کامپیوترهای مک مبتنی بر آرم چه سطحی از کارایی پردازشی را ارائه می‌کنند؟

اپل در رویداد WWDC از تصمیم خود مبنی بر مهاجرت از پردازنده‌های اینتل به آرم خبر داد. از آن زمان، بسیاری از کاربران و کارشناسان این سؤال را مطرح می‌کنند که کامپیوترهای آتی چه سطحی از کارایی و بهره‌وری را به کاربران ارائه خواهند کرد؟ پاسخ به چنین سوالی قطعا آسان نخواهد بود. به‌علاوه، در بسیاری از بحث‌ها درک صحیحی از تفاوت پردازنده‌های مدرن x86 با پردازنده‌های آرم وجود ندارد.

رقابت بین CISC و RISC؟

برخی از مقاله‌هایی که در روزهای اخیر با تمرکز بر مقایسه‌ی بهره‌وری پردازنده‌ها منتشر شده‌اند، تفاوت آن‌ها را در معماری زیرساختی یعنی CISC در برابر RISC می‌دانند. البته چنین مقایسه‌ای قطعا مناسب وضعیت کنونی دنیای پردازنده نیست.

مقایسه بین معماری دستورالعمل‌ها در پردازنده‌های x86 و آرم از سال‌ها پیش در دنیای فناوری دیده می‌شود. معماری دستورالعمل که به‌نام ISA شناخته می‌شود، در دو نوع معماری مبتنی بر x86 و آرم با هم تفاوت دارد که به‌نام‌های CISC و RISC شناخته می‌شوند. دهه‌ها پیش، طراحی‌های CISC (مخفف Complex Instruction Set Computer) مانند x86 مبتنی بر دستورالعمل‌های پیچیده و با طول‌های متفاوت بود که توانایی رمزگذاری (encode) بیش از یک عملیات را داشت. طراحی‌های پردازنده‌ در سبک CISC در دوره‌هایی که حافظه بسیار گران‌قیمت بود، در دنیای پردازنده فرمانروایی می‌کردند. در هر دو بخش هزینه به ازای هر بیت پردازش داده و همچنین تأخیر در دسترسی به دستورالعمل‌ها، شاهد برتری آن طراحی‌ها بودیم. به بیان ساده، دستورالعمل‌های پیچیده‌ی مبتنی بر طراحی مذکور، امکان نوشتن کدهای بیشتر و عمیق‌تر را با دسترسی و نیاز کمتر به حافظه فراهم می‌کرد.

طراحی مبتنی بر آرم در مقابل طراحی قدیمی قرار می‌گیرد که از اصول RISC (مخفف Reduced Instruction Set Computer) پیروی می‌کند. به بیان ساده، این نوع طراحی دستورالعمل، محدودیت مشخصی برای طول دستورالعمل‌ها دارد که هرکدام تنها یک عملیات را انجام می‌دهند. پردازش مبتنی بر RISC، در دهه‌ی ۱۹۸۰ به پدیده‌ای مرسوم تبدیل شد. در آن زمان، قیمت حافظه‌های رم کاهش یافت. درنهایت طراحی RISC جای CISC را گرفت، چون طراحان پردازنده به این نتیجه رسیده بودند که ساختن معماری‌های ساده در سرعت‌های کلاک بالا، بهتر از تحمل نقاط ضعف و کمبودهایی خواهد بود که طراحی مبتنی بر CISC در بهره‌وری و نیروی مصرفی دارد.

نکته‌ی جالب‌توجه اینکه هیچ پردازنده‌ی x86 مدرنی لزوما از دستورالعمل‌های x86 بهره نمی‌برد. اینتل در سال ۱۹۹۵ سری پنتیوم پرو را معرفی کرد. این پردازنده‌ها اولین ریزپردازنده‌های x86 بودند که دستورالعمل‌های x86 CISC را به فرمت RISC داخلی تبدیل می‌کردند که برای اجرا، ساده‌تر بودند. درنهایت تقریبا تمامی پردازنده‌های AMD و اینتل از انتهای دهه‌ی ۱۹۹۰ در ساختار داخلی خود از طراحی RISC بهره می‌برند. درنتیجه امروز می‌دانیم که جنگ RISC و CISC به پایان رسیده و RISC پیروز میدان بوده است.

