Процессоры ARM: особенности архитектуры, отличия и перспективы. Полезно: процессоры ARM, что это

Недавно сама постановка вопроса казалась немыслимой, но развитие технологий и причуды рынка привели к ситуации, когда возможна самая настоящая конкуренция.

Совсем недавно сама постановка вопроса казалась немыслимой: можно ли вообще сравнивать "телефонный" процессор с чипами, применяющимися в "персоналках", серверах и даже суперкомпьютерах? Между тем, развитие технологий и причуды рынка привели к ситуации, когда специалисты всерьёз обсуждают возможность даже не просто конкуренции между процессорами ARM и чипами x86, а яростной схватки между ними.

Прежде всего, определимся с понятиями и познакомимся с потенциальными соперниками.

Центральные процессоры x86 – это микропроцессоры, поддерживающие одноимённый набор инструкций и обладающие микроархитектурой, производной от IA-32, то есть Intel Architecture 32-бит. Чипы построены на основе архитектуры CISC (Complex Instruction Set Computing, то есть "с полным набором инструкций"), в которой каждая инструкция может выполнять сразу несколько низкоуровневых операций.

Исторически семейство x86 восходит к 16-разрядной модели Intel 8086, выпущенной в 1978 году. 32-битными эти процессоры стали лишь в 1985 году, когда был представлен первый "триста восемьдесят шестой". В 1989 году Intel выпустила первый скалярный (то есть выполняющий одну операцию за один такт) чип i486 (80486), в котором впервые появились встроенная кэш-память и блок вычислений с плавающей запятой FPU. Процессоры Pentium, представленные в 1993 году, стали первыми суперскалярными (то есть выполняющими несколько операций за такт) и суперконвейерными (в этих чипах было два конвейера).

Итак, современные x86-совместимые чипы – это суперскалярные суперконвейерные микропроцессоры, построенные на основе CISC-архитектуры.

ARM-процессоры – 32-битные чипы на базе архитектуры RISC (Reduced Instruction Set Computer), то есть с сокращённым набором команд. В основу этой архитектуры положена идея повышения быстродействия за счёт максимального упрощения инструкций и ограничения их длины.

История ARM-процессоров началась в том же 1978 году, когда была создана британская компания Acorn Computers. Под маркой Acorn выпускались несколько чрезвычайно популярных на местном рынке моделей персональных компьютеров на основе восьмибитных чипов MOS Tech 6502. Этот же ЦП, кстати, стоял в Apple I и II и Commodore PET.

Однако с появлением более совершенной модели 6510, которая в 1982 году стала устанавливаться в Commodore 64, линейка компьютеров Acorn, включая популярнейший образовательный BBC Micro, потеряла актуальность. Это подтолкнуло владельцев Acorn к созданию собственного процессора на базе архитектуры 6502, который позволил бы на равных конкурировать с машинами класса IBM PC.

Первая серийная модель ARM2, разработанная в рамках проекта Acorn RISC Machine, была выпущена в 1986 году и стала самым конструктивно простым и недорогим 32-битным процессором на тот момент: в нём отсутствовала не только кэш-память, что было нормой для чипов того времени, но и микропрограммы: в отличие от CISC-процессоров, микрокод исполнялся как и любой другой машинный код, путём преобразования в простые инструкции. Кристалл ARM2 состоял из 30000 транзисторов, и эта компактность конструкции осталась характерным признаком этого семейства: в ARM6 всего на 5000 транзисторов больше.

В отличие от Intel или AMD, ARM сама не занимается выпуском процессоров, предпочитая продавать лицензии другим. Среди компаний, располагающих такими лицензиями, есть те же Intel и AMD, а также VIA Technologies, IBM, NVIDIA, Nintendo, Texas Instruments, Freescale, Qualcomm и Samsung. Показательный факт: если AMD, вторая компания на рынке x86-процессоров, в 2009 году отметила выпуск своего 500-миллионного ЦП, то в одном только 2009 году на рынок было поставлено почти три миллиарда ARM-процессоров!

Современные ARM-процессоры – это суперскалярные суперконвейерные микросхемы, построенные на основе RISC-архитектуры.

Судя по этим двум определением, чуть ли не единственное формальное отличие семейств ARM и x86 – микроархитектуры RISC и CISC. Однако и это уже нельзя считать принципиальным отличием: начиная с модификации i486DX, x86-чипы стали больше напоминать RISC-процессоры. Начиная с этого поколения, микросхемы, сохраняя совместимость со всеми предыдущими наборами команд, демонстрируют максимальную производительность только с ограниченным набором простых инструкций, который подозрительно похож на набор RISC-команд. Поэтому сегодняшние x86 можно смело считать CISC-процессорами с RISC-ядрами: встроенный в микросхему аппаратный транслятор декодирует сложные CISC-инструкции в набор простых внутренних RISC-команд. Даже несмотря на то, что каждая CISC-инструкция может "раскладываться" на несколько RISC-команд, быстрота выполнения последних обеспечивает значительный прирост производительности. К тому же, не следует забывать о суперскалярности и суперконвейерности современных чипов.

