Новостной и аналитический портал "время электроники". Процессоры ARM: особенности архитектуры, отличия и перспективы

Компания ARM представила энергоэффективный процессор Cortex-A7, предназначенный для совместного использования с Cortex-A15 в рамках гетерогенной многоядерной технологии управления потреблением.

A7 - процессор с одновременным запуском двух команд и восьмиступенчатым конвейером, который оптимизирован по энергоэффективности, но поддерживает ту же виртуализацию и расширенную адресацию, что и А15. ARM рассчитывает на то, что ее партнеры воспользуются комбинацией ядер А7 и А15 для поддержки разных приложений для обеспечения энергоэффективных решений. В качестве альтернативного варианта можно использовать А7 в одно- или двухъядерной реализации в недорогих смартфонах.

ARM ожидает, что в 2013 г. в смартфонах будут установлены многоядерные кристаллы, представляющие собой комбинацию двухъядерного процессора А15 и двухъядерного А7.

Стратегия совместного использования двух разных ядер увеличивает срок службы батарей за счет гибкого управления энергопотреблением. Динамическое переключение ядер можно сделать прозрачным для прикладных программ и ПО промежуточного слоя, которые запускаются на процессорах, поддерживаемых новой спецификацией AMBA 4 ACE Coherency Extensions. Перемещение задач между ядрами А7 и А15 осуществляется с помощью той же самой системы, которая управляет динамическим напряжением и частотным масштабированием.

Поскольку процессор А7 изготовлен по 28-нм технологии, его размеры в пять раз меньше 45-нм Cortex-A8. При этом А7 характеризуется большей производительностью и намного большей энергоэффективностью. Двухъядерный процессор А7 расходует на 70% меньше электроэнергии, чем 40-нм двухъядерный процессор А9.

По словам представителя ARM, спрос на процессор А7 со стороны лицензедержателей очень велик. К компаниям, готовым поддержать новую технологию на аппаратном уровне, относятся Broadcom, Freescale, HiSilicon, Samsung, ST-Ericsson и Texas Instruments, а среди разработчиков программного обеспечения находятся Compal, LG Electronics Linaro, OK Labs, QNX, Redbend и Sprint.

Площадь 28-нм процессора Cortex-A7 составляет менее 0.5 кв.мм. Он работает на тактовой частоте 1.2 ГГц в одно- и многоядерной конфигурациях. Как автономный процессор Cortex-A7 будет использоваться в смартфонах стоимостью менее 100 долл. в 2013-2014 гг., обеспечивая производительность на уровне нынешних смартфонов стоимостью 500 долл.

Технология совместного функционирования A7 и А15 позволит применять эти компоненты в потребительской электронике с большой вычислительной мощностью и высокой энергоэффективностью.

Производство процессоров A7 начнется в первой половине 2012 г.

Здравствуйте наши любимые читатели. Сегодня мы расскажем вам про архитектуру процессора Cortex a53.

Вы даже и не подозреваете, как много ваших гаджетов работает благодаря этому процессору. Мало, кто знает об особенностях ядер техники и что отличает их друг от друга. В этой статье вы узнаете об особенностях конкретного популярного Cortex a53.

Характеристики

Данные процессоры могут иметь от 1 до 8 ядер, систему памяти типа L1 и общий кэш L2. Чтобы понимать, что отличает основную составляющую практически всей техники этой модели от других, нужно знать её преимущества:

• Высокопроизводительность (поддержка широкого спектра мобильных приложений, DTV, аэрокосмических машин, хранилищ и прочей техники подобного образца);
• Высококачественная архитектура Army8-A для автономных конструкций начального уровня;
• Универсальность (может быть сопряжен с любыми процессорами, такими как Cortex-A72, Cortex-A57 и другие);
• Качественный продукт с большим объёмом загрузки.

Это основные сильные стороны данного продукта, однако далеко не все его преимущества. Ядро этой марки выполняет множество функций:

• Поддерживает до 64bit и архитектуры самых новых версий;
• Технология безопасности TrustZone;
• Расширения DSP и SIMD;
• 8-ступенчатый конвейер с двумя выходами и улучшенным целым числом;
• Может работать на частоте от 1,5 Ггц;
• Поддержка виртуализации оборудования.

Это стандартный набор функций данной технической составляющей, однако это далеко не все функции, которые выполняет этот непростой механизм.

