چهارشنبه , 28 اکتبر 2020
قالب وردپرس درنا توس
خانه > اخبار > اخبار فناوری > چطور ARM توانست بازار پردازنده موبایل را به تصاحب بی‌چون و چرای خود درآورد؟-اخبار IT

چطور ARM توانست بازار پردازنده موبایل را به تصاحب بی‌چون و چرای خود درآورد؟-اخبار IT

هر بار که به سخت‌افزارهای پردازش موبایل فکر می‌کنیم، ARM احتمالا نخستین نامی باشد که به ذهن خطور می‌کند، و باید هم همینطور باشد. اگرچه اینتل در طول تاریخ عمدتا به عنوان برترین کمپانی سازنده چیپ در جهان شناخته شده -و این موضوع همین امروز هم مصداق دارد- اما آرم توانست به شکلی آهسته و پیوسته به رشد ادامه دهد و جای پایی محکم در بازار برای خود ایجاد کند: بازاری که در آن دیگر نیازی به سرعت بالاتر دیوایس‌های پردازشی نیست و در عوض باید روی بهینگی و پرتابل بودن آن‌ها تمرکز کرد.

به همین خاطر است که آرم اکنون بازار پردازنده‌های موبایل را تحت تصرف خود درآورده و تقریبا هر دیوایس موبایل برجسته‌ای به کمک معماری آن توسعه یافته است. داریم درباره میلیاردها چیپ صحبت می‌کنیم که درون سیستم‌های بیومتریک، تلویزیون‌های هوشمند، آیفون‌ها، لپتاپ‌ها و تبلت‌ها جای گرفته‌اند. اما چرا آرم به موفقیت رسید و چرا معماری‌هایی نظیر x86 نتوانستند به چنین دستاوردی برسند؟ در این مقاله بررسی می‌کنیم که آرم چیست، از کجا آمده و چرا اینقدر به محبوبیت رسیده است.

نخستین نکته‌ اینست که آرم در واقع خودش چیپ نمی‌سازد. در عوض این کمپانی، طراحی معماری یک پردازنده را برعهده می‌گیرد و بعد لایسنس آن طرح‌ها را به شرکت‌های دیگر نظیر کوالکام و سامسونگ می‌فروشد تا در چیپست‌های خود به کار بگیرند. از آن‌جایی که تمام این چیپست‌ها استانداردی واحد داشته‌اند، کدهایی که روی پردازنده اسنپدراگون کوالکام به اجرا درآیند، روی پردازنده اگزینوس سامسونگ هم اجرا می‌شوند.

600x120 Digiato 1 چطور ARM توانست بازار پردازنده موبایل را به تصاحب بی‌چون و چرای خود درآورد؟ اخبار IT
Cloud home 290x290 2 چطور ARM توانست بازار پردازنده موبایل را به تصاحب بی‌چون و چرای خود درآورد؟ اخبار IT 290x290 چطور ARM توانست بازار پردازنده موبایل را به تصاحب بی‌چون و چرای خود درآورد؟ اخبار IT

مجموعه دستورالعمل چیست؟

ARM softbank چطور ARM توانست بازار پردازنده موبایل را به تصاحب بی‌چون و چرای خود درآورد؟ اخبار IT

هر چیپ کامپیوتری نیازمند یک «مجموعه دستورالعمل – Instruction Set Architecture» (یا به اختصار ISA) است و آرم در این حوزه فعالیت دارد. بنابراین نخستین گام برای تشریح آرم و فعالیت‌هایش اینست که دقیقا بدانیم ISA چیست.

ISA برخلاف کش یا هسته، یک قطعه فیزیکی نیست، بلکه دستورالعملی است که کارکرد جنبه‌های مختلف پردازنده را تعیین می‌کند. این می‌تواند شامل نوع دستورالعمل‌هایی باشد که چیپ‌ می‌تواند پردازش کند، یا اینکه داده ورودی و خروجی باید چگونه فرمت شود، یا اینکه پردازنده چطور با رم تعامل می‌کند و چیزهایی از این دست. می‌توانید یک مسیر دیگر در پیش بگیرید و به ISA به چشم مجموعه‌ای از مشخصات فنی نگاه کنید که در نهایت تبدیل به یک پردازنده فیزیکی می‌شوند. این در واقع نقشه‌ای است از اینکه تمام اجزای پردازنده باید چطور کار کنند.

