Procesory ARM nás obklopují ze všech stran už po desetiletí, do obecného povědomí se ale dostaly až nedávno. Proč ARM, a ne x86? A co je to vůbec ten ARM? Dáme vám odpovědi na všechny vaše otázky.
Routery, autonavigace, televizory – tam všude můžete najít procesory ARM už delší čas. Až příchod současné generace dotykových smartphonů a tabletů s sebou ale přinesl revoluci v obecném povědomí o těchto typech čipů.
Výrobci se předhánějí ve výkonu i spotřebě energie, úroveň se pomalu srovnává s procesory x86 a s vydáním Windows 8 se dočkáme zemětřesení i v oblasti klasických notebooků, ve kterých se ještě před pár lety zdála současná platforma neohrožená.
Konkurence pro Intel
První procesory ARM vznikly v britské společnosti Acorn Computers založené roku 1978 v Cambridge. Představa společnosti byla zpočátku podobná jako v případě daleko úspěšnější IBM: vývoj osobního počítače pro firmy i domácnosti, který měl ale navíc pracovat s procesorem využívajícím redukovanou instrukční sadu (RISC). To by znamenalo zjednodušení příkazů, a tím zrychlení samotné práce použitím více jednoduchých, rychle po sobě následujících instrukcí, namísto robustní sady instrukcí vykonávajících složitější operace, jako je tomu u sady CISC.
Acorn Archimedes – první domácí počítač vybavený procesorem ARM, tehdy ještě od společnosti Acorn Computers
Přestože Acorn konkuroval cenou a našel si především v Británii nemálo zákazníků, skončil projekt neúspěchem a krachující firmu převzala společnost Olivetti. Renesance přišla až při vývoji mobilního asistenta Newton od Applu, kdy jako vedlejší produkt vznikla společnost Advanced RISC Machines, dnes ARM Holding. To už se psal rok 1983.
Svou zásluhu na rozvoji procesorů ARM má také Apple, který spoluzaložil ARM Holding při vývoji asistenta Newton MessagePad
ARM Holding dnes vlastní procesory nevyrábí, drží pouze duševní vlastnictví a vyvíjí své technologie. Ty pak licencuje různým výrobcům, kteří na nich staví hotové modely procesorů. Při výběru smartphonu či tabletu tedy obvykle narazíte na název vestavěného čipu, který s sebou nese ještě označení konkrétního použitého designu jádra. Tím můžete rozpoznat základní charakteristiky procesoru a zčásti také porovnávat s konkurencí využívající jinou z platforem postavených na ARMu.
Vše v jednom
Procesory ARM jsou (obvykle) 32bitové a jednotlivé architektury výrobce označuje ARMv3, ARMv4 apod. Na nich staví referenční návrhy jader, které byly až do architektury ARMv6 označovány nepřehledně jako ARM1, ARM2, atd. Rodinu jader postavených na architektuře ARMv6 jste tak mohli například nalézt pod označením ARM11 a ARMv5 jako ARM9, ARM10 či XScale. Od ARMv7 výrobce přešel u názvu jader k označení Cortex; rodina Cortex-A je tak postavena právě na ARMv7 a najdete v ní např. jádra Cortex-A8, Cortex-A9 a další, se kterými se můžete setkat u dnes běžně prodávaných zařízení.
Pokud se v trošku schizofrenním názvosloví jader ARMu ztrácíte, určtiě se podívejte na tuto přehlednou tabulku na Wikipedii
Výpočetní jádro (či jádra) ale nejsou tím jediným, co pohání dnešní zařízení. Výsledná součástka se obecně nazývá System-on-Chip (SoC) a kromě zmíněného procesoru integruje další komponenty, jako je grafické jádro, operační paměť, síťový čip, vstupně-výstupní rozhraní, modul pro komunikaci v mobilní síti a další. Z ryze výpočetního mozku počítače se tak stala komplexní součástka, která kombinuje prakticky vše, co výsledné zařízení nabízí.
Výhody jsou jasné – levnější výroba, nižší spotřeba elektrické energie a úspora místa, které je pak možno využít třeba pro větší akumulátor, jejichž vývoj nestíhá masivní nástup výkonných mobilních čipů, ať jsou jakkoli úsporné. Marketingový název, který obvykle propaguje výrobce konkrétní elektroniky tak označuje už hotový, takřka soběstačný čip typu SoC.
Každý trochu po svém
V současnosti je aktuální architektura ARMv7, a tedy kompletní rodina Cortex. Oblíbený model A8 najdete třeba v prvním iPadu v podobě SoC A4, který pro Apple vyráběl Samsung. Stejný čip se pak objevil také v iPhonu 4, ale setkat jste se s ním mohli rovněž pod označením Exynos 3110 (Hummingbird) v Samsungu Galaxy S, Nexusu S či prvním Galaxy Tabu. Byl ale pochopitelně v „balení“ s jinými komponentami, ať už jde o grafické jádro či paměť.
