Арм процессоры 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.
Процессоры x86 и ARM — в чём разница?
Правда ли, что процессор в вашем мобильнике мощнее, чем в вашем компьютере?
Раньше было так: есть мощные процессоры для настольных компьютеров, ноутбуков и серверов, а есть слабые процессоры для мобильных устройств — телефонов и планшетов.
Теперь ситуация меняется: мобильные процессоры постепенно обгоняют настольные, а настольные начинают заимствовать технологии из мобильных.
RISC — простые команды, много кода
На заре процессоров у программистов не было языков высокого уровня, например JavaScript или Python. Все команды писались машинным кодом или на ассемблерах. Программист в то время работал с процессором напрямую, и каждая команда в коде обозначала какую-то инструкцию для процессора.
Например, типичная программа того времени по умножению одного числа на другое могла выглядеть для процессора так:
В итоге получалась большая программа, которую было довольно сложно прочитать.
Такую технологию назвали RISC — Reduced-instruction-set Computing, компьютер с ограниченным набором команд.
Некоторое время спустя технологию RISC усовершенствовали двумя разными способами — так появились архитектуры x86 и ARM. Первые ориентировались на мощные компьютеры, вторые — на небольшие устройства с пониженным энергопотреблением.
x86 — это сложный RISC
С развитием компьютеров программисты захотели писать более сложные программы. Но чем сложнее программа, тем больше кода приходилось писать.
Тогда компания Intel выпустила процессор 8086, который поддерживал много новых команд. Они упрощали написание кода, частично закрывая разрыв между машинным кодом и высокоуровневым языком программирования.
Возьмём тот же пример кода для перемножения двух чисел. Для процессора 8086 код выглядел так:
«Перемножь числа» — это новая сложная команда, доступная в этом процессоре. Когда процессор встречает её в коде, он выполняет много других инструкций, похожих на те, которые мы писали в начале, и получает тот же результат.
Такая технология называется CISC — complex instruction set computer, вычислительная машина со сложным набором команд.
✅ С одной стороны, программистам теперь проще писать код: вместо тридцати инструкций можно написать три, а результат будет таким же. Чем больше новых сложных команд поддерживает процессор, тем быстрее идёт разработка.
❌ С другой — процессору теперь нужно тратить некоторое время на перевод сложных команд в простые. Когда он получает от программиста команду «Перемножь эти два числа», то превращает её в те самые тридцать строк кода и выполняет каждую команду.
После процессора 8086 вышли процессоры 80286 и 80386. Они получились настолько удачными для того времени, что с тех пор Intel маркировку всех своих основных процессоров заканчивала на «86», а технология и набор команд получили название «x86».
ARM — это продвинутый RISC
По другому пути пошла компания ARM, название которой расшифровывается как «Улучшенные RISC-машины». Подход был такой: зачем нужно много сложных команды для процессора, если можно по максимуму использовать простейшие команды и сосредоточиться на эффективности работы?
В итоге ARM усовершенствовали RISC-архитектуру, сделали команды проще и сосредоточились на эффективности.
В те времена ARM-процессоры работали не так быстро, как процессоры семейства x86, зато они потребляли гораздо меньше энергии. Со временем это позволило использовать ARM-процессоры в мобильных телефонах.
Получается, процессоры отличаются тем, что x86 это CISC, а ARM — это RISC?
Большинство думает именно так, и в каком-то смысле это похоже на правду. Но это не совсем точно.
Современные x86-процессоры на 80% состоят из RISC-модулей, которые обрабатывают RISC-команды. Каждая сложная CISC-команда специальным декодером разбивается на много простых команд, которые и выполняют эти модули.
Получается, что в основе любого современного процессора всё равно лежит RISC-архитектура, сверху которой для каждого устройства наслаиваются свои дополнительные команды.
В чём успех ARM
Чтобы сделать процессор с x86-архитектурой, компании нужно самой придумать и нарисовать все транзисторы и соединения между ними. Это сложный и дорогой процесс, который не могут себе позволить маленькие компании. Из крупных производителей x86-процессоров остались только Intel и AMD.
В ARM сделали иначе — они продают лицензии на производство процессоров по своей архитектуре всем желающим. Получается, что любая компания может купить лицензию и делать свои ARM-процессоры. При этом компания может как угодно улучшать свои процессоры — изменять компоновку, добавлять новые модули и так далее.
Именно доступность лицензии и конкуренция привели к быстрому развитию ARM-процессоров, а не RISC-архитектура или наборы команд.
Сейчас на ARM свои процессоры выпускают Samsung, Nvidia, Qualcomm, Atmel, Huawei и многие другие. Если вы производитель смартфонов, вы можете разработать свой собственный процессор на ARM, а можете купить готовый у любой другой компании. Это создаёт конкуренцию на рынке, гонку технологий и всеобщий прогресс.
Главное — внутреннее устройство процессора
Современные процессоры состоят из множества отдельных модулей, каждый из которых делает что-то своё, например:
От того, как производитель реализует компоновку и соединение модулей, зависит быстродействие процессора и его применимость в разных областях. А из-за того, что ARM-архитектура основана на простых командах, в ней проще соединять такие модули между собой. Получается, что сила ARM — в простоте и гибкости.
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.