برای مثال، ISA بیشینه حجم هر داده را مشخص می‌کند و اکثر داده‌های مدرن از مدل ۶۴ بیتی استفاده می‌کنند. درحالی که تمام پردازنده‌ها سه کار کلی شامل خواندن دستورالعمل، اجرای دستورالعمل و به‌روزرسانی وضعیت براساس نتیجه حاصل شده را به انجام می‌رسانند، در ISA های مختلف ممکن است گام‌های بیشتری طی شود. یک ISA پیچیده مثل x86 معمولا این پروسه سه مرحله‌ای را تبدیل به دوجین عملیات کوچک‌تر می‌کند تا توان عملیاتی بهبود یابد. وظایف دیگر مانند پیش‌بینی انشعاب برای دستورالعمل‌های شرطی نیز توسط ISA تعیین می‌شود.

علاوه بر قاعده‌بخشی به ریزمعماری یک پردازنده، ISA مجموعه دستورالعمل‌هایی که می‌توان پردازش کرد را نیز معین می‌کند. دستورالعمل‌ها همان چیزهایی هستند که پردازنده در هر سیکل به اجرا درمی‌آورد و توسط یک کامپایلر تولید می‌شوند. دستورالعمل‌های بسیار مختلفی نیز داریم که از جمله آن‌ها می‌توان به خواندن و نوشتن حافظه، عملیات‌های حساب، عملیات‌های انشعاب یا جهش و چیزهایی از این دست اشاره کرد. یک مثال می‌تواند چنین چیزی باشد: «محتویات آدرس مموری ۱ را به محتویات آدرس مموری ۲ اضافه کن و خروجی را در آدرس مموری ۳ ذخیره کن».

هر دستورالعمل معمولا ۳۲ یا ۶۴ بیت است و حوزه‌های مختلفی را در بر می‌گیرد. مهم‌ترین چیز، opcode است که به پردازنده می‌گوید با چه نوع دستورالعملی مواجه است. وقتی پردازنده می‌فهمد که در ادامه چه نوع دستورالعملی را اجرا می‌کند، اطلاعات مرتبط و مورد نیاز برای عملیات را جمع‌آوری می‌کند.

RISC در برابر CISC

36142 66977 000 lead ARM xl چطور ARM توانست بازار پردازنده موبایل را به تصاحب بی‌چون و چرای خود درآورد؟ اخبار IT

حالا که ایده‌ای کلی راجع به ISA و کارکردش داریم، بیایید ببینیم چه چیزی واقعا آرم را منحصر به فرد می‌کند. مهم‌ترین ویژگی اینست که آرم یک معماری RISC (رایانه کم‌دستور) به حساب می‌آید و x86 معماری CISC (رایانه با دستورهای پیچیده) است. این‌ها دو سر یک طیف در طراحی پردازنده هستند و هر دو نقاط ضعف و قوت خاص خود را دارند.

با معماری RISC، هر دستور به صورت مستقیم وظیفه‌ای خاص برای پردازنده ترسیم می‌کند و این وظایف نسبتا ساده به حساب می‌آیند. از سوی دیگر، دستورالعمل‌های معماری CISC پیچیده‌تر بوده و ایده‌هایی گسترده‌تر را برای پردازنده ترسیم می‌کنند. این یعنی یک پردازنده CISC معمولا هر دستورالعمل‌ را تبدیل به مجموعه‌ای از عملیات‌های خرد می‌کند. معماری CISC می‌تواند جزییات بسیار بیشتری را درون یک دستورالعمل رمزنگاری کند و به این ترتیب، پرفورمنس به شکلی چشمگیر بهبود می‌یابد. برای مثال، یک معماری RISC ممکن است تنها یک یا دو دستورالعمل «افزوده» داشته باشد اما این مقدار در معماری CISC بسته به نوع داده و سایر پارامترهای محاسباتی می‌تواند به ۲۰ برسد.

یک راه دیگر برای نگاه کردن به موضوع، مقایسه روند ساخت دو خانه است. با یک سیستم RISC شما صرفا یک چکش و اره ساده دارید، اما سیستم CISC انبوهی از چکش‌ها، اره‌ها، دریل‌ها و چیزهایی از این دست را در اختیارتان قرار می‌دهد. کسی که با سیستم مشابه CISC در حال ساخت و ساز خانه باشد، به ابزارهای تخصصی‌تر و قدرتمندتری دسترسی دارد و بنابراین کار بیشتری را به انجام می‌رساند. کسی که به سراغ سیستم مشابه RISC رفته هم کار را به اتمام می‌رساند، اما از آن‌جایی که ابزارهایش ساده هستند، این پروسه بیشتر زمان می‌برد.

