ARM Επεξεργαστές: Ζουν ανάμεσα μας

Συνταξη / Επιμελεια: Θεόδωρος Χατζηκώστας | 19 Μαρτιου 2012
Posted in υλικό - Επεξεργαστές

Εδώ και χρόνια ζούσαμε στον δικό μας Intel/AMD-κεντρικό κόσμο, θεωρώντας την x86(-64) αρχιτεκτονική κυρίαρχη στον πλανήτη. Όλον αυτό τον καιρό όμως, οι ARM επεξεργαστές αργά αλλά σταθερά δημιουργούσαν μια νέα αγορά που κανένας μεγάλος κατασκευαστής δεν πρόβλεψε ή δεν κατάφερε να διεκδικήσει, και πλέον με την από τις 11 του Γενάρη επίσημη ανακοίνωση της Microsoft πως τα Windows 8 θα κυκλοφορήσουν και για ARM επεξεργαστές, οι τελευταίοι είναι έτοιμοι να δείξουν τα δόντια τους στην βαρέων βαρών κατηγορία της πληροφορικής - αυτή των σπιτικών PCs και Servers!

ARM: Η κληρονομιά της 8bit εποχής που άνθισε με ένα πανέξυπνο selling plan

Κάπου το 1987 η πάλαι ποτέ κραταιά Acorn (κατασκευαστής αρκετών δημοφιλών 8bit υπολογιστών της εποχής στην Αγγλία), παρουσιάζει τον Acorn Archimedes. Αν και δεν ήταν ο πρώτος desktop υπολογιστής βασισμένος στην RISC αρχιτεκτονική, ήταν σίγουρα ο ποιο γνωστός στο ευρύ κοινό. Η RISC αρχιτεκτονική καθ' αυτή (η οποία και κληρονομήθηκε αργότερα στην ARM) με απλά λόγια είχε την φιλοσοφία πως οι πολλές και πολύπλοκες εντολές σε έναν επεξεργαστή, ουσιαστικά σπάνια χρησιμοποιούνταν την ίδια ώρα που εισήγαγαν πολλά μειονεκτήματα (στην σχεδίαση και συνολική απόδοση). Αντ' αυτού, μια απλούστερη αρχιτεκτονική με μειωμένο αριθμό εντολών έδινε την δυνατότητα στον επεξεργαστή για μεγάλη απόδοση ανά κύκλο ρολογιού την ίδια ώρα που πολύπλοκες εντολές μπορούσαν να "εξομοιωθούν" εύκολα. Για παράδειγμα, ο ARM2 επεξεργαστής του Acorn Archimedes που αναφέραμε είχε συχνότητα 8MHz και υπολογιστική ισχύ πάνω από 4 MIPS (εκατομμύρια εντολές ανά δευτερόλεπτο) την ίδια ώρα που π.χ. ο δημοφιλής τότε 68000 της Motorola στην ίδια συχνότητα είχε απόδοση μόλις 1 MIPS! Εν τέλει ο Acorn Archimedes ποτέ δεν βίωσε την δόξα των Atari ST ή της Amiga, η ιδέα όμως πίσω από αυτόν δεν πέθανε, και η RISC αρχιτεκτονική θα επιβίωνε για να πάρει την εκδίκησή της εκεί που κανείς δεν θα το περίμενε!

H ARM ως αυτόνομη εταιρεία ιδρύθηκε τo 1990 ως κοινοπραξία της Acorn, της Apple και της VLSI και έχει έδρα την Μ. Βρετανία. Πολλά χρόνια πέρασαν από την ίδρυση της μέχρι να φτάσει στην κερδοφορία, και πολλές εξαγορές εταιρειών-κλειδιών συνέβησαν ώστε να φτάσουμε στο σημερινό σημείο ακμής.

