ARM: Attende til framtidi

Visste du at du må attende til England på 80-talet for å forstå deg på moderne smarttelefonar og nettbrett?

I kvar einaste smarttelefon og kvart einaste nettbrett finn du ein eller fleire mikroprosessorar. Dei fleste hev nok høyrt um mikroprosessorar frå Intel – 386, 486, Pentium I og II – men den mest bruka mikroprosessoren i verdi er ikkje frå Intel, han er frå ARM. I 2017 hadde det so langt vorte produsert meir enn 100 milliardar ARM-prosessorar.

Medan Intel sine Pentium-prosessorar i si tid tevla ut både Motorola, IBM, ARM og alle andre på skrivebordsmarknaden, so hende det motsette med mobiltelefonar, smarttelefonar og nettbrett. Her er ARM vorte so godt som einerådande, medan Intel aldri fekk innpass. No er det likt til at ARM er på veg inn att på skrivebordsmarknaden med. Det skal du få høyra meir um i denne artikkelen.

Men fyrst skal me ta turen til England, tidleg på 80-talet…

Til liks med vårt eige NRK so hadde den britiske statskanalen på denne tidi enno eit danings- og folkeupplysningsprosjekt å taka vare på. Og medan NRK serverte folk både finsk fjernsynsteater og skulefjernsynsprogram av ymist slag (*), so sette BBC i gang ein serie med upplæringsprogram i dataprogrammering, det vart kalla for «The BBC Computer Literacy Project». Her var det firmaet Acorn som fekk det ærefulle uppdraget med å produsera ein eigen heimedatamaskin, kalla for BBC Micro. Takk vere det populære TV-programmet so vart BBC Micro å finna i klasserom i heile Storbritannia.

BBC Micro nytta seg av mikroprosessoren MOS 6502 med 8-bits instruksjonar, den same som ein finn i  heimedatamaskinen Commodore 64. Men Acorn ynskte å taka steget inn i den IBM-dominerte kontormaskin-marknaden, og då trongst det ein ny og kraftigare prosessor. Dei byrja difor å sjå seg um etter alternativ til 6502. Millom anna byrja dei å snusa på Motorola 68000 med 16-bits instruksjonar (nytta på Apple Macintosh, Amiga og Atari ST).

Motorola 68000 hadde eit komplekst instruksjonssett der instruksjonane kunde ta etter måten mange klokkeperiodar å fullføra, og på den måten tok det relativt lang tid å taka hand um avbrotssignal som kom frå andre brikkor på krinskortet. Ingeniørane hjå Acorn var vande med den kjappe avbrotsresponsen på 6502 og vilde ikkje ha ein arkitektur som var dårlegare på dette punktet.

Acorn tok difor mål av seg å konstruera sin eigen prosessor, men korleis skulde eit relativt lite firma vera i stand til noko slikt? Å skreddarsy ein 16-bits eller 32-bits prosessor tok normalt mange år med hundradtals ingeniørar i arbeid. Det hadde Acorn korkje tid eller pengar til.

RISC: Det greidaste er det beste

Det var her at nokre vitskaplege artiklar frå Berkeley-universitetet kom som manna frå himmelen: I staden for komplekse arkitekturar med umfemnande instruksjonssett so hadde nokre unge stipendiatar teke til ords for det dei kalla ein datamaskin med redusert instrukssjonssett (RISC). Med ein RISC-prosessor fanst det berre nokre fåe grunnleggjande instruksjonar. Desse grunnleggjande instruksjonane kunde matast inn i ein liten tilstandsmaskin som vart driven etter samlebandsprinsippet. På denne måten vart prosessoren ikkje berre mindre i areal, han kunde køyra på ein høgare klokkefrekvens og ein kunde få ei bandbreidd som nærma seg 1 instruksjon per klokkeperiode.

I ei tid då klokkerata på prosessorar låg på eit par megaherz og der sume instruksjonar kunde bruka hundradtals klokkeperiodar so var dette revolusjonerande.

Inspirerte av RISC-filosofien so sette nokre fåe ingeniørar på Acorn i gang med å laga ein ny prosessor på rekordtid. Resultatet var ein 32-bits RISC-prosessor som var både einfeld, liten og logisk uppbygd. Endå ein gong i menneskesoga so fekk ein det stadfest at dei beste løysingane kjem når nokre fåe personar fær frie hender til å setja eigne idear ut i livet.

På mange måtar kann den fylgjerette og yversynlege ARM-prosessoren jamførast med Ivar Aasens landsmål. Medan den store og tungrodde Intel x86 med heile sitt store etterslep av bakoverkompatibilitet er for ei Hellevik-ordlista å rekna (Les: resultat av årevis med tautrekking og kompromiss millom altfor mange dillettantar).

ARM-baserte Acorn Archimedes kom på marknaden i 1987, og han skulde verta den dominerande datamaskinen i britisk utdaningsverk heilt inn på 90-talet. Når Archimedes-maskinen kom, so var han ein av dei kraftigaste heimedatamaskinane som ein kunde få tak i. Medan ein Motorola 68000 kunde klara 1 million instruksjonar per sekund når han køyrde på 8MHz, so kunde ein ARM-prosessor på same frekvens klara nesten 5 millionar instruksjonar per sekund.