شاید با خودتان فکر کنید که وقتی سیستم CISC این‌قدر قدرتمندتر است، چرا باید از سیستم RISC استفاده کنیم؟ اما پرفورمنس تنها چیزی نیست که باید مد نظر داشت. خانه‌سازی که رویکرد CISC را در پیش گرفته باید تعدادی کارگر هم استخدام کند، چرا که هر ابزار نیازمند مجموعه‌ای از مهارت‌های خاص است. این یعنی زیرساخت بنا بسیار پیچیده‌تر است و نیاز به حجم زیادی از برنامه‌ریزی و ساماندهی دارد. ضمن از آن‌جایی که هر کدام از ابزارها با مواد خاصی سازگاری دارند، مدیریت‌ آن‌ها بسیار هزینه‌بر است. اما آن دوستی که سیستم RISC را در پیش گرفته چنین دغدغه‌هایی ندارد و ابزارهای ساده‌اش با هرچیزی سازگاری نشان می‌دهند.

نیاز به قدرت کمتر!

softbank Arm چطور ARM توانست بازار پردازنده موبایل را به تصاحب بی‌چون و چرای خود درآورد؟ اخبار IT

بیایید دوباره به سراغ آرم برویم. اگر تا الان نقاط مختلف را به یکدیگر وصل کرده باشید، طبیعتا حدس زده‌اید که چرا آرم بیشتر مورد توجه طراحان سیستم‌های موبایل قرار گرفته. نکته کلیدی در این‌جا، بهینگی است. در زمینه یک دیوایس موبایل، بهینگی مصرف انرژی به مراتب مهم‌تر از پرفورمنس است. تقریبا در تمام موارد، طراح یک سیستم حاضر به کاهش اندکی از پرفورمنس است تا در مصرف انرژی صرفه‌جویی شود. تا زمانی که تکنولوژی باتری بهبود پیدا نکند، حرارت و مصرف انرژی بزرگ‌ترین فاکتورهای محدودکننده در طراحی یک محصول موبایل خواهند بود.

به همین خاطر است که پردازنده‌های بزرگ و کلاس دسکتاپ را در موبایل‌های هوشمندمان نمی‌یابیم. بله، این پردازنده به مراتب سریع‌تر از چیپ‌های موبایل هستند، اما در آن صورت گوشی آنقدر داغ می‌کند که نمی‌توانید در دست بگیریدش و باتری هم ظرف چند دقیقه خالی می‌شود. یک پردازنده x86 پریمیوم دسکتاپ ممکن است با هر بار پردازشی، ۲۰۰ وات مصرف کند که این رقم روی پردازنده‌های موبایل به ۲ یا ۳ وات می‌رسد.

قطعا می‌توان یک پردازنده x86 با توان پردازشی کمتر ساخت، اما ساختار CISC برای چیپ‌های قدرتمندتر مناسب‌تر است. به همین خاطر نه چیپ‌های آرم را روی دسکتاپ می‌بینیم و نه چیپ‌های x86 را روی موبایل. هیچکدام از این‌ها برای استفاده در حالت دیگر طراحی نشده‌اند. چرا آرم توانسته به چنین حدی از بهینگی در مصرف انرژی دست پیدا کند؟ همه‌چیز به طراحی RISC و پیچیدگی معماری بازمی‌گردد. از آن‌جایی که نیازی به پردازش انواع مختلفی از دستورالعمل‌ها وجود ندارد، معماری داخلی می‌تواند به مراتب ساده‌تر باشد. ضمنا در مدیریت یک پردازنده RISC، با پردازش سربار کمتری سر و کله می‌زنید.

تمام این‌ها مستقیما به کاهش مصرف انرژی منتهی می‌شوند. طراحی ساده‌تر به این معناست که ترانزیستورهای بیشتری مستقیما در پرفورمنس دخیل می‌شوند و تعداد ترانزیستورهایی که به دیگر ابعاد معماری رسیدگی می‌:نند کاهش می‌یابد. بنابراین یک چیپست آرم نمی‌تواند دستورالعمل‌های مشخص را به سرعت چیپ x86 به انجام برساند، اما این کمبود را با بهینگی‌اش جبران می‌کند.

به دوست کوچکم سلام کن

ARM Neoverse چطور ARM توانست بازار پردازنده موبایل را به تصاحب بی‌چون و چرای خود درآورد؟ اخبار IT

یکی دیگر از ویژگی‌های کلیدی و مهمی که آرم با خود به صحنه آورده، معماری پردازش ناهمگون big.LITTLE است. این نوع از طراحی شامل دو پردازنده مکمل در یک چیپ می‌شود. یکی از آن‌ها هسته‌ای با مصرف انرژی بسیار کم خواهد بود و دیگری یک هسته بسیار قدرتمندتر است. چیپ سپس مصرف سیستم را تحلیل کرده و تصمیم می‌گیرد که کدام هسته باید فعال شود. در سناریوهای دیگر، کامپایلر اگر بداند که یک وظیفه پردازشی سنگین در راه است، می‌تواند به چیپ بگوید که هسته قدرتمندتر را به کار بیندازد.

