ARM: Верховный архитектор цифрового мира. История компании, которая держит за ядра весь мир

Посмотрите на современный технологичный стол. Вот Mac Studio на M4 Max — монстр производительности. Вот планшет Huawei, часы Pixel и камерофон Xiaomi. Что общего у этих устройств? Разные производители, разные операционные системы, форм-факторы. Но у всех этих гаджетов процессоры работают на одной архитектуре. В каждом из них бьется сердце ARM.

Это история компании, которая не произвела ни одного процессора, но держит за ядра весь мир — от умной стиральной машины до самого мощного суперкомпьютера на планете. Как британские ученые из сарая умудрились обогнать Intel, спасти Apple от банкротства и почему сегодня без них мы бы вернулись в каменный век?

Рождение в сарае: Как Acorn решила создать свой процессор

В конце семидесятых в Кембридже существовала компания Acorn Computers — что-то вроде британской Apple. Пока Джобс и Возняк собирали первый Mac в гараже, британцы продавали тысячи компьютеров. Их BBC Micro был хитом и стоял почти в каждой британской школе.

В 1983 году рынок ПК взорвался. Acorn хотела делать домашние компьютеры подешевле. Инженеры понимали: 8-битные процессоры уходят в прошлое, нужно 16-битное решение. Они посмотрели на рынок: Intel 286 — слишком дорого, Motorola 68K — дорого и медленно. Тогда они полетели в США, в офис Western Design Center, ожидая увидеть сотни ученых. Вместо этого они нашли одноэтажный домик в пригороде с десятью энтузиастами. Вернувшись в Британию, руководство Acorn решило: «Если ребята в домике могут сделать процессор, сможем и мы».

На проект поставили всего двух человек: Софию Уилсон и Стива Фербера. София наткнулась на проект Berkeley RISC и поняла: это гораздо круче, чем CISC, на котором строили процессоры Intel и Motorola.

Разница в подходах проста. CISC — это «умный» процессор, который понимает сложные команды. Как если бы вы приказали солдату «Построй дом», и он сам знает, как мешать бетон и класть кирпичи. Это требует огромного количества транзисторов и жрет энергию. RISC — это «простой и быстрый» процессор. Вы отдаете тысячи мелких приказов: «Возьми кирпич, положи кирпич, возьми цемент». Солдат может быть «тупым», но он выполняет команды с пулеметной скоростью, оставаясь маленьким, холодным и дешевым.

Софи и Стив упростили идею RISC до предела: убрали микрокод, сотни тысяч ненужных транзисторов и оставили всего 25 000. Они создали процессор ARM 1 (Acorn RISC Machine). В то время не существовало программ для моделирования, и все схемы рисовали карандашом на бумаге. Intel тратил на разработку годы, эти двое собрали архитектуру за полгода.

Энергоэффективность, открытая случайно

В 1985 году с завода приехала первая партия чипов ARM 1. Инженеры вставили чип в тестовую плату, подключили монитор и клавиатуру. Все заработало. Шампанское, радость, кот побежал. И тут один из инженеров заметил, что они забыли подключить питание к процессору. Чип потреблял настолько мало энергии, что ему хватало утечек тока с соседних дорожек платы.

Так родилась главная фишка ARM — энергоэффективность. 286-й Intel жрал электричество из розетки, а ARM хватало мизерного процента. Именно эта случайность через 20 лет позволит создавать айфоны, планшеты и умные часы без чемодана аккумуляторов.

Однако Acorn катилась к банкротству. Компанию продали итальянской Olivetti. Компьютеры на ARM включались мгновенно, но нигде, кроме Британии, не продавались. Мир захватили IBM PC и Windows.

Спасительный круг от Apple и величайшая ирония судьбы

В конце восьмидесятых инженеры Apple ломали голову над проектом Newton — карманным компьютером без клавиатуры. Идея была революционной, но процессоры пожирали энергию. Intel 386 работал 10 минут и грелся так, что устройством можно было гладить рубашки.

Один из инженеров Apple случайно наткнулся на сумасшедших британцев, чей процессор работал без охлаждения и жрал меньше светодиода. Apple тестирует ARM и понимает: это то, что нужно. Однако Acorn была конкурентом. Покупать процессоры у конкурента — немыслимо. Решение нашли изящное: в 1990 году создается совместное предприятие. Acorn дает интеллектуальную собственность и инженеров, Apple — деньги (1,5 млн фунтов), а VLSI Technology — производство. Так родилась компания Advanced RISC Machines — ARM.

Но вот ирония номер один: планшет Newton с треском провалился. Он был дорогим, глючил и ужасно распознавал почерк. Вернувшийся Стив Джобс первым делом убил проект. Но его сердце — процессор — выжило.

А вот ирония номер два. В середине девяностых Apple на грани банкротства. До смерти компании остается 90 дней. Чтобы вернуть Джобса и купить NeXT, нужны сотни миллионов. И Apple продает свои 43% акций ARM за 800 миллионов долларов. Эти деньги спасли Apple, позволили запустить iMac, затем iPod и iPhone. Если бы не ARM, Apple бы не существовало. Но и ARM без Apple тогда бы загнулась.

Гениальная бизнес-модель: продаем чертежи

Новый директор ARM Робин Саксби собрал 12 сотрудников в сарае и сказал: «Заводов у нас нет, конкурировать с Intel мы не можем. Мы будем продавать идею, чертежи и патенты».

