Процессоры ARM: альтернативное будущее

Чипы архитектуры ARM используются повсеместно: от кофеварок до телевизоров, а в автомобиле их может быть и несколько. Но смогут ли они вернуться в корпуса обычных ПК?

Первые компании, занимающиеся поставками микросхем, разрабатывали и самостоятельно производили чипы. Intel всё ещё следует этой модели и выпускает процессоры на собственных фабриках. AMD первоначально также владела производственными мощностями, однако со временем избавилась от них и стала заниматься исключительно разработкой, размещая заказы на выпуск чипов на заводах контрактных производителей.

ARM Holdings за всё время своего существования не произвела ни одной микросхемы. Более того, эта компания даже не занимается продвижением продукции под своей маркой. Вместо этого она продаёт (лицензирует) интеллектуальную собственность, которая позволяет другим фирмам разрабатывать и производить чипы на основе архитектуры ARM.

Эти чипы могут быть как микропроцессорами в полном смысле этого слова, так и сложными "системами на чипе", представляющими собой аппаратную основу мобильных телефонов, планшетов или других устройств. Такие системы могут включать в себя самые разнообразные модули: графические ускорители, интерфейсы, блоки беспроводной связи и т.д.

Что же получает фирма, приобретая лицензию на выпуск чипа с вычислительными ядрами на архитектуре ARM? Первоначально в распоряжение покупателя поступала вся документация на так называемые топологические блоки, в которой подробно описывалась конструкция интегральной микросхемы. Со временем количество используемых в чипах транзисторов намного увеличилось, а число возможных технологических процессов выросло настолько, что такой подход потерял всякий смысл.

В настоящее время конструкция предоставляется в виде описания цепей, на основе которых лицензиат самостоятельно разрабатывает физический дизайн микросхемы под собственный техпроцесс. Такое описание представляет собой текстуальный рассказ о том, как различные блоки соединяются друг с другом. При этом используется специальный язык RTL (register transfer-level - "на уровне перемещения между регистрами"), который характеризует конструкцию не на уровне транзисторов, а описывает то, как потоки данных должны перемещаться между регистрами.

Разумеется, такая схема подходит не всем, и ARM иногда предоставляет партнёрам готовые топологические блоки, что позволяет оптимизировать конструкцию под конкретные задачи и ускорить вывод готовой системы на рынок. К примеру, так продаются лицензии на процессор Osprey (двуядерный Cortex-A9), и всё, что остаётся сделать производителю, - это изготовить литографические маски для тиражирования микросхем.

Системы на кристалле

Обычно мы представляем себе процессор в виде главной микросхемы на системной плате, а ядра, которых может быть несколько, - как его составные части, непосредственно отвечающие за исполнение инструкций.

В мире ARM термины "процессор" и "ядро" имеют несколько иное значение. Процессором называется конструкция, состоящая из одного или нескольких ядер, кэш-памяти, системной шины и прочих элементов, которую производитель может немедленно превратить в микросхему. Так, процессоры ARM Cortex-A9 в настоящее время выпускают несколько компаний, среди которых NEC, Texas Instruments и Toshiba.

Ядро - это центральный элемент микропроцессора, который производитель может использовать для создания микросхем собственной конструкции. Такая "система на чипе" (SoC) может представлять собой гораздо более сложное изделие, чем процессор, и отвечать за большую часть функциональности того или иного устройства в целом. Подобные микросхемы позволяют свести к минимуму число компонентов для сборки конечного продукта, уменьшить габариты печатной платы и снизить себестоимость, что особенно важно для крупносерийного производства.

Типичный пример современной "системы на чипе" - микросхема Samsung Exynos 4210, предназначенная для сборки смартфонов, планшетов и нетбуков. В состав этого чипа входят два ядра ARM Cortex-A9, работающие на частоте 1,2 ГГц, графический 3D-ускоритель, кодек видео высокой чёткости 1080p, звуковой адаптер, флэш-память, интерфейсы для подключения экрана, камеры и клавиатуры, шины USB, PCI Express, SATA. Кроме того, предусмотрена возможность работы с различными чипами беспроводной связи 3G/4G, HSPA+, Wi-Fi и GPS. Иными словами, в одной такой микросхеме умещается практически всё, что представлено отдельными модулями на материнской плате обычного настольного ПК.

Всем известно, что процессоры ARM и "системы на кристалле" на базе архитектуры ARM используются в смартфонах, планшетах, нетбуках и других портативных устройствах, но это лишь вершина айсберга.

