Mikä on ARM-arkkitehtuuri tietokoneissa ja miksi sillä on merkitystä?

Informatec Digital » Resurssit » Mikä on ARM-arkkitehtuuri tietokoneissa ja miksi sillä on merkitystä?

ARM- arkkitehtuuri on kehittynyt yksinkertaisten laitteiden käyttämisestä kannettavien tietokoneiden, pöytätietokoneiden ja palvelimien käyttämiseen . Jos olet joskus käyttänyt Android-puhelinta, iPhonea, Raspberry Pi:tä tai uudempaa Macia, olet jo työskennellyt tähän suunnitteluun perustuvien prosessoreiden kanssa, vaikka et olisikaan tiennyt siitä.

Seuraavissa riveissä tarkastelemme yksityiskohtaisesti, mitä ARM-arkkitehtuuri tietokoneissa oikeastaan ​​on, miten se toimii, sen alkuperää ja miksi se muuttaa maisemaa verrattuna Intelin ja AMD:n x86-arkkitehtuuriin . Keskustelemme myös sen suhteesta RISC-V:hen, sen roolista Windowsissa, macOS:ssä ja Linuxissa sekä siitä, miksi suuret valmistajat ovat omaksuneet tämän tyyppisen suorittimen.

Mikä on ARM-arkkitehtuuri ja mihin se perustuu?

Kun puhumme ARM:sta, viittaamme RISC (Reduced Instruction Set Computing) -käskykanta-arkkitehtuuriin , joka on suunniteltu vähän virtaa kuluttaville mutta yhä tehokkaammille prosessoreille, joita käytetään pienistä mikrokontrollereista henkilökohtaisiin tietokoneisiin ja datakeskuksiin.

Toisin kuin CISC-arkkitehtuurit, kuten x86/x86-64 (katso Intelin ja AMD:n prosessoreiden erot ), ARM perustuu yksinkertaisempaan, kompaktimpaan ja erittäin tehokkaaseen käskykantaan . Tämä mahdollistaa prosessorit, joissa on vähemmän transistoreita, vähemmän sisäistä monimutkaisuutta ja huomattavasti pienempi virrankulutus – keskeinen tekijä ultrakevyissä mobiililaitteissa ja kannettavissa tietokoneissa.

Tärkeä seikka on, että ARM Holdings (nykyisin Arm Ltd.) ei valmista prosessoreita . Yritys suunnittelee arkkitehtuurin ja ytimet ja lisensoi sitten teknologian kolmansille osapuolille (Apple, Qualcomm, Samsung jne.), jotka integroivat sen omiin järjestelmäpiireihinsä lisäämällä mukautettuja näytönohjaimia, muistiohjaimia, modeemeja ja muita komponentteja.

Käytännössä tämä tarkoittaa, että ARM-prosessorivariantteja on satoja, joilla on melko erilaiset käyttäytymismallit ja suorituskyky , vaikkakin niillä kaikilla on sama käskykanta, mikä mahdollistaa yhteensopivien käyttöjärjestelmien ja sovellusten kehittämisen.

ARM:n lyhyt historia: Acornista markkinajohtajaksi

ARM:n tarina alkaa vuodesta 1983, kun Acorn Computers päätti kehittää uuden prosessorin MOS 6502 -piirin pohjalta . MOS 6502 -piiriä käytettiin tuolloin monissa heidän henkilökohtaisissa tietokoneissaan. Projektia johtivat Sophie Wilson ja Steve Furber.

Heidän tavoitteenaan oli luoda edistynyt mutta sisäisesti hyvin yksinkertainen prosessori, jossa ei ole mikrokoodia ja jossa on selkeä RISC-filosofia . Vuonna 1985 he saivat valmiiksi ensimmäisen prototyypin, ARM1:n, suunnittelun, ja vuonna 1986 saapui ARM2, ensimmäinen kaupallinen versio, jota käytettiin tietokoneissa, kuten Acorn Archimedes.

