La Question Technique : ARM contre x86, quelles différences fondamentales ?
Par Matthieu Sarter · Le 5 juillet 2014 à 10h00

Pendant des années, l’écrasante majorité des utilisateurs de produits informatiques grand public n’avaient affaire qu’à une seule famille de processeurs : les processeurs x86, produits principalement par Intel et AMD. Toutefois, avec l’avènement des appareils mobiles, les lignes ont bougé et c’est une autre famille qui a largement pris les devants en nombre d’appareils vendus : les processeurs ARM. Mais savez-vous quelles sont les différences fondamentales entre les architectures ARM et x86 ?

CISC vs RISC

La principale différence entre les deux architectures tient dans les choix de conception de leur jeu d’instruction : le x86 est une architecture CISC (Complex Instruction Set Computer), tandis que l’ARM est une architecture RISC (Reduced ISC).

Cela signifie que les puces ARM ne supportent que des instructions simples et de taille fixe (4 octets pour le jeu d’instructions ARM standard, 2 octets pour le jeu réduit Thumb), s’exécutant en un nombre constant de cycles, à l’inverse des puces x86 qui proposent des instructions nécessitant plus de cycles que d’autres, pour réaliser certaines tâches complexes. Les puces ARM supportent également moins de modes d’adressage (la façon de référencer une donnée dans une instruction), la plupart des instructions ne pouvant travailler qu’avec des données présentes dans un registre (des petites zones de mémoire intégrées au processeur), alors que la majorité des instructions x86 peuvent aller chercher des données directement en mémoire.

L’intérêt d’une architecture RISC se situe principalement dans la moindre complexité du schéma électronique de la puce : pour atteindre un même niveau de performances, il faut généralement moins de transistors, ce qui permet de réduire les coûts de production et d’avoir une meilleure efficacité thermique. Du fait de l’obligation de faire des accès mémoire explicites dans le code, les processeurs RISC sont également souvent dotés d’un plus grand nombre de registres, ce qui permet de réduire la fréquence des accès mémoire. Ainsi, l’architecture ARMv7 dispose de 15 registres principaux et l’architecture ARMv8 en comporte 31, alors que le x86 n’en possède que 8 pour le code 16/32/64 bits et 8 supplémentaires réservés au code 64 bits.

Les architectures CISC ont pour leur part l’avantage de permettre un code exécutable plus compact, réduisant ainsi le nombre d’accès à la mémoire. Par ailleurs, même si elles sont plus longues à exécuter que les instructions simples, certaines instructions spécialisées peuvent s’exécuter bien plus vite que leur équivalent en instructions simples. En contrepartie, l’étage de décodage des instructions est plus complexe, puisqu’il doit être capable d’interpréter un grand nombre d’instructions, de tailles très variables (les plus courtes ne font qu’un seul octet, mais les plus longues frisent les 20 octets) et de gérer des modes d’adressage avancés, nécessitant de réaliser des opérations arithmétiques pour déterminer les adresses. Par exemple, l’un des modes d’adressage du x86 permet d’utiliser des adresses de la forme R1+R2*C1+C2 ou R1 et R2 sont le contenu de deux registres et C1 et C2 deux constantes intégrées directement dans le code de l’instruction.

Notons toutefois qu’en pratique les processeurs x86 d’aujourd’hui ont en fait un cœur d’exécution interne plus proche d’une architecture RISC que d’une architecture CISC, associé à un étage de décodage des instructions qui s’occupe de convertir le flux d’instructions x86 en instructions internes plus simples. Ces processeurs restent des processeurs CISC, du fait de leur interface interne, mais le recours à une architecture interne RISC permet de réduire la complexité des unités d’exécution.

À l’inverse, les processeurs ARM (et bon nombre d’autres processeurs RISC) ont adopté des instructions spécialisées, notamment pour les traitements multimédia, via des extensions du jeu d’instructions de base, comme par exemple l’extension NEON.

Optimisation logicielle et optimisation matérielle

Le choix entre RISC et CISC a une incidence directe sur la façon d’optimiser les performances du système.

