x86 – всё. Взлет и падение ключевой процессорной архитектуры двадцатилетия

07.04.2022 |

Илья Блинов.

Компания Intel была основана 18 июля 1968 года, когда сотрудники Fairchild Semiconductor Роберт Нойс и Гордон Мур после изобретения интегральной микросхемы решили создать собственный ИТ-бизнес. Тогда еще никто не мог представить, что созданная Intel архитектура для микропроцессоров и систем на кристалле x86 станет ключевой технологией в микроэлектронике в течение многих лет. Однако сегодня x86 непоправимо уступает место другой архитектуре – ARM. И вот, почему.

Intel: путь к мировому признанию

Исторически Intel начинал свою деятельность с разработки полупроводниковой памяти, первым продуктом компании стала сверхскоростная память 3101 Schottky bipolar memory. В конце 1970-х годов бизнес компании на рынке микросхем памяти пошатнулся, но это дало ей возможность укрепить позиции на рынке процессоров.

Уже в 1978 году Intel представила 16-разрядный (16-битный) процессор Intel 8086, начав тем самым конкуренцию с процессорами IBM и лидирующим на тот момент процессором Motorola 68000 (обе компании использовали архитектуру PowerPC). Этот процессор Intel стал первым на архитектуре x86, но тогда это был скорее недостаток, так как его производительность сильно уступала конкурентам. Ситуация начала меняться, когда в 1980 году IBM для своего первого персонального компьютера выбрала процессоры Intel 8088, видя в них большой потенциал. К концу 1980-х годов Intel смогла заключить партнерские отношения с IBM и Microsoft. Компания отлично использовала преимущества x86, ежегодно выпуская на рынок новые модели, отличавшиеся всё большей мощностью и функциональностью.

Глобальной же популярности Intel достиг летом 2006 года, когда компания Apple перевела свои компьютеры и лэптопы Mac с продукции Motorola на процессоры Intel на архитектуре x86. Это был первый масштабный заказ процессоров Intel.

После такого решения Apple, как это часто бывает, все остальные производители компьютерной техники тоже перешли на новую для них архитектуру. Но причина массового интереса к x86 кроется не только во влиянии Apple на рынок. Дело в том, что все компании были заинтересованы в технологическом развитии линеек своих девайсов, а существующие процессорные архитектуры просто не позволяли этого делать. Та же PowerPC от Motorola и IBM в то время уже исчерпала возможности развития, вендорам приходилось кастомизировать уже существующие процессоры, чтобы каждый год делать их хотя бы на 20% быстрее и производительнее. Так появились довольно мощные «камни» на архитектуре PowerPC, которые давали нужный на тот момент прирост производительности, но которые нужно было обеспечивать гигантским потреблением электроэнергии, а также сопровождать хорошей системой охлаждения. Иногда для достижения нужной производительности производителям техники приходилось делать «рейды» из процессоров.

Intel Core i3 2-го поколения

Таким образом, смена якорной технологии на рынке микропроцессоров – закономерное явление, сопровождающееся исчерпанием возможностей одной технологии и замещением ее на более новую и перспективную. Более подробно мы писали об этом в материале «Битва титанов. AMD Ryzen 9 5900HX vs Intel Core i9 12th Gen». Инновации Intel, постоянные инвестиции в развитие и продвижение позволили архитектуре x86 более двадцати лет господствовать на рынке. Даже к 2021-22 годам, когда начала набирать популярность архитектура ARM, более 90% персональных компьютеров по всему миру были оснащены процессорами на x86 (данные Mercury Research).

Что за x86

x86 — архитектура процессора и название одноименного набор команд, родоначальником которой является компания Intel. Об этом свидетельствует и ее название, образованное от двух последних цифр в индексах ранних моделей процессоров Intel: 8086, 80186 и других. На данный момент архитектура x86 представлена в 12-м поколении процессоров Intel Core i3/i5/i7/i9/i10, а также в процессорах Intel Pentium, и серверных процессорах Intel Xeon.

