1. Особливості архітектури ARM
2. Бізнес-модель компанії ARM Limited
3. Однокристальная система
4. Застарілі покоління чіпів
5. Сучасні покоління чіпів
6. подальші перспективи

Перші чіпи ARM з'явилися ще три десятиліття тому завдяки старанням британської компанії Acorn Computers (нині ARM Limited), але довгий час перебували в тіні своїх більш іменитих побратимів - процесорів архітектури х86. Все перевернулося з ніг на голову з переходом IT-індустрії в пост-комп'ютерну епоху, коли балом стали правити вже не ПК, а мобільні гаджети.

Особливості архітектури ARM

Почати варто, мабуть, з того, що в процесорної архітектурі x86, яку зараз використовують компанії Intel і AMD, застосовується набір команд CISC (Complex Instruction Set Computer), хоч і не в чистому вигляді. Так, велика кількість складних за своєю структурою команд, що довгий час було відмінною рисою CISC, спочатку декодуються в прості, і тільки потім обробляються. Ясна річ, на весь цей ланцюжок дій йде чимало енергії.

Чіп ARM1 - первісток компанії Acorn Computers, який проводився на фабриках VLSI

Як енергоефективної альтернативи виступають чіпи архітектури ARM з набором команд RISC (Reduced Instruction Set Computer). Його перевага в спочатку невеликому наборі простих команд, які обробляються з мінімальними витратами. Як результат, зараз на ринку споживчої електроніки мирно (на насправді, не дуже мирно) уживаються дві процесорні архітектури - х86 і ARM, кожна з яких має свої переваги і недоліки.

Першим в історії пристроєм на базі процесора архітектури ARM був персональний комп'ютер BBC Micro

Архітектура х86 позиціонується як більш універсальна з точки зору посильних їй завдань, включаючи навіть такі ресурсомісткі, як редагування фотографій, музики і відео, а також шифрування і стиснення даних. У свою чергу архітектура ARM «виїжджає» за рахунок вкрай низького енергоспоживання і в цілому-то достатньої продуктивності для найважливіших на сьогодні цілей: промальовування веб-сторінок і відтворення медіaконтента.

Архітектурні відмінності процесорів x86 (набір команд CISC) і ARM (набір команд RISC)

Бізнес-модель компанії ARM Limited

Зараз компанія ARM Limited займається лише розробкою референсних процесорних архітектур і їх ліцензуванням. Створення ж конкретних моделей чіпів і їх подальше масове виробництво - це вже справа ліцензіатів ARM, яких налічується безліч. Є серед них як відомі лише у вузьких колах компанії на кшталт STMicroelectronics, HiSilicon і Atmel, так і IT-гіганти, імена яких у всіх на слуху - Samsung, NVIDIA і Qualcomm. З повним списком компаній-ліцензіатів можна ознайомитися на відповідній сторінці офіційного сайту ARM Limited .

Тільки компаній, які отримали ліцензію на виробництво чіпів сімейства ARM Cortex-A, набереться кілька десятків, а адже в портфоліо ARM Limited є й інші розробки

Така велика кількість ліцензіатів викликано в першу чергу великою кількістю сфер застосування ARM-процесорів, причому мобільні гаджети - це лише вершина айсберга. Недорогі і енергоефективні чіпи використовується у вбудованих системах, мережевому устаткуванні і вимірювальних приладах. Платіжні термінали, зовнішні 3G-модеми та спортивні пульсометри - всі ці пристрої засновані на процесорної архітектурі ARM.

Російська компанія «ПКК Міландр» зі штаб-квартирою в Зеленограді, що цікаво, теж отримала ліцензію на виробництво чіпів архітектури ARM

За підрахунками аналітиків, сама ARM Limited заробляє на кожному зробленому чипі $ 0,067 у вигляді роялті. Але це сильно усереднена сума, адже за собівартістю новітні багатоядерні процесори значно перевершують одноядерні чіпи застарілої архітектури.

Однокристальная система

З технічної точки зору називати чіпи архітектури ARM процесорами не зовсім вірно, адже крім одного або декількох обчислювальних ядер вони включають цілий ряд супутніх компонентів. Більш доречними в даному випадку є терміни однокристальна система і система-на-чіпі (від англ. System on a chip).