Где чаще всего используется

Процессоры данного типа встречаются не только в смартфонах среднего класса (Xiaomi redmi 4, Redmi 3s, Meizu m3/m5 Note и др.), а и в следующих технологиях:

• Авиационно-космическая техника;
• Сеть;
• Хранилища данных (типа HDD, SDD);
• Автомобильная информационно-развлекательная система;

Дополнительные возможности

• Трубопровод, который отвечает за низкое энергопотребление;
• Высокая пропускная способность, которая позволяет выполнять одновременно несколько команд;
• Расширенные функции энергосбережения.

Процессор связан с разными IP

Данная техника используется в SoC, а также в технологиях типа Arm, графических IP, системных IP и физических IP. Мы предоставляем вам полный список инструментов, в которых может быть использован c ядром этой марки:

• Mali-T860/Mali-T880;
• Mali-DP550;
• Mali-V550;
• CoreLink;
• Контролёр памяти;
• Контролёр прерываний;
• Студия разработки DS-5;
• ARM компилятор;
• Доски разработки;
• Быстрые модели.

Существует 2 типа процессоров Cortex a53:

• AArch64 – даёт возможность устанавливать и использовать 64-битные приложения;
• AArch32 – даёт возможность использовать только существующие приложения Armv7-A.

Для чего вам нужна эта вся техническая информация

Если вы ничего не понимаете в технике и характеристиках, то более простыми словами Cortex a53 обеспечивает гораздо большую производительность нежели его предшественники с более высоким уровнем энергоэффективности. Производительность ядра даже выше, чем у марки Cortex-A7, которая стоит на многих популярных смартфонах.

Архитектура Armv8-A – это то, что определяет функциональность технологий. У данной марки ядра стоит 64-битная обработка данных, расширенная виртуальная адресация и 64-разрядные регистры общего назначения. Все эти функции сделали этот процессор первым, который был предназначен конкретно для обеспечения энергоэффективной 64-битной обработки.

Таким образом, вы поняли, что процессор Cortex a53 является именной той технической составляющей, которую не нужно пропускать, выбирая технику. Если в вашем смартфоне стоит такой процессор с использованием данной архитектуры, вам не нужно беспокоится о недостатке памяти или о быстрой разрядке телефона. Все эти проблемы в прошлом.

Мы надеемся, что наша статья была вам полезна. Если это так – подписывайтесь на наши группы в социальных сетях и следите за новыми статьями, которые также могут вам пригодиться. Не забывайте про наш канал на YouTube .

Как обеспечить постоянный рост производительности в рамках ограниченных по энергопотреблению устройств, каковыми являются смартфоны или планшеты? Можно создать более энергоэффективную микроархитектуру, но это возможно только до определённой степени. Можно перейти на более совершенный процесс производства, но и этот шаг сегодня уже не даёт прежних преимуществ. Раньше компании полагались на оба подхода, но сегодня этого уже недостаточно. Индустрия постепенно идёт по пути гетерогенных вычислений: размещения высокопроизводительных ядер рядом с маломощными, но энергоэффективными собратьями, и переключения между ними при необходимости.

NVIDIA недавно представила архитектуру процессора Tegra 3 (Kal-El) . Компания рассказала о том, что система на чипе имеет 5 вычислительных ядер Cortex-A9, но лишь 4 из них видимы для ОС. При запуске простых фоновых задач работает только одно энергоэффективное ядро Cortex A9, а высокопроизводительные находятся в отключённом состоянии. Как только системе потребуется производительность, задачи перенаправляются на мощные ядра, а энергоэффективное отключается.

Решение NVIDIA полагается на идентичные ядра, но использующие различные транзисторы (LP и G), однако подход не слишком отличается, если использовать к тому же различные архитектуры ядер. Когда NVIDIA разрабатывала свой чип, ARM не могла предложить подходящего энергоэффективного ядра, которое могло бы использоваться как само по себе, так и в качестве ядра-спутника в системе на чипе с Cortex A15. Теперь такое ядро есть, и оно получило имя Cortex A7.

Начиная с Cortex A9, ARM перешла на исполнение команд с изменением последовательности (инструкции могут быть переупорядочены для улучшенного параллелизма) — этот переход архитектура x86 совершила во времена Pentium Pro. Cortex A15 развивает эту тенденцию, расширяя при этом число исполняемых за такт инструкций. Cortex A7, напротив, является шагом назад: это ещё одно ядро, исполняющее команды в заданной последовательности и способное выполнить до двух инструкций одновременно. Описание напоминает Cortex A8, однако A7 отличается во многих областях.

