdiely, urobme podrobné porovnanie ARM a x86 podľa ich rôznych charakteristík, aby sme určili, čo je lepšie a presnejšie pochopili, aký je ich rozdiel. .

Výroba

Výroba x86 vs arm je odlišná. Procesory x86 vyrábajú iba dve spoločnosti, Intel a AMD. Spočiatku to bola jedna spoločnosť, ale toto je úplne iný príbeh. Iba tieto spoločnosti majú právo uvoľniť takýchto spracovateľov, čo znamená, že iba oni budú riadiť smerovanie rozvoja infraštruktúry.

ARM funguje úplne inak. Spoločnosť stojaca za ARM nič nezverejňuje. Jednoducho dajú povolenie na vývoj procesorov tejto architektúry a výrobcovia si môžu robiť, čo potrebujú, napríklad vydať konkrétne čipy s modulmi, ktoré potrebujú.

Počet pokynov

Toto sú hlavné rozdiely medzi architektúrou arm a x86. Procesory X86 sa rýchlo vyvíjali ako výkonnejšie a produktívnejšie. Vývojári pridali veľké množstvo inštrukcií procesora a tu nie je len základná sada, ale množstvo inštrukcií, ktoré by sa dali vynechať. Spočiatku sa to robilo s cieľom znížiť množstvo pamäte obsadenej programami na disku. Taktiež bolo vyvinutých mnoho možností ochrany a virtualizácie, optimalizácie a mnoho ďalšieho. To všetko si vyžaduje dodatočné tranzistory a energiu.

ARM je jednoduchší. Inštrukcií procesora je tu oveľa menej, iba tie, ktoré potrebuje operačný systém a skutočne sa používajú. Ak porovnáme x86, tak tam je použitých len 30% všetkých možných inštrukcií. Učia sa ľahšie, ak sa rozhodnete písať programy ručne, a tiež vyžadujú menej tranzistorov na implementáciu.

Spotreba energie

Z predchádzajúceho bodu vyplýva ešte jeden záver. Čím viac tranzistorov je na doske, tým väčšia je jej plocha a spotreba energie a opak je pravdou.

Procesory X86 spotrebujú oveľa viac energie ako procesory ARM. Spotrebu energie ale ovplyvňuje aj veľkosť samotného tranzistora. Napríklad procesor Intel i7 spotrebuje 47 wattov, zatiaľ čo akýkoľvek procesor ARM pre smartfóny spotrebuje nie viac ako 3 watty. Predtým sa dosky vyrábali s veľkosťou jedného prvku 80 nm, potom Intel dosiahol zmenšenie na 22 nm a tento rok sa vedcom podarilo vytvoriť dosku s veľkosťou prvku 1 nanometer. To výrazne zníži spotrebu energie bez obetovania výkonu.

Spotreba energie procesorov x86 sa v posledných rokoch dramaticky znížila, napríklad nové procesory Intel Haswell môžu vydržať dlhšie na batériu. Teraz sa rozdiel medzi arm vs x86 postupne stráca.

Odvod tepla

Počet tranzistorov ovplyvňuje ďalší parameter - tvorbu tepla. Moderné zariadenia nedokážu premeniť všetku energiu na efektívne pôsobenie, časť z nej sa rozptýli vo forme tepla. Účinnosť dosiek je rovnaká, čo znamená, že čím menej tranzistorov a čím menšia je ich veľkosť, tým menej tepla bude procesor generovať. Už tu nie je otázka, či ARM alebo x86 bude generovať menej tepla.

Výkon procesora

ARM nebol pôvodne stavaný na maximálny výkon, toto je oblasť, kde x86 exceluje. Čiastočne je to spôsobené menším počtom tranzistorov. V poslednej dobe sa však zvyšuje výkon procesorov ARM a už sa dajú naplno využiť v notebookoch alebo na serveroch.

závery

V tomto článku sme sa pozreli na to, ako sa ARM líši od x86. Rozdiely sú dosť vážne. Nedávno sa však hranica medzi oboma architektúrami stierala. Procesory ARM sú stále efektívnejšie a rýchlejšie a x86 v dôsledku zmenšenia konštrukčného prvku dosky začína spotrebovávať menej energie a generovať menej tepla. Procesor ARM už nájdete na serveroch a notebookoch a x86 na tabletoch a smartfónoch.

Aký máte názor na tieto x86 a ARM? Aká technológia je podľa vás budúcnosťou? Napíšte do komentárov! Mimochodom, .

Na dokončenie videa o vývoji architektúry ARM: