ARM процессор - мобильный процессор для смартфонов и планшетов. Что такое ARM

Название ARM, безусловно, слышали все, кто интересуется мобильными технологиями. Многие понимают данную аббревиатуру как тип процессора для смартфонов и планшетов, другие уточняют, что это вовсе не процессор, а его архитектура. И уж точно мало, кто вникал в историю появления ARM. В этой статье мы попробуем разобраться во всех этих нюансах и расскажем зачем нужны процессоры ARM современным гаджетам.

Краткий экскурс в историю

По запросу «ARM» Википедия выдает два значения этой аббревиатуры: Acorn RISC Machine и Advanced RISC Machines. Начнем по порядку. В 1980-х годах в Великобритании была основана компания Acorn Computers, которая начинала свою деятельность созданием персональных компьютеров. В то время Acorn еще называли «британской Apple». Решающим периодом для компании стал конец 80-х годов, когда ее главный инженер воспользовался решением двух выпускников местного университета, придумавших новый вид процессорной архитектуры с сокращенным набором команд (RISC). Так появился первый компьютер на базе процессора Acorn Risc Machine. Успех не заставил себя долго ждать. В 1990 году британцы заключили договор с Apple и вскоре начали работу над новой версией чипсета. В итоге команда разработчиков сформировала компанию под названием Advanced RISC Machines по аналогии с процессором. Чипы с новой архитектурой также стали именоваться Advanced Risc Machine или сокращенно ARM.

С 1998 года Advanced Risc Machine стала называться ARM Limited. На текущий момент компания не занимается производством и продажей собственных процессоров. Основным и единственным направлением деятельности ARM Limited является разработка технологий и продажа лицензий различным компаниям на использование архитектуры ARM. Некоторые производители покупают лицензию на готовые ядра, другие – так называемую «архитектурную лицензию» на производство процессоров с собственными ядрами. Среди таких компаний значатся Apple, Samsung, Qualcomm, nVidia, HiSilicon и другие. По некоторым данным, ARM Limited зарабатывает на каждом таком процессоре $0,067. Эта цифра усредненная и к тому же устаревшая. С каждым годом ядер в чипсетах становится все больше, и новые многоядерные процессоры превосходят по себестоимости устаревшие образцы.

Технические особенности чипов ARM

Существует два типа современных процессорных архитектур: CISC (Complex Instruction Set Computing) и RISC (Reduced Instruction Set Computing). К архитектуре CISC относится семейство процессоров x86 (Intel и AMD), к архитектуре RISC – семейство ARM. Основным формальным отличием RISC от CISC и, соответственно, x86 от ARM является сокращенный набор команд, используемый в RISC-процессорах. Так, например, каждая инструкция в CISC-архитектуре трансформируется в несколько RISC-команд. В добавок, RISC-процессоры используют меньше транзисторов и, таким образом, потребляют меньше энергии.

Основным приоритетом ARM-процессоров является отношение производительности к потреблению энергии. ARM имеет большее соотношение производительности на ватт чем x86. Вы можете получить необходимую мощность из 24 ядер x86 или из сотен маленьких ядер ARM с низким энергопотреблением. Разумеется, один даже самый мощный процессор на архитектуре ARM никогда не будет сопоставим по мощности с Intel Core i7. Но тот же Intel Core i7 нуждается в активной системе охлаждения и никогда не поместится в корпус телефона. Здесь ARM вне конкуренции. С одной стороны, это выглядит привлекательным вариантом для построения суперкомпьютера с использованием миллиона ARM-процессоров вместо тысячи процессоров x86. С другой стороны, нельзя однозначно сравнивать две архитектуры. В чем-то преимущество будет за ARM, а в чем-то – за x86.

Однако называть чипы архитектуры ARM процессорами не совсем корректно. Кроме нескольких процессорных ядер, они также включают другие компоненты. Наиболее подходящим будет термин «однокристальная система» или «система на кристалле» (SoC). Современные однокристальные системы для мобильных устройств включают контроллер оперативной памяти, графический ускоритель, видеодекодер, аудиокодек и модули беспроводной связи. Как уже было сказано ранее, отдельные компоненты чипсета могут быть разработаны сторонними производителями. Наиболее ярким примером этого являются графические ядра, разработкой которых кроме ARM Limited (графика Mali), занимаются Qualcomm (Adreno), NVIDIA (GeForce ULP) и Imagination Technologies (PowerVR).

На практике это выглядит следующим образом. Большинство бюджетных мобильных устройств на Android поставляются с чипсетами производства компании MediaTek , которая практически неизменно следует инструкциям ARM Limited и комплектует их ядрами Cortex-A и графикой Mali (реже PowerVR).

А-бренды для своих флагманских устройств зачастую используют чипсеты производства Qualcomm . К слову, последние чипы Qualcomm Snapdragon ( , ) оснащены полностью кастомными ядрами Kryo – для центрального процессора и Adreno – для графического ускорителя.

Что касается Apple , то для iPhone и iPad компания использует собственные чипы А-серии с графическим ускорителем PowerVR, производством которых занимаются сторонние компании. Так, в установлен 64-битный четырехъядерный процессор A10 Fusion и графический процессор PowerVR GT7600.

Актуальной на момент написания статьи считается архитектура процессоров семейства ARMv8 . В ней впервые стал использоваться 64-битный набор инструкций и появилась поддержка более 4 ГБ оперативной памяти. Архитектура ARMv8 имеет обратную совместимость с 32-битными приложениями. Наиболее эффективным и самым мощным процессорным ядром, разработанным ARM Limited, на данный момент является Cortex-A73 , и большинство производителей однокристальных систем используют его без изменений.

Cortex-A73 обеспечивает на 30% более высокую производительность по сравнению с Cortex-А72 и поддерживает полный набор ARMv8-архитектуры. Максимальная частота процессорного ядра составляет 2,8 ГГц.

Сфера использования ARM

Наибольшую славу ARM принесло развитие мобильных устройств. В преддверии массового производства смартфонов и другой портативной техники энергоэффективные процессоры пришлись как нельзя кстати. Кульминацией развития ARM Limited стал 2007 год, когда британская компания возобновила партнерство с Apple, а спустя некоторое время купертиновцы представили свой первый iPhone с процессором на архитектуре ARM. В последующем однокристальная система на базе архитектуры ARM стала неизменным компонентом практически всех смартфонов, представленных на рынке.

Портфолио компании ARM Limited не ограничивается только ядрами семейства Cortex-A. Фактически, под маркой Cortex существует три серии процессорных ядер, которые обозначаются буквами A, R, M. Семейство ядер Cortex-А , как мы уже знаем, является наиболее мощными. Их в основном используют в смартфонах, планшетах, ТВ-приставках, спутниковых ресиверах, автомобильных системах, робототехнике. Процессорные ядра Cortex-R оптимизированы для выполнения высокопроизводительных задач в режиме реального времени, поэтому такие чипы встречаются в медицинском оборудовании, автономных системах безопасности, носителях информации. Основной задачей семейства Cortex-M является простота и низкая стоимость. Технически это самые слабые процессорные ядра с наиболее низким энергопотреблением. Процессоры на базе таких ядер используются практически везде, где от устройства требуется минимальная мощность и низкая стоимость: сенсоры, контроллеры, сигнализации, дисплеи, умные часы и другая техника.

В общем, большинство современных устройств от маленьких до больших, нуждающихся в центральном процессоре, используют чипы ARM. Огромным плюсом при этом является тот факт, что архитектура ARM поддерживается множеством операционных систем на платформе Linux (в том числе Android и Chrome OS), iOS, и Windows (Windows Phone).

Конкуренция на рынке и перспективы на будущее

Стоит признать, на данный момент у ARM нет серьезных конкурентов. И по большому счету это связано с тем, что компания ARM Limited в определенное время сделала правильный выбор. А ведь в самом начале своего пути компания выпускала процессоры для ПК и даже пыталась конкурировать с Intel. После того, как ARM Limited поменяла направление своей деятельности, ей также было непросто. Тогда программный монополист в лице Microsoft, заключив партнерское соглашение с Intel, не оставил никаких шансов другим производителям, в том числе и ARM Limited – ОС Windows просто не работала на системах с процессорами ARM. Как бы парадоксально это не звучало, но сейчас ситуация может кардинально измениться, и уже ОС Windows готова поддерживать процессоры на этой архитектуре.

На волне успехов чипов ARM компания Intel предприняла попытку создать конкурентоспособный процессор и вышла на рынок с чипом Intel Atom . Для этого ей потребовалось гораздо больше времени, нежели ARM Limited. В производство чипсет поступил в 2011 году, но, как говорится, поезд уже ушел. Intel Atom является CISC-процессором с архитектурой x86. Инженеры компании добились более низкого энергопотребления, нежели в ARM, однако на текущий момент разнообразный мобильный софт имеет плохую адаптацию к архитектуре x86.

В прошлом году Intel отказалась от нескольких ключевых решений в дальнейшем развитии мобильных систем. Фактически компания для мобильных устройств, поскольку они стали нерентабельными. Единственным крупным производителем, который комплектовал свои смартфоны чипсетами Intel Atom, был ASUS. Однако массовое использование Intel Atom все же получил в нетбуках, неттопах и других портативных устройствах.

Положение ARM Limited на рынке уникальное. На данный момент практически все производители пользуются ее разработками. При этом у компании нет собственных заводов. Это не мешает ей стоять в одном ряду с Intel и AMD. История ARM включает еще один любопытный факт. Не исключено, что сейчас технология ARM могла бы принадлежать компании Apple, которая стояла в основе формирования ARM Limited. По иронии судьбы в 1998 году купертиновцы, переживая кризисные времена, продали свою долю. Теперь Apple вынуждена наряду с другими компаниями покупать лицензию на процессоры ARM, используемые в iPhone и iPad.

Сейчас процессоры ARM способны выполнять серьезные задачи. В ближайшей перспективе – использование их в серверах, в частности такие решения уже имеют дата-центры Facebook и PayPal. В эпоху развития интернета вещей (IoT) и «умных» бытовых устройств чипы ARM получили еще большую востребовательность. Так что самое интересное у ARM еще впереди.

Мы уже давно знаем, что в конце 2013—начале 2014 года мы увидим первые процессоры ARM, поддерживающие 64-битный набор инструкций ARMv8. Однако что это будут за CPU, пока оставалось загадкой. Во время прошедшей конференции ARM TechCon британский разработчик чипов представил два своих новых процессора Cortex-A53 и Cortex-A57, которые смогут найти применение не только на мобильном рынке — прежде всего они создаются для рынка микросерверов. Кстати, этим чипам придётся столкнуться в конкурентной борьбе с Intel, которая тоже на конец 2013 или первый квартал 2014 года готовит выход специальной платформы Bay Trail (процессоры носят кодовое имя Valleyview) для рынка микросерверов.

Конференция TechCon 2012 вообще оказалась богатой на громкие анонсы, в отличие от прошлых лет. Чего стоит только анонс о поставках в 2014 году компанией AMD гибридных 64-битных процессоров x86/ARM для серверов под брендом Opteron. Хотя данных об этих чипах пока нет, можно предположить, что речь идёт о совмещении 64-битных энергоэффективных ядер Jaguar с ядрами ARMv8, использовании оптической связи SeaMicro Freedom Fabric и, вероятно, графики Volcanic Islands.

Второе заметное событие конференции — это демонстрация компаниями Cadence и IBM тестового чипа ARMv8 на базе 14-нм техпроцесса с применением FinFET (так называемых 3D-транзисторов) и FD-SOI (следующее поколение технологии «кремний на изоляторе»). Комбинация FinFET и FD-SOI рассматривается в качестве серьёзного преимущества над техпроцессами конкурирующей фабрики TSMC. Развёртывание массового 14-нм производства IBM, GlobalFoundries и Samsung Electronics можно ждать в 2014 году. Три упомянутых компании являются членами Common Platform Alliance и совместно разрабатывают новые технологические нормы. Массовое производство 14-нм кремниевых пластин FinFET/FD-SOI будет впервые налажено на фабриках IBM и GlobalFoundries в штате Нью-Йорк, а также на заводе Samsung в Техасе.

Наконец, гвоздём программы стал анонс настоящих наследников популярных процессорных ядер Cortex-A9 (2009 год) и Cortex-A15 (2012 год). Новые ядра получили имена соответственно Cortex-A53 и Cortex-A57. Это первые эталонные решения, которые основаны на восьмом поколении архитектуры ARM (64-битный набор инструкций ARMv8) и нацелены на рынок мощных смартфонов, планшетов, гибридных мобильных продуктов и, конечно, на применение в секторе высокоплотных серверов.

Согласно данным ARM, ядро Cortex-A53 является «самым эффективным процессором ARM из когда-либо созданных»: оно способно предоставить производительность на уровне Cortex-A9, имея при этом поддержку 64-битных инструкций и полную совместимость с ARMv7. При производстве на том же 32-нм техпроцессе ядро Cortex-A53 будет занимать на 40% меньше площади по сравнению с Cortex-A9. Если же сравнивать 20-нм ядро Cortex-A53 с 32-нм Cortex-A9, то первое будет в 4 раза меньше. ARM также утверждает, что на момент выхода ядро будет потреблять в 4 раза меньше энергии по сравнению с современными ядрами Cortex-A9 при условии одинаковой производительности.

При этом чип Cortex-A57 называется «наиболее совершенным высокопроизводительным процессором ARM. В это охотно верится, ибо ARM обещает утроенную по отношению к современным ядрам Cortex-A15 производительность в 32-битном режиме и 5-кратное превосходство по энергоэффективности. Масштабируемость Cortex-A57 позволяет создавать кристаллы с 16 и более ядрами. В пресс-релизе компания указывает на то, что при производительности старых ПК, ядро Cortex-A57 имеет энергопотребление мобильных устройств. Также ARM указывает на поддержку специальных инструкций, позволяющих ускорять шифрование в 10 раз.

ARM отмечает, что ядра Cortex-A57 и Cortex-A53 могут работать как отдельно, так и в связке по технологии big.LITTLE (наподобие связки Cortex-A15 и Cortex-A7), благодаря чему можно добиться оптимальной производительности и энергоэффективности.

Основные особенности Cortex-A53:

• 40-битная виртуальная адресация памяти;
• поддержка до 1 Тбайт ОЗУ (от LPDDR3 до DDR4);
• от 8 до 64 Кбайт кеш-памяти L1 для инструкций и 8—64 Кбайт кеш-памяти L1 для данных;
• математический сопроцессор

Основные особенности Cortex-A57:

• поддержка исполнения команд с изменением последовательности;
• ядро ARMv8 с поддержкой 32- и 64-битных расчётов;
• 44-битная виртуальная адресация памяти;
• поддержка до 16 Тбайт ОЗУ (от LPDDR3 до DDR4);
• 48 Кбайт кеш-памяти L1 для инструкций и 32 Кбайт кеш-памяти L1 для данных;
• мультимедийный SIMD-движок NEON;
• математический сопроцессор;
• от 128 Кбайт до 2 Мбайт кеш-памяти L2 (с поддержкой ECC);
• 128-бит CoreLink Interconnect (CCI-400 и CCN-504).

ARM сообщила имена шести компаний, которые будут использовать ядра Cortex-A53/A57 в своих чипах: это AMD, Broadcom, Calxeda, HiSilicon/Huawei, Samsung Electronics и STMicroelectronics. Таким образом, как минимум можно ждать новых мобильных чипов с Cortex-A53/A57 и графикой Mali-T600 от Huawei и Samsung. Ожидать появления первых таких процессоров следует в 2014 году.

В этом материале пойдет речь о процессорной архитектуре . Полупроводниковые продукты на ее основе можно встретить в смартфонах, роутерах, планшетных ПК и прочих мобильных устройствах, где она до недавних пор занимала ведущие позиции в этом сегменте рынка. Сейчас же ее постепенно вытесняют более новые и свежие процессорные решения.

Краткая справка о компании ARM

История компании ARM началась в 1990 году, когда она была основана Робином Саксби. Основой же для ее создания стала новая микропроцессорная архитектура. Если до этого господствующие позиции на рынке ЦПУ занимала х86 или CISC , то после образования данной компании появилась достойная альтернатива в виде RISC. В первом случае выполнение программного кода сводилось к 4 этапам:

Получение машинных инструкций.

Выполнение преобразования микрокода.

Получение микроинструкций.

Поэтапное выполнение микроинструкций.

О сновная же идея архитектуры RIS С состояла в том, что обработку программного кода можно свести к 2 этапам:

Получение RISC- инструкций.

Обработка RISC- инструкций.

К ак в первом, так и во втором случае есть как плюсы, так и существенные недостатки. х86 успешно завоевала компьютерный рынок, а RISC ( в том числе и , представленная 2011 году) — рынок мобильных устройств.

История появления архитектуры Cortex A7. Ключевые особенности

В качестве основы для «Кортекс А7» выступала «Кортекс А8». Основная идея разработчиков в данном случае сводилась к тому, чтобы увеличить производительность и значительно улучшить энергоэффективность процессорного решения. Именно это в конечном итоге и получилось у инженеров компании ARM . Еще одной важной особенностью в данном случае стало то, что появилась возможность создавать ЦПУ с технологией big.LITTLE. То есть полупроводниковый кристалл мог включать 2 вычислительных модуля. Один из них был нацелен на решение наиболее простых задач с минимальным энергопотреблением и, как правило, в этой роли и выступали ядра «Кортекс А7». Второй же был предназначен для запуска наиболее сложного софта и базировался на вычислительных блоках «Кортекс А15» или «Кортекс А17». Официально «Кортекс А7» была представлена, как было отмечено ранее, в 2011 году. Ну а первый процессор ARM Cortex A7 увидел свет годом позже, то есть в 2012 году.

Технология производства

Изначально полупроводниковые продукты на основе А7 производились по технологическим нормам 65 нм. Сейчас эта технология безнадежно устарела. В дальнейшем были выпущены еще два поколения процессоров А7 по нормам допуска уже 40 нм и 32 нм. Но и они сейчас уже стали неактуальными. Наиболее свежие модели ЦПУ на основе этой архитектуры изготавливаются уже по нормам 28 нм, и именно их пока еще можно встретить в продаже. Дальнейший переход на более новые с новыми нормами допуска и устаревшей архитектурой ожидать вряд ли стоит. Чипы на базе А7 сейчас занимают наиболее бюджетный сегмент рынка мобильных устройств и их постепенно вытесняют уже гаджеты на основе А53, которая практически при той же энергоэффективности параметрах имеет более высокий уровень быстродействия.

Архитектура микропроцессорного ядра

1, 2, 4 или 8 ядер может входить в состав ЦПУ на базе ARM Cortex A7. Характеристики процессоров в последнем случае указывают на то, что в состав чипа входят, по существу, 2 кластера по 4 ядра. 2-3 года процессорные продукты начального уровня основывались на чипах с 1-им или 2-мя вычислительными модулями. Средний уровень занимали 4-ядерные решения. Ну а премиум-сегмент был за 8-ядерными чипами. Каждое микропроцессорное ядро на основе такой архитектуры включало следующие модули:

Б лок обработки чисел с плавающей запятой (FPU).

Кеш 1-го уровня.

Блок NEON для оптимизации работы ЦПУ.

Вычислительный модуль ARMv7.

Также были следующие общие компоненты для всех ядер в составе ЦПУ:

Кеш L2.

Блок управления ядрами CoreSight.

Контроллер шины управления данными АМВА с разрядностью 128 бит.

