Всё больше становится вендоров, которые предлагают вычислительные системы на базе платформы ARM. Одолеет ли она привычную x86, или рост сменится падением, как уже бывало прежде?
- Введение
- Немного истории
- Программное наполнение
- Возвращение на десктопы
- Что может помешать успеху ARM
- Выводы
Введение
Количество компаний, которые предлагают различные системы на базе архитектуры ARM, постоянно растёт. По прогнозам аналитиков TechInsights, уже к концу десятилетия доля ноутбуков на этой аппаратной платформе достигнет 40 % (рис. 1). Это втрое больше, чем по результатам 2023 года. В 2020 году доля систем на ARM была немногим выше процента.
Рисунок 1. Прогноз TechInsights по выпуску ноутбуков на 2020-е годы
Быстрому росту доли ARM способствует сочетание высокой производительности с энергоэффективностью, что показал удачный опыт Apple. По мнению аналитиков, производители устройств на платформе IBM PC могут противопоставить «макбукам» системы с дискретными видеокартами, интересные любителям игр или тем, кто работает в профессиональных приложениях, например САПР. Усиливать экспансию ARM будут также проблемы у традиционных производителей процессоров для PC — Intel и AMD.
Однако есть и сложности. Наиболее серьёзные связаны с дороговизной высокопроизводительных систем на кристаллах (SoC), а также недостаточным количеством приложений. Многие не забыли и прежний печальный опыт попыток создания клиентских систем на базе ARM.
Немного истории
ARM стал если не самым первым, то одним из первых массовых RISC-процессоров (Reduced Instruction Set Computer, вычислитель с упрощённой системой команд). Это семейство было разработано по заказу британской компании Acorn для персонального компьютера с графическим интерфейсом Acorn Archimedes (рис. 2).
Рисунок 2. Персональный компьютер Acorn Archimedes A3020
Уже первый серийно выпускавшийся ARM2 полностью соответствовал техническому заданию. Он был существенно проще и дешевле, чем современники от Intel и Motorola, но обладал более высокой производительностью. В итоге на него обратили внимание более крупные компании.
Первой стала Apple, которая выбирала аппаратную основу для проекта Newton, одного из первых массовых карманных компьютеров. И хотя этот проект был неудачным из-за большого количества недоработок, которые часто становились объектами для шуток (так, момент с низким качеством распознавания рукописного ввода был обыгран в одном из эпизодов мультсериала «Симпсоны»), благодаря фальстарту Apple на новую архитектуру обратили пристальное внимание другие разработчики карманных устройств, обнаружившие, что возможные альтернативы имеют больше ограничений и неудобств.
Второй крупной компанией, которая заинтересовалась ARM, стала DEC. Она купила лицензию на производство ARM-процессоров под названием StrongARM для использования в сетевом оборудовании. Потом StrongARM оказалась в распоряжении Intel после судебной тяжбы с DEC. Однако в дальнейшем Intel продала бизнес по производству ARM-процессоров Marvell, о чём впоследствии горько пожалела.
В 1990-е годы количество лицензиатов ARM лавинообразно росло. Этому способствовало распространение интернета и мобильной связи. К концу последнего десятилетия XX века ARM просто вытеснила все остальные аппаратные архитектуры в таких сегментах, как мобильные устройства и младшие модели сетевого оборудования. В «нулевых» к ним добавились системы хранения данных начального уровня и телевизоры. К 2009 году на ARM приходилось уже более 90 % всех производимых в мире микропроцессоров.
Также на ARM обратили внимание страны и компании, которым необходимо было быстро получить в распоряжение технологию разработки микропроцессоров. В частности, именно на ARM построен российский процессор «Байкал-М».
Другие производители пытались бросить вызов ARM, но эти попытки закончились неудачно — прежде всего из-за неконкурентоспособности потенциальных альтернатив.
Наиболее показателен пример Intel. В начале 2010-х корпорация попыталась выйти на рынок SoC для смартфонов и планшетов со специально созданной для этого разновидностью Atom. Однако SoC от Intel не включали в себя всех необходимых компонентов, что усложняло задачу по проектированию мобильных устройств, прежде всего смартфонов, и делало их дороже.
