Des smartphones aux supercalculateurs, les processeurs ARM peuvent-ils dominer le monde ?

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S’il est un serpent de mer dans le monde de l’informatique, c’est bien celui de l’avènement des processeurs ARM. Cela fait ainsi plusieurs années que la montée en puissance des puces ARM dans les smartphones fait planer le fantasme d’un tsunami technologique qui viendrait balayer les puces x86/x64 des géants Intel et AMD. Qu’il s’agisse des domaines des PC portables ou de serveurs cloud, les initiatives ARM sont légion.

Au rang des annonces récentes et des rumeurs qui font couler beaucoup d’encre, on note la bataille menée par Qualcomm pour s’imposer dans le PC avec ses Snapdragon, les lancements prochains de puces ARM pour serveur d’Amazon et d’Ampère, ou encore les hypothétiques MacBook d’Apple qui remplaceraient les Core d’Intel par des puces Ax dérivées de celles des iPhone.

Autant d’initiatives qui sont interprétées comme des signes de « la fin du x86 ». Petite radiographie de cette grande percée des processeurs ARM.

x86/x64 et ARM : ça veut dire quoi ?

Du smartphone au PC en passant par les serveurs qui nous alimentent en données, le monde de l’informatique au sens large tourne autour de deux architectures de processeurs.
Du côté « puissance » de la force, on retrouve l’architecture x86/x64 utilisée par Intel et AMD. Intel est l’inventeur du x86 et a jadis confié une licence de production à AMD… Qui a su transformer l’essai et être le premier à proposer une puce 64 bits grand public basée sur cette architecture – d’où la mention x86/x64.
C’est ce genre de processeur que l’on retrouve dans les PC fixes comme portables ou encore dans les serveurs et autres supercalculateurs.

De l’autre côté du ring, ARM est une architecture développée par l’entreprise anglaise du même nom et qui est un champion de la consommation énergétique.
Contrairement à Intel et AMD, ARM ne produit pas ses propres puces, mais développe des architectures que d’autres entreprises peuvent utiliser pour concevoir leurs propres processeurs.
Ainsi, si seuls AMD et Intel (ou presque) développent et commercialisent des puces x86, une horde de concepteurs et fabricants conçoivent, personnalisent, fabriquent ou font fabriquer des puces ARM.   

Certains grincheux pourraient à raison pointer du doigt l’existence d’autres architectures, et ils ont raison. Mais qu’il s’agisse de l’architecture Power que l’on retrouve dans des supercalculateurs ou des satellites, ou bien des architectures SPARC, RISC V et autres MIPS, leurs champs d’utilisation sont extrêmement réduits par rapport au x86 et à ARM.

L’Odyssée d’ARM : le co-processeur de la BBC qui a envahi le monde

L’architecture « Acorn RISC Machine » a été développée par la société anglaise Acorn au début des années 80 et son premier usage commercial a été l’implémentation d’un co-processeur utilisé pour épaulé le CPU, un MOS Technology 6502 intégré dans des ordinateurs développés pour… la BBC.
Sous l’égide d’un programme d’apprentissage de l’informatique aux enfants britanniques, la « Beeb » a développé le BBC Micro, un ordinateur simple et efficace qui s’est écoulé à plus d’un million et demi d’exemplaires entre 1981 et 1984.

Est-ce cet ADN de simplicité et d’efficacité qui a influencé le développement du jeu d’instructions ARM ? Peut-être, mais ce qui est sûr c’est que si les premières puces ARM ont pu un temps égaler les performances des puces x86, la simplicité des puces ARM leur a permis de briller ailleurs.

Un ailleurs qui veut dire partout. En 2017, ARM annonçait que plus de 100 milliards de processeurs ARM avaient été produits depuis le début des années 80, dont la moitié entre 2013 et 2017.
En ce début d’année 2020, nul doute que le compteur a explosé bien au-delà de cette limite. Car des smartphones au Raspberry Pi, des Nintendo Switch en passant par la plate-forme automobile Nvidia Xavier, des iPad à la Freebox Delta, du Google Chromecast jusqu’à votre Thermomix TM5, les objets qui fonctionnent avec des CPU (ou SoC) basés sur l’architecture ARM sont tout autour de nous.

Après avoir conquis le monde grâce à leur excellent ratio watt/performance et leur caractère hautement configurable, ils tentent aujourd’hui de (re)venir dans l’univers de l’informatique « normale ».

