Архитектура ARM против решений Intel

Аналитики компании ABI Research полагают, что процессоры с архитектурой ARM имеют очень хорошие перспективы на рынке портативных устройств. По данным ABI Research, в 2009-м около 90% всех выпущенных ультрапортативных ПК (к ним относятся нетбуки, смартбуки и интернет-планшеты) было построено на основе х86-совместимых чипов, таких как Atom. Однако уже в нынешнем году ситуация кардинальным образом изменится: в гаджетах следующего поколения все чаще будут применяться ARM-процессоры, славящиеся своим небольшим энергопотреблением при высокой эффективности. Ориентировочно к 2013 году, по прогнозам экспертов, доли ARM- и х86-совместимых чипов на рынке мобильных компьютеров сравняются. А в дальнейшем решения с архитектурой ARM начнут все быстрее вытеснять с рынка привычные нам процессоры х86.

Также в текущем году, как ожидается, должен стартовать переход портативных устройств и ультрамобильных компьютеров на многоядерные процессоры. Речь, в частности, идет о чипе ARM Cortex-A5 с 1-4 ядрами: он найдет применение в смартфонах, компактных ПК, встраиваемых устройствах, бытовой электронике. К 2013 году, согласно прогнозам аналитиков, около 88% всех гаджетов, мини-ноутбуков и карманных электронных помощников будут комплектоваться многоядерными чипами.

Что такое ARM

Прежде всего ARM – это успешная IT-компания. ARM Ltd. (сокращение от Advanced RISC Machines) – британская корпорация, один из крупнейших разработчиков и лицензиаров архитектуры 32-разрядных RISC-процессоров (ARM), ориентированных на использование в портативных устройствах. Что важно, сама ARM не производит микропроцессоры, а только занимается разработками и лицензирует собственную технологию третьим фирмам, таким как Atmel, Cirrus Logic, Intel, Marvell, NXP, Samsung, Qualcomm, Sony Ericsson, Texas Instruments, Broadcom, которые, собственно, и занимаются промышленным производством чипов. ARM утверждает, что общий объем микропроцессоров, произведенных по их лицензии, превышает 2,5 миллиарда штук. В настоящее время известны несколько семейств микропроцессоров ARM – ARM7 (с тактовой частотой до 60-72 МГц, предназначенные, например, для недорогих мобильных телефонов), ARM9 (с частотами порядка 200 МГц для продвинутых телефонов и карманных компьютеров) и ARM9E. Новейшими семействами являются Cortex и ARM11 с тактовой частотой до 1 ГГц и расширенными возможностями для цифровой обработки сигналов.

Популярное семейство микропроцессоров xScale фирмы Marvell (до 27 июня 2007 года это был проект Intel), в действительности является расширением архитектуры ARM9, дополненной набором инструкций Wireless MMX, специально разработанных корпорацией Intel для поддержки мультимедийных приложений.

Архитектура ARM – 32-битная микропроцессорная архитектура с сокращенным набором команд (RISC), разрабатываемая компанией ARM Limited. На сегодняшний день семейство ARM, по подсчетам, достигает 82% от всех встраиваемых 32-битных RISC-процессоров, что делает его одной из самых широко распространенных 32-битных архитектур. Процессоры ARM нашли себе место во множестве электронных устройств – PDA, сотовых телефонах, медиаплеерах, карманных игровых устройствах, калькуляторах, компьютерной периферии, сетевом оборудовании и т.д.

История появления компании и архитектуры ARM весьма показательна. Некогда существовала британская фирма Acorn Computers, которая в 1981 году выпустила удачный домашний ПК BBC Micro. Он производился до 1994 года, но сегодня незаслуженно позабыт. Но после успеха с выпуском компьютеров BBC Micro, Acorn Computers решила заменить использовавшийся в BBC Micro процессор MOS Technology 6502 более совершенным. Прежний процессор был недостаточно мощным для работы с графическим интерфейсом. Но другие процессоры, такие как Motorola 68000 и National Semiconductor 32016, также не подходили для этой задачи.

Тогда в Acorn всерьез задумались о создании своего собственного процессора. Инженеров компании заинтересовал проект Berkeley RISC. По их мнению, аспирантам калифорнийского университета Беркли было вполне по силам создать новый 32-битный процессор, который решил бы проблемы Acorn. Два инженера Acorn – Стив Фарбер и Софи Уилсон – приступили к работе. Программа эмуляции процессора была написана на BBC Basic и могла выполняться на BBC Micro с процессором 6502. Все работало прекрасно, доказывая, что разработчики на верном пути. Вскоре к проекту присоединился другой инженер компании Acorn – Герман Хаузер. И тогда эта небольшая группа разработчиков приступила к воплощению «в кремнии» архитектуры, задуманной Софи Уилсон.