Также, что более серьёзно, Intel не могла обеспечить поставки чипов в достаточном количестве. Её мощностей не хватало, чтобы нарастить выпуск SoC до миллиардов штук. Эта неудача имела и отдалённые последствия — в частности, отказ Google от поддержки архитектуры x86 в официальной версии Android. Последней стала Android 5.1 2015 года.
Новый импульс распространению архитектуры ARM придало интенсивное развитие технологий искусственного интеллекта. Как оказалось, процессоры на этой архитектуре наилучшим образом подходят для обучения нейросетей (выигрыш по сравнению с самыми производительными x86-процессорами может составлять даже не разы, а порядки) и при этом обладают высокой энергоэффективностью.
Программное наполнение
Первой операционной системой для ARM стала RISC OS, выпущенная для компьютеров Acorn Archimedes. Она, как и её современницы Windows 2.0 и Mac OS System 6, была однопользовательской, причём каждый из пользователей имел полный доступ к системе. Защита памяти была рудиментарной. RISC OS поддерживала так называемую кооперативную многозадачность, когда любой процесс может полностью монополизировать ресурсы.
Базовая часть RISC OS размещалась в BIOS, и самостоятельно заменить системные файлы было невозможно. Это защищало ОС от деструктивных воздействий со стороны пользователей и от возможного выхода из строя накопителей, надёжность которых в то время оставляла желать много лучшего. Плюс ко всему, интерфейс RISC OS (рис. 3) стал образцом для подражания. Его влияние заметно во многих графических рабочих столах и прикладном ПО.
Рисунок 3. Рабочий стол RISC OS
Важным шагом стало появление ОС RISC IX, которая была Unix-подобной и базировалась на BSD 4.3. Её интерфейс не был столь красивым и удобным, как у RISC OS, но она была многопользовательской и многозадачной, причём многозадачность была вытесняющей.
С появлением лицензиатов ARM расширялось количество операционных систем, поддерживающих эту архитектуру. Наряду с различными проприетарными системами, рассчитанными на закрытые экосистемы, очень быстро (не позднее 1999 года) для ARM появились варианты открытых платформ, включая EPOC (которая затем трансформировалась в Symbian), Windows CE, VxWorks, QNX, а также Linux и все варианты BSD (Free, Net, Open). Наиболее распространённые в настоящее время мобильные платформы Android и iOS / iPadOS изначально разрабатывались под архитектуру ARM.
Linux сначала закрепился в сегменте сетевого оборудования. В начале 2000-х появились первые ОС для карманных компьютеров на базе Linux, чуть позже — прошивки для смартфонов. Также на ядре Linux базируются другие ОС, самую большую инсталляционную базу из которых имеет Android. Помимо неё есть и другие, в том числе российская «Аврора» или Samsung Tizen, который используется в телевизорах от южнокорейской компании. Имеются и редакции Linux, адаптированные под различные мобильные устройства. Среди них также есть российские. Из семи отечественных мобильных ОС на Linux основаны четыре.
Появление Linux на ARM при достижении определённого уровня производительности SoC позволило таким системам выйти и на серверный рынок. Произошло это в середине 2010-х, причём рост был стремительным. В отдельные периоды ежегодный рост количества инсталляций таких серверов измерялся в тысячах процентов. С ажиотажем вокруг развития искусственного интеллекта и нейросетей этот процесс заметно ускорился. Популярны ARM-серверы также для развёртывания контейнеров. Впрочем, развитие сегмента серверов на ARM — тема для отдельного разговора, и, возможно, мы к ней ещё вернёмся.
Возвращение на десктопы
На рубеже «нулевых» и «десятых» системы на базе архитектуры ARM начали возвращаться в сегмент полноразмерных компьютеров. Начало положили так называемые смартбуки (рис. 4) — нетбуки на основе архитектур ARM и, намного реже, MIPS (впрочем, последние предназначались для внутреннего рынка Китая).
