Na raskrsnici: X86 ili ARM

X86 procesori su već mnogo puta kroz svoju slavnu istoriju bili ugroženi, ali su na kraju „preživeli“ i danas pokreću najveći deo svetskih računara. Ipak, svemu neminovno jednom dođe kraj – ARM RISC procesori su velika pretnja X86 arhitekturi. Da vidimo zašto, pa da razmislimo o narednim godinama…

Procesori zasnovani na ARM arhitekturi su najpre privukli pažnju onih koji razmišljaju o energetskoj efikasnosti – oni mnogo manje troše, baterije traju „zauvek“, ali performanse… pa, tu X86-zasnovani procesori do skora nisu imali alternativu. Danas odgovor na pitanje CISC ili RISC više nije tako jednostavan. Procesori zasnovani na Intel X86 skupu instrukcija i dalje daju najbolje performanse, barem kada se gleda potrošački segment. Međutim, ako se pogledaju performanse po taktu jednog jezgra CPU-a, prednost polako prelazi na stranu ARM procesora.

Apple već pravi ARM CPU jezgra koja su toliko moćna da iPad Pro nudi uporedive single-threaded performanse s premijum klasom desktop procesora za PC računare. Štaviše, najnoviji Apple ARM procesori su toliko dobri da mogu da nadmaše X86 procesore u pokretanju x86 koda. Ta činjenica ukazuje da je opravdano zapitati o održivosti X86 arhitekture na dugoročnom planu. ARM je jasno superiorniji po pitanju energetske efikasnosti, a jednak je, pa čak i bolji od X86 arhitekture kada se sagledavaju performanse po jezgru. Da li to znači da će ARM čipovi zameniti X86 CPU-ove u računarima? Odgovor na ovo pitanje nije jednostavan, ali ni potpuno jasan u ovom trenutku. Zato, krenimo redom…

Neuspeh Atom projekta

Možda će jednoga dana ostati zapisano da je X86 arhitektura krenula ka zalasku neuspehom Atom projekta. Atom je bio čip male snage koji je trebalo da donese X86 arhitekturu u mobilne telefone. Da je Intel uspeo u svojoj nameri, X86 arhitektura imala bi mnogo svetliju i održiviju budućnost. Ovako…

Apple već pravi ARM CPU jezgra koja su toliko moćna da iPad Pro nudi uporedive single-threaded performanse s premijum klasom desktop procesora za PC računare

Prvi pametni telefoni sa X86 čipovima pojavili su se u prodaji pre više od jedne decenije. Prvi model zasnovan na ovom čipu, Lava XOLO X900, predstavljen je 23. aprila 2012. godine. Imao je 2 GB RAM-a, 16 GB prostora za podatke, obezbeđivao je hardversko dekodiranje video-zapisa u 1080p rezoluciji, podržavao više kamera. Pokretao ga je Intel Atom Z2460 CPU na 2,6 GHz, sa SGKS540 GPU-om, poznatim pod kodnim imenom Penvell. Negde u to vreme, pojavio se i iPhone 5, sa Apple A6 čipom, prvim koji je koristio jezgra dizajnirana u Apple-u, a ne licencirana od ARM-a, iako su ta Swift jezgra i dalje bila zasnovana na ARM setu instrukcija.

Atom procesor imao je jedno jezgro sa HyperThreading tehnologijom, dok je ARM konkurencija u A6 i Qualcomm Snapdragon S4 čipovima bila dual-core. Do 2015. godine, Intel je imao četvorojezgarni Atom procesor koji je bio ugrađen u ASUS Zenfone 2. Taj čip je po pitanju performansi bio uporediv s konkurencijom, što su tada bili iPhone 6 ili Google Nexus 9 telefoni. U nekim zadacima bio je bolji, u nekim lošiji od konkurenata, ali teško možemo da kažemo da je bio promašaj.

