Недавно здесь была опубликована великолепная статья, сравнивающая архитектуры с технической точки зрения. И мне пришла идея написать статью про три самых популярные архитектуры со стороны развития бизнеса: какая их них более интересна и может принести больше денег.

Производительность

Для начала немного про производительность

Arm

Производительность Arm-ядер в массовом сегменте соответствует характеристикам топовых продуктов для мобильного сегмента от Intel и AMD.

А в тесте SPEC2006 показатель составляет не менее 11,5 баллов на ГГц.

Производительность Amazon Graviton2 выше, чем у процессоров Intel и AMD последнего поколения. Например, согласно данным Cockroach Lab, сравнившей производительность процессоров у облачных провайдеров Amazon, Microsoft Azure и Google Cloud Platform, Graviton2 уверенно обошёл AMD EPYC 7002 и Intel Xeon Platinum в «многоядерных» тестах.

Производительность M1 также превышает этот показатель у процессоров для мобильного сегмента у «голубых» и «красных». Поэтому переход Apple на свои чипы в сегменте ноутбуков является главной угрозой потери этого рынка для американских чипмейкеров. Это и понятно – купертинский гигант давно стал законодателем мод в IT и, глядя на него, Acer, ASUS, HP и остальные «ноутбучные» вендоры заявили о намерениях выпускать лэптопы на Arm-чипах от Qualcomm или Mediatek или уже выпустили их.

В мае 2021 года Arm Limited после почти 10 лет разработки представила новую архитектуру — Armv9. По заявлениям компании, прирост производительности новых ядер по сравнению с предыдущими составляет:

• у энергоэффективных ядер (А510) для прикладных процессоров— до 35%

• у высокопроизводительных ядер (A710) — до 10%

При этом основные преимущества новой архитектуры проявятся в задачах, так или иначе связанных с искусственным интеллектом.

RISC-V

Наиболее производительные на текущий момент ядра этой архитектуры разработаны компанией SiFive. В 2016 года она выпустила платформы Freedom Unleashed и Freedom Everywhere для разработки коммерческих систем на кристалле на базе ядер RISC-V, став, таким образом, первым в мире коммерческим разработчиком микросхем на этой архитектуре. В июне 2021 года стало известно, что Intel ведёт переговоры и готова заплатить за этот стартап $2 млрд, однако сделка не состоялась.

По данным разработчика, ядро SiFive Performance P550 выдает 8.65 ГГц в тесте SPECInt 2006. Однако они позиционируются разработчиками для работы в сети, периферийных вычислений, автономных машин, базовых станций 5G, виртуальной / дополненной реальности и сопоставимы по производительности с существующими проприетарными решениями в области прикладных процессоров. Фактически это признание того, что возможностей самых мощных на сегодняшний день RISC-V-ядер достаточно только для IoT, но не для вычислительной техники общего применения. Несмотря на то, что SiFive сравнивает Performance P550 с Cortex-A75, это ядро скорее можно назвать аналогом Cortex-A55.

Наиболее распространенным на сегодняшний день чипом является SiFive Freedom U540, по производительности сравнимый с чипами, ядра которых созданы по технологиям Arm Cortex-A35/A53.

Новейшее поколение SiFive Performance P650 позиционируется как высокопроизводительный коммерчески лицензируемый прикладной процессор с производительностью на 50% выше по сравнению с SiFive Performance P550. Фактически компания заявляет, что догнала Arm Cortex-A77.

E2K

Производительность самых новых решений 5го поколения архитектуры e2k от МЦСТ находится на уровне начальных ядер Arm Cortex A55/A57 и примерно соответствует Intel Core i3 седьмого поколения.

В ряде частных случаев при оптимизации конкретного программного обеспечения и компилятора Elbrus удаётся добиться высокой производительности процессоров в конкретных задачах. Однако следует заметить, что это программное обеспечение по сути приходится переписывать заново совместно с представителями МЦСТ, адаптируя конечный продукт под специфику архитектуры e2k. По этой причине процессоры "Эльбрус" можно использовать, например, в качестве контроллеров СХД, а производительность можно наращивать посредством усовершенствования компилятора, что достаточно успешно делается.

Есть надежды, что 6 поколение архитектуры e2k (2022-2023 годы) по производительности лишь немного будет отставать от текущих ядер массового сегмента ARM и х86, но отставание от топовых продуктов будет значительным.

Как ни считай, а пока получается, что по части производительности Arm лидирует со значительным отрывом.

