ARM چیست؟

ARM خانواده‌ای از معماری‌های پردازنده‌های کامپیوتری‌ست که توسط شرکت ARM Holdings طراحی و توسعه می‌یابد. واژه ARM که مخفف عبارت Acron RISC Machine است، نام پروژه‌ای‌ست که به طور رسمی از سال 1983 توسط یک شرکت انگلیسی تولیدکننده کامپیوتر با نام Acron Computers و با هدف طراحی معماری پردازنده‌هایی مبتنی بر الگوی طراحی RISC (یا Reduced Instruction Set Computing) آغاز گردید. البته کار تحقیقاتی معماری RISC سال‌ها قبل از آن در دانشگاه Berkeley در حال انجام بود. ایده اصلی در طراحی RISC چنین است که با بسنده کردن به پرکاربردترین دستورالعمل‌ها، تا حد امکان مجموعه دستورالعمل‌های پایه --که توسط مدارات الکترونیکی و منطقی درون پردازنده پیاده‌سازی می‌شوند-- کاهش پیدا نموده و از فضای آزاد فراهم آمده برای گنجاندن مداراتی با هدف افزایش سرعت و کارایی پردازنده استفاده گردد. بنابراین یک پردازنده ARM مبتنی بر طراحی RISC، نسبت به پردازنده‌های x86 که در اکثر کامپیوترهای شخصی مورد استفاده قرار گرفته و مبتنی بر طراحی CISC (یا Complex Instruction Set Computing) هستند، به تعداد ترانزیستورهای به مراتب کمتری نیاز دارد. تبعیت از الگوی طراحی RISC، کاهش هزینه‌ تمام شده وکاهش گرما و مصرف انرژی الکتریکی را برای پردازنده‌های ARM به ارمغان آورده است. مزایایی که به ویژه مطلوب دستگاه‌های کوچک و قابل حملی‌ست که برای تامین انرژی خود از باتری استفاده می‌کنند. به علاوه معماری نسبتا ساده‌تر و کوچک‌تر این پردازنده‌ها، کارایی بهتر در حالت چندهسته‌ای و همچنین امکان استفاده از تعداد هسته‌های بیشتر را با هزینه‌ای کمتر به دنبال خواهد داشت.

تاریخچه معماری ARM

شرکت Acron که پروژه ARM را از سال 1983 آغاز نموده بود، ساخت اولین پردازنده مبتنی بر این معماری را به یک شرکت تولیدکننده انواع تراشه‌های الکترونیکی با نام VLSI سپرد. بدین ترتیب اولین پردازنده سیلیکونی مبتنی بر معماری ARM در تاریخ 26 آوریل 1985 توسط VLSI تولید گردید. یک سال بعد هم نسخه بهبود یافته این معماری با نام ARM2 معرفی شده و با بهره‌گیری از 30 هزار ترانزیستور تولید گردید. در سال 1987 شرکت Acron اولین کامپیوتر خانگی مبتنی بر پردازنده‌های ARM را با نام Acorn Archimedes به بازار عرضه نمود. با توجه به پیشرفت سریع این معماری و جلب توجه برخی شرکت‌های بزرگ دنیای تکنولوژی به سوی آن، سرانجام در سال 1990 شرکتی با نام ARM Holdings توسط Acron تاسیس گردید تا وظیفه پشتیبانی، طراحی و توسعه این معماری را به عهده گیرد. این شرکت به موجب طراحی و توسعه معماری ARM، در سال 1992 جایزه ویژه ملکه انگلستان را در زمینه تکنولوژی از آن خود نمود.

