В 2020 году компьютерный мир потрясла взрывная новость: ARM-процессор опередил по производительности топовые процессоры x86 от Intel и AMD и при этом потреблял в разы меньше энергии. Появились даже прогнозы относительно упадка архитектуры x86, которая не была лучшей, но появилась в подходящий момент. Вот история появления компании ARM и ее путешествия к мировому доминированию.
Архитектура ARM без преувеличения является самой популярной в мире. Почти все приборы, окружающие вас – смартфоны, планшеты, телевизоры, часы, микроволновки, кондиционеры, «умные» дверные замки и водопроводные краны, видеоплееры и тому подобное – используют ее. По приблизительным подсчетам, на ней работает 130 млрд гаджетов.
Долгое время ARM не могла преодолеть лидерство x86 в двух сегментах: суперкомпьютеров и рабочих ПК, где доминировали чипы от Intel и AMD. Однако летом 2020 года ARM стала основой самого мощного суперкомпьютера, а осенью того же года – стала основной мощнейшего в пересчете на оао чипа для рабочих ПК.
Появление ARM
Толчок к появлению архитектуры ARM дало образовательное телешоу The Computer Programme, которое транслировалось в 1982 году компанией BBC. Авторы этого шоу хотели рассказать британцам о новом типе техники-компьютерах. Тогда они выглядели как клавиатура, которую нужно было подключать к телевизору.
Телешоу было частью проекта Computer Literacy Project, который запустили британские власти вместе с топ-менеджерами BBC. Проект ставил целью сократить отставание британцев в компьютерной революции, которая к тому времени уже широко Шагала в США.
В отличие от большинства передач подобной тематики той поры, BBC хотела демонстрировать в кадре реальный компьютер и показывать на нем фундаментальные концепции компьютерных технологий и обучать основам программирования на языке BASIC.
Зрителей учили работе с графикой и звуком, подключении к сетям и другим технологиям. Демонстрационный компьютер для таких задач должен был быть достаточно мощным. Требования к производительности машины оказались такими, что на рынке не было готового решения.
Топ-менеджеры BBC обратились к британской хайтек-индустрии, лидером которой в те годы была фирма Sinclair. Она заработала свои деньги на калькуляторах и небольших телевизорах. Но разработать новый компьютер, который удовлетворил бы требования BBC, согласилась небольшая компания Acorn Computers.
Acorn была основана в Кембридже в 1979 году и первой ее продукцией были модификации компьютерных систем слотовых игровых автоматов. Компания превращала их в небольшие компьютеры для хобби на базе процессоров 6502. Это те же процессоры, на которых были построены компьютеры Apple II, Atari 2600, Commodore 64 и другие. Дизайн этого процессора, как окажется потом, станет одним из важнейших элементов.
Acorn разработала домашний компьютер Atom, когда им поступило предложение от BBC. Компания начала работы над преемником Atom, который должен был получить название BBC Micro. Компьютер прогнозировался несколько слабее Atom, который имел два процессора, а также должен был иметь два процессора 6502 и какой-то 16-битный чип. Инженеры Acorn впоследствии отказались от использования дополнительного процессора, но оставили интерфейс подключения Tube – это также стало важным элементом.
Требования к BBC Micro стали настоящим вызовом для инженеров Acorn, что приводило к странным решениям. Например, нужно было точно размещать палец в определенном месте, чтобы компьютер заработал. Причину столь странного поведения так и не выяснили, но инженерам удалось подобрать несколько резисторов, которые симулировали наличие пальца в нужном месте.
Несмотря на все недостатки BBC Micro стал успехом для Acorn и одним из самых известных компьютеров в Великобритании в 1980-х.
Зарождение ARM
Параллельно происходила настоящая революция в компьютерах: в 1981 году вышел IBM PC и стал стандартом для персональных ПК, в 1983 году появился Apple Lisa, который дал толчок графическим интерфейсам в компьютерах.
В Acorn наблюдали за этими прорывами и понимали, что им нужен более мощный процессор, чем 6502. Компания экспериментировала с 16-битными чипами, включая 65816 – 16-битный вариант 6502. Также компания изучала Motorola 68000, который использовался в Apple Macintosh, еще исследовали процессор National Semiconductor 32016. Также интересовались Intel 80286, но Intel проигнорировала небольшую британскую компанию.
