الفرق بين Intel X86 و ARM وصراع عمالقة رقائق السيليكون


هل لديكم شهية والوقت مناسب للخوض في معمعة صراع عمالقة المعالجة المركزية ؟، إذا كانت بنعم فهيا بنا. في البداية، الهواتف الذكية قادرة على العمل مع ثلاثة أنواع مختلفة من بنية المعالجة: ARM و Intel و MIPS. بكل تأكيد تحتل ARM صدارة أكثر المعماريات المستخدمة بشرائح المعالجة بالهواتف الذكية في يومنا الحالي. وفي عام 2013 صرحت إنتل عن خروجها تماماً من هذا السوق. بينما معمارية MIPS خارج نطاق الخدمة منذ فترة بعيدة. يبدو أن الساحة أصبحت خالية تماماً لمعمارية ARM، ولكن بعد نجاحها المثمر في سوق الهواتف الذكية، فهل تعتقد أنها ستكتفي بذلك ؟.

مثل الأخطبوط صاحب الأذرع الثماني والقلوب الثلاث، تحاول معمارية ARM أن تقتحم سوق الحواسيب الشخصية، في الواقع هي أصبحت قادرة على إنهاء حياة X86 بين عشية وضحاها – نعلم أن المدافعين الوحيدين عن معمارية X86 حتى الآن هم AMD و Intel – ولذلك التخلص منهما لن يكون بهذه السهولة. تعجبنا كثيراً من ردة فعل الوسط التقني عندما تأكدوا أن Apple تخلت عن إنتل و X86 واستطاعت تطوير شرائح معالجاتها بنفسها لأجهزة Mac والتي تستند على بنية ARM. لماذا نعتقد أن آبل صنعت المعجزات فهذا السؤال لم نجد له إجابة، ربما لأنها آبل من قامت بصناعتها وهناك العديد من المعجبين والمتحمسين الذين يساندون العم الأمريكي ويعشقونه بلا هوادة - هذا ليس هو محور حديثنا - ولكن...


 

الحرب بين Intel و ARM


الغريب أن معمارية ARM تعمل مع الحواسيب الشخصية وأنظمة الويندوز منذ عدة سنوات بفضل رقائق Qualcomm التي رأيناها في الحواسيب النحيفة جداً مثل Surface Pro X بل وحتى مع نظام ChromeOS مثل لاب توب Lenovo Mixx 630، فهذه الحواسيب كانت مُجهزة برقاقة Snapdragon 850 التي تستند على بنية ARM.

والآن فقد رأينا للتو شريحة M1 التي أطلقتها آبل Apple من أجل أجهزة Mac، والتي تستند أيضاً على معمارية ARM. هذا المرة هي بمثابة صفعة حقيقية على وجه معمارية X86 وتمثل تهديد خطير على المنافسين الذين يقفون وراء X86 وتحديداً Intel. 

 

قد يهمك: تعرف على معمارية ARM (الجزء الأول)

الحرب قادمة لا محالة بين Intel و ARM – لا داعي لذكر AMD الآن لأن الحوت الوحيد الذي يبتلع هذا السوق حتى هذه اللحظة بحصة سوقية لا تقل عن 61 مليار دولار هو إنتل. مخاوف إنتل هنا تتمثل في ما إذا حاولت شركات تصنيع الحواسيب المحمولة الاعتماد على معمارية ARM، تماماً مثلما فعلت آبل وتخلت عن معمارية X86. ولكن ما هو الفرق بين بنية ARM و X86 ولماذا نعتقد أن هناك حرب قادمة خلال وقت قريب جداً بين عمالقة شرائح المعالجة.

نظرة على معمارية X86 و ARM


على الرغم أن وحدة المعالجة المركزية CPU / Central Processing Unit هي عقل الكمبيوتر، إلا أنها لا تتمتع بذاك القدر من الذكاء. فهي لا تعمل إلا في حالة تزويدها بمعلومات محددة للغاية والتي نرمز لها بمصطلح التعليمات البرمجية أو Instruction Sets، هذه التعليمات تأمر المعالج المركزي بنقل البيانات بين السجلات Registers وذاكرة الوصول العشوائي RAM أو من أجل إجراء مجموعة من التحليلات والعمليات الحوسبية مثل عمليات الضرب والطرح الحسابية.

تختلف أنواع كُتل المعالج المركزي والتي نرمز لها بــ CPU Blocks في أنواع التعليمات التي تتلقاها من أجل العمل عليها، تزداد كتل المعالج أكثر تعقيداً وقوة في المعالجات المركزية عالية الأداء، أو بمعنى أقرب للدقة في المعالجات المركزية عالية استهلاك الطاقة. 