Первый ARM-пpоцессоp (ARM pасшифpовывался как Advanced RISC Machine) был спpоектиpован и изготовлен Acorn Computer Group в сеpедине 1980-х. В 1990 Acorn Computers вместе с Apple Computer создали новую компанию под название Advaced RISC Machines Ltd.

Особенности архитектуры ARM

Для встроенных приложений требуется постоянно возрастающая производительность, и развитие архитектуры ARM происходило под влиянием ключевых новых технологий, обеспечивающих дополнительную эффективность. Разработчики компании использовали весь спектр методов, применяемых в области компьютерных архитектур для использования параллелизма. Методы повышения производительности, используемые в ARM, включают переменное время выполнения команд, параллелизм на уровне подслов, операции в стиле процессоров цифровой обработки сигналов (DSP), параллелизм уровня потоков, обработку исключительных ситуаций и многопроцессную обработку. История эволюции архитектуры ARM показывает, что в разные периоды времени в процессорах использовались разные типы параллелизма. Кульминацией этого процесса стал мультипроцессор ARM11 MPCore. Вариант RISC-организации процессора ARM во многих отношениях отличается от традиционного подхода, в котором высокая производительность достигалась за счет относительно большого набора регистров, сокращенного числа классов инструкций, архитектуры «load-store» и простого конвейера. Частично это связано с тем, что процессор ARM является встраиваемым процессором, специально разработанным для размещения внутри устройств категории SoC.

Переменное время выполнения некоторых команд объясняется тем, что для повышения эффективности команды ARM могут загружать и записывать в память несколько регистров сразу. Так что время выполнения этих команд зависит от заданного числа регистров. Такие команды особенно полезны для сохранения и восстановления контекста в прологе и эпилоге процедур. Это повышает плотность кода, сокращает число выбираемых из памяти команд и сокращает энергопотребление.

Операционные системы, которые работают на ARM: Linux, BSD, Plan 9, Inferno, OpenSolaris, FreeRTOS, Nucleus, Symbian OS, Windows CE, Android, QNX, Maemo, IPhone OS.

ARM vs. Intel: кому покорятся нетбуки?

История успеха ARM – хороший пример удачной бизнес-модели, которую может повторить стартап практически в любой стране мира. Небольшая частная компания-разработчик, появившаяся не в Америке, сделала ставку на продвижение высокотехнологичного встраиваемого продукта, которому удалось заявить о себе благодаря высочайшему техническому качеству. Отказавшись от дорогого потребительского маркетинга и оставаясь неизвестной конечному пользователю, ARM смогла создать собственный мировой стандарт и занять ключевую позицию на рынке.

Intel сегодня воспринимает ARM как своего конкурента №1 в борьбе за рынок процессоров для сотовых телефонов и других, более сложных гаджетов, справедливо полагая, что доминирование архитектуры ARM – главная конкурентная угроза архитектуре Intel. Именно поэтому Intel форсировала разработку собственной платформы для мобильных интернет-устройств – «Mobile Internet Devices» (MIDs).

Однако к концу 2013 года большая часть рынка ультрапортативных ПК, включая нетбуки и смартбуки, будет принадлежать процессорам с ARM- архитектурой. Это произойдет из-за желания пользователей всегда и везде быть подключенным к Глобальной сети. Такой прогноз делают исследователи компании ABI Research.

Действительно, корпорации Intel было суждено стать первопроходцем на стремительно выросшем рынке нетбуков. В 90% из проданных в 2009 году 30 млн нетбуков были установлены процессоры Intel Atom, базирующиеся на архитектуре Intel x86. Не знающая приемлемых альтернатив, уже в нынешнем году эта архитектура впервые столкнется с серьезным конкурентом, которой впоследствии проиграет львиную долю рынка. Конечно, и в 2010-м основная часть проданных нетбуков, смартбуков и прочих ультрамобильных ПК будет по-прежнему базироваться на процессорах архитектуры x86. Однако их доля к концу года уменьшится примерно до 75%. Оставшуюся четверть рынка будут занимать чипы с архитектурой ARM. К концу 2013-го, по прогнозу аналитиков ABI Research, данная архитектура будет занимать уже 60% рынка ультрапортативных компьютеров, включая нетбуки и смартбуки, тогда как оставшаяся доля в размере 40% все еще будет принадлежать архитектуре Intel – скорее всего, очередным поколениям семейства Atom.

