Як британці винайшли ARM, котра змінила комп’ютерний світ

У 2020 році комп’ютерний світ сколихнула вибухова новина: ARM-процесор випередив за продуктивністю топові процесори x86 від Intel та AMD і при цьому споживав в рази менше енергії. З’явилися навіть прогнози щодо занепаду архітектури x86, яка не була найкращою, але з’явилася в підходящий момент. Ось історія появи компанії ARM та її мандрівки до світового домінування.

Архітектура ARM без перебільшення є найпопулярнішою в світі. Майже усі прилади, що оточують вас – смартфони, планшети, телевізори, годинники, мікрохвильовки, кондиціонери, «розумні» дверні замки та водопровідні крани, відеоплеєри тощо – використовують її. За приблизними підрахунками, на ній працює 130 млрд гаджетів.

Довгий час ARM не могла здолати лідерство x86 у двох сегментах: суперкомп’ютерів та робочих ПК, де домінували чипи від Intel та AMD. Однак влітку 2020 року ARM стала основою найпотужнішого суперкомп’ютера, а восени того ж року – стала основною найпотужнішого в перерахунку на ват чипу для робочих ПК.

Поява ARM

Поштовх до появи архітектури ARM надало освітнє телешоу The Computer Programme, яке транслювалося в 1982 році компанією BBC. Автори цього шоу хотіли розповісти британцям про новий тип техніки – комп’ютери. Тоді вони виглядали як клавіатура, яку потрібно було підключати до телевізора.

Телешоу було частиною проєкту Computer Literacy Project, який запустила британська влада разом з топ-менеджерами BBC. Проєкт ставив на меті скоротити відставання британців у комп’ютерній революції, яка на той час вже широко крокувала в США.

На відміну від більшості телепрограм подібної тематики тієї пори, BBC хотіла демонструвати в кадрі реальний комп’ютер та показувати на ньому фундаментальні концепції комп’ютерних технологій і навчати основам програмування на мові BASIC.

Глядачів вчили роботі з графікою та звуком, підключенні до мереж та іншим технологіям. Демонстраційний комп’ютер для таких задач повинен був бути досить потужним. Вимоги до продуктивності машини виявилися такими, що на ринку не було готового рішення.

Топ-менеджери BBC звернулися до британської хайтек-індустрії, лідером якої в ті роки була фірма Sinclair. Вона заробила свої гроші на калькуляторах та невеликих телевізорах. Але розробити новий комп’ютер, який задовольнив би вимоги BBC, згодилася невелика компанія Acorn Computers.

Acorn була заснована в Кембриджі в 1979 році і першою її продукцією були модифікації комп’ютерних систем слотових гральних автоматів. Компанія перетворювала їх на невеликі комп’ютери для хобі на базі процесорів 6502. Це ті ж процесори, на яких були побудовані комп’ютери Apple II, Atari 2600, Commodore 64 та інші. Дизайн цього процесора, як виявиться потім, стане одним з найважливіших елементів.

Acorn розробила домашній комп’ютер Atom, коли їм надійшла пропозиція від BBC. Компанія почала роботи над наступником Atom, який мав отримати назву BBC Micro. Комп’ютер прогнозувався дещо слабкішим за Atom, який мав два процесора, а також повинен був мати два процесора: 6502 та якийсь 16-бітний чип. Інженери Acorn згодом відмовилися від використання додаткового процесора, але залишили інтерфейс підключення Tube – це також стало важливим елементом.

Вимоги до BBC Micro стали справжнім викликом для інженерів Acorn, що призводило до дивних рішень. Наприклад, потрібно було точно розміщувати палець в певному місці, щоб комп’ютер запрацював. Причину такої дивної поведінки так і не з’ясували, але інженерам вдалося підібрати кілька резисторів, які симулювали наявність пальця в потрібному місці.

Попри всі недоліки BBC Micro став успіхом для Acorn та одним з найвідоміших комп’ютерів у Великобританії в 1980-х.

Зародження ARM

Паралельно відбувалася справжня революція в комп’ютерах: в 1981 році вийшов IBM PC і став стандартом для персональних ПК, в 1983 році з’явився Apple Lisa, який дав поштовх графічним інтерфейсам в комп’ютерах.

У Acorn спостерігали за цими проривами і розуміли, що їм потрібен потужніший процесор, ніж 6502. Компанія експериментувала з 16-бітними чипами, включаючи 65816 – 16-бітний варіант 6502. Також компанія вивчала Motorola 68000, який використовувався у Apple Macintosh, ще досліджували процесор National Semiconductor 32016. Також цікавилися Intel 80286, але Intel проігнорувала невелику британську компанію.

