ARM Nedir? Intel ve AMD’nin Yerini Alacak mı?

Apple’ın kendi M1 işlemcisini temellendirdiği ARM mimarisi nedir? Intel ve AMD’nin kullandığı x86 mimarisinin yerini alabilir mi?

ARM tabanlı işlemcilere olan talep giderek artıyor. Son 10 yılda özellikle mobil telefon pazarını ele geçiren ve kendini kanıtlayan ARM, bu başarısını bilgisayar işlemcileriyle başka bir boyuta taşımak istiyor. Apple’ın Mac hamlesiyle yeni bir maceraya yelken açan ARM işlemcileri, sizler için ele alıyoruz.

ARM nedir?

ARM, basitçe tanımlamamız gerekirse markaların ve teknoloji şirketlerinin kendi işlemcilerini oluşturabilmesi için temel işlemci bileşenlerini tasarlayıp lisanslayan ve bu lisansı satan bir şirket. ARM şirketi, 64-bit ARM64 gibi komut setlerinin mimarileriyle birlikte, bu tasarımların asıl sahibi. Şirketin temel mantığı, bu bileşenler için fikri mülkiyeti haklarını (IP) ve komut setlerini üçüncü parti firmalara lisanslamak. Bu lisansı alan şirketler, belirli şartlar altında ARM’nin temel tasarımlarından yararlanarak, kendi işlemci tasarımlarını ortaya çıkarabilmekteler. Bir bakıma ARM, kendi işlemcileriyle sistemlerini kurmak isteyen müşteriler için işin zor tarafını halletmekte.

ARM şirketinin kendi çiplerini üretmediğini belirtelim. Ayrıca şirketin yine kendine ait üretim tesisi de bulunmamakta. Bunun yerine üretim hakları, ARM Holding’inin “partnerler” olarak adlandırdığı diğer şirketlere lisans yoluyla veriliyor. ARM’nin mimari modelini bir tür şablon olarak kullanan şirketler, merkezi işlemcileri olarak ARM çekirdeklerini kullanan sistemler inşa ediyor.

Yani ARM partnerlerinin kendi sistemlerinin geri kalanını tasarlamalarına izin veriliyor. Şirketler isterlerse bu sistemleri kendileri üretebiliyor ya da üretimlerini başkalarına yaptırabiliyorlar. Sonrasında da bu işlemcileri kendilerininmiş gibi satabiliyorlar. Samsung ve Apple marka birçok akıllı telefon ve tabletin yanında, Qualcomm tarafından üretilen işlemciye sahip tüm cihazlar çeşitli ARM lisanslarını kullanıyor.

ARM tabanlı işlemci içeren her cihaz, kendi benzersiz tasarımına sahip olma eğiliminde. Şirketler, yukarıdaki görselde bulunan çok birimli Qualcomm Snapdragon 845 mobil işlemcisi gibi, yonga paketinin içine, işlemci çekirdekleri dışında kendi teknolojileri için de birimler koyabilirler. Bu işlemciler System on Chip (Yongada sistem, SoC) olarak da anılıyor.

ARM: Şirketlerin yeni odak noktası

Bilgisayar tarafında, özellikle Ultrabook sınıfı cihazlarda geçmişte ARM tabanlı ürün denemeleri olsa da, ilk ciddi adım Apple’dan geldi. Şirket, 2020’nin ortalarında hedeflerinin Mac bilgisayar ailesini tamamen ARM işlemcilere geçirmek olduğunu duyurmuş, bunun meyvesi olan 3 ARM işlemcili modeli ise 2020 yılının sonlarında kullanıcılarla buluşturmuştu.

Ancak kullanıcı pazarının dışında, ARM işlemcilere olan bir ilgi zaten vardı. Amazon, hatırı sayılır bir süredir ARM tabanlı işlemcilerini kullanıyor ve bu işlemciler ciddi performans artışları sağlıyor. Microsoft’un da kendi ARM tabanlı işlemcilerini geliştirdiğine dair söylentiler olduğunu belirtmekte fayda var.