Рисунок 4. Смартбук Pursedo компании Wistron
С лёгкой руки одного из представителей Qualcomm они стали известны как «смартфоны-переростки». Действительно, с аппаратной точки зрения эти системы мало отличались от смартфонов, однако были представлены в другом формфакторе, который повторял клавиатурные КПК конца 1990-х или нетбуки, получившие во второй половине «нулевых» большое распространение. Помимо использования другой аппаратной архитектуры, смартбуки от нетбуков также отличало наличие модуля мобильной связи.
В качестве операционной системы смартбуки использовали Linux или Android, несколько реже — Windows CE. Последняя часто устанавливалась в дополнение к Linux или Android. Впрочем, большим успехом урезанная версия Windows для мобильных архитектур и встраиваемых систем не пользовалась, главным образом из-за бедного выбора ПО.
Ключевым преимуществом смартбуков перед нетбуками была длительность автономной работы. Если у нетбука она редко превышала три часа в режиме просмотра видео, то для смартбука стандартным временем работы вдали от розетки было 10 часов. Производительность при этом мало различалась, хотя некоторые нюансы имели место. Они были связаны с тем, что до второй половины 2010-х годов даже лучшие SoC на базе ARM серьёзно уступали в производительности вычислений с плавающей точкой. В итоге могли возникать проблемы с воспроизведением видео высокого разрешения. В середине 2010-х начали продаваться и полноразмерные ноутбуки на базе ARM с Linux; они пользуются невысоким, но вполне устойчивым спросом. Тогда же появились первые «хромбуки» на базе ARM — а эти системы имеют весьма большой удельный вес.
В начале 2010-х годов на рынок вышли одноплатные компьютеры. Первая версия Raspberry Pi поступила в массовую продажу в 2012 году. Многие покупали такие компьютеры в качестве замены ноутбукам, поскольку система на базе «одноплатника» была легче, дешевле и компактнее. С ростом популярности Raspberry Pi у неё появились подражатели в разных странах, причём копии часто превосходили оригинал.
Microsoft также обратила внимание на перспективный сегмент, тем более что она оказалась в числе проигравших на рынке мобильных устройств. Однако первая её попытка выхода на перспективный рынок с Windows RT (рис. 5), в том числе с устройствами Surface RT под собственной торговой маркой, оказалась не слишком удачной. Главной причиной оставался дефицит нативного ПО при невозможности использования унаследованного, предназначенного для x86. Также не были изжиты до конца проблемы с воспроизведением видео, которые усугублялись ещё и изъянами чипов Nvidia Tegra, установленных на большей части устройств с Windows RT.
Корпоративным потребителям не понравилось то, что Windows RT нельзя было включить в домен. Мешали и сложности с присоединением лицензий на предустановленный Microsoft Office. В итоге, по мере выхода устройств на базе стандартной архитектуры, системы на Windows RT начали продаваться из рук вон плохо.
Рисунок 5. Планшет Surface RT с Windows RT
Нашлось, впрочем, и серьёзное достоинство несовместимости Windows RT с приложениями для стандартной архитектуры: вредоносные программы на ней тоже не работали. Стоит добавить, что устройства были абсолютно бесшумными (из-за отсутствия механических деталей) и долго работали от батарей.
В следующей Windows 10 Microsoft учла многие ошибки. Были портированы на ARM все редакции ОС, что сняло проблемы с невозможностью интегрировать устройства с другой архитектурой в корпоративную инфраструктуру. Также появился эмулятор Prism, который позволял запускать программы для x86. Деградация производительности была ощутимой, но со многими популярными программами вполне можно было работать даже на слабых системах вроде смартфонов Nokia Lumia. А совсем недавно образ Windows 11 для ARM появился в открытом доступе. Впрочем, и раньше найти ISO файл с такой Windows не составляло большого труда на ресурсах torrent.
Однако долгое время производительность и стоимость SoC на базе ARM делали устройства на Windows практически неконкурентоспособными. При работе в реальных приложениях Qualcomm Snapdragon 835 был лишь чуть быстрее Intel Celeron, тогда как по цене такая система была ближе к топовым моделям бизнес-ноутбуков. Концепция «постоянно подключённого компьютера», которой соответствовали почти все модели ноутбуков на ARM с Windows, и традиционно долгая работа от батарей не сказались на продажах.