Intel была закрытым клубом: за всю историю она дала лицензии на x86 только AMD и Via. ARM же начал продавать лицензии всем желающим. Samsung, Sony, Texas Instruments — приходите, берите чертеж и печатайте на своих заводах.

Заказы пошли лавиной. Из Финляндии пришла Nokia, и в легендарной 6110 стоял чип на архитектуре ARM. Мобильники взорвали рынок, деньги потекли рекой.

Главный момент настал в 2005 году. Готовя первый iPhone, Джобс хотел поставить Intel и позвонил их гендиректору Полу Отеллини. Тот посчитал телефоны мелочью и отказал. Джобс ушел к ARM. Процессор для первого iPhone сделал Samsung на архитектуре ARM. iPhone взлетает, Android взлетает. Intel пыталась догнать с проектом Atom, влила миллиарды, но чипы грелись, жрали батарею и глючили. В итоге Intel сдалась и сожгла 10 миллиардов долларов. Сегодня 99% смартфонов работают на ARM.

Как купить лицензию ARM: четыре уровня посвящения

Чтобы понять, как работает ARM, представьте, что вы решили делать мобильные процессоры. Вы приходите в офис ARM, и вам предлагают меню из четырех уровней:

1. TLA (выбор для ленивых). Вам дают готовые чертежи ядер Cortex. Менять ничего нельзя. Вы прикручиваете свою периферию, 5G-модем, нейропроцессор и отправляете файл на завод. Это быстро (около года) и надежно.
2. Build on ARM. За большие деньги инженеры ARM допиливают ядра под ваши хотелки — убирают лишнее, разгоняют частоты. Как заказать Rolls-Royce с розовым салоном.
3. Архитектурная лицензия (самая дорогая, сотни миллионов). Вам дают доступ к логике архитектуры. Вы нанимаете 500 гениальных инженеров и с чистого листа 3–5 лет рисуете свои транзисторы. Так делают ядра Qualcomm (Oryon), Nvidia (Denver) и Apple. У Apple самая «блатная» лицензия, ведь они стояли у истоков ARM.
4. Лицензия для стартапов. Подписка около $200 000 в год за доступ к не самым новым, но хорошим ядрам. Платить полную цену нужно только перед отправкой чипа на печать.

Каждый чипмейкер платит ARM дважды: сначала входной билет (от 1 до 10+ млн долларов), а затем роялти — 1–2% от стоимости каждого чипа. С каждого нового смартфона в мире маленькая монетка летит в Британию.

Внутри ARM: как создаются процессоры

Штаб-квартира в Кембридже больше похожа на университет, чем на офис Google с бесплатными смузи. Вся компания живет на 3–5 лет впереди индустрии. То, что выходит сейчас, начали делать еще несколько лет назад.

Сотрудники делятся на три касты:

• Архитекторы — математики-визионеры. Они не пишут код, а решают уравнения и создают спецификации будущих процессоров.
• RTL-дизайнеры — превращают идеи в код, программируя поведение электричества внутри чипа.
• Верификаторы (тестировщики) — 60–70% штата. Их задача — найти ошибку. Они запускают миллиарды тестов на суперкомпьютерах, чтобы найти ситуацию, где процессор посчитает, что 2+2=5. Если находят критический баг, работают без выходных.

Есть легендарная традиция. Когда новый чип проходит все тесты, инженеры открывают бутылку элитного шампанского. Пробку не выбрасывают: на ней пишут название процессора, расписываются все создатели и отправляют в музей ARM. Там до сих пор хранятся пробки от ARM 1, 2, 3, распитых в том самом сарае.

Войны, суды и новая угроза

В 2016 году японский гигант SoftBank покупает ARM за 32 миллиарда долларов. Для Британии после Brexit это была гарантия инвестиций, для SoftBank — билет в мир интернета вещей, где каждая умная кружка будет приносить копеечку.

Позже ARM попыталась купить Nvidia за 40 миллиардов, но весь мир (Google, Microsoft, Tesla, Qualcomm) встал против. Если бы производитель чипов получил доступ к секретам ARM, это уничтожило бы конкуренцию. Сделку запретили.

В 2020 году Apple совершила революцию, выпустив M1. Безвентиляторный MacBook Air на ARM оказался мощнее топового MacBook Pro на Intel Core i9. Это доказало: ARM может быть мощнее x86 даже в компьютерах.

Став монополистом, ARM начала закручивать гайки, затеяв суды с Qualcomm и желая брать процент с цены готового устройства, а не чипа. Выбора у рынка нет: весь софт написан под ARM. Попытки Intel и MIPS создать альтернативу провалились.

Единственная реальная угроза сегодня — RISC-V. Это бесплатная, открытая архитектура, которую нельзя запретить санкциями. За это ее очень любит Китай. RISC-V пока не дотягивает до уровня смартфонов, работает в основном в микроконтроллерах, но активно развивается. История циклична: когда-то ARM сверг зажравшегося Intel, а теперь повстанцы угрожают самой ARM. Но пока что «верховный архитектор» — лишь рисовальщик чертежей. Главный же вопрос упирается в физическое производство. Все — Apple, Nvidia, AMD, Qualcomm — приходят с поклоном к единственному властелину кремния. Компании, которая печатает транзисторы для всего мира и расположена на крошечном острове. Если там случится беда, мировая экономика остановится через две недели. Но это уже совсем другая история.