Новият силициев ред

Отминаващата си 2020 г. промени света из основи. Промяната беше най-вече повлияна от коронавирус пандемията. В света на процесорите се извършва най-голямата трансформация на пазара и технологиите от десетилетия. При това без COVID-19 да има каквато и да е роля за това. Вятърът на промяната духа от няколко години, като посоката на развитие на мобилните процесори подсказваше, че скоро може да има фундаментални размествания. Просто никой не предполагаше, че това ще се случи толкова скоро и бързо.

Само допреди няколко поколения процесори, мобилните чипове не можеха да се борят по производителност и възможности спрямо традиционните такива. Битката между ARM и x86 архитектурите започна да се усеща по-силно преди няколко години. Microsoft и Google, както и няколко други производители на достъпни лаптопи и хибриди се опитват да наложат мобилните процесори в по-големи и сериозни потребителски устройства.

Проблемите все по-малко зависеха от техническите ограничения на хардуера, а опират все повече по отношение на съвместимостта и производителността на софтуера. Дълго време, именно последното беше основната пречка, да имаме функционални приложения за ARM процесори, независимо от типа устройства, на които ще се ползват.

Истинският пробив дойде от Apple с новите им чипове M1 за лаптопи и компютри Mac. Процесорите от една страна показаха истинските си „зъби“ при правилен архитектурен дизайн, от друга – че софтуерната преграда започва постепенно да изчезва.

Apple не са сами в това начинание, но изглежда ще бъдат на гребена на истинска вълна на промяната, която ще доведе до нов ред в света на процесори. Към него добавяме и мегасделката на 2020 г. – придобиването на ARM от Nvidia – с което целият пазар има шансовете да се преобърне.

Двата свята

Основната причина за тази трансформация идва във факта, че вече технологиите са напреднали до такава степен, че разделението между процесорите за мобилни и високопроизводителни устройства започва да изчезва. ARM съществува от края на 80-те години, като концепция за нов PC чип, който да ползва по-ефективен в своите изчисления от наложената архитектура x86 по това време.

Разликата между двете е фундаментална, но за да я разберем трябва да навлезем малко по-надълбоко в начина по който работят процесорите. Има два типа серии от инструкции, които чиповете използват, за да обработят информацията. Това са комплексните (CISC) и намалените (RISC). Първите са по-подходящи за сложни операции и изчисления, докато вторите са насочени към по-прости такива и съответно по-енергоспестяващи.

ARM е най-ефективната и успешна RISC архитектура. През годините тя се налага, като основна в смартфоните и таблетите. Предимствата ѝ са, че процесорите, които я ползват са по-малки, компактни, отделящи по-малко топлина и изискващи много по-малко енергия.

От другата страна е x86, която се възприема повече като CISC, но задава различни инструкции за различните изчисления. Така, някои от операциите са сходни с RISC, но не всички. Процесорите базирани на x86 по принцип са по-производителни, особено за по-тежки процеси и изчисления. Но изискват много повече енергия, което също така добавя необходимостта от тяхното охлаждане.

Обръщане на тенденциите

Технологично, x86 винаги е била с едни гърди пред ARM. Втората архитектура възприе 64-битовите операции едва през 2011 г., докато първата ги ползваше успешно вече няколко години. Тестовете за производителност също бяха повече от десетилетие в полза на x86.

Нещата започнаха да се обръщат през последните няколко години. Архитектурата на ARM разви много успешно няколко концепции, които с времето еволюираха технологично до степен, че вече компенсират недостатъците на изцяло RISC платформа.

Първата е в използването на специализирани ядра и модули, които са разположени в рамките на един чип. Позната като System on a Chip (SoC), това е стандарт при мобилните устройства, заради високата си компактност. SoC позволява да се ползват специализирани модули за различни операции. От няколко години ARM процесорите се възползват от невронни процесори (за обработване на изчисления за изкуствен интелект), вградени графични модули и др.

Предимствата на SoC са, че са по-компактни и енергоспестяващи, но и, че информацията изминава по-малко разстояние спрямо решенията, в които модулите са компоненти изработени на отделни плочки силиций.

Втората технология е в миниатюризирането на архитектурата. ARM успешно изградиха през 2020 г. транзистори с размер 5nm, което позволява разполагането на повече компоненти в същото пространство до момента. За сравнение, Intel успява през същата година да пусне процесори с 10nm архитектура или с два пъти по-големи транзистори. Допреди няколко години разликата в това отношение беше пренебрежителна, като ARM и x86 вървяха ръка за ръка. Ако върнем лентата още по-назад, тогава предимството за втората архитектура ще е доста по-очевидна.

Третото голямо предимство на ARM е, че компанията само изгражда основата на архитектурата и я предоставя на различни производители сами да довършат своите решения. Това позволява на компании, като Qualcomm, Huawei, Mediatek, Apple и Microsoft да създават собствени процесори.

Мобилните технологии с приоритет

Комбинацията между SoC и 5nm технологии, позволява вече да се създават ARM чипове, които да започнат да конкурират по производителност някои класове x86 модели. Което поне в ниския и среден клас машини може да доведе до замяната с първия тип архитектура. Което е фундаментална промяна за пазара. Apple поема по този път, въпрос на време е и останалите производители да направят същото.

Подобна трансформация ще бъде осъществена и с крайните устройства. Лаптопите и таблетите, ще могат да са по-компактни и да имат по-издържлива батерия. В момента потребителите трябва да избират производителност или компактност с издръжливост. В бъдеще, подобни компромиси ще отпаднат.