С другой стороны, для Apple переход на ARM оказался успешным несмотря даже на то, что первый этап процесса прошёл в разгар пандемии. Модели устройств выходили вовремя, их производительность превосходила самые оптимистические ожидания даже при использовании унаследованных приложений. Не обошлось без некоторых шероховатостей (например, выхода из строя экранов моноблоков iMac через два года эксплуатации), но они были связаны с бракованными узлами от сторонних поставщиков.
Положение в сегменте PC на ARM начало ощутимо меняться в текущем году. Критическая база нативных приложений также начала набираться к началу 2020-х, хотя во многих сегментах ПО, особенно профессионального, дело обстоит не слишком хорошо. Оживление связано с ажиотажем вокруг сервисов на базе генеративного ИИ (в частности, Copilot от Microsoft), производительность которых на ARM выше, чем на стандартной архитектуре. Сама Microsoft отказалась от использования процессоров Intel и AMD в планшетах и ноутбуках Surface. В Microsoft также не исключили, что будут разрабатывать собственный процессор на ARM.
На пользу ARM сработали и серьёзные проблемы у Intel, крупнейшего производителя процессоров на x86. Чипы Raptor Lake оказались неудачными, и их нестабильная работа привела к коллективному иску от недовольных потребителей. По итогам второго квартала 2024 года Intel показала чистый убыток в 1,5 млрд долларов, что привело к обрушению курса её акций. Начали появляться слухи о продаже части бизнеса. У AMD также появились сложности: производительность нового поколения Ryzen оказалась ниже ожиданий.
Не исключено, что на рынке появятся новые игроки. В их числе может быть, например, Huawei, который имеет в распоряжении ОС Harmony и производит SoC на ARM. По некоторым данным, компьютеры на этой платформе выйдут уже очень скоро. Вопрос лишь в том, будут ли они продаваться на глобальном рынке или Huawei ограничится только домашним китайским.
Что может помешать успеху ARM
Главным фактором, который влияет на популярность ПК и ноутбуков на платформе ARM, является соотношение цены и производительности. Пока оно — явно не в пользу ARM. Сейчас минимальная стоимость Windows-ноутбука на ARM составляет около 700 долларов США, тогда как система сопоставимой производительности на x86-64 обойдётся вдвое дешевле.
Изменить ситуацию может появление реальной конкуренции на рынке SoC. Пока же в данном сегменте представлен лишь Qualcomm, продукция которого никогда не была бюджетной. Выход производительного SoC на базе ARM, рассчитанного на ноутбуки и ПК, анонсировала Nvidia, и многое зависит от того, выйдет ли он в заданные сроки и какими будут его стоимость и производительность.
Серьёзной проблемой остаётся качество работы эмулятора Prism. Оно вызывает множество нареканий в плане как быстродействия (деградация составляет до 200–300 % против 30 % у Rosetta 2 от Apple), так и надёжности работы.
Также на ARM портированы далеко не все приложения. И даже если нативная версия для ARM у того или иного приложения есть, это не значит, что она поддерживает все функции варианта для x86. В равной степени данная проблема касается как профессионального ПО, например САПР или систем моделирования, так и игр.
В Linux ситуация с ПО для ARM не столь остра, но и для этой платформы значительная часть коммерческих программ не поддерживает данную архитектуру. То же касается и драйверов периферийных устройств — даже тех, которые давно и успешно работают в Linux.
Выводы
Перспективы у PC на архитектуре ARM, безусловно, есть — особенно на фоне проблем, которые испытывают Intel и (в меньшей степени) AMD.
С другой стороны, и у ARM есть пока объективные трудности, связанные с развитием экосистемы Windows для данной платформы. Однако тут много поводов для оптимизма, прежде всего связанных с тем, что Microsoft «сожгла мосты», отказавшись от использования процессоров x86 в собственной линейке Surface.
Ситуацию с исправлением пока не слишком благоприятного соотношения цены и производительности может исправить появление новых сильных игроков на рынке SoC. Уже в самом скором будущем ситуация может серьёзно измениться.