ARM, zaten mobil cihaz pazarında x86 mimarili işlemcilere karşı ezici bir üstünlük kazanmıştı. Ancak ARM işlemcilerinin potansiyelinin, mobil odaklı cihazlarla sınırlı kalmadığı zamanla mühendisler tarafından ortaya çıkarıldı. Öyle ki ARM, mobilde x86’ya karşı var olan üstünlüğünü, masaüstü ve hatta sunucu bilgisayarlarında da koruyabilecek kapasiteye sahip.

Artan ARM ilgisi ve şirketlerin ARM’ye geçişi

İşlemci dünyası, karmaşık ve yüksek mühendislik gerektiren bir endüstri. Birkaç büyük şirketten ancak birkaç büyük tasarım, üst düzey performans ve zorlu kullanım koşulları için rekabet edebiliyor. Son 15 yıla baktığımızda, bu koşullarda rekabet edebilen ve bireysel kullanıcılar için işlemci üretip piyasaya süren iki şirket karşımıza çıkıyor: Intel ve AMD. Bu iki şirket, uzun süredir kullanılan ve sektörde benimsenmiş, oturmuş, yüksek performans ihtiyacına cevap verebilen x86 işlemci mimarisini kullanıyor.

Ancak son zamanlarda, Apple ve Amazon’un ARM tabanlı işlemcileri, Intel ve AMD’nin x86 tabanlı işlemcilerine ciddi şekilde meydan okumaya başladı. Özellikle Apple’ın kendi ARM işlemcili Mac’lerini çıkarması ve bu Mac’lerin, önceki nesil Intel işlemcili Mac’lere göre ciddi bir performans artışı sağlaması, ARM’nin hafife alınmaması gereken bir rakip olduğunu x86 cephesine gösterdi.

ARM, geçtiğimiz Ağustos ayında ABD Savunma Bakanlığı’nın DARPA ajansı ile ARM’nin teknoloji portföyüne erişim sağlayan bir ortaklık anlaşması imzaladığını duyurdu. Bu da gösteriyor ki, ARM sadece bilgisayar pazarı için değil, savunma sanayisi için de önemli bir aktör.

ARM tabanlı işlemcilerin sektördeki örnekleri

Amazon, kendi ARM tabanlı Graviton2 işlemcisine sahip. Bu işlemci, ilk nesli olan Graviton1’in ciddi anlamda iyileştirilmiş ve optimize edilmiş bir sürümü. Önceki nesle göre ciddi anlamda performans artışı sağlayan Graviton2, Intel’in muadil işlemcilerinden performanslı değil ancak daha uygun maliyetli, daha az güç tüketen ve daha verimli bir yapıya sahip. Graviton1’den Graviton2’ye geçildiğinde elde edilen performans artışı göz önüne alındığında, Graviton3’ün daha da performanslı olacağını tahmin etmek zor değil. Bütün bu gelişmeler, Intel ve AMD’nin daha güçlü ancak daha ucuz ve daha verimli işlemcilerle baş etmek zorunda kalacağının bir göstergesi.

Apple’ın 2020’nin 4. çeyreğinde piyasaya sürdüğü ve mobil odaklı olmayan ilk ARM tabanlı işlemcisi M1, şirketin Power Mac serisinden Intel’e geçme kararı aldığı dönemden beri yaptığı en büyük devrimlerden biri. Şirket, 2021 senesinde de kendi işlemcili bilgisayarlarını çıkartmaya devam edecek. İşin daha da dikkat çeken yanı, M1 adı verilen yeni işlemciyi barından Mac modellerinin önceki nesil Intel Mac modellerine göre ciddi anlamda performans ve verimlilik artışı sağlaması. Öyle ki M1, x86 uygulamaları çalıştırabilmek için emülatör kullanmasına rağmen, performans artışı sağlamayı başarabiliyor.

ARM ve x86 Arasındaki Fark Nedir?

Günlük bir kullanıcı için, ARM ve x86 arasında çok fazla fark yok. İki mimariyle de Google Chrome’u ya da sevdiğiniz tarayıcıyı çalıştırabilir ve her ikisinde de YouTube’da sevdiğiniz videoları izleyebilirsiniz. Aslında, hemen hemen tüm Android ve iPhone telefonlar, ARM tabanlı bir işlemci kullandığından, bunu şu anda yapıyor olmanız olası.