Пример процессора на оригинальной x86

Помимо Intel, набор команд x86 также реализован в процессорах других производителей: AMD, VIA, Transmeta, IDT, Cyrix, Zhaoxin, Rise Technology, OKI, МЦСТ (в процессорах Эльбрус). При этом все эти компании «позаимствовали» архитектуру Intel не слишком благородным путем. Первой сделала это AMD, переманив ключевых сотрудников Intel, в чьи обязанности входила разработка новых поколений процессоров и улучшение архитектуры x86. Так как после этого Intel и AMD никак не обменивались информацией об архитектуре x86, данную архитектуру можно разделить на «оригинальную» (которая принадлежит и используется компанией Intel) и «заимствованную», которая базируется на устаревшей версии x86, используется и дорабатывается всеми остальными компаниями, специализирующимися на производстве процессоров. В настоящее время у оригинальной 32-разрядной версии архитектуры также существует название IA-32 (Intel Architecture – 32). К особенностям x86 относится, в частности, применение процессорной архитектуры CISC.

X86: первые неудачные решения

В 2007 году Apple представила первый в мире смартфон с сенсорным экраном – iPhone 2G. Компания использовала в нем специализированный мобильный процессор производства Samsung на архитектуре ARM под названием ARM1176JZF-S. Как известно, смартфоны от Apple дали толчок развитию IT-индустрии в целом и архитектуры ARM в частности.

Был ли шанс у Intel на лидерство и в сегменте смартфонов? Да, был. Как выяснилось в ходе судебных разборок Apple с Epic Games, Стив Джобс (на тот момент CEO Apple) обращался к главе компании Intel Полу Отеллини с предложением разработать процессоры для портативного умного устройства. Подразумевалось, что это должен быть довольно маленький, но одновременно производительный процессор с небольшим энергопотреблением. Intel тогда отказалась от сотрудничества с Apple – затея с мобильным процессором показалась руководству ИТ-гиганта нецелесообразной. Вероятно, сейчас они очень жалеют о таком решении, поскольку на фоне надвигающегося заката архитектуры x86 сделка с Apple могла дать Intel потенциал для развития еще на 10-15 лет. Но что есть, то есть: на процессорах Samsung выходили поочередно Apple iPhone 2G, Apple iPhone 3G, Apple iPhone 3GS и Apple iPhone 4.

Интересно, что это был не единственный случай, когда Intel теоретически могла сохранить свои позиции с помощью Apple. Например, в 2010 году при разработке первого в истории планшета Apple опять искала новый процессор, который должен был быть мощнее чем упомянутый процессор Samsung, но при этом такой же энергоэффективный. В этот раз компания из Купертино решила не обращаться к Intel за разработкой напрямую, а взять что-то из продукции вендора, которая уже есть на доступном корпоративном рынке. Но – ничего нужного не нашлось. Тем более, что если бы Apple использовала чип из ряда уже готовых процессоров Intel на архитектуре x86, разработчикам приложений пришлось бы изрядно потрудиться над оптимизацией софта под них. Результат известен: Apple решила разрабатывать собственные процессоры на архитектуре ARM, компоненты которого были бы сильно переработаны в сторону производительности и энергоэффективности – переработаны настолько глубоко, насколько позволяет лицензия от ARM. Так появился Apple A4.

История нового времени. ARM принимает эстафету от x86

В 2020 году компания Apple на своей презентации объявила, что с этого года начинает двухлетний переход на полное использование собственных процессоров, на базе сильно переработанной архитектуры ARM – то есть их использование не только на мобильной технике, но и на ПК. В это же время компания представила свой первый процессор для Mac – Apple M1.

Вслед за этим многие компании, в том числе Microsoft, заявили о массовом переходе на процессоры на базе архитектуры ARM. Причина указывалась абсолютно та же, что и в 2006 году, когда начался всплеск интереса к x86: предел развития архитектуры x86, невозможность вендоров в новых моделях показывать качественный прирост производительности и энергоэффективности. На данный момент архитектура x86 не располагает к развитию: создавать более мощные процессоры можно только за счет увеличения частоты работы процессора, объема потребления энергии. Сейчас это достигается также за счет увеличения размера самого процессора (количества транзисторов в них), из-за чего устройства сильно нагреваются, особенно если вендор должным образом не озаботился оптимизацией остальных компонентов своего устройства.

В 2021 году Apple представила новые собственные процессоры на архитектуре ARM – Apple Silicone M1 PRO и Apple Silicone M1 MAX. Теперь производительность топовых x86 сравнялась с производительностью ARM-процессоров от Apple, но купертиновские процессоры отличаются в 15 раз большей энергоэффективностью! Даже Asus и Acer задумались над полноценными ARM-машинами: всем стало понятно, что процессор на базе архитектуры ARM может быть производительным.