Ядро A8 является очень старой разработкой — работы над дизайном начались ещё в далёком 2003 году. Хотя ARM предлагала легко синтезируемые версии ядра, для достижения более высоких частот со временем производителям пришлось использовать собственную дополнительную логику. Создание отдельного дизайна не только удлиняло время вывода решений на рынок, но и увеличивало затраты на разработку. В Cortex A7 остаётся полностью синтезируемым, но при этом предлагает хороший уровень производительности. ARM при разработке архитектуры учла последние процессы производства, добившись хорошего соотношения тактовых частот и производительности, а также пересмотрела архитектуру, дабы уменьшить время и стоимость вывода решений на рынок.

В ядре Cortex A7 применяется 8-ступенчатый конвейер, обрабатывающий по две инструкции за такт (впрочем, некоторые сложные инструкции A7, в отличие от A8 исполняет в режиме одну за такт). Блок целочисленных операций в A7 аналогичен A8, а вот математический сопроцессор имеет полностью конвейерную организацию и более компактен, хотя и несколько упрощён.

Некоторое упрощение архитектуры позволило существенно сократить размер ядра. ARM утверждает, что одно ядро Cortex A7 будет занимать всего 0,5 мм 2 при использовании 28-нм техпроцесса. При одном и том же процессе производства клиенты ARM смогут разместить ядро A7 на площади всего в 1/3—1/2 ядра Cortex A8. Стандартный дизайн ядер A9 по площади соответствует A8, тогда как площадь A15 больше, чем у обоих.

Несмотря на ограниченные возможности в выполнении сложных инструкций, ARM ожидает, что архитектура Cortex A7 обеспечит более высокую производительность по сравнению с Cortex A8. Это частично достигается благодаря усовершенствованному модулю предсказания ветвлений и уменьшенному конвейеру, сокращающему вероятность неправильного предсказания перехода. Cortex A7 отличается улучшенными алгоритмами выборки команд и более скоростной кеш-памятью L2, что также позволяет увеличить общую эффективность вычислений.

Впрочем, из-за некоторых ограничений в определённых задачах производительность Cortex A7 будет находиться на уровне с Cortex A8 или даже уступать последнему. Рейтинг ожидаемой производительность DMIPS/МГц для различных ядер ARM выглядит так:

• ARM11 — 1,25 DMIPS/МГц;
• ARM Cortex A7 — 1,9 DMIPS/МГц;
• ARM Cortex A8 — 2 DMIPS/МГц;
• ARM Cortex A9 — 2,5 DMIPS/МГц;
• Qualcomm Scorpion — 2,1 DMIPS/МГц;
• Qualcomm Krait — 3,3 DMIPS/МГц.

Важнее же всего то, что ядра Cortex A7 является на 100% ISA-совместимыми с Cortex A15, то есть поддерживают новые инструкции виртуализации и 40-битную адресацию памяти. В результате любой код, написанный для Cortex A15, может исполняться на Cortex A7, только медленнее. Это очень важная характеристика, которая позволяет производителям проектировать системы на чипе, оснащённые как ядрами Cortex A7, так и Cortex A15, переключаясь между ними в зависимости от задачи. ARM называет это конфигурацией big.LITTLE.

Архитектура Cortex A15 станет значительным шагом вперёд с точки зрения производительности архитектур ARM. Она нацелена на противостояние с чипами x86 начального уровня. Ядра Cortex A15 появятся в будущих смартфонах и планшетах, постепенно вытесняя Cortex A9 в решениях высокого класса. В сложных задачах Cortex A15, как ожидается, будут более энергоэффективными, чем A9.

Однако фоновые и простейшие задачи на смартфонах подчас не нуждаются в такой производительности, и их исполнение на мощном ядре A15 не очень эффективно с точки зрения потребления энергии. Здесь-то и выходит на первый план A7. Хотя Cortex A7 можно применять в качестве самостоятельных вычислительных ядер (и, конечно, они и будут так использоваться в дешёвых аппаратах), партнёры ARM могут интегрировать ядра Cortex A7 наряду с Cortex A15 в конфигурации big.LITTLE.

Так как A7 и A15 могут исполнять одни и те же инструкции, системы на чипе, оснащённые ядрами обеих архитектур, могут переключать задачи с энергоэффективных на высокопроизводительные, в зависимости от необходимости. Непротиворечивость содержания кешей обеспечивается связью CCI-400. ARM сообщает, что чип может переключаться между кластерами с различными ядрами за 20 миллисекунд.

Если всё будет работать так, как описывает ARM, такая архитектура окажется полностью прозрачной для ОС, как и в случае с Tegra 3, и не понадобится никаких программных оптимизаций для увеличения энергоэффективности. Впрочем, производители, как отмечает ARM, смогут ставить ОС в известность о реальном числе вычислительных ядер, если им будет необходим такой подход.