Инженеры Acorn решили, что в их ситуации лучшим выходом является разработка собственного процессора. Проанализировав разработки Western Design Center, который разрабатывал новые версии 6502 и работы других исследователей, было решено выбрать подход Reduced Instruction Set Computing (RISC).
RISC является одним из двух больших концепций построения процессоров. Другим является Complex Instruction Set Computing (CISC). CISC-процессоры имеют большой набор инструкций, которые могут выполняться несколько процессорных тактов. Зато программистам легче создавать программы, так как можно использовать больший набор инструкций. В RISC-процессорах набор инструкций невелик, чтобы каждую можно было выполнять за один такт процессора. Это упрощает разработку процессора, однако усложняет код и объемы потребляемой памяти.
В Acorn хорошо разбирались в RISC, поскольку у них был опыт работы с 6502, дизайн которого считается прото-RISC.
Разработанный интерфейс Tube подключения процессоров позволил превратить компьютер BBC Micro в тестовую плату для нового чипа. Его назвали Acorn RISC Machine (ARM). Производством занималась компания VLSI.
В 1987 году вышел первый персональный компьютер на RISC-процессоре. Он назывался Acorn Archimedes и работал на втором поколении процессоров ARM2. Производительность ARM оказалась лучше, чем у Intel 286, несмотря на то, что у ARM-чипа было на 245 000 транзисторов меньше.
Archimedes работал на операционной системе Arthur OS и оказался гибкой, быстрой и мощной машиной. У него была приличная графическая подсистема, графический интерфейс пользователя, набор встроенных анимаций и игр для демонстрации возможностей и мощности.
Тот первый ARM-компьютер часто называли самым быстрым персональным компьютером своего времени. Его производительность была в несколько раз выше, чем у компьютеров на базе Intel 80286.
Путь на вершину популярности
Выбранная Acorn концепция минимального количества инструкций позволила создавать процессоры, которые использовали меньше энергии и меньше нагревались. Это свойство оказалось приятным бонусом, но его не планировали специально, поскольку энергопотребление не столь важно для настольных компьютеров.
Невысокое потребление энергии и высокая мощность сделало ARM интересным для мобильных гаджетов, работавших от батарей. В 1980-х такой процессор искала Apple, которая разрабатывала систему с графическим интерфейсом и с функцией преобразования рукописного текста в печатный. Питание девайса обеспечивали батарейки AA. Этим устройством был провальный Newton, а единственным достаточно мощным процессором для него оказался ARM.
Apple и VLSI в партнерстве с Acorn договорились выделить ARM в отдельную компанию, которую назвали Advanced RISC Machines, оставив тем самым старую аббревиатуру ARM.
Ресурсы Apple позволили компании разработать новые ядра, включая ядро ARM6. Чип ARM610 стал первым на нем, он имел частоту 20 МГц и стал «сердцем» Apple Newton в 1993 году.
На рынке Newton провалился и стал одним из самых громких провалов Apple (пока этот титул не забрала беспроводная зарядная станция AirPower). Однако с технической точки зрения Newton был шедевром: вмещался на ладони, питался от батареек, имел сенсорный экран и кучу новейших функций, среди которых – распознавание рукописного текста. Сегодня под такое описание подходит почти каждый смартфон.
Следующее ядро ARM7 в 2001 году стало базой для процессора Apple iPod и Nintendo Game Boy Advance. В 2004 году два процессора ARM обеспечили работу двухэкранной карманной игровой приставки Nintendo DS.
В 2007 году Apple выпустила первый iPhone, который использовал чип с ядром ARM11. Intel пыталась развивать x86 в смартфонах и планшетах, но не смогла. Архитектура ARM стала безусловным лидером в мобильных гаджетах.
Будущее точно не будет спокойным
Судьба ARM обещает и в будущем быть полной странных событий. В сентябре 2020 года Nvidia объявила, что намерена купить компанию ARM за 40 миллиардов долларов и эту сделку назвали самой важной в отрасли за последние 40 лет.
Покупка ARM позволит Nvidia контролировать тех, кто лицензирует ARM, а среди таких – Qualcomm, Samsung, Apple, AMD и другие. Также свободный доступ к технологиям ARM может позволить Nvidia стать главным игроком на рынке «облаков» и искусственного интеллекта.
По материалам: Arstechnica