Samo godinu dana kasnije, aprila 2016, Intel je otkazao Broxton, svoj tek dolazeći četvorojezgarni SoC za pametne telefone. Time je i zvanično odustao od proboja na tržište pametnih telefona. Zašto se to desilo? Deo problema bilo je i ponašanje konkurencije. Qualcomm, najveći igrač na polju procesora za mobilnu telefoniju, postavljao je različite uslove licenciranja i kupovine svojih čipova proizvođačima pametnih telefona, što im je otežavalo namere da eksperimentišu sa Intel-ovim čipovima. Istovremeno, dva najveća proizvođača pametnih telefona, Apple i Samsung, fokusirali su se na sopstvene čipove, što ih je eliminisalo iz bilo kakve kalkulacije da bi mogli da postanu Intel-ovi klijenti. Sve to je uticalo da se potencijalno tržište za Intel SoC-ove za mobilne telefone značajno smanjilo. Takođe, da je Intel nastavio da gura ove čipove, suočio bi se s dugotrajnom (i skupom) borbom sa Qualcomm-om, s neizvesnim završetkom.

Još jedan važan faktor u Atom-ovom neuspehu bila je Intel-ova tehnologija proizvodnje, za koju se pokazalo da je ugrožena na više nivoa. Dolazak ere pametnih telefona učinio je da Intel počne da gubi status tehnološki najnaprednijeg igrača na tržištu. Koliko je ovo bilo bitno, vidi se danas, deceniju kasnije, jer Intel i dalje ne uspeva da se vrati na lidersku poziciju.

Strateške greške kompanije Intel

Intel je 2012. očekivao da će do 2016. proizvoditi 10-nm čipove, ali su ta očekivanja bila previše optimistična. Čak i pre nevolja sa 10-nm proizvodnim procesom, Intel je kasnio sa 14-nm procesom proizvodnje. Tek početkom 2020, četiri godine nakon što je planirano, ova kompanija je uspela da uspostavi održivu masovnu proizvodnju 10-nm čipova.

Odluka Apple-a iz 2020. da sa X86 procesora pređe na sopstvene CPU-ove zasnovane na ARM-u dokazuje da je ARM arhitektura sposobna da zadovolji potrebe računarstva visokih performansi

Za to vreme, tajvanska kompanija TSMC, koja proizvodi većinu svetskih čipova za mobilne telefone, kao i čipove za NVIDIA i AMD-ove GPU-ove, i AMD CPU-ove, počinje ubrzano da napreduje. TSMC je godinama bio korak ili dva iza Intel-a. Problemi sa 14-nm, a zatim i sa 10-nm proizvodnim procesom u Intel-u, omogućili su TSMC-u ne samo da ga stigne, već i da ga pretekne. TSMC danas već proizvodi 3-nm čipove i većina tehnoloških analitičara smatra da je sada ovaj proizvođač barem jednu generaciju proizvoda ispred Intel-a.

Svi znamo da su energetska efikasnost i smanjenje dimenzija čipova od kritičnog značaja za pametne telefone. Intel je imao preduslove da stekne prednost kada je sa Atom procesorom pokušao da uđe na ovo tržište, ali je iz današnje perspektive jasno da su i tajming i strategija bili loše odabrani. A moguće je i da kompanija nije najbolje iskoristila proizvodne resurse koje je imala na raspolaganju, kada su u pitanju SoC-evi za pametne telefone.

U vreme kada je otkazan Broxton SoC, Intel je potrošio 10 milijardi dolara pokušavajući da uđe na tržište mobilnih telefona. Ispostavilo se da to nije bilo dovoljno. Tada je kompanija svoje najsavremenije proizvodne tehnologije usmeravala ka proizvodnji tradicionalnih PC procesora. To je imalo smisla – čipovi za desktop i laptop računare, kao i za servere, daleko su najprofitabilniji sektori Intel-a. S druge strane, takav stav je učinio da Atom procesori budu gurnuti u stranu, pa je njihov prioritet u proizvodnim procesima bio tek nakon proizvodnje Core i Xeon čipova.