ARM2:ssa oli 32-bittinen dataväylä, 26-bittinen osoiteavaruus ja 16 32-bittistä yleiskäyttöistä rekisteriä . Yhtä näistä rekistereistä käytettiin ohjelmalaskurina (PC), ja joitakin bittejä käytettiin tilalippuihin. Teknisesti se oli äärimmäisen yksinkertainen: noin 30 000 transistoria eikä välimuistia.

Tämä yksinkertaisuus johti naurettavan alhaiseen energiankulutukseen ajallisesti ja Intel 286:ta parempaan suorituskykyyn. Sen seuraaja, ARM3, lisäsi pienen 4 kt:n yhtenäisen välimuistin, joka paransi merkittävästi toistuvaa muistin käyttöä.

80-luvun lopulla Apple aloitti yhteistyön Acornin kanssa ARM-ytimen uusien versioiden parissa . Muiden valmistajien huolenaiheiden välttämiseksi vuonna 1990 perustettiin itsenäinen yritys Advanced RISC Machines (ARM), jonka tehtävänä oli suunnitella ja lisensoida tulevia prosessorien sukupolvia.

Tässä vaiheessa syntyi ARM6, joka esiteltiin vuonna 1991. Apple käytti sitä Newtonissa (ARM 610) ja Acorn RiscPC:ssä. Ydin pysyi yllättävän yksinkertaisena: vain 35 000 transistoria , mikä mahdollisti sen integroinnin erilaisiin oheislaitteisiin ja mukautettujen järjestelmien muodostamisen.

ARM:n valtava harppaus kuluttajamarkkinoille tapahtui ARM7TDMI:n myötä, jota löytyy miljoonista matkapuhelimista, käsikonsoleista ja sulautetuista järjestelmistä . Samanaikaisesti Digital (DEC) lisensoi suunnittelun ja loi StrongARM:n, joka pystyy toimimaan 233 MHz:n taajuudella ja kuluttamaan noin 1 W:n tehokkuuden virstanpylvään.

Ajan myötä tämä teknologia siirtyi Intelin käsiin, joka integroi sen Intel i960 -perheeseensä ja XScale-ratkaisuihinsa, kun taas muut jättiläiset, kuten Freescale, IBM, Texas Instruments, Nintendo, Philips, Samsung, STMicroelectronics tai Atmel, lisensoivat myös ARM-arkkitehtuuria.

Nykyään noin kolme neljäsosaa maailman 32-bittisistä prosessoreista sisältää ARM-ytimiä . Tämä edustaa valtavaa määrää prosessoreita: kiintolevyissä, reitittimissä, leluissa, autoissa, televisioissa, matkapuhelimissa, tableteissa, kannettavissa tietokoneissa ja yhä enemmän myös henkilökohtaisissa tietokoneissa ja palvelimissa.

Tärkeimmät ARM-prosessoriperheet

Vuosikymmenten aikana ARM on julkaissut erilaisia ​​arkkitehtuuriperheitä ja -versioita (ARMv1, v2, v3 jne.), joista jokaisessa on parannuksia suorituskykyyn, muistikapasiteettiin, välimuisteihin, liukulukujen tukeen ja lisäominaisuuksiin.

Ensimmäiset sukupolvet, kuten ARM1, ARM2 ja ARM3 (ARMv1 ja ARMv2) , keskittyivät tarjoamaan hyvin yksinkertaisen 32-bittisen suorittimen tietokoneille, kuten BBC Microlle, jossa oli ARM-apuprosessori, Acorn Archimedesille tai RiscPC:lle. Näistä siruista puuttui täysimittainen MMU (joissakin tapauksissa käytettiin ulkoista MEMC:tä) ja niissä oli vain vähän tai ei lainkaan välimuistia.

