В чём разница между ARM и x86

Компании Apple, AMD и Intel применяют принципиально иные стратегии проектирования центральных процессоров. Различия в архитектуре их чипов имеют существенные последствия для быстродействия систем. В частности, подход Apple, основанный на собственных чипах M1 и M2, значительно отличается от решений AMD и Intel. В то время как процессоры AMD Ryzen и Intel Core базируются на архитектуре x86, Apple использует ARM-подобную RISC-архитектуру. Это приводит к различиям в производительности, энергоэффективности и других характеристиках. Таким образом, стратегии трех гигантов индустрии в области разработки ЦП существенно разнятся, что сказывается на возможностях конечных систем.

При покупке нового компьютера вам придётся выбирать между двумя основными архитектурами ЦП. ПК на Windows, как правило, строятся на базе платформы x86, используемой Intel и AMD, в то время как компьютеры Apple используют собственные процессоры M1 и M2 компании, основанные на архитектуре ARM.

Между этими подходами есть различия, которые существенно влияют на производительность.

ARM против x86: наборы инструкций

Платформы процессоров x86 и ARM выполняют одну и ту же базовую функцию - исполнение инструкций, но делают это совершенно по-разному. У каждой из них своя внутренняя архитектура и логика работы.

Процессоры x86, как правило, используются в компьютерах с архитектурой x86 (например, в большинстве настольных и ноутбуков). Они работают с набором инструкций x86 и имеют свой набор внутренних регистров данных. Программное обеспечение для x86-платформ разрабатывается с учетом этой архитектуры.

Процессоры ARM, с другой стороны, используются в мобильных устройствах, встроенных системах и других устройствах. Они работают с набором инструкций ARM и имеют свои собственные регистры данных. Программное обеспечение для ARM-платформ также разрабатывается с учетом этой архитектуры.

На фундаментальном уровне обе платформы используют разные способы интерпретации и выполнения инструкций, и это определяет их различное функционирование.

На платформе x86 внутренняя структура и набор инструкций процессора в конечном итоге основаны на Intel 8008, 8-разрядном ЦП, который дебютировал в 1972 году. Фактически, машинные коды программ, написанные для этого чипа, по-прежнему могут быть собраны и запущены на самом последнем процессоре от Intel или AMD.

Конечно, аппаратное обеспечение с тех пор значительно эволюционировало. После 8008 последовали 8088, затем 16-разрядный 8086, который питал оригинальный IBM PC. В 1980-х за ним последовали 80186, 80286 и т.д. - отсюда псевдоним «x86».

С каждым поколением появлялись новые функции для поддержки многозадачности и виртуальной памяти, так же была добавлена поддержка операций с 32-битными и 64-битными данными, позволяя компьютерам эффективно работать с огромными наборами данных и гигантским количеством ОЗУ. Серия расширений ускоряет выполнение конкретных задач, таких как обработка графики, виртуализация и шифрование данных.

Процессоры Apple основаны на конкурирующей архитектуре ARM. Она берет свое начало в Acorn Computers в середине 1980-х годов, в то время, когда компания пыталась создать преемника популярного BBC Micro. Вместо того, чтобы покупать чипы у сторонних поставщиков, как она это делала со своими предыдущими домашними компьютерами, компания решила разработать новый процессор, который бы превзошел существующих соперников. И ей это удалось: на момент выхода ARM-процессора Acorn Archimedes был самым мощным домашним компьютером, который можно было купить за деньги.

Сегодня платформа ARM принадлежит и разрабатывается компанией Arm Group в Кембридже, как и x86, она продолжала расти и развиваться с момента своего создания. Последовательные версии платформы добавили поддержку 64-битных вычислений и многочисленные расширения для ускорения распространенных математических операций - включая, в последнем релизе ARMv9, функции безопасности и искусственного интеллекта (ИИ).

RISC против CISC: вечное соперничество

Хотя процессоры ARM могут делать всё то же, что и x86, у них есть разные сильные и слабые стороны, потому что они следуют другой концепции проектирования, известной как компьютер с простым набором инструкций (RISC). Это название изначально расшифровывалось как «Acorn RISC Machines», затем позже было изменено на «Advanced RISC Machines» по мере расширения рынка за пределы его первоначального создателя.

Эта идея приобрела популярность в 1980-х и 1990-х годах. В это время Intel и другие производители чипов интегрировали в кремний всё больше функций, позволяя программистам выполнять сложные операции всего лишь несколькими строками кода. Эти процессоры стали называть чипами с комплексным набором инструкций (CISC).