Возможные частоты

Максимальное значение тактовой частоты для данной микропроцессорной архитектуры может изменяться от 600 МГц до 3 ГГц. Также необходимо отметить, что этот параметр, который указывает максимальное влияние на производительность вычислительной системы, изменяется. Причем на частоту оказывает влияние сразу три фактора:

Уровень сложности решаемой задачи.

Степень оптимизации программного обеспечения под многопоточность.

Текущее значение температуры полупроводникового кристалла.

В качестве примера рассмотрим алгоритм работы чипа МТ6582, который базируется на А7 и включает 4 вычислительных блока, частота которых изменяется от 600 МГц до 1,3 ГГц. В режиме простоя у этого процессорного устройства может находиться лишь только один блок вычислений, и он функционирует на минимально возможной частоте в 600 МГц. Аналогичная ситуация будет и в том случае, когда будет запущено простое приложение на мобильном гаджете. Но когда же в списке задач появиться ресурсоемкая игрушка с оптимизацией под многопоточность, то автоматически включатся в работу все 4 блока обработки программного кода на частоте 1,3 ГГц. По мере нагрева ЦПУ наиболее горячие ядра будут понижать значение частоты или даже отключаться. С одной стороны, такой подход обеспечивает энергоэффективнсть, а с другой — приемлемый уровень быстродействия чипа.

Кеш-память

Всего лишь 2 уровня кеша предусмотрено в ARM Cortex A7. Характеристики полупроводникового кристалла, в свою очередь, указывают на то, что первый уровень в обязательном порядке разделен на 2 равные половинки. Одна из них должна хранить данные, а другая — инструкции. Суммарный р азмер кеша на 1-ом уровне по спецификациям может быть равен 64 Кб. Как результат, получаем 32 Кб для данных и 32 Кб для кода. Кеш 2-го уровня в этом случае будет завис е ть от конкретной модели ЦПУ. Наименьший объем его может быть равен 0 Мб (то есть отсутствовать), а наибольший — 4 Мб.

Контроллер оперативной памяти. Его особенности

Встроенным контроллером оперативной памяти комплектуется любой процессор ARM Cortex A7. Характеристикитехнического плана указывают на то, что он ориентирован на работу в связке с ОЗУ стандарта LPDDR3. Рекомендованные частоты функционирования оперативной памяти в данном случае равны 1066 МГц или 1333 МГц. Максимальный же размер ОЗУ, который можно встретить на практике, для данной модели чипа равен 2 Гб.



Интегрированная графика

Как и положено, данные микропроцессорные устройства имеют интегрированную графическую подсистему. Компания-производитель ARM рекомендует использовать в сочетании с этим ЦПУ графическую карту собственной разработки Mali -400MP2 . Но ее производительности чаще всего недостаточно для того, чтобы раскрыть потенциал микропроцессорного устройства. Поэтому разработчики чипов применяют в сочетании с этим чипом более производительные адаптеры, например, Power VR6200.

Программные особенности

Три вида операционных систем нацелено на процессоры ARM:

Android от поискового гиганта Google.

iOS от APPLE.

Windows Mobile от «Майкрософт».

Все остальное системное программное обеспечение пока не получило большого распространения. Наибольшую долю на рынке такого софта, как не сложно догадаться, занимает именно Android. Эта система имеет простой и понятный интерфейс и устройства на ее основе начального уровня являются очень и очень доступными. До версии 4.4 включительно она была 32-битной, а с 5.0 стала поддерживать 64-разрядные вычисления. Эта ОС успешно функционирует на любом семействе ЦПУ архитектуры RISC , в том числе и ARM Cortex A7. Инженерное меню — это еще одна важная особенность данного системного софта. С ее помощью можно существенно перенастроить возможности ОС. Доступ же к этому меню можно получить с помощью кода, который для каждой модели ЦПУ индивидуален.

