ARM

ARM — это семейство микропроцессорных архитектур, разработанных британской компанией ARM Holdings (ныне подразделение SoftBank Group), основанное на концепции RISC (Reduced Instruction Set Computer — вычислитель с сокращённым набором команд). Архитектура ARM характеризуется высокой энергоэффективностью, низким тепловыделением и относительно низкой производительностью на такт по сравнению с архитектурами x86, что сделало её доминирующей в сегменте мобильных устройств, встраиваемых систем и, с 2020-х годов, активно расширяющейся в сферу персональных компьютеров и серверов.

История

Основание и первые разработки

Архитектура ARM была создана в 1983 году в Великобритании компанией Acorn Computers. Разработчики Софи Уилсон, Стив Фербер и Джеймс Адамс стремились создать процессор для нового поколения домашних компьютеров Acorn Archimedes, который бы сочетал достаточную производительность с низкой стоимостью и энергопотреблением. Первый процессор, ARM1 (Acorn RISC Machine 1), был выпущен в 1985 году и использовался в качестве сопроцессора в Acorn Archimedes. В 1987 году появился ARM2, ставший основным процессором этой линейки.

Выделение в отдельную компанию

В 1990 году Acorn Computers совместно с Apple Computer и VLSI Technology основала компанию Advanced RISC Machines Ltd (ARM Ltd). Apple планировала использовать архитектуру ARM в своём карманном компьютере Newton MessagePad. ARM Ltd не занималась производством чипов, а лицензировала свои разработки другим компаниям, что стало ключевой бизнес-моделью. Первым крупным лицензиатом стала Texas Instruments, выпустившая процессор ARM610 для Newton.

Эра мобильных устройств

В конце 1990-х — начале 2000-х годов архитектура ARM стала стандартом для мобильных телефонов. Ключевым фактором стал выпуск в 1998 году процессора ARM7TDMI, который сочетал низкое энергопотребление с поддержкой Thumb (16-битный набор команд для уменьшения объёма кода). В 2005 году ARM представила архитектуру ARMv7, на которой основаны процессоры Cortex-A, Cortex-R и Cortex-M. В 2007 году с выходом первого iPhone (на базе процессора Samsung S5L8900, ядро ARM11) архитектура ARM окончательно закрепилась в смартфонах. К 2010-м годам более 95% всех мобильных устройств использовали процессоры на архитектуре ARM.

Экспансия в другие сегменты

С 2010-х годов ARM начала активно внедряться в серверный сегмент (например, процессоры Ampere Computing), встраиваемые системы (Cortex-M доминирует в микроконтроллерах) и, с 2020 года, в персональные компьютеры после выпуска Apple процессоров M1, M2, M3 и M4 на архитектуре ARM64. В 2016 году ARM Holdings была приобретена японским холдингом SoftBank Group за 32 миллиарда долларов. В 2020 году SoftBank объявил о намерении продать ARM американской компании Nvidia, однако сделка была заблокирована регулирующими органами в 2022 году. В 2023 году ARM провела первичное публичное размещение акций (IPO) на бирже NASDAQ.

Архитектура и особенности

RISC-принципы

ARM является классической RISC-архитектурой, что означает:

• Фиксированная длина команд (обычно 32 бита в режиме ARM, 16 бит в режиме Thumb), что упрощает декодирование.
• Большое количество регистров общего назначения (обычно 16 или 32), что снижает количество обращений к памяти.
• Команды работают только с регистрами; операции с памятью выполняются отдельными инструкциями загрузки (load) и сохранения (store).
• Упрощённый конвейер — большинство команд выполняются за один такт.

Наборы команд

ARM поддерживает несколько режимов работы:

• ARM (32-битный) — полный набор команд, обеспечивающий максимальную производительность.
• Thumb (16-битный) — сжатый набор команд, уменьшающий объём кода на 30-40% при некотором снижении производительности. Используется во встраиваемых системах с ограниченной памятью.
• Thumb-2 (смешанный) — расширение, позволяющее смешивать 16- и 32-битные команды, впервые реализованное в архитектуре ARMv7.
• A64 (64-битный) — набор команд для 64-битной архитектуры ARMv8-A, обеспечивающий поддержку адресации до 48 бит и 64-битных регистров.

64-битный переход

В 2011 году ARM представила архитектуру ARMv8-A, которая ввела поддержку 64-битных вычислений. Это позволило процессорам ARM работать с большими объёмами оперативной памяти (более 4 ГБ) и повысить производительность в сложных задачах. Переход на 64 бита стал обязательным для всех современных смартфонов (начиная с iPhone 5s в 2013 году) и серверных решений.

Энергоэффективность

Главное преимущество ARM — низкое энергопотребление. Это достигается за счёт:

• Малого количества транзисторов (по сравнению с x86).
• Глубоких «спящих» режимов (power gating, clock gating).
• Использования гетерогенной архитектуры big.LITTLE (с 2011 года), где высокопроизводительные ядра (Cortex-A) сочетаются с энергоэффективными (Cortex-A), а диспетчер задач динамически переключает нагрузку между ними.

Классификация ядер ARM

Современные ядра ARM делятся на три основные серии, оптимизированные для разных задач:

Cortex-A (Application)

Высокопроизводительные ядра для операционных систем общего назначения (Linux, Android, iOS, Windows). Используются в смартфонах, планшетах, ноутбуках, серверах. Примеры: Cortex-A76, Cortex-A78, Cortex-X1, Cortex-X2, Cortex-X3, Cortex-X4. Поддерживают 64-битные вычисления, виртуализацию, многопоточность.