Философия RISC, напротив, нацелена на максимальное упрощение ЦП, сводя его к минимуму базовых функций. Таким образом, архитектура ARM использует всего 34 инструкции, которые в основном обрабатывают простые математические операции и перемещают данные между регистрами и ячейками памяти. Для сравнения, Intel 8086 поддерживал 81 инструкцию, разрешая гораздо более продвинутые операции с данными, а с последующими исправлениями и расширениями их число увеличилось более чем до 200 инструкций.

Подход RISC может показаться контринтуитивным. Меньший набор инструкций означает, что для достижения тех же результатов программы должны быть длиннее и сложнее. Однако RISC чип может иметь гораздо более простую физическую реализацию, чем CISC. Это может облегчить и удешевить производство, а также позволяет выполнять инструкции с более высокой скоростью — в большинстве случаев каждая операция завершается за один тактовый цикл. Он также может потреблять меньше энергии, что и объясняет доминирование процессоров ARM в смартфонах, где ключевое значение имеет срок службы батареи.

Хотя подходы CISC и RISC противоположны, различия между ними не так велики, как можно предположить. Сегодня очень мало программ пишется на чистом языке ассемблера, поэтому разработчики не должны беспокоиться о базовой архитектуре: они могут писать на Python, C#, или другом языке, а затем позволить интерпретатору или компилятору позаботиться о переводе кода. Фактически, ARM-базированные Mac от Apple включают слой перевода в режиме реального времени, который позволяет им запускать программы, написанные для систем x86, без каких-либо модификаций.

Различия в энергопотреблении также меньше, чем раньше. Много лет Intel безуспешно пытался сравняться по низкому энергопотреблению с чипами ARM, не только из-за сложности своих конструкций ЦП, но также потому, что их собственные производственные мощности не могли уменьшить размер транзисторов внутри своих чипов так же быстро, как у конкурентов. И это было моментом некоторого смущения: самые последние чипы Intel всё ещё используют 10-нм техпроцесс (под маркой “Intel 7”), в то время как процессоры Apple M-серии используют 5-нм процесс с момента их выпуска в 2020 году.

Чтобы помочь с этим, процессоры 12-го поколения Intel Alder Lake, выпущенные в конце 2021 года, ввели гетерогенную ядерную архитектуру. Тогда как предыдущие чипы Intel обычно имели от четырех до восьми одинаковых ядер, текущие модели сочетают легковесные «энергоэффективные ядра» (E-cores) с мощными «производительными ядрами» (P-cores), которые включаются, только когда требуются для самых ресурсоемких задач. Эта идея на самом деле была внедрена компанией Arm — она представила так называемую архитектуру “big.LITTLE” в 2011 году, но теперь, когда Intel присоединился к этой тенденции, мы часто видим портативные ПК на Windows, которые могут обеспечить более десяти часов воспроизведения видео.

Какие технологические компании производят процессоры?

Помимо архитектур, ещё одно заметное отличие между двумя основными вычислительными архитектурами заключается в том, что, в отличие от Intel, Arm не производит никаких собственных процессоров. Скорее, компания лицензирует свои проекты компаниям, которые затем могут настраивать их по своему усмотрению и организовывать их производство. В случае Apple Silicon компания Apple использует базовую логику ARM, но добавляет множество собственных оптимизаций и передает производство компании TSMC.

Способ продвижения чипов конечным пользователям тоже отличается. В то время как все процессоры x86 от Intel используют одну и ту же базовую архитектуру, они предлагаются в огромном количестве различных конфигураций. В каждом поколении ЦП Core есть варианты Core i3, i5, i7 и i9, которые далее делятся на диапазоны различных моделей, ориентированных на мобильные, настольные или игровые системы. Все они имеют разное количество ядер обработки, разный объем кэш-памяти, разные тактовые частоты и разные энергопотребления. Это путанно, и при выборе компьютера есть риск, что вы выберете модель, мощность которой будет недостаточной для ваших потребностей.

Apple, напротив, предлагает всего семь компьютерных чипов на данный момент, а именно M1, M1 Pro, M1 Max, M1 Ultra, M2, M2 Pro и M2 Max. Это гораздо более простая линейка, чем у Intel, и даже обычный M1 конкурентоспособен со средним чипом Intel.

Как ARM и x86 получают доступ к RAM (ОЗУ)

Есть ещё одно отличие чипов Apple от чипов Intel, и оно не присуще архитектуре ARM, а является решением по проектированию, принятым самой Apple. В то время как чипы Intel полагаются на внешнюю системную оперативную память, Apple интегрирует память непосредственно в кремниевый кристалл для своих процессоров серии M.

