Содержание |
2020: Станет ли Windows-on-Arm главной новинкой 2021 года?
На рынке ПК давно не было радикальных обновлений, однако есть вероятность, что в ближайшее время ситуация может измениться. Причиной тому станет распространение экосистемы Windows-on-Arm, способной нарушить монополию Wintel. Журналист Леонид Черняк в статье, подготовленной для TAdviser, объясняет, в чем причины успеха Windows-on-Arm.
Словослияние Wintel образовано от Windows и Intel. Такие неологизмы называют по-английски portmanteau, буквально «складной кошелек», на этот случай есть специальный лингвистический термин «гибридный морф» (морф - минимальная значимая единица текста). Неформальный альянс Wintel сложился в 80-90-х годы. Его возникновению способствовала взаимодополняющая активность Microsoft и Intel: они лучше других смогли воспользоваться условиями для монополизации операционных систем и процессоров для персональных компьютеров, сложившейся благодаря открытой архитектуре IBM PC. Последняя стала стандартом де-факто для ПК.
Обычные отраслевые закрытые технические стандарты поддерживаются специальными международными комитетами, а в данном случае стандарт оказался открытым. Как следствие, стихийно образовалась экосистема ПК, работающих под Windows, где доминировали компании Microsoft, Intel и ее единственный куда менее скромный по масштабам, но влиятельный конкурент AMD.
За ними в пищевой цепочке следуют собственно производители ПК, чью деятельность поддерживают производители комплектующих, а вся экосистема создает условия для разработчиков приложений. И только Apple оказалась способной противостоять Wintel, что объясняется ее предельно выверенной маркетинговой политикой, опирающейся, с одной стороны, на высокое качество продуктов, а с другой ей способствовал известный социальный феномен, который по-английски называют conspicuous consumption. По-русски это демонстративное или престижное потребление. Как с помощью EvaProject и EvaWiki построить прозрачную бесшовную среду для успешной работы крупного холдинга 
На любом потребительском рынке должно быть нечто, предназначенное для потребительской элиты, рынок ПК и мобильных устройств не исключение. Биполярный мир ПК, состоящий из Wintel и Apple, обрел устойчивость, достаточную для сохранения равновесия вплоть до последнего времени.
На рынке мобильных устройств сложилась аналогичная portmanteau-система - Armdroid. Этот морф образован из названий процессоров ARM и операционной системы Android. Ее успех обеспечили два обстоятельства. С аппаратной точки зрения это техническая политика, проводимая ARM Holding. Она обеспечила процессорам абсолютное лидерство по сбалансированности триады характеристик PPA (Performance, Power и Area), необходимых доля мобильных устройств. Суть PPA в достижении оптимального соотношения производительности, потребляемой мощности и площади кристалла, точнее, по числу транзисторов, что особо критично для устройств с автономным питанием.
С программной точки зрения – удачная адаптация Linux, осуществленная под руководством Энди Рубина (Andy Rubin). Прежде он работал в Apple, где за увлечение человекоподобными роботами он получил прозвище Андроид. Оно-то и было перенесено на название операционной системы. Экосистема также строилась на основе процессоров, лицензированных у ARM и адаптированных к требованиям iOS.
Вслед за Wintel и Armdroid примерно 10 лет назад появились предпосылки для создания еще одной экосистемы – Windows-on-Arm (WoA). Морф этот отражает идею переноса Windows на ПК с процессором, созданным по архитектуре ARM.
Переход на менее энергоемкие процессоры радикально повышает время работы от аккумулятора и дает возможность использовать их в более удобном режиме гаджетов, за что их назвали «ПК с постоянным подключением» (Always Connected PC, AC-PC). Руководствуясь это идеей, целый ряд компаний, недолго думая, пошли лобовым путем, заимствуя процессоров у мобильных телефонов. Но они не справлялись с поставленной задачей, и первая волна AC-PC закончилась откровенным провалом (подробнее об этом - в блоках ниже).
