Мобильное противостояние

С момента появления самых первых персональных компьютеров конкурентная борьба процессорных гигантов переживала множество обострений. Принято считать, что основным законодателем развития «персоналок» была компания Intel со своей архитектурой x86, хотя в те времена существовала масса других решений, многие из которых так или иначе дожили до наших дней.

Вполне вероятно. Развитие технологий и колебания рынка привели к ситуации, когда специалисты всерьез стали обсуждать возможность обострения конкуренции между процессорами ARM и x86.

Процессоры ARM впервые появились в 1978 г., когда была создана британская компания Acorn Computers. Под маркой Acorn выпускались несколько чрезвычайно популярных на местном рынке моделей персональных компьютеров на основе 8-битных чипов MOS Tech 6502. Этот же ЦП, кстати, стоял в Apple I и II, а также в Commodore PET.

Однако с появлением более совершенной модели 6510, которая в 1982 г. стала устанавливаться в Commodore 64, линейка компьютеров Acorn, включая популярнейший образовательный BBC Micro, потеряла актуальность. Это подтолкнуло владельцев Acorn к созданию собственного процессора на базе архитектуры 6502, который позволил бы на равных конкурировать с машинами класса IBM PC.

Проект под названием Acorn RISC Machine (ARM) был создан в октябре 1983 г. Разработку возглавили Уилсон и Фербер — их основной целью было достижение низкой латентности обработки прерывания, как у MOS Technology 6502. Архитектура доступа к памяти, взятая от 6502, позволила разработчикам достичь хорошей производительности без использования дорогостоящего в реализации модуля DMA. Первый процессор компания VLSI изготовила 26 апреля 1985 г. — тогда он впервые заработал и был назван ARM1. А первые серийные процессоры под названием ARM2 стали доступны уже в 1986 г. Кристалл ARM2 состоял из 30 тыс. транзисторов, и эта компактность конструкции сопровождает нас до сих пор: у ARMv7 всего на 5000 транзисторов больше.

В отличие от Intel или AMD, корпорация сама ничего не производит, предпочитая продавать это право другим. Среди компаний, обладающих лицензиями, есть те же Intel и AMD, а также VIA Technologies, IBM, NVIDIA, Nintendo, Texas Instruments, Freescale, Qualcomm, Samsung и, конечно же, Apple.

До недавнего времени ARM-процессоры были 32-битными, и лишь в конце прошлого года был представлен первый процессор ARMv8, поддерживающий 64-разрядные вычисления. Он основан на ядре Cortex-A57/A53 и имеет следующие ключевые особенности: поддержку исполнения команд с изменением последовательности; 44-битную виртуальную адресацию памяти; поддержку до 16 Тбайт ОЗУ (от LPDDR3 до DDR4); 48 Кбайт кеш-памяти L1 для инструкций и 32 Кбайт кеш-памяти L1 для данных; мультимедийный SIMD-движок NEON; от 128 Кбайт до 2 Мбайт кеш-памяти L2 (с поддержкой ECC); 128-бит CoreLink Interconnect (CCI-400 и CCN-504).

В отличие от процессоров ARM, основанных на базе архитектуры RISC (Reduced Instruction Set Computer), ЦПУ x86 используют CISC (Complex Instruction Set Computing, т.е. полный набор инструкций), в котором каждая инструкция может выполнять сразу несколько низкоуровневых операций.

История возникновения семейства x86 началась в 1978 г., когда была представлена 16-разрядная модель Intel 8086. Сначала устройство работало на частоте 4,77 МГц, которая позднее была увеличена сперва до 8 МГц, а затем и до 10 МГц. Этот процессор изготавливался по 3-мкм технологии и имел 29 тыс. транзисторов.

Сейчас, говоря об архитектуре x86, мы подразумеваем процессоры Intel, хотя в те годы ситуация была далеко не столь проста. Дело в том, что эти чипы стали основой IBM PC, построенных по принципу открытой архитектуры. Следовательно, производить (и продавать) такие компьютеры хотели многие компании, а процессоров на всех не хватало, и, естественно, сразу же нашлись специалисты, научившиеся копировать дефицитные микросхемы. Происходило это во всем мире, не исключая СССР, — отечественные инженеры смогли создать чип КР1834ВМ86, не уступавший заокеанскому аналогу.

Впрочем, 32-битными процессоры x86 стали лишь в 1985 г., когда был показан первый 80386. В 1989 г. Intel выпустила скалярный (т.е. выполняющий одну операцию за один такт) чип i486, в котором появились встроенная кеш-память и блок вычислений с плавающей запятой FPU. Процессоры Pentium, представленные в 1993 г., стали суперскалярными (т.е. выполняющими несколько операций за такт) и суперконвейерными (в каждом из них было по два конвейера).