На базе Cortex A7 можно будет создавать процессоры, оснащённые от 1 до 4 таких ядер, как самостоятельных, так и в конфигурации с A15. ARM ожидает, что уже в начале следующего года выйдут первые 40-нм чипы, основанные на A7. Они будут применяться в дешёвых 2-ядерных смартфонах стоимостью до $100 и ещё более дешёвых одноядерных. Также в следующем году должны появиться и 28-нм чипы, объединяющие как ядра Cortex A7, так и A15 на едином кристалле.

Таким образом, Cortex A7 является отличной архитектурой, способной не только обеспечить гораздо более высокое соотношение производительности и цены по сравнению с A8, но и значительно увеличить время автономной работы смартфонов, как высокого класса, так и начального уровня. Эра неоднородных вычислений, как следующая фаза развития микропроцессоров, быстро приближается.

В этом материале пойдет речь о процессорной архитектуре . Полупроводниковые продукты на ее основе можно встретить в смартфонах, роутерах, планшетных ПК и прочих мобильных устройствах, где она до недавних пор занимала ведущие позиции в этом сегменте рынка. Сейчас же ее постепенно вытесняют более новые и свежие процессорные решения.

Краткая справка о компании ARM

История компании ARM началась в 1990 году, когда она была основана Робином Саксби. Основой же для ее создания стала новая микропроцессорная архитектура. Если до этого господствующие позиции на рынке ЦПУ занимала х86 или CISC , то после образования данной компании появилась достойная альтернатива в виде RISC. В первом случае выполнение программного кода сводилось к 4 этапам:

Получение машинных инструкций.

Выполнение преобразования микрокода.

Получение микроинструкций.

Поэтапное выполнение микроинструкций.

О сновная же идея архитектуры RIS С состояла в том, что обработку программного кода можно свести к 2 этапам:

Получение RISC- инструкций.

Обработка RISC- инструкций.

К ак в первом, так и во втором случае есть как плюсы, так и существенные недостатки. х86 успешно завоевала компьютерный рынок, а RISC ( в том числе и , представленная 2011 году) — рынок мобильных устройств.

История появления архитектуры Cortex A7. Ключевые особенности

В качестве основы для «Кортекс А7» выступала «Кортекс А8». Основная идея разработчиков в данном случае сводилась к тому, чтобы увеличить производительность и значительно улучшить энергоэффективность процессорного решения. Именно это в конечном итоге и получилось у инженеров компании ARM . Еще одной важной особенностью в данном случае стало то, что появилась возможность создавать ЦПУ с технологией big.LITTLE. То есть полупроводниковый кристалл мог включать 2 вычислительных модуля. Один из них был нацелен на решение наиболее простых задач с минимальным энергопотреблением и, как правило, в этой роли и выступали ядра «Кортекс А7». Второй же был предназначен для запуска наиболее сложного софта и базировался на вычислительных блоках «Кортекс А15» или «Кортекс А17». Официально «Кортекс А7» была представлена, как было отмечено ранее, в 2011 году. Ну а первый процессор ARM Cortex A7 увидел свет годом позже, то есть в 2012 году.

Технология производства

Изначально полупроводниковые продукты на основе А7 производились по технологическим нормам 65 нм. Сейчас эта технология безнадежно устарела. В дальнейшем были выпущены еще два поколения процессоров А7 по нормам допуска уже 40 нм и 32 нм. Но и они сейчас уже стали неактуальными. Наиболее свежие модели ЦПУ на основе этой архитектуры изготавливаются уже по нормам 28 нм, и именно их пока еще можно встретить в продаже. Дальнейший переход на более новые с новыми нормами допуска и устаревшей архитектурой ожидать вряд ли стоит. Чипы на базе А7 сейчас занимают наиболее бюджетный сегмент рынка мобильных устройств и их постепенно вытесняют уже гаджеты на основе А53, которая практически при той же энергоэффективности параметрах имеет более высокий уровень быстродействия.

Архитектура микропроцессорного ядра

1, 2, 4 или 8 ядер может входить в состав ЦПУ на базе ARM Cortex A7. Характеристики процессоров в последнем случае указывают на то, что в состав чипа входят, по существу, 2 кластера по 4 ядра. 2-3 года процессорные продукты начального уровня основывались на чипах с 1-им или 2-мя вычислительными модулями. Средний уровень занимали 4-ядерные решения. Ну а премиум-сегмент был за 8-ядерными чипами. Каждое микропроцессорное ядро на основе такой архитектуры включало следующие модули:

Б лок обработки чисел с плавающей запятой (FPU).