SoC и ARM архитектурите няма да заменят x86 във всички устройства. Тези, от които се изисква максимална производителност, без да трябва да пестят енергия, ще запазят досегашната архитектура. Дългосрочно, може да станем свидетели на нови решения, които да наклонят везните в полза на ARM, но поне за момента пълна подмяна няма да е възможна, без жертви. Apple искат да я осъществят напълно, но ще видим какъв подход ще предложат те.

Изоставането на Intel

Един от факторите за добрите на пръв поглед резултати на процесорите M1 на Apple срещу x86 е в изоставането на Intel. Невъзможността на американския гигант да се адаптира към новите технологични реалности и да следва конкуренцията може да доведе до неговия залез. Както и до неговите най-големи съюзници от последните десетилетия да се обърнат срещу него.

Intel изпитва големи проблеми с развойната дейност за създаване на 7nm архитектура за x86 процесори. Компанията отложи подобни модели за 2021 г., като дори с новата дата не е сигурно, дали ще тя ще пусне такива в срок. Забавяне имаше дори при 10nm чипове на компанията, които се появиха едва през отиващата си 2020 г.

Отделно, Intel не успя да създаде 5G модеми за Apple, което забави последната в пускането на смартфон поддържащ новото поколение мобилни мрежи. Последният iPhone използва такъв на Qualcomm. Всичко това доведе до решението на „ябълковия“ гигант нарпаво да придобие звеното за модеми на производителя и да започне да създава собствени компоненти.

Сол в раната на Intel сложи дългогодишният им конкурент AMD, които пуснаха 7nm процесори през 2020 г. По този начин x86 архитектурата не позволи прекалено голямо откъсване от тази на ARM. Заслугата затова обаче не е на Intel, а в момента основните сравнения с чиповете на Apple се правят именно с процесорите на първата компания.

Потъване на кораба

Изоставането на лидера в PC чипове кара неговите основни съюзници един по един да търсят алтернативи. Microsoft се опитва още от 2013 г. да създаде таблети и хибриди с ARM процесори. Проблемите, тогава бяха не само в производителността, но и в липсата на поддръжка на много програми.

Едно от наследените предимства на x86 архитектурата е, че за нея има много и утвърден софтуер. Друг момент е, че производителността на RCIC решенията и по-конректно на ARM зависят много по-силно от софтуера, отколкото от хардуера.

Apple на пръв поглед преодолява това препятствие, като изгражда универсални приложения, които да могат да работят и за двете видове системи. Както и емулатор за тези, които не са в новия формат. Microsoft започна да прави същото през последната година. Просто, компанията от Купертино е с едни гърди напред. Софтуерният гигант от Редмънд скоро ще я настигне, като пусне 64-битовата емулация за ARM процесори.

Microsoft също така е засилила разработването на собствени чипове с тази архитектура. Като освен за таблети, вече върви дейността и по такива за сървъри.

Отливът на съюзниците

Microsoft и Apple са два от големите съюзници на Intel. Без тях, производителят на чипове губи гарантирани пазари. Изравняването на технологиите и лицензния модел на ARM дори ги превръща в конкуренти. Като добавим и напредъкът на AMD, от цялата трансформация, най-големия губещ е Intel. Като не говорим само за намаляване на пазарен дял, а дори и за физическото оцеляване на компанията.

Затова 2021 г. ще бъде критична за Intel. Ако компанията не успее бързо да навакса технологичното изоставане със 7nm и да продължи в скоростно пускане на 5nm архитектура, тя ще бъде задмината от ARM решенията. През 2022 г. се очаква британският разработчик да е готов с 3nm, което за много се смята за границата на физическите възможности за миниатюризация на процесорите. Въпреки това има планове и за 2nm решения, които ще очакваме след 2025 г.

Intel разполага с такива в своята пътна карта и така дава някаква утеха, че може да остане в играта. Проблемите са, че досега производителят до момента не успява да спази предишните си планове и се движи с няколко години закъснение спрямо тях. Това е по-притеснителното, защото виждаме, как ножицата между x86 и ARM се затваря, когато има разлика в размера на архитектурата и софтуерното оптимизиране.

Развитията от 2020 г. и тези от новата 2021 г. ще покажат дали Intel ще запази своята доминираща позиция при PC процесорите, както и дали изобщо ще има шанс да оцелее в дългосрочен план.

Новият властелин на ARM

Трансформацията на пазара за чипове се допълва от още една новина, която беше обявена през 2020 г. Става дума за продажбата на ARM от SoftBank към Nvidia за впечатляващите 40 млрд. долара. Последствията от нея са по-трудни за проследяване, най-малкото защото тя още не е одобрена от регулаторите. В този процес има и политически ефект, защото Nvidia трябва да получи зелена светлина от САЩ, Европа и Китай.

Да приемем, все пак, че тя ще мине без проблеми и допълнителни условия. Контролът върху ARM, нейната RSIC архитектура, лицензи, развойна дейност и модел на дистрибуция преминават в един от играчите на пазара. Nvidia не е производител на традиционни процесори, но е такъв за графични. Една от причините при предишната сделка за ARM да бъде одобрен SoftBank е, че тя не е пряк конкурент на пазара.

Сега, почти целият бизнес с процесорите по тяхната архитектура зависи от корпоративните решения на най-големия доставчик на видеокарти по света. Nvidia за момента обяви, че няма да променя нищо в работата на ARM и нейния модел. Няма гаранция, че това няма да се случи в бъдеще. Дори, някои технологични пробиви да са първо достъпни за Nvidia, а след това за останалите, ще бъде достатъчно, за да се изкриви пазара и наклонят везните в полза на американската компания.

Изминалата 2020 г. даде тласък за голямата трансформация в света на силициевите чипове. Новата година от своя страна ще покаже, дали доскорошният лидер на пазара ще може да остане фактор и ще оцелее в дългосрочен план. Както и доколко процесите започнати сега ще се разпространят в индустрията.