Dans le monde ARM, c’est avant tout sur le logiciel que le travail d’optimisation doit être fait, et en particulier sur le compilateur. En effet, les instructions s’exécutant à peu près toutes dans un même nombre de cycles, il est essentiel de produire du code utilisant le moins d’instructions possible : pour un même résultat final, plus le code sera court, plus il sera rapide.

Dans le monde x86, il est bien évidemment aussi important de réaliser des optimisations au niveau logiciel, mais elles ne portent cette fois plus simplement sur le nombre d’instructions (pour un même résultat, un programme de 27 instructions peut être plus performant qu’un autre de 23 instructions…), mais aussi sur le choix des instructions complexes et des modes d’adressage, qui peuvent parfois avoir un impact très important sur les performances.

En plus de cette optimisation logicielle, il y a aussi un gros travail d’optimisation fait par le CPU lui-même. Une instruction de longue durée pouvant bloquer les instructions suivantes dans l’attente de son résultat, les fondeurs ont développé des systèmes de plus en plus complexes pour limiter la casse dans ces situations. Ainsi, les processeurs se sont mis à anticiper le résultat pour traiter les instructions suivantes (prédiction de branchement), quitte à recommencer si le résultat définitif n’était pas celui attendu, à exécuter les instructions dans le désordre (out-of-order), et même à regrouper plusieurs instructions en une seule. Tous ces traitements ont bien sûr un coût en transistors, mais en contrepartie elles peuvent parfois apporter des gains importants d’une génération à l’autre de processeur sans que les logiciels aient besoin d’être adaptés.

Le fait d’avoir des instructions de durée d’exécution variable peut également permettre de faire des optimisations à ce niveau, en réduisant le nombre de cycles nécessaires pour une instruction très utilisée. Par exemple, alors que le Pentium 4 avait besoin de 80 cycles pour effectuer une division entière à partir de deux registres, le Core 2 Duo n’avait plus besoin que de 17 cycles pour la même opération. À l’inverse, certaines instructions peuvent nécessiter plus de cycles sur une nouvelle génération, par exemple si elles sont peu utilisées et que le fondeur a décidé de sacrifier un peu les performances sur cette instruction au profit d’une réduction de la complexité ou de la consommation. Par exemple, une conversion de little-endian à big-endian sur le contenu d’un registre nécessitait 1 cycle sur le Pentium 4 contre 4 sur le Core 2 Duo.

Ces algorithmes toujours plus complexes intégrés au processeur sont en grande partie responsable de la consommation élevée des processeurs x86, mais c’est aussi grâce à cette complexité que les processeurs x86 haut de gamme restent aujourd’hui nettement plus performants que les meilleures puces ARM.

Mais ces derniers ont désormais eux aussi de plus en plus recours à ce type d’algorithmes pour améliorer les performances, quitte à augmenter un peu la consommation. Par exemple, depuis le Cortex-A9, les Cortex haut de gamme (A9, A15, A57…) disposent eux aussi d’un pipeline out-of-order de plus en plus poussé, tandis que les déclinaisons d’entrée de gamme qui visent avant tout la faible consommation (A5, A7, A53) conservent un pipeline in-order.

Au final, malgré des philosophies initiales très différentes, les puces ARM et x86 sont donc de plus en plus proches techniquement : les puces ARM haut de gamme se complexifient pour gagner en performances, atteignant désormais les performances de l’entrée de gamme x86, pendant que les puces x86 d’entrée de gamme se simplifient pour gagner en consommation, au point que les plus petits cœurs x86 d’aujourd’hui commencent à approcher la taille des gros cœurs ARM. Par exemple, avec une même finesse de gravure de 28 nm, un cœur AMD Jaguar occupe 3.1mm² contre 1.62mm² pour un ARM Cortex-A15 offrant des performances du même ordre. Un cœur Haswell gravé en 28 nm occuperait pour sa part une surface de l’ordre de 23mm², mais avec des performances sans commune mesure avec celles d’un Cortex-A15.