Формально главным различием линеек ARM и x86 является набор инструкций RISC и CISC. Однако, начиная с модификации Intel 486DX, микросхемы x86, сохраняя совместимость со всеми предыдущими наборами команд, демонстрируют максимальную производительность лишь с ограниченным набором простых инструкций, который напоминает пресловутый набор RISC-команд. Впрочем, есть и другие различия. Сейчас x86 являются универсальными ЦПУ, имеющими множество блоков и модулей, предназначенных для реализации любых поставленных задач, начиная от обработки текстовых файлов и заканчивая работой с трехмерной графикой. В то же время ARM, ориентированные на использование в смартфонах, планшетах и других портативных устройствах, имеют свои возможности и ориентированы на иные цели.

Разумеется, если сравнивать топовые модификации x86 и ARM, результат окажется плачевным для последних, ибо вычислительная мощность Core i7 существенно превосходит скромные возможности новейшего Apple A7. Однако на рынке мобильных устройств ситуация далеко не столь однозначна. Все, что может предложить Intel, это семейство процессоров Atom, тогда как ведущие компании успешно осваивают выпуск довольно мощных решений на основе ядра Cortex A-53 и A-57.

Интересно, что если большинство «настольных» процессоров производства Intel используют внеочередное выполнение команд, Atom работает по принципу последовательного исполнения инструкций, что неудивительно, ведь в его основе лежит модифицированное ядро, унаследованное от первых Pentium. Чип адаптировали под новый техпроцесс, добавили возможность исполнения 64-битного кода и мультимедийных инструкций, а также кеш-память второго уровня и поддержку многопоточного исполнения (SMT, аналог Hyper-threading). Однако, как отмечалось выше, для удешевления конструкции было решено отказаться от внеочередного исполнения команд, что не лучшим образом сказалось на производительности данного решения.

Новая мобильная платформа корпорации Intel, получившая название Bay Trail-T, предлагает x86-решения, изготавливаемые по 22-нм технологии. Процессоры Intel Atom Z3770 и Z3740 смогут работать с 4 Гбайт оперативной памяти, тогда как модели Z3770D и Z3740D поддерживают объем до 2 Гбайт. При этом максимально возможное разрешение, обеспечиваемое интегрированным графическим ускорителем, достигает 2560х1600 точек. Максимальная тактовая частота новой линейки достигает значения 2,4 ГГц, тогда как тепловыделение находится на уровне 2,0--2,4 Вт. По сравнению с процессорами Clover Trail новые чипы обеспечивают прирост производительности на 50--60%.

Не отстают и производители, предпочитающие платформу ARM. Так, известная американская корпорация Qualcomm в рамках выставки CES 2014 сфокусировалась на платформах для «умных телевизоров», анонсировав четырехъядерный 1,8-ГГц процессор Snapdragon 802, дополненный графическим ускорителем Adreno 330, поддерживающим декодирование видео в формате 4k (Ultra HD).

Отметилась и стремительно набирающая обороты тайваньская компания MediaTek, известная недорогими решениями для смартфонов и планшетных компьютеров, которая анонсировала новую мобильную платформу MT6595. В этом чипсете используется концепция ARM big.LITTLTE, подразумевающая применение кластеров из процессорных ядер. Кроме того, в MT6595 предусмотрены четыре мощных ядра ARM Cotrex-A17, а также четыре экономичных ядра Cortex-A7. Судя по всему, все ядра могут работать параллельно -- это одна их самых сложных реализаций ARM big.LITTLTE. За обработку графики в MT6595 отвечает ускоритель PowerVR Series 6 компании Imagination Technologies.

В общем, конкурентная борьба между семействами процессоров ARM и x86 продолжает обостряться. Корпорация Intel «играет мускулами», продолжая доводить до совершенства свои решения на базе Atom, снижая энергопотребление и повышая производительность своих мобильных процессоров, тогда как ведущие производители ARM-решений ищут новые пути, стремясь не отставать от процессорного гиганта.

Впрочем, рынок мобильных устройств, выпускаемых сейчас, исчисляется миллиардами, поэтому, скорее всего, место на нем найдется всем игрокам без исключения. Подобное не может не радовать конечного потребителя, ведь обострение конкуренции среди производителей почти всегда приводит не только к улучшению функциональности устройств, но и к снижению их стоимости.