 

قد يهمك: ما هو الفرق بين CPU و GPU و APU

لا يتم كتابة أو برمجة التطبيقات التي تعمل على الهواتف الذكية في نوافذ تعليمات وحدة المعالجة المركزية – لأن هذا الأمر سيكون غير عقلاني تماماً مع التطبيقات الضخمة التي تعمل عبر أجهزة متنوعة ورقائق مختلفة، ولكن بدلاً من ذلك يتم كتابتها بلغات برمجية عالية المستوى مثل Java أو ++C للعمل عبر تعليمات برمجية محددة قادرة على العمل والتفاعل سواء أثناء استخدام بنية معالج ARM أو بنية معالج X86. يتم فك تشفير هذه التعليمات في عمليات الترميز المُصغرة داخل المعالج المركزي، والتي تميل لاستخدام مساحة محددة من رقاقة السيليكون ونسب محددة من الطاقة. 

 

لاختصار كل الكلمات المعقدة في جملة مفهومة: إذا أردنا وحدة معالجة مركزية عالية الكفاءة في استهلاك الطاقة، ينبغي أن تكون نوافذ التعليمات بالمعالج المركزي بسيطة وغير معقدة، تماماً مثلما نحصل عليه مع بنية معمارية ARM المستخدمة بالهواتف الذكية. أما إذا كنا نرغب في الحصول على أداء قوى من نوافذ التعليمات المعقدة بالمعالج المركزي، فهذا الأمر وارد ولكن على حساب استهلاك كميات أعلى من الطاقة، مثل بنية معمارية X86 التي يتم تطوير شرائح معالجة أجهزة سطح المكتب والخوادم بها. وهذا هو محور الاختلاف الأول والأكثر أهمية بين بنية معالج ARM ومعالج X86.

تستند معمارية ARM على ما يعرف باسم عمليات RISC وهي اختصاراً لــ Reduced Instruction Set Computing أو كما نسميها حوسبة مجموعة التعليمات المُخفضة، بينما تستند معمارية X86 على ما يعرف باسم CISC وهي اختصاراً لــ Complex Instruction Set Computing ونلقبها بحوسبة مجموعة التعليمات المعقدة. نوافذ التعليمات في معمارية ARM ذرية أو Atomic مع ارتباط وثيق جداً بين عدد التعليمات والعمليات الدقيقة. بينما CISC في المقابل تقدم العديد من التعليمات والتي لديها القدرة على تنفيذ عمليات متعددة وأكثر تعقيداً مثل الرياضيات المُحسنة وتفاعل حركة البيانات - ولكن هذا على حساب استهلاك كميات أعلى من الطاقة لفك تشفير هذه العمليات. 

قد يهمك: كل ما تود معرفته عن شريحة Microsoft Pluton المستقبلية

هذا الارتباط بين نوافذ التعليمات وتصميم هاردوير المعالج المركزي هو ما يصنع بنية ومعمارية وحدة المعالجة المركزية، وهذا يعني أنه يتم تصميم معماريات مختلفة من وحدة المعالجة المركزية طبقاً لأهداف وأغراض مختلفة، فإما أن تكون من أجل تعدد المهام والأوامر أو تكون من أجل الكفاءة الأعلى واستهلاك الطاقة المنخفضة أو حتى من أجل الحجم الأصغر من خلال تقليل مساحة رقاقة السيليكون لأدنى مستوى ممكن. وهذا هو الاختلاف الرئيسي الثاني بين معمارية ARM ومعمارية X86. فالأول يعتمد على استهلاك طاقة أقل وعدد نوافذ التعليمات المُخفضة وتعداد مكونات الهاردوير الأدنى، والثاني يستند على نوع الاستخدامات المحددة لكل بنية من كلتا المعماريتين.

اليوم أصبحت معماريات 64bit هي البنية السائدة في كل من الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر، الغرض منها هو تعزيز السجلات وعناوين ذاكرة الوصول العشوائي المستخدمة بما يكفي لاستخدام أنواع مختلفة من البيانات المطولة ( 0s + 1S ) جنباً إلى جنب مع نوافذ التعليمات ومكونات الهاردوير المتوافقة لهذه العمليات. وهذا يعني أيضاً أننا ستحتاج إلى نظام تشغيل متوافق مع بنية 64bit مثل أنظمة تشغيل الأندرويد أو الويندوز. بالإضافة إلى ذلك تستهدف معمارية 64bit تحسين دقة العرض الثلاثي الأبعاد وسرعة التشفير وتبسيط عنونة أو معالجة أكثر من 4GB من سعة ذاكرة الوصول العشوائي. 

