Арм архитектура что это
Почему мы используем платформу ARM в промышленном оборудовании
Сегодня почти каждый из нас использует устройства на базе ARM-процессоров — это смартфоны, телевизоры и даже холодильники с кофеварками. Несколько дней назад в прессу просочились слухи, что компания Apple объявит о переходе с платформы X86 на ARM на своих ноутбуках.
Мы в Advantech уже много лет производим устройства на платформе ARM и на это множество причин. В этой статье мы разберем что такое ARM (от англ. Advanced RISC Machine), в чем ее отличие от других архитектур и почему все больше производителей выбирает эту архитектуру.
Наборы инструкций RISC vs CISC
Для начала следует разобраться в чем принципиальное отличие процессоров ARM и X86. Для того, чтобы программисты смогли писать программы, работающие на разных процессорах, производители договорились унифицировать набор машинных инструкций до определенного формата и соблюдать его в разных моделях своих процессоров. Машинные инструкции это низкоуровневые команды, которые отвечают за базовые операции вроде записи/чтения/модификации данных в памяти, арифметику и т.д.
Существует несколько основных концепций, используемых при проектировании процессоров. Наиболее популярные и широко известные всем это RISC и CISC.
CISC (англ. Complex Instruction Set Computing) — этот подход используется для разработки универсальных и мощных процессоров, которые обычно используются в десктопных компьютерах и на серверах. Такие процессоры как Intel CoreiN/Xeon/Pentium, AMD Ryzen/Atlhon/Sempron и прочие хорошие знакомые процессоры имеют набор инструкций типа CISC, оформленную в виде стандарта x86.
Основные особенности концепции CISC:
RISC (англ. reduced instruction set computer) — противоположная концепция проектирования процессоров. В RISC команды максимально упрощены и имеют более строгий формат и фиксированную длину. За счет упрощенных инструкций достигается высокая производительность при малом энергопотреблении. Процессоры RISC требуют от программиста большой контроль над выполнением кода, так как не имеют встроенных микропрограмм, работающих внутри процессора. Архитектура ARM (от англ. Advanced RISC Machine — усовершенствованная RISC-машина) это продолжение идеи архитектуры RISC развиваемое компанией ARM Limited. Сегодня множество компаний производят свои собственные ARM процессоры по лицензии от ARM Limited — например, популярные в смартфонах Qualcomm Snapdragon, Mediatek, Allwiner, Apple An/Hn а также популярные во встраиваемых системах Freescale i.MX, Broadcom, Nvidia Tegra и другие.
Основные особенности концепции RISC:
X86 медленно развивается
Последнее десятилетие существенных инноваций в архитектуре X86 не наблюдается. Да, производители наращивают тактовую частоту и пытаются снижать энергопотребление, но такие процессоры по-прежнему остаются прожорливыми духовками, требующими много энергии и серьезную систему охлаждения. Именно поэтому мы, скорее всего, никогда не увидим смартфонов на X86 процессорах. Производители X86 процессоров пытаются наращивать мощность с помощью масштабирование в ширину: больше ядер, кеша и частот.
Современные X86 процессоры имеют десятки ядер
Попытки Intel создать энергоэффективный X86-процессор Atom были достаточно успешны, но кроме маломощных десктопов, ноутбуков и встраиваемых систем, этот процессор мало для чего подходит.
ARM это экономично и современно
Современные ARM-процессоры развиваются очень быстро. Каждый год выходят чипы существенно лучше своих предшественников. На данный момент средняя производительность ARM чипов все еще остается ниже X86, но в некоторых синтетических тестах они уже почти сравнялись.
Совершенно очевидно, что в будущем наши ноутбуки, и, возможно, десктопные компьютеры, будут работать на ARM-процессорах. Переходов ноутбуков Apple на собственные ARM-процессоры должно дать большой толчок всей индустрии в этом направлении.
Основные достоинства процессоров ARM:
Устройства Advantech на платформе ARM
Advantech давно производит продукты на базе платформы ARM для разных отраслей и задач. От промышленных контроллеров, до сетевого оборудования и компактных компьютеров. Мы уже рассказывали о некоторых наших продуктах на ARM в других статьях.