Это означает, что оперативную память в компьютерах на Apple Silicon нельзя модернизировать, что может привести к мучительным решениям при выборе конфигурации. Это также означает, что очень большие объемы памяти вообще недоступны в массовых чипах: M1 поставляется с максимумом 16 Гб ОЗУ, а M2 ограничен 24 Гб. Если вам нужно 32 Гб или больше, вам придется переходить на дорогие системы M1 Pro, Max или Ultra. Для сравнения, все процессоры Intel 12-го и 13-го поколений могут использовать до 128 Гб ОЗУ.

Однако из-за того, что ОЗУ Apple буквально расположена рядом с логикой процессора и соединена с ним самой быстрой шиной, её процессоры могут чрезвычайно быстро и эффективно получать доступ к коду и данным. Стандартный M1 похваляется максимальной пропускной способностью памяти 68 Гб/с, в то время как M2 поднимается до 100 Гб/с, а модели M1 Pro, Max и Ultra - до 200, 400 и 800 Гб/с соответственно. У Intel всё зависит от особенностей процессора, ОЗУ и материнской платы, но даже новейший, самый быстрый Core i9 ограничен теоретическим максимумом 90 Гб/с.

Более того, Apple использует то, что она называет «унифицированной архитектурой памяти», что означает, что весь диапазон памяти может быть напрямую доступен как для ЦП, так и для встроенного GPU. Это обеспечивает огромные преимущества в эффективности по сравнению с традиционной архитектурой ПК, где у ЦП и GPU есть отдельные банки памяти, и они не могут совместно работать над одними и теми же данными без их копирования туда-обратно.

Чем AMD лучше Intel?

Есть третий крупный игрок на рынке ЦП помимо Intel и Apple. Однако чипы AMD не имеют такой отличительной идентичности, поскольку используют ту же базовую архитектуру x86 и набор инструкций, что и Intel.

Хотя процессоры AMD могут запускать те же программы, что и Intel, есть несколько ключевых отличий. AMD продает собственные чипы, но не производит их сама; это значит, что она может использовать любой завод, предлагающий лучшие технологии. В то время как первые два поколения CPU Ryzen производились компанией Global Foundries, в 2019 году AMD перешла на TSMC, чтобы воспользоваться ее 7-нм техпроцессом, а последние чипы серии Ryzen 7000 используют 5-нм процесс этой компании. Это помогает чипам AMD большую часть времени работать на максимальных частотах, прежде чем им нужно замедлиться и охладиться.

Конструкции AMD также часто включают больше ядер, чем чипы Intel по сходной цене, отчасти благодаря подходу AMD с «чиплетами». Вместо того, чтобы строить всё на одном кристалле, она разбивает конструкцию на несколько ядер обработки – чиплетов – которые затем соединяет вместе с общими ресурсами, такими как основной кэш памяти. Фактические количества ядер могут вводить в заблуждение, поскольку обе компании используют технологии многопоточности, которые позволяют одному ядру обслуживать сразу два потока выполнения. Ситуация еще больше запутана недавним принятием Intel энергоэффективных ядер, которые не вносят вклад в пиковую производительность.

Тем не менее, вы получите большую многопоточную производительность от чипа AMD и для поддержки этих ядер AMD имеет тенденцию предоставлять больше встроенной памяти, чем Intel. Хотя процессоры Ryzen не помещают всё выделение ОЗУ на кристалл, как чипы Apple, у них обычно есть большие кэши, которые позволяют им продолжать обрабатывать данные и инструкции на полной скорости, не дожидаясь, пока информация будет получена из модулей памяти.

Единственный вопрос заключается в том, насколько ценна многопоточная производительность на самом деле. Большие базы данных серверов и программы рендеринга графики могут значительно выигрывать от параллельной мощности обработки, но многие настольные приложения в основном однопоточные. На практике вы можете получить лучший опыт с меньшим количеством, но более быстрых ядер.

Заключение

В заключение можно отметить, что архитектуры процессоров ARM и x86 имеют фундаментальные различия, обусловленные противоположными подходами - RISC и CISC. Хотя на практике эти различия не столь велики благодаря современным оптимизациям и инструментам разработки, они всё еще сказываются на производительности и энергоэффективности.

ARM платформа доминирует в мобильных устройствах благодаря экономии энергии, тогда как x86 лучше подходит для настольных компьютеров, серверов и приложений, требующих высокой производительности. Помимо Intel и ARM, AMD представляет собой значимую альтернативу в сегменте x86, используя передовые производственные технологии и инновационные подходы вроде чиплетов.

Таким образом, на рынке ЦП сложилась интересная ситуация конкуренции и взаимного сосуществования нескольких моделей. Потребителям и разработчикам важно понимать сильные и слабые стороны каждой архитектуры, чтобы принимать обоснованные решения о покупке и проектировании систем.