ARM6 (ARMv3) -perheen myötä on siirrytty täyteen 32-bittiseen osoitteisiin, ja ytimet, kuten ARM600 tai ARM610, on sisällytetty, joista joissakin on integroitu välimuisti ja erityiset väylät liukulukuprosessoreille.

Myöhemmin tulivat ARM7 ja ARM7TDMI (ARMv3 ja ARMv4T) , jotka tukivat 16-bittistä Thumb-käskykanta-aluetta, kolmivaiheista putkea ja variantteja, joissa oli välimuisti, MMU tai MPU. Nämä ytimet ovat perustana suosituille tuotteille, kuten Game Boy Advancelle, Nintendo DS:lle, Apple iPodille sekä NXP:n, Atmelin ja Psionin sulautetuille järjestelmille.

Samaan aikaan ilmestyy StrongARM (ARMv4) -perhe , joka on DEC:n kanssa tehdyn yhteistyön tulos. Perhe keskittyy saavuttamaan korkean MIPS-arvon wattia kohden PDA-laitteissa ja pienissä tietokoneissa (Apple Newton 2×00, iPAQ, Zaurus jne.) suhteellisen suurilla L1-välimuisteilla ja täydellisellä MMU:lla.

Myöhemmin ARM9-, ARM9E- ja ARM10E-sarjat (ARMv4T ja ARMv5) esittelivät syvempiä prosessoriprosessoreita, parannuksia DSP-käskyihin, laajemman Thumb-tuen, Jazelle-ominaisuudet Java-tavukoodin suorittamiseen laitteistossa sekä suurempia, konfiguroitavia välimuisteja. Näitä ytimiä käytetään matkapuhelimissa, digitaalikameroissa, verkkolaitteissa, kädessä pidettävissä pelikonsoleissa ja lukemattomissa muissa järjestelmäpiireissä (SoC).

Tärkeä haara on Intelin hankkima XScale (ARMv5TE) , joka on suunniteltu sovellusprosessoreille ja verkkoprosessoreille, joissa on korkeat taajuudet, runsaat L1/L2-välimuistit ja joissain tapauksissa RAID-kiihdyttimet tai erittäin erityiset I/O-toiminnot.

ARM11 (ARMv6) esitteli jopa 9-vaiheisen prosessin, SIMD-tuen, Thumb-2:n, Jazelle DBX:n, DSP-parannuksia ja tietoturvateknologioita, kuten TrustZonen. Näitä ytimiä on käytetty tunnetuissa laitteissa, kuten ensimmäisessä iPhonessa, varhaisen sukupolven iPod touchissa, joissakin Nokia Nseries -puhelimissa, pelikonsoleissa ja ensimmäisessä Raspberry Pissä.

Suuri moderni vallankumous saapui Cortex- perheen myötä , erityisesti ARMv7-A:ssa ja uudemmissa sovellusprofiileissa. Ytimistä, kuten Cortex-A5, Cortex-A8, Cortex-A9 ja niiden moniydinmuunnoksista (MPCore), tuli käytännössä standardi älypuhelimissa, tableteissa, älytelevisioissa ja kevyissä kannettavissa tietokoneissa.

Näissä ytimissä on superskalaarisuorituskyky, syvät liukuhihnat, NEON (SIMD), VFP liukulukuoperaatioihin, edistynyt Thumb-2 ja TrustZone . Niitä löytyy järjestelmäpiireistä, kuten Texas Instruments OMAP -sarjasta, Samsung Exynosista, Nvidia Tegrasta, Qualcomm Snapdragonista sekä Apple A4/A8:sta ja sen seuraajista.

Sulautettujen ja mikrokontrollerien alalla erottuvat Cortex-R (reaaliaikainen profiili) ja Cortex-M (mikrokontrolleriprofiili) -tuoteperheet . Niiden variantit, kuten Cortex-R4, Cortex-M0, M1, M3 ja M4, on suunniteltu kriittisiin järjestelmiin, teollisuusohjaukseen, autoteollisuuteen ja kuluttajaelektroniikkaan, joissa vasteajan ennustettavuus ja tehokkuus ovat ensiarvoisen tärkeitä.