Όσον αφορά το προϊόν της καθ' αυτό (ARM επεξεργαστές), το κύριο χαρακτηριστικό τους είναι η ιδιαίτερα χαμηλή κατανάλωση κάτι που τους καθιστά ιδανικούς για μια σειρά εφαρμογών και συσκευών που θα αναφέρουμε παρακάτω. Όσον αφορά την επιτυχία δε του προϊόντος, αυτή έχει να κάνει τόσο με την απόδοση όσο και με τον τρόπο που προωθούνται:

Η ARM ουσιαστικά δεν κατασκευάζει και δεν εμπορεύεται τους επεξεργαστές της όπως η Intel ή η AMD. Αντ' αυτού, ασχολείται με το R&D, δηλαδή με την έρευνα και ανάπτυξη της αρχιτεκτονικής, και κατόπιν πουλάει τεχνογνωσία σε όσους θέλουν να κατασκευάσουν ARM-τύπου επεξεργαστές. Η πρακτική αυτή θυμίζει λίγο τον τρόπο με τον οποίο η NVidia επικράτησε έναντι όλων των κατασκευαστών καρτών γραφικών (όταν σταμάτησε και αυτή να κατασκευάζει κάρτες γραφικών και προτίμησε  να περιοριστεί στην εξέλιξη των chips) μια πρακτική που αντέγραψε (και σώθηκε γι' αυτό) η ATi (πλέον AMD). Φυσικά υπάρχουν και κακές εκδόσεις αυτής της πρακτικής, με την μορφή διαφόρων patent trolls όπως η Rambus, αλλά η διαφορά εδώ είναι πως αφενός η ARM κατασκευάζει κάτι εξειδικευμένο και ζητάει royalties μόνο γι' αυτό (αντί να μηνύει τους... ανταγωνιστές) και αφ' ετέρου πως τα πνευματικά δικαιώματα που ζητάει για να προσφέρει την τεχνογνωσία κατασκευής των επεξεργαστών της είναι ιδιαίτερα χαμηλά. Με αυτόν τον συνδυασμό, δεν είναι καθόλου τυχαίο πως η συνταγή αυτή έχει δημιουργήσει μια απίστευτη επιτυχία.

Ζουν ανάμεσα μας; Που;

Οι ARM επεξεργαστές βρίσκονται πρακτικά παντού, ακόμη και εκεί που δεν το περιμένουμε! Από σχεδόν όλα τα "έξυπνα" κινητά τηλέφωνα, έως ταμπλέτες, δέκτες GPS, ψηφιακές κορνίζες, τηλεοράσεις, φωτογραφικές μηχανές, κάμερες, multimedia stations, DVD players, ebook readers ή και δικτυακά και αποθηκευτικά μέσα (βλ. Dlink DNS-320). Αν θελήσουμε να είμαστε λίγοι ποιο συγκεκριμένοι, οι ARM επεξεργαστές αυτή τη στιγμή κατοικούν στο 95% (!) των "έξυπνων" κινητών, στο 35% των τηλεοράσεων και στο 10% των netbooks -με το τελευταίο ποσοστό να αναμένεται να αυξηθεί σημαντικά λόγω της μελλοντικής εμπλοκής της Microsoft.

Οι γενιές των ARM επεξεργαστών

Πριν προχωρήσουμε, θα πρέπει να διευκρινίσουμε πως αυτό που αναφέραμε στην αρχή του άρθρου ως RISC αρχιτεκτονική, πλέον δεν ισχύει με την στενή έννοια που υπήρχε πριν τριάντα χρόνια. Εν ολίγοις, CISC αρχιτεκτονικές (με πολύπλοκα set εντολών) όπως η x86 έχουν "υιοθετήσει" τεχνικές RISC (παρά τα πεντακόσια διαφορετικά extensions), την ίδια ώρα που και οι "RISC" επεξεργαστές δεν είναι πλέον τόσο απλοϊκοί όσο οι πρόγονοι τους. Έτσι ο διαχωρισμός ενός επεξεργαστή σε RISC ή CISC είναι πλέον αδύνατος αλλά και ανούσιος.

