Процессоры ARM: особенности архитектуры, отличия, перспективы и модельный ряд.

Первые чипы ARM появились еще три десятилетия назад благодаря стараниям британской компании Acorn Computers (ныне ARM Limited), но долгое время пребывали в тени своих более именитых собратьев – процессоров архитектуры х86. Все перевернулось с ног на голову с переходом IT-индустрии в пост-компьютерную эпоху, когда балом стали править уже не ПК, а мобильные гаджеты.

Особенности архитектуры ARM

Особенностью чипов для мобильных компьютеров является способность работать на одном заряде аккумулятора с малым нагревом корпуса. Не всегда это получается, бывает, что мобильный процессор показывает хорошую производительность, но при этом он сильно перегревается или быстро разряжает аккумулятор. Так что высокое место в рейтинге не всегда говорит о преимуществе чипа над другими

В процессорной архитектуре x86, которую сейчас используют компании Intel и AMD, применяется набор команд CISC (Complex Instruction Set Computer), хоть и не в чистом виде. Так, большое количество сложных по своей структуре команд, что долгое время было отличительной чертой CISC, сначала декодируются в простые, и только затем обрабатываются. Понятное дело, на всю эту цепочку действий уходит немало энергии.

Рисунок 1. Чип ARM1 – первенец компании Acorn Computers, который производился на фабриках VLSI

В качестве энергоэффективной альтернативы выступают чипы архитектуры ARM с набором команд RISC (Reduced Instruction Set Computer). Его преимущество в изначально небольшом наборе простых команд, которые обрабатываются с минимальными затратами. Как результат, сейчас на рынке потребительской электроники мирно (на самом деле, не очень мирно) уживаются две процессорные архитектуры – х86 и ARM, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки.

Рисунок 2. Первым в истории устройством на базе процессора архитектуры ARM был персональный компьютер BBC Micro

Архитектура х86 позиционируется как более универсальная с точки зрения посильных ей задач, включая даже столь ресурсоемкие, как редактирование фотографий, музыки и видео, а также шифрование и сжатие данных. В свою очередь архитектура ARM «выезжает» за счет крайне низкого энергопотребления и в целом-то достаточной производительности для важнейших на сегодня целей: прорисовки веб-страниц и воспроизведения медиaконтента.

Рисунок 3. Архитектурные отличия процессоров x86 (набор команд CISC) и ARM (набор команд RISC)

На осень 2016 года используются в смартфонах и планшетах такие вычислительные ядра Cortex:

· Cortex-A72

· Cortex-A57

· Cortex-A53

· Cortex-A17

· Cortex-A15

Количество вычислительных ядер и потоков

Последние годы все мобильные процессоры строятся по многоядерной архитектуре. На сегодня есть процессоры, которые имеют в своем составе 10 вычислительных ядер. Но не всегда большее количество ядер является явным преимуществом. Большее количество ядер может увеличить количество вычислительных потоков (одновременно выполняемых задач).

Рисунок 4. Пример расположения ядер в процессорах ARM.

Для получения максимальной производительности от реализации многоядерной архитектуры, программные приложения должны быть оптимизированы под работу с несколькими вычислительными ядрами. А это не всегда сделано, поэтому выше и говорилось, что большее количество ядер не всегда есть преимущество. Например, процессоры от Apple имеют 2-3 ядра, а по производительности одни из лучших и это благодаря оптимизации программного обеспечения и использованию комплектующих, специально сделанных для работы с этим чипом.

Однокристальная система

С технической точки зрения называть чипы архитектуры ARM процессорами не совсем верно, ведь помимо одного или нескольких вычислительных ядер они включают целый ряд сопутствующих компонентов. Более уместными в данном случае являются термины однокристальная система и система-на-чипе (от англ. system on a chip).

Так, новейшие однокристальные системы для смартфонов и планшетных компьютеров включают контроллер оперативной памяти, графический ускоритель, видеодекодер, аудиокодек и опционально модули беспроводной связи. Узкоспециализированные чипы могут включать дополнительные контроллеры для взаимодействия с периферийными устройствами, например датчиками.