Інженери Acorn вирішили, що в їхній ситуації найкращим виходом є розробка власного процесора. Проаналізувавши розробки Western Design Center, який розробляв нові версії 6502 та роботи інших дослідників, було вирішено обрати підхід Reduced Instruction Set Computing (RISC).

RISC є одним з двох великих концепцій побудови процесорів. Іншим є Complex Instruction Set Computing (CISC). CISC-процесори мають великий набір інструкцій, які можуть виконуватися кілька процесорних тактів. Зате програмістам легше створювати програми, так як можна використовувати більший набір інструкцій. У RISC-процесорах набір інструкцій невеликий, щоб кожну можна було виконувати за один такт процесора. Це спрощує розробку процесора, однак ускладнює код та обсяги споживаної пам’яті.

У Acorn добре розумілися в RISC, оскільки у них був досвід роботи з 6502, дизайн якого вважається прото-RISC.

Розроблений інтерфейс Tube підключення процесорів дозволив перетворити комп’ютер BBC Micro на тестову плату для нового чипа. Його назвали Acorn RISC Machine (ARM). Виробництвом займалася компанія VLSI.

В 1987 році вийшов перший персональний комп’ютер на RISC-процесорі. Він називався Acorn Archimedes та працював на другому поколінні процесорів ARM2. Продуктивність ARM виявилася кращою, ніж у Intel 286, попри те, що у ARM-чипа було на 245 000 транзисторів менше.

Archimedes працював на операційній системі Arthur OS і виявився гнучкою, швидкою та потужною машиною. У нього була пристойна графічна підсистема, графічний інтерфейс користувача, набір вбудованих анімацій та ігор для демонстрації можливостей та потужності.

Той перший ARM-комп’ютер части називали найшвидшим персональним комп’ютером свого часу. Його продуктивність була у кілька разів вища, ніж у комп’ютерів на базі Intel 80286.

Шлях на вершину популярності

Обрана Acorn концепція мінімальної кількості інструкцій дозволила створювати процесори, які використовували менше енергії і менше нагрівалися. Ця властивість виявилася приємним бонусом, але її не планували спеціально, оскільки енергоспоживання не настільки важливе для настільних комп’ютерів.

Невисоке споживання енергії і висока потужність зробило ARM цікавим для мобільних гаджетів, які працювали від батарей. У 1980-х такий процесор шукала Apple, яка розробляла систему з графічним інтерфейсом та з функцією перетворення рукописного тексту в друкований. Живлення девайсу забезпечували батарейки AA. Цим пристроєм був провальний Newton, а єдиним достатньо потужним процесором для нього виявився ARM.

Apple та VLSI в партнерстві з Acorn домовилися виділити ARM в окрему компанію, яку назвали Advanced RISC Machines, залишивши тим самим стару абревіатуру ARM.

Ресурси Apple дозволили компанії розробити нові ядра, включаючи ядро ARM6. Чіп ARM610 став першим на ньому, він мав частоту 20 МГц і став «серцем» Apple Newton у 1993 році.

На ринку Newton провалився і став одним з найгучніших провалів Apple (поки цей титул не забрала бездротова зарядна станція AirPower). Однак з технічної точки зору Newton був шедевром: вміщувався на долоні, живився від батарейок, мав сенсорний екран і купу новітніх функцій, серед яких – розпізнавання рукописного тексту. Сьогодні під такий опис підходить майже кожен смартфон.

Наступне ядро ARM7 в 2001 році стало базою для процесора Apple iPod та Nintendo Game Boy Advance. В 2004 році два процесори ARM забезпечили роботу двоекранної кишенькової ігрової приставки Nintendo DS.

В 2007 році Apple випустила перший iPhone, який використовував чип з ядром ARM11. Intel намагалася розвивати x86 в смартфонах та планшетах, але не змогла. Архітектура ARM стала безумовним лідером в мобільних гаджетах.

Майбутнє точно не буде спокійним

Доля ARM обіцяє і в майбутньому бути повною дивних подій. У вересні 2020 року Nvidia оголосила, що має намір купити компанію ARM за 40 мільярдів доларів і цю угоду назвали найважливішою в галузі за останні 40 років.

Покупка ARM дозволить Nvidia контролювати тих, хто ліцензує ARM, а серед таких – Qualcomm, Samsung, Apple, AMD та інші. Також вільний доступ до технологій ARM може дозволити Nvidia стати головним гравцем на ринку «хмар» та штучного інтелекту.

За матеріалами: Arstechnica