ARM-käskykanta: RISC, ehdolliset käskyt ja peukalo-moodit

ARM-käskykanta suunniteltiin alusta alkaen puhtaaksi RISCiksi: yksinkertaisiksi, kiinteän kokoisiksi käskyiksi, jotka monissa tapauksissa voidaan suorittaa yhdessä kellojaksossa . Avainasemassa on, että kääntäjä luo tehokkaita sekvenssejä muutamalla erittäin atomisella käskyllä.

Hyvin erityinen ominaisuus on, että klassisissa 32-bittisissä tiloissa jokainen käsky sisältää ehtokoodin neljässä ylimmässä bitissään . Tämä mahdollistaa käytännössä minkä tahansa käskyn ehdollisuuden (suorittaminen vain, jos tietyt kriteerit täyttyvät), mikä vähentää hyppyjen tarvetta ja estää liukuhihnakuplien muodostumisen pienissä koodilohkoissa, joissa on usein ehtoja.

Lisäksi ARM mahdollistaa aritmeettisten/loogisten operaatioiden yhdistämisen rekisterin siirtoihin ja rotaatioihin yhdessä käskyssä . Esimerkiksi C-kielessä lauseketta ”a += (j << 2);” vastaava voidaan ilmaista yhtenä ARM-käskynä, joka lisää rekisteriin siirretyn arvon, mikä tallentaa käskyt ja muistin käyttökerrat.

Toinen etu on, että osoitejoukko tukee esi- ja jälki-inkrementtitiloja, suhteellista osoitusta ja muita joustavia osoitusmenetelmiä , jotka ovat harvinaisia ​​muissa RISC-arkkitehtuureina pidetyissä arkkitehtuureissa. Kaikki tämä auttaa vähentämään käskyjen kokonaismäärää ja parantamaan suorituskykyä sykliä kohden.

Klassinen arkkitehtuuri määrittelee 16 ohjelmoijan näkyvää rekisteriä, joissa kussakin on 32 bittiä (R0-R15) . Periaatteessa ne ovat symmetrisiä, vaikka R15:tä käytetäänkin ohjelmalaskurina (PC), R14 toimii yleensä linkkirekisterinä (aliohjelmien tai poikkeusten paluuosoite) ja R13:a käytetään pino-osoittimena.

ARM-tilassa on kaksi pääasiallista suoritustilaa: ARM-tila (32-bittiset käskyt) ja Thumb-tila (16-bittiset käskyt) . ARM-tila tarjoaa enemmän tehoa (täydellisempi käskykanta), mutta tuottaa suurempaa koodia; Thumb-tila puolittaa kunkin käskyn koon, mikä parantaa kooditiheyttä ja monissa tapauksissa suorituskykyä järjestelmissä, joissa on kapeammat muistiväylät.

Thumb on pohjimmiltaan osajoukko ARM-pelin useimmin käytetyistä käskyistä . Ensimmäinen prosessori, joka sen sisällytti, oli ARM7TDMI, ja siitä lähtien käytännössä kaikki myöhemmät suoritinperheet (ARM9, XScale, Cortex jne.) tukevat Thumbia tai sen kehitystä, Thumb-2:ta.

Lisäksi on olemassa Jazelle DBX -teknologia, jonka avulla Java-tavukoodia voidaan suorittaa suoraan laitteistolla tietyissä ytimissä (niissä, joiden nimessä on "J", kuten ARM926EJ-S). Tämän toiminnallisuuden tarkoituksena oli nopeuttaa Java-virtuaalikoneita laitteissa, joissa on rajalliset resurssit.

