Serce mobilnego sprzętu

Procesory zgodne z architekturą ARM (Advanced RISC Machine) są 32-bitowymi układami typu RISC (Reduced Instruction Set Computer). Zestaw podstawowych instrukcji, które taki procesor potrafi wykonać, liczy co najwyżej kilkadziesiąt nieskomplikowanych rozkazów, podczas gdy dla montowanych w komputerach procesorów Intela i AMD, budowanych zgodnie z architekturą x86, lista instrukcji potrafi sięgać kilkuset. Dzięki temu procesory RISC mają prostą w porównaniu z x86 budowę, bardzo szybko wykonują pojedyncze rozkazy oraz są wyjątkowo energooszczędne. Moc obliczeniowa współczesnych procesorów RISC, w tym układów ARM, pozwala instalować na nich wielowątkowe systemy operacyjne bez problemu obsługujące transmisję internetową, odczyt i zapis plików na dysku, interfejs graficzny czy odtwarzanie multimediów.

Procesory ARM są stosowane głównie w tzw. systemach wbudowanych (embedded). Znaleźć je można m.in. w sterownikach dysków twardych; montowane są jako układy obsługujące urządzenia sieciowe (np. routery, switche); sterują automatyką przemysłową; stosuje się je w kalkulatorach, telefonach komórkowych, sprzęcie AGD (np. w pralkach i lodówkach), samochodach, a nawet w dziecięcych interaktywnych zabawkach. Co ważne, napędzają prawie wszystkie smartfony i tablety, coraz częściej trafiają też do netbooków, a nawet prostszych laptopów.

Obecnie produkuje się rocznie 5 mld procesorów zgodnych z architekturą ARM! Przyjrzyjmy się, skąd ta ogromna popularność.

Architekturę ARM opracowała brytyjska firma Acorn Computers. Pierwsza wersja produkcyjna procesora ARM2 była gotowa w 1986 roku. Prostota jego architektury wynikała głównie stąd, że procesor do swojego działania nie potrzebował – jak to jest w architekturze x86 – specjalnego wewnętrznego programu, który zamieniał listę rozkazów procesora na ciąg mikroinstrukcji realizowanych już fizycznie przez poszczególne elementy procesora. W układzie ARM rozkazy procesora już były tymi mikroinstrukcjami. Z tego powodu procesor ARM cechował bardzo niski pobór energii i jednocześnie duża szybkość przetwarzania – wówczas większa niż procesora Intel 80 286.

Pod koniec lat osiemdziesiątych współpracę z Acorn Computers rozpoczął Apple Computer. Efektem było utworzenie w 1990 roku spółki Advanced RISC Machines, czyli ARM Ltd., w której już dwa lata później powstał procesor ARM6. Był montowany w jednym z pierwszych na świecie palmtopów – Apple Newton, produkowanym przez Apple od 1993 do 1998 roku.

Opracowane przez ARM Ltd. jądro procesora ARM6 jest proste i elastyczne. Można je bez problemu łączyć z dodatkowymi blokami funkcjonalnymi, np. kontrolerem pamięci, układem graficznym, kontrolerem magistrali PCI Express i USB czy kontrolerem dysku twardego. W ten sposób można stworzyć bardzo szybko tani i energooszczędny mikroprocesor dostosowany do konkretnych wymagań.

Dzisiaj podstawą działalności firmy ARM Ltd. jest sprzedaż licencji na zaprojektowane przez nią kolejne generacje procesorów ARM. Wiele firm korzysta z nich, modyfikując je oraz dodając (lub odejmując) do nich potrzebne do różnych zastosowań moduły funkcjonalne. Wielu producentów na bazie układów ARM projektuje też własne mikrokontrolery, procesory bądź systemy SoC (System on Chip), czyli kompletne systemy elektroniczne z procesorem, przeznaczone do wykonywania konkretnych zadań. Wytwarzaniem układów ARM zajmują się m.in. Analog Device, Apple, Freescale (Motorola), IBM, Infineon, Intel, NEC, Nvidia, NXP (Philips), Samsung, Texas Instruments i Qualcomm, choć niektóre samą produkcję układów zlecają firmom trzecim, np. tajwańskiej TSMC.

Procesor ARM Cortex A15 jest wyposażony w cztery rdzenie oraz 128-bitową magistralę systemową AMBA 4. Magistrala ta umożliwia bardzo wydajną wewnętrzną komunikację między różnymi elementami funkcjonalnymi zintegrowanymi na płytce krzemowej układu SoC (System on Chip). Pozwala też na wymianę danych między wieloma połączonymi ze sobą układami procesorów. Dzięki temu możliwa będzie m.in. budowa tabletu czy smartfonu, do którego w razie potrzeby użytkownik będzie mógł zamontować kolejny procesor, zwiększając tym samym (nawet kilkakrotnie) moc obliczeniową urządzenia.

Obecnie ponad 90 procent produkowanych układów SoC bazuje na architekturze ARM. Co ciekawe, układy ARM goszczą w wielu aparatach fotograficznych, np. w lustrzance Canon EOS 5D Mark II. W komórkach, tabletach i smartfonach znaleźć można głównie układy SoC, zawierające jeden z trzech procesorów ARM: ARM11, Cortex A8 lub Cortex A9.

Zaprojektowany w 2002 roku ARM11, jest wykorzystywany w telefonach Nokia, np. smartfonie Nokia N8. Na jego bazie powstały też układy m.in. do telefonów Apple iPhone do wersji 3G, odtwarzacza Apple iPod Touch czy konsoli Nintendo 3DS.