WISE-710 — IoT-шлюз на базе i.MX6
WISE-710 — универсальное устройство, которое одновременно может быть шлюзом для промышленных интерфейсов, устройством сбора и обработки данных, хабом для IoT устройств и маршрутизатором. Построено на базе SoC i.MX6, процессора на архитектуре ARM Cortex-A7.
ECU-1152 — Шлюз для промышленных интерфейсов на базе ARM Cortex A8
ECU-1152 — шлюз для промышленных интерфейсов а также устройство для связи с объектом и устройства сбора и передачи данных с объекта. Построено на базе процессора ARM процессора с ядром Cortex A8
Миниатюрный ARM-компьютер UNO-1251G
UNO-1251G — крохотных компьютер, умещающийся на DIN-рейку, на базе 32-битного процессора Cortex A8 под управлением Linux или Windows CE. Поддерживает модули расширения Wi-Fi/3G/4G. Имеет встроенную CAN-шину и два интерфейса RS-232. Два порта LAN позволяют подключать его к двум независимым Ethernet сетям или использовать как маршрутизатор.
Компьютеры для машинного обучения на базе Nvidia Jetson
MIC-720AI — построен на базе платформы Jetson TX2, работающей на собственных ядрах Nvidia ARM Cortex-A57 и NVIDIA Denver 2 с полностью пассивным охлаждением. Предназначен для установки в промышленные системы машинного зрения, на производстве и в подвижных объектах. Безвентиляторная конструкция обеспечивает полную бесшумность в работе и позволяет использовать компьютер в пыльных помещениях без необходимости обслуживания. Работает под управлением Linux
Будущее за ARM
Наверняка архитектура X86 с нами еще надолго. Все профессиональные высокопроизводительные вычисления пока делаются на этой платформе. Под X86 написаны основные десктопные операционные системы и прикладные программы. Однако уже сегодня ARM активно вытесняет устаревший X86 даже в сфере больших вычислений. Платформы вроде Nvidia Jetson сравнимы по производительности, а в некоторых задачах и превосходят системы на базе X86. Так что нас обязательно ждет яркое противостояние двух платформ, от которой в конечном счете потребители только выиграют.
Расскажите, как вы используете ARM-процессоры сегодня или как планируете использовать в будущем.
ARM против x86: В чем разница между двумя архитектурами процессоров?
Вы наверняка знаете, что мир процессоров разбит на два лагеря. Если вы смотрите это видео со смартфона, то для вас работает процессор на архитектуре ARM, а если с ноутбука, для вас трудится чип на архитектуре x86.
А теперь еще и Apple объявила, что переводит свои Mac на собственные процессоры Apple Silicon на архитектуре ARM. Мы уже рассказывали, почему так происходит. А сегодня давайте подробно разберемся, в чем принципиальные отличия x86 и ARM. И зачем Apple в это все вписалась?
Итак, большинство мобильных устройств, iPhone и Android’ы работают на ARM’е. Qualcomm, HUAWEI Kirin, Samsung Exynos и Apple A13/A14 Bionic — это все ARM-процессоры.
А вот на компьютере не так — там доминирует x86 под крылом Intel и AMD. Именно поэтому на телефоне мы не можем запустить Word с компьютера.
x86 — так называется по последним цифрам семейства классических процессоров Intel 70-80х годов.
Чем же они отличаются?
Есть два ключевых отличия.
Первое — это набор инструкций, то есть язык который понимает процессор
Второе отличие — это микроархитектура. Что это такое?
От того на каком языке говорят процессоры, зависит и то, как они проектируются. Потому как для выполнения каждой инструкции на процессоре нужно расположить свой логический блок. Соответственно, разные инструкции — разный дизайн процессора. А дизайн — это и есть микроархитектура.
Но как так произошло, что процессоры стали говорить на разных языках?
История CISC
Памятка программиста, 1960-е годы. Цифровой (машинный) код «Минск-22».
Всё началось в 1960-х. Поначалу программисты работали с машинным кодом, то есть реально писали нолики и единички. Это быстро всех достало и появился Assembler. Низкоуровневый язык программирования, который позволял писать простые команды типа сложить, скопировать и прочее. Но программировать на Assembler’е тоже было несладко. Потому как приходилось буквально “за ручку” поэтапно описывать процессору каждое его действие.