Еще она важная особенность этой ОС — установка всех возможных обновлений автоматически. Поэтому даже новые возможности могут появиться на чипах семейства ARM Cortex A7. Прошивка их может добавить. Вторая система нацелена на мобильные гаджеты компании APPLE. Такие устройства в основном занимают премиум — сегмент и имеют соответствующие уровни быстродействия и стоимость. Последняя ОС в лице Windows Mobile пока не получила большого распространения. Устройства на ее основе есть в любом сегменте мобильны гаджетов, но вот малое количество прикладного софта в данном случае является сдерживающим фактором для ее распространения.



Модели процессоров

Наиболее доступными и наименее производительными в этом случае являются 1-ядерные чипы. Наибольшее распространение среди них получил МТ6571 от компании МедиаТек. На ступеньку выше находятся двухъядерные ЦПУ ARM Cortex A7 Dual Core. В качестве примера можно привести МТ6572 от все того же самого производителя. Еще больший уровень быстродействия обеспечивали Quad Core ARM Cortex A7. Наиболее популярным чипом из этого семейства является МТ6582, который сейчас даже можно встретить в мобильных гаджетах начального уровня. Ну а наибольший уровень быстродействия обеспечивали 8-ядерные центральные процессоры, к которым принадлежал МТ6595.

Дальнейшие перспективы развития

Пока еще можно встретить на прилавках магазинов мобильные устройства в основе которых лежит полупроводниковое процессорное устройство на базе 4X ARM Cortex A7. Это и МТ6580, МТ6582 и «Снапдрагон 200». Все эти чипы включают 4 вычислительных блока и имеют отменный уровень энергоэффективности. Также стоимость в этом случае очень и очень скромная. Но все же лучшие времена это микропроцессорной архитектуры уже позади. Пик продаж продукции на ее основе припал на 2013-2014 года, когда на рынке мобильных гаджетов у нее практически не было альтернативы. Причем в этом случае речь идет как о бюджетных устройствах с 1 или 2 вычислительными модулями, так и с флагманскими гаджетами с 8-ядерным ЦПУ. На текущий момент ее постепенно с рынка вытесняет «Кортекс А53», которая по существу является модифицированной 64-битной версией А7. При этом основные преимущества своей предшественницы она сохранила целиком и полностью, и будущее уж точно за ней.



Мнение экспертов и пользователей. Реальные отзывы о чипах на базе данной архитектуры. Сильные и слабые стороны

Безусловно, знаковым событием для мира мобильных устройств стало появление архитектуры микропроцессорных устройств ARM Cortex A7. Наилучшим доказательством этого стало то, что устройства на ее базе уже успешно продаются более 5 лет. Конечно, сейчас уже возможностей ЦПУ на основе А7 уже недостаточно даже для решения задач среднего уровня, но вот наиболее простой программный код на таких чипах и по сей день успешно функционирует. В перечень такого софта входит воспроизведение видео, прослушивание аудиозаписей, чтение книг, веб-серфинг и даже наиболее простые игрушки в этом случае запустятся без особых проблем. Именно на этом и акцентируют внимание на ведущих тематических порталах, посвященных мобильным гаджетам и девайсам как ведущие специалисты такого плана, так и обычные пользователи. Ключевой минус А7 — это отсутствие поддержки 64-битных вычислений. Ну а к основным плюсам ее можно отнести идеальное сочетание энергоэффективности и производительности.



Итоги

Безусловно, Cortex A7 — это целая эпоха в мире мобильных устройств. Именно с ее появлением мобильные устройства стали доступными и достаточно производительными. И один тот факт, что она уже более 5 лет успешно продается, лишнее тому подтверждение. Но если вначале гаджеты на ее базе занимали средний и премиум сегменты рынка, то сейчас за ними остался лишь бюджетный класс. Эта архитектура устарела и постепенно уходит в прошлое.

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.

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.

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.

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:

Cortex-A5;
Cortex-A7;
Cortex-A8;
Cortex-A9;
Cortex-A12;
Cortex-A15;
Cortex-A53;

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.

Cortex-A5

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.

Cortex-A7

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.

Cortex-A8

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.

Cortex-A12

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.

Cortex-A15

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.

Cortex-A53

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

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.

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.

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.

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 , 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.

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 на 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).