Куда важнее другое отличие: львиная доля x86 – это универсальные процессоры, "обвешанные" множеством разнообразных блоков и модулей, которые призваны успешно справляться практически с любыми задачами – от веб-сёрфинга и обработки текстовых файлов до кодирования видео высокого разрешения и работы с трёхмерной графикой. У ARM-чипов, ориентированных на использование в смартфонах и прочих портативных устройствах, совершенно иные цели и возможности.

Тогда что же делить столь разным продуктам? Конечно, нелепо сравнивать четырёхъядерный Core i5 и "телефонный" Qualcomm MSM7201A, стоящий в коммуникаторах HTC Dream и Hero, но есть масштабы, где рынки ARM и i86 перекрываются уже сегодня. Это, с одной стороны, такие новейшие чипы ARM, как Cortex-A8 (архитектура ARMv7-A), а с другой – низковольтные x86-процессоры класса Intel Atom. На основе Cortex-A8 построен модный планшет Apple iPad, а Intel Atom работают в подавляющем большинстве нетбуков.

У этих чипов есть ещё одна важная общая особенность: оба этих процессора работают по принципу последовательного исполнения инструкций, в то время как большая часть x86 – процессоры с внеочередным выполнением команд. Эта схема призвана добиться максимальной производительности на ватт потребляемой энергии за счёт отказа от модулей, отвечающих за внеочередное выполнение инструкций.

Есть у Atom и несколько принципиальных отличий от Cortex-A8. Прежде всего, практически все микросхемы этого семейства поддерживают технологию параллельных вычислений Hyper-Threading, которая позволяет представить одно физическое ядро как два виртуальных. Это весьма существенное преимущество, заметно повышающее производительность, причём не только в относительно редких до сих пор многопоточных приложениях, но и при выполнении команд с интенсивным использованием систем ввода-вывода. К примеру, Atom с Hyper-Threading заметно быстрее загружает Windows, чем сравнимый с ним по возможностям одноядерный VIA Nano без поддержки такого режима.

Практическое сравнение производительности Atom и Cortex-A8 провёл Вэн Смит, автор тестовых пакетов OpenSourceMark, miniBench и один из соавторов SiSoftware Sandra. Тестировались машины на базе процессоров Atom N450, Freescale i.MX515 (Cortex-A8), VIA Nano L3050 и, для сравнения, на основе мобильного Athlon XP-M на ядре Barton. Поскольку за точку отсчёта были приняты характеристики Cortex-A8 с тактовой частотой 800 МГц, рабочие частоты VIA Nano и Athon были снижены до того же значения, а Atom – до 1000 МГц (дальнейшее снижение оказалось невозможным). При этом у Cortex-A8 осталось несколько заведомо слабых мест: поддержка медленной 32-битной памяти DDR2-200 и более чем скромная встроенная графика с максимальным разрешением 1024 на 768 при шестнадцатибитной глубине цвета. Все тесты проводились на системах под управлением операционной системы Ubuntu 9.04 Linux.

Результаты тестирования оказались более чем любопытными: Cortex-A8 продемонстрировал вполне конкурентоспособную производительность в целочисленных вычислениях при значительно более низком энергопотреблении по сравнению с соперниками. Ожидаемо провальными оказались лишь тесты на пропускную способность памяти и на вычисления с плавающей запятой – традиционной "ахиллесовой пятой" ARM-чипов. В течение продолжительного времени в ARM-процессорах вообще отсутствовали модули FPU и хотя в Cortex-A8 есть два таких модуля (Neon 32-бит SP и VFP), их мощности явно недостаточно. Вычисления с плавающей запятой – это и трёхмерные игры, и научное моделирование, и некоторые виды обработки и кодирования видео и звука. Так что если производители процессоров ARM действительно нацелились на нишу нетбуков, неттопов и планшетников, им нужно существенно улучшить производительность FPU. С подробными результатами всех тестов можно ознакомиться здесь (http://www.brightsideofnews.com/news/2010/4/7/the-coming-war-arm-versus-x86.aspx).