Η ARM αρχιτεκτονική έχει ήδη να επιδείξει επτά γενιές επεξεργαστών (από την ARMv1 έως την ARMv7) με την όγδοη να βρίσκεται υπό εξέλιξη. Σε αντίθεση με την x86 αρχιτεκτονική και λόγω του ότι κάποιες ανάγκες για εργασίες είναι συγκεκριμένες (π.χ. για μια ψηφιακή τηλεόραση), είναι πολύ σύνηθες το φαινόμενο να συναντάμε σε καινούργια προϊόντα επεξεργαστές παλαιότερης γενιάς (π.χ. την ARMv5).

Εάν θελήσουμε δε να κάνουμε κάποια σύγκριση της απόδοσης των ARM επεξεργαστών σε σχέση με τους x86/x64, τότε θα μπορούσαμε να αναφέρουμε πως ένας από τους ισχυρότερους ARM επεξεργαστές, ο τετραπύρηνος Cortex-A15, επιτυγχάνει απόδοση 35.000 MIPS στα 2.5GHz, απόδοση που τον κατατάσσει παραπάνω από έναν Intel Core2Extreme X6800 (27.000) αλλά ποιο κάτω από έναν PhenomII X4 940 (43.000 MIPS). Τα πράγματα γίνονται ποιο "σκούρα" αν σκεφτούμε πως ένας τελευταίας γενιάς AMD FX-8150 έχει υπολογιστική ισχύ γύρω στα 110.000 MIPS, ενώ ένας Core i7 EE 3960X (στα 3.33GHz) πλησιάζει το εξωφρενικό νούμερο των 177.000 MIPS. Πώς μπορεί λοιπόν ένας επεξεργαστής με θεωρητική υπολογιστική ισχύ στο 1/5 των ανταγωνιστών του,  να καταφέρει να αλλάξει τα δεδομένα στην αγορά;

Η κατανάλωση είναι το κλειδί

Ο προαναφερθέν Intel i7 EE 3960Χ έχει έναν φάκελο κατανάλωσης της τάξης των 130W (!) Πρόκειται για έναν ιδιαίτερα ενεργοβόρο επεξεργαστή, όπως όλοι οι κορυφαίοι επεξεργαστές σταθερών υπολογιστών. Αν και δεν έχουμε καταφέρει να βρούμε πουθενά τα στοιχεία του Cortex-A15 το σίγουρο είναι πως θα καταναλώνει μια υποδιαίρεση της παραπάνω τιμής. Το αν λοιπόν οι επερχόμενοι ARM επεξεργαστές θα μπορέσουν να κοιτάξουν στα μάτια την υπάρχουσα x86 αρχιτεκτονική, αυτό θα εξαρτηθεί τόσο από την κατανάλωση του επεξεργαστή και την αναλογία κατανάλωσης προς απόδοση, όσο και από το πόσο θα μπορεί να γίνει πολυεπεξεργασία με 2, 4 ή παραπάνω ARM processors στον ίδιο υπολογιστή. Προς το παρόν το μόνο που γνωρίζουμε είναι πως η 8η γενιά θα προσφέρει 64bit addressing ώστε να μπορεί να "δει" πάνω από 4GB μνήμης όπως όλοι οι σύγχρονοι x86-64 επεξεργαστές.

Όσοι θεωρούν πάντως την κατανάλωση ως δευτερεύον χαρακτηριστικό, ας το ξανασκεφτούν, καθώς οι πρώτοι υπολογιστές με ARM επεξεργαστές και Windows 8 θα είναι κατά πάσα πιθανότητα υπερφορητοί (ultrabooks), εκεί που ακόμη και οι Atom και σία δείχνουν πολύ "λίγοι".