На этом фоне трудно понять некоторые отечественные компании, пытающиеся сейчас повторить этот эксперимент.
Первый блин, вышедший комом, не похоронил желание построить AC-PC, который смог бы соответствовать требованиям, предъявляемым к обычному ПК и быть удобным как мобильное коммуникационное устройство. Для решения проблемы создания полноценного AC-PC компании Microsoft, ARM и Qualcomm (Quality and Communication) образовали тройственный союз, где каждой досталась свойственная ей роль. Microsoft - создание операционной системы: создание Windows 10 on ARM, обеспечивающей пользователям то качество интерфейса, которое создают им привычные мобильные устройства, поддержку традиционных приложений и создание условий для разработчиков. Для этой цели требуется перекомпилировать под все собственные и сторонние приложения, а также обеспечить эмуляцию предложений x86 и x64 для работы под управлением Windows 10 Arm. А на ARM и Qualcomm – проектирование «железа».
Обе компании относятся к категории так называемых бесфабричных (fabless). Продуктами их детальности является техническая, технологическая документация и другие материалы, необходимые для производства кристаллов. ARM проектирует и лицензирует ядра компании Qualcomm, а она, в свою очередь, проектирует однокристальные мультипроцессорные системы (Multi-Processor System-on-Chip, MPSoC).
Производство передается специализированной компании, в нашем случае тайваньской TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company). Сегодня TSMC является лидером в этом сегменте и партнером для большинства бесфабричных компаний. Завершают цепочку компании, под чьим брендом выпускаются законченные и готовые к поставке пользователям Always Connected PC.
За годы своего существования ARM, которой 27 ноября 2020 года исполнилось 30 лет, выпустила колоссальное количество проектов процессоров, от самых маленьких, используемых в микроконтроллерах, до тех, на которых строят суперкомпьютеры, входящие в top-500. В контексте AC-PC для нас интерес представляют новые представители семейства ядер, образно названного Cortex, то есть «кора головного мозга». Кстати, существует русскоязычный медицинский термин «кортекс». Подмножество Cortex-A состоит из двух десятков различающихся между собой ядер как с архитектурой 32-bit ARM Cortex-A (ARMv7), так и 64-bit ARM Cortex-A (ARMv8-A).
С 2011 года ARM лицензирует не только процессорные ядра, но и оригинальную технологию двухуровневой кластеризации ядер ARM big.LITTLE. Она представляет собой динамическую систему управления ядрами для максимизации быстродействия при минимизацией энергозатрат, реализуя тем самым две первые составляющие в известной триаде PPA (Performance, Power и Area).
Технология ARM big.LITTLE дает возможность создавать MPSoC по гетерогенной схеме «два в одном», то есть сочетать на одной подложке два кластера ядер, где один кластер состоит из четырех экономичных, но менее производительных (LITTLE), другой из четырех более мощных (big) и более «жадных» ядер.
По функциональности эти кластеры идентичны, и их ядра имеют доступ к общей для них памяти, что позволяет динамическому механизму ARM big.LITTLE осуществлять мгновенный переход (свопинг) с одного кластера на другой при понижении или возвышении нагрузки. Это существенно сокращает потребление энергии. Технология ARM big.LITTLE позже была переименована в DynamIQ.
Технология ARM big.LITTLE оправдала себя в мобильных телефонах, а после того, как в 2016 году ARM выпустила достаточно мощное ядро ARM Cortex-A73, ее стало возможно распространить и на AC-PC. Далее за дело взялась Qualcomm, которая год спустя выпустила MPSoC Snapdragon 835 (от Snap and Dragon буквально захват и дракон), произведенный по технологии 10 нм. В нем кластер больших ядер составили 4 ядра Kryo 280 Gold на основе ARM Cortex-A73, а кластер малых ядер - 4 ядра Kryo 280 Silver на базе ARM Cortex-A53. Кроме того, на чипе размещался процессор DSP Hexagon 682 для работы с аудио- и видеоданными и сотовый модем Qualcomm Snapdragon X16 LTE.