Поэтому, если бы вы ужинали с процессором, и попросили передать его вам соль, это выглядело бы так:
Этот подход стал настоящим спасением как для разработчиков, так и для бизнеса. Захотел клиент новую инструкцию — не проблема, были бы деньги — мы сделаем. А деньги у клиентов были.
Недостатки CISC
Но был ли такой подход оптимальным. С точки зрения разработчиков — да. Но вот микроархитектура страдала.
Представьте, вы купили квартиру и теперь вам нужно обставить её мебелью. Площади мало, каждый квадратный метр на счету. И вот представьте, если бы CISC-процессор обставил мебелью вам гостиную, он бы с одной стороны позаботился о комфорте каждого потенциального гостя и выделил бы для него своё персональное место.
С другой стороны, он бы не щадил бюджет. Диван для одного человека, пуф для другого, кушетка для третьего, трон из Игры Престолов для вашей Дейенерис. В этом случае площадь комнаты бы очень быстро закончилась. Чтобы разместить всех вам бы пришлось увеличивать бюджет и расширять зал. Это не рационально. Но самое главное, CISC-архитектура существует очень давно и те инструкции, которые были написаны в 60-х годах сейчас уже вообще не актуальны. Поэтому часть мебели, а точнее исполнительных блоков, просто не будут использоваться. Но многие из них там остаются. Поэтому появился RISC…
Преимущества RISC
С одной стороны писать на Assembler’е под RISC процессоры не очень-то удобно. Если в лоб сравнивать код, написанный под CISC и RISC процессоры, очевидно преимущество первого.
Так выглядит код одной и той же операции для x86 и ARM.
Представьте, что вы проектируете процессор. Расположение блоков на х86 выглядело бы так.
Каждый цветной квадрат — это отдельные команды. Их много и они разные. Как вы поняли, здесь мы уже говорим про микроархитектуру, которая вытекает из набора команд. А вот ARM-процессор скорее выглядит так.
Ему не нужны блоки, созданные для функций, написанных 50 лет назад.
По сути, тут блоки только для самых востребованных команд. Зато таких блоков много. А это значит, что можно одновременно выполнять больше базовых команд. А раритетные не занимают место.
Еще один бонус сокращенного набора RISC: меньше места на чипе занимает блок по декодированию команд. Да, для этого тоже нужно место. Архитектура RISC проще и удобнее, загибайте пальцы:
Поэтому наши смартфоны, которые работают на ARM процессорах с архитектурой RISC, долго живут, не требуют активного охлаждения и такие быстрые.
Лицензирование
Но это все отличия технические. Есть отличия и организационные. Вы не задумывались почему для смартфонов так много производителей процессоров, а в мире ПК на x86 только AMD и Intel? Все просто — ARM это компания которая занимается лицензированием, а не производством.
Даже Apple приложила руку к развитию ARM. Вместе с Acorn Computers и VLSI Technology. Apple присоединился к альянсу из-за их грядущего устройства — Newton. Устройства, главной функцией которого было распознавание текста.
Даже вы можете начать производить свои процессоры, купив лицензию. А вот производить процессоры на x86 не может никто кроме синей и красной компании. А это значит что? Правильно, меньше конкуренции, медленнее развитие. Как же так произошло?
Ну окей. Допустим ARM прекрасно справляется со смартфонами и планшетами, но как насчет компьютеров и серверов, где вся поляна исторически поделена? И зачем Apple вообще ломанулась туда со своим Apple Silicon.
Что сейчас?
Допустим мы решили, что архитектура ARM более эффективная и универсальная. Что теперь? x86 похоронен?
На самом деле, в Intel и AMD не дураки сидят. И сейчас под капотом современные CISC-процессоры очень похожи на RISC. Постепенно разработчики CISC-процессоров все-таки пришли к этому и начали делать гибридные процессоры, но старый хвост так просто нельзя сбросить.
Но уже достаточно давно процессоры Intel и AMD разбивают входные инструкции на более мелкие микро инструкции (micro-ops), которые в дальнейшем — сейчас вы удивитесь — исполняются RISC ядром.
Да-да, ребята! Те самые 4-8 ядер в вашем ПК — это тоже RISC-ядра!