Так, новітні однокристальних системи для смартфонів і планшетних комп'ютерів включають контролер оперативної пам'яті, графічний прискорювач, відеодекодер, аудіоокодек і опціонально модулі бездротового зв'язку. Вузькоспеціалізовані чіпи можуть включати додаткові контролери для взаємодії з периферійними пристроями, наприклад датчиками.

Схема будови однокристальної системи з чотирма ядрами ARM Cortex-A9

Окремі компоненти однокристальної системи можуть бути розроблені як безпосередньо ARM Limited, так і сторонніми компаніями. Яскравим тому прикладом є графічні прискорювачі, розробкою яких крім ARM Limited (графіка Mali) займаються Qualcomm (графіка Adreno) і NVIDIA (графіка GeForce ULP).

Не варто забувати і про компанію Imagination Technologies, яка нічим іншим, крім проектування графічних прискорювачів PowerVR, взагалі не займається. А адже саме їй належить мало не половина глобального ринку мобільного графіки: гаджети Apple і Amazon, планшетники Samsung Galaxy Tab 2, а також недорогі смартфони на базі процесорів MTK.

Застарілі покоління чіпів

Морально застарілими, але все ще широко поширеними процесорними архітектурами є ARM9 і ARM11, які належать до сімейств ARMv5 і ARMv6 відповідно.

ARM9. Чіпи ARM9 можуть досягати тактової частоти 400 МГц і, швидше за все, саме вони встановлені всередині вашого бездротового маршрутизатора і старенького, але все ще надійно телефону під час експлуатації на кшталт Sony Ericsson K750i і Nokia 6300. Критично важливим для чіпів ARM9 є набір інструкцій Jazelle, який дозволяє комфортно працювати з Java-додатками (Opera Mini, Jimm, Foliant і ін.).

ARM11. Процесори ARM11 можуть похвалитися розширеним проти ARM9 набором інструкцій і куди більш високою тактовою частотою (аж до 1 ГГц), хоча для сучасних завдань їх потужності теж не досить. Проте, завдяки невисокому енергоспоживанню і, що не менш важливо, собівартості, чіпи ARM11 досі застосовуються в смартфонах початкового рівня: Samsung Galaxy Pocket і Nokia 500.

Чіп Broadcom Thunderbird - один з нечисленних представників покоління ARM11, який до цих пір застосовується в Android-смартфонах

Сучасні покоління чіпів

Все більш-менш нові чіпи архітектури ARM належать до сімейства ARMv7, флагманські представники якого вже досягли позначки у вісім ядер і тактової частоти понад 2 ГГц. Розроблені безпосередньо ARM Limited процесорні ядра належать до лінійки Cortex і більшість виробників однокристальних систем використовують їх без істотних змін. Лише компанії Qualcomm і Apple створили власні модифікації на основі ARMv7 - перша назвала свої творіння Scorpion і Krait, а друга - Swift.

Чіп Apple A6 (ядро Swift) - перша спроба Купертіно власноруч модифікувати архітектуру ARMv7

ARM Cortex-A8. Історично першим процесорним ядром сімейства ARMv7 було Cortex-A8, яке лягло в основу таких відомих SoC свого часу як Apple A4 (iPhone 4 і iPad) і Samsung Hummingbird (Samsung Galaxy S і Galaxy Tab). Воно демонструє приблизно вдвічі вищу продуктивність у порівнянні з попереднім ARM11. До того ж, ядро ​​Cortex-A8 отримало співпроцесор NEON для обробки відео високої роздільної здатності та підтримку плагіна Adobe Flash.

Правда, все це негативно позначилося на енергоспоживанні Cortex-A8, яке значно вище ніж у ARM11. Незважаючи на те, що чіпи ARM Cortex-A8 досі застосовуються в бюджетних планшетника (однокристальна система Allwiner Boxchip A10), їх дні перебування на ринку, по всій видимості, полічені.

