Что такое архитектура ARM — простыми словами

Коротко: ARM — это архитектура набора команд (ISA), построенная по принципу RISC, а не компания-производитель чипов сама по себе. Её разрабатывает Arm Holdings, а лицензируют и выпускают на её основе процессоры Qualcomm, Apple, Samsung, MediaTek и десятки других производителей. Главное практическое преимущество архитектуры ARM — энергоэффективность за счёт упрощённого набора команд, поэтому она работает в подавляющем большинстве смартфонов, планшетов и умных часов.

Что такое ARM простыми словами

ARM (Advanced RISC Machine) — это архитектура набора команд: стандарт, который описывает, какие элементарные инструкции должен понимать процессор и как они устроены. Сокращение RISC означает Reduced Instruction Set Computer — «компьютер с сокращённым набором команд»: в основе архитектуры ARM лежит именно этот принцип упрощённого, унифицированного набора инструкций, в отличие от более сложных и разнородных по длине наборов команд, вроде x86.

Компанию, которая разрабатывает архитектуру ARM, тоже называют Arm (ранее — Arm Holdings). Она ведёт историю от Acorn Computers: в 1990 году подразделение, занимавшееся процессорами, выделилось в отдельную компанию Advanced RISC Machines Ltd., позже переименованную в Arm Holdings, а в 1998 году вышло на биржи LSE и Nasdaq. Принципиально важный момент: сама Arm процессоры не производит — она разрабатывает архитектуру и ядра, а затем продаёт права на их использование другим компаниям.

Как работает архитектура ARM — принцип RISC на практике

Разница между RISC и более сложной альтернативой (CISC, которую использует x86) — в самих инструкциях. У архитектуры ARM набор команд компактный, а сами инструкции унифицированы по длине и по структуре: процессору проще декодировать их и выполнять за предсказуемое число тактов. У архитектур вроде x86, которые изначально проектировались по принципу CISC, инструкции могут быть переменной длины и заметно сложнее по структуре — это дало гибкость, но усложнило и удорожило сам процесс декодирования на уровне кремния.

Именно эта простота и предсказуемость и лежит в основе ключевого практического эффекта ARM — энергоэффективности. По описанию самой Arm, архитектура процессора ARM спроектирована вокруг простоты, гибкости и низкого энергопотребления: чем меньше транзисторов и энергии уходит на то, чтобы просто разобрать и выполнить одну инструкцию, тем больше остаётся «бюджета» на полезную вычислительную работу при том же заряде батареи. Для устройства, которое должно работать от аккумулятора целый день, это не абстрактное архитектурное изящество, а прямая причина, почему ARM, а не x86, стала стандартом для мобильных чипов. При этом сама архитектура — не единственный фактор итоговой энергоэффективности чипа: не менее важно, на каком техпроцессе его физически изготовили, — об этом отдельно в материале «Что такое техпроцесс чипа и почему нанометры — не размер».

Лицензионная модель ARM — как Qualcomm, Apple и Samsung получают свои чипы

Макросъёмка печатной платы со сборочными площадками процессора в золотистых и синих тонах

Arm не продаёт готовые чипы — она продаёт право их сделать, и у этого права есть несколько разных форм. По описанию компании, исторически выделяется несколько моделей лицензирования: Core License — производитель получает готовую, уже спроектированную схему процессорного ядра и встраивает её в свой чип почти без изменений; Architectural License — производитель получает только спецификацию набора команд и проектирует собственное ядро «с нуля» под эти правила; с февраля 2016 года добавилась модель «Built on Arm Cortex Technology», которая позволяет вносить более глубокую кастомизацию в готовые ядра Cortex; а с июля 2019 года появилась программа Arm Flexible Access — упрощённый доступ к широкому портфелю технологий Arm для разработки и прототипирования до того, как платить полноценную лицензию за серийное производство.