Сферы применения

Arm

Arm уверенно доминирует в сегментах мобильных процессоров (100%, и других альтернатив нет), а также прикладных процессоров для встраиваемых решений (IoT) и автомобильных чипов.

В последние 2-3 года появились серверные процессоры на базе архитектуры Arm:

• Kunpeng 920 от Huawei - доступны на широком рынке в серверах TaiShan

• Altra от Ampere - доступны на широком рынке

• Thunder X2 от Marvell - серийные поставки серверов Bull и суперкомпьюетров BullSequana

• Graviton 2 и 3 от Amazon - в массовом использовании для внутренних нужд Amazon

• A64FX от Fujitsu - на нём построен самый мощный в мире суперкомпьютер Fugaku

Аналогичный процесс происходит в сфере процессоров для лэптопов. После успеха процессора M1 от Apple о планах перейти на процессоры от Qualcomm объявили Samsung, Lenovo, HP, Huawei и другие вендоры, а Microsoft бросила значительные ресурсы на доработку полнофункциональности Win11 для Arm.

По итогам 2020 года доля Arm в смартфонах составляет 91%, в планшетах 8% и в ноутбуках 1%:

Основываясь на прогнозах, я предположу, что ноутбуки на чипах Arm в 5-летней перспективе займут 25-30% рынка.

Что же касается серверного рынка, то Arm может занять до 25% в течение тех же 5-7 лет:

А по прогнозам инвестиционного фонда ARK Invest, серверные чипы на базе Arm и RISK-V займут до 87% рынка к 2030 году:

RISC-V

На текущий момент RISC-V с успехом применяется в простейших микропроцессорах - там, где не нужна высокая производительность, а системного программного обеспечения хватает для выполнения одной или нескольких конкретных задач. Самый известный пример - это контроллеры для SSD-дисков Western Digital, которые компания с 2018 года создаёт и производит сама.

Есть информация о применении RISC-V в ускорителях искусственного интеллекта, но в простых задачах, в edge. Например, Alibaba развивает чипы на RISC-V рамках дочерней компании T-Head. Сферы применения: Wi-Fi и Bluetooth-модемы, распознавание речи, компьютерное зрение, устройства «умного дома», контроллеры и крипточипы для IoT. Однако вся серверная инфраструктура Alibaba имеет собственную архитектуру X-Dragon и основана на х86 процессорах Xeon Scalable.

В целом во всем мире на RISC-V пытаются разрабатывать прикладные процессоры средней производительности, именно это глобальные лидеры видят основной сферой их применения. Например, компании  BeagleBoard и Seeed разрабатывают одноплатный компьютер, китайская компания Sipeed уже распродала все свои одноплатники на процессоре Alibaba XuanTie C910, и другие компании тоже могут похвастать одноплатниками, но пока это первые шаги.

E2K

На январь 2021 года только одна компания в мире развививает архитектуру E2K - это МЦСТ. Она позиционирует процессоры «Эльбрус» как универсальные, поэтому на них уже производятся системные блоки различных форматов и моноблоки, однако основное применение процессоры находят в СХД и серверах:

• СХД, прежде всего простейшие по набору функций (под «закон Яровой»)

• Серверные программно-аппаратные комплексы для решения одной конкретной задачи, под которую можно переписать программное обеспечение (системы электронного документооборота (СЭД), ЦОДы для защищенных государственных информационных систем (ГИС), программное обеспечение для управления объектами топливно-энергетического комплекса)

• Специфические случаи, когда применение отечественного процессора с российской системой команд необходимо для выполения требований регулятора (МВД, ФСБ, МО).  Процессоры «Эльбрус» уже сертифицированы ФСТЭК до 2-го уровня (СС), и есть возможность получить сертификат ФСБ, вплоть до 1-го уровня (ОВ).

Анонсирован процессор "Эльбрус-2С3, который можно использовать в сегменте «тонких клиентов» в описанных выше специфических случаях.

Кто развивает

Arm

Arm Limited пользуется идеями компаний - мировых лидеров, на долю которых приходится более чем 90% рынка мобильных устройств – Apple, Qualcomm, Broadcomm, NXP, Realtek и MediaTek. У этих игроков самые передовые инженерные школы как в вычислительной технике, так и телекоммуникационной сфере, автомобильной электронике и промышленной автоматике. Именно поэтому Arm Limited интегрирует лучший функционал решений своих клиентов в систему команд и в дизайн своих ядер. Микросхемы на решениях от британской компании разрабатывают сотни компаний в мире. В совокупности это ведущая мировая экосистема разработки микропроцессоров.