Qualcomm s’attaque au PC, Apple en embuscade

Le produit le plus important de la conférence Surface de Microsoft à l’automne dernier n’était pas le Surface 15 avec la puce AMD Ryzen Mobile. Si c’était bien la première fois que Microsoft lançait un produit sous sa marque avec une puce AMD, les processeurs Ryzen sont des puces x86 « normales ». La vraie star du show était la Surface Pro X, un modèle haut de gamme qui intègre une puce custom « SQ1 » basée sur le Snapdragon 8cx de Qualcomm. Un SoC ARM réputé aussi puissant qu’un Core i5 de 15W et deux fois moins consommateur en énergie.

Après les errements des Surface RT entre 2012 et 2015 qui avaient prouvé que les puces ARM n’avaient ni la puissance ni les outils logiciels pour lutter contre le x86, l’architecture portée par le projet Windows on Snapdragon de Qualcomm monte à nouveau sur le ring.
Et si les premiers modèles basés sur le Snapdragon 835 se sont montrés un peu faiblards côté puissance, les améliorations apportées par le Snapdragon 850 et bientôt le Snapdragon 8cx font de la plate-forme un concurrent plus sérieux pour le x86 dans le champ des ordinateurs personnels.

Avec le savoir-faire acquis dans les smartphones, Qualcomm a en effet réussi à entraîner Microsoft dans l’aventure – Microsoft a développé non seulement un Windows 10 entièrement dédié aux processeurs ARM Snapdragon, mais il en fait aussi la promotion, développe des outils logiciels pour encourager les développeurs, etc.
Il reste encore beaucoup de travail notamment dans l’écriture de drivers, la prise en charge d’applications x64 et la compilation d’applications ARM64 natives. Mais les premiers prototypes de PC portables que nous avons pu prendre en main intégrant un Snapdragon 8cx nous ont paru enfin égaler l’offre x86 classique.

Preuve que la « menace » est sérieuse, les premiers MacBook d’Apple intégrant des puces basées sur l’architecture ARM déjà employée dans les iPhone et iPad devraient arriver d’ici la fin de l’année ou en tout début d’année prochaine. Une progression dans l’informatique « classique » qui commence même à s’étendre aux serveurs.

ARM dans les serveurs : de l’échec de Qualcomm à la réussite d’Amazon ?

La montée en puissance des puces ARM arrive finalement jusqu’au monde des serveurs de données. Un univers d’énormes bâtiments qui alignent des dizaines voire des centaines de couloirs d’armoires intégrant des ordinateurs en « racks ».

Un monde qui était jusqu’à présent le terrain de chasse d’un seul acteur. En 2018, Intel contrôlait 99% du marché (oui, vous avez bien lu). Depuis, AMD a gagné du terrain avec ses processeurs EPYC et pourrait monter à 10% d’ici la fin de l’année 2020.
Mais ici c’est bonnet blanc et blanc bonnet. Dans le monde des serveurs, le x86 est seul au commandes. ARM lui, se contente de miettes. Marvell propose bien des puces pour serveurs appelées « ThunderX2 », mais leur adoption est anecdotique.

Et le grand champion des puces pour smartphones qu’est Qualcomm s’est même cassé les dents avec Centriq. Annoncée en 2016, cette puce de 48 cœurs ARMv8-A optimisée pour les centres de données n’a pas réussi à percer et le projet a été arrêté en occident – Qualcomm a refourgué le bébé à sa filiale chinoise qui continue de le faire vivre en partenariat avec une province chinoise sous le nom Thang Long 4800. Le projet se limite désormais à un marché très spécial, des puces pour serveurs d’état intégrant une partie crytographique maison.

Cet échec cuisant du maître des Snapdragon et de la 5G n’a cependant pas refroidi les ardeurs d’autres acteurs américains. Le premier et le plus emblématique est le géant Amazon. Champion du commerce en ligne, Amazon est aussi (et surtout) le numéro 1 mondial du cloud, loin devant Microsoft Azure. Le genre de client qui achète tellement de processeurs qu’Intel et AMD sont prêts à lui développer des références (presque) sur mesures.

Des puces qui ne satisfont cependant pas le « monstre », puisque Amazon a racheté une entreprise (l’Israélien Annapurna Labs) pour développer ses propres puces.
Étant à la fois le commanditaire et le concepteur, Amazon a déjà conçu et déployé sa première génération de puces Graviton dans ses propres centres de données. Avec un argument de poids pour ses clients : les instances des serveurs AWS EC2 ‘’1’’ qui se louent à l’heure sont moins chères que celles propulsées par des Intel Xeon.
Un premier essai transformé pour Amazon, qui vient tout juste d’annonce le déploiement prochain de sa seconde génération. Appelé « Graviton2 », ce nouveau processeur est basé sur la spécification Neoverse N1 qu’ARM a entièrement pensée pour les besoins des serveurs. Et avec ses 64 cœurs à 2,5GHz, la puce serait très compétitive face aux processeurs x86.