Возможностей MPSoC Snapdragon 835 оказалось достаточно, чтобы первое поколение полноценных AC-PC вышло под торговыми марками Asus, HP и Lenovo в 2018. Получается, что цикл от новой модели ядра до готового AC-PC равен примерно двум годам. Чтобы предсказать появление новых AC-PC, посмотрим как развиваются события в ARM. Компания стремительно обновляет линейку старших моделей Cortex: в 2018 году ARM Cortex-A76, в 2019 ARM Cortex-A77, а в 2020-м анонсирован ARM Cortex-A78, прямой наследник A76 и A77 с увеличенным размером кэшей и пропускной способностью каналов передачи данных. К тому же он изготавливается по технологии 5 нм, а не 7 нм.
Arm Cortex-A78 стал представителем четвертого поколения процессоров ARM, поддерживаемых механизмом DynamIQ. Arm Cortex-A78 комплектуется графическим процессором Arm Mali-G78 GPU и нейропроцессором Arm Ethos-N78 NPU. Одновременно с ним достоянием гласности стала программа Cortex-X Custom (CXC), ставящая целью создание процессоров повышенной производительности. Это совершенно новое направление в деятельности ARM. Предполагается, что все ядра будут большими. Но более точно об особенностях нового семейства мы узнаем в 2021 году.
И, наконец, в начале ноября был анонсирован Cortex-A78C, главным образом отличающийся от A78 гомогенностью: в нем все 8 ядер «большие», он явно похож на Cortex-X1.
Qualcomm объявляет свои платформы Snapdragon для Windows 10С с примерно годовым временным лагом по отношению к ARM. К Snapdragon 835 в июне 2018 прибавилась Snapdragon 850, в декабре 2018 года - Snapdragon 855, в ноябре и декабре 2019-го - Snapdragon 8cx Gen 2 5G. В них последовательно повышаются показатели производительности – увеличиваются размеры кэшей, скорости обмена с памятью, появляются новые контроллеры, например NVM Express 4x для доступа к твердотельным накопителям (SSD), подключённым по шине PCI Express.
Snapdragon 8cx Gen 2 5G включает:
- Поддержку 4G LTE, 5G и Wi-Fi 6;
- Несколько технологий поддержки мультимедии в том числе GPU;
- Qualcomm AI Engine, процессор типа Neural Processing Unit (NPU), поддерживающий машинное обучение;
- Несколько технологий для обеспечения безопасности, включая распознавание лиц и отпечатков пальцев, поддержку технологий Windows Hypervisor и Secured-core PC, контроль за доступом к публичным мобильным Wi-Fi и др.
Если предположить, что Snapdragon 8cx или Snapdragon 8cx Gen 2 5G станут базой для следующего поколения AC-PC, то 2021 год станет переломным, и эти ПК потеснят традиционные ноутбуки. Уверенность в таком ходе событий подтверждается отказом Applе от процессоров x86 пользу ARM. CPU Apple M1 соcтоит из восьми ядер, разделенных на два кластера: четыре big Firestorm и четыре LITTLE Icestorm. Встроенный GPU имеет восемь ядер, на которые приходится 128 исполнительных блоков. Независимое тестирование показало более высокую производительность и энергоэффективность, чем на процессорах Intel.
Параллельно с процессорами ARM разрабатывает серверную версию своего ядра Neoverse N1, которая будет реализована в процессорах Altra от компании Ampere и Graviton2 от Amazon. Так что и на серверном рынке можно ожидать существенные подвижки.
2018
Gemalto встраивает eSIM в процессоры Qualcomm
28 мая 2018 года компания Gemalto сообщила о встраивании SIM-карты в процессоры Qualcomm. Благодаря этому сотрудничеству технология eSIM получит широкое коммерческое распространение на рынке, поскольку найдет применение в различных ноутбуках, планшетах и компьютерах Always Connected. Подробнее здесь.