 RISC-V

Ядра и чипы на этой архитектуре развивает RISC-V Foundation, основанный в 2015 году. Во всем мире разрабатывает чуть больше 10 компаний, критическая масса пока не набрана. Есть несколько игроков Tier2, которые по разным причинам (часто из-за ограничения доступа к технологиям Arm Limited) вкладывают ресурсы в RISC-V: Google, Alibaba, WD, Seagate, Huawei, Академия наук Китая, Microchip, ZTE, SiFive, Индийский технологический институт, IBM Foundation. Всего же в организацию по развитию RISC-V входит более 350 компаний, среди которых много представителей китайского IT-рынка.

Самым знаковым участником RISC-V Foundation несомненно является MIPS Technologies, отказавшаяся продолжать разработку одноимённой архитектуры и обратившая своё внимание на RISC-V.

После ознакомления со списком компаний становится видно условное разделение на 2 лагеря: «армовцы» - в основном западные компании, и «рисковцы» - в основном компании азиатского региона.

 E2K

Развивает эту архитектуру МЦСТ, а также 2-3 компании, сделавшие ставку на использование техники российского происхождения.

Перспективы для широкого распространения архитектуры и для её использования иностранными партнёрами очень туманны в силу сложности VLIW, особенно при портировании программного обеспечения, которое приходится практически заново переписывать.

Совместимое программное обеспечение

Arm

Максимально широкая экосистема ПО наблюдается в смартфонах и промышленной сфере (IoT). \В серверном применении есть полное покрытие системным софтом и middleware.

Для примера, абсолютно все программные продукты для серверов (порядка 30), портирование которых на RISC-V поставила целью рабочая группа в АНО «Цифровая экономика», уже поддерживают Arm. В финальной стадии бета-тестирования находится версия VMware.

Стремительно расширяется и стек совместимого прикладного ПО, в том числе российского. Достигнута полная поддержка операционными системами на Linux, есть широкий спектр совместимого open-source ПО. Портированы или написаны с нуля: офисное ПО и почтовые клиенты, браузеры, системы документооборота, САПР, графические и видеоредакторы, системы ВКС, антивирусное ПО и средства криптозащиты, ERP-системы, средства резервного копирования и среды разработки.

Остаются объективные сложности с совместимостью «тяжеловесного» legacy-софта, но при переходе на браузерные или VDI версии этот вопрос решается. Остро этот вопрос обстоит с ERP-системами (из них только SAP работает на Arm «из коробки»), а также с «тяжёлыми» решениями для САПР («Компас-3D», Solid Works, T-Flex), которые могут быть запущены только через VDI.

Мировое сообщество разработчиков на Arm составляет около 1 миллиона специалистов.

RISC-V

В сфере Linux-ПО под RISC-V главный инициатор развития экосистемы – Red Hat. Компания стала вкладывать ресурсы в RISC-V после того, как контроль над ней получила IBM. На сегодня уже портированы или написаны с нуля: операционные системы, системы виртуализации, компиляторы, контейнеры, средства разработки фронтенда и бэкэнда, фреймворки, сетевые службы, базы и шины данных, ПО для автоматизации и управления, средства мониторинга и безопасности, хранилища, в том числе программно-определяемые, почтовые серверы и серверы приложений, программное обеспечение для работы с Big Data, machine learning и программно-определяемые сетями, средства отказоустойчивости и резервного копирования и VDI. Это позволяет с уверенность заявлять, что экосистема необходимого системного программного обеспечения для архитектуры RISC-V окончательно сформирована.

В то же время мало известно об инициативах по созданию прикладного ПО для рабочих станций и серверов. В случае с Arm для появления таких решений под новую архитектуру потребовались более 10 лет и участие крупных компаний калибра Google и Apple.

Проприетарных приложений для RISC-V мало. Более того, сами авторы этой архитектуры пока сознательно позиционируют её для рынка интернета вещей и систем на кристалле с ограниченной функциональностью, где не требуется совместимость с уже существующими приложениями.

ПО на RISC-V развивают уже более 50 000 разработчиков.

E2K

Большим плюсом этой архитектуры является поддержка аппаратно-программной динамической двоичной трансляции. Это обеспечивает исполнение команд х86 на процессорах "Эдьбрус" с производительностью, достигающей 80% от нативной. В ряде случаев, когда потеря 20% производительности не критична, такое решение позволяет с минимумом проблем мигрировать на программно-аппаратные с использованием процессоров "Эльбрус".