اگر دستگاه در حالت آماده به کار باشد یا پردازشی بسیار ابتدایی انجام دهد، هسته کم‌مصرف (LITTLE) روشن می‌شود و هسته قدرتمند (big) خاموش. آرم می‌گوید این کار می‌تواند به کاهش ۷۵ درصدی مصرف انرژی منجر شود. اگرچه پردازنده‌های سنتی دسکتاپ هم هنگام پردازش‌های سبک انرژی کمتری مصرف می‌کنند، اما برخی قطعات خاص هیچوقت خاموش نمی‌شوند. از آن‌جایی که آرم قابلیت خاموش کردن یک هسته را دارد، مشخصا می‌تواند پرفورمنسی بهتر از رقبا ارائه کند.

در هر گام از پروسه طراحی پردازنده، همواره چیزهایی وجود دارد که باید از خیرشان بگذرید. آرم به صورت تمام و کمال به سراغ معماری RISC رفت و نتیجه‌اش را هم گرفت. در سال ۲۰۱۰، آن‌ها سهمی ۹۵ درصدی از پردازنده‌های موبایل داشتند. این رقم اکنون به خاطر ورود برخی شرکت‌های رقیب به بازار کاهش یافته، اما هنوز هیچکس به سهم آرم از بازار نزدیک هم نشده است.

فروش لایسنس و استفاده گسترده

Arm Nvidia چطور ARM توانست بازار پردازنده موبایل را به تصاحب بی‌چون و چرای خود درآورد؟ اخبار IT

رویکردی که آرم در قبال تجارت فروش لایسنس خود در پیش گرفته یکی دیگر از دلایل برتری‌اش در بازار است. ساخت چیپ‌های فیزیکی کاری بسیار دشوار و هزینه‌بر است، بنابراین آرم از این حوزه بیرون مانده. این باعث می‌شود محصولات آن‌ها انعطاف‌پذیرتر و قابل شخصی‌سازی‌تر باشند.

بسته به موارد استفاده، کسی که لایسنس را خریده می‌تواند قابلیت‌های مد نظرش را انتخاب کرده و بعد از آرم بخواهد که بهترین چیپ ممکن را برایش بسازد. مصرف‌کنندگان هم می‌توانند چیپ‌های مخصوص خود را بسازند و تنها برخی از مجموعه دستورالعمل‌های آرم را در آن تعبیه کنند. لیست شرکت‌هایی که از معماری آرم استفاده می‌کنند بیشتر از آن است که در این لیست بگنجد اما برخی از آن‌ها به شرح زیر است: اپل، انویدیا، سامسونگ، ای‌ام‌دی، براودکام، فوجیتسو، آمازون، هواوی و کوالکام همگی تا حدود مشخصی از تکنولوژی آرم بهره می‌گیرند.

فراتر از قوت‌رسانی به اسمارت‌فون‌ها (که در واقع کامپیوترهای دستی هستند)، مایکروسافت از معماری آرم روی دیوایس‌های سرفیس و دیگر دستگاه‌های کم‌وزن خود استفاده کرده است. اگرچه این استراتژی در نهایت آنقدرها هم شگفت‌انگیز نبود و نتوانست سیستم عامل ویندوز ۱۰ را به نقاط برجسته برساند، اما از آن زمان شاهد چند محصول واقعا عالی از مایکروسافت، مانند سرفیس پرو ایکس بوده‌ایم. اپل هم اخیرا تایید کرد که macOS را به پلتفرم آرم می‌آورد تا در تئوری لپ‌تاپ‌هایی با بهینگی موبایل‌های هوشمند داشته باشیم.

برای سالیان متمادی، وعده آرم حتی برای دیتاسنترها هم کاهش مصرف انرژی بوده است – فاکتوری مهم وقتی در حال صحبت از استفاده از هزاران هزاران سرور در محیطی سربسته باشیم. البته اخیرا شاهد استفاده از پردازش در ابعاد وسیع بوده‌ایم که قرار است هم مصرف انرژی و هم پرفورمنس را نسبت به راهکارهای پیشنهادی اینتل و ای‌ام‌دی بهبود بخشد. و اگر روراست باشیم، هیچکس انتظار نداشت که به این زودی بتوانیم به چنین نقطه تعادلی میان پرفورمنس و بهینگی برسیم.

