مقدمه
معماری ARM (مخفف Advanced RISC Machines) یکی از تأثیرگذارترین و پرکاربردترین معماری‌های پردازنده‌های امروزی است که در طیف گسترده‌ای از دستگاه‌ها، از گوشی‌های هوشمند و تبلت‌ها تا سرورها و ابررایانه‌ها، مورد استفاده قرار می‌گیرد. این معماری به‌دلیل مصرف انرژی پایین، کارایی بالا و مقیاس‌پذیری، به یکی از گزینه‌های اصلی صنعت فناوری تبدیل شده است. در این مقاله، به بررسی تاریخچه، ویژگی‌ها، مزایا و کاربردهای معماری ARM می‌پردازیم.
تاریخچه معماری ARM
معماری ARM ریشه در پروژه‌ای به نام Acorn RISC Machine دارد که در دهه ۱۹۸۰ توسط شرکت بریتانیایی Acorn Computers توسعه یافت. هدف اصلی این پروژه، طراحی یک پردازنده کم‌مصرف و کارآمد برای کامپیوترهای شخصی بود. در سال ۱۹۹۰، شرکت ARM Holdings تأسیس شد تا توسعه و صدور مجوز این معماری را بر عهده بگیرد.
یکی از نقاط عطف تاریخ ARM، همکاری با شرکت‌هایی مانند اپل بود که منجر به استفاده از پردازنده‌های ARM در دستگاه‌هایی مانند Newton MessagePad شد. در سال‌های بعد، با گسترش گوشی‌های هوشمند و ظهور سیستم‌عامل‌های موبایل مانند اندروید و iOS، معماری ARM به‌سرعت به معماری غالب در صنعت موبایل تبدیل شد.
امروزه، شرکت‌هایی مانند اَپل (با پردازنده‌های Apple Silicon)، کوالکام (Snapdragon)، سامسونگ (Exynos) و مدیاتک (Dimensity) از معماری ARM در طراحی تراشه‌های خود استفاده می‌کنند.
ویژگی‌های کلیدی معماری ARM
معماری ARM بر اساس اصول RISC (Reduced Instruction Set Computing) طراحی شده است که در مقایسه با معماری‌های CISC (Complex Instruction Set Computing) مانند x86، دارای ویژگی‌های منحصربه‌فردی است:
۱. مصرف انرژی پایین
یکی از مهم‌ترین مزایای معماری ARM، بهینه‌بودن آن برای مصرف انرژی است. این ویژگی باعث شده تا ARM گزینه‌ای ایده‌آل برای دستگاه‌های قابل‌حمل مانند گوشی‌های هوشمند، تبلت‌ها و لپ‌تاپ‌ها باشد.
۲. طراحی ماژولار و مقیاس‌پذیر
معماری ARM به‌صورت ماژولار طراحی شده است، به‌این معنا که شرکت‌های مختلف می‌توانند هسته‌های پردازشی، واحدهای گرافیکی و سایر بخش‌های پردازنده را بر اساس نیاز خود سفارشی‌سازی کنند.
۳. پشتیبانی از حالت‌های اجرایی مختلف
پردازنده‌های ARM از چندین حالت اجرایی (Execution State) پشتیبانی می‌کنند که مهم‌ترین آن‌ها عبارتند از:
ARM State: برای اجرای دستورات ۳۲ بیتیThumb State: برای اجرای دستورات ۱۶ بیتی (بهینه‌شده برای کاهش مصرف حافظه)AArch64: برای اجرای دستورات ۶۴ بیتی (معماری ARMv8 و بالاتر)
۴. معماری چند هسته‌ای
پردازنده‌های مدرن ARM از معماری چند هسته‌ای (Multi–Core) پشتیبانی می‌کنند که امکان اجرای همزمان چندین وظیفه را فراهم می‌سازد. برای مثال، پردازنده‌های big.LITTLE ترکیبی از هسته‌های پرقدرت و کم‌مصرف هستند تا تعادل مناسبی بین کارایی و مصرف انرژی برقرار کنند.
۵. پشتیبانی از مجازی‌سازی و امنیت پیشرفته
نسخه‌های جدید معماری ARM (مانند ARMv8 و ARMv9) از قابلیت‌های پیشرفتهای مانند مجازی‌سازی سخت‌افزاری، رمزنگاری سخت‌افزاری و امنیت TrustZone پشتیبانی می‌کنند که آن‌ها را برای استفاده در سیستم‌های امنیتی و سرورها مناسب می‌سازد.
مقایسه ARM با x86
معماری ARM و x86 دو رقیب اصلی در صنعت پردازنده‌ها هستند. در زیر برخی از تفاوت‌های کلیدی آن‌ها آورده شده است:
معیار مقایسه ARM x86
معماری دستورالعمل:ARM: RISC (دستورات ساده و کم‌حجم) x86: CISC (دستورات پیچیده و متنوع)
مصرف انرژی:ARM: بسیار کم (مناسب برای موبایل و IoT) x86: بیشتر (مناسب برای دسکتاپ و سرور)
کارایی در پردازش موازی:ARM: عالی (به‌دلیل طراحی چند هسته‌ای) x86: خوب (اما مصرف انرژی بالاتر دارد)
انعطاف‌پذیری طراحی:ARM: بالا (شرکت‌ها می‌توانند هسته‌ها را سفارشی کنند) x86: پایین (عمدتاً توسط اینتل و AMD طراحی می‌شود)
حوزه کاربرد: ARM: موبایل، IoT، لپ‌تاپ‌های کم‌مصرف x86: دسکتاپ، سرور، ابررایانه‌ها
کاربردهای معماری ARM
معماری ARM در طیف گسترده‌ای از دستگاه‌ها و صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرد:
۱. گوشی‌های هوشمند و تبلت‌ها
بیش از ۹۰٪ پردازنده‌های موبایل از معماری ARM استفاده می‌کنند. تراشه‌هایی مانند Apple A–series، Snapdragon و Exynos همگی بر پایه ARM طراحی شده‌اند.
۲. لپ‌تاپ‌ها و کامپیوترهای شخصی
با معرفی پردازنده‌های Apple M1/M2 و تراشه‌های مبتنی بر ARM مانند Qualcomm Snapdragon X Elite، این معماری به‌طور فزاینده‌ای در لپ‌تاپ‌ها و سیستم‌های دسکتاپ مورد استفاده قرار می‌گیرد.
۳. اینترنت اشیا (IoT) و دستگاه‌های تعبیه‌شده
به‌دلیل مصرف انرژی پایین، پردازنده‌های ARM در دستگاه‌های IoT مانند سنسورهای هوشمند، گجت‌های پوشیدنی و سیستم‌های صنعتی کاربرد گسترده‌ای دارند.
۴. سرورها و مراکز داده
شرکت‌هایی مانند آمازون (با پردازنده‌های Graviton) و NVIDIA (با معماری Grace) از ARM در سرورهای ابری استفاده می‌کنند تا مصرف انرژی را کاهش دهند.
۵. ابررایانه‌ها
برخی از سریع‌ترین ابررایانه‌های جهان، مانند Fugaku در ژاپن، از پردازنده‌های ARM بهره می‌برند.
آینده معماری ARM
با معرفی ARMv9، این معماری وارد مرحله جدیدی شده است که تمرکز آن بر بهبود هوش مصنوعی، امنیت و کارایی محاسباتی است. همچنین، با گسترش استفاده از ARM در لپ‌تاپ‌ها و سرورها، رقابت این معماری با x86 شدت گرفته است.
یکی از چالش‌های پیش‌روی ARM، افزایش سهم بازار در حوزه دسکتاپ و سرورهاست، جایی که x86 هنوز تسلط دارد. با این حال، با پیشرفتهای اخیر در پردازنده‌هایی مانند Apple M–series و Snapdragon X Elite، آینده روشنی برای معماری ARM متصور است.
نتیجه‌گیری
معماری ARM به‌دلیل مزایای منحصربه‌فردی مانند مصرف انرژی پایین، انعطاف‌پذیری طراحی و مقیاس‌پذیری، به یکی از مهم‌ترین معماری‌های پردازنده‌های مدرن تبدیل شده است. از گوشی‌های هوشمند تا ابررایانه‌ها، ARM نقش کلیدی در پیشرفت فناوری ایفا می‌کند. با معرفی نسل‌های جدید این معماری و گسترش آن به حوزه‌های جدید، می‌توان انتظار داشت که ARM در آینده نیز یکی از بازیگران اصلی صنعت پردازنده باقی بماند.