Компания, которой нет. Как Arm контролирует миллиарды устройств без единой фабрики

Простое объяснение: ISA, ядра, лицензии и почему это важно даже для тех, кого не волнует железо.

Просто посмотрите вокруг и почти наверняка найдется устройство, которое «думает» на базе процессора, построенного по такой же схеме. Смартфон, умная колонка, пульт от телевизора, кофемашина, элементы автомобиля, промышленная автоматика. За этим невидимым сообществом стоит Arm: компания редко появляется в потребительской рекламе, но ее дизайн определяет, как работают миллиарды устройств и сколько энергии они потребляют.

Причина, по которой Arm снова обсуждается более активно, чем обычно, заключается в том, что рынок явно готовится к очередным изменениям.

Qualcomm внедряет процессоры ARM в ноутбуки с Windows, Apple уже несколько лет повышает ожидания по скорости и автономности с помощью своих чипов M-серии, и параллельно развиваются области, где энергопотребление едва ли не важнее голой производительности: робототехника, автопилот и искусственный интеллект. Если еще некоторое время назад борьба шла о максимальном количестве гигагерц и ядер, то сейчас все более важным становится вопрос о том, сколько вычислений можно выполнить на ватт.

Чтобы понять, почему Arm оказывает такое влияние на отрасль, полезно вспомнить, что в основном делает процессор. По сути, это огромная система электронных переключателей, работающих с двоичной логикой. Их физическая основа — транзисторы: есть сигнал — получаем «1», нет сигнала — получаем «0». Миллиарды этих переключателей вместе выполняют инструкции, перемещают данные, принимают простейшие решения и синхронизируют все устройство. Процессор постоянно обменивается данными с памятью: долговременные данные находятся в запоминающем устройстве, «рабочие» данные — в оперативной памяти, а внешние устройства, от датчиков до сенсорных экранов, предоставляют входные сигналы, которые преобразуются в действия программы.

На этом фоне неожиданной кажется одна важная характеристика Arm: компания не занимается производством чипов. В отличие от Intel, Arm создает архитектурную «книгу правил», то есть описание того, как следует проектировать процессор и как программное обеспечение должно с ним взаимодействовать. Эти разработки передаются партнерам на аутсорсинг, а физическое производство берет на себя контрактное производство, такое как TSMC. То есть Arm продает не кремний, а интеллект, заложенный в конструкцию.

Эта «книга правил» состоит из двух слоев, и их часто путают. Первый уровень — это микроархитектура: конкретный способ структурирования ядра процессора, способ выполнения инструкций, кэш, конвейер, предварительное предсказание и другие детали, влияющие на скорость и энергопотребление. Сюда относится, например, семейство ядер Cortex. Второй уровень — ISAархитектура набора команд, набор инструкций, которые понимает процессор, и правила, по которым программное обеспечение взаимодействует с оборудованием. Важно отметить, что ISA действует как стабильный «контракт» между разработчиками микросхем и разработчиками программного обеспечения, обеспечивая совместимость в обширной экосистеме.

Затем наступает черед лицензирование. Arm не просто раздает «инструкции», она продает право использовать их в своих продуктах.. Партнер может взять готовую конструкцию ядра Arm и встроить ее в свой собственный чип или создать собственное ядро, сохранив при этом совместимость с ISA компании Arm. Пример тому — Snapdragon от Qualcomm: там совместимость с ARM сохраняется, но архитектурные решения и баланс между производительностью и экономической эффективностью определяет сам разработчик. Именно эта гибкость позволила Arm стать универсальной базой для самых разных устройств.

Современные чипы почти всегда представляют собой SoC, систему-на-чипе, т.е. «система на кристалле», где центральные ядра, графика, модули связи, ускорители искусственного интеллекта и несколько контроллеров расположены рядом друг с другом. Такой подход обеспечивает более быструю связь внутри кристалла и помогает экономить электроэнергию. Для смартфонов это принципиально: устройство должно быть мощным, но при этом не перегреваться и работать от аккумулятора целый день. Вот почему мобильная индустрия так сильно зацепилась за Arm.

