Spis treści:
Na trhu procesorů můžeme již léta pozorovat konkurenci. Konkurenční společnosti vydávají stále modernější konstrukce ve snaze alespoň do určité míry překonat své technologické soupeře. Válka o výkon probíhá, ale je tu ještě jeden konflikt, o kterém se příliš často nemluví – konflikt architektur.
Dominantními procesorovými architekturami jsou ARM a x86. Obě koncepce si našly svou vlastní mezeru, čipy založené na architektuře ARM lze najít v mobilních zařízeních a zařízeních IoT, zatímco procesory x86 se úspěšně používají v osobních počítačích a serverech. Toto rozdělení trvá už léta, ale v poslední době je vidět stále větší rivalita. Hlavním důvodem je stále rostoucí obliba čipů s jádrem ARM a jejich použití v zařízeních, kde dosud převládala architektura x86.
Inženýři zabývající se návrhem čipů v současné době stojí před jedinečnou výzvou – ARM nebo x86? Co se v budoucnu ukáže jako výkonnější, energeticky úspornější a snadněji implementovatelné? Lze očekávat revoluční změny, nebo si obě mocnosti dokážou najít své vlastní jedinečné místo v budoucím ekosystému digitálních technologií?
Architektura procesoru - co to je?
Každá centrální procesorová jednotka je sestavena podle přesně definovaných pravidel, kterým se říká architektura procesoru. Podle ní se určuje činnost obvodu, která zahrnuje otázky, jako jsou podporované instrukce, přenos dat, organizace registrů, komunikace s pamětí, režimy činnosti nebo spolupráce s dalšími periferiemi typickými pro logické obvody.
Procesory jsou obvody, u kterých si nemůžete dovolit nic podcenit, každá součástka, která se do architektury dostává, musí být pečlivě zvážena, jinak navržený obvod nebude fungovat.
Existuje několik různých architektur procesorů, z nichž každá má své výhody i nevýhody. Výběr správného souboru principů návrhu centrální výpočetní jednotky závisí na konkrétní aplikaci, požadavcích na výkon, energetické účinnosti a dostupnosti softwaru a ekosystému spojeného s danou architekturou. Proto je architektura procesoru jedním z klíčových bodů v procesu návrhu tohoto typu obvodů.
Některé z nejdůležitějších architektur procesorů:
- x86: Jedná se o jednu z nejběžnějších procesorových architektur, která se používá především v osobních počítačích a serverech.
- ARM: Čipy navržené podle principů architektury ARM se používají především v mobilních zařízeních, jako jsou chytré telefony, tablety a také v hardwaru pro internet věcí (IoT).
- MIPS: Mikroprocesor MIPS (Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages) zažíval největší slávu v osmdesátých letech minulého století a 90. letech minulého století byly na základě těchto zásad navrhovány rozvržení. Dnes se tato architektura, ačkoli méně častá, stále používá v některých síťových zařízeních a vestavěných systémech.
- PowerPC: Architektura PowerPC se používala především v počítačích Apple Macintosh a v některých herních konzolích, jako je PlayStation 3. To je dnes prakticky neslýchané.
- RISC-V: Jedná se o otevřenou architekturu, která je rok od roku populárnější. Používá se především ve světě vestavěných systémů.
To je jen několik nejznámějších architektur procesorů. Každý z nich má své jedinečné vlastnosti a aplikace, ale králi tohoto odvětví jsou výše zmíněné ARM a x86.
Která architektura byla první?
Historie architektury procesorů sahá až do 40. let 20. století. To bylo v 70. letech minulého století, kdy ještě neexistovaly dnes běžně používané integrované obvody. V této době vytvořil John von Neumann první základní model organizace počítače. Tento popis je poměrně obecný a týká se digitálních strojů jako celku, ale můžeme v něm najít informace o základních úkolech a organizaci procesoru. Podle von Neumannovy koncepce je centrální procesorová jednotka mozkem počítače, který provádí výpočetní operace a řídí chod celého systému.
Na vývoj prvního procesoru, respektive mikroprocesoru, jsme si museli počkat až do roku 1971. Tým inženýrů společnosti Intel pod vedením Teda Hoffa tehdy představil světu čip s označením Intel 4004. Tento čip, který z dnešního pohledu můžeme označit za technologický milník, byl navržen podle principů navržených výše zmíněným von Neumannem. Čip měl 4bitovou architekturu a uvnitř několik komponent typických pro dnešní procesory, jako je aritmeticko-logická jednotka (ALU), pracovní registry a řídicí struktury.