Стоит ли нам ожидать схватки между столь разными и столь похожими семействами процессоров ARM и x86? Пока по производительности в массовых развлекательных приложениях "армы" существенно уступают даже "атомам". Однако перспективы внушают оптимизм: новейшая архитектура Cortex-A9 рассчитана на создание процессоров с одним-четырьмя ядрами и, как утверждают в ARM Limited, в них значительно улучшена производительность вычислений с плавающей запятой. Первые чипы на базе Cortex-A9 – NVIDIA Tegra 2 – это двухъядерные микросхемы с графическим ядром, поддерживающим видео формата Full HD 1080p и трёхмерную графику с программным интерфейсом OpenGL ES 2.0. Планшет или нетбук с такими характеристиками запросто поспорит с любым устройством на основе Atom. Добавим сюда исключительную экономичность, а значит, и длительное время автономной работы. Так что Apple iPad вполне может стать символом начала борьбы чипов ARM с x86-процессорами на их же собственном поле.

Наверняка каждый из вас задавался вопросом: что же такое ARM? Очень часто можно услышать эту аббревиатуру, когда речь заходит о процессоре устройства. И порой не каждому до конца ясна её суть.

Скажем сразу, ARM — это компания, но ARM еще и архитектура процессора, которую разработала компания ARM.

ARM-процессор — это ЦПУ, основанное на RISC-архитектуре, разработанной компанией Acorn Computers в 1980-х годах, а в настоящее время разрабатывается компанией Advanced RISC Machines, к слову, отсюда и аббревиатура «ARM». При этом аббревиатура ARM по отношению непосредственно к архитектуре процессора означает Acorn RISC Machine. Другими словами, имеется два значения аббревиатуры ARM.

Advanced RISC Machines — это компания, расположенная в Великобритании, которая разрабатывает, проектирует и лицензирует ARM-архитектуру процессоров. ARM разрабатывает метод построения ARM-процессоров и такие компании, как Qualcomm, и Samsung, разрабатывают свои процессоры на основе ARM. В настоящее время практически все устройства, имеющие небольшие габариты и оснащенные аккумулятором, имеют процессоры, построенные на ARM-архитектуре.

Имеется несколько типов архитектуры процессора: CISC, RISC, MISC. Первая отличается большим набором команд, то есть CISC рассчитана на работу со сложными инструкциям неодинаковой длины. RISC, напротив, имеет сокращенный набор команд, которые имеют один формат и отличаются простой кодировкой.

Чтобы понять разницу, представьте, что на вашем персональном компьютере установлен процессор от AMD или Intel с архитектурой CISC. СISC-процессоры генерируют больше MIPS (миллион инструкций в секунду, то есть число определённых инструкций, выполняемых процессором за одну секунду).

RICS-процессоры имеют меньше транзисторов, что позволяет им потреблять меньше энергии. Уменьшенное количество инструкции позволяет проектировать упрощенные микросхемы. Уменьшенный размер микросхемы приводит к небольшому размеру кристалла, что позволяет располагать на процессоре больше компонентов, это делает процессоры от ARM маленькими и гораздо более энергоэффективными.

ARM-архитектура отлично подходит смартфонам, для которых главное — энергопотребление, при этом по производительности ARM-процессоры, конечно, существенно уступают топовым решениям от Intel и AMD. При этом ARM-процессоры нельзя назвать слабыми. ARM поддерживает как 32-битную архитектуру, так и 64-битную, имеется также поддержка аппаратной виртуализации, продвинутое управление питанием.

Главным параметром при оценке ARM-процессоров является отношение производительности к потреблению энергии, здесь ARM-процессоры показывают себя лучше, чем, например, x86-процессор от Intel на базе архитектуры CISC.

Таким образом, в случае с суперкомпьютерами более привлекательным станет использование миллиона ARM-процессоров вместо тысячи процессоров на архитектуре x86.

По материалам androidcentral

Еще совсем недавно (всего 10 лет назад) на рынке пользовательских процессоров было три архитектуры, и все они были более-менее неплохо разделены: ARM-процессоры ставились в мобильные устройства, где важно было время автономной работы, x86-процессоры ставились в устройства под управлением Windows, ну и в пику Intel Apple использовала в своих устройствах процессоры на архитектуре PowerPC (хотя мы знаем, что она все же «переползла» на x86). Но на сегодняшний момент на рынке пользовательских процессоров осталось всего две архитектуры - PowerPC выбыл из гонки, причем совсем недавно: последнее устройство на этой архитектуре, PlayStation 3, перестали производить всего пару недель назад. Более того - все больше утечек о том, что на ARM-процессорах можно будет запускать полноценную Windows, и с другой стороны - тот же Android отлично работает с х86-процессорами начиная с версии 4.0. То есть, как мы видим, разница между этими архитектурами все больше размывается в глазах пользователей, и в этой статье мы и выясним, почему так происходит.