از اواخر دهه 80 میلادی شرکت اپل نیز همکاری خود را با دو شرکت Acron و VLSI برای کار روی نسخه‌های جدیدتر معماری ARM آغاز نمود. یکی از مهم‌ترین نتایج این همکاری، نسخه 6 از معماری ARM بود که در سال 1992 معرفی گردید. در آن سال‌ها اپل پردازنده ARM610 را بر اساس همین معماری طراحی نموده و در PDA خود با نام Newton به کار برد. شرکت Acron نیز در سال 1994 از همین پردازنده به عنوان قلب تپنده کامپیوتر شخصی جدید خود با نام RiscPC استفاده نمود. در این سال‌ها استفاده از ARM تنها به شرکت‌های طراحی‌کننده آن محدود نگردید و شرکت DEC با خرید مجوز استفاده از معماری ARMv4، پردازنده 233 مگاهرتزی خود را با نام StrongARM طراحی و تولید نمود. پس از آن اقبال عمومی تولیدکنندگان تراشه‌های کامپیوتری برای تجهیزات قابل حمل به سوی معماری ARM به شدت افزایش یافت. چند سال بعد و با معرفی ARMv7 تولیدکنندگان بزرگی همچون Texas Instruments ،Samsung ،HiSilicon ،Broadcom و Fujitsu به این معماری روی آورده و تراشه‌های مختلفی را بر اساس آن طراحی و تولید نمودند.

مدل کسب‌وکار و سیستم مجوزدهی ARM

بر خلاف شرکت‌هایی همچون AMD ،Intel و NVIDIA که درآمد اصلی‌شان از محل تولید و فروش تراشه‌ تامین می‌شود، شرکت ARM Holdings هیچگونه سخت‌افزاری تولید نمی‌نماید. سرمایه اصلی این شرکت مالکیت معنوی (IP یا Intellectual Property) معماری‌های ARM است. این شرکت اجزای مختلف تراشه‌های کامپیوتری – همچون هسته پردازنده‌ها – را طراحی ‌ کرده و مجوز (license) استفاده از مالکیت معنوی این معماری‌ها را به تولیدکنندگان تراشه‌ها ارایه می‌نماید. سازندگان تراشه‌ها با پرداخت مبالغی و در اختیار گرفتن حق استفاده از یک یا چند معماری ARM، از آن‌ها برای طراحی و ساخت محصولات مختلفی استفاده می‌نمایند. در واقع مهم‌ترین نقطه قوتی که ARM را قادر ساخته است تا در مقابل رقبای بزرگی همچون اینتل قد علم نموده و پابرجا باقی بماند، چهارچوب قانونی و فنی خاصی‌ست که شرکت‌های مختلفی را به راحتی قادر به ساخت تراشه‌های مبتنی بر این معماری کرده است. اغلب محصولات تولید شده بر مبنای معماری‌های ARM، عبارتند از SoC یا سیستم روی چیپ‌هایی‌ست که تمامی اجزای اصلی یک ماشین محاسبه‌گر را روی یک تراشه، با قیمتی مناسب و مصرف انرژی الکتریکی پایین ارایه می‌نمایند.

Ian Thornton، نایب رئیس ارتباطات و روابط سرمایه‌گذاران شرکت ARM، این شرکت را به عنوان یک واحد عملیات تحقیق و توسعه (R&D) مستقل و خارجی برای سازندگان تراشه‌ها توصیف می‌کند. این شرکت روی توسعه ریزمعماری‌های جدید برای پردازنده‌ها تمرکز نموده و بقیه کار برای تولید یک SoC کامل را به مشتری‌های خود می‌سپارد. شرکت Intel که یکی از مهم‌ترین رقبای ARM در زمینه طراحی معماری پردازنده‌ها محسوب می‌گردد، استراتژی کاملا متفاوتی دارد. این شرکت علاوه بر طراحی و توسعه معماری پردازنده‌ها، کار پیاده‌سازی و تولید آن‌ها را نیز خود انجام می‌دهد. Intel با حفظ حق مالکیت معنوی این معماری‌ها برای خود، درآمد اصلی‌اش را از محل فروش تراشه‌های تولیدی کسب می‌نماید. معماری x86 این شرکت که سیستم‌عامل ویندوز متکی بر آن طراحی شده است، به شدت محافظت گردیده و به جز Intel و معدود شرکت‌هایی همچون AMD و Via که از گذشته حق مالکیت لازم را در اختیار داشته‌اند، هیچ شرکت دیگری حق طراحی و تولید پردازنده‌های مبتنی بر این معماری را ندارد.