Разница между этими моделями объясняет, почему чипы разных производителей на одной и той же архитектуре ARM так заметно отличаются друг от друга. У Apple — архитектурная лицензия: компания проектирует собственные ядра (линейка A в iPhone, линейка M в Mac) с нуля, подгоняя их под конкретные задачи и тесную интеграцию со своей операционной системой. Большинство производителей Android-чипов, включая многие решения Qualcomm и Samsung, в значительной части работают с готовыми лицензированными ядрами Cortex — это быстрее и дешевле в разработке, но даёт меньше свободы в тонкой настройке под конкретное устройство.

big.LITTLE и разнородные ядра — почему в чипе одновременно «быстрые» и «экономичные» ядра

Абстрактная геометрическая иллюстрация из крупных оранжевых и мелких голубых треугольных форм

Ещё один фирменный элемент современных ARM-чипов — гетерогенная архитектура big.LITTLE, которая сочетает в одном кристалле два типа ядер одной микроархитектуры: производительные «big»-ядра и экономичные «LITTLE»-ядра. «Big»-ядра включаются для задач, где важна максимальная скорость — запуск тяжёлого приложения, рендеринг, игра, — а «LITTLE»-ядра берут на себя фоновую работу: синхронизацию почты, уведомления, проверку датчиков, — там, где важнее не скорость, а минимальный расход заряда.

Переключение нагрузки между типами ядер происходит динамически и, по оценке источников, занимает порядка 30 микросекунд — то есть настолько быстро, что пользователь этого не замечает. При этом само «LITTLE»-ядро по оценке занимает примерно 13% площади кристалла по сравнению с «big»-ядром — это объясняет, почему добавление в чип нескольких экономичных ядер почти не «съедает» место, зарезервированное под производительные блоки. Со временем на смену строгому разделению big.LITTLE пришла более гибкая система кластеризации ядер DynamIQ, но базовый принцип — разные ядра под разные задачи в одном чипе — остался тем же общим подходом, который используют практически все современные мобильные SoC.

Чем ARM отличается от RISC-V и x86

Сравнение с двумя соседними архитектурами — самый короткий способ понять место ARM на рынке. ARM — это закрытая и лицензируемая архитектура: использовать её можно только по договору с Arm и, как правило, за деньги. Её более молодая альтернатива RISC-V устроена противоположным образом — спецификация открыта и бесплатна для любого производителя. Мы подробно разбирали это устройство и причины, по которым индустрия к нему присматривается, в материале «Что такое RISC-V и зачем он нужен смартфонам и часам» — здесь не будем повторять эти детали, но саму разницу в моделях лицензирования стоит держать в голове при любом разговоре об ARM.

Второе сравнение — с x86, архитектурой, на которой десятилетиями строятся настольные компьютеры и большинство ноутбуков. Здесь разница не в лицензировании, а в самом принципе набора команд: ARM спроектирована как RISC-архитектура ради энергоэффективности, тогда как x86 изначально была архитектурой CISC, ориентированной на производительность и обратную совместимость, а не на минимальное энергопотребление. Как это сказывается на выборе конкретного устройства — ноутбука, в первую очередь, — мы разбирали отдельно в сравнении «ARM или x86: какой процессор ноутбука выбрать».

Где встречается ARM и как это влияет на пользователя

Доля ARM на разных рынках менялась со временем и по-разному оценивалась источниками: по одним оценкам, архитектура занимала около 98% рынка мобильных телефонов ещё в 2005 году, около 95% смартфонов — к 2010 году, и порядка 60% всех мобильных устройств — к 2013 году. Разные цифры относятся к разным годам и разным методологиям подсчёта, но общий вывод один: в категории смартфонов и планшетов ARM на практике стала почти безальтернативным стандартом. Та же архитектура стоит в подавляющем большинстве умных часов и другой носимой электроники, а в последние годы заметно расширила присутствие и в ноутбуках — прежде всего благодаря линейке Apple Silicon M-серии.

Для обычного пользователя всё это проявляется в нескольких практических вещах. Во-первых — автономность: именно энергоэффективность RISC-принципа и гибкость big.LITTLE позволяют смартфону работать весь день на одном заряде. Во-вторых — тишина и отсутствие перегрева: мобильным ARM-чипам почти никогда не требуется активное охлаждение вентилятором, в отличие от многих мощных x86-систем. В-третьих — компактность устройства в целом: ARM-чипы в смартфонах и часах почти всегда реализованы как SoC (система на кристалле) — то есть процессор, графический ускоритель, модем и другие блоки собраны на одном куске кремния, а не на отдельных микросхемах, что экономит место внутри корпуса.

У этой интеграции есть и практическое следствие для бизнеса, который делает приложения под такие устройства: выход каждого нового поколения чипов почти всегда означает, что компаньон-приложениям нужна адаптация — под новый набор сенсоров, под новые возможности энергосбережения, под изменившееся поведение системы. На этом этапе новым железом обычно занимается подрядчик по разработке мобильных приложений, например YuSMP Group — он адаптирует существующие приложения под свежие чипы и платформы или собирает новое приложение с нуля под конкретное устройство.

