ARM против Intel: успешная стратегия для RISC или выгода для CISC?

Корпорации ARM и Intel окончательно вступили в открытую конкуренцию. Первая активно продвигает технологию RISC, в то время как Intel делает упор на процессоры с набором команд CISC. Еще три года назад, когда Intel представляла свой первый процессор семейства Atom, компания ясно дала понять, что нацелена не только на настольные компьютеры среднего уровня и ноутбуки, но и на портативные устройства, в которых исторически пальма первенства принадлежит ARM. В ответ ARM представила ядро Cortex-A15, область применения которого распространяется на серверы — сегмент, который делят Intel и AMD. В то же время корпорация Microsoft объявила, что готовящаяся к выпуску Windows 8 будет поддерживать оба набора команд.

Прежде чем оценивать шансы ARM на успех в тех областях, где первенство пока принадлежит х86, необходимо познакомиться с бизнес-моделью корпорации и ее продукцией. С экономической точки зрения положение ARM, как обладателя интеллектуальной собственности, во многом зависит от благосостояния компаний, использующих ядра ARM в своих устройствах. Корпорация предлагает два вида лицензии: стандартную и лицензию на архитектуру. Стандартная лицензия дает право использовать готовые процессоры ARM в СнК других компаний. Это самый быстрый способ вывода устройств на рынок, однако СнК различных компаний будут мало отличаться друг от друга.
Лицензия на архитектуру или набор команд позволяет сторонним компаниям создавать уникальные устройства. Она есть у Intel, Marvell, Microsoft, Nvidia и Qualcomm. Для стандартного лицензирования доступно несколько ядер семейства Cortex-A. Ядро Cortex-A8 построено на основе Cortex-A5, которое большинство компаний пропустили при переходе с ARM11. Ядро Cortex-A8 обеспечивает поддержку попарно запускаемых суперскалярных инструкций и имеет более глубокий конвейер в каждом ядре, содержащий 13 уровней вместо 8. Блок вычислений с плавающей запятой в отличие от ARM11 является обязательным. Кроме того, для Cortex-A8 требуется 64-разрядный SIMD-вычислитель Neon.
В Cortex-A9 разработчик сам решает, реализовывать ли Neon и блок операций с плавающей запятой. Оба они не являются обязательными. Конвейер стал 9-ступенчатым, а производительность процессора по-прежнему превышает 1 ГГц благодаря переходу на новые технологические нормы. Ограничения, которыми связано большинство обладателей лицензии, не мешают вводить новые возможности. Вспомним технологию Fast14, которую приобрела Samsung у Intrinsity для использования в СнК Hummingbird. После поглощения Intrinsity Apple также стала применять ее в своих процессорах А4. Технология Fast14 позволяет заметно увеличить тактовую частоту, сохраняя прежние нормы литографии. Компания Qualcomm пошла по другому пути и разработала совместимую с ARM7 архитектуру Scorpion, которая изготавливалась сначала по нормам 65 нм, а теперь — по 45 нм. В середине 2010 г. процессоры Scorpion стали двуядерными. По функционалу ядра MSM8260 и MSM8660 являются промежуточным звеном между Cortex-A8 и Cortex-A9. Кристалл Scorpion содержит блок выполнения операций с плавающей запятой и ядро Neon.
В англоязычной литературе выделяют два типа процессоров — application и baseband. Разница между ними становится все более размытой, и они уступают место однокристальным решениям. Первые предназначены для выполнения приложений пользователя, основной упор в них сделан на мультимедиа. Процессоры этого типа поддерживают сложные операционные системы, виртуальные машины, в т.ч. Java, и имеют повышенную защиту. Второй тип процессоров ориентирован больше на беспроводную передачу данных и поддерживает большой набор протоколов передачи данных и голоса.

