Schyľuje sa k vojne ARM a x86?

Vprvej časti článku oboji medzi procesormi ARM ax86 sme sa pozreli na ich architektúru, históriu apostavenie na trhu. Procesory ARM sa uchytili hlavne vmobilných zariadeniach, pričom do tejto oblasti to má poriadne naštartované aj Intel. Vdruhej časti článku sa pozrieme na licencovanie procesorov aich budúcnosť , kde sa jednoznačne schyľuje ksúboju.

Licencovanie avýrobcovia SoC

Situácia zhľadiska licencií apredaja je vprípade ARM značne odlišná od x86. ISA v podobe x86 patrí de facto Intelu, ktorý umožnil výrobu týchto procesorov konkurencii len ztoho dôvodu, že IBM na výrobu počítačov požadovalo v70. rokoch minulého storočia minimálne dvoch dodávateľov CPU. Intel aAMD tak majú odvtedy podpísanú zmluvu ovýmene patentových práv, ktorá dodnes platí.

Vsúčasnosti obe spoločnosti používajú vo svojich CPU mnohé patentované technológie, ktoré vyvinula vpriebehu času jedna alebo druhá z nich. Pôvodne Intel okonkurenciu „vo svojom rybníku“ záujem nemal, a preto tretí výrobca x86, ktorým bol Cyrix, čelil vminulom storočí mnohým žalobám. Cyrix na súdoch síce vyhral, na trhu však už nie. Dnes zjeho procesorového odkazu ťaží spoločnosť VIA, ktorá väčšinu Cyrixu odkúpila. Ak chcete do svojho produktu osadiť procesor x86, musíte si kúpiť hotový produkt od jednej ztrojice spoločností. Na druhej strane procesory postavené na inštrukčnej súprave ARM môže vyrábať prakticky ktokoľvek, kto si zakúpi licenciu.

Ak teda chcete osadiť do svojho zariadenia procesor postavený na inštrukčnej súprave ARM, môžete si buď kúpiť hotový produkt od jedného zmnohých výrobcov, alebo si od ARM Holdings kúpiť licenciu apostaviť si vlastný. Výhodné je, že spoločnosti môžu vyvinúť riešenie špecifické pre ich konkrétny hardvér (napr. smartfón), čo vedie kzvýšenej efektivite azníženiu nákladov. Práve ztohto dôvodu vyrába procesory ARM množstvo výrobcov aich výrobky môžu byť prispôsobované do veľkého množstva rozličných zariadení.

SoC Apple A6 vsmartfóne iPhone 5

ARM Holdings nedisponuje továrňami na výrobu čipov. Primárny zdroj ich príjmu je navrhovanie tzv. IP jadier (skratka Intellectual Property – duševné vlastníctvo), ktoré sú následne licencované rôznym spoločnostiam. Výrobcovia ktýmto jadrám, zhľadiska návrhu hotovým, pripájajú vlastné časti abudujú procesory alebo celé SoC (System on Chip). Takéto „systémy na čipe“ obsahujú vrámci jedného puzdra ďalšie súčasti, ako napríklad grafické jadro, radiče zberníc, EPROM, flash ainé pamäte.

Procesory alebo SOC sa následne vyrábajú uvýrobcov polovodičov, pričom najväčším znich je taiwananské TSCM (kde si svoje grafické čipy necháva vyrábať aj NVIDIA a AMD) a GlobalFoundries, ktorý vznikol oddelením výrobnej časti (teda výrobných fabrík) od spoločnosti AMD. Naproti tomu gigant Intel si svoje čipy x86 vyrába vo vlastných fabrikách sám. ARM Holdings teda na svojej inštrukčnej súprave (napríklad ARMv4) vyvinie procesorové jadro (napríklad ARM7TDMI), na ktoré si kúpi licenciu nejaká spoločnosť (napríklad Apple) apostaví na ňom procesor pre svoj výrobok (napríklad prvé prehrávače iPod obsahovali dve jadrá ARM7TDMI sfrekvenciou 90 MHz).

Druhá možnosť je kúpiť si celý SoC. Smartfón Apple iPhone 3GS bol riadený čipom SoC od Samsungu APL0298C05, ktorý obsahoval jadro ARM Cortex-A8 (šlo o ISA ARMv7-A) sfrekvenciou 600 MHz. Vroku 2010 už Apple pre iPhone 4 aiPad vybudoval vlastné SoC vpodobe Apple A4, ktorý disponoval jadrom ARM Cortex-A8 sfrekvenciou 1 GHz, a ďalšia generácia SoC vpodobe Apple A5 (iPad 2, iPhone 4S) obsahovala dve nové jadrá ARM Cortex A9. Najnovšia verzia vpodobe modelu A6 (iPhone 5) disponuje už vlastným návrhom jadra ARM, nazvaného Swift. Ide ojadro postavené na architektúre inštrukčnej súpravy ARMv7s (podobné jadru ARM Cortex-A15).