مدل کسب و کار ARM

الگوی کلی این سیستم مجوزدهی موفق و سودآور ARM نسبتا ساده است. هر شرکتی که تمایل داشته باشد از تکنولوژی و معماری‌های ARM برای ساخت تراشه و یا طراحی معماری‌های مشابه استفاده نماید، بایستی دو نوع پرداخت را متقبل شود: یک مبلغ اولیه برای دریافت حق استفاده از معماری مورد نظر، و یک حق امتیاز به ازای هر تراشه تولید شده بر اساس آن معماری. مبالغ این پرداخت‌ها به ماهیت مشتری و نوع تکنولوژی مورد درخواست وابسته است. به گفته Thornton، مبلغ پرداختی اولیه برای دریافت مجوز استفاده از تکنولوژی مورد نظر مشتری، از 1 تا 10 میلیون دلار متغیر است. مشتری با پرداخت این مبلغ و دریافت مجوز مربوطه، به معماری و تکنولوژی مورد نظر خود دست یافته و همچنین پشتیبانی پرسنل ARM را در راستای استفاده از آن معماری و تولید محصولات مبتنی بر آن، دریافت خواهد کرد. پروژه طراحی و توسعه یک SoC معمولا 3 تا 4 سال به طول ‌انجامیده و در این مدت متخصصین ARM اغلب بدون نیاز به پرداخت مبلغی (به جز همان حق مجوز اولیه)، در کنار نیروهای شرکت مشتری به ارایه مشاوره و کمک فنی جهت تکمیل فرآیند توسعه تراشه مورد نظر می‌پردازند. همچنین شرکت ARM همواره در تلاش است تا با گسترش دامنه معماری‌های خود، نیاز تولیدکنندگان را به صرف وقت و هزینه به منظور توسعه سایر اجزای یک SoC کامل برطرف نموده، و فاز تحقیق و توسعه پردازنده‌های جدید را تا حد امکان کوتاه نماید. بدین ترتیب علاوه بر سود حاصل از فروش مجوز استفاده از تکنولوژی‌های بیشتر، تراشه‌ها هر چه زودتر به مرحله تولید و فروش رسیده و در نتیجه مبالغ دریافتی ARM به ازای تراشه‌های فروخته شده، با سرعت بیشتری به حساب این شرکت سرازیر خواهند شد. معماری پردازنده‌های گرافیکی Mali از جمله دیگر محصولات موفق ARM هستند که در SoC بخش قابل توجهی از دستگاه‌های هوشمند موجود در بازار مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

زمانی که محصول مورد نظر مشتری بر مبنای معماری ARM تولید گردیده و فروش آن – به کاربران و یا به سایر تولیدکنندگان محصولات هوشمند – آغاز گردید، شرکت دریافت کننده مجوز بایستی به ازای هر تراشه فروخته شده مبلغی را به شرکت ARM Holdings پرداخت نماید. این مبلغ معمولا برای معماری‌های قدیمی‌تر معادل 1 تا 1.5 درصد و برای معماری‌های جدیدتر معادل با 1.5 تا 2.5 درصد از قیمت فروش آن تراشه در نظر گرفته می‌شود. این حق امتیاز به صورتی تنظیم می‌شود که برای شرکت تولید‌کننده تراشه مبلغی نسبتا ناچیز محسوب گردیده و اثر منفی قابل توجهی روی سود آن شرکت نگذارد. با این حال به راحتی قابل تصور است که مجموع مبالغ دریافتی به ازای هر یک از تراشه‌هایی که در اکثریت قریب به اتفاق گوشی‌های هوشمند و تبلت‌های موجود در بازار به کار رفته‌اند، درآمد هنگفتی را برای شرکت ARM به ارمغان آورده است. خصوصا با توجه به این مساله که فروش هر مدل از تراشه‌های توسعه یافته توسط مشتری‌های ARM معمولا بیش از 20 سال ادامه خواهد یافت. به عنوان مثال تا سال 2013 تعداد شرکای تجاری ARM به حدود 320 شرکت می‌رسید که این تعداد مجموعا بیش از 1000 مجوز استفاده از تکنولوژی‌های مختلف این شرکت را اخذ نموده و تنها در سال 2013 در حدود 10 میلیارد تراشه‌ مبتنی بر ARM را در بطن محصولات مختلف به فروش رسانده‌اند.