 

اقرأ أيضاً: تعرف على معمارية ARM (الجزء الثاني)

انتقلت أجهزة الكمبيوتر إلى معمارية 64 بت قبل الهواتف الذكية بوقت طويل، لكن في الواقع لم يكن الفضل لشركة Intel في إعادة صياغة معمارية X86-64 والتي نعرفها أيضاً باسم X64، بل كانت AMD هي أول من أعلنت عن معمارية X64 في عام 1999 عندما عملت على تحسين هندسة بنية معمارية X86، في هذا الوقت تراجعت معمارية إنتل عن الطريق والتي عُرفت بــ IA64 Itanium.

قدمت ARM معمارية ARMv8 64-bit عام 2011 لأول مرة بدلاً من الاكتفاء بتوسعة مجموعة تعليمات بنية 32bit. في الحقيقة ARM تبني معمارية 64bit لا تشوبها شائبة، بمعنى أن معمارية ARMv8 تستخدم حالتين مختلفتين من نوافذ التعليمات وهما AArch32 و AArch64، أحدهما للتعامل مع كود 32bit والآخر لكود 64bit. قوة وجمال تصميم بنية ARM يتألق في كونه قادر على التبديل بسلاسة من وضع لآخر أثناء تنفيذ التعليمات، وهذا يعني أن وحدة فك تشفير تعليمات 64bit هي تصميم جديد كلياً لا يحتاج أن يحافظ على التوافق مع عصر 32bit، وبهذا الشكل يكون المعالج له القدرة الكاملة على التوافق مع الإصدارات السابقة بفضل نوافذ AArch32.

الاختلافات المعمارية التي ناقشناها للتو توضح جزئياً النجاحات الحالية وفي نفس الوقت القضايا التي تواجهها عمالقة صناعة الرقائق الإلكترونية. يعتبر أسلوب ARM مثالي للاستخدام منخفض الطاقة المناسب تماماً لمتطلبات التصميم الحراري الذي يستهدف قيمة 3.5 واط TDP للهواتف الذكية. من ناحية أخرى، يتربع معالج Core I لدي إنتل صاحب تصميم حراري 100 واط على عرش أكثر المعالجات المركزية استخداماً في الحواسيب المكتبية عالية الأداء وخوادم ومحطات الأعمال، ولكنه يكافح على مدار السنوات الماضية من أجل تقليص حجمه والوصول إلى تصميمات حرارية لا تتعدى 5 واط.

بالطبع لن ننسى الدور الذي لعبته عمليات تصنيع رقائق السيليكون في تحسين كفاءة الطاقة بشكل كبير على مدار العقد الماضي، تستهلك ترانزستورات وحدة المعالجة المركزية الأصغر حجماً الطاقة الأقل، وهذا كان السبب في سخط الوسط التقني عندما علم أن Intel عالقة مع عقدة تصنيع 14nm نانوميتر منذ عام 2014 حتى هذه اللحظة – في هذا الوقت (2014) كانت ترانزستورات رقائق الهواتف الذكية تتطور بسرعة البرق، وقفزت فجأة من 20 نانوميتر إلى 14 نانوميتر ثم إلى 10 نانوميتر ونتعامل الآن مع معالجات ذات ترانزستورات بحجم 7 نانوميتر. وتشير جميع التوقعات أن دقة تصنيع 5 نانوميتر قادمة في عام 2021، في الواقع بدأنا نرى أخبار عن 3nm هنا وهناك من حين لآخر، هذا الصراع المستمر والتطور الغير مسبوق في ترانزستور الرقائق كان بسبب مجال المنافسة الشرسة بين كل من Samsung وشركة TSMC.

بالرغم من ذلك، فأكثر ما كان يميز معمارية ARM على مدار السنين الماضية وقدرتها في المحافظة على إبقاء مستويات كفاءة الطاقة في أفضل حالاتها من أجل الهواتف الذكية كانت بفضل ما يُعرف بالحوسبة الغير متجانسة والتي نعرفها بمصطلح heterogeneous compute، الفكرة الأساسية منها هي القدرة على تأسيس بنية تسمح بوجود أجزاء مختلفة من وحدة المعالجة المركزية والعمل سوياً في بيئة نموذجية تستطيع الوصول برقاقة المعالج إلى أفضل مستويات كفاءة الطاقة والأداء الأعلى.