Intel-ova greška bila je u tome što nije uložio dovoljno novca da revidira svoje proizvodne tehnologije, kako bi se obezbedio veći obim proizvodnje mobilnih čipova, što bi automatski značilo niže troškove proizvodnje, pa samim tim i veću konkurentnost na tržištu. Ali, to bi značilo i remont fabrika optimizovanih za veće i skuplje procesore namenjene računarima i serverima. Intel to nije uradio, što je značilo ne samo da je zaostajao u tehnologiji procesa proizvodnje i odlagao uvođenje Atom procesora na najsavremenije proizvodne linije, već je za njihovu proizvodnju koristio i skupe proizvodne procese, dizajnirane za druge vrste čipova.

Svi pomenuti faktori, kao i poteškoće da Intel obezbedi kupce za svoje Atom čipove za pametne telefone, osudili su projekat na propast. Ako se zna koliki je značaj tržišta pametnih telefona danas, Intel je napravio ogromnu stratešku grešku. Ukoliko ARM procesori u skorijoj (ili daljoj) budućnosti zamene X86 procesore u serverima i računarima, neuspeh Atom projekta će se sigurno smatrati prelomnom tačkom u istoriji
Intel-ovog poslovanja.

ARM čipovi

Zato je i bitno poređenje ARM i X86 procesora kada su u pitanju performanse i efikasnost. Pre nego što je Intel predstavio Atom, ARM čipovi su smatrani za energetski efikasnije, a X86 čipovi su donosili bolje performanse. Danas je takva podela prevaziđena, a najočigledniji primer su već pomenuti Apple-ovi ARM zasnovani čipovi. Uostalom, već i sama odluka Apple-a iz 2020. da sa X86 Intel procesora pređe na sopstvene CPU-ove zasnovane na ARM-u, dokazuje da je ARM arhitektura sposobna da zadovolji potrebe računarstva visokih performansi.

Prvi Apple M1 čipovi sadržali su ista Firestorm jezgra visokih performansi kao i visokoenergetski efikasna Icestorm jezgra, predstavljena nekoliko meseci ranije u iPhone 12 seriji telefona. Slično tome, Apple-ovi M2 čipovi koriste Avalanche i Blizzard jezgra iz iPhone 13 A15 SoC-a. Drugim rečima, Apple je uspeo da upotrebi ista CPU jezgra u svim svojim proizvodima, od mobilnih telefona do full tower Mac Pro računara. To je pojednostavilo i pojeftinilo njihovu proizvodnju i omogućilo Apple-u da napravi brži proboj sa svojim čipovima.

Setovi instrukcija

Osnovna razlika između ARM i X86 procesora je u različitim setovima instrukcija. Dizajn procesora tu ne igra glavnu ulogu. Uostalom, Intel i AMD imaju potpuno različito dizajnirane procesore, ali su svi oni zasnovani na istom X86 setu instrukcija, koji datira još iz 1978. godine (iz Intel-ovog 8086 CPU-a), naravno u nešto revidiranim i proširenim varijantama.

Ko je danas vlasnik X86 seta instrukcija teško je reći, pošto se vodilo mnogo sporova na tu temu. Zahvaljujući različitim sudskim odlukama ali i unakrsnom licenciranju, samo AMD je uspeo da dobije licence za proizvodnju X86 kompatibilnih procesora. Zato danas imamo samo dva proizvođača X86 procesora – Intel i AMD.

Deluje nestvarno da bi neko treći mogao da se umeša u borba između ARM i X86 giganata. Ipak, konkurent je tu: RISC-V je open-source alternativa ARM-u

ARM je u vlasništvu britanske kompanije ARM Holdings. Za razliku od X86 seta instrukcija, koje je Intel želeo da zadrži u svojoj isključivoj nadležnosti i nije bio predviđen za licenciranje, ARM je od početka napravljen s namerom da se licencira drugim kompanijama. Razlog za to može da bude i činjenica da ARM Holdings ne proizvodi procesore – ova kompanija samo dizajnira ARM CPU-ove koji mogu da se licenciraju. U osnovi toga je i ARM set instrukcija koji može da se iskoristi za dizajniranje procesora po meri. Upravo to je Apple uradio.