Díky uvedení mikroprocesoru Intel 4004 si tehdejší technologičtí nadšenci uvědomili, že digitální systémy lze navrhovat jinak. Nemusí se jednat o složité stroje určené pro konkrétní aplikaci; vhodnější je připravit systémy se značnou univerzálností. Stále více společností tak začalo navrhovat vlastní procesorové čipy, tehdejší trh by se dal označit za “divoký západ”. Každý přicházel na trh s vlastním řešením, a přestože většina čipů vycházela z von Neumanovy architektury, bylo těžké najít nějakou kompatibilitu.
Průlom nastal v roce 1978 s příchodem čipu Intel 8086, který byl prvním komerčním mikroprocesorem rodiny x86, přičemž název architektury byl převzat právě z modelového označení tohoto procesoru. Od té doby patří všechny modré čipy do rodiny x86 a vyznačují se zpětnou kompatibilitou, což znamená, že software připravený odborníky a přizpůsobený architektuře x86 by měl být schopen běžet na jakémkoli čipu této řady. Bohužel tomu tak v praxi vždy nebylo.
O architektuře ARM bylo poprvé slyšet na počátku 80. let, kdy se inženýři společnosti Acorn Computers, nespokojení s procesory dostupnými na trhu, rozhodli navrhnout vlastní unikátní čip. Projekt nazvali Acorn RISC Machine, zkráceně ARM. RISC znamenalo, že procesor bude vybaven omezeným počtem instrukcí, což se v té době zdálo poněkud zvláštní. Oblíbenějším přístupem bylo “více pokynů rovná se větší výkon”. Inženýři věděli, že tento úkol nebude snadný. “Tým byl tak malý, že každé rozhodnutí o návrhu muselo být jednoduché – jinak bychom projekt nikdy nedokončili.” – vzpomíná Steve Furber, profesor počítačového inženýrství na Manchesterské univerzitě.
Nakonec se ukázalo, že klíčem k úspěchu je jednoduchost. První čip ARM byl malý, úsporný a snadno programovatelný. Sophie Wilsonová, která instrukční sadu navrhla, si dodnes pamatuje, jak čip poprvé vyzkoušela v počítači. “Do příkazového řádku jsme zadali ‘PRINT PI’ a dostali jsme správnou odpověď. Pak jsme otevřeli lahve šampaňského.”
Specifika architektury x86
Architektura x86 je známá od 70. let a úspěšně se používá dodnes. Procesory založené na tomto modelu lze nalézt v mnoha zařízeních, především v osobních počítačích a serverech. Abychom plně pochopili jeho význam v dnešním světě, je třeba znát některé jeho klíčové charakteristiky.
Procesory x86 jsou založeny na principu CISC, to znamená, že každá taková jednotka má rozsáhlou instrukční sadu. To umožňuje provádět poměrně složité operace v jednom taktu, což je nepochybně výhoda, ale je třeba si uvědomit, že takové řešení také způsobuje značný problém. Procesory CISC jsou z hlediska logiky poměrně složité, jinými slovy, jejich řídicí bloky jsou komplexní, takže s každou instrukcí, kterou konstruktéři přidají, se zvyšuje složitost celého návrhu.
Čipy x86 pracují s 32bitovými a 64bitovými daty, ačkoli první návrhy této řady byly 16bitové. Zvětšování délky zpracovávaných dat si vyžádal postupný vývoj technologií, který umožňuje zpracovávat více paměti a pokročilejší aplikace.
Další vlastností architektury x86 je segmentace paměti. Díky tomu je procesor schopen adresovat paměť strukturovaně, běžící aplikace se pouze odkazuje na konkrétní segment, z pohledu uživatele tedy není známa fyzická adresa konkrétní buňky. Tento model je dědictvím von Neumannovy architektury a používal se již ve starších procesorech x86.
Procesory x86 mohou pracovat v různých režimech, například v reálném režimu, chráněném režimu a virtuálním režimu (rozšířený reálný režim). Každý z nich má své vlastní jedinečné aplikace, podporuje různé funkce a úrovně ochrany.
Dnešní čipy x86 jsou známé svými vícejádrovými schopnostmi. Díky více fyzickým jádrům může čip vykonávat více úloh současně, což zvyšuje výkon celého systému.
Důležitou vlastností procesorů x86 je již zmíněná zpětná kompatibilita, takže starší aplikace a operační systémy napsané pro starší verze procesorů by měly bez větších problémů fungovat na novějších procesorech.
Charakteristika architektury ARM
Hlavní konkurent architektury x86, architektura ARM, má také jedinečné vlastnosti, které stojí za to znát..
Čipy ARM jsou založeny na principu RISC, což znamená omezený seznam podporovaných instrukcí. Jednoduché instrukce umožňují rychlé provádění operací, čímž se snižuje složitost procesoru.