Keďže výrobcovia pristupujú kSoC rôzne, môžu pomocou jadier ARM vyrobiť rozlične výkonné čipy sodlišnou spotrebou. Kombinovať možno napríklad viac slabších jadier na mikroarchitektúre snižšou spotrebou alebo použiť menší počet jadier na výkonnejšej mikroarchitektúre. Napríklad NVIDIA použila pri svojom čipe SoC Tegra 3 štyri jadrá ARM Cortex A9s adoplnila ho piatym nízko taktovým jadrom. Vrovnakej schéme pokračuje aj pri najnovšom variante Tegra 4, ktorý obsahuje štyri jadrá ARM Cortex-A15 (max 1,9 GHz) apiate totožné, ale nízko taktové jadro neviditeľné pre systém, ktoré vykonáva úlohy na pozadí, šetriac tak energiu.

Konkurenčné SoC Samsung Exynos používali vo verzii Exynos 4 dvojicu alebo štvoricu jadier ARM Cortex-A9, ale najnovší Exynos 5, ktorý sa objavil na smartfóne Galaxy S4, obsahuje vnajvyššej verzii výkonné štvorjadro Cortex-A15 (do 1,8 GHz) aštvorjadro Cortex-A7 (do 1,4 GHz). Štvorjadrá sa striedajú podľa potreby na dosiahnutie čo najlepšieho výkonu aspotreby (prepínanie riadi firmvér). Ďalší veľký hráč na trhu je Qualcomm so svojím SoC Snapdragon. Na jar predstavený Snapdragon 600 používa štyri jadrá postavené na vlastnej mikroarchitektúre Krait (inštrukčná súprava ARMv7), ktoré používajú napríklad smartfóny HTC One a LG Optimus G Pro. Nová verzia Snapdragon 800, ktorá príde na jeseň, bude disponovať zlepšenou mikroarchitektúrou Krait 400, pracujúcou na frekvencii 2,3 GHz.

Nevyhnutná konfrontácia ARM sx86

Za posledných pár rokov sa trh spočítačmi výrazne zmenil. Smartfóny atablety začali bez problémov zvládať mnoho práce, na ktorú ľudia používali stolové počítače alebo notebooky (klasické prehliadanie internetu, sociálne siete, jednoduchá oprava obrázkov). Dva dovtedy značne nesúrodé svety sa tak preťali. Keďže mnohým ľuďom stačí len jednoduché zariadenie na konzumáciu obsahu, komplexnejšie zariadenia im nemajú čo ponúknuť.

Dôsledkom je postupné oslabovanie predajov notebookov astolových PC práve na úkor tabletov asmartfónov. Dnes sa možno dokonca stretnúť soznačením „post-PC svet“, čo je však značne nepresné, pretože so zvyšovaním výkonu azväčšovaním displejov sa „vreckové“ zariadenia nestali ničím iným než ďalším osobným počítačom (skratka PC). Majú síce obyčajne iný operačný systém aformu, ale zmazanie hranice medzi jedným adruhým svetom nemôže byť očividnejšie (stačí sa napríklad len pozrieť na klávesnice pripojené ktabletom či na hybridné notebooky zložiteľné do tabletovej polohy). Prirodzeným dôsledkom je, že výrobcovia čipov postavených na inštrukčnej súprave ARM ax86 sa pokúsia výrazne expandovať do bývalého „cudzieho“ sveta.

Smartfón Lenovo K800 so SoC Intel Atom Z2460

Je pomerne podivuhodné, že mnoho rôznych analytikov sa pri výhľade na blížiaci sa konflikt ARM ax86 začalo vyjadrovať na adresu ISA x86 pomerne sdešpektom asilno začali poukazovať na rozdiely medzi prístupmi CISC aRISC. ARM sa tak začal prezentovať ako moderný, rýchly ajednoduchý zabijak x86, ktorý nevyhnutne vyhrá vojnu pomeru spotreba/výkon avytlačí „nafúknutú“ architektúru x86 aj znotebookov, stolových počítačov aserverov.