ARM-arkkitehtuurin tärkeimmät edut

ARM:n suosio ei ole sattumaa: se johtuu energiatehokkuuden, suunnittelun joustavuuden, kustannusten ja useimpiin käyttötarkoituksiin riittävän suorituskyvyn yhdistelmästä.

Toisaalta, koska ARM-ytimet ovat RISC-arkkitehtuuri, jossa on suhteellisen pieni käskykanta eikä raskasta mikrokoodia, ne voidaan valmistaa paljon vähemmillä transistoreilla kuin vastaava x86-rakenne . Vähemmän transistoreita tarkoittaa pienempää virrankulutusta, vähemmän lämpöä ja pienempiä, halvempia siruja.

Tämä mahdollistaa ARM-prosessoreiden erittäin hyvän suorituskyvyn minimaalisella virrankulutuksella , mikä on kriittistä matkapuhelimissa, tableteissa, ultrakevyissä kannettavissa tietokoneissa, IoT-laitteissa ja sulautetuissa järjestelmissä, jotka toimivat akuilla tai joilla on lämpötilarajoituksia.

Myös lisensointimalli toimii sen eduksi: ARM myy ytimiensä immateriaalioikeuksia kaikenlaisille valmistajille , jotka voivat mukauttaa niitä, yhdistää niitä muihin lohkoihin (näytönohjain, modeemi, tekoälykiihdyttimet) ja luoda tuotteisiinsa täysin mukautettuja järjestelmäpiirejä.

Tämä luo valtavan valmistajien ekosysteemin, jossa suorituskykyä ja tehokkuutta parannetaan jatkuvasti , ja erittäin laaja valikoima tuotteita lähes kaikille markkinaraoille: erittäin edullisista mikrokontrollereista 64-bittisiin palvelimien suorittimiin.

Yhteenvetona voidaan todeta, että ARM tarjoaa alhaisen virrankulutuksen, edullisen hinnan, hyvän kooditiheyden, kypsät työkalut ja enemmän kuin hyväksyttävän suorituskyvyn, joka paranee jatkuvasti . Se ei aina saavuta x86:n raakaa suorituskykyä huippuluokan pelitietokoneissa, mutta useimmissa tilanteissa sen ei tarvitsekaan saavuttaa sitä.

32-bittinen ja 64-bittinen ARM: viimeaikainen kehitys

Ensimmäiset ARM-mallit olivat 32-bittisiä, ja ne hallitsivat sulautettujen ja mobiililaitteiden markkinoita vuosikymmenten ajan . Vuodesta 2011 alkaen Arm kuitenkin esitteli arkkitehtuureja, joissa oli natiivi 64-bittisyystuki (ARMv8 ja uudemmat), mikä avasi oven paljon raskaammille työkuormille.

Siirtyminen 64-bittiseen arkkitehtuuriin ARM:ssa ei ole tapahtunut RISC-tehokkuuden kustannuksella; pikemminkin se on saavutettu modernin käskykannan kehittyneemmän suunnittelun ansiosta . Tämä mahdollistaa paljon suurempia muistiosoitteita ja erittäin tarkkoja aritmeettisia operaatioita, mikä on jo olennaista huippuluokan mobiililaitteissa ja tietenkin tietokoneissa ja palvelimissa.

Pienempi monimutkaisuus x86-järjestelmään verrattuna on edelleen etu: jopa 64-bittisissä versioissaan ARM-prosessorit tarvitsevat vähemmän transistoreita samaan tehtävään , mikä johtaa alhaisempiin valmistuskustannuksiin ja pienempään virrankulutukseen.

Henkilökohtaisten tietokoneiden alalla tämä on toteutunut prosessoreissa, kuten Apple Silicon (M1, M2, M3…) ja Qualcommin uudessa Snapdragon X Elite -prosessorissa , jotka yhdistävät tehokkaat ytimet tehokkaisiin ytimiin ja integroituun näytönohjaimeen, jotka pystyvät kilpailemaan monien x86-kannettavien kanssa yleisissä tehtävissä.