История появления Арма также сопряжено с ограничениями. Компания выросла из инженерной культуры Кембриджа и проектов Acorn Computers, перед которыми стояла сложная задача: создать процессор, укладывающийся в строгие ограничения по теплу и мощности. Это давление заставило искать простоту и эффективность, а не «грубую силу». Одним из первых заметных решений было Apple Newton, портативное устройство, которое само по себе не стало коммерческим хитом, но помогло Arm завоевать техническую репутацию. Чтобы выжить и масштабироваться, Arm в конечном итоге полагалась на лицензирование, и этот выбор стал основой для будущего роста.

Большой скачок произошел с наступлением эры смартфонов в конце 2000-х годов. В отличие от мира ПК, в котором на протяжении десятилетий доминировали «устаревшие» архитектуры x86, смартфоны создавались на базе новых операционных систем, таких как Android и iOS, которые изначально разрабатывались с учетом эффективности. Arm уже был естественным кандидатом на роль «двигателя» этих устройств. Поскольку телефоны стали более мощными и сложными, компания Arm улучшила дизайн, чтобы они могли выдерживать насыщенные интерфейсы, многозадачность и тяжелые приложения. Параллельно росла огромная армия разработчиков, которые писали и оптимизировали программное обеспечение для ARM. Со временем именно эта программная экосистема стала одним из главных конкурентных преимуществ Arm.

Теперь этот опыт пытаются перенести в мир персональных компьютеров. Технически процессоры ARM уже «доросли» до ноутбуков, но самым болезненным барьером здесь является не аппаратное обеспечение, а совместимость. Переход на другую архитектуру обычно означает, что операционные системы и приложения необходимо адаптировать, а иногда и переписать. Примерно в то время, когда Intel сдалась, Apple смягчила переход, выпустив программу трансляции инструкций, которая позволяла старым приложениям работать на новых чипах ARM, хотя и с некоторыми компромиссами в скорости. В Windows эти процессы все еще развиваются: Qualcomm выпускает ARM-чипы для ноутбуков, Microsoft расширяет поддержку ARM-устройств, и это выглядит как серьёзная попытка обеспечить, чтобы давнее доминирование Intel и AMD на платформе x86 впервые получило реальную массовую альтернативу в сегменте ноутбуков.

Параллельно с этим Арм все глубже и глубже погружается в робототехника. Современный робот должен обрабатывать потоки данных с камер и датчиков в режиме реального времени, «понимать» трехмерную среду и принимать решения на основе сложных входных сигналов. При этом он должен одновременно выполнять классические задачи по управлению исполнительными механизмами и датчиками и выполнять выводы ИИ, то есть распознавать и принимать решения на основе готовых шаблонов. В прошлом роботы были медленными и жесткими, пригодными для повторяющихся операций в предсказуемых условиях. Рост вычислительных возможностей сделал возможными более «реалистичные» сценарии — от ловких движений гуманоидов до тщательного манипулирования объектами, и процессоры Arm все чаще оказываются в центре таких систем.

Автомобильная электроника не менее требовательна. Электромобили должны постоянно следить за состоянием аккумулятора, зарядкой и потреблением энергии, а системы помощи водителю и автономного вождения должны постоянно обрабатывать данные с камер и датчиков. Добавьте к этому большие дисплеи, мультимедиа и «центральный мозг» автомобиля, которые связывают все воедино. Подход компании Arm, ориентированный на высокую производительность при низком энергопотреблении, хорошо подходит для этих задач, поэтому вычисления ARM становятся ключевым элементом современной автомобильной архитектуры.

Отдельный штрих, делающий тему еще острее, — это энергетическая стоимость искусственного интеллекта. Крупные центры обработки данных потребляют огромное количество электроэнергии для обучения и запуска моделей, и это становится проблемой масштабируемости и даже экологической проблемой. Здесь Arm видит шанс распространить свою философию «бережливых вычислений» на рабочие нагрузки искусственного интеллекта, чтобы более эффективно работать в облаке и на устройствах. Идея состоит в том, что некоторая обработка ИИ, скорее всего, будет выполняться локально, в смартфонах, автомобилях и бытовой технике, что снижает зависимость от энергоемких централизованных вычислений.

В результате Arm выглядит как компания, которая почти незаметно для широкой публики формирует будущее вычислений посредством стандартов, совместимости и инженерной эффективности.. Если отрасль действительно вступит в эпоху повсеместных роботов, более автономных машин и «встроенного» искусственного интеллекта, то в победителях окажутся не только те, кто думает быстрее, но и те, кто сможет думать без дополнительных ватт и ненужного тепла. И именно здесь влияние Арма становится особенно заметным.