SoC Apple A5X ve třetím iPadu je vyráběn 45nm technologií a obsahuje čtyřjádrovou grafiku, dvoujádrový ARM uvnitř je stejný Cortex-A9 jako v předchozí generaci A5
Také Nvidia má licencovány technologie ARM, které využívá ve vývoji vlastních modulů SoC a prodává je různým výrobcům mobilních zařízení pod názvem Tegra. Dodnes je na trhu několik zařízení osazených platformou Tegra 2, která v sobě mimo jiné ukrývá dvoujádrový Cortex-A9 (ARMv7). Největší úspěch Tegry je v oblasti tabletů, které se však z důvodu stejné platformy zastřešující mnoho funkcí podobají jako vejce vejci. Srovnáte-li si např. první Asus Transformer a Acer Iconia Tab A500, najdete jen minimum rozdílů právě z důvodu vysoké integrace komponent a tím malé variability hardwaru při použití stejného SoC.
Podíváte-li se na loňské modely SoC, v kurzu byl (a stále je) právě procesor Cortex-A9. Nvidia jej použila i v Tegře 3 (ovšem ve čtyřjádrové variantě), Apple jej prostřednictvím továren Samsungu nasadil do iPhonu 4S i iPadu 2 a použil jej dokonce i v letošním novém iPadu (třetí generace), ve dvoujádrové verzi v rámci čipu A5X. Zřejmě nejoblíbenější současný mobil s Androidem, Samsung Galaxy SII, zase pohání SoC Exynos 4210 vybavený opět dvoujádrovým Cortexem-A9.
Letošní procesory ARM využívají jádro Cortex-A15 (ARMv7), patří mezi ně Qualcomm Snapdragon S4, Nvidia Tegra „Wayne“, TI OMAP 5 nebo Samsung Exynos 5
Pro letošní modely už ale Samsung plánuje přechod ze 45nm na 32nm výrobní proces a využití dvou a čtyřjádrových ARMů Cortex-A15 pracujících rovněž s architekturou ARMv7. Koncem letošního roku se chystá stejný krok provést také Nvidia, která ke čtyřjádru přidá ještě páté úsporné jádro, jako je tomu u současné Tegry 3. Novinka s kódovým názvem Wayne slibuje až 10× více výkonu oproti Tegře 2. Výrobní technologie by se zároveň měla vyvinout na úroveň 28 nm.
Již tradičním výrobcem procesorů ARM je společnost Texas Instruments a její řada OMAP. Rovněž tato americká firma připravuje na letošní třetí čtvrtletí svůj model OMAP 5 postavený na Cortex-A15, který by měl být taktován až k úrovni 2 GHz. Jejich současný procesor OMAP4460 (Cortex-A9) využil např. Samsung při výrobě referenčního telefonu pro Google, Galaxy Nexu.
Od Číny po Ameriku
Výrobců platforem SoC využívajících jádro typu ARM přibývá, stojí za tím množství prodaných zařízení i příznivý výhled do budoucna. V roce 2005 bylo licencováno 1,6 miliardy procesorů. O tři toky později to bylo 10 miliard a statistika z ledna 2011 udává celkem 15 miliard kusů vydaných licencí. I proto se přidávají další výrobci, za které lze vzpomenout třeba čínský Huawei. Ten na letošním Mobile World Congresu v Barceloně představil čtyřjádrový čip K2V3, který je údajně v testech výkonnější než Tegra 3.
Snapdragon si udělal jméno na prvních výkonnějších telefonech s Androidem v čele s Nexusem One
Vyšší výkon nabídne také Qualcomm Snapdragon S4 postavený kolem Cortex-A15, a to i navzdory faktu, že obsahuje „pouze“ dvě jádra. Počet výpočetních jader se v mobilních zařízeních prozatím ukazuje jako nepříliš užitečná cesta vývoje. Operační systémy pro ARM jsou většinou jednoduché a nabízejí pouze základní multitasking. Zároveň se na nich běžně nepracuje s výpočetně náročnými a současně snadno paralelizovatelnými operacemi. Zásadním využitím výkonných čipů tak prozatím zůstávají hry.
To se však může změnit a pravděpodobně se tak i stane s příchodem systému Windows 8. Ten bude jako první systém Microsoftu z řady NT ARM plně podporovat a podle odhadů by měla být v roce 2015 čtvrtina všech notebooků vybavena právě ARMovým procesorem. Připravuje se na to také Intel, kterému by segment serverů a výkonných pracovních stanic zdaleka neposkytoval takové příjmy, jako oblast SOHO, do které budou první notebooky s ARMy mířit.
Intel vrací úder
Obrana proti nástupu ARMů má název Atom Z2460 s kódovým označením Medfield. Jedná se o SoC s architekturou x86, který je uzpůsoben pro použití v mobilních telefonech. Jasná dominance ARMu tak může být narušena i díky partnerství s Motorolou, které bylo oznámeno na CESu 2012. 32nm jednojádro s podporou Hyper-Threadingu pracuje na taktu 1,6 GHz a disponuje 512 kB vyrovnávací paměti L2.