Надеюсь, тут вы окончательно запутались. Но суть в том, что разница между RISC и CISC-дизайнами уже сейчас минимальна.
А что остается важным — так это микроархитектура. То есть то, насколько эффективно все организовано на самом камне.
Ну вы уже наверное знаете, что Современные iPad практически не уступают 15-дюймовым MacBook Pro с процессорами Core i7 и Core i9.
А что с компьютерами?
Недавно компания Ampere представила свой 80-ядерный ARM процессор. По заявлению производителя в тестах процессор Ampere показывает результат на 4% лучше, чем самый быстрый процессор EPYC от AMD и потребляет на 14% меньше энергии.
Компания Ampere лезет в сегменты Cloud и Workstation, и показывает там отличные цифры. Самый быстрый суперкомпьютер в мире сегодня работает на ARM ISA. С обратной стороны, Intel пытается все таки влезть в сегмент low power и для этого выпускает новый интересный процессор на микроархитектуре lakefield.
И Apple та компания, которая способна мотивировать достаточное количество разработчиков пилить под свой ARM. Но суть этого перехода скорее не в противостоянии CISC и RISC. Поскольку оба подхода сближаются, акцент смещается на микроархитектуру, которую делает Apple для своих мобильных устройств. И судя по всему микроархитектура у них крута. И они хотели бы ее использовать в своих компьютерах.
И если бы Intel лицензировал x86 за деньги другим людям, то вероятно Apple просто адаптировали свою текущую микроархитектуру под x86. Но так как они не могут этого сделать, они решили просто перейти на ARM. Проблема для нас с микроархитектурой в том, что она коммерческая тайна. И мы про нее ничего не знаем.
Итоги
Спрос на ARM в итоге вырастет. Для индустрии это не просто важный шаг, а архиважный. Линус Торвальдс говорил, что пока рабочие станции не станут работать на ARM — на рынке серверов будут использовать x86.
И вот это случилось — в перспективе это миллионы долларов, вложенных в серверные решения. Что, конечно, хорошо и для потребителей. Нас ждет светлое будущее и Apple, действительно, совершила революцию!
Редактор материала: Антон Евстратенко. Этот материал помогли подготовить наши зрители Никита Куликов и Григорий Чирков. Спасибо ребята!
ARM как будущая архитектура для настольных ПК
Содержание
Содержание
Большинство привыкло к полярному рынку в мире процессоров — поле битвы делят Intel и AMD. Однако вполне вероятно, что ситуация изменится в ближайшем будущем, ведь компания Nvidia покупает фирму ARM — разработчика процессорных архитектур. Что же такое ARM и чем все это может обернуться для IT-индустрии?
Желудь из Кембриджа
Для начала стоит объяснить, что ARM обозначает одновременно и архитектуру процессоров (в данном случае Advanced RISC Machine) и название компании (ARM Limited). История берет свое начало с сотрудничества бывшего сотрудника крупной британской компании Sinclair Research Криса Карри и инвестора Германа Хаузера. В 1978 они основали компанию Cambridge Processor Unit (CPU), которая уже в 1979 была переименована в Acorn (Желудь). Такое названия было выбрано по одной простой причине — находиться в телефонном справочнике перед Apple.
Первым продуктом был карманный компьютер за 80 фунтов Acorn System 1, который стоил дешевле своего аналога ZX80, чем и запомнился многим пользователям.
Через два года Acorn получила крупный тендер от британской BBC (та самая радиовещательная компания) на создание компьютера для школ. Так появился BBC Micro, тираж которого превысил 1,5 миллионов устройств. Поступало даже предложение от Билла Гейтса с портированием MS-DOS на BBC Micro, но в Acorn от этого отказались.
Команда разработчиков увеличивалась и постепенно появилась идея перейти к более сложным технологиям, а именно работать с 16-разрядными процессорами. Сначала решили «прощупать» почву и отправились на экскурсию в компанию National Semiconductor. Ситуация крайне разочаровала разработчиков Acorn: над процессорами трудились сотни человек, но многочисленных ошибок и «проволочек» в разработке избегать не удавалось.