Компания Nvidia стала обладательницей лицензии на ARM после нескольких приобретений: компании MediaQ в 2003 г. и PortalPlayer в 2006 г. Первая СнК Nvidia, Tegra, содержала процессор ARM11. Она не получила широкого применения, хотя и легла в основу мультимедийного плеера Zune HD (Microsoft) и сотовых телефонов Kin. Через год репутация Nvidia была несколько подпорчена из-за того, что компания не успела подготовить к выпуску анонсированные устройства на основе Tegra 2.
Nvidia первой выпустила устройства на основе двуядерного процессора Сortex-А9. Именно они были использованы Google при разработке третьей версии ОС Android Honeycomb для ноутбуков. Некоторые передовые смартфоны, которые появились в начале года, также использовали возможности процессоров Nvidia, хотя из-за того, что они не поддерживают видеоформат 1080p Н.264 производители вскоре перешли на модели конкурентов: Boxee выбрала Intel Atom CE4100 для своих телевизионных приставок, а LG для своих смартфонов использовала Omap-4 производства Texas Instruments.
Процессор Tegra 2 выпускается в двух вариантах: Т20 и АР20. Оба процессора работают на частоте 1 ГГц, но графический модуль в Т20 имеет тактовую частоту 333 МГц, а АР20 — 300 МГц. В Т20 используется память DDR2, а в АР20 — DDR2 SDRAM. В обоих процессорах управление СнК осуществляется в ядре ARM7.
Недавно вышел процессор Tegra 3 под кодовым названием Kal-El, который поддерживает видео с разрешением 2560×1600 пикселов. В его основе — ядро Cortex-A9 с тактовой частотой 1,5 ГГц. В отличие от Tegra 2 Kal-El содержит векторный SIMD-блок обработки операций с плавающей запятой. Как и в Tеgra 2, в нем используется кэш-память L2 объемом 1 Мбайт. Графический процессор содержит 12 ядер.
Процессор Tegra 3 обгоняет своего предшественника по скорости в 5 раз при таком же расходе энергии, хотя в некоторых случаях он потребляет даже меньше, что зависит от нагрузки. Как ожидается, ноутбуки, оснащенные Kal-El, появятся уже к августу. К 2014 г. компания планирует выпустить процессоры с производительностью в 100 раз выше, чем у Tegra 2 (см. рис. 1).

Рис. 1. Структура Tegra 2 (a) и планы Nvidia по выпуску процессоров (б)

Один из старейших сторонников ARM — компания Texas Instruments. Она выпускает СнК с процессором ARM и графическим ядром PowerVR от Imagination Technology, иногда добавляя логические блоки собственной разработки или сигнальные процессоры. Массовый выпуск первой модели семейства ОМАР-4, ОМАР-4430, уже начат. Эта СнК легла в основу таких устройств как Optimus 3D (LG), первый ноутбук от RIM, планшет BlackBerry. Процессор OMAP-4430 содержит два ядра Cortex-A9 с общим модулем кэш-памяти второго уровня объемом 1 Мбайт. Особенностью является графическое ядро PowerVR SGX 540 с тактовой частотой 300 МГц — это почти на 50% быстрее, чем в СнК конкурентов. Обращение к системной памяти происходит по двум 32-разрядным шинам LPDDDR2, работающим на частоте 400 МГц. В каждом ядре имеется векторный SIMD-блок обработки операций с плавающей запятой.
В декабре TI анонсировала следующую модель ОМАР 4440, изготавливаемую, как и ОМАР 4430, по технологическим нормам 45 нм. Пробные образцы данного процессора уже доступны для заказа. Кристалл содержит процессор Cortex-A9 с тактовой частотой 1,5 ГГц. Его производительность на 25% выше, чем у предшественника. Остальные характеристики ОМАР 4440: обработка 60 кадров/с, поддержка разрешения видеокадра до 1080р, видеовыход HDMI 1.4, стереоскопический 3D-дисплей, пользовательский интерфейс на основе жестов.
Компания в дальнейшем планирует включить в свои устройства поддержку архитектуры Cortex-A15, хотя пока ее характеристики не обнародованы. Известно лишь, что она поддерживает расширенную адресацию и аппаратную виртуализацию. Процессоры с ядром Cortex-A15 будут изготавливаться по технологическим нормам 28 нм и выйдут под маркой ОМАР 5. Первые модели будут содержать два ядра с частотой 2 ГГц. Для обработки графики будет использован модуль PowerVR SGX 544 Imagination Technologies. Его тактовая частота и количество ядер остаются пока закрытой информацией.
На кристалле ОМАР 5 будут размещены функциональные блоки для обработки видео, изображения и машинного зрения, а также ИС сигнальной обработки, отображения и схемы безопасности. Кроме того, процессор содержит два ядра Cortex-M4 для работы в режиме реального времени. Объем кэш-памяти увеличен до 2 Мбайт.
Готовятся к выпуску две модели: ОМАР 5430 размером 14×14 мм (РОР — корпус на корпусе) с поддержкой модуля памяти LPDDR2 и ОМАР 5432 в корпусе BGA 17×17 мм с поддержкой более быстрого интерфейса DDR3/DDR3L SDRAM. Основной областью применения ОМАР 5430 являются смартфоны, а для ОМАР 5432 — ноутбуки и планшеты.