ARM-tekniikan käyttö tietokoneissa, kannettavissa tietokoneissa ja muissa laitteissa

Perinteisesti ARM-prosessorit oli varattu älypuhelimille, tableteille, älytelevisioille, reitittimille, kannettaville pelikonsoleille ja laitteille, joissa alhainen virrankulutus oli avainasemassa eikä täyttä pöytäkoneen tehoa tarvittu.

Mutta tilanne muuttuu nopeasti. Toisaalta Raspberry Pi:n kaltaiset laitteet ovat osoittaneet, että ARM-järjestelmä voi toimia täydellisesti pöytätietokoneena tai mini-PC:nä toimistotehtäviin sopivalla käyttöjärjestelmällä (yleensä Linux) toimistotyöskentelyyn, selailuun ja kevyeen ohjelmointiin.

Olemme nähneet myös tehokkaampia ARM-pohjaisia ​​tuotteita, kuten NVIDIA Tegra X1:n , jota Nvidia käyttää Shield TV:ssään ja ennen kaikkea Nintendo Switchissä, joissa grafiikkasuorituskyvyn ja virrankulutuksen välinen tasapaino on ratkaisevan tärkeää.

Edistyneiden tablettien saralla Apple on A-sarjan (ja myöhemmin M-sarjan) siruillaan osoittanut, että hyvin suunniteltu ARM SoC voi tarjota upeaa suorituskykyä luovissa sovelluksissa, toimistotyössä ja raskaassa moniajossa ilman aggressiivisia tuulettimia.

Microsoft puolestaan ​​integroi ARM-prosessoreita laitteisiin, kuten Surface Pro X:ään ja muihin Surface-tuoteperheen muunnelmiin , panostaen kevyisiin, hiljaisiin laitteisiin, joissa on integroitu LTE-yhteys ja jotka voivat kilpailla perinteisten kannettavien tietokoneiden kanssa mobiilityössä.

Samaan aikaan Google mainostaa voimakkaasti ARM-käyttöjärjestelmää Chromebook-ekosysteemissään . Chromiumiin ja Androidiin perustuva Chrome OS sopii erinomaisesti tähän arkkitehtuuriin, sillä se tarjoaa edullisia, kevyitä kannettavia tietokoneita, joilla on erinomainen akunkesto. Monet Chromebook-valmistajat valitsevat ARM-järjestelmäpiirit juuri akunkeston maksimoimiseksi ja kustannusten vähentämiseksi.

ARM ja käyttöjärjestelmät: Windows, macOS, Linux ja muut

Vaikka monet ihmiset yhdistävät ARM:n vain mobiililaitteisiin, useimmilla tärkeimmillä käyttöjärjestelmillä on jo kypsä tuki tälle arkkitehtuurille sekä sulautetuissa versioissa että työpöytä- ja palvelinympäristöissä.

Mobiilimaailmassa Android ja iOS ovat toimineet lähes yksinomaan ARM-prosessoreilla jo vuosia hyödyntäen niiden tehokkuusetuja. Siirtyessään Apple Siliconiin Apple on laajentanut tätä filosofiaa myös pöytätietokoneisiinsa ja kannettaviin tietokoneisiinsa luopumalla Intel x86 -prosessoreista.

Apple tarjoaa ARM-prosessoreilla varustetuille Maceille Rosetta 2:n, käännösjärjestelmän, jonka avulla Intelille käännetyt sovellukset voivat toimia yllättävän hyvin. Tämä on helpottanut siirtymistä huomattavasti siinä määrin, että nykyään lähes kaikilla asiaankuuluvilla sovelluksilla on natiivi ARM-versio.

Microsoftin ekosysteemissä Windows on tutkinut erilaisia ​​ARM-lähestymistapoja . Windows CE ja Windows Embedded Compact tukivat ARMv5-, v6- ja v7-versioita sulautettujen järjestelmien maailmassa vuosien ajan. Myöhemmin tuli Windows 8 RT ARM-tableteille, kuten ensimmäiselle Surfacelle, mutta tulokset olivat vaatimattomia ohjelmistorajoitusten vuoksi.