Плюсы и ограничения ARM — честно

Плюсы:

Энергоэффективность — упрощённый набор команд RISC снижает расход заряда на каждую выполненную инструкцию.
Зрелая экосистема — десятилетия оптимизированного софта, инструментов разработки и опыта у производителей, лицензирующих архитектуру.
SoC-интеграция — CPU, графика, модем и другие блоки на одном кристалле, что экономит место и упрощает производство компактных устройств.

Ограничения:

Пиковая производительность на по-настоящему тяжёлых десктопных задачах у топовых ARM-чипов в среднем уступает топовым x86-системам, спроектированным без столь жёстких ограничений по энергопотреблению.
Индустрия зависит от лицензионной политики одной компании — Arm устанавливает условия доступа к архитектуре для всех производителей сразу, и это прямая противоположность открытой модели RISC-V.
Разные модели лицензирования создают неравенство между производителями: у тех, кто работает по архитектурной лицензии (как Apple), объективно больше свободы для оптимизации, чем у тех, кто использует готовые ядра Cortex.

Что дальше

Текущее поколение архитектуры — Armv9 — по описанию Arm, делает явный акцент на производительности задач искусственного интеллекта при одновременном снижении энергопотребления: это прямое продолжение исходной логики RISC, только применённое к новому классу нагрузок — локальным ИИ-вычислениям прямо на устройстве. Подробнее о том, как устроены специализированные блоки для таких задач, — в материале «Что такое NPU: как работает нейропроцессор в гаджетах».

Второй заметный тренд — постепенное расширение ARM за пределы смартфонов и часов: в ноутбуки (линейка Apple Silicon M-серии, растущее число Windows-платформ на ARM) и, в меньшем масштабе, в дата-центры. По заявлению самой компании Arm, суммарно уже выпущено свыше 375 миллиардов устройств с чипами на основе архитектуры Arm — это цифра самой компании, а не независимая оценка, но она хорошо показывает масштаб, на который рассчитана дальнейшая экспансия архитектуры за пределы привычного мобильного сегмента. Конкретных прогнозов по срокам и доле рынка в новых категориях источники пока не называют — это обозначенное направление развития, а не объявленные планы с цифрами.

Частые вопросы

Чем ARM отличается от RISC-V?

Главное отличие — модель лицензирования. ARM — закрытая архитектура: её разрабатывает компания Arm Holdings и продаёт производителям платные лицензии на готовые ядра или на набор команд. RISC-V, наоборот, открыта и бесплатна — использовать спецификацию может кто угодно без лицензионных отчислений. При этом у ARM несравнимо более зрелая экосистема: десятилетия оптимизированного софта и инструментов разработки, которых у RISC-V в потребительской электронике пока заметно меньше.

Почему чипы Apple на ARM называют самыми быстрыми среди мобильных?

Дело в типе лицензии. Apple использует архитектурную лицензию ARM — это позволяет не брать готовые ядра Cortex, а проектировать собственные (A-серия в iPhone, M-серия в Mac) с нуля под конкретные задачи и тесную интеграцию с собственной операционной системой. Большинство других производителей Android-чипов работают с готовыми лицензированными ядрами, что даёт меньше свободы в тонкой настройке под конкретное устройство.

ARM — это компания или технология?

И то и другое, но в разных смыслах. Arm Holdings — это компания, которая разрабатывает архитектуру и ядра процессоров и зарабатывает на лицензиях. А собственно ARM — это архитектура набора команд, то есть технология: правила, по которым устроены процессоры. Сама компания Arm чипы не производит — этим занимаются её лицензиаты вроде Qualcomm, Apple и Samsung.

Будет ли мой следующий ноутбук на ARM?

Вероятность растёт: присутствие ARM в ноутбуках уже заметно расширилось благодаря линейке Apple Silicon M-серии, а на Windows-рынке появляются собственные ARM-платформы. Полностью вытеснить x86 в ноутбуках ARM пока не может — совместимость с частью привычного Windows-софта остаётся сильной стороной x86. Подробное сравнение по сценариям использования — в материале «ARM или x86 в ноутбуке».

Источники: Wikipedia — ARM architecture family, Arm — CPU architecture, Wikipedia — ARM big.LITTLE.