På same måten som Apple Macintosh so var Archimedes ein retteleg kontordatamaskin med grafisk brukargrensesnitt. I 1994 vart Archimedes avløyst av ein ny ARM-basert maskin som dei kalla for RiscPC. Både Archimedes og RiscPC nytta seg av operativsystemet RiscOS.

Frå skrivebordet til bukselumma…

Same kor effektiv ARM-arkitekturen skulde vera, so greidde ikkje vesle Acorn å tevla mot halvleidar-giganten Intel som på 90-talet kom med snøggare og snøggare Pentium-prosessorar. Effektforbruket på Pentium-prosessorane gjekk rett til himmels, men yteevna åt dei Pentium-baserte heimedatamaskinane var uslåeleg.

I 1999 gav Acorn upp heimedatamaskinane og avslutta RiscPC-produksjonen. Men soga um ARM skulde ikkje taka slutt, det var tvert imot berre byrjingi. For same kor kraftige Intel-prosessorane var so hadde dei eit uhorveleg stort effektforbruk som gjorde dei ubrukelege til alt burtsett frå å stå i eit avkjølt datamaskin-kabinett.

Og det er berre ein liten prosent av alle mikroprosessorar i verdi som vert nytta i vanlege datamaskinar. Dei aller fleste mikroprosessorar vert nytta i forbrukarelektronikk som til dømes bilar, vaskemaskinar, digitalkamera og MP3-spelarar.

Og i våre dagar ikkje minst smarttelefonar og nettbrett…

Når ein i moderne smarttelefonar kann køyra avansert grafikk og ljod og ha batterilevetid på titals timar so er det eine og åleine ARM-prosessoren å takka for det. Cortex-serien med ARM-baserte mikrokontrollarar er skreddarsydde til å både kunna køyra på høg frekvens og samstundes ha lågt effektforbruk. Samstundes er det kome skreddarsydde ARM-baserte integrerte krinsar som både hev modem, GPS, grafikkprosessor og mikroprosessor. Snapdragon frå Qualcomm er ein integrert krins av dette slaget. Dei færraste hev høyrt um honom, men so godt som alle Android-telefonar køyrer på ein Snapdragon-prosessor (um ein ser burt frå kinesiske Huawei som hev sin eigen Kirin-prosessor. Det er ein ARM Cortex, det med).

Raspberri Pi er ein ARM-basert single-board-computer som er vorten populær millom hobbyelektronikarar, men fyremålet med Raspberry Pi er å gjera datateknologi lett tilgjengeleg i utviklingsland. Det er eit lite krinskort som ein kann halda i handi, men som både hev nettverksgrensesnitt, USB- og HDMI-tilkoplingar, og som både kann køyra Linux og Windows (og endåtil gode gamle RiscOS for dei som er nerdete og nostalgiske nok til det).

Internet of Things (IoT) er vorte eit nytt umgrep i det seinaste tiåret. Det skal vera «smarte» løysingar på alt, og aller helst styrt og uppdatert frå nettet og tufta på statistikk lasta ned frå ei nettsky. Det hev vorte skapt store nettsamfund millom både hobbyelektronikarar og profesjonelle IoT-utviklarar, som med ARM Mbed og Arduino.

I 2011 kom ARM Holdings med den fyrste 64-bits spesifikasjonen for ein ARM-prosessor, og 2 år etterpå var Apple ute med Iphone 5 som køyrde på ein eigenprodusert 64-bits ARM-prosessor. Operativsystemet iOS er ein nedstrippa variant av MacOS, skreddarsydd for å køyra på ARM-baserte iphones og ipads.

…og attende til skrivebordet?

Men det stoggar ikkje der. Når Intel i si tid vart einerådande på skrivebordsmarknaden, so var det av di dei kunde køyra klokkefrekvensen på prosessorane sine so høgt upp at ingen andre var i stand til å slå dei på yteevna. Men når klokkeratone midt på 2000-talet var komne upp i 2-3 gigaherz, so gjekk ikkje dette lenger – med di effektforbruket er proporsjonalt med klokkefrekvensen. Samstundes so heldt Moores lov fram med å gjelda, og skulde ein auka prosessorkapasiteten so laut ein parallellisera og ha fleire prosessorkjernar på same brikka. Her med fekk ARM attende ein av fyremunene sine, med di det er lett å parallellisera ARM-kjernor: Dei er småe i areal og dei einfelde instruksjonane gjer det lett for kompilatoren å fordela instruksjonar på ulike kjernar.

Våren 2018 frettest det at Apple arbeider med ein eigen ARM-prosessor til bruk i laptopane sine med, og skulde det henda so er ARM for ålvor attende på skrivebordsmarknaden. Men ikkje berre Apple: Microsoft hev alt gjenge frå ord til handling og kome med Windows 10 for ARM. Saman med Asus og Lenovo so hev dei lansert ein ny serie av laptopar, kalla for «Always Connected». Desse datamaskinane hev både trådlaust internett og 4G, og dei hev samstundes ei batterilevetid på upp til 48 timar.

30 år etter 80-talet og 20 år etter at dei siste RiscPC’ane rulla ut frå samlebandet so er det berre å slå fast at ringen er slutta: Framtidsteknologien ligg alt ein generasjon bak oss…

Olav Torheim

(*) NRK hadde ein eigen serie med dataupplæringsprogram, dei med. Han vart kalla «Datastart» og kom i 1984.