Windows 10 ja Windows 11 vievät tämän askeleen pidemmälle tarjoamalla ARM-versioita, joissa on x86-sovellusemulointi . Windows 11:ssä emulointi ja suorituskyky ovat parantuneet huomattavasti, vaikka yhteensopivuusongelmia esiintyy edelleen joidenkin klassisten työpöytäohjelmistojen kanssa.

Samaan aikaan Linux ja UNIXin kaltaiset järjestelmät ovat ottaneet ARM:n innokkaasti omakseen . Jakelut, kuten Debian, Ubuntu, Arch Linux, Kali, Manjaro, Gentoo ja Oracle Linux, tarjoavat virallisia levykuvia useille ARM-järjestelmäpiireille, mukaan lukien Raspberry Pi ja muut emolevyt.

BSD-puolella FreeBSD, NetBSD ja OpenBSD tukevat kaikki useita ARM-alustoja , ja historialliset järjestelmät, kuten RISC iX, toimivat Acorn-koneilla, jotka perustuivat ARM2/ARM3:een. Lisäksi Solariksella ja muilla UNIX-muunnelmilla on myös ollut toteutuksia tälle arkkitehtuurille.

Reaaliaikaisten ja sulautettujen käyttöjärjestelmien alueella ARM on läsnä Androidissa (sulautettujen laitteiden tapauksessa), Windows CE/Embeddedissä, .NET Micro Frameworkissa, ChibiOS/RT:ssä, FreeRTOS:ssa, eCosissa, Integrityssä, Nucleuksessa, QNX:ssä, RTEMS:ssä, ThreadX:ssä, VxWorksissa, uTaskerissa, MQX:ssä ja monissa muissa . Lista on valtava, koska käytännössä jokainen moderni RTOS tukee ainakin yhtä ARM-profiilia.

Intel, ARM ja big.LITTLE-arkkitehtuurin taustalla oleva inspiraatio

Klassiset pöytätietokoneiden ja kannettavien prosessorit, erityisesti Intelin ja AMD:n prosessorit, ovat vuosien ajan käyttäneet CISC x86/x86-64 -arkkitehtuureja, joissa on suuremmat ja monimutkaisemmat ytimet , tehokkaat virtalähteet ja erilliset jäähdytysjärjestelmät.

Sitä vastoin matkapuhelimien ja sulautettujen järjestelmäpiirien ARM-suunnittelussa on pitkään käytetty big.LITTLE-tyyppisiä heterogeenisiä arkkitehtuureja , joissa tehokkaat ja tehokkaat ytimet yhdistyvät samassa sirussa kulutuksen mukauttamiseksi työmäärän mukaan.

Tämä idea on suoraan inspiroinut Intelin uuden sukupolven hybridi-Core-prosessoreita, jotka yhdistävät tehokkaat ytimet (P-ytimet) tehokkaisiin ytimiin (E-ytimet) samassa paketissa. Vaikka ne eivät käytä ARM-teknologiaa, ne toistavat ARM:n esittelemän lähestymistavan parantaakseen kokonaistehokkuutta ja suorituskykyä.

Suoran kilpailun osalta ARM rajoittui viime aikoihin asti hyvin tiettyihin pöytätietokoneprojekteihin tai Applen ekosysteemiin . Snapdragon X Eliten ja muiden vastaavien projektien myötä Qualcomm ja muut valmistajat pyrkivät kuitenkin haastamaan x86:n valtavirran kannettavissa tietokoneissa.