Гуляя по любому современному торговому центру, вы проходите мимо огромного количества процессоров ARM, даже не подозревая об этом. Такие чипы установлены в самой разнообразной электронике: в телевизионных и игровых приставках, медиаплеерах и интернет-радиоприёмниках, телевизорах и музыкальных центрах, проигрывателях DVD и Blu-ray, приёмниках GPS и электронных книгах, цифровых фото- и видеокамерах и в домашних медиацентрах. Процессоры ARM используются в разнообразном медицинском оборудовании - от сканеров до систем удалённого мониторинга.

Микросхемы ARM применяются в качестве "мозга" жёстких дисков и твёрдотельных накопителей, принтеров и маршрутизаторов, точек доступа и беспроводных клавиатур. Более дешёвые и простые чипы на ядрах ARM можно обнаружить в кофеварках, беспроводных телефонах и даже в игрушках. Если у вас более-менее современный автомобиль, то в нём наверняка найдётся несколько устройств с микросхемами ARM - это и информационно-навигационные системы, и модули управления подушками безопасности, и блоки управления двигателем.

Заслуживает отдельного упоминания проект Mont-Blanc, объединивший европейских разработчиков аппаратного и программного обеспечения в работе над гибридным суперкомпьютером на базе чипов ARM NVIDIA Tegra. Цель проекта - создать на площадке Барселонского супервычислительного центра машину, не уступающую по производительности лучшим современным суперкомпьютерам, но чтобы при этом она потребляла в 15-30 раз меньше электроэнергии. К 2014 году планируется добиться примерно десятикратной энергоэффективности по сравнению с машинами на чипах x64 при сопоставимой производительности.

Будущее ARM

Архитектура ARM зародилась в чипах для настольных персональных компьютеров, затем в течение двух десятилетий она пряталась в микросхемах для бытовой техники и промышленного оборудования, а сегодня снова вышла на компьютерный рынок в планшетах и нетбуках. Но смогут ли процессоры ARM вернуться в корпуса обычных ПК и потеснить чипы CISС?

Скорее всего, нет, но рынок стремительно движется к отказу от десктопов в сторону всё более мобильных устройств - ноутбуков, нетбуков, планшетов. Для такой техники, рассчитанной на работу от аккумуляторов, критически важным становится низкое энергопотребление, а именно это - одна из самых сильных сторон архитектуры ARM. Кроме того, "системы на кристалле" позволяют сделать максимально компактный аппарат, что не менее важно для мобильного гаджета.

К ограничениям современных процессоров ARM часто относят их тридцатидвухразрядную архитектуру, ограничивающую объём адресуемой памяти, однако уже в ближайшем будущем ожидается появление нового поколения шестидесятичетырёхбитных чипов ARMv8, которые смогут найти применение там, где требуется работа с большими объёмами данных, например в серверах. Новые процессоры особенно хорошо подходят для серверов, размещаемых в дата-центрах, одними из ключевых требований к которым являются энергоэффективность и коэффициент производительности MIPS на единицу занимаемой площади.

В частности, компания HP работает над проектом Redstone Server Development Platform, в рамках которого разработано серверное шасси высотой 4U. В это шасси могут загружаться 72 платы, на каждой из которых установлено по четыре процессора Calxeda EnergyCore на базе ARM Cortex-A9 c тактовой частотой 1,3 ГГц, 4 Гбайта ОЗУ и 4 Мбайта кэша второго уровня.

Цель другого проекта HP под названием Moonshot - создание максимально энергоэффективных серверов, способных потреблять на 89 процентов меньше энергии и занимать на 94 процента меньше места по сравнению с серверами классической конструкции. Основным элементом этого проекта является север Redstone на процессорах ARM.

Наконец, ARM постепенно закрепляется на рынке мобильных графических ускорителей, которые, как и "обычные" вычислительные процессоры, могут похвастаться исключительной производительностью при выдающейся энергоэффективности. Среди таких новинок стоит отметить чип Mali-T658, рассчитанный на работу совместно с ARM Cortex-A15 и Cortex-A7, а также с ядрами следующего поколения ARMv8. Как утверждают разработчики, новинка в десятки раз быстрее ускорителя Mali 400 MP, который встроен, например, в "систему на чипе" Samsung Exynos. Чистая производительность T658 достигает 256 Гфлопс (миллиардов операций с плавающей запятой в секунду), что сравнимо с мощностью PlayStation 3.

На этом рассказ о мощных и экономичных процессорах ARM, которых продаётся в мире намного больше, чем ЦП Intel и AMD вместе взятых, пока что заканчивается. Но это только пока.

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