Начало продаж Windows-ноутбуков на процессорах Qualcomm
21 февраля 2018 года Microsoft объявила о начале продаж первых Windows-ноутбуков, базирующихся на процессорах Qualcomm. Для широкого распространения этой продукции было заключено несколько контрактов с крупными ритейлерами.
Речь идет о портативных компьютерах, созданных в рамках концепции Always Connected PC. Такие ПК, подобно смартфонам, всегда подключены к сотовым и другим сетям, долгое время работают без подзарядки и быстро выходят из спящего режима.
Старший директор по управлению продуктами в Qualcomm Мигель Нунес (Miguel Nunes) говорит, что компания «взяла с мобильных телефонов все, что могла, и перенесла это в более крупный корпус». Устройства Always Connected PC обладают безвентиляторной конструкцией, тонким форм-фактором и модемами Qualcomm, перечислил он.
Первыми моделями Always Connected PC являются HP Envy x2, ASUS NovaGo и Lenovo Miix 630, которые оснащены процессором Snapdragon 835 с восемью ядрами Kryo 280 с тактовой частотой до 2,45 ГГц и графическим ускорителем Adreno 540. На выставке MWC 2018, которая в конце февраля пройдет в Барселоне, ожидается презентация новых подобных продуктов.
Лэптопы, построенные на аппаратной платформе Qualcomm Snapdragon и программной Windows 10, в США будут продаваться в магазинах Microsoft Online Store и Amazon, в Австралии — в Microsoft Store, в Китае — через ритейлера JD.com, в Италии — через ИТ-дистрибутора Unieuro.
Всех устройств объединяет поддержка работы в LTE-сетях крупных операторов, таких как Sprint, Verizon, T-Mobile, AT&T, Deutsche Telekom, Telefonica, China Telecom (Чайна Телеком) и Telstra. Информация по российскому рынку на момента написания материала отсутствует.
Согласно сообщению Qualcomm, первые компьютеры Always Connected PC сначала появятся в США, Австралии, Китае, Италии, Франции и Великобритании. Стоимость изделий начинается с $600.[1]
До 2017 года: История и предпосылки появления Always Connected PC
Эволюционная цепочка мобильных компьютеров, если отбросить многочисленные тупиковые ветки, примерно такова: в начале 80-х годов XX века появились первые разномастные мобильные компьютеры, через десять лет они приобрели сохраняющийся поныне унифицированный облик ноутбука, а двухтысячные годы XXI века были отмечены появлением нетбуков и планшетов. Появилась и параллельная ветвь - мобильные телефоны. Их эволюция шла другим путем, но с появлением смартфонов обе ветки пересеклись. А затем конвергенция продолжилась, что привело к появлению т.н. «сотовых ПК». Это явление может оказаться столь значительным, что его назвали Cellular PC Revolution. В авангарде очередной революции две компании – Microsoft и Qualcomm, а ее главная опора процессоры ARM.
Неудачи компьютеров на ARM
В конце 90-х годов XX века ушел со сцены Acorn Archimedes - единственный серийный компьютер на процессоре ARM с оригинальной операционной системой Arthur, казалось бы навсегда унеся с собой образ компьютера на этом процессоре. С тех пор компания ARM Holding целиком и полностью сосредоточилась на разработке процессоров. Она стала сердцевиной колоссальной экосистемы, состоящей в основном из проектировщиков и производителей SoC для встроенных систем. Ни ПК, ни серверов на протяжении почти 20 лет практически не было.
Однако с появлением ARMv8 сразу в нескольких местах возникла мысль о возврате ARM в компьютинг, прежде всего там, где требуется минимизировать энергопотребление. Все казалось просто, ну почему бы и в самом деле не разработать компьютер на ARMv8, где в дополнение к 32-битному режиму AArch32 есть 64-битный режим AArch64, который реализован в ядрах Cortex-A53 и Cortex-A57. Нет ничего удивительного в том, что этой очевидной идеей увлеклись в Китае, где она материализовалась в виде гибрида телефона с компьютером Skylight, выпущенного в 2009 году Lenovo. В Skylight стоял телефонный процессор Qualcomm и адаптированная к нему ОС Linux. Такого рода тривиальный лобовой подход к решению проблемы создания компьютера с малым потреблением был изначально обречен на провал, и уже в 2010 году Skylight, несмотря на определенные достоинства, приказал долго жить. Отдельные наблюдаемые попытки разработать компьютеры на Mips точно также были обречены.
