چگونه ARM به قدرت اول دنیای پردازنده‌های موبایل تبدیل شد؟

منظور از پردازنده‌های موبایل، میلیاردها تراشه‌ای هستند که در گوشی‌ها، تلویزیون‌های هوشمند، سامانه‌های توکار ، سیستم‌های زیستی، لپ‌تاپ‌ها و تبلت‌ها استفاده می‌شوند. چرا آرم به چنین جایگاهی رسید و معماری‌های دیگر مثل x86 نتوانستند جایگاه خود در بازار را تثبیت کنند؟ در این مقاله، نگاهی اجمالی به استراتژی‌هایی خواهیم داشت که نشان می‌دهند آرم چگونه بر رقبا غلبه کرد و به این نقطه رسید. نکته مهم این است که شرکت آرم تولیدکننده پردازنده نیست. این شرکت معماری پردازنده‌های مرکزی را طراحی می‌کند و طراحی‌ها را در اختیار شرکت‌هایی مثل کوالکام، اپل و سامسونگ و سایرین قرار می‌دهد تا شرکت‌ها در معماری‌ پردازنده‌های بعدی خود از آن استفاده کنند. از آن‌جایی‌که شرکای تجاری از پردازنده‌های مبتنی بر یک معماری مشترک استفاده می‌کنند از کدهای یکسان نیز پشتیبانی می‌کنند. به همین دلیل است، کدی که در کوالکام اسنپ‌دراگون اجرا می‌شود، روی پردازنده اکسینوس سامسونگ هم قابل اجرا است.

معماری مجموعه دستورالعمل چیست؟

(Instruction Set Architecture) 

هر تراشه کامپیوتر برای عملکرد پردازشی به مجموعه دستورالعمل‌های خاصی نیاز دارد که آرم به‌طور جدی روی آن کار می‌کند. ISA برخلاف حافظه کش یا هسته پردازشی، یک قطعه فیزیکی نیست. در واقع ISA به نحوه عملکرد تمامی جنبه‌های پردازنده مرکزی اشاره دارد. به بیان دقیق‌تر، این معماری انواع دستورالعمل‌هایی را مشخص می‌کند که تراشه قابلیت پردازش آن‌ها را دارد. علاوه بر این، قالب داده‌های ورودی و خروجی، نحوه برقراری ارتباط پردازنده با حافظه اصلی و مباحث فنی دیگر را مشخص می‌کند. به بیان ساده‌تر، ISA را باید مجموعه‌ای از ویژگی‌های فنی توصیف کرد، در حالی که پردازنده پیاده‌سازی عملیاتی این مشخصات را تعیین می‌کند. این معماری را می‌توان نقشه اولیه‌ای دانست که نحوه عملکرد بخش‌های مختلف پردازنده را مشخص می‌کند. به‌طور مثال، ISA ابعاد هر بخش از داده‌های پردازشی در پردازنده را مشخص می‌کند. تمامی پردازنده‌ها، سه کار ثابت روی داده‌ها و دستورالعمل‌ها انجام می‌دهد. دستورالعمل‌ها را می‌خوانند، دستورالعمل‌ها را اجرا می‌کنند و بسته به نتایج وضعیت را به‌روزرسانی می‌کنند. با این‌‌حال، ISA از الگوی متفاوتی پیروی می‌کند تا پردازنده‌ها بتوانند هر یک از مراحل یاد شده را به بخش‌های کوچک‌تر تقسیم کنند تا خروجی بهینه‌سازی شود. علاوه بر این، به پیش‌بینی شاخه‌های جدید در دستورالعمل‌های شرطی و پیش‌دریافت داده‌ها می‌پردازد. معماری زیربنایی علاوه بر تعیین ریزمعماری پردازنده، مجموعه‌ای از دستورالعمل‌ها را مشخص می‌کند که پردازنده توانایی پردازش آن‌ها را دارد. دستورالعمل‌ها، به کدهایی اشاره دارند که یک پردازنده در هر چرخه عملکرد اجرا می‌کند و توسط کامپایلر تولید می‌شوند. دستورالعمل‌های مختلفی برای پردازنده وجود دارند که از مهم‌ترین آن‌ها باید به خواندن/نوشتن حافظه، عملیات محاسبه، شاخه‌بندی دستورالعمل‌ها و موارد این چنینی اشاره کرد.

 RISC در مقابل CISC

توضیحاتی که ارایه کردیم تا حدودی عملکرد ISA را نشان دادند. اکنون باید ببینیم که معماری آرم چگونه آن‌را از رقبا متمایز می‌کند. مهم‌ترین قابلیت آرم، ساختار مجموعه دستورات محاسباتی تعدیل شده (RISC) سرنام Reduced Instruction Set Computing است که در نقطه مقابل ساختار مجموعه دستورات محاسباتی پیچیده CISC سرنام Complex Instruction Set Computing قرار دارد که x86 از آن استفاده می‌کند. ساختارهای فوق، قالب ساخت پردازنده‌ها را مشخص می‌کنند و هر یک نقاط ضعف و قوت خاص خود را دارند. 