شرکت‌ها تنها به این دلیل هنوز از مفاهیم CISC و RISC استفاده می‌کنند که برای مردم قابل فهم‌تر خواهد بود. درنتیجه امروز بسیاری تصور می‌کنند که آرم به‌خاطر RISC بودن طراحی اصلی از x86 که مبتنی بر CISC عمل می‌کند، سریع‌تر است. درصورتی‌که امروز می‌دانیم چنین گزاره‌ای صحیح نیست. درواقع طی دو دهه‌ی گذشته، تنها پردازنده‌ی اینتل یا AMD که از دستورالعمل‌های کاملا x86 استفاده می‌کند، Atom است.

تنها نکته‌ی قابل بحثی که در موضوع مقایسه‌ی RISC و CISC باقی می‌ماند، در همان بخش رمزگشایی دستورالعمل‌ها دیده می‌شود. سؤال اصلی در این حوزه مطرح می‌شود که آیا بخش رمزگشایی و تبدیل دستورالعمل‌های CISC به RISC در پردازنده‌های x86 توان زیادی مصرف می‌کند؟ پاسخ به همین سؤال، تفاوت عملکرد و سرعت پردازنده‌های x86 و آرم را نشان می‌دهد.

اینتل و AMD می‌گویند که توان مصرفی بخش ترجمه‌ی دستورالعمل‌ها در پردازنده‌های x86 آن‌چنان قابل‌توجه و تأثیرگذار نیست. درواقع آن‌ها ادعا می‌کنند که تأثیر مصرف نیروی بخش رمزگشایی در محدوده‌ی سه تا پنج درصد قرار دارد. ادعای دو شرکت مذکور در مقایسه‌ها و بررسی‌های مستقل هم تاحدودی تأیید می‌شود. یکی از مقایسه‌های مستقل نشان می‌دهد که تأثیر رمزگشایی دستورالعمل‌ها در زمانی‌که حافظه‌های کش L2 یا L3 تحت حداکثر فشار باشند حدود سه درصد خواهد بود. به‌علاوه، حداکثر ۱۰ درصد از عملیات بخش رمزگشایی به‌عنوان مانعی بر سر بهره‌وری پردازنده عمل می‌کند. مصرف توان ایستای هسته‌های پردازنده هم تنها نصف مجموع مصرف توان گزارش می‌شود. درنهایت محققان مطالعه‌ی مستقل درنهایت می‌گویند که ۱۰ درصد هم مقداری غیر طبیعی به شمار می‌رود.

در سال ۲۰۱۴ مقاله‌ای پیرامون بازدهی ISA منتشر شد که ادعاهای بالا را تأیید می‌کند. این مقاله می‌گوید که بازدهی ISA در سطح بالاتر از ریزمعماری تقریبا در هر دو نوع دستورالعمل برابر گزارش می‌شود. به بیان خلاصه تمامی مقایسه‌هایی که سرعت x86 و آرم را در مقابل یکدیگر بررسی می‌کنند، براساس پایه‌های طراحی پردازنده مطرح شده‌اند و ISA را مورد بررسی قرار نمی‌دهند. از زمان انتشار دو مقاله‌ی بالا هم مقایسه‌ی عمیق مشابهی انجام نشده است و تنها یک پایان‌نامه‌، نتایجی متفاوت را نشان می‌دهد که آن هم به‌جای بررسی‌های عمیق واقعی سخت‌افزاری، به نظریه‌پردازی‌های تئوری بسنده می‌کند.

مصرف توان در پردازنده براساس فاکتورهایی همچون بازدهی واحدهای اجرایی، مصرف توان در حافظه‌های کش، زیرسیستم ارتباطی اینترکانکت، واحد‌های دریافت و رمزگشایی و موارد مشابه دیکر محاسبه می‌شود. طراحی ISA شاید روی پارامترهای طراحی و برخی از بلوک‌های عملکردی تأثیر بگذارد، اما ISA به‌تنهایی نقشی در تفاوت کارایی ریرپردازنده‌های مدرن ندارد.

آیا اپل تراشه‌‌ای بهتر از اینتل یا AMD می‌سازد؟

برخی از بنچمارک‌ها که در رسانه‌های فناوری منتشر می‌شوند، عملکرد پردازنده‌های اپل را در برخی موارد بالاتر می‌دانند. به‌‌عنوان مثال بنچمارک‌های GeekBench 5 و GFX Bench 5 نشان می‌دهند که گجت‌هایی همچون آیپد پرو و حتی برخی از انواع آیفون، لپ‌تاپ‌های مک مبتنی بر پردازنده‌ی اینتل را در سرعت و قدرت پرداشی شکست می‌دهند.

در مقایسه‌ای دیگر با WebXPRT 3، اینتل هنوز برتری دارد. درنهایت، مقایسه‌های عملکردی که بتوان در آن‌ها دو پلتفرم را به‌صورت کاملا واضح در برابر هم قرار داد، محدود هستند و نتایج آن‌ها هم در جهت‌های مخالف و گمراه‌کننده‌ای قرار می‌گیرد.

بنچمارک مقایسه‌ای برای لپ‌تاپ‌های مبتنی بر اینتل با تبلت یا گوشی هوشمند محهز به پردازنده‌ی آرم، فاکتورهای و نتایج متنوعی ارائه می‌کند. برای مقایسه‌ی بهتر ابتدا به بنچمارک‌های بهتری نیاز داریم که در شرایطی شبیه‌تر و نزدیک‌تر انجام شود. چنین مقایسه‌ای هم تا زمان عرضه‌ی محصول نهایی مک مبتنی بر آرم ممکن نمی‌شود. تنها در آن زمان می‌توان دو سیستم‌عامل مشابه مک را در دو پلتفرم و معماری متفاوت با هم مقایسه کرد. ازطرفی، بنچمارک GeekBench در مقایسه‌ی عملکرد پردازنده‌ها ابزار مناسبی محسوب نمی‌شود. قبلا هم شک و شبهه‌های متعددی پیرامون کارایی بنچمارک مذکور در مقایسه‌ی پردازنده در چند پلتفرم مطرح شده بود. درنهایت برای نتیجه‌گیری منطقی نیاز به مقایسه‌های واقعی و مشابه بیشتری برای بررسی پلتفرم‌های گوناگون داریم.

از فاکتورهای موثری که در مقایسه‌ی عملکرد پردازنده‌ها به نغع اپل هستند می‌توان به پیشرفت مداوم آن‌ها در طراحی معماری پردازنده اشاره کرد. به‌علاوه، همه می‌دانیم که کوپرتینویی‌ها با جدیت به‌دنبال برتری کارایی در پردازنده‌ها هستند. اگر اپل از توانایی خود در ارائه‌ی قدرت پردازشی حداقل برابر با اینتل مطمئن نبود، هیچ دلیلی برای تغییر معماری پردازنده‌های خود نمی‌دید. همین حقیقت که آن‌ها به توانایی ارائه‌ی عملکرد و قدرت بیشتر اعتقاد دارند، اعتقاد عمیق شرکت را به محصولات خودش نشان می‌دهد.

نکته‌ی مهم در برنامه‌ی مهاجرت اپل به آرم این است که آن‌ها دوره‌ی زمانی کوتاهی را برای تغییر مسیر انتخاب نکرده‌اند. کوپرتینویی‌ها می‌گویند که دوره‌ی گذار، حداقل دو سال به طول خواهد انجامید. تصمیم آن‌ها را می‌توان نشانه‌ای از تمرکز شرکت روی پلتفرم موبایل دانست. به‌هرحال مقیاس‌دهی یک تراشه‌ی ۳/۹ واتی آیفون به تراشه‌ای ۱۵ تا ۲۵ واتی در فرم فاکتور لپ‌تاپ، بسیار آسان‌تر از مقیاس‌دهی به فرم فاکتور دسکتاپ با توان طراحی ۲۵۰ واتی خواهد بود. در دنیای دسکتاپ، باید بخش‌ها و فناوری‌های متعددی به تراشه اضافه شود تا مواردی همچون PCIe 4.0 و رم استاندارد DDR4 یا DDR5 و بسیاری موارد دیگر، تأمین شوند.

اپل به احتمال زیاد می‌تواند پردازنده‌ای قدرتمندتر از پردازنده‌های x86 اینتل در لپ‌تاپی قدرتمند عرضه کند. البته حوزه‌ی دسکتاپ و پردازنده‌هایی با توان طراحی گرمایی بالا، قطعا تا سال‌ها تحت سلطه‌ی معماری x86 باقی خواهد ماند. درنهایت، عرضه‌ی پردازنده‌ی مبتنی بر آرم توسط اپل را می‌توان مهم‌ترین رویداد رونمایی دنیای پردازنده پس از رخداد سال ۲۰۱۷ و عرضه‌ی رایزن ازسوی AMD دانست. تاریخچه‌ی اپل در استراتژی بازار و قیمت‌گذاری نشان می‌دهد که هدف‌گیری بازار انبوه با محصولات جدید،‌ آن‌چنان محتمل نخواهد بود.