Ako ostavimo po strani specifičnosti različitih dizajna procesora, postoji mnogo fundamentalnija i važnija razlika između X86 i ARM CPU-ova. Ona se svodi na RISC u odnosu na CISC arhitekturu. RISC je skraćenica za Reduced Instruction Set Computing, a CISC za Complex Instruction Set Computing. Set instrukcija je suštinski interfejs između hardvera i softvera. RISC set instrukcija je jednostavniji i zato koristi manje energije, dok CISC setovi instrukcija omogućavaju da se isti posao obavi sa manje naredbi, što je donosilo bolje performanse. Najnovije generacije ARM i X86 procesora su napravljene na hibridnim varijantama RISC i CISC setova instrukcija, jer su postali približni po performansama. Ipak, generalno, ARM upotrebljava pretežno RISC set instrukcija, a X86 CISC set instrukcija. To je i razlog što su jezgra u X86 procesorima fizički veća, složenija i zahtevaju više energije za rad, dok su ARM jezgra manja i energetski efikasnija.

Poređenje X86 i ARM ra čunara

Poređenje Mac i PC računara nije jednostavno. To nije bilo lako čak i dok su Mac računari koristili iste Intel-ove čipove kao i PC računari a sada je još teže kada treba uporediti ARM i X86 procesore. U slučajevima gde je ista aplikacija dostupna i optimizovana za obe platforme, pokazalo se da su M1 i M2 čipovi daleko ispred X86 procesora. Pri tome, ARM čipovi rade na oko 3 GHz, a konkurentni su X86 CPU-ovima koji koriste znatno više frekvencije. Drugim rečima, kada se radi o broju izvršenih instrukcija u klok-ciklusu, M1 i M2 su bolji od bilo kog X86 jezgra u Intel ili AMD procesorima.

Moramo da budemo objektivni i da kažemo da drugi ARM zasnovani čipovi nisu toliko impresivni kao najnoviji Apple-ovi procesori. Qualcomm Snapdragon jezgra nisu toliko moćna, kao ni Samsung-ov Exynos SoC koji koristi ARM licencu. Međutim, ni oni ne zaostaju mnogo i sve su bliži po performansama X86 jezgrima.

Možda je najprecizniji pogled na performanse X86 i ARM arhitektura dao Jim Keller, legendarni dizajner čipova. To je čovek koji je bio na čelu dizajna AMD Athlon 64 i AMD Zen CPU-ova, koji je imao ključnu ulogu u Apple-u na razvoju njihovih ARM procesora, a predvodio je i dizajn CPU-ova u Intel-u. On je napravio uporedni pregled Intel Xeon procesora, niza AMD X86 procesora, uključujući i AMD Zen 5 arhitekturu sledeće generacije, kao i nekoliko ARM zasnovanih procesora. Među njima su bile čak i sve tri generacije Amazon-ovih internih Graviton ARM procesora, kao i NVIDIA ARM Grase CPU, za koje su date samo projekcije, s obzirom na to da je to još uvek neobjavljen procesor. Ako je neko autoritet koji može da da projekciju, to je Keller.

Prema njegovim pokazateljima, Amazon Graviton CPU prve generacije nije ništa posebno, ali Graviton 3 već pruža slične performanse kao i AMD Zen 1, 2 i 3 procesori. On predviđa da će NVIDIA Grace čip nadmašiti sve postojeće AMD Zen CPU-ove, mada (još uvek) neće moći da parira nadolazećoj Zen 5 arhitekturi. Prema tim navodima, X86 će u narednih nekoliko godina zadržati prednost, ali će se ona kretati u okvirima do maksimalno 15 procenata. Istovremeno, svi ARM zasnovani CPU-ovi su znatno energetski efikasniji od X86 parnjaka iz Intel-a i AMD-a. Ako ARM nastavi da nudi slične performanse, uz znatno manju potrošnju energije, čini se neizbežnim da će kompanije početi da prelaze na ARM procesore.

Postoji još jedan pokazatelj da je PC industrija možda na ivici pomeranja sa X86 na ARM arhitekturu. To su Intel-ovi planovi za budućnost. Njihova nova strategija ne pominje direktno udaljavanje od X86 arhitekture, ali se između redova može pročitati da budućnost možda neće biti X86, ili će X86 biti manje dominantan u računarskim i serverskim segmentima. Odakle takvo razmišljanje? Njihova, već više puta prolongirana IDM 2.0 strategija, objavljena 2021. godine, sastoji se od nekoliko važnih strateških odluka. Prva je vraćanje liderstva u tehnologiji proizvodnje čipova, što znači da kompanija mora bolje da radi svoj posao. Druga odluka podrazumeva širu saradnju sa drugim proizvođačima čipova, što bi najverovatnije mogao da bude TSMC. Ovo je neophodno zbog neuspeha Intel-ovih fabrika da naprave konkurentne čipove, kao i činjenice da im je TSMC (daleko) odmakao u svojim proizvodnim procesima. Takva odluka ne može se smatrati samo „iznuđenim rešenjem“, jer teško je verovati da će biti odbačena čim Intel-ove fabrike ponovo postanu konkurentne. A ako se zaista razmisli, ovakva odluka ima smisla samo u slučaju ako Intel ne misli da je X86 budućnost.

Postoji li neko treći?

Deluje nestvarno da bi neko treći mogao da se umeša u borba između ARM i X86 giganata. Ipak, konkurent je tu: RISC-V je open-source alternativa ARM-u, za koju mnogi poznavaoci smatraju da bi, dugoročno gledano, mogla da bude jedan od značajnijih takmaca na polju budućih računara opšte namene.

Apple je uspeo da upotrebi ista CPU jezgra u svim svojim proizvodima, od mobilnih telefona do full tower Mac Pro računara. To je pojednostavilo i pojeftinilo njihovu proizvodnju i omogućilo tehnološki prodor

Glavna prednost RISC-V arhitekture je što je otvorenog koda. To znači da je moguće napraviti procesor bez potrebe za ARM licencom ili kupovine gotovog rešenja od Intel-a ili AMD-a. Kao što mu i ime govori, RISC-V koristi redukovan set instrukcija, pa možemo da kažemo da predstavlja direktniju pretnju za ARM, u odnosu na X86. RISC-V je za sada uglavnom ograničen na SoC-ove specijalnih namena, a ne za primarne zadatke obrade podataka. Uostalom, većina čipova sa RISC-V jezgrima koji su na tržištu ima ARM jezgra kao primarne procesore opšte namene. Kompanije koje upotrebljavaju RISC-V ne moraju da objavljuju dizajne svojih procesora kao open-source, a zadržavaju i puna prava na intelektualnu svojinu i mogu slobodno da prodaju svoje RSIC-V procesore.

Velika prednost ARM i X86 procesora je standardizacija i garancija kompatibilnosti hardvera i softvera unutar svakog datog ekosistema. Sloboda koju donosi RISC-V ne može da garantuje kompatibilnost, pa to umanjuje opasnost za ARM, a pogotovo za X86. Vrednost ove alternative je što, dugotrajno gledano, možemo da očekujemo pojavu još jednog ozbiljnog takmaca na tržištu procesora.