Кеш 1-го уровня.

Блок NEON для оптимизации работы ЦПУ.

Вычислительный модуль ARMv7.

Также были следующие общие компоненты для всех ядер в составе ЦПУ:

Кеш L2.

Блок управления ядрами CoreSight.

Контроллер шины управления данными АМВА с разрядностью 128 бит.

Возможные частоты

Максимальное значение тактовой частоты для данной микропроцессорной архитектуры может изменяться от 600 МГц до 3 ГГц. Также необходимо отметить, что этот параметр, который указывает максимальное влияние на производительность вычислительной системы, изменяется. Причем на частоту оказывает влияние сразу три фактора:

Уровень сложности решаемой задачи.

Степень оптимизации программного обеспечения под многопоточность.

Текущее значение температуры полупроводникового кристалла.

В качестве примера рассмотрим алгоритм работы чипа МТ6582, который базируется на А7 и включает 4 вычислительных блока, частота которых изменяется от 600 МГц до 1,3 ГГц. В режиме простоя у этого процессорного устройства может находиться лишь только один блок вычислений, и он функционирует на минимально возможной частоте в 600 МГц. Аналогичная ситуация будет и в том случае, когда будет запущено простое приложение на мобильном гаджете. Но когда же в списке задач появиться ресурсоемкая игрушка с оптимизацией под многопоточность, то автоматически включатся в работу все 4 блока обработки программного кода на частоте 1,3 ГГц. По мере нагрева ЦПУ наиболее горячие ядра будут понижать значение частоты или даже отключаться. С одной стороны, такой подход обеспечивает энергоэффективнсть, а с другой — приемлемый уровень быстродействия чипа.

Кеш-память

Всего лишь 2 уровня кеша предусмотрено в ARM Cortex A7. Характеристики полупроводникового кристалла, в свою очередь, указывают на то, что первый уровень в обязательном порядке разделен на 2 равные половинки. Одна из них должна хранить данные, а другая — инструкции. Суммарный р азмер кеша на 1-ом уровне по спецификациям может быть равен 64 Кб. Как результат, получаем 32 Кб для данных и 32 Кб для кода. Кеш 2-го уровня в этом случае будет завис е ть от конкретной модели ЦПУ. Наименьший объем его может быть равен 0 Мб (то есть отсутствовать), а наибольший — 4 Мб.

Контроллер оперативной памяти. Его особенности

Встроенным контроллером оперативной памяти комплектуется любой процессор ARM Cortex A7. Характеристикитехнического плана указывают на то, что он ориентирован на работу в связке с ОЗУ стандарта LPDDR3. Рекомендованные частоты функционирования оперативной памяти в данном случае равны 1066 МГц или 1333 МГц. Максимальный же размер ОЗУ, который можно встретить на практике, для данной модели чипа равен 2 Гб.



Интегрированная графика

Как и положено, данные микропроцессорные устройства имеют интегрированную графическую подсистему. Компания-производитель ARM рекомендует использовать в сочетании с этим ЦПУ графическую карту собственной разработки Mali -400MP2 . Но ее производительности чаще всего недостаточно для того, чтобы раскрыть потенциал микропроцессорного устройства. Поэтому разработчики чипов применяют в сочетании с этим чипом более производительные адаптеры, например, Power VR6200.

Программные особенности

Три вида операционных систем нацелено на процессоры ARM:

Android от поискового гиганта Google.

iOS от APPLE.

Windows Mobile от «Майкрософт».

Все остальное системное программное обеспечение пока не получило большого распространения. Наибольшую долю на рынке такого софта, как не сложно догадаться, занимает именно Android. Эта система имеет простой и понятный интерфейс и устройства на ее основе начального уровня являются очень и очень доступными. До версии 4.4 включительно она была 32-битной, а с 5.0 стала поддерживать 64-разрядные вычисления. Эта ОС успешно функционирует на любом семействе ЦПУ архитектуры RISC , в том числе и ARM Cortex A7. Инженерное меню — это еще одна важная особенность данного системного софта. С ее помощью можно существенно перенастроить возможности ОС. Доступ же к этому меню можно получить с помощью кода, который для каждой модели ЦПУ индивидуален.

Еще она важная особенность этой ОС — установка всех возможных обновлений автоматически. Поэтому даже новые возможности могут появиться на чипах семейства ARM Cortex A7. Прошивка их может добавить. Вторая система нацелена на мобильные гаджеты компании APPLE. Такие устройства в основном занимают премиум — сегмент и имеют соответствующие уровни быстродействия и стоимость. Последняя ОС в лице Windows Mobile пока не получила большого распространения. Устройства на ее основе есть в любом сегменте мобильны гаджетов, но вот малое количество прикладного софта в данном случае является сдерживающим фактором для ее распространения.



