ARM — архитектура процессоров¶
ARM (англ. Advanced RISC Machine, изначально Acorn RISC Machine) — семейство архитектур процессоров с набором инструкций сокращённого типа (RISC), разработанное британской компанией Acorn Computers в начале 1980-х годов. На основе архитектуры ARM создаются процессоры, которые используются в мобильных устройствах, встраиваемых системах, персональных компьютерах и серверах. По состоянию на 2020-е годы процессоры с архитектурой ARM являются наиболее массовыми процессорами в мире по количеству произведённых и проданных единиц.
¶История
Разработка архитектуры началась в 1983 году в компании Acorn Computers (Великобритания) под руководством инженеров Софии Уилсон и Стива Фёрбера. Первая версия процессора, получившего название ARM1, была реализована на кристалле в 1985 году. Процессор создавался как дешёвый и энергоэффективный процессор для настольных компьютеров Acorn, однако вскоре выяснилось, что его преимущества особенно ценны в портативных и встраиваемых устройствах.
В 1990 году Acorn создала дочернюю компанию ARM Ltd. (позже ARM Holdings), задачей которой стало лицензирование архитектуры. Модель бизнеса ARM отличалась от большинства производителей процессоров: компания не выпускала собственные чипы, а продавала лицензии на архитектуру и дизайн ядра другим производителям. Среди лицензиатов ARM — Qualcomm, Apple, Samsung, MediaTek, NVIDIA, Texas Instruments, Broadcom, Huawei (HiSilicon) и другие компании.
В 2016 году ARM Holdings была приобретена японской группой SoftBank за около 32 млрд долларов США. В 2020 году SoftBank объявила о планах продажи ARM компании NVIDIA, однако сделка не была завершена из-за возражений регуляторов ряда стран. В 2023 году ARM провела первичное размещение акций на бирже NASDAQ.
¶Архитектура и принципы
Архитектура ARM относится к классу RISC (Reduced Instruction Set Computer) и обладает рядом характерных особенностей:
- фиксированная длина инструкций (32 или 64 бита), что упрощает декодирование;
- большое количество регистров общего назначения (обычно 16 в 32-битном режиме и 31 в 64-битном);
- акцент на регистрово-ориентированные операции: арифметика выполняется над регистрами, доступ к памяти осуществляется отдельными командами загрузки и сохранения (load/store);
- конвейерная обработка инструкций;
- режимы условного выполнения инструкций (в 32-битной архитектуре), позволяющие избегать переходов.
Ключевое свойство ARM — масштабируемость. На основе базовой архитектуры создаются линейки ядер с разным балансом производительности и энергопотребления: от сверхэкономичных Cortex-M0 до высокопроизводительных Cortex-A78 и Cortex-X4.
¶Основные линейки ядер
Процессорные ядра ARM делятся на три основные семейства:
| Семейство | Назначение |
|---|---|
| Cortex-M | Встраиваемые микроконтроллеры, сверхнизкое энергопотребление |
| Cortex-R | Реального времени (автомобильная электроника, накопители) |
| Cortex-A | Смартфоны, планшеты, ноутбуки, серверы |
¶64-битная архитектура ARMv8
В 2011 году ARM представила архитектуру ARMv8, впервые добавившую полноценную 64-битную модель адресации (AArch64). Это позволило использовать архитектуру в серверах и настольных компьютерах. Apple первой из лицензиатов разработала 64-битный мобильный процессор — Apple A7 (2013), применённый в iPhone 5s. Позднее компания создала линейку Apple M1/M2/M3/M4 для Mac, показавших высокую производительность при низком энергопотреблении.
¶Применение
Архитектура ARM применяется в широком спектре устройств:
- Мобильные устройства — подавляющее большинство смартфонов и планшетов построено на процессорах ARM (Qualcomm Snapdragon, Samsung Exynos, MediaTek Dimensity, Apple A-series, HiSilicon Kirin);
- Персональные компьютеры и ноутбуки — Apple Silicon (M1–M4), Qualcomm Snapdragon X, Microsoft SQ;
- Серверы и дата-центры — процессоры Ampere Altra, Huawei Kunpeng, Graviton от Amazon (используются в облачных сервисах AWS);
- Встраиваемые системы — микроконтроллеры STM32, NXP i.MX, Raspberry Pi (модели на базе Broadcom SoC);
- Автомобильная электроника — системы помощи водителю, инфотейнмент;
- Устройства Интернета вещей — датчики, умные датчики, носимые устройства.
¶ARM в России
В России архитектура ARM используется во встраиваемых системах и микроконтроллерах. Отечественные разработки на базе ARM-подобных принципов включают процессор «Эльбрус-2С+» (не следует путать с архитектурой VLIW «Эльбрус»), однако основные российские процессоры «Эльбрус» и «Байкал» используют собственные или лицензированные архитектуры (IA-32/MIPS соответственно). В 2022 году, после ужесточения санкционного режима, доступность процессоров ARM для российских производителей электроники стала предметом обсуждения в контексте импортозамещения.
¶Сравнение с x86
Основной конкурент ARM на рынке компьютеров — архитектура x86 (Intel, AMD), относящаяся к классу CISC. Ключевые различия:
| Параметр | ARM | x86 |
|---|---|---|
| Тип инструкций | RISC | CISC |
| Энергопотребление | Низкое | Высокое |
| Производительность на ватт | Высокая | Средняя |
| Лицензирование | Открытое (модель лицензий) | Проприетарное (Intel, AMD) |
| Мобильные устройства | Абсолютное большинство | Минимальная доля |
¶Перспективы
Архитектура ARM продолжает расширять присутствие на рынках, традиционно занятых x86. Запуск Apple Silicon показал конкурентоспособность ARM в настольном сегменте, а появление Qualcomm Snapdragon X и Microsoft Copilot+ PC усилило тренд. В серверном сегменте доля ARM растёт благодаря облачным провайдерам, создающим собственные ARM-процессоры (AWS Graviton, Google Axion). По прогнозам аналитиков, доля ARM в сегменте серверов и ПК будет увеличиваться в течение 2020-х годов.
¶Примечания
¶Источники
- Patterson D., Waterman A. — «Learning RISC-V: A Hands-On Guide to the Simple, Open-Source RISC-V Architecture» (сравнение RISC-архитектур)
- Furber S. — «ARM System-on-Chip Architecture», Addison-Wesley
- Hennessy J., Patterson D. — «Computer Architecture: A Quantitative Approach», 6th edition
- Официальные документы ARM Holdings (ARM Architecture Reference Manual)
- Data from IDC, Gartner и Counterpoint Research по рынку мобильных процессоров