Архитектура х86

Для начала определимся с тем, что же такое архитектура. Говоря простым языком, с точки зрения программиста архитектура процессора - это его совместимость с определенным набором команд, которые могут использоваться при написании программ и реализуются на аппаратном уровне с помощью различных сочетаний транзисторов процессора.


Процессоры х86 построены на архитектуре CISC (Complex Instruction Set Computing, процессоры с полным набором инструкций) - это означает, что в процессоре реализовано максимальное число инструкций, что, с одной стороны, упрощает написание программ и уменьшает их вес, и другной стороны - процессор практически невозможно нагрузить на 100%.

Первым процессором на архитектуре х86 был Intel 8086 - это первый 16-битный процессор от Intel, работающий на частоте до 10 МГц и выпущенный в 1978 году. Процессор оказался крайне популярным и производился до 1990 года, а все последующие процессоры стали с делать с ним совместимые. Сначала эта совместимость показывалась в виде окончания названия процессора на 86, ну а в дальнейшем, с выходом Pentium, архитектуру решили назвать х86.

В 1985 году вышел процессор i386, который стал первым 32-битный процессором от Intel, а к 1989 году Intel выпустила первый скалярный процессор i486 - этот процессор умел выполнять одну операцию за такт. В дальнейшем, с выходом Pentium в 1993 году, процессоры от Intel стали суперскалярными, то есть научились делать несколько операций за один такт, и суперконвейерными - то есть имели два вычислительных конвейера. Но это было еще не все - по сути все процессоры Intel, начиная с i486DX, являются CISC-процессорами с RISC-ядром (Reduced Instruction Set Computer, процессоры с сокращённым набором инструкций): в микропроцессор встраивается аппаратный транслятор, который непосредственно перед исполнением преобразуют CISC-инструкции процессоров x86 в более простой набор внутренних инструкций RISC, при этом одна команда x86 может порождать несколько RISC-команд.

С тех пор особо ничего не поменялось - да, росло число конвейеров, росло число операций за такт, процессоры стали многоядерными и 64-битными, но до сих пор все решения от Intel и AMD являются суперконвейерными суперскалярными микропроцессорами, построенными на основе CISC-архитектуры с RISC-ядром.

Архитектура ARM

Архитектура ARM появилась позже x86, в 1986 году с выходом процессора ARM2. Цель ее разработки была в максимальной оптимизации и уменьшения числа транзисторов - к примеру, под нагрузкой x86-процессор тогда использовал едва ли 30% от числа всех транзисторов, все другие банально простаивали. Поэтому ARM разработали собственный чип на RISC-архитектуре, который назвали ARM2 - он имел всего 30000 транзисторов (сравните с 275 тысячами транзисторов в актуальном тогда i386), и не имел как кэша (что в общем-то тогда было нормой для процессоров - кэш можно было докупить и поставить отдельно), но и микропрограммы как таковой - микрокод исполнялся как и любой другой машинный код, путём преобразования в простые инструкции:


В итоге из-за того, что число транзисторов в ARM-процессорах ощутимо меньше, чем в х86, мы и получаем, что их тепловыделение тоже ощутимо ниже. Но, с другой стороны, из-за упрощенной архитектуры и производительность у ARM тоже ощутимо ниже, чем у x86.

В дальнейшем к ARM так же прикрутили поддержку и суперскалярности, и суперконвеерности, процессоры стали многоядерными и несколько лет назад стали 64-битными. В итоге современные решения от ARM являются суперконвейерными суперскалярными микропроцессорами, построенными на основе RISC-архитектуры.

Итоги

В результате мы видим две крайности: x86 являются мощными решениями, обвешанными инструкциями, которые могут выполнять абсолютно любые задачи с хорошей скоростью. Но за это приходится платить увеличенным тепловыделением. ARM же - простые процессоры, у которых набор инструкций ощутимо меньше, поэтому выполнение многих серьезных задач на них не имеет особого смысла из-за медлительности процесса. Но при этом и тепловыделение низкое. Однако самое основное - обе архитектуры поддерживают RISC-инструкции, а значит что на обеих архитектурах можно запускать одинаковые ОС, что мы и видим в случае с Android, Linux и Windows, и это означает, что в будущем разница между х86 и ARM будет размываться все больше.

Ответ - для приложений с повышенной функциональной безопасностью. По крайней мере ядра ARM Cortex-R в высокопроизводительных «реальновременных» микроконтроллерах компании Texas Instruments для этого и применяются.

