Kiến trúc ARM trong máy tính là gì và tại sao nó lại quan trọng?

Informatec Digital » Recursos » Kiến trúc ARM trong máy tính là gì và tại sao nó lại quan trọng?

Kiến trúc ARM đã phát triển từ việc cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử đơn giản đến việc cung cấp năng lượng cho máy tính xách tay, máy tính để bàn và máy chủ . Nếu bạn đã từng sử dụng điện thoại Android, iPhone, Raspberry Pi hoặc máy Mac đời mới, bạn đã làm việc với các bộ xử lý dựa trên thiết kế này, ngay cả khi bạn không nhận ra điều đó.

Trong những dòng tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét chi tiết kiến ​​trúc ARM trong máy tính thực chất là gì, cách thức hoạt động, nguồn gốc của nó và lý do tại sao nó đang thay đổi cục diện so với kiến ​​trúc x86 của Intel và AMD . Chúng ta cũng sẽ thảo luận về mối quan hệ của nó với RISC-V, vai trò của nó trong Windows, macOS và Linux, và lý do tại sao các nhà sản xuất lớn lại lựa chọn loại CPU này.

Kiến trúc ARM là gì và nó dựa trên nền tảng nào?

Khi nói về ARM, chúng ta đang đề cập đến kiến ​​trúc tập lệnh RISC (Reduced Instruction Set Computing) , được thiết kế cho các bộ xử lý công suất thấp nhưng ngày càng mạnh mẽ, được sử dụng từ các vi điều khiển nhỏ xíu đến máy tính cá nhân và trung tâm dữ liệu.

Không giống như các kiến ​​trúc CISC như x86/x86-64 (xem sự khác biệt giữa bộ xử lý Intel và AMD ), ARM dựa trên một tập lệnh đơn giản hơn, nhỏ gọn hơn và hiệu quả cao . Điều này cho phép tạo ra các bộ xử lý có ít bóng bán dẫn hơn, độ phức tạp bên trong thấp hơn và tiêu thụ điện năng thấp hơn đáng kể — một yếu tố quan trọng trong các thiết bị di động siêu nhẹ và máy tính xách tay.

Một điểm quan trọng cần lưu ý là ARM Holdings (nay là Arm Ltd.) không tự sản xuất bộ vi xử lý . Công ty thiết kế kiến ​​trúc và lõi xử lý, sau đó cấp phép công nghệ đó cho bên thứ ba (Apple, Qualcomm, Samsung, v.v.), những bên này tích hợp công nghệ đó vào các SoC của riêng họ bằng cách thêm GPU tùy chỉnh, bộ điều khiển bộ nhớ, modem và các thành phần khác.

Trên thực tế, điều này có nghĩa là có hàng trăm biến thể bộ xử lý ARM với hành vi và hiệu năng khá khác nhau , mặc dù tất cả đều chia sẻ cùng một tập lệnh cơ bản, cho phép phát triển các hệ điều hành và ứng dụng tương thích.

Tóm lược lịch sử của ARM: từ hạt giống đến vị thế thống trị thị trường.

Câu chuyện về ARM bắt đầu vào năm 1983, khi Acorn Computers quyết định phát triển một bộ xử lý mới dựa trên kinh nghiệm của họ với MOS 6502 , con chip được sử dụng trong nhiều máy tính cá nhân của họ vào thời điểm đó. Dự án được dẫn dắt bởi Sophie Wilson và Steve Furber.

Mục tiêu của họ là tạo ra một bộ xử lý tiên tiến nhưng có cấu trúc bên trong rất đơn giản, không sử dụng vi mã và tuân theo triết lý RISC rõ ràng . Năm 1985, họ hoàn thành thiết kế nguyên mẫu đầu tiên, ARM1, và năm 1986, ARM2 ra đời, phiên bản thương mại đầu tiên được sử dụng trong các máy tính như Acorn Archimedes.