Çoğu normal kullanıcı için en büyük fark, x86 için tasarlanan eski uygulamaların, ARM üzerinde çalışması için yeniden derlenmesi gerekliliği. Bazı uygulamalar için bu işlem oldukça kolay ancak çoğu uygulama için, özellikle de eski yazılımlar düşünüldüğünde, derleme işlemi zor bir iş haline dönüşebiliyor. Ancak bu, ciddi bir problem değil. Zira hem geliştirici tarafında, hem de x86 ve ARM arasında köprü olacak emülatörler tarafında ciddi ve yoğun çalışmalar yürütülüyor.

Geliştiriciler için, uygulamaların nasıl derlendiği konusunda pek çok farklılık bulunuyor. Ancak günümüzde çoğu derleyici ana komut setlerini destekleme konusunda iyi bir iş çıkarmakta ve bir yazılımı birden fazla platformda kullanmak amacıyla derlemek için çok fazla değişiklik yapmanız gerekmemekte.

ARM ve x86 Arasındaki Fark: Mühendislik

Peki, nasıl oluyor da ARM işlemciler, x86 işlemcilerden daha hızlı çalışıyor? Bu soruyu cevaplamak için, işlemcilerin nasıl çalıştığını daha da derinlemesine incelememiz gerekiyor.

ARM ve x86, temelde işlemcilerin desteklediği mikro kod olarak adlandırılan programlarının bir listesi olan komut setleridir. (Mimari olarak da bilinirler.) Örenğin herhangi bir AMD veya Intel işlemcide, bir Windows uygulaması çalıştırma konusunda endişelenmenize gerek kalmaz zira her ikisi de x86 mimarisine sahip işlemciler üretiyor ve işlemcilerin derinliklerindeki tasarım felsefeleri farklı olsa da, (veya farklı performans göstermelerine rağmen) ikisi de aynı komut setlerini destekliyor. Bu, x86 için derlenen herhangi bir programın genel olarak her iki işlemci ailesini de destekleyeceği anlamındadır.

İşlemciler temelde, yapılacak görevler listesi verilen bir robot gibi işlemleri sıralı olarak yerine getirir. Her talimat bir işlem kodu olarak bilinir (opcode) ve x86 gibi mimarilerde çok sayıda işlem kodu bulunur, özellikle de onlarca yıldır yenilerinin eklendiği düşünüldüğünde. Bu karmaşıklık nedeniyle x86, Karmaşık Komut Seti veya CISC olarak bilinir. 

CISC ve RISC farkı

CISC mimarileri, genellikle birçok işlemi tek bir talimat süresinde yerine getirme felsefesini, tasarım yaklaşımı olarak kabul eder (Superscalar). Örneğin, bir çarpım talimatı, verileri bir bellek adresinden bir kayıtçıya taşıyabilir, daha sonra çarpma için adımları gerçekleştirebilir ve sonuçları hafızada karıştırabilir. Bu işlemlerin tümü, tek bir talimata denk gelecek sürede yapılabilir, birim zamanda birden fazla talimat gerçekleştirilir.

Yine de bu talimat, işlemcinin yürüttüğü birçok “mikro işlem” parçacığına bölünür. Öte yandan CISC’nin faydası bellek kullanımıdır ve zamanında bu konuda üst seviyede olduğundan CISC felsefesi liderliğini korumuştur.

Ancak dikkat edilmesi gereken darboğaz sorunu artık belleklerde değil. RISC, tam da burada devreye giriyor. RISC veya İndirgenmiş Komut Seti (Reduced Instruction Set), temelinde karmaşık ve çok parçalı talimatları ortadan kaldırmakta. Her komut çoğunlukla tek bir saat döngüsünde yürütülebiliyor ancak bunun için birçok uzun işlemin CPU’nun veya belleğin diğer alanlarından gelen sonuçları beklemesi gerekiyor.