Karakteristike CISC i RISC arhitektura

CISC (Complex Instruction Set Computing)	RISC (Reduced Instruction Set Computing)
Kompleksne instrukcije zahtevaju nekoliko clock ciklusa za izvršenje. U proseku, potrebno je dva do pet ciklusa po instrukciji (CPI).	RISC arhitektura izvršava jednostavne, optimizovane instrukcije u jednom clock ciklusu. Ona procesira instrukcije prosečnom brzinom od 1,5 ciklusa po instrukciji (CPI).
CISC se za izvršavanje instrukcija fokusira na hardver.	RISC se za brzo izvršavanje programa oslanja na kompajler koji treba da generiše efikasan kod
Implementacija kompleksnih instrukcija je omogućena kroz memorijske jedinice.	RISC nema specijalnu memoriju i stoga koristi specijalizovani hardver za izvršavanje instrukcija.
CISC koristi široki spektar instrukcija za obavljanje kompleksnih zadataka.	RISC koristi redukovan set instrukcija koje su po svojoj strukturi “primitivne”.
CISC procesori generalno koriste mikrokod, što omogućava kontrolu CPU-a zasnovanu na ROM-u. Savremeni CISC procesori koriste i hardwired jedinice za laku kontrolu CPU-a.	RISC procesori koriste hardwired jedinice za kontrolu CPU-a.
CISC procesor koristi 16 bita do 64 bita za izvršenje svake instrukcije.	RISC procesor koristi 32 bita za izvršenje svake instrukcije.
CISC arhitektura načelno koristi jedan keš za čuvanje podataka i instrukcija. Noviji CISC dizajni razdvojili su keš za instrukcije od keša za podatke.	RISC arhitektura se zasniva na razdvojenom kešu. Jedan keš se koristi za podatke, a drugi za instrukcije.
CICS procesori koriste memory-to-memory framework za izvršenje instrukcija, kao što su ADD, LOAD, ili STORE.	RISC procesori zasnivaju se na register-to-register mehanizmu za izvršenje ADD, LOAD i STORE instrukcija.
CISC procesori koristi samo jedan set registara.	RISC arhitektura koristi višestruke setove registara.
CISC procesori su sposobni da efikasnije obrađuju komande programskog jezika visokog nivoa, zahvaljujući podršci za složene načine adresiranja.	Pošto RISC procesori podržavaju limitiran set adresnih modova, kompleksne instrukcije se sintetizuju kroz softverski kod, od strane kompajlera.
CISC instrukcije zahtevaju duže vreme za izvršavanje.	RISC instrukcije se izvršavaju u kraćem vremenskom intervalu.
Dekodiranje instrukcija u CISC arhitekturi je prilično komplikovano.	Dekodiranje instrukcija je jednostavno.

U danima koji dolaze

Intel može sebi da priušti da povremeno predstavi neki proizvod koji nije u samom vrhu po performansama. To je Intel-ova današnja situacija u odnosu na AMD. Ali, u heterogenom IT svetu, gde se ne svodi sve na računare, već i na mobilne telefone, AI sisteme, pametne kućne uređaje… Intel ispred sebe ima više takmaca, sa čitavim nizom različitih procesora i SoC-ova, zasnovanih ne samo na X86 već i na ARM, pa čak i RISC-V setovima instrukcija.

Biti najbolji na takvom tržištu mnogo je teže nego u bipolarnoj varijanti. Možda je zato za Intel bolje i da to ne pokušava. Iako danas zaostaje za TSMC-om po tehnologijama proizvodnje, Intel, Samsung i TSMC još uvek su tri najveće kompanije za proizvodnju čipova. Pored toga, ulazak nekog novog velikog igrača na ovo polje je neizvestan i teško verovatan scenario. Troškovi izgradnje fabrike čipova kreću se u rangu desetina milijardi dolara. Čak i ako ne bude najbolji, Intel će sigurno dugoročno imati obezbeđen posao proizvodnje čipova.

Za razliku od X86 seta instrukcija, koje je Intel želeo da zadrži u svojoj isključivoj nadležnosti, ARM je od početka napravljen s namerom da se licencira drugim kompanijama

Intel-ova pozicija jeste uzdrmana, kao i pozicija X86 procesora od strane ARM-a, ali ne možemo da znamo da li će se „sutra“ pojaviti neka nova tehnologija koja će preuzeti primat ili će pomoći da se tas na vagi pomeri na jednu ili drugu stranu. Možda najvažnije pitanje za nas jeste kako će se to sve odraziti na računare koje koristimo. U nekom kraćem periodu verovatno neće biti nikakvih promena. Male su šanse da će vrhunski računari preći na ARM čipove u narednih nekoliko godina. Ali je moguće da će se ARM procesori sve više nalaziti u nižoj i srednjoj klasi računara.

To će najverovatnije zavisiti od toga da li će ARM procesori uspeti da preuzmu kontrolu na serverskom tržištu. Bez finansijske podloge koju donosi tržište servera, Intel i AMD se sigurno neće toliko fokusirati na razvoj naprednijih X86 procesora. Drugim rečima, pravac koji se ustanovi na serverskom tržištu, odrediće i put klasičnih računara u narednoj deceniji. Na dugoročnom planu, čini nam se, ARM ima više šanse da uspe, a da li će to biti tako, verovatno ćete moći da pročitate za deset godina, recimo u PC #425.