Bộ vi xử lý ARM2 có bus dữ liệu 32 bit, không gian địa chỉ 26 bit và 16 thanh ghi đa năng 32 bit . Một trong những thanh ghi này được sử dụng làm bộ đếm chương trình (PC), với một số bit được sử dụng cho các cờ trạng thái. Về mặt kỹ thuật, nó cực kỳ đơn giản: khoảng 30.000 bóng bán dẫn và không có bộ nhớ đệm.

Sự đơn giản này dẫn đến mức tiêu thụ năng lượng cực thấp so với thời gian và hiệu năng vượt trội so với Intel 286. Thế hệ kế tiếp, ARM3, đã bổ sung thêm bộ nhớ đệm thống nhất nhỏ 4 KB giúp cải thiện đáng kể khả năng truy cập bộ nhớ lặp đi lặp lại.

Vào cuối những năm 80, Apple bắt đầu hợp tác với Acorn để phát triển các phiên bản mới của lõi ARM . Để tránh những lo ngại từ các nhà sản xuất khác, công ty độc lập Advanced RISC Machines (ARM) được thành lập vào năm 1990, với nhiệm vụ thiết kế và cấp phép cho các thế hệ bộ xử lý tiếp theo.

Giai đoạn này chứng kiến ​​sự xuất hiện của ARM6, được giới thiệu vào năm 1991, được Apple sử dụng trong Newton (ARM 610) và bởi Acorn trong RiscPC. Lõi xử lý vẫn khá đơn giản: chỉ có 35.000 bóng bán dẫn , cho phép nó được tích hợp với nhiều thiết bị ngoại vi khác nhau và tạo thành các hệ thống tùy chỉnh.

Bước tiến vượt bậc của ARM vào thị trường tiêu dùng đến từ vi xử lý ARM7TDMI, được tìm thấy trong hàng triệu điện thoại di động, máy chơi game cầm tay và hệ thống nhúng . Đồng thời, Digital (DEC) đã cấp phép thiết kế và tạo ra StrongARM, có khả năng hoạt động ở tốc độ 233 MHz trong khi chỉ tiêu thụ khoảng 1 W, một cột mốc về hiệu quả năng lượng.

Theo thời gian, công nghệ này đã rơi vào tay Intel, hãng đã tích hợp nó vào dòng sản phẩm Intel i960 và các giải pháp XScale của mình, trong khi các tập đoàn lớn khác như Freescale, IBM, Texas Instruments, Nintendo, Philips, Samsung, STMicroelectronics hay Atmel cũng đã cấp phép sử dụng kiến ​​trúc ARM.

Hiện nay, khoảng ba phần tư số bộ xử lý 32-bit trên thế giới sử dụng lõi ARM . Điều này thể hiện sự hiện diện rộng khắp: ổ cứng, bộ định tuyến, đồ chơi, ô tô, tivi, điện thoại di động, máy tính bảng, máy tính xách tay, và ngày càng nhiều hơn là máy tính cá nhân và máy chủ.

Các dòng bộ xử lý ARM chính

Trong nhiều thập kỷ, ARM đã cho ra mắt nhiều dòng và phiên bản kiến ​​trúc khác nhau (ARMv1, v2, v3, v.v.), mỗi phiên bản đều có những cải tiến về hiệu năng, dung lượng bộ nhớ, bộ nhớ đệm, hỗ trợ số thực và các tính năng bổ sung.

Các thế hệ đầu tiên, chẳng hạn như ARM1, ARM2 và ARM3 (ARMv1 và ARMv2) , tập trung vào việc cung cấp CPU 32-bit rất đơn giản cho các máy tính như BBC Micro với bộ xử lý phụ ARM, Acorn Archimedes hoặc RiscPC. Các chip này thiếu bộ quản lý bộ nhớ (MMU) đầy đủ (trong một số trường hợp sử dụng MEMC bên ngoài) và có rất ít hoặc không có bộ nhớ đệm.