Однокристальная система TI OMAP 3 - представник колись популярного, але зараз вже згасаючого покоління ARM Cortex-A8

ARM Cortex-A9. Слідом за Cortex-A8 компанія ARM Limited представила нове покоління чіпів - Cortex-A9, яке зараз є найпоширенішим і займає середню цінову нішу. Продуктивність ядер Cortex-A9 зросла приблизно втричі в порівнянні з Cortex-A8, та ще й з'явилася можливість об'єднувати їх по два або навіть чотири на одному чіпі.

Співпроцесор NEON став вже необов'язковим: компанія NVIDIA в своїй однокристальної системі Tegra 2 його скасувала, вирішивши звільнити більше місця для графічного прискорювача. Правда, нічого доброго з цього не вийшло, адже більшість додатків-відео-програвачів все одно орієнтувалися на перевірений часом NEON.

Майже всі флагманські планшетні комп'ютери зразка 2011 року були побудовані на базі чіпа NVIDIA Tegra 2

Саме за часів «царювання» Cortex-A9 з'явилися перші реалізації запропонованої ARM Limited концепції big.LITTLE, згідно з якою однокристальних системи повинні мати одночасно потужні і слабкі, але енергоефективні процесорні ядра. Першою реалізацією концепції big.LITTLE стала система-на-чіпі NVIDIA Tegra 3 з чотирма ядрами Cortex-A9 (до 1,7 ГГц) і п'ятим енергоефективним ядром-компаньйоном (500 МГц) для виконання простеньких фонових завдань.

ARM Cortex-A5 і Cortex-A7. При проектуванні процесорних ядер Cortex-A5 і Cortex-A7 компанія ARM Limited переслідувала одне і ту ж мету - добитися компромісу між мінімальним енергоспоживанням ARM11 і прийнятним швидкодією Cortex-A8. Не забули і про можливість об'єднання ядер по два-чотири - багатоядерні чіпи Cortex-A5 і Cortex-A7 мало-помалу з'являються у продажу (Qualcomm MSM8625 і MTK 6589).

Схема будови однокристальної системи c чотирма ядрами ARM Cortex-A5

ARM Cortex-A15. Процесорні ядра Cortex-A15 стали логічним продовженням Cortex-A9 - як результат, чіпам архітектури ARM вперше в історії вдалося приблизно зрівнятися за швидкодією з Intel Atom, а це вже великий успіх. Адже не дарма компанія Canonical в системних вимоги до версії ОС Ubuntu Touch з повноцінною багатозадачністю вказала двоядерний процесор ARM Cortex-A15 або аналогічний Intel Atom.

Першою масової однокристальної системою Cortex-A15 стала двоядерний Exynos 5250, яка застосовується в планшетника Google Nexus 10 і лептопі Samsung Chromebook

Дуже скоро в продаж надійдуть численні гаджети на базі NVIDIA Tegra 4 з чотирма ядрами ARM Cortex-A15 і п'ятим ядром-компаньйоном Cortex-A7. Слідом за NVIDIA концепцію big.LITTLE підхопила компанія Samsung: «серцем» смартфона Galaxy S4 став чіп Exynos 5 Octa з чотирма ядрами Cortex-A15 і такою ж кількістю енергоефективних ядер Cortex-A7.

Схема однокристальної системи big.LITTLE з процесорними ядрами ARM Cortex-A15 (big) і Cortex-A7 (LITTLE)

подальші перспективи

Мобільні гаджети на базі чіпів Cortex-A15 ще толком не з'явилися в продажу, а основні тенденції подальшого розвитку архітектури ARM вже відомі. Компанія ARM Limited вже офіційно представила наступне сімейство процесорів ARMv8, представники якого в обов'язковому порядку будуть 64-розрядними. Відкривають нову епоху RISC-процесорів ядра Cortex-A53 і Cortex-A57: перше енергоефективне, а друге високопродуктивне, але обидва здатні працювати з великими обсягами оперативної пам'яті.

Виробники споживчої електроніки сімейством процесорів ARMv8 поки особливо не зацікавилися, але на горизонті вималювалися нові ліцензіати, які планують вивести чіпи ARM на серверний ринок: AMD і Calxeda. Ідея новаторська, але цілком має право на життя: ті ж графічні прискорювачі NVIDIA Tesla, що складаються з великого числа простих ядер, на практиці довели свою ефективність як серверних рішень.