ARM Cortex A8 ma unowocześnioną architekturę procesora. Jednostki z rdzeniem Cortex wykonują znacznie szybciej programy przy takiej samej częstotliwości taktowania jak starsze rdzenie, mają też prostszą od nich budowę, dzięki czemu łatwiej je wyprodukować. Zużywają też mniej energii. Układ ARM Cortex A8 znajduje się m.in. w telefonach HTC Desire, Samsung i9000 Galaxy S, Sony Ericsson Xperia X10, a także Nokia N900. Chip A4, używany w iPadzie oraz iPhone G4, to również układ SoC z rdzeniem ARM Cortex A8.

ARM Cortex A9, zaprojektowany jako procesor wielordzeniowy, obecnie jest produkowany w wersji dwurdzeniowej. Jedną z nich jest układ Nvidia Tegra 2, opracowany z myślą o wydajnych, pod względem graficznym, netbookach i tabletach, i stanowi w tym segmencie konkurencje dla procesorów x86 Intel Atom. Dwurdzeniowy Cortex A9 znalazł się m.in. w smartfonach Samsung Galaxy S II, HTC Sensation, Motorola Atrix 4G, LG Optimus 2X oraz tabletach Motorola Xoom, Asus Eee Pad Transformer, Apple iPad 2 (układ Apple A5).

Układy w poszczególnych smartfonach i tabletach mogą się różnić marką, częstotliwością, dołączonymi modułami. Stąd odmienne możliwości i prędkość działania. Jeśli zaś układy ARM są takie same, urządzenia mają zbliżoną wydajność sprzętową, a obserwowane różnice wynikają z zastosowanego oprogramowania i podzespołów, jak np. ekran, pamięć czy aparat.

Procesor Cortex A9 może działać maksymalnie w konfiguracji czterordzeniowej przy taktowaniu do 2 GHz – pierwszym produktem, w którym się pojawi w tej wersji, będzie konsola do gier Sony NGP – następca Sony PSP. Jednak nawet taki czterordzeniowy układ może wkrótce okazać się za słaby. Jego następca, też czterordzeniowy Cortex A15, będzie pracował z szybkością 2,5 GHz (pojawi się pod koniec 2012 roku). Jest również przewidziana 16-rdzeniowa wersja procesorów ARM Cortex A15 do obsługi mikroserwerów (debiut w 2014 roku). Przy swojej energooszczędnej architekturze procesor ten może zagrozić tradycyjnym konstrukcjom serwerowym, bazującym na procesorach x86, takich jak Intel Xeon i AMD Opteron.

Wydaje się, że procesory ARM mają zapewnioną spokojną przyszłość. Licencję na wykorzystanie architektury Cortex A15 wykupiły już firmy Samsung, Nvidia, LG, Texas Instruments oraz Qualcomm.

Ważna dla przyszłości procesorów ARM może być kolejna wersja okienek Microsoftu. Podczas targów Computex zaprezentowano system Windows 8, który będzie działać nie tylko – jak dotychczas – na platformie x86, ale również ARM. Układy ARM, dostosowane do obsługi Windows 8, opracowuje Nvidia, Texas Instruments oraz Qualcomm. W prezentacji wykorzystano tablety i laptop z układami ARM Nvidia Tegra 3, TI OMAP4430 oraz Qualcomm Snapdragon MSM8960.

Procesory ARM w najbliższych latach z pewnością nie zagrożą dominacji procesorów x86 w pecetach oraz wydajniejszych laptopach i netbookach. Pytanie, czy Intel ma szansę konkurować z układami ARM w tabletach i smartfonach. Intel zawalczy o ten rynek zapowiadanym od pewnego czasu układem Medfield, który będzie wytwarzany w procesie 32 nm. Ma on zapewnić budowanie cienkich i lekkich tabletów – o grubości do 9 mm i wadze poniżej 680 g (dla porównania iPad 2 waży 600 g i ma grubość 8,8 mm), które będą mogły pracować na baterii cały dzień. Jeszcze w tym roku mają się pojawić pierwsze telefony komórkowe z Medfieldem, a w pierwszej połowie przyszłego roku – tablety z tym układem, działające pod kontrolą Androida 3.0 (obsługiwany będzie też Meego oraz Windows). Analitycy zwracają jednak uwagę na problem kompatybilności między układem Intela a Androidem. Kod źródłowy aplikacji dla Androida jest dostosowany do procesorów ARM – czy da się uruchomić je na tabletach z Medfieldem? Intel zapowiada, że zoptymalizuje Androida pod kątem swojej platformy. Podczas targów Computex (Tajpej, 31.05–4.06) wiceprezes Intela Sean Maloney zaprezentował referencyjny tablet z Medfieldem, a Douglas Davis – główny menedżer odpowiedzialny za netbooki i tablety – krzemowy wafel, z którego Medfield jest produkowany.

Ogólne

• Niski pobór energii
• Szybkie przetwarzanie danych
• Proste i elastyczne jądro, które można łączyć z dodatkowymi blokami funkcjonalnymi i tworzyć układy dostosowane do konkretnych potrzeb

W tabletach

• Długi czas pracy na baterii
• Błyskawiczne budzenie się urządzenia ze stanu spoczynku
• Zapewnienie stałego połączenia z internetem