Длительное время архитектуры процессоров ARM и х86 развивались параллельными путями, которые практически не пересекались друг с другом. Процессорам ARM история отвела нишу мобильных устройств, а процессоры х86 заняли нишу компьютеров во всем их многообразии видов и назначений.
Но компания Intel, которая является крупнейшим производителем процессоров х86, все же иногда предпринимала попытки нарушить это устоявшееся равновесие и отхватить от пирога мобильных устройств какой-либо значимый кусок. Как, например, в 2012 она выпустила свой х86 процессор Intel Atom Z2580, который применялся во флагманском смартфоне Lenovo K900.
Конечно же, были и другие мобильные устройства с процессорами х86 от Intel, но все их перечислять не буду.
Но такая разведка боем успеха не возымела, оборону производители процессоров ARM держали крепко. И вскоре подобные гаджеты с процессорами х86 растворились в закоулках истории.
И вот настало то время, когда все диаметрально изменилось, и теперь процессоры ARM вытесняют из насиженных и теплых мест процессоры х86.
Чтобы лучше понять, почему это происходит, вспомним, чем отличаются процессоры х86 от ARM.
Принципиальные отличия процессоров х86 от процессоров ARM
Центральный процессор любой архитектуры может работать, только используя наборы команд (инструкции). Они конкретно и точно объясняют процессору, какие фактические действия он должен выполнять, и в какой последовательности.
Например, в некотором процессоре реализована инструкция «вынеси мусор». В ней прописана последовательность простых (коротких) действий, необходимых для успешного выполнения этой задачи, которая выглядела бы так:
- Процессор, посмотри на мусор.
- Подойди к мусору.
- Возьми мусор.
- Подойди к двери.
- Открой дверь.
- Выйди через дверь.
- Закрой дверь.
- Спустись по лестнице
И так далее, принцип понятен.
То есть в этом случае для выполнения задачи по выносу мусора достаточно всего одной команды. Такая инструкция называется сложной и содержит в себе много простых действий. Все процессоры х86 используют именно такие, сложные инструкции. Они называются CISC – Complex Instruction Set Computing (компьютер со сложным набором команд).
Если же процессор проигнорирует сложную команду «вынеси мусор», а будет выполнять только простые команды из вышеперечисленной последовательности, то значит, он использует сокращенные (простые) инструкции. Процессоры ARM как раз и используют эти инструкции. Называются они RISC – Reduced Instruction Set Computing (компьютер с сокращенным набором команд).
Слева сложные инструкции процессоров х86, а справа сокращенные инструкции процессоров ARM
Таким образом процессоры х86 (Intel и AMD) это CISC, а процессоры ARM (Qualcomm, Apple, Samsung, Media Tek, Миландр и многие другие) это RISC.
Соответственно и микроархитектура (физическая конструкция) процессоров х86 и ARM сильно отличается друг от друга.
Процессоры х86 имеют сложную внутреннюю конфигурацию с громоздкими модулями и большим количеством функциональных блоков инструкций. В них хранятся инструкции, которые накапливались на всем протяжении их эволюции. Начиная от инструкций, использовавшихся в самых первых процессорах, и до самых современных. То есть хранятся даже те инструкции, которые сейчас могут практически не использоваться, и только занимают транзисторный ресурс.
Общее количество транзисторов этих процессоров велико и на порядок больше чем у процессоров ARM аналогичной производительности. Например, у процессора того времени i386 (х86) их было 275 тыс., а у близкого по производительности процессора ARM2 всего 30 тыс.
Производительность процессоров х86 высока, но из-за сложной микроархитектуры имеют и очень большое энергопотребление.
Процессоры ARM используют простые инструкции с ограниченной длиной. Их модули достаточно просты, межмодульные соединения более эффективны. Количество транзисторов на порядок меньше. В результате энергопотребление и тепловыделение также значительно меньше.
Кроме того, они имеют на борту большое количество регистров, в которых хранятся необходимые оперативные данные, благодаря чему не происходит частого обращения к памяти. Что несколько повышает быстродействие. Но все же их быстродействие ниже чем у процессоров х86.