میزان فروش پردازنده‌های مبتنی بر ARM در مقیاس میلیارد و در بازه زمانی 1997 تا 2013

در این سیستم مجوزدهی، گزینه‌های مختلفی برای انواع مختلف مشتری‌های ARM در نظر گرفته شده است. شرکت‌های تجاری می‌توانند مجوز استفاده از یک مالکیت معنوی خاص را برای یک محصول مشخص دریافت نموده و یا با پرداخت حق اشتراک کامل در کتابخانه معماری‌های ARM، از آن‌ها برای تولید محصولاتی متعدد استفاده نمایند. البته گزینه دوم که در آن مشتری به تمامی محصولات استاندارد شرکت ARM دسترسی می‌یابد، بسیار گران قیمت بوده و تنها مناسب تعداد معدودی از تولیدکنندگان بزرگ تراشه در دنیاست. طبق اطلاعات موجود، تعداد مشترکین این سرویس کمتر از 15 شرکت تخمین زده می‌شود که از آن جمله می‌توان به Samsung، Broadcom و ST اشاره نمود. لازم به ذکر است که شرکت ARM Holdings راهکارهایی را نیز با تخفیف‌های بالا برای استفاده دانشگاهی و بکارگیری در start-up ها فراهم آورده است.

معماری‌ها و رده‌های مختلف پردازنده‌های ARM

شرکت‌های تولیدکننده تراشه‌های مبتنی بر ARM، سه راه پیش رو دارند. در حالت اول -- که معمول‌ترین روش به شمار می‌رود -- مشتری معماری و طراحی مربوط به یکی از پردازنده‌های ARM را دریافت نموده و اقدام به طراحی فیزیکی مدارات هسته پردازنده نهایی می‌نماید. بسیاری از SoCهای طراحی شده توسط شرکت‌هایی همچون Mediatek ،Samsung ،Nvidia و Rockchip بر اساس همین روش طراحی و تولید گردیده‌اند. راه دوم عبارت است از خرید طراحی‌های فیزیکی از پیش آماده‌ای که شرکت ARM برای هسته پردازنده‌‌های مبتنی بر معماری‌های این شرکت ارایه می‌کند. این راهکار برای شرکت‌هایی مناسب است که به منظور حذف و یا هر چه کوتاه‌تر نمودن فاز طراحی محصول نهایی و یا کاهش هزینه‌های مربوطه، تمایلی به طراحی فیزیکی هسته پردازنده مورد نظر خود ندارند. در سومین روش، مشتری با پرداخت حق استفاده از مالکیت معنوی یکی از معماری‌های پایه ARM، قادر به استفاده از آن معماری برای طراحی هسته پردازنده مورد نظر خود خواهد بود. در این حالت شرکت دریافت کننده مجوز می‌تواند با پیروی از معماری پایه و استانداردهایی مشخص، تغییرات مورد نظر خود را بر روی طرح اولیه اعمال نموده و از تکنولوژی‌های خاص خود در طراحی هسته پردازنده بهره گیرد. شرکت‌هایی همچون Apple و Qualcomm معمولا از این روش برای طراحی پردازنده‌های به کار رفته بر روی تراشه‌های خود استفاده می‌کنند.

تا کنون 8 نسل مختلف از معماری‌های ARM معرفی گردیده‌ و در قالب 14 مجوز و معماری مختلف به شرکت‌های متقاضی قابل ارایه هستند. لیست کامل این معماری‌ها به همراه اطلاعاتی همچون طول یا پهنای بیتی دستورالعمل‌‌ها، هسته‌های پردازنده طراحی شده توسط Holdings ARM و هسته‌های طراحی شده توسط سایر شرکت‌ها در جدول زیر آورده شده است.