Компания Apple помимо широко известных конечных продуктов долгое время занималась разработкой и выпуском собственных ИС для MAC-компьютеров 68k и Power-PC. После перехода на микропроцессоры Intel компания попутно передала разработку ядер и логических схем своему новому партнеру. Сейчас Apple переориентировалась на архитектуру ARM, которая легла в основу iPad, iPhone, iPod touch и Apple TV второго поколения. Возможно, руководство Apple посчитало внутреннюю разработку ИС экономически более выгодной для массовых продуктов. Так или иначе, компания приобрела PA Semi и Intrinsity, что стало дополнительным стимулом для разработки кристалла А4. В настоящее время эта СнК используется в iPhone 4, iPad 1G, iPod touch 4G и Apple TV 2G. Процессоры А4 содержат ядро Cortex-A8 и графический обработчик PowerVR SGX 535, а также 640 Кбайт кэш-памяти второго уровня.
В предыдущих версиях iPhone и iPod touch использовались ARM-процессоры Samsung. Интересно, что с переходом на А4 Apple не прекратила сотрудничества с этой компанией. Процессоры А4 выпускаются на заводах Samsung с использованием схем памяти DRAM производства Samsung.
Samsung выпускает и собственные процессоры S5PC110A01 Hummingbird, которые по характеристикам совпадают с А4 за исключением объема кэш-памяти (512 Кбайт) и графического ядра (Samsung использует SGX540).
Недавно Apple анонсировала процессор А5 для iPad2. Пока об этом процессоре известно мало, только то, что он двуядерный и работает на тактовой частоте 1 ГГц. Графический обработчик превосходит по производительности PowerVR SGX 535 в 9 раз.

Микроархитектура Scorpion компании Qualcomm используется уже несколько поколений. Однако с появлением многоядерных процессоров Cortex-A9 подобные архитектуры стали терять свою привлекательность.
В связи с этим Qualcomm представила кристалл Krait, поддерживающий набор инструкций ARM Version 7. Процессор изготовлен по технологии 28 нм и имеет тактовую частоту 2,5 ГГц. Процессор выпускается в трех модификациях. Первым будет выпущен MSM8960 с двуядерным процессором с асинхронным и независимым управлением. Процессор содержит Adreno 225, производительность которого в восемь раз превышает производительность Adreno.
Следующие модели намечены к выпуску в 2012 г. Это одноядерный MSM8930 c Adreno 305 и четырехъядерный APQ8064 со встроенным графическим четырехъядерным процессором Adreno 320. Первый превосходит по производительности Adreno в шесть раз, второй — в 15. Все три процессора оснащены модулями Wi-Fi, GPS, Bluetooth, приемником FM-сигнала, блоком захвата видео, воспроизведения, модемами сотового сигнала стандарта 3G или 3G и LTE, а также поддерживают NFC (связь ближнего поля) и автостереоскопические дисплеи со статическим изображением.

Компания Marvell получила лицензию на ARM после поглощения Asica в 2003 г. Еще через три года она приобрела подразделение Xscale Intel. Процессоры Armada содержат ядро Sheeva PJ1, совместимое с ARM 5, или Sheeva PJ4, совместимое с ARM 6 и ARM 7. До сих пор Marvell не имела большого успеха на рынке компьютерных приложений и коммуникационных устройств. Она стала ключевым поставщиком для RIM, и это ее, пожалуй, единственное крупное достижение.
В прошлом году Marvell представила новый процессор Armada 628, содержащий три ядра Sheeva PJ4 класса Cortex-A9. Два ядра имеют тактовую частоту 1,5 ГГц, а третье — 624 МГц. Графический процессор обрабатывает 200 млн треугольников в секунду.
Спустя два месяца был продемонстрирован четырехъядерный кристалл на основе Sheeva PJ4 для применения в серверах. Тактовая частота СнК равна 1,6 ГГц, объем кэш-памяти 2 Мбайт. Для рынка потребительских устройств компания совсем недавно выпустила кристалл PXA978 1,2 ГГц, предназначенный для сотовых телефонов. Процессор содержит модемы 3G UMTS и TD-SCDMA с поддержкой HSPA.

Растущее распространение процессоров ARM, длинный список компаний, обладающих лицензией на их использование, а также отсутствие поддержки набора инструкций х86 в Windows 8, — все эти факторы могут создать впечатление, что Intel теряет позиции на рынке компьютерной техники. Однако Intel обладает обширнейшими ресурсами для производства полупроводниковых устройств, в т.ч. на современнейшем технологическом уровне, который недоступен многим небольшим компаниям. Так, в прошлом сентябре были озвучены планы по выпуску кристаллов на основе Atom по технологическим нормам 15 нм и ниже. Корпорация имеет также развитую сеть заводов.
Первые модели Atom изготавливались по технологии 45 нм, сейчас освоен уровень 32 нм. Процессоры используются в чипсетах Medfield для сотовых телефонов и Oak Trail для ноутбуков. Первые телефоны, оснащенные Medfield, выйдут уже в текущем году.
Само понятие совместимости наборов инструкций теряет свое значение по мере перехода на файловые форматы, не требующие драйверов, а также независимые ОС, которые распознают эти форматы. Кроме того, все чаще приложения хранятся в «облаках», а не на персональном компьютере. Тем не менее, для программистов, работающих с х86, поддержка CISC-команд важна, поскольку она позволяет использовать фрагменты кода и средства разработки повторно — везде, где это возможно.