در معماری RISC، هر دستور به‌شکل مستقیم یک فعالیت را برای پردازنده مشخص می‌کند و فعالیت‌ها را به شکل ساده و پیچیده تعریف می‌کند. در مقابل، در معماری CISC ساختار پیچیده‌تر است، زیرا پردازنده باید عملیات بزرگ‌تری را مدیریت کند. بنابراین، معماری CISC هر دستورالعمل را به مجموعه عملیات کوچک‌تری تقسیم می‌کند که مدیریت آن‌ها پیچیده‌تر است. معماری CISC می‌تواند جزییات زیاد و پیچیده را به دستورالعمل‌های واحد تبدیل کند که افزایش عملکرد و قدرت پردازنده را به‌همراه دارد. به‌طور مثال، معماری RISC تنها ظرفیت ذخیره‌سازی یک یا دو دستورالعمل Add را دارد، در حالی که معماری CISC می‌تواند تا 20 دستورالعمل را بسته به نوع داده و سایر پارامترهای محاسباتی ذخیره کند. اگر بخواهیم عملکرد این دو فناوری را با ساخت یک خانه مقایسه کنیم باید بگوییم با استفاده از معماری RISC تنها یک اره و چکش دارید، در حالی که در معماری CISC به چکش، اره، دریل و ابزارهای دیگر دسترسی دارید. طراحی که از سامانه‌ای شبیه به CISC استفاده می‌کند توانایی انجام کار بیشتری را دارد، زیرا ابزارهای بیشتر و پیچیده‌تری در اختیارش قرار دارند. طراحی که از معماری RISC استفاده می‌کند قادر است خانه را به سرانجام برساند، اما به دلیل دسترسی به مجموعه محدودی از ابزارها به زمان بیشتری نیاز دارد. اگر محدودیت‌ها تا این اندازه زیاد هستند چرا باید از معماری RISC استفاده کرد؟ دقت کنید که عملکرد و قدرت، تنها معیارهای مدنظر در طراحی پردازنده‌ها نیستند. طراح ساختمانی که از CISC استفاده می‌کند باید کارگران حرفه‌ای داشته باشد که توانایی کار با ابزارهای مختلف را داشته باشند و به محیطی پیچیده نیاز دارد که قابلیت برنامه‌ریزی و سازمان‌دهی آن سخت است. علاوه بر این، مدیریت همه ابزارها دشوار است، زیرا هر یک از آن‌ها برای کار با ماده خاصی طراحی شده‌اند. در مقابل طراحی که از ساختار RISC استفاده می‌کند، دغدغه خاصی ندارد، زیرا ابزارهای پایه‌ای توانایی کار با انواع مختلفی از مواد در شرایط مختلف را دارند. 

نیاز به انرژی کمتر 

اگر پاراگراف‌های قبلی را کنار هم قرار دهیم، متوجه می‌شویم که آرم برای طراحان سامانه‌های همراه جذابیت بیشتری دارد، زیرا برای طراحان دستگاه‌های همراه دو معیار ساختار و بازدهی مهم است. در ارتباط با تجهیزات سیار و توکار، بازدهی مصرف انرژی اهمیت بیشتری نسبت به قدرت و عملکرد دارد. هر طراح سیستم، برای دستیابی به انرژی بیشتر، مجبور است برخی از قابلیت‌های عملکردی را کم کند. این کاهش بهره‌وری تا زمانی که فناوری باتری‌ها بهبود پیدا نکنند ادامه پیدا می‌کنند، زیرا پردازنده‌های قدرتمندتر گرمای بیشتری تولید می‌کنند و به انرژی بیشتری نیاز دارند. به همین دلیل است که امروزه پردازنده‌های بزرگ و قدرتمند تنها در دستگاه‌های دسکتاپی استفاده می‌شوند. اگرچه پردازنده‌های بزرگ قدرت بیشتری ارائه می‌کنند، اما اگر در گوشی‌های هوشمند استفاده شوند، گرمای زیادی تولید می‌کنند و باتری گوشی را در چند دقیقه مصرف می‌کنند. یک پردازنده حرفه‌ای x86 دسکتاپ، انرژی معادل 300 وات مصرف می‌کند، در حالی‌که پردازنده موبایل در بدترین حالت دو تا سه وات انرژی مصرف می‌کند. 