Совсем другая история была в Western Design Center, которую также посетили учредители. Там процессоры разрабатывали буквально несколько человек в «домашней» обстановке. Ведущий разработчик Acorn Роджер Уилсон был настолько впечатлен, что сам загорелся идеей разработки собственных процессоров, а не покупки как это предполагалось ранее.
В 1985 году появился первый процессор ARM на тогда популярной RISC-архитектуре. Вот только он был всего-лишь подключаемым дополнением для BBC Master (продвинутой версии ранее упомянутой BBC Micro).
Своеобразным прорывом стал ARM 2: до 64 Мб оперативной памяти, тактовая частота 8 МГц — для тех времен весьма впечатляющие показатели. Конкурентом был небезызвестный Intel 80368 с частотой 16 МГц. Разница в частоте была двукратная, но не в производительности. ARM 2 выполнял 4 миллиона операций против 5 миллионов у Intel 80368!
Перенасыщение рынка компьютеров в 1984 привело к сложному экономическому положению, и Acorn была куплена итальянским брендом Olivetti. Однако последующее заполнение рынка IBM PC и аналогами привело к тому, что вкладывать средства в архитектуру на базе RISC итальянцы не стали.
Новые союзники
Герман Хаузер искал способы сохранить процессорный бизнес и нашел союзника — Apple. Они же в 1990 проектировали инновационный карманный компьютер Newton, для которого энергоэффективные ARM подходили просто идеально. Третьим союзником стала компания VLSI Technologies, которая имела непосредственное отношение к производству интегральных схем.
В итоге появилась компания ARM, которая специализировалась исключительно на проектировании. Свою интеллектуальную собственность разработчики уже продавали по лицензиям другим компаниям.
Несмотря на то, что на рынке ПК главенствовала архитектура x86, ARM по-прежнему обеспечивала рабочие станции IBM и Sun Microsystems, а также огромный рынок микроэлектроники.
В чем главная особенность ARM
Во многом именно благодаря Apple после появления первого iPhone и iPad стала понятна значимость RISC-архитектуры. Потребление энергии процессоров было столь низким, что позволяло использовать их практически в любых портативных устройствах. Как не старалась Intel, добиться таких же показателей на х86 не получалось.
Итог — процессоры на ARM можно найти практически в любых портативных устройствах — смартфоны, GPS-навигаторы, игровые приставки, фото- и видеокамеры, телевизоры и не только. Как же так получилось, что принципиального в ARM? Ответом на этот вопрос является RISC-архитектура.
В существующей классификации можно выделить CISC (Complex Instruction Set Computing — комплексный набор инструкций) и RISC (Reduced Instruction Set Computing — сокращенный набор команд). Усовершенствование процессоров приводило к увеличению размера команды. В какой-то момент усложнения стали такими, что некоторые команды потребовали двух и больше тактов на исполнение.
Тогда в рамках проекта VSLI был предложен новый принцип — использовать команды заданной длины с заранее предопределенным расположением полей, а также дополнительно увеличить число общих регистров, благодаря которому процессору придется реже обращаться к ОЗУ. Проще говоря, сложные вычисления должны разбиваться на идентичные простые, обработка которых выполняется с большей эффективностью.
Так появилась RISC с сокращенным набором команд. С одной стороны, такой подход не позволял тягаться с устройствами на базе CISC, но уровень вычислительной мощности был достаточным для микроэлектроники, не говоря о мизерном тепловыделении.
ARM против x86/x64 — есть ли перспективы
Могут ли процессоры ARM тягаться с десктопными решениями от Intel или AMD. В одном из материалов был проведен крупный тест процессоров на архитектуре E2K (отечественные Эльбрусы), ARM (v6-v8) и x86 (i386) х86-64 (amd64). Использовались насколько тестов, в том числе LINPACK, который применяется для оценки производительности суперкомпьютеров.
Процессоры ARM были представлены следующими моделями: Amlogic S922X, Samsung Exynos 4412, Allwinner H5, Allwinner A64 и Broadcom BCM2837B0 (последний используется в миникомпьютере Raspberry PI 3).
Весь список результатов вы сможете изучить на этой странице, а мы приведем график для теста liNPACK:
Некоторые модели ARM-процессоров дотягиваются до уровня производительности Intel Atom. Аналогичную ситуацию можно видеть и на примере мобильного процессора Snapdragon 835. Исходя из тестов, он более чем в два раза проигрывает мобильным версиям Intel Core i5, не говоря уже про десктопные решения.
