Процессоры ARM: история параллельного мира

Источник: computerra

Олег Нечай

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

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.

Ссылки по теме