Эксперты полагают, что повышение спроса на решения с ARM-процессорами станет следствием возрастающего желания пользователей быть подключенными к Интернету 24 часа в сутки. А в этом плане процессоры на базе ARM не имеют себе равных. Кроме того, такой процессор позволяет сконструировать нетбук, который будет загружаться в считанные секунды. Ожидается, что первый «гуглобук» (нетбук с операционной системой Google Chrome OS), который будет выведен на рынок в конце нынешнего года, будет оснащен именно таким чипом.

Принимая вызов от ARM, Intel обещает улучшить показатели энергопотребления в будущих процессорах Atom, выпускаемых по 32-нм технологии. Однако подходящие решения ARM для ультрапортативных вычислительных систем существуют уже сейчас. В октябре 2009 года компания представила многоядерный процессор ARM Cortex-A5 MPCore, предназначенный, в том числе, для смартфонов и смартбуков. Лицензии на производство нового процессора получили более десяти производителей чипов.

Впрочем, в корпорации Intel не считают, что процессоры на архитектуре ARM представляют угрозу для ее рыночной доли (по крайней мере, такова официальная позиция руководства микропроцессорного гиганта). В корпорации не считают решения ARM достаточно мощными для того, чтобы запускать настольные операционные системы. Впрочем, такой комментарий Intel звучит не совсем логично, так как пользователям ультрамобильных ПК в большинстве случаев не требуется «полновесное» программное обеспечение – их работа ограничивается выходом в Интернет, редактированием документов, прослушиванием музыки и другими несложными задачами, с которыми превосходно справляются ARM-решения. Согласитесь, вряд ли кому-то придет в голову играть в современные компьютерные игры на нетбуке.

Но, как считают независимые аналитики, в конечном счете успех ARM будет сильно зависеть от рекламы и PR, способа подачи новых решений конечным потребителям. Несмотря на наличие целого ряда готовых решений, ведущие ПК-производители не торопятся выпускать смартбуки и нетбуки на базе ARM- процессоров. Ранее в одном из интервью глава правления Asustek Джонни Ши признался, что его компания не уверена в том, что такие решения будут пользоваться достаточным спросом среди потребителей, большинству из которых присущ консерватизм при выборе новых продуктов.

Между тем, первый смартбук уже анонсирован – им стал Lenovo Skylight. Платформой новинки является чипсет Qualcomm Snapdragon на базе ARM-ядра. Смартбук поддерживает Wi-Fi, 3G, видео высокой четкости и при весе 900 г обеспечивает до 10 часов автономной работы. В апреле компьютер появится в продаже в США, а на протяжении года – в Китае и Европе. Минимальная стоимость модели составит $499.

Но настоящий прорыв в ARM-сегменте рынка нетбуков может сделать совершенно новый игрок – компания Nokia. Напомню, что этот финский производитель в августе 2009-го представил свой первый нетбук Booklet 3G, оснащенный процессором Intel Atom. Эту модель выпускает тайваньская компания Compal, в розничной продаже он появится к началу весны 2010-го. Мини-ноутбук от Nokia будет работать под управлением ОС Windows 7.

Однако второй нетбук от Nokia уже никак не будет связан с брендом Intel. По сообщениям отраслевых информагентств, в ближайшее время компания разместит заказы на разработку и производство нетбуков на платформе ARM. Среди возможных производителей ARM-нетбуков для Nokia называются Compal и Foxconn.

Тут самое время вспомнить, что корпорация Microsoft официально отказалась выпускать версию Windows 7 для архитектуры ARM, объясняя это недостаточной производительностью платформы. Распространение смартбуков также может сдержать тот факт, что большинство программ написаны для архитектуры x86. То есть на платформе ARM они работать не будут. Однако находящаяся пока в стадии разработки Google Chrome OS поддерживает как архитектуру ARM, так и платформу x86. Так что вполне вероятно, что Nokia готовится сделать ставку на сотрудничество с Google.

Денис Лавникевич


Компьютерная газета. Статья была опубликована в номере 04 за 2010 год в рубрике hard

©1997-2022 Компьютерная газета