برای غلبه بر مشکل مصرف انرژی در پردازنده‌های موبایل، می‌توان پردازنده‌های x86 با قدرت کمتری تولید کرد، اما ریزمعماری CISC برای ساخت تراشه‌های قدرتمند و بزرگ استفاده می‌شود. به همین دلیل است که پردازنده‌های آرم در ابعاد دسکتاپی ساخته نمی‌شوند. آرم چگونه توانست به بازدهی انرژی بالا دست پیدا کند؟ پاسخ در طراحی RISC و جزییات ریزمعماری مستتر است. با توجه به این‌که آرم نیازی به پردازش انواع مختلفی از دستورالعمل‌ها ندارد، این امکان وجود دارد که معماری داخلی آن‌را ساده‌تر طراحی کرد. علاوه بر این، سربار پردازشی در مدیریت یک پردازنده در ساختار RISC کمتر است. نتیجه کلی آن می‌شود که انرژی بیشتری ذخیره می‌شود. هرچه طراحی ساده‌تر باشد، اجازه می‌دهد از تراتزیستورهای بیشتری استفاده کرد که به‌طور مستقیم با فعالیت‌های پردازشی مرتبط هستند. یک تراشه آرم نمی‌تواند انواع مختلف دستورالعمل‌ها را با سرعتی یکسان با یک تراشه x86 انجام دهد، با این‌حال در بحث بازدهی عملیاتی عملکرد بهتری دارد. 

یک ساختار کوچک دوست‌داشتنی 

یکی دیگر از ویژگی‌های کلیدی آرم، معماری محاسباتی ناهمگن (big.LITTLE) است. این طراحی شامل دو پردازنده مکمل روی یک تراشه است. یکی از آن‌ها یک هسته با قدرت و مصرف برق پایین است و دیگری، هسته‌ای قدرتمندتر است. تراشه، ساختار سیستم را ارزیابی می‌کند و بین دو هسته موجود، یکی را برای انجام عملیات انتخاب می‌کند. در سناریوهای دیگر، کامپایلر در صورت اطلاع از نزدیک بودن یک دستورالعمل پیچیده پردازشی، هسته قدرتمندتر را فراخوانی می‌کند. 

اگر دستگاه در حالت بیکاری یا اجرای محاسبات ساده باشد، هسته با توان و مصرف انرژی کمتر (LITTLE) فعال می‌شود و هسته قدرتمندتر خاموش می‌شود. آرم می‌گوید: «این‌کار باعث می‌شود تا 75 درصد انرژی بیشتری ذخیره شود. درست است که پردازنده کامپیوترهای عادی دسکتاپی در زمان فعالیت پردازشی سبک یا توقف سیستم، انرژی کمتری مصرف می‌کنند، اما بخش‌هایی از آن‌ها همواره فعال است. با توجه به این‌که آرم توانایی خاموش کردن برخی هسته‌ها را دارد، در بازدهی همواره بهتر از نمونه‌های دسکتاپی کار می‌کند (شکل 1). 

شکل 1

طراحی پردازنده در تمامی مراحل بر مبنای سبک و سنگین کردن قابلیت‌ها و نقاط قوت و ضعف انجام می‌شود. آرم به‌طور کامل ریزمعماری RISC را انتخاب کرده و نتیجه خوبی از این انتخاب به‌دست آورده است، به‌طوری که در سال 2010 موفق شد، نزدیک به 95 درصد سهم بازار پردازنده‌ها موبایل را به دست آورد. در طول این سال‌‌ها شرکت‌های مختلفی به این بازار وارد شدند، اما آرم همچنان قدرت اول این بازار است. 

ارایه مجوزهای گسترده به تولیدکنندگان

روش مجوزدهی آرم در موفقیت این شرکت و احراز جایگاه اول این بازار نقش کلیدی دارد. ساخت تراشه‌ها به شکل فیزیکی سخت و هزینه‌بر است. به همین دلیل آرم  این‌کار را انجام نمی‌دهد. بنابراین پیشنهادی ارایه می‌کند که انعطاف بیشتری دارند و قابلیت سفارشی‌سازی‌ها در مقیاس کلان را دارند. 

شرکت‌هایی که مجوز آرم را دریافت می‌کنند، بسته به حوزه فعالیت قابلیت‌ها و نیازمندی‌های خود را مشخص می‌کنند. علاوه بر این، می‌توانند تنها برخی از دستورالعمل‌های آرم را پیاده‌سازی کنند و تراشه‌های اختصاصی خود را با طراحی متفاوت روانه بازار کنند. از شرکت‌های بزرگ فعال در این زمینه باید به اپل، انودیا، ای‌ام‌دی، برادکام، فوجیستو، آمازون، هواوی و کوالکام اشاره کرد که هر یک به نوعی با آرم همکاری می‌کنند. 