Bu durum her ne kadar performansta geriye gitmek gibi görünse de, işlemci tasarımı için büyük etkileri bulunmakta. İşlemciler, tüm talimatlarını RAM’den yüklemeli ve bunları olabildiğince hızlı yürütmelidir. Anlaşılan o ki bunu yapmak, elinizde birçok basit talimatınız olduğunda, birçok karmaşık talimatınız olduğu duruma göre çok daha kolay. Komut tamponu (instruction buffer) doldurulabildiğinde işlemci daha hızlı çalışıyor ve komutlar daha küçük ve işlenmesi daha kolay olduğunda, bunu yapmak çok daha kolay hale geliyor.

• ARM’nin komut setleri hakkında küçük bir örnek için: Basit ARM Assembly örnekleri.

RISC ayrıca, Out-of-Order yürütme veya OoOE adı verilen bir teknolojinin avantajına da sahip. Esasen işlemcinin içinde kendisine gelen talimatları yeniden düzenleyen ve optimize eden bir birim var. Örneğin bir uygulamanın iki şeyi hesaplaması gerekiyorsa ve bunlar birbirine bağlı değilse, işlemci her ikisini de paralel olarak yürütebiliyor. Paralel kod, geliştiricilerin yazması için çok karmaşıktır ancak işleri hızlandırmak için çoklu görevlerden faydalanabilir. Apple M1 çipi de, harika bir etki için OoOE kullanıyor.

M1 kısacası yoğun bir şekilde özelleştirilmiş silikon, sıra-dışı yürütme ve hızını desteklemek için çok daha fazla komut seti  çözümleyicisi kullanıyor.

ARM x86’yı değiştirecek mi? Ya da tamamen yerine geçebilir mi?

Dürüstçe cevap vermemiz gerekirse, muhtemelen. Intel, yıllardır Moore yasasının sonunu hissediyor ve AMD de son yıllarda performans sıçramaları yapabilmesine rağmen çok da ileride sayılmaz.

Bu, x86’nın yakın zamanda öleceği anlamına gelmiypr ancak ARM’nin salt bir mobil mimari olmaktan daha fazlası olduğunu da açık bir şekilde gösteriyor. Zaten ARM’ye mobil aygıt işlemcisi demek, endüstrinin mevcut yönü göz önüne alındığında artık geçerli olmayan bir damgalamadan ibaret. RISC mimarilerinin faydaları açık ve Apple M1 çipinin halihazırda ne kadar geliştiği, ARM’nin sektöre katabilecekleri konusunda bizlere umut veriyor. 

Ayrıca ARM, piyasadaki tek RISC mimarisi de değil. ARM, tasarımlarını Qualcomm, Samsung ve Apple gibi üçüncü taraf tasarımcılara lisanslasa da hala tescilli bir mimari. Bunun yanında RISC-V ise açık kaynak ve benzer şekilde umut verici. Kesin uygulamaları üreticiye bırakan, standartlaştırılmış bir komut seti mimarisi RISC-V. Sektör genel olarak RISC’e doğru hareket ederse, açık ve kapalı kaynak uygulamaları mevcut olabilir. Bu da bize daha da fazla işlemci seçeneği olarak dönecek. 

İşlemciler açısından baktığımızda, Intel 8086‘dan sonraki en ciddi ve sektörü baştan yukarı değiştirebilecek bir değişimin eşiğindeyiz. Apple’ın ARM ile başardıkları, ARM tabanlı işlemcilerin başarabilecekleri hakkında birçok umut uyandırdı. Bunun yanında RISC-V gibi açık kaynak komut setlerine artan ilgi ve herkesin işlemcisini üretebilir hale gelebilmesi, bizleri çok ilginç ve hareketli bir geleceğin beklediğinin habercisi.

Yazı ve ARM – x86 savaşı hakkındaki görüşlerinizi yorumlarda belirtebilir, ARM ve RISC-V hakkındaki sorularınızı, fikirlerinizi Technopat Sosyal’de bizlerle paylaşabilirsiniz.

Gelecek x86’da mı yoksa ARM veya RISC-V’de mi? Bunu bize zaman gösterecek. Unutmadan… Intel ve AMD de ARM lisansı alıp kendi ARM işlemcilerini tasarlyabilir ki AMD’nin böyle bir tasarım hazırladığına dair haberler gelmeye başladı bile.