Рисунок 5. Схема строения однокристальной системы с четырьмя ядрами ARM Cortex-A9

Отдельные компоненты однокристальной системы могут быть разработаны как непосредственно ARM Limited, так и сторонними компаниями. Ярким тому примером являются графические ускорители, разработкой которых помимо ARM Limited (графика Mali) занимаются Qualcomm (графика Adreno) и NVIDIA (графика GeForce ULP).

Не стоит забывать и про компанию Imagination Technologies, которая ничем другим, кроме проектирования графических ускорителей PowerVR, вообще не занимается. А ведь именно ей принадлежит чуть ли не половина глобального рынка мобильной графики: гаджеты Apple и Amazon, планшетники Samsung Galaxy Tab 2, а также недорогие смартфоны на базе процессоров MTK.

Устаревшие поколения чипов

Морально устаревшими, но все еще широко распространенными процессорными архитектурами являются ARM9 и ARM11, которые принадлежат к семействам ARMv5 и ARMv6 соответственно.

ARM9. Чипы ARM9 могут достигать тактовой частоты 400 МГц и, скорее всего, именно они установлены внутри вашего беспроводного маршрутизатора и старенького, но все еще надежно работающего мобильного телефона вроде Sony Ericsson K750i и Nokia 6300. Критически важным для чипов ARM9 является набор инструкций Jazelle, который позволяет комфортно работать с Java-приложениями (Opera Mini, Jimm, Foliant и др.).

ARM11. Процессоры ARM11 могут похвастаться расширенным по сравнению с ARM9 набором инструкций и куда более высокой тактовой частотой (вплоть до 1 ГГц), хотя для современных задач их мощности тоже не достаточно. Тем не менее, благодаря невысокому энергопотреблению и, что не менее важно, себестоимости, чипы ARM11 до сих пор применяются в смартфонах начального уровня: Samsung Galaxy Pocket и Nokia 500.

Рисунок 6. Пример использования процессора Broadcom Thunderbird в мобильных устройствах

Чип Broadcom Thunderbird – один из немногочисленных представителей поколения ARM11, который до сих пор применяется в Android-смартфонах

Современные поколения чипов

Все более-менее новые чипы архитектуры ARM принадлежат к семейству ARMv7, флагманские представители которого уже достигли отметки в восемь ядер и тактовой частоты свыше 2 ГГц. Разработанные непосредственно ARM Limited процессорные ядра принадлежат к линейке Cortex и большинство производителей однокристальных систем используют их без существенных изменений. Лишь компании Qualcomm и Apple создали собственные модификации на основе ARMv7 – первая назвала свои творения Scorpion и Krait, а вторая – Swift.

Рисунок 7. Чип Apple A6 (ядро Swift).

ARM Cortex-A8. Исторически первым процессорным ядром семейства ARMv7 было Cortex-A8, которое легло в основу таких известных SoC своего времени как Apple A4 (iPhone 4 и iPad) и Samsung Hummingbird (Samsung Galaxy S и Galaxy Tab). Оно демонстрирует примерно вдвое более высокую производительность по сравнению с предшествующим ARM11. К тому же, ядро Cortex-A8 получило сопроцессор NEON для обработки видео высокого разрешения и поддержку плагина Adobe Flash.

Правда, все это негативно сказалось на энергопотреблении Cortex-A8, которое значительно выше чем у ARM11. Несмотря на то, что чипы ARM Cortex-A8 до сих пор применяются в бюджетных планшетниках (однокристальная система Allwiner Boxchip A10), их дни пребывания на рынке, по всей видимости, сочтены.

Рисунок 8. Однокристальная система TI OMAP 3

Однокристальная система TI OMAP 3 – представитель некогда популярного, но сейчас уже угасающего поколения ARM Cortex-A8

ARM Cortex-A9. Вслед за Cortex-A8 компания ARM Limited представила новое поколение чипов – Cortex-A9, которое сейчас является самым распространенным и занимает среднюю ценовую нишу. Производительность ядер Cortex-A9 выросла примерно втрое по сравнению с Cortex-A8, да еще и появилась возможность объединять их по два или даже четыре на одном чипе.