С другой стороны такие тесты нельзя назвать максимально объективными. Во-первых, большинство подборных программ ориентированы под x86/x64, поэтому для ARM часто приходится использовать эмуляторы, которые сказываются на результатах. Во-вторых, все рассматриваемые решения изначально ориентированы на мобильную электронику с минимальным тепловыделением и «жором» аккумулятора.
Однако можно ли использовать ARM для десктопных решений? Вполне вероятно, и первые звоночки уже есть. Каждые 6 месяцев выходит рейтинг ТОП-500 — список самых мощных суперкомпьютеров в мире. Ранее первые места занимали решения c Intel Xeon или Nvidia Volta, однако в рейтинге от сентября 2020 года самым мощным компьютером стал японский Fugaku. Беспрецедентный случай, ведь построен он именно на процессорах ARM (A64FX 48C). Замеры производительности показали 513,8 петафлопс. Много это или мало? Бывший лидер IBM Power Systems AC922 имеет всего 200,7 петафлопс — более чем в два раза меньше!
Конечно, в Fugaku целых 158 976 процессоров на 52 (48+4) ядра, но сам факт того, что на ARM можно строить столь производительные системы уже заслуживает внимания.
Второй звоночек — покупка ARM компанией Nvidia (подписание договора ожидается только к 2022 году), которая является крупнейшим игроком рынка с огромным опытом. Учитывая, что в сфере графических ускорителей они занимают главенствующие позиции, есть вероятность, что «зеленые» попробуют свои силы в сфере ЦП.
Возможно, Nvidia хочет выйти на мобильный игровой рынок. У компании уже существует платформа Tegra, которая объединяет в себе графическое ядро и ARM процессор. C новой покупкой Tegra вполне способна выйти за пределы смартфонов, смартбуков и КПК.
Также Apple объявила о переходе на процессоры ARM собственной разработки и отказ от продукции Intel. Это позволит сделать совместимыми приложения между MacOS и iOS. Как известно, линейка процессоров «A» всегда показывала выдающиеся результаты, благодаря чему iPhone находились в ТОПе самых производительных смартфонов. Однако достаточно ли таких наработок, чтобы заменить хотя бы Intel Core i5 — остается вопросом.
Сейчас у Apple есть только «демонстрационная технология» на базе процессора A12Z Bionic. Разработчики могут получить «девкит» за 779 долларов, но потом его придется вернуть (Apple во всей красе). Новинка A12Z будет установлена в iPad Pro 2020 и, судя по презентации, планшет прекрасно справляется с любыми пользовательскими задачами.
Более того, на процессоре получилось даже запустить Shadow of the Tomb Raider через эмулятор на средне-низких настройках, поэтому потенциал есть.
Если верить тестам за 2017–2018 гг., то iPad и iPhone уже практически дотягиваются до уровня i7 и даже i9, установленных в MacBook Pro.
Есть еще один игрок на рынке — фирма Ampere. Как заявляют представители, их 80-ядерный ARM-процесор превосходит AMD Epyc 7742 и Intel Xeon 8280, однако в тесте для AMD использовался понижающий коэффициент, который компенсировал недоработки пакета компиляторов.
Что ждет x86/x64
Стоит ли хоронить процессоры на x86/x64 — пока об этом рано говорить. Уже достаточно давно процессоры Intel и AMD разбивают входные инструкции на более мелкие микроинструкции (micro-ops), которые в дальнейшем, не удивляйтесь, исполняются RISC-ядром.
Те самые 4–8 ядер вашего процессора, это именно RISC-ядра. Проще говоря, ARM-технология является частью архитектуры x86/x64. Именно поэтому будущим может стать не тотальное вымирание, а именно более совершенная гибридная архитектура. С другой стороны, за счет уменьшения техпроцесса ARM может добиться производительности десктопных процессоров Intel и AMD, но с сохранением приемлемого энергопотребления.
Серверные решения на ARM уже реальность и даже весьма перспективная, а значит, не за горами и массовые процессоры для персональных компьютеров.