Takéto pocity boli len posilnené vyjadreniami výkonného riaditeľa ARM Holdings Warrena Easta, ktorý sa minulý rok na adresu snahy Intelu preniknúť na trh smartfónov vyjadril takto: „Je nevyhnutné, že Intelu sa podarí získať niekoľko smartfónových kontraktov. Považujeme ho za vážneho konkurenta. Stane sa však Intel niekedy lídrom na poli energetickej efektívnosti? Samozrejme nie.“ Tým len vmnohých ľuďoch umocňoval pocit výraznej nadradenosti riešenia ARM, ťažiaceho zo svojho prístupu RISC. Situácia je však značne komplikovanejšia. Krivka výkonu/spotreby nie je lineárna a za každé jedno percento spotreby jednoducho nestúpne výkon o jedno percento.

Je teda naivné sa domnievať, že procesory ARM jednoducho len budú zvyšovať výkon adostanú sa až na úroveň procesorov Core či Xeon so znateľne nižšou spotrebou. Čím výkonnejšie budú, tým budú aj energeticky menej efektívne. Za ARM nestojí žiadny magický zázrak RISC, ktorý by ich tohto osudu mohol ušetriť. Stačí sa len pozrieť na pomer výkon/watt, ktorý má aj maličký Intel Atom niekoľkonásobne lepší ako najvýkonnejšie Core i7. Nie je to preto, že by Atom bol procesorový zázrak, ale preto, že za zvyšovanie výkonu sa platí čoraz väčšia daň.

Rez cez SoC NVIDIA Tegra 4 so štyrmi plnohodnotnými jadrami ARM Cortex-A15 ajedným nízko taktovaným

Aako je to opačným smerom? Platí Intel so svojimi x86 vnízkoenergetickom segmente nejakú zvláštnu daň vyplývajúcu zCISC? Nadšenie zo strany fanúšikov ARM schladil Intel na Vianoce minulého roka, keď zaklopal na dvere niekoľkých veľkých amerických IT redakcií, rozobral pred nimi tablet so SoCNVIDIA Tegra 3 apriamo porovnal spotrebu saktuálnym Atomom Z2760. Porovnanie pre spoločnosť NVIDIA dopadlo neslávne, čo však nebolo až také prekvapujúce, pretože používala jadrá Cortex A9 na 40 nm výrobnom procese, zatiaľ čo Atom bol vyrobený na 32 nm (Tegra 4 bola predstavená až v januári počas CES).

Testy však pokračovali väčšou výzvou, ktorou bol SoC Qualcomm Snapdragon S4 sdvoma 28 nm jadrami Krait aSoC Samsungu Exynos 5 sdvoma 32 nm jadrami Cortex A15. Voboch prípadoch išlo omoderných predstaviteľov architektúry ARM na porovnateľnom alebo lepšom výrobnom procese (do testu výkonu aspotreby, samozrejme, neprehovorili len časti CPU, ale aj ich grafické jadrá). Kým dvojjadrový Exynos 5 disponoval väčším výkonom, ale aj oveľa väčšou spotrebou (vhodné pre tablety sveľkými batériami, nonie veľmi pre smartfóny), s Kraitom odohral Atom veľmi vyrovnanú partiu. Nie je náhoda, že vsmartfónoch Exynos 5 kombinuje aj nižšie výkonné jadrá.

Prekvapujúce rozhodne bolo, že Atom, ktorý je vsúčasnosti päť rokov starou architektúrou atri roky starým výrobným procesom (z hľadiska Intelu), je pomerne konkurenčný produkt zhľadiska výkonu a spotreby. Korunu nezmyslenému poukazovaniu na RISC aCISC nasadili detailné analýzy súčasných inštrukčných súprav ARM a x86, ktoré boli prezentované na tohtoročnom medzinárodnom sympóziu výkonných počítačových architektúr. Vnich boli potvrdené, že rozdiely vo výkone aspotrebe sú prakticky nezávislé od použitej ISA. Zabudnite teda na RISC/CISC. To, čo spotrebu pri danom výkone určuje, je výrobný proces aefektivita mikroarchitektúry. Na súčasných procesoroch AMD aIntel dobre vidieť, aký obrovský rozdiel vspotrebe tieto dva faktory môžu priniesť.