Сопроцессор NEON стал уже необязательным: компания NVIDIA в своей однокристальной системе Tegra 2 его упразднила, решив освободить побольше места для графического ускорителя. Правда, ничего хорошего из этого не вышло, ведь большинство приложений-видеопроигрывателей все равно ориентировались на проверенный временем NEON.

Рисунок 9. Чипы NVIDIA Tegra 2.

Почти все флагманские планшетные компьютеры образца 2011 года были построены на базе чипа NVIDIA Tegra 2

Именно во времена «царствования» Cortex-A9 появились первые реализации предложенной ARM Limited концепции big.LITTLE, согласно которой однокристальные системы должны иметь одновременно мощные и слабые, но энергоэффективные процессорные ядра. Первой реализацией концепции big.LITTLE стала система-на-чипе NVIDIA Tegra 3 с четырьмя ядрами Cortex-A9 (до 1,7 ГГц) и пятым энергоэффективным ядром-компаньоном (500 МГц) для выполнения простеньких фоновых задач.

ARM Cortex-A5 и Cortex-A7. При проектировании процессорных ядер Cortex-A5 и Cortex-A7 компания ARM Limited преследовала одно и ту же цель – добиться компромисса между минимальным энергопотреблением ARM11 и приемлемым быстродействием Cortex-A8. Не забыли и про возможность объединения ядер по два-четыре – многоядерные чипы Cortex-A5 и Cortex-A7 мало-помалу появляются в продаже (Qualcomm MSM8625 и MTK 6589).

Рисунок 10. Схема строения однокристальной системы c четырьмя ядрами ARM Cortex-A5

ARM Cortex-A15. Процессорные ядра Cortex-A15 стали логическим продолжением Cortex-A9 – как результат, чипам архитектуры ARM впервые в истории удалось примерно сравниться по быстродействию с Intel Atom, а это уже большой успех. Не зря ведь компания Canonical в системных требования к версии ОС Ubuntu Touch с полноценной многозадачностью указала двухъядерный процессор ARM Cortex-A15 или аналогичный Intel Atom.

Рисунок 11. Чипы Exynos 5250

Первой массовой однокристальной системой Cortex-A15 стала двухъядерная Exynos 5250, которая применяется в планшетнике Google Nexus 10 и лэптопе Samsung Chromebook

Вслед за NVIDIA концепцию big.LITTLE подхватила компания Samsung: «сердцем» смартфона Galaxy S4 стал чип Exynos 5 Octa с четырьмя ядрами Cortex-A15 и таким же количеством энергоэффективных ядер Cortex-A7.

Рисунок 12. Схема однокристальной системы big.LITTLE с процессорными ядрами ARM Cortex-A15 (big) и Cortex-A7 (LITTLE)

Техпроцесс

Технологический процесс для чипов означает полупроводниковое производство, состоящее из последовательности операций при производстве этих микросхем. Обозначается как размер в «нм», раньше было в «мкм». Сегодня ведутся разработки по реализации 10 нм техпроцесса. На осень 2015 года в продаже есть процессоры по техпроцессу 14 нм, это самые новые.

Само обозначение техпроцесса в разное время обозначало или размер затвора транзистора, сделанного по этой технологии или плотность элементов, или размер ячейки памяти и др. В общем это технологии обработки полупроводника для достижения заявленных характеристик. Чем меньше техпроцесс, тем больше рабочая частота процессора и больше энергоэффективность.

Внутренняя память L2 и L3

Память «Cache» второго L2 и третьего L3 уровня указывает на объем внутренней памяти процессора. Эта память расположена на кристалле и имеет очень большую скорость работы по сравнению с оперативной. Чем больше объем этой памяти, тем лучше для производительности. L3 должно быть от 1 МВ для хорошей производительности, L2 измеряется в КВ.