Với dòng ARM6 (ARMv3) , bước nhảy vọt sang khả năng định địa chỉ 32 bit hoàn chỉnh được thực hiện, và các lõi như ARM600 hoặc ARM610 được tích hợp, một số có bộ nhớ đệm tích hợp và các bus chuyên dụng cho bộ xử lý phụ dấu phẩy động.

Sau đó xuất hiện ARM7 và ARM7TDMI (ARMv3 và ARMv4T) , hỗ trợ tập lệnh Thumb 16-bit, kiến ​​trúc đường ống 3 giai đoạn và các biến thể có bộ nhớ đệm, MMU hoặc MPU. Các lõi này là nền tảng cho các sản phẩm phổ biến như Game Boy Advance, Nintendo DS, Apple iPod và các hệ thống nhúng từ NXP, Atmel và Psion.

Song song đó, dòng StrongARM (ARMv4) xuất hiện , kết quả của sự hợp tác với DEC, tập trung vào việc đạt được hiệu năng MIPS cao trên mỗi watt cho các PDA và máy tính nhỏ (Apple Newton 2×00, iPAQ, Zaurus, v.v.), với bộ nhớ cache L1 tương đối lớn so với thời điểm đó và một bộ quản lý bộ nhớ (MMU) hoàn chỉnh.

Sau đó, các dòng ARM9, ARM9E và ARM10E (ARMv4T và ARMv5) đã giới thiệu các đường ống xử lý sâu hơn, cải tiến các lệnh DSP, hỗ trợ Thumb rộng hơn, khả năng Jazelle để thực thi mã bytecode Java trên phần cứng và bộ nhớ cache lớn hơn, có thể cấu hình được. Các lõi này được sử dụng trong điện thoại di động, máy ảnh kỹ thuật số, thiết bị mạng, máy chơi game cầm tay và vô số các hệ thống trên chip (SoC) khác.

Một nhánh quan trọng là XScale (ARMv5TE) , được Intel mua lại, được thiết kế cho các bộ xử lý ứng dụng và bộ xử lý mạng với tần số cao, bộ nhớ đệm L1/L2 lớn và, trong một số trường hợp, bộ tăng tốc RAID hoặc các chức năng rất cụ thể cho I/O.

ARM11 (ARMv6) giới thiệu kiến ​​trúc đường ống xử lý lên đến 9 giai đoạn, hỗ trợ SIMD, Thumb-2, Jazelle DBX, cải tiến DSP và các công nghệ bảo mật như TrustZone. Các nhân hệ điều hành này đã được sử dụng trong các thiết bị nổi tiếng như iPhone đời đầu, iPod touch thế hệ đầu, một số điện thoại Nokia Nseries, máy chơi game và Raspberry Pi đời đầu.

Cuộc cách mạng hiện đại vĩ đại đã đến với dòng vi xử lý Cortex , đặc biệt là trong kiến ​​trúc ARMv7-A và các cấu hình ứng dụng sau này. Các lõi như Cortex-A5, Cortex-A8, Cortex-A9 và các biến thể đa lõi (MPCore) của chúng đã trở thành tiêu chuẩn thực tế trong điện thoại thông minh, máy tính bảng, TV thông minh và máy tính xách tay cấu hình thấp.

Các lõi này tích hợp khả năng thực thi siêu vô hướng, các đường ống xử lý sâu, NEON (SIMD), VFP cho các phép toán dấu phẩy động, Thumb-2 tiên tiến và TrustZone . Chúng được tìm thấy trong các SoC như dòng OMAP của Texas Instruments, Samsung Exynos, Nvidia Tegra, Qualcomm Snapdragon và Apple A4/A8 cùng các thế hệ kế tiếp.

Trong lĩnh vực vi điều khiển và hệ thống nhúng, các dòng Cortex-R (kiểu xử lý thời gian thực) và Cortex-M (kiểu xử lý vi điều khiển) nổi bật , với các biến thể như Cortex-R4, Cortex-M0, M1, M3 và M4, được thiết kế cho các hệ thống quan trọng, điều khiển công nghiệp, ô tô và điện tử tiêu dùng, nơi khả năng dự đoán thời gian phản hồi và hiệu quả là tối quan trọng.