Microsoft на своей онлайн-презентации 24 июня 2021 года представил Windows 11, основными улучшениями которой стали обновленная система распределения ресурсов, новый «ледяной» дизайн, а также – использование в этой ОС ядер Windows и Linux по 50% для каждого ядра. Последнее нововведение было сделано как раз для того, чтобы устройства на Windows 11, имеющие процессоры на базе архитектуры ARM, могли не эмулировать систему целиком, а эмулировать только сторонние Windows-приложения. Результат – Windows теперь запускается нативно на процессорах на базе архитектуры ARM. Версия Windows есть даже для всех серий смартфонных процессоров производства Snapdragon. Еще одним доказательством поддержки ARM в Microsoft Windows 11 является полная совместимость с Windows 11 всех Windows Phone, ранее работавших на Windows 10 Mobile.

В марте 2022 года Apple выпускает еще один процессор на базе архитектуры ARM – Apple M1 Ultra, который в три раза мощнее самого высокопроизводительного процессора на архитектуре x86 в пользовательском сегменте (то есть не серверном) Intel Core i9 12900HK. Этот факт окончательно ставит под сомнение целесообразность дальнейшего развития x86.

Еще раньше Microsoft анонсировала Surface PRO X с процессором на базе архитектуры ARM и операционную систему ARM Windows 10, которая полностью эмулируется на устройстве, в отличии от Windows 11. Ядро Linux также давно адаптировано и оптимизировано под архитектуру ARM. MacOS уже 100% поддерживает Linux ядро.

Среди вендоров – Asus и Acer, по официальным данным, в 2022 году представят новые ноутбуки и ПК на ARM и Windows 11. Такие компании, как Huawei, Honor, Samsung тоже разрабатывают новые девайсы на процессорах, базой которых является архитектура ARM. Samsung вместе с AMD представил на недавней презентации Samsung Galaxy Unpacking 2022 новые процессоры Exynos c видеокартами от AMD – Exynos 2200. Наконец, в 2022 году закончится полный переход Apple на собственные процессоры.

Наконец, даже российский производитель «Байкал Электроникс» делает ставку именно на ARM. Целесообразность такого подхода отмечают и ИТ-эксперты.

Что ждет Intel и AMD

Архитектура ARM на сегодняшний день превратилась из мобильной в кроссплатформенную, предназначенную для всех видов девайсов, начиная с IoT-устройств и заканчивая рабочими станциями. Уже сейчас процессоры на ARM-архитектуре применяются даже в серверах благодаря их невероятной энергоэффективности и «нулевого» нагрева (при использовании охлаждения, ранее предназначенного для процессоров на базе x86 архитектуры). Процессоры x86, в свою очередь, улучшаются только за счет увеличения их тактовой частоты, размеров и потребления энергии. Судя по всему, полный переход с x86 на архитектуру ARM не за горами, и если Intel и AMD не будут предпринимать шаги в этом направлении, то рискуют потерять монополию в своем сегменте.

Ещё больше накаляются события в связи с тем, что IBM решила вернуться на рынок пользовательской «умной» техники вместе с новой уникальной технологией, которая увеличивает мощность ARM-процессора в 5-10 раз. Суть технологии заключается в вертикальном размещении транзисторов на кристалле, которое позволяет сильно увеличить их количество на той же площади без уменьшения техпроцесса. Теоретически таким образом можно придать процессору, созданному по техпроцессу 60 нанометров, мощность среднего процессора на 7 нанометров. В 2023 году IBM планирует начать производство таких процессоров, а к июню-августу выпустить их в продажу.

Консоль на ARM

На ARM-процессорах уже создаются современные игровые консоли (Nintendo Switch, Sony PSP, Sony PlayStation Vita), смартфоны Google Pixel, Samsung Galaxy, Apple iPhone и другие, компьютеры Apple Mac, Asus Zenbook и Vivobook, Microsoft Surface, сервера для Google, Yahoo, Amazon, Apple. В 2023 году, очевидно, начнется полный переход на ARM-архитектуру в всех отраслях ИТ-индустрии. X86 в перспективе мало кому остается интересной.