Иногда важные вещи случаются вдруг, как, например, переход компании Apple от использования RISC-процессоров собственной разработки к процессорам х86 производства Intel в своих настольных компьютерах и ноутбуках. В свое время новость произвела эффект разорвавшейся бомбы, и редакторы сетевых СМИ очень сомневались в целесообразности доведения до читателей этих слухов до полного и официального подтверждения.
Чаще важные изменения складываются из длительных подводных течений, наконец вышедших на поверхность. Все происходит на глазах у интересующихся вопросом, но момент перехода от разработок к внедрению порой также бывает неожиданным. Dell давно ведет разработки в серверостроении, что прекрасно видно по широкой линейке аппаратуры и программному обеспечению, которые предлагает своим клиентам компания. Вследствие непосредственного взаимодействия с крупными заказчиками и поставкой решений «под ключ» Dell отлично знакома с современными запросами клиентов и вызовами, которые встают в процессе оптимизации оснащения дата-центров.
Один из них состоит в том, что для ряда задач компактность и экономичность решений имеет больший приоритет, чем вычислительная мощность каждого отдельного сервера в инсталляции. В течение многих лет велись разработки, направленные на широкое использование процессоров ARM в серверном оборудовании в качестве ЦПУ. В качестве контроллеров сетевых устройств, дисковых массивов и т.д. они используются давно, широко и успешно, но вот именно как ЦПУ для серверов пока применяются редко.
Давайте рассмотрим некоторые аспекты современного развития компьютерной техники, которые подтолкнули Dell к такому решению, и начнем сегодня издалека – что же такое ARM и откуда они взялись.
Архитектуры процессоров – немного истории
С самой зари компьютерной эры, точнее, с появления процессоров Intel 8086, параллельно существуют две основных архитектуры – х86 и RISC. Отличия их начинаются на уровне команд, исполняемых процессором, которые исходят от компилированного программного кода, в который превращаются написанные программы. Грубо говоря, на этапе компиляции определяется, на каком процессоре можно исполнять программный код. У х86 набор команд изначально был разнообразнее, для оптимизации обработки нужд различных приложений, а вот RISC-процессоры обрабатывают ограниченный набор команд, что накладывает некоторые ограничения на их применение, но одновременно позволяет им более эффективно справляться с теми задачами, для которых они предназначены. Ключевое отличие RISC, которое трудно победить адаптацией программного кода к системе команд, – в отсутствии вычислений с плавающей точкой. Критично оно для обработки мультимедиа и научных задач.
Каждая из ветвей процессоростроения шла своим путем, и заложенные изначально концепции развивались, поначалу все больше удаляясь друг от друга. Из поколения в поколение система команд х86 дополнялась новыми расширениями. Сначала в основной процессор интегрировали математический сопроцессор в поколении 386, Pentium был оснащен потоковым конвейером для обработки мультимедиа MMX, и так далее, по пути усложнения как самих процессоров, так и исполняемого ими кода. Процессоры получались все более мощными, но и требовали все более сложной «обвязки» в виде чипсета и карт расширения для решения специфических задач.
Со временем, из, казалось бы, несерьезной игрушки, функции видеокарты для ускорения обсчета 3D-графики, более всего востребованной в компьютерных играх, выросла новая архитектура процессоров. Видеоускорители стали массово-параллельными конвейерами для выполнения расчетов с плавающей точкой. Сейчас они вполне успешно справляются с криптографическими и научными задачами и заняли свое место в оснащении серверов и мощных рабочих станций. Tesla от nVidia, FireStream от AMD и Intel Xeon Phi – вот во что выросли красоты Quake 2 и Unreal.
Как х86, так и видеоускорители никогда не стремились экономить электроэнергию, быть маленькими по размерам, представлять из себя законченный продукт для исполнения какой-либо конкретной задачи. Они были и остаются мощными, большими, горячими и универсальными решениями, стремящимися расширить горизонты и отодвинуть границы.
А что же RISC? Чтобы не углубляться в дебри его архитектуры, перейдем к более узкому термину ARM. Компания ARM Holdings – наиболее известный на сегодня разработчик процессоров с набором команд RISC. Она разрабатывает архитектуру и экосистему для применения своих процессоров настолько успешно, что сегодня большая часть RISC-процессоров базируется на ее решениях, а само название компании вытеснило имя архитектуры и стало нарицательным.
Процессоры ARM всегда были относительно простыми, небольшими и энергоэффективными. Использовались они для узкоспециализированных, предметно поставленных именно для них задач. Все начиналось с микроконтроллеров, их еще и так называют. Управляли они сетевыми устройствами, принтерами, машинками на радиоуправлении, банкоматами, телефонными станциями, радиолокационным оборудованием, GPS… Список можно продолжить до внушительного тома. Одно и то же ядро, немного по-разному сконфигурированное и с небольшими вариациями по внешней обвязке могло выполнять достаточно большое количество прикладных задач из этого списка и быть установленным в совершенно разные устройства. Несомненно, с течением времени и эти, поначалу простые и монофункциональные процессоры, усложнялись и обучались новым, разнообразным функциям. Ключевую роль здесь сыграли PDA, со временем, вследствие конвергенции с телефонами, мутировавшие в персональные коммуникаторы, по мощности превышающие настольные компьютеры пятилетней давности. Так вот, по большей части эту мощь обеспечивают ARM-процессоры.