Декабрь 2016 года. Время выхода процессоров отсчитывается от октября 2015 года, если не указан год.

№	Модель	L2 Cache + L3 Cache	МГц (норм. — — Turbo)	Ядра / потоки	Техпроцесс (нм)	Архитектура	Время выхода
	HiSilicon Kirin 960		2400	8/8	16	ARM	2016 год
1	Apple A9X		2260	2/2	14	ARM	2015 год
	Samsung Exynos 8890		2600	8/8	14	ARM	2016 год
	HiSilicon Kirin 955		2500	8/8	16	ARM	2016 год
	HiSilicon Kirin 950		2300	8/8	16	ARM	2016 год
	Apple A10 Fusion	3+4 Мб	2340	4	16	ARM	2016 год
	Qualcomm Snapdragon 821 MSM8996 Pro	1,5МВ	2400	4/4	14	ARM	2016 год
2	Samsung Exynos 7420 Octa		2100	8/8	14	ARM	7 мес.
	Qualcomm Snapdragon 820 MSM8996	1,5МВ	2200	4/4	14	ARM	2016 год
3	Apple A9		1800	2/2	14	ARM	2 мес.
4	Intel Atom x7-Z8700	2MB	1600 ‑ 2400	4/4	14	x86	7 мес.
5	Qualcomm Snapdragon 810 MSM8994		2000	8/8	20	ARM	1 год 6 мес.
	Qualcomm Snapdragon 652 MSM8976		1800	8/8	28	ARM	2016 год
6	Qualcomm Snapdragon 808 MSM8992		2000	6/6	20	ARM	1 год 6 мес.
	Qualcomm Snapdragon 650 MSM8956		1800	6/6	28	ARM	2016 год
7	Intel Atom Z3795	2MB	1590 ‑ 2390	4/4	22	x86	1 год 5 мес.
8	Intel Atom Z3785	2MB	1490 ‑ 2410	4/4	22	x86	1 год 4 мес.
9	Intel Atom Z3775	2MB	1460 ‑ 2390	4/4	22	x86	1 год 4 мес.
10	Intel Atom Z3775D	2MB	1490 ‑ 2410	4/4	22	x86	1 год 5 мес.
11	Intel Atom Z3770	2MB	1460 ‑ 2400	4/4	22	x86	2 года 2 мес.
12	Intel Atom Z3770D	2MB	1500 ‑ 2410	4/4	22	x86	2 года 2 мес.
13	Intel Atom x5-Z8500	2MB	1440 ‑ 2240	4/4	14	x86	8 мес.
14	Nvidia Tegra X1	2.5MB		8/8	20	ARM	10 мес.
15	Apple A8X	2MB + 4MB	1500	3/3	20	ARM	1 год
16	Nvidia Tegra K1 (Denver)	2MB	2300	2/2	28	ARM	1 год
17	Mediatek MT8173		2400	4/4	28	ARM	8 мес.
18	Mediatek MT6595 Turbo	2MB	2500	8/8	28	ARM	1 год 8 мес.
19	Samsung Exynos 5433 Octa		1900	8/8	20	ARM	1 год 2 мес.

Таблица 1. Таблица процессоров для смартфонов и планшетов

Дальнейшие перспективы

Компания ARM Limited уже официально представила следующее семейство процессоров ARMv8, представители которого в обязательном порядке будут 64-разрядными. Открывают новую эпоху RISC-процессоров ядра Cortex-A53 и Cortex-A57: первое энергоэффективное, а второе высокопроизводительное, но оба способны работать с большими объемами оперативной памяти.

Производители потребительской электроники семейством процессоров ARMv8 пока особо-то не заинтересовались, но на горизонте вырисовались новые лицензиаты, планирующие вывести чипы ARM на серверный рынок: AMD и Calxeda. Идея новаторская, но вполне имеет право на жизнь: те же графические ускорители NVIDIA Tesla, состоящие из большого числа простых ядер, на практике доказали свою эффективность как серверных решений.