Tập lệnh ARM: RISC, các câu lệnh điều kiện và các chế độ Thumb

Tập lệnh ARM được thiết kế từ đầu như một kiến ​​trúc RISC thuần túy: các lệnh đơn giản, có kích thước cố định, trong nhiều trường hợp có thể được thực thi trong một chu kỳ xung nhịp . Mấu chốt là trình biên dịch phải tạo ra các chuỗi lệnh hiệu quả với một vài lệnh có tính nguyên tử cao.

Một đặc điểm rất đặc biệt là, trong chế độ 32-bit cổ điển, mỗi lệnh đều bao gồm một mã điều kiện trong 4 bit cao nhất của nó . Điều này cho phép hầu như bất kỳ lệnh nào cũng có thể được thực thi có điều kiện (chỉ được thực thi nếu đáp ứng các cờ nhất định), giảm nhu cầu sử dụng lệnh nhảy và ngăn chặn hiện tượng tắc nghẽn đường ống trong các khối mã nhỏ với các điều kiện thường xuyên.

Hơn nữa, ARM cho phép kết hợp các phép toán số học/logic với việc dịch chuyển và xoay thanh ghi trong một lệnh duy nhất . Ví dụ, một lệnh tương đương trong C với “a += (j << 2);” có thể được biểu diễn bằng một lệnh ARM duy nhất để cộng một giá trị đã được dịch chuyển vào thanh ghi, giúp tiết kiệm lệnh và truy cập bộ nhớ.

Một ưu điểm khác là tập địa chỉ hỗ trợ các chế độ tăng trước và tăng sau, định địa chỉ tương đối và các phương pháp định địa chỉ linh hoạt khác , điều này không phổ biến ở các kiến ​​trúc khác cũng được coi là RISC. Tất cả những điều này góp phần giảm tổng số lệnh và cải thiện hiệu suất trên mỗi chu kỳ.

Kiến trúc cổ điển định nghĩa 16 thanh ghi 32 bit (R0-R15) mà lập trình viên có thể nhìn thấy . Về nguyên tắc, chúng đối xứng, mặc dù R15 được sử dụng làm bộ đếm chương trình (PC), R14 thường hoạt động như một thanh ghi liên kết (địa chỉ trả về của các chương trình con hoặc ngoại lệ) và R13 được sử dụng làm con trỏ ngăn xếp.

Kiến trúc ARM có hai chế độ thực thi chính: chế độ ARM (lệnh 32-bit) và chế độ Thumb (lệnh 16-bit) . Chế độ ARM cung cấp nhiều sức mạnh hơn (tập lệnh đầy đủ hơn) nhưng tạo ra mã lớn hơn; chế độ Thumb giảm một nửa kích thước của mỗi lệnh, cải thiện mật độ mã và trong nhiều trường hợp, hiệu suất trên các hệ thống có bus bộ nhớ hẹp hơn.

Thumb về cơ bản là một tập hợp con của các lệnh được sử dụng thường xuyên nhất trong kiến ​​trúc ARM . Bộ xử lý đầu tiên tích hợp nó là ARM7TDMI, và kể từ đó, hầu hết các dòng sản phẩm tiếp theo (ARM9, XScale, Cortex, v.v.) đều hỗ trợ Thumb hoặc phiên bản cải tiến của nó, Thumb-2.

Ngoài ra, còn có Jazelle DBX, một công nghệ cho phép mã bytecode Java chạy trực tiếp trên phần cứng ở một số lõi nhất định (những lõi có tên chứa chữ "J", chẳng hạn như ARM926EJ-S). Chức năng này nhằm mục đích tăng tốc các máy ảo Java trên các thiết bị có tài nguyên hạn chế.

Những ưu điểm chính của kiến ​​trúc ARM

Sự phổ biến của ARM không phải là ngẫu nhiên: nó xuất phát từ sự kết hợp giữa hiệu quả năng lượng, tính linh hoạt trong thiết kế, chi phí và hiệu năng đủ đáp ứng hầu hết các nhu cầu sử dụng.