А если сравнивать производительность процессоров ARM и х86 на Ватт потребленной электроэнергии, то безусловным лидером окажутся процессоры ARM. Так сказать, КПД их производительности самое высокое.
То есть, процессоры х86 – это высокое быстродействие при большом энергопотреблении. А процессоры ARM – это посредственное быстродействие при низком энергопотреблении.
Раньше так и было, поэтому у каждого из процессоров была своя ниша устройств и они между собой практически не конкурировали. Но постепенно эта грань между ними стиралась, и сейчас все изменилось.
Захват процессорами ARM серверного сегмента
Процессоры ARM быстро совершенствовались, их производительность при сохранении низкого энергопотребления планомерно увеличивалась. И в 2010 году процессоры ARM ворвались в серверный сегмент.
Дело в том, что в серверном сегменте не нужна сложнейшая десятиэтажная математика. Сервер должен быстро принимать, обрабатывать, находить нужные данные и быстро их передавать. А также, что очень важно, быть энергоэффективным. Разработчики серверных платформ все время искали и продолжают искать решения позволяющие снизить энергопотребление.
Вот тут как раз и подоспел процессор ARM Cortex-A15, который имел вполне удовлетворительную производительность для серверных нужд и отличную энергоэффективность.
Процессоры ARM с маленькими радиаторами в сервере
Его применение в серверах оказалось вполне удачным. И в дальнейшем использование в серверном сегменте процессоров ARM только набирало обороты. Тут подтянулись и разработчики ПО, создавшие необходимые экосистемы для ARM-серверов.
Как компании Apple удалось первой перейти на процессоры ARM
Понимая преимущества и далеко идущие вперед перспективы процессоров ARM, многие компании обдумывали или же уже пытались внедрить их в свои ПК. Но большинство из компаний попадали в тупик: ни операционная система Windows, ни программы не оптимизированы под ARM. Это заставляло их отказываться от идеи перехода и оставаться на процессорах х86, под которые были оптимизированы так все необходимые пользователю программы и ОС Windows.
Однако компании Apple, выпускавшей в течение 15 лет свои компьютеры на процессорах х86, удалось весьма удачно перейти на процессоры ARM. В 2020 году она заявила о переходе на процессоры ARM собственной разработки. У Apple были для этого все необходимые составляющие. Это и создание собственных операционных систем, дающее возможность самостоятельно адаптировать их под различные архитектуры процессоров. Это и самостоятельная разработка самих процессоров, и собственный язык программирования Swift. Все это в комплексе и позволило успешно осуществить переход на ARM. В пределах одной компании осуществить это было реально.
Первым компьютером, перешедшим на ARM, был MacBook Air на процессоре М1.
Следующим стал MacBook Pro и Mac Mini. И дальнейший переход компьютеров Apple на ARM будет только ускоряться.
Как на развитие процессоров ARM реагировали компании Intel и AMD
Ну а что же компании Intel и AMD, разве они не увидели перспективы ARM архитектуры. Оказывается, увидели, и уже давно, начиная с 1990 года, постепенно внедряют RISC-модули в свои процессоры х86. Которые уже больше, чем наполовину состоят из этих RISC-модулей. Для преобразования CISC-команд в RISC-команды процессоры х86 обзавелись декодером, который разбивает сложные команды на множество простых.
Компания Intel пошла еще дальше и скопировала с процессоров ARM даже структуру производительных и энергоэффективных ядер. Эту структуру Intel начала применять в своих процессорах 12 и последующих поколений. Она дает возможность исполнять многие процессы на энергоэффективных ядрах, уменьшая энергопотребление.
Тем не менее процессоры х86 никогда не смогут быть процессорами ARM. Уж сильно велик и громоздок хвост у процессоров х86, и его сложно сбросить.
Противостояние процессоров ARM и х86 будет и дальше продолжаться, как в серверном сегменте, так и в нише портативных устройств. И я думаю, что победителем выйдут процессоры ARM.
Пишите в комментариях, как вы считаете, лет через десять будут ли использоваться в компьютерах процессоры х86, или их полностью вытеснит архитектура ARM.