No ak brzdy vpodobe obmedzení vrámci inštrukčnej súpravy neexistujú, znamená to, že ARM ani Intel (x86) nemá vsúboji fundamentálnu výhodu. Apokiaľ ide „iba“ o mikroarchitektúru avýrobný proces, len ťažko sa dá predpokladať, že vchystanom súboji bude Intel slabším hráčom. Na začiatku 21. storočia sa Intel dostal do slepej uličky anechal sa technologicky predbehnúť spoločnosťou AMD (ktorá ako prvá predstavila prvé 64-bitové procesory x84). Túto prehru bol nútený prehltnúť asnástupom procesorov Core, ktoré nahradili Pentiá 4, prešiel so sloganom „Žiadne ďalšie prekvapenia“ na vývojový model, nazvaný Tik-Tak.

Pri tomto modeli, inšpirujúcom sa tikotom hodín, je každé „tiknutie“ reprezentované zmenšením výrobného procesu akaždé „taknutie“ zmenou mikroarchitektúry. Každý rok pritom dôjde kfáze tik alebo tak. Vroku 2010 teda 45 nm architektúru Nehalem Intel zmenšil na 32 nm Westmere (tik), vnasledujúcom roku priniesol novú 32 nm mikroarchitektúru Sandy Bridge (tak), tú vroku 2012 zmenšil na 22 nm Ivy Bridge (tik) avroku 2013 nahradil novou 22 nm mikroarchitektúrou Haswell (tak). Stratégia tik-tak pôsobila na konkurenciu ako skutočne hrozivé kladivo a dnesuž niekoľko rokov nie je pochýb, kto je na trhu procesorov x86 kráľom. Ako to bude pôsobiť na súboj sARM-om? Včase svojho vzniku bol Atom akýmsi „nechceným dieťaťom“. Otvoril nový trh vpodobe slepej cesty netbookov. Keďže si Intel nechcel podrezávať vlastnú vetvu likvidáciou nižšej triedy procesorov, nevenoval Atomu priveľkú pozornosť. Tie časy sú však dávno preč.

Obstarožný 32 nm Atom ana ňom postavený SoC Clover Trail tento rok končia. Na jeseň ich nahradí úplne nová architektúra, pri ktorej sa zAtomu stane na rozdiel od súčasného okresaného in-order procesora out-of-order procesor (tak ako ARM avšetky klasické CPU x86), prejde z32-bitových inštrukcií na 64-bitové apoužije aktuálny 22 nm výrobný proces Intelu. Papierovo ide oskutočne masívny posun zo škaredého kačiatka na ultramobilné CPU budiace rešpekt. Atomuzrejme už Intel venuje plnú pozornosť asilné reči riaditeľa ARM Holdings nemusia mať dlhé trvanie.

ARM preniká vpodaní štvorjadrových procesorov Calxeda EnergyCore aj do serverov

Súboj sa bezpochyby začal. ARM vchádza do sveta „statických“ počítačov prostredníctvom čipov Calxeda EnergyCore a marci tohto roka spoločnosť Boston predstavila mikroservery Viridis založené na nich, obsahujúce 24 procesorov (dovedna 96 jadier ARM Cortex-A9) pracujúcich na frekvencii 1,4 GHz. Vroku 2014 do tohto sektora prehovorí slicencovanými procesormi ARM aj AMD, ktorého serverové meno môže byť pre ARM vítanou vstupnou bránou (AMD však stále pokračuje aj svýrobou serverových Opteronov x86).

Bude zaujímavé sledovať, ako sa ARM-u bude na serveroch dariť. Intel, naopak, kontruje čoraz väčším prienikom na tablety asmartfóny. Už onedlho odchádzajúcej architektúre Atomov (s miernym zlepšením vpodobe Clover Trail+) sa pritom podarilo pompézne zamávanie na rozlúčku. Nájdeme ich totiž už aj vútrobách nového tabletu Samsung Galaxy Tab 3, čo zpohľadu ARM-u rozhodne nie je malá prehra. Koncom roka prídu nové 22 nm verzie Atomov azdá sa, že s ich odsúvaním na druhú koľaj Intel končí. Pokiaľ Atomy nabehnú do modelu tik-tak, môžu sa stať pre ARM rýchlo nočnou morou. Na budúci rok totiž intelovské hodiny hrozivo tiknú na 14 nm Broadwell. Vroku 2015 nasleduje „tak“ v podobe novej mikroarchitektúry Skylake aorok neskôr „tik“ na 10 nm Skymont. Vzhľadom na to, aké problémy malo TSCM s jeho aktuálnym 28 nm procesom, ľahko sa môže stať, že priepasť vo výrobnom procese sa začne zväčšovať (čím momentálne značne trpí AMD). Všetko však môže byť inak. Skutočný výsledok, samozrejme, ukáže až čas. Rinčanie zbraní sa však už začalo.