Một mặt, với kiến ​​trúc RISC có tập lệnh tương đối nhỏ và không có mã vi lệnh phức tạp, các lõi ARM có thể được sản xuất với số lượng bóng bán dẫn ít hơn nhiều so với thiết kế x86 tương đương . Ít bóng bán dẫn hơn đồng nghĩa với mức tiêu thụ điện năng thấp hơn, ít tỏa nhiệt hơn và chip nhỏ hơn, rẻ hơn.

Điều này cho phép bộ xử lý ARM cung cấp hiệu năng khá tốt với mức tiêu thụ điện năng tối thiểu , một yếu tố quan trọng trong điện thoại di động, máy tính bảng, máy tính xách tay siêu nhẹ, thiết bị IoT và hệ thống nhúng chạy bằng pin hoặc có giới hạn về nhiệt.

Mô hình cấp phép cũng có lợi cho ARM: ARM bán quyền sở hữu trí tuệ của các lõi xử lý cho tất cả các loại nhà sản xuất , những người có thể tùy chỉnh chúng, kết hợp chúng với các khối khác (GPU, modem, bộ tăng tốc AI) và tạo ra các SoC hoàn toàn phù hợp với sản phẩm của họ.

Điều này tạo ra một hệ sinh thái khổng lồ gồm các nhà sản xuất, với những cải tiến liên tục về hiệu suất và hiệu quả , cùng với một loạt các sản phẩm đa dạng đáp ứng hầu hết mọi nhu cầu: từ bộ vi điều khiển siêu rẻ đến CPU 64-bit dành cho máy chủ.

Tóm lại, ARM cung cấp khả năng tiêu thụ điện năng thấp, chi phí phải chăng, mật độ mã tốt, các công cụ đã hoàn thiện và hiệu năng hơn cả mong đợi, đồng thời vẫn đang tiếp tục được cải thiện . Nó không phải lúc nào cũng đạt được hiệu năng thô như x86 trong các máy tính để bàn chơi game cao cấp, nhưng trong hầu hết các trường hợp, điều đó không cần thiết.

ARM 32-bit và 64-bit: sự phát triển gần đây

Những thiết kế ARM đầu tiên là 32-bit, và trong nhiều thập kỷ, chúng đã thống trị thị trường thiết bị nhúng và di động . Tuy nhiên, bắt đầu từ năm 2011, ARM đã giới thiệu các kiến ​​trúc hỗ trợ 64-bit gốc (ARMv8 trở lên), mở ra cánh cửa cho các khối lượng công việc nặng hơn nhiều.

Việc chuyển sang kiến ​​trúc 64-bit trong ARM không làm giảm hiệu quả của kiến ​​trúc RISC; ngược lại, nó đạt được nhờ thiết kế tinh vi hơn của tập lệnh hiện đại . Điều này tạo điều kiện cho địa chỉ bộ nhớ lớn hơn nhiều và các phép toán số học với độ chính xác mở rộng, điều vốn đã rất cần thiết trong các thiết bị di động cao cấp và, tất nhiên, trong máy tính và máy chủ.

So với kiến ​​trúc x86, độ phức tạp giảm vẫn là một lợi thế: ngay cả trong các phiên bản 64-bit, bộ xử lý ARM vẫn duy trì ít bóng bán dẫn hơn cho cùng một tác vụ , dẫn đến chi phí sản xuất thấp hơn và mức tiêu thụ điện năng thấp hơn.

Trong lĩnh vực máy tính cá nhân, điều này đã được hiện thực hóa ở các bộ xử lý như Apple Silicon (M1, M2, M3…) và Snapdragon X Elite mới của Qualcomm , kết hợp các lõi hiệu năng cao với các lõi tiết kiệm năng lượng và đồ họa tích hợp, có khả năng cạnh tranh với nhiều máy tính xách tay x86 trong các tác vụ thông thường.

Ứng dụng kiến ​​trúc ARM trong máy tính, máy tính xách tay và các thiết bị khác.

Theo truyền thống, bộ xử lý ARM thường được dành riêng cho điện thoại thông minh, máy tính bảng, TV thông minh, bộ định tuyến, máy chơi game cầm tay và các thiết bị điện tử mà mức tiêu thụ điện năng thấp là yếu tố quan trọng và không cần đến sức mạnh xử lý của máy tính để bàn.

Nhưng điều đó đang thay đổi nhanh chóng. Một mặt, các thiết bị như Raspberry Pi đã chứng minh rằng hệ thống ARM có thể hoạt động hoàn hảo như một máy tính vi mô để bàn hoặc máy tính mini cho các tác vụ văn phòng với một hệ điều hành phù hợp (thường là Linux) cho công việc văn phòng, duyệt web và lập trình cơ bản.

Chúng ta cũng đã thấy những sản phẩm dựa trên kiến ​​trúc ARM mạnh mẽ hơn như NVIDIA Tegra X1 , được Nvidia sử dụng trong Shield TV và trên hết là Nintendo trong Switch, nơi mà sự cân bằng giữa hiệu năng đồ họa và mức tiêu thụ điện năng là rất quan trọng.

Trong lĩnh vực máy tính bảng cao cấp, Apple, với các chip dòng A (và sau này là dòng M), đã chứng minh rằng một SoC ARM được thiết kế tốt có thể mang lại hiệu năng vượt trội trong các ứng dụng sáng tạo, công việc văn phòng và đa nhiệm nặng, mà không cần đến hệ thống quạt tản nhiệt mạnh mẽ.

Về phía mình, Microsoft tích hợp bộ xử lý ARM vào các thiết bị như Surface Pro X và các biến thể khác của dòng Surface , đặt cược vào các thiết bị nhẹ, hoạt động êm ái với kết nối LTE tích hợp, có thể cạnh tranh với máy tính xách tay truyền thống trong công việc di động.

Trong khi đó, Google đang tích cực quảng bá ARM trong hệ sinh thái Chromebook của mình . Hệ điều hành Chrome OS, dựa trên Chromium và Android, rất phù hợp với kiến ​​trúc này, cung cấp các máy tính xách tay giá cả phải chăng, nhẹ với thời lượng pin tuyệt vời. Nhiều nhà sản xuất Chromebook đang lựa chọn SoC ARM chính xác để tối đa hóa thời lượng pin và giảm chi phí.

Kiến trúc ARM và hệ điều hành: Windows, macOS, Linux và các hệ điều hành khác.

Mặc dù nhiều người chỉ liên tưởng ARM với các thiết bị di động, nhưng hầu hết các hệ điều hành lớn hiện nay đều đã hỗ trợ đầy đủ kiến ​​trúc này , cả trong các hệ thống nhúng lẫn môi trường máy tính để bàn và máy chủ.

Trong lĩnh vực di động, Android và iOS hầu như chỉ sử dụng bộ xử lý ARM trong nhiều năm , tận dụng lợi thế về hiệu quả của chúng. Apple, với việc chuyển sang Apple Silicon, cũng đã mở rộng triết lý này sang máy tính để bàn và máy tính xách tay của mình, từ bỏ bộ xử lý Intel x86.

Trên các máy Mac sử dụng bộ xử lý ARM, Apple cung cấp Rosetta 2, một hệ thống chuyển đổi cho phép các ứng dụng được biên dịch cho Intel chạy với hiệu năng tốt đáng ngạc nhiên. Điều này đã tạo điều kiện thuận lợi rất nhiều cho quá trình chuyển đổi, đến mức ngày nay hầu hết các ứng dụng quan trọng đều có phiên bản ARM gốc.