Jednou z klíčových výhod čipů ARM je jejich nízká spotřeba energie. Procesory tohoto typu jsou navrženy tak, aby spotřebovávaly co nejméně energie, což je ideální pro mobilní aplikace, jako jsou smartphony a tablety, kde je velmi důležitá dlouhá výdrž baterie.
Architektura ARM je škálovatelná a lze ji přizpůsobit různým požadavkům a použitím. Procesory ARM jsou k dispozici od jednoduchých mikrokontrolérů až po pokročilé servery, takže je lze použít v široké škále zařízení.
Stejně jako x86 i ARM podporuje vícejádrové procesory, které umožňují paralelní provádění více úloh a zvyšují výkon.
Rozdíly mezi ARM a x86
Úkol každého procesoru je ve skutečnosti stejný – provádět výpočty. Nicméně organizace a fungování samotných systémů se může lišit. Pokud jste již obeznámeni se specifiky architektur ARM a x86, snadno si všimnete některých důležitých rozdílů mezi nimi:
- Instrukční sada – čipy x86 podporují model CISC, což je rozsáhlý seznam instrukcí. Procesory ARM jsou navrženy s redukovaným seznamem příkazů na minimum, tento přístup se označuje jako RISC.
- Výkon – Vzhledem k rozdílům v sadě podporovaných instrukcí mají čipy x86 a ARM odlišné výkonnostní charakteristiky. Procesory x86 jsou obecně efektivnější při provádění operací s čísly s plovoucí desetinnou čárkou, zatímco procesory ARM jsou výkonnější v jednoduchých úlohách.
- Vícejádrové procesory – Obě architektury podporují vícejádrové procesory, ale ARM je na tom o něco lépe. Čipy kombinující různě výkonná jádra v jednom křemíkovém čipu jsou známy již řadu let; tento typ řešení se používá především v mobilních projektech.
- Velikost a spotřeba – procesory ARM jsou obvykle menší a energeticky úspornější než čipy x86, takže jsou ideální pro mobilní zařízení, kde jsou miniaturizace a spotřeba energie velmi důležité.
Jak x86, tak ARM mají své jedinečné výhody a využití. Volba mezi nimi závisí na specifikacích a požadavcích daného zařízení nebo systému a obě architektury hrají v dnešním digitálním světě klíčovou roli.
Praktické využití architektur x86 a ARM
Mezi nejznámější společnosti, které navrhují procesory založené na architektuře x86, patří Intel Corporation a Advanced Micro Devices (AMD). Jejich produkty lze nalézt především v osobních počítačích, a to jak stolních, tak mobilních. Kromě toho se čipy x86 používají v datových centrech a serverovnách.
Procesory ARM se používají především v mobilních zařízeních, jako jsou smartphony a tablety. Kromě toho se tyto návrhy používají v zařízeních IoT a v průmyslu vestavěných systémů. Za zmínku stojí také fakt, že společnost Apple v posledních letech postupně přechází na čipy ARM. Dosud byly počítače amerického výrobce poháněny čipy x86 společnosti Intel, ale v roce 2020 budou nahrazeny čipy M1 navrženými společností ARM. Procesory ARM dodávají tyto společnosti: ARM Holdings, Qualcomm, MediaTek, Samsung Electronics a Apple.
Budoucnost patří...
Budoucnost procesorů x86 a ARM by mohla být velmi zajímavá, obě architektury mají potenciál se dále vyvíjet a inovovat, i když je třeba říci, že vize, v níž bude klíčový výkon a energetická účinnost, je přívětivější pro konstrukci ARM. Ať už budou procesory v budoucnu vypadat jakkoli, koncepce čipů ARM a x86 nezmizí ze dne na den, každý z nich se bude pravděpodobně vyvíjet a používat ve specifických oblastech technologie.
Zdroje:
https://www.hackernoon.com/understanding-modern-cpu-architecture-part-1
https://www.arstechnica.com/gadgets/2022/09/a-history-of-arm-part-1-building-the-first-chip/
https://www.analyticssteps.com/blogs/understanding-arm-processor-vs-x86
https://en.wikipedia.org/wiki/ARM_architecture_family
https://en.wikipedia.org/wiki/X86
https://www.redhat.com/en/topics/linux/ARM-vs-x86
https://www.androidauthority.com/arm-vs-x86-key-differences-explained-568718/
https://en.wikipedia.org/wiki/Intel_8086
https://spectrum.ieee.org/chip-hall-of-fame-intel-4004-microprocessor
https://www.theregister.com/2016/02/09/arm1_reverse_engineered/
https://www.dobreprogramy.pl/macos-11-3-wydany-apple-zmienia-zdanie-w-sprawie-chipu-m1,6633347700726432a