Η εμπλοκή της Microsoft

Αλήθεια, γιατί η Microsoft αποφάσισε να κυκλοφορήσει έκδοση των Windows για ARM επεξεργαστές; Το πρώτο που θα μπορούσαμε να πούμε είναι πως η ιερή συμμαχία Intel - Microsoft έχει διακοπεί εδώ και πολλά πολλά χρόνια -από την εποχή που η Microsoft κυκλοφόρησε τα πρώτα 64bit Windows XP, "θάβοντας" ζωντανό τον Itanium.

Μια παρατήρηση που θα θέλαμε να κάνουμε είναι πως η Microsoft αν και κορυφαίος κατασκευαστής λογισμικού δεν έχει ιδιαίτερη προτίμηση σε ports των Windows σε άλλους επεξεργαστές. Πλην της κλασσικής x86 και της κατοπινής x86-64 έκδοσης, τα Windows έχουν κυκλοφορήσει μόνο για τον Itanium, με τους SPARC και PPC επεξεργαστές να πλησιάζουν αλλά να μην γεύονται ποτέ την χαρά του δημοφιλούς λειτουργικού συστήματος.

Στην περίπτωση της ARM όμως, αφενός έχουμε την ευτυχή συγκυρία η Microsoft να έχει ήδη εξελίξει κώδικα για τον συγκριμένο επεξεργαστή (για τα Windows CE 7) και αφετέρου το ότι σύντομα (από το 2013 και μετά;) θα πάψουν να υπάρχουν δύο διαφορετικές εκδόσεις των Windows (x86/x64) με αποτέλεσμα να ελευθερωθεί το απαιτούμενο εργατικό δυναμικό στην εξέλιξη της ARM έκδοσης!

Ο πραγματικός όμως λόγος που η Microsoft αποφάσισε να υποστηρίξει τους ARM επεξεργαστές δεν είναι άλλος από την επιτυχία τους: Με εκατομμύρια πωλήσεις κάθε μήνα, οι επεξεργαστές αποτελούν μια νέα αγορά, μια αγορά στην οποία κυριαρχεί αυτή τη στιγμή το Linux, το Android ή το iOS (ανάμεσα σε δύο ντουζίνες άλλα Λ/Σ)! Μπορεί τα Windows CE 7.0 να αποτελούν μια πολύ καλή πρόταση, αλλά οι ARM επεξεργαστές διαθέτουν πλέον την ισχύ για να τρέξουν ένα πλήρες λειτουργικό σύστημα, και η Microsoft είναι βασικά αναγκασμένη να υποστηρίξει την αρχιτεκτονική, ώστε να μην βρεθεί τραγικά πίσω σε σχέση με τον ανταγωνισμό.

Ακόμη και έτσι πάντως, η ανακοινωθείσα μή-συμβατότητα με x86 εφαρμογές (που θα μπορούσε να γίνει εφικτή με εξομοίωση) δείχνει πως η Microsoft δεν σκοπεύει να "ενώσει" τους δύο κόσμους κάτω από την στέγη των Windows, και τα τσανάκια των ARM και των x86 επεξεργαστών (και laptops) θα παραμείνουν (προς το παρόν) χωριστά.