В Microsoft, на первый взгляд, намного вдумчивее подошли к проблеме создания экономичного ноутбука. Здесь была разработана собственная концепция AC-PC (Always Connected PC). Следуя ей, в 2012 году Microsoft выпустила ноутбук-планшет Surface RT на процессоре Nvidia Tegra 3, созданном для смартфонов и планшетов. Процессор был выпущен в конце 2011 года и оснащен четырьмя ядрами Cortex A9. В Microsoft решили, что Surface RT будет работать под управлением мобильной версией OC Windows RT непосредственно на платформе ARM, допустив при этом, что что Windows RT не будет поддерживать обычные приложения Windows для x86. Как следствие круг возможных приложений Surface RT заметно сузился, и нет ничего удивительного в том, что объем продаж новинки оказался во много раз меньше предполагаемого. Поэтому в следующей версии Surface пришлось отказаться от ARM в пользу Intel. Этот нетбук Surface Pro работал под управлением обычной Windows 8 и мало отличался от аналогичных изделий других компаний, перестав при этом быть задуманным AC-PC.
При желании можно обнаружить еще несколько менее значимых попыток создать энергоэффективные компьютеры на ARM.
Готовность Microsoft к реваншу
Идея Always Connected PC зримо возродилась в 2017 году, когда ведущие производители ПК - Asus, HP и Lenovо анонсировали свои модели класса PC-AC на процессоре Qualcomm 835. Способность новых моделей почти сутки работать от батарей открывает возможность приблизить ПК по режиму использования к мобильному телефону, исключение - процедуры загрузки. А более серьезная ориентация на доступ в интернет по 4G/5G дает еще больше оснований публично называть их Always Connected PC.
В новостях основное внимание уделяется продуктам Asus, HP и Lenovo, их потребительским характеристикам, ценам и т.п. Но главными героями революции сотовых ПК являются Microsoft и Qualcomm. Первая обеспечила возможность выполнения любых традиционных для х86 приложений на процессоре с архитектурой ARM, а вторая соответствующий процессор Qualcomm 835.
Microsoft, после заметного проигрыша на рынке сотовой телефонии, стремится к реваншу, а Qualcomm, став производителем процессов для компьютеров, приобретает иное лицо. Если наличествуют эти два важнейших компонента, все остальное - дело техники.
Поскольку нынешние AC-PC, в отличие от того, что было в начале 2010-х, работают под управлением Windows 10, никаких ограничений на приложения нет. Требуемая для этой цели совместимость с x86 достигается за счет эмуляции системы команд архитектуры x86 командами ARM. Чтобы избежать естественного для любой эмуляции замедления Microsoft разработала ряд средств, ускоряющих эту технологию, в первую очередь алгоритмы кэширования. Без технологий эмуляции x86 на ARM невозможно представить себе широкое распространение Windows на этой платформе. Вообще говоря, в этом решении нет ничего абсолютно нового. В свое время нечто подобное было сделано Apple при переходе с процессоров Power PC на процессоры Intel. Как показывает практика, разумная организация эмуляции не сильно влияет на производительность.
Не исключена негативная реакция на эмуляцию x86, поскольку Intel, как компания, стремится сохранить свою интеллектуальную собственность. Определенные намеки на возражения со стороны Intel уже были сделаны. При этом Intel ссылается на известный прецедент судебной тяжбы с компанией Transmeta. Она разработала микропроцессор Efficeon на технологии VLIW с 256-разрядным словом, в котором программы x86 выполнялись посредством морфинга кода, то есть преобразования кодовой последовательности из одного вида в другой. Однако Transmeta закончила свое существование еще до окончания судебного разбирательства. Случись по другому, неизвестно чем бы суд закончился.