استطاعت ARM التقدم بنقطة على X86 عندما أعلنت عن نواة big-LITTLE في عام 2011 لصالح كل من معالج Cortex-A15 ذو النواة الكبيرة ومعالج Cortex-A7 ذو النواة الصغيرة، كانت هذه الفكرة بغرض التعامل مع التطبيقات الثقيلة وعبء الأعمال الشديد بشكل متجانس أكثر ذكاءاً وفي نفس الوقت زيادة مستويات كفاءة الطاقة من أجل إدارة المهام والأوامر الموجودة في الخلفية. بالتأكيد تتطلب الأمر من ARM عدة سنوات لكي تعيد صيغة هذه الفكرة لتظهر في أفضل حالاتها في عام 2017 عندما تم الإعلان عن بنية ARMAv8.2 وتقنية DynamicIQ التي سمحت بوجود أكثر من وحدة معالجة مركزية واحدة في مكان واحد ومشاركة موارد ذاكرة الوصول العشوائي من أجل تحقيق أسلوب معالجة أكثر كفاءة. تتيح إمكانية DynamicIQ تصميم 6+2 لوحدة المعالجة المركزية وهو التصميم الذي نراه حتى هذه اللحظة في الهواتف الموجهة للفئة المتوسطة.

بالحديث عن رقائق المنافس "إنتل" فهي بدون حوسبة "heterogeneous compute" ولا يمكنها تحدي رقائق ARM أو حتى الوقوف في وجهها عندما يتعلق الأمر بالحديث عن الأداء ومستويات كفاءة الطاقة. استغرق الأمر من إنتل عدة سنوات حتى أعلنت في عام 2020 عن رقاقة Lakefield بعقدة تصنيع 10 نانوميتر لحجم الترانزستور والذي جمعت بين نواة Sunny Cove عالية الأداء مع أربعة أنوية عالية الكفاءة Termont. ومع ذلك فهي لم تصل إلى كفاءة رقائق الهواتف الذكية، حيث تعمل رقائق Lakefield بمعدل استهلاك 7 واط وهي عالية جداً للهواتف الذكية، بدلاً من ذلك فهي مثالية للحواسيب المحمولة.

اليوم يزداد الصراع بين ARM و X86 في عالم الحواسيب المحمولة التي تعمل بمعدلات أقل من 10 واط، وكل يوم عن الآخر تتقلص حصة X86 لدى إنتل وتزداد حصة ARM. انتقال آبل الأخير إلى ARM بدلاً من X86 من أبرز الأمثلة الشائعة التي تشهد على ذلك، وكل هذا بفضل خصائص حوسبة heterogeneous compute التي تدعمها بنية ARM جنباً إلى جنب مع التحسينات الهندسية التي خصصتها Apple لحواسيب Mac الجديدة.

اختلاف معياري أو جوهري آخر بين كل من ARM و Intel، أن إنتل مسؤولة عن عملية تصنيع رقائقها بنفسها من البداية إلى النهاية ثم بيعها بشكل مباشر، بينما الآخر يبيع ترخيص ويقدم مجموعة من المنتجات المختلفة للشركاء أمثال Apple و Samsung و Qualcomm. حيث يتم تصنيع شرائح المعالجة بالتعاون من خلال برنامج ARM CXC الذي يسمح للشركاء ببناء وحدة معالجة مركزية مخصصة بل وحتى إجراء بعض التعديلات على نوافذ التعليمات بداخل الرقائق. بالتأكيد بناء وحدة المعالجة المركزية من العمليات المُكلفة والمعقدة للغاية، ولكن القيام بها بشكل صحيح يعد نجاحاً مثمراً ويؤول في النهاية إلى تحقيق أرباح مهولة. 

اقرأ أيضاً: لماذا تعتمد أبل على معالجات ARM بدل إنتل في أجهزة ماك القادمة

استطاعت آبل مؤخراً أن تُظهر للعالم مدى تفوق ARM وكيف يمكنها التصدي أمام X86 بل والتفوق عليها أيضاً. وقد قررت أن تتخلى عن Intel وتستبدل معالج Core I برقائق سيليكون M1 SoC الخاصة بها والمبنية على أساس ARM، هذه الشريحة أصبحت في كل من حواسيب Macbook Air / Macbook Pro / Mac mini صغيرة الحجم "13inch"، وتمتاز بتحسينات رائعة على صعيد مستوى الأداء. هذا يعني أن ARM أصبحت بالفعل تتولى مهام X86 وتسترد منها جميع المزايا الحصرية التي انفردت بها X86 على مدار سنوات طويلة في الحوسبة المكثفة الأكثر تعقيداً، ولكن وجب التنويه على أن مشروع آبل يستند فقط على الحواسيب المحمولة وليس على الحواسيب المكتبية.