طراحی آرم، محدود به دنیای گوشی‌های هوشمند نیست، مایکروسافت هم از معماری این شرکت در ساخت سرفیس و سایر دستگاه‌های سبک استفاده می‌کند (شکل 2). 

شکل 2

یکی از جالب توجه‌ترین بازارهایی که آرم روی آن متمرکز شده، مراکز داده است. آرم در یک استراتژی بلندمدت به دنبال آن است تا بازدهی بیشتر و مصرف کمتر انرژی را به دنیای مراکز داده وارد کند. در ساختاری که هزاران هزار سرور استفاده می‌شوند، صرفه‌جویی در مصرف انرژی اهمیت زیادی دارد. همین موضوع باعث شد تا زنگ خطر برای اینتل و ای‌ام‌دی به صدا در بیاید و این دو شرکت راه‌حل‌های جدیدی برای حل این مشکل در ارتباط با ساختارهای بزرگ ارایه کنند تا دو معیار بازدهی و قدرت هم‌زمان با یکدیگر به‌دست آید. البته انتظار نمی‌رود، در آینده نزدیک این دو شرکت موفق شوند راه‌حل قابل توجهی ارایه کنند. یکی دیگر از برنامه‌های تجاری آرم، در ارتباط با گردآوری اکوسیستم بزرگی از مالیکت‌های معنوی مکمل پردازنده (IP) است که قابلیت پیاده‌سازی در معماری این شرکت را دارند. از میان آن‌ها باید به شتاب‌‌دهنده‌ها، اکودر/دیکودر و پردازنده‌های خاص‌منظوره اشاره کرد که شرکت‌ها امکان خرید حق مجوز استفاده از آن‌ها در محصولات خود را دارند. علاوه بر این، آرم انتخاب عالی در ارتباط با تجهیزات اینترنت اشیا است. آمازون اکو و گوگل هوم مینی هر دو از پردازنده‌های کورتکس آرم استفاده می‌کنند. 

قابلیت‌های زیاد در یک تراشه واحد

آرم، علاوه بر کسب‌وکار اصلی خود در ارتباط با ISA، به حوزه سامانه روی تراشه (SoC) نیز وارد شده است. با افزایش محدودیت‌های فضا و انرژی، بازار پردازش موبایل به سمت الگوهای طراحی یکپارچه سوق پیدا کرده است. یک پردازنده مرکزی و یک سامانه روی تراشه از بسیاری جهات به یکدیگر شبیه هستند، اما به‌طور خلاصه باید بگوییم SoC آینده دنیای پردازش موبایلی است. سیستم روی یک تراشه عملکردی دقیقا یکسان با نامش دارد. قطعات و بخش‌های مختلف در این نوع تراشه گردآوری می‌شوند تا بازدهی افزایش پیدا کند (شکل 3). 

شکل 3

قبل از این‌که طراحی SoC به ساختار رایج دنیای پردازش موبایلی تبدیل شود، هر یک از ساختارهای نشان داده شده در شکل 3 به یک تراشه اختصاصی نیاز داشتند. به‌همین دلیل، بازار موبایل روزبه‌روز به سمت طراحی‌های SoC گام بر می‌دارد. با وجود تمام مزیت‌ها، معماری SoC برای همه سامانه‌ها مناسب نیست. به‌طور مثال، در دسکتاپ‌ها و لپ‌تاپ‌های عمومی شاهد به‌کارگیری  SoC نیستیم، زیرا در این طراحی محدودیت‌هایی به‌لحاظ حداکثر تجهیزات قابل نصب روی یک تراشه وجود دارد. علاوه بر این، شما نمی‌توانید عملکرد و قدرت یک پردازنده گرافیکی مستقل یا مقدار حافظه بالا را با تمامی ساختارهای ارتباطی موردنیاز روی یک تراشه قرار دهید. SoC نیز همانند RISC تنها برای طراحی‌هایی که مصرف انرژی کمی دارند مناسب است و در ارتباط با طراحی‌های با عملکرد و قدرت بالا کاربرد چندانی ندارد. اکنون می‌دانیم که آرم با تمرکز روی طراحی ساده با عملکرد بالا، توانست به فرمانروای بازار پردازنده‌های موبایل تبدیل شود. مدل RISC ISA این شرکت‌، اجازه می‌دهد تا پردازنده‌های اختصاصی را برای شرکت‌ها تولید کنند و منبع درآمد پایداری داشته باشند. آن‌ها با استفاده از مدل RISC بازدهی و عملکرد را به حداکثر ممکن رسانده‌اند. امروزه در دنیای پردازش موبایل بازدهی و مصرف انرژی حرف اول را می‌زنند و آرم در این زمینه جایگاه خود را تثبیت کرده است.