Впрочем, Microsoft – это совсем не Transmeta, и конфликт с Intel, скорее всего, ее не пугает, она идет на него обдумано. Союз Microsoft с Qualcomm не неожиданность. Уже давно известно о желании Microsoft выйти из коалиции Wintel и создать новую, иногда ее называют WinARM. Причина раскольнического поведения Microsoft имеет простое объяснение. Дело в осознании бесперспективности дуумвирата Microsoft/Intel, который просуществовал три десятилетия и сложился естественным образом благодаря той схеме, которую предложила IBM в IBM PC.
Нынешний рынок ПК сложился под влиянием открытости архитектуры IBM PC. Система интерфейсов дает свободу всем – производителям компонентов, периферии, готовых систем и приложений, но оставляет возможность монополии на процессоры и операционные системы. Вот почему два монополиста объединились и сложился Wintel. На их фоне феномен Apple – это то исключение, которое подтверждает правило. Тем не менее схема Microsoft/Intel еще не совсем устарела, она прекрасно работала и неопределенно долго будет работать в сегменте ПК. Но как показала жизнь, она не подходит для сотовой телефонии. Неслучайно и Microsoft, и Intel с треском провалились в этом сегменте. Можно предположить, что Microsoft в предвидении грядущего рынка Always Connected PC стремится автономизироваться и выбирает свой путь.
Путь Qualcomm
Компания Qualcomm менее известна, чем Intel, хотя и относится к числу крупнейших полупроводниковых производителей. Занимая среднее положение в первой десятке, она всего втрое меньше Intel по числу занятых и по обороту. Но Qualcomm относится к категории фаблесс, где она занимает первое место, опережая Broadcomm, AMD и Nvidia. Ее лидерство в категории PC-AC объясняется двумя взаимосвязанными обстоятельствами – избранным ею подходом к проектированию процессоров и создаваемой ею при этом экосистемой.
Традиционно со времен Intel 4004 процессор проектировался как законченное изделие. Ежегодно номенклатура процессоров постоянно расширяется, но все же рынок процессоров можно было сравнивать с магазином готовой одежды, где вы можете из имеющегося ассортимента выбрать то, что вам подходит. Однако в том же мире одежды, как впрочем и во многих других областях, есть альтернативные подходы. Некоторые предпочитают приобретать вещи подогнанные под вас из полуфабрикатов (semi-custom) или же сшитые непосредственно под вас (full-custom). Примерно то же самое происходит в мире процессоров. Уже есть semi-custom design processor, а в перспективе вполне реальны и full-custom design processor. Переход на индпошив предполагается в проекте RISC-V (RISC-пять). Его цель - открытая архитектура RISC. Основателями являются исследователи из Computer Science Division, Калифорнийского университета Беркли при участии Дэвида Паттерсона, который вместе Джоном Хеннесси был соавтором RISC.
Qualcomm освоила semi-custom design. Она берет готовые ядра, спроектированные ARM Holding, доводит до уровня полуфабриката и передает его либо производителям микросхем, либо проектировщикам SoC, а те в свою очередь либо производят готовые продукты сами, либо передают проект тем, кто производит чипы. Эту трех или четырехзвенную цепочку иногда называют social business. Есть альтернативные представления о социальном бизнесе, в данном случае же социальность понимается ограниченно, как возможность распределить производство конечного продукта между большим количеством компаний, взяв от каждой то лучшее, чем она располагает. В итоге складывается экосистема, качественно иная, чем у Intel.
Эта система доказала свое преимущество в производстве мобильных устройств. Показательно, что затратив огромные средства, приверженец классической схемы Intel вышел из мобильного бизнеса, а ARM, благодаря Qualcomm, стала в нем монополистом. Когда говорят о войне ARM c Intel, надо понимать – это не война технологий, а скорее война моделей бизнеса и модель, опробованная на телефонах, лучше подходит к PC-AC, в этом ее будущее.
Смотрите также