Trong hệ sinh thái của Microsoft, Windows đã khám phá nhiều cách tiếp cận khác nhau đối với ARM . Windows CE và Windows Embedded Compact đã hỗ trợ ARMv5, v6 và v7 trong môi trường nhúng trong nhiều năm. Sau đó, Windows 8 RT ra đời cho máy tính bảng ARM như Surface đời đầu, nhưng kết quả khá khiêm tốn do những hạn chế về phần mềm.

Windows 10 và Windows 11 tiến thêm một bước nữa, cung cấp các phiên bản ARM với khả năng giả lập ứng dụng x86 . Trong Windows 11, khả năng giả lập và hiệu năng đã được cải thiện đáng kể, mặc dù vẫn còn một số vấn đề tương thích với một số phần mềm máy tính để bàn cổ điển.

Trong khi đó, Linux và các hệ thống tương tự UNIX đã đón nhận ARM một cách khá nhiệt tình . Các bản phân phối như Debian, Ubuntu, Arch Linux, Kali, Manjaro, Gentoo và Oracle Linux đều cung cấp các ảnh hệ thống chính thức cho nhiều SoC ARM khác nhau, bao gồm cả Raspberry Pi và các bo mạch khác.

Về phía hệ điều hành BSD, FreeBSD, NetBSD và OpenBSD đều hỗ trợ nhiều nền tảng ARM , và các hệ thống cũ như RISC iX từng chạy trên máy Acorn dựa trên ARM2/ARM3. Ngoài ra, Solaris và các biến thể UNIX khác cũng đã có các triển khai cho kiến ​​trúc này.

Trong lĩnh vực hệ điều hành thời gian thực và hệ điều hành nhúng, ARM hiện diện trong Android (đối với các thiết bị nhúng), Windows CE/Embedded, .NET Micro Framework, ChibiOS/RT, FreeRTOS, eCos, Integrity, Nucleus, QNX, RTEMS, ThreadX, VxWorks, uTasker, MQX, và nhiều hệ điều hành khác nữa . Danh sách này rất dài vì hầu như mọi hệ điều hành thời gian thực hiện đại đều hỗ trợ ít nhất một cấu hình ARM.

Intel, ARM và nguồn cảm hứng đằng sau kiến ​​trúc big.LITTLE

Các bộ vi xử lý máy tính để bàn và máy tính xách tay cổ điển, đặc biệt là của Intel và AMD, từ lâu đã sử dụng kiến ​​trúc CISC x86/x86-64 với các lõi lớn hơn và phức tạp hơn , được hỗ trợ bởi các bộ nguồn mạnh mẽ và hệ thống làm mát chuyên dụng.

Ngược lại, các thiết kế của ARM dành cho điện thoại di động và SoC nhúng từ lâu đã lựa chọn kiến ​​trúc không đồng nhất kiểu big.LITTLE , kết hợp các lõi mạnh mẽ và các lõi tiết kiệm năng lượng trong cùng một chip để điều chỉnh mức tiêu thụ theo khối lượng công việc.

Ý tưởng này đã trực tiếp truyền cảm hứng cho thế hệ bộ xử lý Core lai mới của Intel, kết hợp các lõi hiệu năng cao (lõi P) với các lõi tiết kiệm năng lượng (lõi E) trong một gói duy nhất. Mặc dù không sử dụng kiến ​​trúc ARM, nhưng chúng vẫn sao chép phương pháp được ARM giới thiệu để cải thiện hiệu quả và hiệu năng tổng thể.

Về cạnh tranh trực tiếp, cho đến gần đây ARM chỉ được sử dụng trong các dự án máy tính để bàn rất cụ thể hoặc hệ sinh thái của Apple . Tuy nhiên, với Snapdragon X Elite và các dự án tương tự khác, Qualcomm và các nhà sản xuất khác đang nhắm đến việc thách thức x86 trong phân khúc máy tính xách tay phổ thông.

Trở ngại lớn nhất đối với ARM trong phân khúc PC phổ thông vẫn là khả năng tương thích phần mềm và, trong trường hợp chơi game, sự phụ thuộc vào GPU và trình điều khiển được tối ưu hóa cho x86 . Chừng nào AMD và Intel còn duy trì vị thế thống trị của họ trong lĩnh vực card đồ họa rời và CPU hiệu năng cao, thế giới game sẽ vẫn gắn bó chặt chẽ với x86.

ARM so với RISC-V: Hai kiến ​​trúc RISC khác nhau

Trong những năm gần đây, RISC-V, một kiến ​​trúc RISC khác cạnh tranh trực tiếp với ARM trên nhiều phương diện , đã thu hút được sự chú ý đáng kể . Giống như ARM, RISC-V hướng đến các thiết bị tiêu thụ điện năng thấp, nhưng nó khác biệt ở một khía cạnh quan trọng: đó là một tập lệnh mở và không cần giấy phép.

Trong khi việc sử dụng x86-64 hoặc ARM đòi hỏi phải trả tiền bản quyền cho Intel, AMD hoặc Arm Ltd. , thì bất kỳ công ty hoặc cá nhân nào cũng có thể thiết kế, sản xuất và bán bộ xử lý RISC-V mà không cần trả phí bản quyền tập lệnh. Điều này làm cho RISC-V trở nên đặc biệt hấp dẫn đối với các quốc gia và nhà sản xuất đang tìm kiếm sự độc lập về công nghệ và giảm chi phí.

Hiện tại, xét về khả năng thuần túy, cả ARM và RISC-V đều có các phần mở rộng 64-bit và hỗ trợ các hệ điều hành hoàn chỉnh . ARM đã được sử dụng rộng rãi trên Android, iOS, macOS và Linux, trong khi RISC-V đang bắt đầu nhận được sự hỗ trợ chính thức trên Android (Google đang quảng bá nó như một kiến ​​trúc hàng đầu) và trên các bản phân phối Linux như Ubuntu và Fedora.

Về mặt hỗ trợ từ nhà sản xuất, ARM vẫn giữ ưu thế vượt trội . Hầu hết các điện thoại thông minh, máy tính bảng và thiết bị thông minh hiện nay đều sử dụng ARM, trong khi hầu hết các chip RISC-V hiện tại vẫn hướng đến phát triển phần mềm, vi điều khiển và các sản phẩm rất chuyên dụng.

Tuy nhiên, RISC-V rõ ràng vượt trội hơn về giá cả và tính tự do thiết kế . Không có chi phí bản quyền, việc tạo ra các sản phẩm siêu rẻ hoặc được tùy chỉnh cao trở nên dễ dàng hơn, điều này giải thích lý do tại sao các quốc gia như Trung Quốc và Nga lại quan tâm đến việc áp dụng kiến ​​trúc này cho các dự án của riêng họ.

Nếu phải chọn ra "người chiến thắng" ngay bây giờ, ARM vẫn sẽ vượt trội hơn về hệ sinh thái, phần mềm hiện có và độ hoàn thiện . Tuy nhiên, RISC-V là một đối thủ rất triển vọng trong tương lai, đặc biệt là trong các lĩnh vực thiết bị giá rẻ, IoT, bộ định tuyến, máy tính cá nhân cấp thấp và điện thoại thông minh giá rẻ.

Nhìn vào bức tranh tổng thể, kiến ​​trúc ARM đã khẳng định vị thế là một trong những nền tảng của điện toán hiện đại : nó cung cấp sức mạnh cho mọi thứ, từ điện thoại di động chúng ta sử dụng hàng ngày đến máy tính xách tay siêu nhẹ, Chromebook, máy Mac với chip Apple Silicon và vô số thiết bị nhúng. Triết lý RISC, sự kết hợp giữa hiệu quả năng lượng và hiệu năng vượt trội, mô hình cấp phép và khả năng hỗ trợ hệ điều hành rộng rãi giải thích tại sao nó thống trị rất nhiều phân khúc, ngay cả khi các sản phẩm mới hơn như RISC-V bắt đầu nổi lên như một lựa chọn thay thế mở trong thế giới CPU.