Модели процессоров

Наиболее доступными и наименее производительными в этом случае являются 1-ядерные чипы. Наибольшее распространение среди них получил МТ6571 от компании МедиаТек. На ступеньку выше находятся двухъядерные ЦПУ ARM Cortex A7 Dual Core. В качестве примера можно привести МТ6572 от все того же самого производителя. Еще больший уровень быстродействия обеспечивали Quad Core ARM Cortex A7. Наиболее популярным чипом из этого семейства является МТ6582, который сейчас даже можно встретить в мобильных гаджетах начального уровня. Ну а наибольший уровень быстродействия обеспечивали 8-ядерные центральные процессоры, к которым принадлежал МТ6595.

Дальнейшие перспективы развития

Пока еще можно встретить на прилавках магазинов мобильные устройства в основе которых лежит полупроводниковое процессорное устройство на базе 4X ARM Cortex A7. Это и МТ6580, МТ6582 и «Снапдрагон 200». Все эти чипы включают 4 вычислительных блока и имеют отменный уровень энергоэффективности. Также стоимость в этом случае очень и очень скромная. Но все же лучшие времена это микропроцессорной архитектуры уже позади. Пик продаж продукции на ее основе припал на 2013-2014 года, когда на рынке мобильных гаджетов у нее практически не было альтернативы. Причем в этом случае речь идет как о бюджетных устройствах с 1 или 2 вычислительными модулями, так и с флагманскими гаджетами с 8-ядерным ЦПУ. На текущий момент ее постепенно с рынка вытесняет «Кортекс А53», которая по существу является модифицированной 64-битной версией А7. При этом основные преимущества своей предшественницы она сохранила целиком и полностью, и будущее уж точно за ней.



Мнение экспертов и пользователей. Реальные отзывы о чипах на базе данной архитектуры. Сильные и слабые стороны

Безусловно, знаковым событием для мира мобильных устройств стало появление архитектуры микропроцессорных устройств ARM Cortex A7. Наилучшим доказательством этого стало то, что устройства на ее базе уже успешно продаются более 5 лет. Конечно, сейчас уже возможностей ЦПУ на основе А7 уже недостаточно даже для решения задач среднего уровня, но вот наиболее простой программный код на таких чипах и по сей день успешно функционирует. В перечень такого софта входит воспроизведение видео, прослушивание аудиозаписей, чтение книг, веб-серфинг и даже наиболее простые игрушки в этом случае запустятся без особых проблем. Именно на этом и акцентируют внимание на ведущих тематических порталах, посвященных мобильным гаджетам и девайсам как ведущие специалисты такого плана, так и обычные пользователи. Ключевой минус А7 — это отсутствие поддержки 64-битных вычислений. Ну а к основным плюсам ее можно отнести идеальное сочетание энергоэффективности и производительности.



Итоги

Безусловно, Cortex A7 — это целая эпоха в мире мобильных устройств. Именно с ее появлением мобильные устройства стали доступными и достаточно производительными. И один тот факт, что она уже более 5 лет успешно продается, лишнее тому подтверждение. Но если вначале гаджеты на ее базе занимали средний и премиум сегменты рынка, то сейчас за ними остался лишь бюджетный класс. Эта архитектура устарела и постепенно уходит в прошлое.

Первые чипы ARM появились еще три десятилетия назад благодаря стараниям британской компании Acorn Computers (ныне ARM Limited), но долгое время пребывали в тени своих более именитых собратьев – процессоров архитектуры х86. Все перевернулось с ног на голову с переходом IT-индустрии в пост-компьютерную эпоху, когда балом стали править уже не ПК, а мобильные гаджеты.

Особенности архитектуры ARM

Начать стоит, пожалуй, с того, что в процессорной архитектуре x86, которую сейчас используют компании Intel и AMD, применяется набор команд CISC (Complex Instruction Set Computer), хоть и не в чистом виде. Так, большое количество сложных по своей структуре команд, что долгое время было отличительной чертой CISC, сначала декодируются в простые, и только затем обрабатываются. Понятное дело, на всю эту цепочку действий уходит немало энергии.

В качестве энергоэффективной альтернативы выступают чипы архитектуры ARM с набором команд RISC (Reduced Instruction Set Computer). Его преимущество в изначально небольшом наборе простых команд, которые обрабатываются с минимальными затратами. Как результат, сейчас на рынке потребительской электроники мирно (на самом деле, не очень мирно) уживаются две процессорные архитектуры – х86 и ARM, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки.