Хотя процессоры Cortex-R практически полностью совместимы с процессорами Cortex-A и Cortex-M в плане набора инструкций, все-таки между ними есть существенные различия. В частности, ядро Cortex-R характеризуется более высокой производительностью по сравнению с Cortex-M, и в то же время оно может выполнять детерминированные операции, чего сложно добиться на процессорах приложений Cortex-A. Так что с точки зрения производительности Cortex-R располагается между Cortex-M и Cortex-A, но в то же время может применяться как в микроконтроллерах, так и в процессорах.

Ядро Cortex-R построено по гарвардской архитектуре и обеспечивает высокую тактовую частоту благодаря 8-ступенчатому конвейеру и суперскалярному выполнению инструкций. Аппаратные SIMD-инструкции позволяют осуществлять высокопроизводительную цифровую обработку сигналов и работу с медиа-данными. Кроме того, Cortex-M характеризуется такими увеличивающими производительность особенностями, как блок предвыборки инструкций, блок предсказания ветвлений и аппаратный делитель. Такие архитектурные компоненты помогают процессорам Cortex-R4 и Cortex-R5 достигнуть высоких показателей производительности DMIPS/МГц. Другой интересной особенностью ядра Cortex-R является то, что конвейер операций с плавающей точкой, совместимый со стандартом IEEE-754, поддерживает форматы как одинарной точности (32 бита), так и двойной точности (64 бита), и работает параллельно с конвейером операций над числами с фиксированной точкой.

Благодаря тесно связанной с процессором памяти с малой задержкой отклики на события реального времени происходят максимально быстро, также максимально быстро выполняется обработка прерываний. Эти возможности, а также высокая производительность и детерминизм ядра Cortex-R, позволяют соответствовать требованиям приложений реального времени, для которых также необходима функциональная безопасность.

Если вы работаете в отрасли, связанной с обеспечением безопасности и надежности устройств, то, наверно, слышали о функциональной безопасности программируемых электронных компонентов, и в первую очередь в голову может прийти стандарт IEC 61508. Это основной международный стандарт безопасности, существующий около 20 лет и соблюдаемый во многих отраслях. Функциональная безопасность предусматривается на транспорте (аэрокосмическая, железнодорожная и автомобильная отрасли), в промышленности, медицине, возобновляемой энергетике и других областях. В этих отраслях либо были разработаны собственные стандарты безопасности, либо были адаптированы международные стандарты, например, IEC 61508. Особо следует отметить, что в 2012 году в автомобильной промышленности был утвержден собственный стандарт функциональной безопасности ISO 26262.

Так, чем же хорош Cortex-R в плане функциональной безопасности? В первую очередь уникальными конфигурационными особенностями, позволяющими осуществлять коррекцию ошибок. Эти особенности являются опциями, которые компания ARM встроила прямо в ядро, и которые включают функции обнаружения и исправления ошибок, защищающие шины и системы памяти первого уровня, пользовательский и привилегированный режимы работы программного обеспечения с блоком защиты памяти (MPU) и поддержку конфигурации dual-core Lock Step (DCLS).

Что же такое DCLS и зачем оно нужно? Если вы инженер-программист и работаете над проектом, предусматривающим надежную и безопасную работу устройства, то DCLS сделает вашу жизнь намного проще. Это особенно полезно, если вы используете два микроконтроллера или два независимых ядра для диагностики ошибок в одном ядре.

При работе с независимым ядром имеется пара специфичных проблем. Во-первых, вам нужно писать «лишний» код для каждого микроконтроллера, который будет мониторить другой микроконтроллер. Во-вторых, теперь вам нужно сделать этот код основной частью вашего модуля системной безопасности, это означает, что вы должны в каждой строчке данного кода предусмотреть надежность и безопасность дальнейшей работы. Благодаря DCLS этот «лишний» код, а также необходимость его обезопасить уходят в прошлое. Конечно, разработчику все равно предстоит написать много строк связанного с безопасностью кода, но данный механизм все же позволяет облегчить ему жизнь.

Для простоты понимания механизм DCLS можно представить как сочетание основного процессора и проверочного модуля. С точки зрения программиста программирование такой системы не будет отличаться от программирования обычного одноядерного микроконтроллера. Второе ядро, то есть проверочный модуль, наряду с логикой сравнения выполняет работу описанного выше «лишнего» кода, а также много чего еще. Логика сравнения может обнаружить ошибку за несколько циклов процессора в то время, как дискретное ядро может потратить на это сотни или даже тысячи циклов. Поэтому DCLS гораздо быстрее в деле обнаружения ошибок и может сэкономить драгоценное время при разработке надежного кода.

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?