В текущих версия процессоров "Эльбрус" не поддерживается аппаратная виртуализация, что существенно ограничивает возможности целого ряда необходимых приложений. Есть сложности в работе операционных систем на базе Linux, связанных со спецификой архитектуры, малого числа программистов МЦСТ и опережающим развитием Linux-ядер, используемых разработчиками ОС. К сожалению, есть целый ряд пробелов даже в базовой экосистеме ОС. Например, не работает Java 11, Ceph поддерживается не в последней версии и требует кропотливой настройки, из-за проблем при виртуализации пока не поддерживаются Kubernetes и Docker. .

Архитектура e2k знакома 200-300 специалистам и известна только в России.

Стоимость разработки

Arm

Разработка на ядрах Arm очень затратна (сотни тысяч или даже миллионы долларов США), но позволяет в сжатые сроки гарантированно получить результат.

 RISC-V

Система команд бесплатна, при этом разработчики, например, SiFive, продают высокопроизводительные ядра как IP-блоки. Для справки: в бюджете разработки Системы-на-Кристалле процессорные ядра занимают 30-40% стоимости (на примере типовой СнК на базе Arm). Конечно, если по каким-то причинам эти ядра станут для всех разработчиков, в том числе Yadro, бесплатными, то цена проектов разработки новых СнК упадет на эти же 30-40%. Согласен, приятный бонус, но это практически никак не скажется на стоимости кристалла с учетом финансирования большинства российских разработок с привлечением субсидий Минпромторга.

 E2K

МСЦТ сами разрабатывают не только ядра, но и, например, многопортовый контроллер памяти, поскольку иного пути в силу специфики системы команд и необходимости реализовать параллельные вычисления у них нет. Огромный плюс этого в том, что компания не платит за лицензирование значительной части элементов СнК. Но приходится мириться с неизбежными ошибками, повторными тейпаутами, а также содержать штат разработчиков.

В итоге стоимость разработки чипа на базе архитектуры «Эльбрус» превышает стоимость разработки SoC на базе архитектуры Arm.

Санкционные риски     

При fabless-производстве санкционные риски идентичны абсолютно для всех российских коммерческих разработчиков чипов. При этом ситуация не зависит от архитектуры ядер. Она зависит от расположенной на Тайване и использующей американские технологии компании Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC). Если в результате введения страновых санкций доступ на эту фабрику будет ограничен, то выпускать чипы не сможет ни один российский fabless-разработчик. Переход на другую фабрику, например, на китайскую SMIC, означает перепроектирование СнК под другой техпроцесс, что в среднем занимает 1,5-2 года. С аналогичными рисками сопряжено применение для проектирования микросхем зарубежного ПО (САПР), которому пока нет аналогов. Если будут введены страновые санкции, то легальная разработка будет остановлена во всех российских дизайн-центрах, какую бы архитектуру они ни использовали.

Санкционные риски не зависят от архитектуры ядер процессора ещё из-за того, что ядра занимают лишь 30-40% площади кристалла, а всё остальное – это контроллеры памяти, высокоскоростные интерфейсы, шина данных и тд. Даже если ядра вдруг станут российским, то в стране нет собственных IP-блоков на другие элементы СнК. Поэтому если к компании-разработчику процессоров будут применены санкции, то у неё не будет доступа к разработанным на Западе IP-блокам, и компания не сможет создавать никакие СнК, даже на полностью отечественной архитектуре.

Вероятность применения санкций к российским дизайн-центрам в основном связана с их сотрудничеством с Минобороны и ФСБ, а также с прямыми поставками продукции организациям, занятым разработкой оружия массового поражения (например, ряду подразделений ГК «Росатом»). Для минимизации данного риска критически важно соблюдать «экологичность» при работе с теми заказчиками, взаимодействие с которыми, по правилам TSMC, запрещено любому разработчику микросхем.

Как итог

В среднесрочной перспективе архитектура Arm мне видится как наиболее привлекательная с точки зрения развития бизнеса. Применяя принципы открытого исходного кода к аппаратному обеспечению, RISC-V также станет стандартом в области недорогих вычислений. А компании, «исповедующие» RICS-V, догонят «армовцев» по производительности и начнут копировать лицензионную политику Arm Limited и продавать свои решения как IP-блоки через 5-7 лет. Прав ли я? Скоро узнаем.