Ve zbylých parametrech se vyrovná konkurenčním ARMům. Může to znamenat rozpolcení trhu s mobilními procesory na ARM a x86 a zároveň udržení životaschopnosti platformy, která pro mnohé v domácím segmentu za stávajících podmínek ztrácí na zajímavosti. Ani v konkurenčním táboře však Intel není bez zkušeností, vzpomeňme jeho procesory StrongARM či XScale.
Určitý trh notebooků s procesory ARM existuje již dnes, za zmínku stojí relativně úspěšná Toshiba AC100 s platformou Nvidia Tegra 2 a Androidem a připravovány jsou také inovované malé notebooky s webovým systémem Google Chrome OS. V řeči čísel jsou ale současné prodeje naprosto minimální.
Toshiba AC100 byl relativně dobře prodávaný netbook s Tegrou, SoC s ARMem nabízí dlouhou výdrž na baterku a absolutní ticho
Rozdíl mezi návrhem procesorů typu ARM a x86 je v komplexnosti a od toho se odvíjí také cena. Podstatně jednodušší a levnější ARMy zřejmě v dohledné budoucnosti nedosáhnou na výkon platformy x86, už nyní jsou však natolik výkonné, aby postačily pro běžně vykonávané činnosti i na stolním počítači. Díky extrémně nízkým nárokům na napájení a prakticky žádné nutnosti chlazení se jedná o hrozbu, které by se Intel měl věnovat.
Není bez zajímavosti, že např. HP připravuje úsporné servery postavené na čipech ARM. S trochou představivosti by tak mohl v delším horizontu platformu x86 potkat podobný osud, jako Alphu, SPARC či PowerPC, což byly komplexní procesory do pracovních stanic využívající redukovanou instrukční sadu.
Jde jen o spotřebu
Vzhledem ke stagnujícímu vývoji akumulátorů je primárním cílem mobilních čipů co nejnižší spotřeba energie. Platforma x86 zde naráží na několik nepříjemností vyplývajících z postupného vývoje. Jedná se např. o dekódování instrukcí, kdy procesory x86 složité instrukce transformují na jednoduché mikrooperace, které jsou následně vykonány. Dekódování na ARMu je oproti tomu takřka přímé a rovnou váže jednotlivé příkazy s konkrétními instrukcemi. Procesory x86 jsou z vnější podstaty typu CISC, uvnitř ale z důvodu výkonu pracují jako RISC.
ARM má výhodu také v tom, že je každá z jeho instrukcí podmínková. Bloky podmínek je tak možné řešit bez větvení kódu, což usnadňuje vykonávání mimo pořadí díky zjednodušení algoritmu pro určování pořadí vykonávání instrukcí. A do třetice, procesory x86 vnitřně pracují s větším počtem registrů, než které prezentují navenek. Tyto registry jsou hardwarové a podle potřeby jsou přejmenovávány. Díky jednoduššímu principu ARM tento aparát nevyžaduje.
Ozývají se však také hlasy, že má Intel větší zkušenosti v oblasti fyzické tvorby vlastního čipu a dříve odhalil strop, na který by mohla architektura ARM v dohledné době narazit. To měl být podle spekulací také důvod pro prodej divize zabývající se ARMem společnosti Marvell v roce 2006. Naopak AMD se začíná o ARM zajímat a údajně mělo proběhnout několik jednání o využití technologie hybridních čipů AMD Fusion v souvislosti s platformou ARM.
Budoucnost je pestrá
Intel si nově utužuje pozici poskytováním svých výrobních kapacit ostatním společnostem, jejichž čipy nějak souvisí s procesory Intelu. Vyvíjí tedy např. FPGA čipy pro společnosti Achronix a Tabula, podle poslední dohody pak také čipy Netronome určené do síťových systémů. Vzhledem k tomu, že Intel disponuje 22nm výrobní technologií a pracuje na vývoji 14nm, vyjádřila svůj zájem také Nvidia, která nyní spolupracuje s TSMC (28 nm). Podle vyjádření Intelu však společnost odmítla poskytovat technologické zázemí pro konkurenční společnosti, které by mohly mít za následek negativní vliv na jeho oblast působnosti. Je tedy zřejmé, že bere moduly SoC opravdu vážně.
Jednou z možných vývojových cest je malé mobilní zařízení, které se po zasunutí do doku přetvoří v notebook, příkladem může být prodávaná Motorola Atrix
Po neúspěchu AMD s procesory Bulldozer a následném oznámení, že se stahuje z trhu výkonných čipů, se mohlo zdát, že zmizí konkurenční prostředí a vývoj bude stagnovat. Je ale pravděpodobné, že se hlavní zájem přesune směrem k ARMům a úsporným hybridním čipům, které najdou své uplatnění i v běžných pracovních stanicích. Jak to celé bude, se dovíme zřejmě už příští rok, kdy budou mít Windows 8 premiéru za sebou a výrobci získají dostatek času pro uvedení nových zařízení postavených (nejen) na architektuře ARM. Dost možná právě stojíme na počátku nové éry.