آرم اکوسیستمی عظیم از مالکیت‌های معنوی (IP) مکمل نیز به وجود آورده که می‌توانند روی معماری‌‌اش اجرا شوند. از جمله این مکمل‌ها می‌توان به شتاب‌دهنده‌ها، انکودرها و دیکودرها و پردازنده‌های مدیا اشاره کرد و مشتریان می‌توانند حقوق استفاده از تمام این‌ها در محصولات‌شان را خریداری کنند.

آرم ضمنا معماری منتخب بسیاری از دیوایس‌های اینترنت اشیا است. آمازون اکو و گوگل هوم مینی هردو به پردازنده‌های کورتکس آرم مجهز شده‌اند. این طراحی پردازنده آنقدر استاندارد شده که واقعا هیچ دلیل خوبی برای عدم استفاده از پردازنده آرم به هنگام طراحی دیوایس‌های الکترونیکی و موبایل ندارید.

تمام این‌ها در یک چیپ؟

1569446580537279 w600 چطور ARM توانست بازار پردازنده موبایل را به تصاحب بی‌چون و چرای خود درآورد؟ اخبار IT

افزون بر تجارت اصلی آرم که بر ISA متکی است، این شرکت وارد فضای سیستم بر چیپ (SoC) نیز شده است. بازار پردازش موبایل برای سالیان متمادی در حال حرکت به سمت طراحی‌های یکپارچه بوده. یک پردازنده و یک سیستم بر چیپ شباهت‌های زیادی به یکدیگر دارند، اما سیستم بر چیپ در واقع نسل بعدی پردازش موبایل به حساب می‌آید.

یک سیستم بر چیپ دقیقا همان کاری را می‌کند که از نامش برمی‌آید. بسیاری از قطعات سخت‌افزاری مختلف درون یک چیپ واحد قرار می‌گیرند تا بهینگی افزایش یابد. می‌توانید این‌طور به موضوع نگاه کنید که انگار مادر یک دسکتاپ کامل آب رفته و تبدیل به چیپی واحد شده که سیستم بر چیپ نامیده می‌شود.

این قطعه معمولا شامل پردازنده، پردازشگر گرافیکی، حافظه، کنترلرهای جانبی، مدیریت انرژی، شبکه‌سازی و چند شتاب‌دهنده می‌شود. قبل از جا افتادن این طراحی، سیستم‌ها نیازمند یک چیپ جداگانه برای هرکدام از این قطعات بودند. از آن‌جایی که در این حالت سرعت ارتباط میان چیپ‌ها می‌تواند بین ۱۰ الی ۱۰۰ برابر کندتر باشد، تعجبی ندارد که بازار موبایل مفهوم جدید را خیلی سریع در آغوش کشید.

اما همانطور که مشخص شده، سیستم‌های بر چیپ برای انواع سیستم‌ها مناسب تلقی نمی‌شوند. شما هیچوقت شاهد استفاده از سیستم بر چیپ در لپ‌تاپ‌ها یا دسکتاپ‌های عمومی نخواهید بود، چون محدودیت‌هایی جدی در این زمینه وجود دارد که چقدر قطعه سخت‌افزاری را می‌توان در یک چیپ جای داد. هیچ راهی وجود ندارد که بتوانید یک پردازشگر گرافیکی مجزا، حجم زیادی از حافظه رم و نقاط اتصال لازم را درون چیپی واحد جای دهید. درست مانند طیف RISC، سیستم‌های بر چیپ برای طراحی‌های کم‌مصرف مناسب هستند و در سیستم‌هایی که پرفورمنس بالا دارند مشکل ایجاد می‌کنند.

تا اینجای کار امیدواریم که درکی دقیق از چرایی برتری آرم در بازار پردازنده موبایل به دست آورده باشید. مدل RISC ISA به آن‌ها اجازه داده که لایسنس نقشه‌های ساخت چیپ‌های مختلف را به تولیدکنندگان بفروشند. با در پیش‌گیری این مدل، آن‌ها بهینگی مصرف انرژی را در اولویتی بسیار بالاتر نسبت به پرفورمنس قرار داده‌اند. وقتی به دنیای پردازش موبایل می‌رویم، قواعد بازی این‌گونه است و آرم هم به درجه استادی رسیده.

چطور ARM توانست بازار پردازنده موبایل را به تصاحب بی‌چون و چرای خود درآورد؟

کپی رایت:
منبع مطلب

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *