Inleiding
In vrijwel iedere smartphone en tablet vinden we een processor gebaseerd op de ARM-architectuur. Niet altijd is de betreffende processor door ARM zélf ontwikkeld. Enige tijd geleden deed ARM voor een beperkt aantal journalisten uitgebreid uit te doeken hoe men de ARM-instructieset en de eigen ontwikkelde cores verder verbetert, in de hoop het marktaandeel nog verder te verhogen. Hardware.Info was erbij en doet verslag.
In de halfgeleiderwereld is het in Cambridge gevestigde ARM een toonaangevende speler, maar ook een vreemde eend in de bijt. Niet zozeer omdat ARM geen eigen fabrieken heeft; grote chipontwerpers als Nvidia, AMD of Qualcomm hebben dat ook niet en laten hun creaties elders fabriceren. Bijzonder is dat ARM, ondanks een gigantisch marktaandeel voor veel productsoorten, zelf geen eigen volledige chip ontwikkelt. Het bedrijf doet in feite twee zaken: in de eerste plaats de ontwikkeling van de ARM-processorarchitectuur en -instructieset, zeg maar de taal waarmee software processors kan aansturen. Daarnaast maakt men zelf implementaties van deze architectuur, in de vorm van door ARM ontworpen cores. Deze kunnen vervolgens worden opgenomen als onderdeel van een chip met meer functionaliteit. Bedrijven kunnen bij ARM dus aankloppen voor ofwel een licentie op de architectuur, ofwel op een kant-en-klaar ontwerp van een cores. In alle gevallen moet de klant zelf nog aan de slag om uiteindelijke chip te ontwerpen en te produceren. Wie is geïnteresseerd in de geschiedenis en achtergrond van ARM raden we aan om ons in 2011 gepubliceerde artikel daarover te lezen, te vinden op WebID 762.
Licenties
ARM leeft dus van licenties. Uit de informatie die wij tijdens het genoemde evenement kregen, blijkt dat er ruim 300 chip-ontwikkelaars klant zijn bij ARM, waarvan ruim de helft op dit moment ook daadwerkelijk ARM-gebaseerde CPU’s verscheept. Het gros van die klanten koop core-ontwerpen bij ARM in, maar een tiental heeft een licentie op de architectuur en ontwikkelt zelf cores gebaseerd op de ARM-standaarden. De twee bekende voorbeelden uit de smartphone- en tabletwereld zijn Qualcomm en Apple, die zelf de zogenaamde Krait en Swift cores ontwikkelen op basis van de ARM-architectuur.
Klanten die met de ARM-architectuur of ARM-cores aan de slag gaan, betalen eenmalig een fikse licentie en daarna royalty’s per verkochte chip. Het bedrag dat fabrikanten moeten afdragen ligt volgens ARM in de regel tussen de 1% en 2% van de prijs waarvoor de chip wordt verkocht: voor krachtige chips met meerdere ARM CPU-cores en ook een ARM GPU kan het wat meer zijn, voor simpele microcontrollers in een embedded applicatie kan het wat minder zijn. De lage royalty’s zijn volgens ARM de belangrijkste reden voor het succes van het bedrijf: wie voor zo’n 2% van de chipprijs een kant en klaar, door anderen ontwikkeld en door en door getest core-ontwerp kan inkopen, is wel gek om zelf een processorarchitectuur te ontwikkelen, zo is de redenatie. Met die wetenschap is het niet zo vreemd dat, volgens cijfers die ARM ons gaf, in meer dan 90% van de wereldwijd verkochte mobiele telefoons een chip op basis van de ARM-architectuur zit. Bovendien is dat niet de enige markt waar ARM succesvol is. Ook bijvoorbeeld 80% van de digitale camera’s, 45% van de TV’s, 35% van de netwerkapparatuur, 70% van de printers en 90% van de harde schijven/SSD’s die in 2012 zijn verkocht maken gebruik van een op ARM-architectuur gebaseerde processor. Van alle processors die in 2012 zijn verkocht, voor welk gebruiksdoel of binnen welk type apparaat dan ook, is 32% naar eigen zeggen gebaseerd op ARM. Indrukwekkend.
ARM licenseert haar architectuur en/of daarop gebaseerde core-implementaties aan chipfabrikanten. Die maken daar producten mee, die uiteindelijk in smartphones en andere apparaten terecht komen. ARM haalt haar inkomsten uit licenties en royalty’s per verkochte chip.
Voor elk doel een Cortex
Voor producten als smartphones en tablets heeft ARM de Cortex-A-serie CPU-cores. Het bedrijf wil chipfabrikanten de keuze geven op fronten als prestaties, stroomverbruik en chipoppervlak en heeft zodoende een drietal smaken beschikbaar: Cortex-A7, Cortex-A9 en Cortex-A15. De A9 is al het langste op de markt en vormt de basis voor veel populaire ARM-chips, die we de laatste jaren in smartphones en tablets zijn tegengekomen. Chips als de Apple A5(X), Nvidia Tegra 2 en 3, Samsung Exynos 4212/4412 en de Texas Instruments OMAP4-reeks zijn alle gebaseerd op één of meerdere Cortex-A9 kernen. De eerste chips met Cortex-A9 kwamen overigens al in 2009 op de markt, geen wonder dat de A9 langzaam aan vervanging toe is, waarover verderop meer.
De Cortex A7 is een juist een veel zuiniger, langzamere, maar bovenal veel kleinere CPU-core. Waar de CPU-core van de A9-klasse afhankelijk van het productieprocedé tussen de 5 en 10 mm² beslaat, is een core van de A7-klasse op een modern productieprocedé niet veel groter dan zo’n 2 mm². Het moge duidelijk zijn dat een processor met vier A7-cores dus veel goedkoper is om te maken dan een processor met vier A9-cores.
De Cortex-A15 werd eind 2010 aangekondigd en inmiddels worden de eerste producten met chips gebaseerd op deze cores daadwerkelijk verkocht. De A15 is duidelijk een stap boven de A9 en zodoende nooit bedoeld als rechtstreekse opvolger, maar wordt daar boven gepositioneerd om nieuwe markten voor ARM te openen.
ARM onderscheidt drie segmenten voor haar application processors; high efficiency, mainstream en performance. Alle drie hebben een eigen roadmap.