Архитектура х86 позиционируется как более универсальная с точки зрения посильных ей задач, включая даже столь ресурсоемкие, как редактирование фотографий, музыки и видео, а также шифрование и сжатие данных. В свою очередь архитектура ARM «выезжает» за счет крайне низкого энергопотребления и в целом-то достаточной производительности для важнейших на сегодня целей: прорисовки веб-страниц и воспроизведения медиaконтента.

Бизнес-модель компании ARM Limited

Сейчас компания ARM Limited занимается лишь разработкой референсных процессорных архитектур и их лицензированием. Создание же конкретных моделей чипов и их последующее массовое производство – это уже дело лицензиатов ARM, которых насчитывается превеликое множество. Есть среди них как известные лишь в узких кругах компании вроде STMicroelectronics, HiSilicon и Atmel, так и IT-гиганты, имена которых у всех на слуху – Samsung, NVIDIA и Qualcomm. С полным списком компаний-лицензиатов можно ознакомиться на соответствующей странице официального сайта ARM Limited .

Столь большое число лицензиатов вызвано в первую очередь обилием сфер применения ARM-процессоров, причем мобильные гаджеты – это лишь вершина айсберга. Недорогие и энергоэффективные чипы используется во встраиваемых системах, сетевом оборудовании и измерительных приборах. Платежные терминалы, внешние 3G-модемы и спортивные пульсометры – все эти устройства основаны на процессорной архитектуре ARM.

По подсчетам аналитиков, сама ARM Limited зарабатывает на каждом произведенном чипе $0,067 в виде роялти. Но это сильно усредненная сумма, ведь по себестоимости новейшие многоядерные процессоры значительно превосходят одноядерные чипы устаревшей архитектуры.

Однокристальная система

С технической точки зрения называть чипы архитектуры ARM процессорами не совсем верно, ведь помимо одного или нескольких вычислительных ядер они включают целый ряд сопутствующих компонентов. Более уместными в данном случае являются термины однокристальная система и система-на-чипе (от англ. system on a chip).

Так, новейшие однокристальные системы для смартфонов и планшетных компьютеров включают контроллер оперативной памяти, графический ускоритель, видеодекодер, аудиоокодек и опционально модули беспроводной связи. Узкоспециализированные чипы могут включать дополнительные контроллеры для взаимодействия с периферийными устройствами, например датчиками.

Отдельные компоненты однокристальной системы могут быть разработаны как непосредственно ARM Limited, так и сторонними компаниями. Ярким тому примером являются графические ускорители, разработкой которых помимо ARM Limited (графика Mali) занимаются Qualcomm (графика Adreno) и NVIDIA (графика GeForce ULP).

Не стоит забывать и про компанию Imagination Technologies, которая ничем другим, кроме проектирования графических ускорителей PowerVR, вообще не занимается. А ведь именно ей принадлежит чуть ли не половина глобального рынка мобильной графики: гаджеты Apple и Amazon, планшетники Samsung Galaxy Tab 2, а также недорогие смартфоны на базе процессоров MTK.

Устаревшие поколения чипов

Морально устаревшими, но все еще широко распространенными процессорными архитектурами являются ARM9 и ARM11, которые принадлежат к семействам ARMv5 и ARMv6 соответственно.

ARM9 . Чипы ARM9 могут достигать тактовой частоты 400 МГц и, скорее всего, именно они установлены внутри вашего беспроводного маршрутизатора и старенького, но все еще надежно работающего мобильного телефона вроде Sony Ericsson K750i и Nokia 6300. Критически важным для чипов ARM9 является набор инструкций Jazelle, который позволяет комфортно работать с Java-приложениями (Opera Mini, Jimm, Foliant и др.).

ARM11 . Процессоры ARM11 могут похвастаться расширенным по сравнению с ARM9 набором инструкций и куда более высокой тактовой частотой (вплоть до 1 ГГц), хотя для современных задач их мощности тоже не достаточно. Тем не менее, благодаря невысокому энергопотреблению и, что не менее важно, себестоимости, чипы ARM11 до сих пор применяются в смартфонах начального уровня: Samsung Galaxy Pocket и Nokia 500.

Современные поколения чипов

Все более-менее новые чипы архитектуры ARM принадлежат к семейству ARMv7, флагманские представители которого уже достигли отметки в восемь ядер и тактовой частоты свыше 2 ГГц. Разработанные непосредственно ARM Limited процессорные ядра принадлежат к линейке Cortex и большинство производителей однокристальных систем используют их без существенных изменений. Лишь компании Qualcomm и Apple создали собственные модификации на основе ARMv7 – первая назвала свои творения Scorpion и Krait, а вторая – Swift.