حتى هذه اللحظة التي نتحدث معكم فيها فإن أقوى حاسوب في العالم Fugaku Supercomputer والمبني على أساس ARM بأيدي مهندسي شركة Fujitsu وهي الحواسيب الأولى من نوعها التي تعمل بهندسة ARMv8-A SVE وليس X86. لكن لا تزال إنتل في المقدمة من حيث الأداء مع الأجهزة الاستهلاكية. لكن منافسة ARM تزداد خطورة يوماً بعد يوم في قطاعات عديدة والتي تلعب عوامل الأداء العالي واستهلاك الطاقة المنخفض الدور البارز فيها.

التطبيقات والبرامج


من المفترض أن التطبيقات ليست مصدر الإزعلاج، ولكن من الضروري تهيئتها وبرمجتها للعمل من أجل بنية المعالجة المركزية المحددة. في الماضي كانت الأمور عبارة عن تسلسل هرمي ثابت وسلس، إذ أن كل وحدة معالجة مركزية مهيئة للتعامل والتوافق بشكل طبيعي مع أنظمة التشغيل، مثل نظام أندرويد مع بنية ARM ونظام الويندوز مع بنية X86. لم تكن التطبيقات في حاجة للتهيئة من أجل العمل عبر أنظمة تشغيل مختلفة. ولكن النمو في التطبيقات بدل هذه الفكرة تماماً. 

 

طالع المزيد: افضل تطبيقات الاندرويد لعام 2020 (أكثر من 400 تطبيق)

فإذا نظرنا إلى بعض الأنظمة الأساسية الحالية مثل نظام ماك Mac ونظام كروم ChromeOS بل وحتى نظام Windows أصبحت تعمل من خلال بنية ARM. وهذا يعني أنه لابد على التطبيقات أن تكون على أتم الاستعداد للتوافق والعمل من خلال معمارية X86 و ARM أيضاً. ربما هذا هو السبب الرئيسي في اعتماد مطورو التطبيقات على محاكاة الكود الخاص ببرامجهم – أي ترجمة التعليمات البرمجية المجمعة للعمل مع بنية معالج مركزي يُمكن تشغيلها مع بنية معالج مركزي آخر، بدلاً من بناء وبرمجة التطبيقات من البداية وهذا لأجل توفير الوقت والجهد. لكن هذا يعني في نفس الوقت أن التطبيقات التي تعمل من خلال محاكيات Emulation ستكون أقل في الكفاءة والأداء من التطبيقات الأصلية. 

خلال الآونة الماضية أصبحت محاكاة نظام الويندوز على بنية ARM في حالة جيدة. ومن ناحية أخرى تعمل التطبيقات مع أنظمة Chromebook على بنية معالج Intel X86 بشكل طبيعي جداً. آبل لديها آداة خاصة بها والتي تطلق عليها مسمى Rosetta 2 الخاصة بترجمة التطبيقات القديمة ودعمها لنظام ماك. ولكن لا يستطيع أحد أن ينكر أن الأنظمة الثلاثة تعاني من عقوبات على صعيد الأداء حين التعامل مع التطبيقات التي لم يعد برمجتها خصيصاً للعمل مع أي نظام فيهما.

في الختام


تحتل ARM الصدارة وتكتسب حصة كبيرة عند الحديث على كفاءة الطاقة المطلوبة للأجهزة، مثل الهواتف الذكية. في نفس الوقت فقد حاولت إنتل من تعزيز كفاءة الطاقة في الحواسيب المحمولة وقد بات هذا الأمر واضحاً من خلال معمارية Lakefield والتي شكلت تنافساً حقيقياً لمعمارية ARM في الملعب الوحيد الذي تلعب من خلاله. لا يزال المستقبل مبهماً ما إذا كانت معمارية ARM قادرة على مجابهة X86 في قطاع الحوسبة المُكثفة أم لا، ولكن بكل وضوح ستظل هي المفضلة في قطاع الهواتف الذكية. في نفس الوقت لا تزال معمارية X86 تلعب دور بارز في قطاع الخوادم ومحطات العمل التي تستند على تعدد المهام. ولكن الشئ الوحيد الذي يظهر للعيان أن المستقبل يحمل الكثير من المفاجآت في عوامل الكفاءة والأداء للمعماريات الهندسية القادمة.

أحدث أقدم

إعلانات

إقرأ أيضاً