Intel και AMD ακονίζουν τα μαχαίρια τους

Από ένα σημείο και μετά, τόσο η Intel όσο και η AMD προσπάθησαν να παρουσιάσουν εκδόσεις των επεξεργαστών τους με υπερ-χαμηλή κατανάλωση. Ο Atom είναι μια τέτοια περίπτωση. Παρόλη την επιτυχία του και την παρουσία του σε τόσα πολλά netbooks, η αλήθεια είναι πως όλοι οι τρέχοντες επεξεργαστές Atom είναι επιεικώς για τα πανηγύρια, με απόδοση που κυμαίνεται στο μισό ενός (ήδη ξεπερασμένου) Pentium M στην ίδια συχνότητα, με αποτέλεσμα τα βασισμένα σε Atom netbooks να μοιάζουν περισσότερο με παιδικά παιχνίδια παρά με υπολογιστή αξιώσεων. Η AMD από την πλευρά της έχει παρουσιάσει αρκετά ποιο ισχυρούς επεξεργαστές από τους Atom, αλλά με πολύ μεγαλύτερη κατανάλωση. Έτσι τα netbooks που βασίζονται σε τέτοιους επεξεργαστές (MV-40, E450 κ.λπ.), συνήθως έχουν αποδεκτή απόδοση αλλά η κατανάλωση τους παραμένει υψηλή. Η Intel έχει θέσει χρονοδιάγραμμα ως το 2014 να παρουσιάσει Atom επεξεργαστές στα... 14nm, αλλά το μεγάλο πρόβλημα δεν είναι το μέγεθος του ολοκληρωμένου, όσο το ότι η x86 αρχιτεκτονική έτσι όπως έχει εξελιχθεί, είναι αδύνατον να είναι αποδοτική όσον αφορά την κατανάλωση.

Στο τέλος της ημέρας η ARM δεν κατασκευάζει x86/x64 επεξεργαστές, κατασκευάζει μια ανταγωνιστική πλατφόρμα, και έτσι σε αντίθεση π.χ. με την AMD, δεν είναι δεμένη με το άρμα της Intel και μπορεί να πάρει ότι πρωτοβουλίες θέλει προκειμένου να καταστήσει της αρχιτεκτονική της, ακόμη ποιο δημοφιλή στην αγορά. Και όσο για την Intel, παρά τα υπερκέρδή της έχει αδυναμίες. Για παράδειγμα, εδώ και 15+ χρόνια (από την εποχή της i740 το 1998) δεν έχει καταφέρει να κατασκευάσει ούτε μία κάρτα γραφικών της προκοπής, είτε ανεξάρτητη είτε ενσωματωμένη στο chipset, ενώ ακόμη και σήμερα και παρά την αγορά τεχνογνωσίας από την NVidia τέλη του 2011 για ένα μικροποσό ($1.5 δισ.), πρόοδος δεν έχει γίνει στο θέμα.

ARM: Η σταχτοπούτα της πληροφορικής

Το 2010 η ARM είχε τζίρο 634 εκατομμύρια δολάρια την ίδια ώρα που η AMD είχε  τζίρο πάνω από 6,5 δισεκατομμύρια με την Intel κάπου χονδρικά στα... $50 δισ.! Η Βρετανική εταιρεία διαθέτει το 1/10 των υπαλλήλων της AMD και το 1/100 αυτών της Intel, κάτι που καταδεικνύει το πόσο μικρή είναι σε σχέση με τον ανταγωνισμό.

Τα ερωτήματα που γεννούνται λοιπόν, είναι πολλά: Θα καταφέρει η ARM να ανταγωνιστεί στα ίσα τους επεξεργαστές της AMD και της Intel; Θα δούμε να αναβιώνει ένας νέος πόλεμος επεξεργαστών; Θα κινδυνέψει η εδώ και 25 χρόνια παντοκρατορία της x86 αρχιτεκτονικής της Intel;

Η πρόβλεψη μας (ως καταναλωτές) μόνο θετική μπορεί να είναι. Οι ARM επεξεργαστές προσφέρουν χαμηλή κατανάλωση και χαμηλό κόστος αγοράς, την ίδια ώρα που υποστηρίζονται από τους περισσότερους γίγαντες της πληροφορικής όπως η Apple ή η Samsung. Δεν έχουμε παρά να περιμένουμε μερικούς μήνες ακόμη, έως την επίσημη πρώτη των ευρείας μορφής δοκιμαστικών εκδόσεων των Windows 8 για ARM -και τότε θα γνωρίζουμε πραγματικά το αν η Intel θα έχει βρει τον μάστορα της (ή όχι)!