Cortex-R (Real-time)

Ядра для систем реального времени, где критична предсказуемость времени выполнения. Используются в автомобильной электронике (ABS, подушки безопасности), промышленных контроллерах, жёстких дисках. Примеры: Cortex-R4, Cortex-R5, Cortex-R8, Cortex-R52.

Cortex-M (Microcontroller)

Ультраэнергоэффективные ядра для микроконтроллеров и встраиваемых систем с низким энергопотреблением. Используются в датчиках, носимой электронике, IoT-устройствах. Примеры: Cortex-M0, Cortex-M3, Cortex-M4, Cortex-M7, Cortex-M33. Поддерживают Thumb-2 и обычно не имеют MMU (блок управления памятью).

Лицензирование и экосистема

ARM Ltd не производит чипы, а лицензирует свои архитектурные и микропроцессорные разработки. Существует два основных типа лицензий:

• Лицензия на ядро — компания получает готовый дизайн ядра (например, Cortex-A78) и интегрирует его в свой чип, добавляя периферию, кеш-память, контроллеры памяти. Это наиболее распространённый тип.
• Архитектурная лицензия — компания получает право разрабатывать собственные ядра, совместимые с архитектурой ARM. Такие лицензии имеют Apple (ядра серии A и M), Qualcomm (Kryo), Samsung (Exynos), Huawei (HiSilicon Kirin), Ampere Computing. Это позволяет создавать уникальные процессоры с высокой степенью оптимизации.

Экосистема ARM включает тысячи компаний: производители полупроводников (TSMC, Samsung, GlobalFoundries), разработчики систем на кристалле (SoC) (Qualcomm, MediaTek, Samsung, Apple), производители устройств (Samsung, Xiaomi, Apple, Huawei), а также разработчики программного обеспечения (Google, Microsoft, Red Hat).

Применение

Мобильные устройства

Более 95% всех смартфонов и планшетов работают на процессорах ARM. Это включает устройства на Android (Qualcomm Snapdragon, MediaTek Dimensity, Samsung Exynos, Huawei Kirin) и iOS (Apple A-серия).

Персональные компьютеры

С 2020 года Apple перевела свои компьютеры Mac на процессоры собственной разработки M1, M2, M3 и M4 на архитектуре ARM64. Также существуют ноутбуки на Windows ARM (например, Microsoft Surface Pro X) и Chromebooks на ARM. Производительность современных ARM-процессоров сравнима с x86 в однопоточных задачах, а энергоэффективность значительно выше.

Серверы и облачные вычисления

Начиная с 2010-х годов, ARM-серверы набирают популярность благодаря низкому энергопотреблению и высокой плотности размещения. Крупные проекты: AWS Graviton (Amazon), Ampere Altra, Huawei Kunpeng, Fujitsu A64FX (используется в суперкомпьютере Fugaku — самом мощном в мире в 2020-2022 годах).

Встраиваемые системы и IoT

Микроконтроллеры на ядрах Cortex-M используются в миллиардах устройств: умные розетки, датчики температуры, фитнес-трекеры, медицинские приборы, автомобильная электроника, промышленные контроллеры.

Автомобильная промышленность

Ядра Cortex-R и Cortex-A применяются в системах ADAS (Advanced Driver-Assistance Systems), информационно-развлекательных системах, телематике. ARM также работает над архитектурой для автономного вождения.

Критика и ограничения

• Совместимость с x86-программным обеспечением — ARM-процессоры не могут напрямую выполнять программы, написанные для архитектуры x86. Для работы на Windows ARM требуется эмуляция (Prism от Microsoft), что снижает производительность. Apple решила эту проблему через эмуляцию Rosetta 2, но она не идеальна.
• Производительность в тяжёлых вычислениях — в задачах с высокой вычислительной нагрузкой (рендеринг, научные расчёты) ARM-процессоры часто уступают топовым x86-процессорам (Intel Core i9, AMD Ryzen 9) из-за меньшего количества ядер и более низкой частоты.
• Фрагментация экосистемы — из-за множества лицензиатов и различных версий ядер существует проблема совместимости программного обеспечения между разными ARM-устройствами (например, Android-приложения не всегда корректно работают на разных ARM-чипах).
• Зависимость от ARM Ltd — все производители ARM-чипов зависят от решений и лицензионной политики ARM Holdings, что создаёт риски для бизнеса (например, возможные изменения в лицензировании или судебные иски).

Интересные факты

• Первый процессор ARM (ARM1) содержал всего 25 000 транзисторов, в то время как современные ARM-чипы (например, Apple M2 Ultra) содержат более 100 миллиардов транзисторов.
• Аббревиатура ARM изначально расшифровывалась как Acorn RISC Machine, но после выделения компании была изменена на Advanced RISC Machines.
• Архитектура ARM используется в большинстве современных микроконтроллеров, включая популярные серии STM32, ESP32 и nRF52.
• В 2023 году ARM Holdings провела крупнейшее IPO в истории полупроводниковой отрасли, оценив компанию в более чем 50 миллиардов долларов.

Источники

• ARM Architecture Reference Manual, ARM Holdings
• «The ARM Architecture» — David Seal, ARM Ltd
• «Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface» — David A. Patterson, John L. Hennessy
• «ARM System-on-Chip Architecture» — Steve Furber
• Официальный сайт ARM Holdings (arm.com)
• Публикации AnandTech и Tom’s Hardware по архитектуре ARM
• Материалы Apple о процессорах M1, M2, M3, M4
• Документация AWS о процессорах Graviton