در گذشته از پردازنده‌های مبتنی بر معماری ARMv6 روی دستگاه‌های هوشمند رده پایین استفاده می‌شد، اما امروزه گوشی‌های رده پایین و میانی از معماری ARMv7 و گوشی‌های هوشمند و تبلت‌های رده بالا به پردازنده‌هایی مبتنی بر معماری ARMv7 و ARMv8 مجهز می‌شوند. از جمله دستگاه‌های مجهز به پردازنده‌های مبتنی بر ARMv11) ARMv6) می‌توان به Samsung Galaxy Ace ،Nintendo 3DS ،Nokia 808 PureView ،Apple iPhone 3GS ،Kindle 2 Amazon و Motorola Fire XT اشاره نمود. اما تعداد بسیار زیادی از دستگاه‌های هوشمند موجود در بازار مجهز به پردازنده‌هایی مبتنی بر معماری ARMv7 هستند. از جمله معروف‌ترین این دستگاه‌ها می‌توان به برخی محصولات اپل از جمله iPhone 5 و iPad 4، بسیاری از محصولات سامسونگ از جمله Galaxy S5 ،Galaxy S4 و Note 3، کنسول همراه PlayStation Vita، نسل اول و دوم گوشی‌های هوشمند سری One شرکت HTC، اعضای پیشین سری G از شرکت LG و بسیاری دیگر از دستگاه‌های هوشمند تولید شده توسط سایر شرکت‌ها اشاره نمود. تعدادی از دستگاه‌های هوشمند مجهز به پردازنده‌های مبتنی بر ARMv8 هم تاکنون وارد بازار گردیده‌اند که از آن جمله می‌توان به اکثر محصولات 2014 و 2015 شرکت اپل همچون iPhone 6 و iPad Air 2، نسل جدید LG G4 ،HTC One M9 و همچنین تبلت Google Nexus 9 ساخته شده توسط شرکت HTC اشاره نمود.

همان طور که در جدول فوق قابل مشاهده است، هسته‌های پردازنده طراحی شده توسط ARM پس از عنوان معماری ARMv6 با نام تجاری Cortex مورد اشاره قرار می‌گیرند. همچنین در کنار این نام، یکی از حروف M ، R و یا A قرار می‌گیرد که بیان‌گر ماهیت و کاربرد طراحی آن پردازنده خاص است. خانواده پردازنده‌های Cortex-M شامل پردازنده‌هایی کم مصرف و نسبتا ارزان است برای بکارگیری در سیستم‌های Embedded، همچون تجهیزات هوشمند خانگی، اینترنت اشیا، تجهیزات هوشمند شهری و عمومی، ابزارهای بازی و سرگرمی، و بسیاری کاربردهای دیگر. پردازنده‌های Cortex-R به گونه‌ای طراحی می‌شوند تا با ارایه قدرت پردازشی بالا، کارایی و پایداری مناسب و قابلیت تحمل خطای بالا، مناسب استفاده در سیستم‌های بلادرنگ یا Real-Time باشند. از نمونه کاربردهای این خانواده پردازنده‌های ARM می‌توان به سیستم‌های هوشمند به کار رفته در انواع خودروها، دستگاه‌های ارتباط پرسرعت بی‌سیم و مودم‌های 3G و 4G، دستگاه‌های ذخیره‌سازی داده‌ها، دوربین‌های دیجیتالی و انواع دستگاه‌ها و تجهیزات پزشکی هوشمند اشاره نمود.

سومین گروه یعنی سری Cortex-A که پرجمعیت‌ترین خانواده پردازنده‌های ARM محسوب می‌شود، اختصاص به پردازنده‌هایی دارد که برای پردازش اپلیکیشن‌ها روی انواع دستگاه‌ها کاربرد دارند. پردازنده‌های سری A قادر هستند تا یک سیستم‌عامل غنی و کامل را میزبانی نموده و همزمان به اجرای چندین اپلیکیشن با پیچیدگی‌های پردازشی و ماهیت‌های مختلف بپردازند. این سری از پردازنده‌های ARM در بسیاری از دستگاه‌ها قابل استفاده‌اند، از جمله گوشی‌ها، عینک‌ها و ساعت‌های هوشمند، تبلت‌ها، تلویزیون‌های هوشمند، دستگاه‌های پخش محتوای چندرسانه‌ای، تجهیزات شبکه‌های تجاری و سرورها. با توجه به اهمیت ویژه سری پردازنده‌های Cortex-A و کاربرد گسترده آن‌ها در دنیای گوشی‌ها هوشمند و تبلت‌ها، در بخش دوم این مطلب به بررسی دقیق‌تر این خانواده و اعضای آن خواهیم پرداخت.