Как же так произошло, что дивергенция двух веток развития архитектуры процессоров привела в итоге к конвергенции? Все дело в масштабируемости ARM-архитектуры и ее изначально сильной стороне – экономному энергопотреблению. Поскольку технологии хранения энергии развиваются не такими быстрыми темпами, как всем хотелось бы, для карманного, автономного устройства как десять лет назад, так и сейчас крайне важно с максимальной эффективностью использовать ограниченное количество запасенного в аккумуляторе электропитания. Сосредоточившись на этом приоритете, разработчики ARM, тем не менее, постоянно и неуклонно наращивали их производительность.
От набирающих мощь и решающих все более разнообразные задачи телефонов родился новый класс устройств – планшеты, также по большей части основанные на ARM. С другой стороны навстречу двигался давний конкурент – процессоры х86. У них парадигма развития была, на первый взгляд, противоположной. Постоянно и неуклонно наращивая вычислительную силу, они постепенно учились экономить электроэнергию. Пик расточительства пришелся на семейство Pentium IV, все дальнейшие разработки уже выпускались с учетом требований энергоэффективности. Связано это было не в последнюю очередь с тем, что все больший процент персональных компьютеров стали составлять ноутбуки, а для них время автономной работы является весьма существенной характеристикой. Потом появились субноутбуки, еще меньшие по размерам нетбуки и… состоялась встреча с планшетами, которые выросли из телефонов!
Подводя итог, можно сказать, что разновидностей электронных устройств и компонентов, в которых используется ARM, намного больше, и самих процессоров намного больше, как разновидностей, так и в абсолютном исчислении. Но верхнюю ступеньку эволюции по-прежнему оккупировала архитектура х86. Они установлены в серверы, производительные рабочие станции ультрабуки и ноутбуки.
Основные отличия двух основных направлений развития процессоров сейчас
Лицензирование и производство
Нельзя вот так просто проснуться утром в понедельник и начать производить процессоры. Наборы команд, подробности архитектуры и техпроцесс защищены лицензиями, авторским правом разработчика. Поскольку разработчиков х86 трое, и они довольно давно работают на этом рынке, то в процессе сотрудничества и конкуренции между ними происходит перекрестное лицензирование, т.е. покупка и обмен новыми технологиями. Так сложилось, что полным пакетом документов на архитектуру х86 владеют их разработчик Intel, разработчик технологии 64bit AMD и компания VIA. Войти с нуля в этот рынок сейчас практически невозможно.
Лицензиями на набор команд, архитектуру и экосистему ARM владеет их разработчик ARM Holdings, но она с давних времен легко и за относительно небольшие деньги продает право на производство ARM-процессоров и всего, что с ними связано, сторонним компаниям. Производят эти процессоры многие фирмы, как сами, так и на контрактной основе. Среди крупнейших — Samsung, Texas Instruments и тайваньская TSMC, которая микросхем сама не разрабатывает, а производит их по заказу и дизайну заказчиков.
Она является фабрикой, т.е. владеет производственными мощностями и техпроцессами и выполняет заказы разработчиков. Разработчики могут сами производить микросхемы, а могут и вообще не иметь производства, как, например, nVidia.
Стоит отметить, что Intel не только крупнейший разработчик и держатель разнообразных патентов, но и владелец крупнейшей сети фабрик по производству чипов.
Поддержка операционными системами
Процессоры х86 изначально работали под управлением DOS и UNIX. Microsoft на смену DOS вырастила большое семейство Windows, а свободный UNIX породил множество клонов, самым жизнеспособным из которых оказался Linux, который также растекся по многим руслам, покрывая все больше задач и областей применения. И где-то рядом с ним — MacOS, работавшая в юности на RISC-процессорах.
ARM изначально работали под управлением собственных программ, которые в полной мере не являлись операционными системами, в привычном для всех понимании. В дальнейшем, по ходу усложнения задач, понадобился более мощный и удобный интерфейс взаимодействия пользователя и устройства. Несть числа им, но современная тенденция состоит в том, что скорее всего производитель предпочтет какую-нибудь из разновидностей Linux, например, Android OS. А вот Microsoft, смотрите, заскакивает в последний вагон стремительного поезда с Windows RT!!!
Рынок
Как упоминалось ранее, ARM-процессоры производятся многими и в огромных количествах. Конкурентное давление высокое, цены на единичный базовый продукт небольшие, доход тоже в целом не очень большой.
Рынок процессоров х86 от монополизации Intel спасает в основном AMD, долей VIA можно пренебречь. Стоимость единицы продукции высокая, тираж достаточно ограниченный, прибыль производителей существенная.
Позиционирование
Говоря именно о позиционировании архитектуры, можно четко сказать, что на данный момент по большей части области применения перекрываются. Более или менее успешно, с большим или меньшим распространением, но обе они могут выполнять широкий спектр задач, как традиционных, так и вновь возникающих. Так, серия процессоров Atom предназначена Intel для конкуренции с ARM в тех областях, где они традиционно сильны. А новые разработки ARM позиционируются для работы в составе высокопроизводительных серверов.
В следующем материале мы кратко рассмотрим некоторые тенденции развития современного серверного аппаратного обеспечения для дата-центров и постараемся понять, почему именно ARM является адекватным ответом на современные вызовы.
Автор: DellTeam