Coeurs ARM x86 Surface
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La stratégie commerciale

Une fois n’est pas coutume, La Question Technique va aborder l’aspect commercial… Impossible en effet de comparer x86 et ARM sans évoquer les stratégies commerciales radicalement différentes. En effet, si l’excellente efficacité thermique des puces ARM et leur faible coût de production a joué un rôle majeur dans leur succès sur le secteur mobile, la politique commerciale d’ARM a forcément joué un rôle important également.

La société ARM a en effet fait le choix de ne pas fabriquer de processeurs. Elle se contente de concevoir des architectures (ARMv6, ARMv7, ARMv8…) et diverses microarchitectures de référence implémentant ces architectures (les fameux Cortex), puis vend des licences sur ces architectures. Les fabricants des puces ARM peuvent alors soit prendre une licence sur l’architecture et concevoir leur propre microarchitecture, comme le font par exemple Apple et Qualcomm (et bientôt, nVidia, Samsung…), soit prendre une licence sur une microarchitecture de référence et l’intégrer avec d’autres circuits pour former un SoC complet. Pour ce faire, ils peuvent d’ailleurs également prendre des licences sur d’autres circuits conçus par ARM, notamment les GPU Mali.
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ARM Business Model
Cette stratégie rend le monde ARM très ouvert et concurrentiel, avec plusieurs dizaines de fabricants de puces ARM, et offre la possibilité de réaliser assez simplement des processeurs et des SoC répondant à des besoins spécifiques, ce qui a été un gros plus avec l’arrivée des smartphones, pour lesquels il a été nécessaire de disposer de puces embarquant des GPU performants, quasi inexistantes auparavant. Aujourd’hui, ARM propose un portefeuille de 1000 licences, utilisées par plus de 300 sociétés tierces (en croissance de plusieurs dizaines par an) dont la moitié environ commercialise actuellement des puces ARM, avec à la clé un chiffre impressionnant : la production de puces ARM atteint 10 milliards d’unités par an !

Dans le monde x86, la conception de l’architecture est principalement effectuée par Intel, avec quelques emprunts à AMD, en vertu d’accords de licence croisés conclus entre les deux fondeurs. Mais par contre, les licences sur l’architecture sont bien plus limitées. En effet, comme Intel produit ses propres processeurs, tout fondeur titulaire d’une licence x86 devient un concurrent d’Intel. Ainsi, aujourd’hui seuls deux fondeurs produisent encore des CPU x86 sous licence : AMD et VIA, qui a récupéré la licence de Cyrix en le rachetant.

Par ailleurs, ces licences se limitent à l’architecture. Intel conçoit bien des microarchitectures, mais elles sont exclusivement réservées à sa propre production. Les fondeurs qui souhaitent produire des puces x86 doivent donc concevoir leurs propres microarchitecture, ce qui est loin d’être simple face à la force de frappe dont dispose Intel, d’autant plus qu’Intel s’occupe à la fois de la conception de ses puces et de leur production, ce qui lui permet d’adapter au mieux ses puces à ses processus de production (et inversement) et de réaliser des marges importantes, du fait de l’absence d’intermédiaire, ce qui offre ensuite à la R&D des budgets importants… Intel fait ainsi en moyenne entre 15 et 20% de bénéfice net sur ses processeurs, alors que les royalties touchés par ARM sur les puces produites par ses partenaires sont généralement compris entre 1 et 2%.

Mais avec l’avènement des SoC mobiles, Intel pourrait assouplir un peu sa stratégie de licences pour mieux répondre aux besoins du secteur mobile, comme le montre le récent accord conclu avec Rockchip. Spécialisé jusqu’à présent dans les SoC ARM d’entrée de gamme, le chinois va en effet se lancer dans la conception de SoC x86 qui auront la particularité d’utiliser une microarchitecture Intel Atom, et non pas simplement une architecture x86. Ils devraient également embarquer un modem Intel, tandis que Rockchip s’occupera de l’intégration des autres composants du SoC, en particulier le circuit graphique, qui ne sera pas d’origine Intel. Ces SoC resteront par contre vendus sous la marque Intel, même si leur fabrication sera confiée à un autre fondeur (probablement TSMC).