Suurin este ARM:lle valtavirran PC-tietokoneissa on edelleen ohjelmistojen yhteensopivuus ja pelaamisen tapauksessa riippuvuus x86-piireille optimoiduista näytönohjaimista ja ajureista . Niin kauan kuin AMD ja Intel säilyttävät hallitsevan asemansa erillisissä näytönohjaimissa ja tehokkaissa suorittimissa, pelimaailma pysyy vahvasti sidottuna x86:een.

ARM vs. RISC-V: Kaksi erilaista RISC-arkkitehtuuria

Viime vuosina RISC-V, toinen RISC-arkkitehtuuri, joka kilpailee suoraan ARM:n kanssa monilla rintamilla , on saanut merkittävää näkyvyyttä . ARM:n tavoin RISC-V on suunnattu vähän virtaa kuluttaville laitteille, mutta se eroaa yhdestä keskeisestä ominaisuudesta: se on avoin ja lisenssivapaa ISA.

Vaikka x86-64:n tai ARM:n käyttö edellyttää rojaltien maksamista Intelille, AMD:lle tai Arm Ltd:lle , mikä tahansa yritys tai yksityishenkilö voi suunnitella, valmistaa ja myydä RISC-V-prosessoreita maksamatta käskykannan käyttöoikeuksista. Tämä tekee RISC-V:stä erityisen houkuttelevan maille ja valmistajille, jotka pyrkivät teknologiseen riippumattomuuteen ja kustannussäästöihin.

Tällä hetkellä puhtaasti ominaisuuksien osalta sekä ARM:lla että RISC-V:llä on 64-bittiset laajennukset ja tuki kokonaisille käyttöjärjestelmille . ARM on jo vakiintunut Androidissa, iOS:ssä, macOS:ssä ja Linuxissa, kun taas RISC-V on alkanut saada virallista tukea Androidissa (Google mainostaa sitä huipputason arkkitehtuurina) ja Linux-jakeluissa, kuten Ubuntussa ja Fedorassa.

Valmistajien tuen suhteen ARM:lla on edelleen ylivoimainen etulyöntiasema . Lähes kaikki nykyään saatavilla olevat älypuhelimet, tabletit ja älylaitteet käyttävät ARM:ia, kun taas useimmat nykyiset RISC-V-sirut on edelleen suunnattu kehitystyöhön, mikrokontrollereihin ja hyvin spesifisiin tuotteisiin.

RISC-V on kuitenkin selvästi parempi hinnan ja suunnitteluvapauden suhteen . Lisenssikustannusten puuttuessa on helpompi luoda erittäin halpoja tai erittäin räätälöityjä tuotteita, mikä selittää esimerkiksi Kiinan ja Venäjän kaltaisten maiden kiinnostuksen ottaa tämä arkkitehtuuri käyttöön omissa projekteissaan.

Jos meidän pitäisi valita "voittaja" juuri nyt, ARM olisi edelleen parempi ekosysteemin, saatavilla olevan ohjelmiston ja kypsyyden suhteen . RISC-V on kuitenkin erittäin lupaava kilpailija tulevaisuudessa, erityisesti edullisten laitteiden, esineiden internetin, reitittimien, lähtötason tietokoneiden ja budjettiälypuhelimien alueilla.

Kokonaiskuvaa tarkasteltaessa ARM-arkkitehtuuri on vakiinnuttanut asemansa yhtenä modernin laskennan kulmakivistä : se toimii voimanlähteenä kaikessa päivittäin käyttämistämme matkapuhelimista ultrakevyisiin kannettaviin tietokoneisiin, Chromebookeihin, Apple Silicon -pohjaisiin Maceihin ja laajaan valikoimaan sulautettuja laitteita. Sen RISC-filosofia, energiatehokkuuden ja riittävän suorituskyvyn yhdistelmä, sen lisensointimalli ja laaja käyttöjärjestelmätuki selittävät, miksi se hallitsee niin monia segmenttejä, vaikka uudempia tarjouksia, kuten RISC-V, alkaa ilmestyä avoimena vaihtoehtona suorittimien maailmaan.