ARM Cortex-A8. Исторически первым процессорным ядром семейства ARMv7 было Cortex-A8, которое легло в основу таких известных SoC своего времени как Apple A4 (iPhone 4 и iPad) и Samsung Hummingbird (Samsung Galaxy S и Galaxy Tab). Оно демонстрирует примерно вдвое более высокую производительность по сравнению с предшествующим ARM11. К тому же, ядро Cortex-A8 получило сопроцессор NEON для обработки видео высокого разрешения и поддержку плагина Adobe Flash.

Правда, все это негативно сказалось на энергопотреблении Cortex-A8, которое значительно выше чем у ARM11. Несмотря на то, что чипы ARM Cortex-A8 до сих пор применяются в бюджетных планшетниках (однокристальная система Allwiner Boxchip A10), их дни пребывания на рынке, по всей видимости, сочтены.

ARM Cortex-A9. Вслед за Cortex-A8 компания ARM Limited представила новое поколение чипов – Cortex-A9, которое сейчас является самым распространенным и занимает среднюю ценовую нишу. Производительность ядер Cortex-A9 выросла примерно втрое по сравнению с Cortex-A8, да еще и появилась возможность объединять их по два или даже четыре на одном чипе.

Сопроцессор NEON стал уже необязательным: компания NVIDIA в своей однокристальной системе Tegra 2 его упразднила, решив освободить побольше места для графического ускорителя. Правда, ничего хорошего из этого не вышло, ведь большинство приложений-видеопроигрывателей все равно ориентировались на проверенный временем NEON.

Именно во времена «царствования» Cortex-A9 появились первые реализации предложенной ARM Limited концепции big.LITTLE, согласно которой однокристальные системы должны иметь одновременно мощные и слабые, но энергоэффективные процессорные ядра. Первой реализацией концепции big.LITTLE стала система-на-чипе NVIDIA Tegra 3 с четырьмя ядрами Cortex-A9 (до 1,7 ГГц) и пятым энергоэффективным ядром-компаньоном (500 МГц) для выполнения простеньких фоновых задач.

ARM Cortex-A5 и Cortex-A7. При проектировании процессорных ядер Cortex-A5 и Cortex-A7 компания ARM Limited преследовала одно и ту же цель – добиться компромисса между минимальным энергопотреблением ARM11 и приемлемым быстродействием Cortex-A8. Не забыли и про возможность объединения ядер по два-четыре – многоядерные чипы Cortex-A5 и Cortex-A7 мало-помалу появляются в продаже (Qualcomm MSM8625 и MTK 6589).

ARM Cortex-A15. Процессорные ядра Cortex-A15 стали логическим продолжением Cortex-A9 – как результат, чипам архитектуры ARM впервые в истории удалось примерно сравниться по быстродействию с Intel Atom, а это уже большой успех. Не зря ведь компания Canonical в системных требования к версии ОС Ubuntu Touch с полноценной многозадачностью указала двухъядерный процессор ARM Cortex-A15 или аналогичный Intel Atom.

Очень скоро в продажу поступят многочисленные гаджеты на базе NVIDIA Tegra 4 с четырьмя ядрами ARM Cortex-A15 и пятым ядром-компаньоном Cortex-A7. Вслед за NVIDIA концепцию big.LITTLE подхватила компания Samsung: «сердцем» смартфона Galaxy S4 стал чип Exynos 5 Octa с четырьмя ядрами Cortex-A15 и таким же количеством энергоэффективных ядер Cortex-A7.

Дальнейшие перспективы

Мобильные гаджеты на базе чипов Cortex-A15 еще толком не появились в продаже, а основные тенденции дальнейшего развития архитектуры ARM уже известны. Компания ARM Limited уже официально представила следующее семейство процессоров ARMv8, представители которого в обязательном порядке будут 64-разрядными. Открывают новую эпоху RISC-процессоров ядра Cortex-A53 и Cortex-A57: первое энергоэффективное, а второе высокопроизводительное, но оба способны работать с большими объемами оперативной памяти.

Производители потребительской электроники семейством процессоров ARMv8 пока особо-то не заинтересовались, но на горизонте вырисовались новые лицензиаты, планирующие вывести чипы ARM на серверный рынок: AMD и Calxeda. Идея новаторская, но вполне имеет право на жизнь: те же графические ускорители NVIDIA Tesla, состоящие из большого числа простых ядер, на практике доказали свою эффективность как серверных решений.