Amazon n’est pas le seul à croire au destin de l’architecture ARM dans les centres de données puisqu’un autre projet encore plus ambitieux arrive à grands pas.
Portée par une ancienne présidente d’Intel, l’Américaine Renee J. James, Ampere va commercialiser cette année une puce encore plus puissante, appelée Altra.
Toujours basée sur des cœurs Neoverse N1 d’ARM, Altra embarquera cette fois pas moins de 80 cœurs physiques cadencés jusqu’à 3,0 GHz. Une puce avec un taux de dissipation thermique de 210W. Bien loin des origines basse consommation des puces ARM classiques.

Dans le cas d’Amazon, comme dans celui d’Ampere, il reste cependant à voir si les performances des puces couplées aux environnements commerciaux et logiciels permettront enfin à ARM de se faire une place dans les serveurs de Netflix, Microsoft et autres.

Intel et AMD, deux géants du x86 contre le reste du monde en ARM

Une des pierres angulaires de ce « combat » entre x86/x64 et ARM et qu’il ne s’agit pas vraiment de juger les qualités intrinsèques des architectures. Le x86/x64 est certes initialement plus adapté aux processeurs puissants, mais les remplaçants des Atom d’Intel, les futures puces « Tremont » afficheraient un TDP entre 0,5W et 2W.
Quant aux puces ARM, si l’architecture fut initialement développée avec la plus faible empreinte énergétique possible, les premières mesures de performance des puces Amazon Graviton2 font état d’une puce de 100W qui tient tête à des puces Xeon d’Intel et EPYC d’AMD.

La vraie bataille est donc moins entre deux architectures, que celle opposant une ISA (architecture) contrôlée par un duopole et une ISA plus ouverte, que n’importe quelle entreprise peut adapter à ses besoins moyennant une licence et de bons ingénieurs.
Car dans l’univers des puces x86/x64, seuls Intel et AMD disposent à la fois d’une licence commerciale et d’une ligne de produits compétitifs – le taïwanais VIA a bien une licence x86, mais son offre est quasi inexistante, car techniquement à la ramasse.
Aucun nouvel entrant ne peut arriver et proposer son processeur x86 sans demander de licence à Intel – qui ne semble pas disposer à favoriser l’émergence d’un nouvel AMD (on se demande bien pourquoi !).

Qu’il s’agisse de concurrents directs ou indirects d’Intel et AMD (Qualcomm, Marvell, Mediatek, Samsung, Huawei), de partenaires insatisfaits de certaines fonctionnalités/propriétés de leurs puces (Amazon, Apple), de start-up décidées à se faire une place dans le monde des semi-conducteurs (Ampere) ou bien d’entreprises « nationales » chargées d’assurer l’indépendance technologique de leur pays (Huawei), la seule option viable à l’heure actuelle est de s’appuyer sur une architecture comme ARM.
Car moyennant l’acquittement d’une licence, n’importe qui peut se servir des plans d’ARM pour poser les bases de puces « maison » taillées pour des usages spécifiques. Tout en profitant d’un pool d’ingénieurs formés important et de nombreux outils logiciels compatibles.

Même si dans ces deux domaines, c’est bien le x86 qui a l’avantage. Et de très loin.

Intel et AMD ne sont pas morts (mais alors pas du tout)

Outre le fait que le x86 soit une architecture très mature et très performante dans le « high power computing » (HPC) et que le réveil d’AMD a sorti Intel de sa routine pour accélérer dans tous les segments, le x86 a une force intrinsèque : son historique.
Les quatre dernières décennies sont dominées par le x86. L’écrasante majorité des développeurs travaillent tous les jours sur une machine x86 (Windows, Mac ou GNU/Linux) et développent majoritairement pour des plates-formes x86.
Du parc de machines installées en passant par la littérature informatique, les formations, les ingénieurs formés, les outils logiciels, etc. le x86 est le maître dans les ordinateurs personnels et le monarque absolu dans les serveurs. Sans parler d’un atout fondamental du x86 : la compatibilité.
Bien souvent, les puces ARM customs demandent une compilation aux petits oignons, quand les codes sortis de compilateurs génériques x86 fonctionnent aussi bien sur un vieux CPU Intel que sur la dernière puce d’AMD.

De plus, il faut se méfier des chiffres. Si les parts de marché « processeur » d’Intel sont menacées, c’est que l’entreprise est en position de quasi-monopole. Car du point de vue business pur – c’est-à-dire de l’argent qui rentre – le tableau n’est absolument pas noir. Bien au contraire. Le marché des puces pour serveurs profite en effet du boom des centres de données et autres supercalculateurs. Même si les parts de marché peuvent baisser (enfin, celles d’Intel qui domine tout ou presque), la demande est telle que les volumes de vente et les chiffres d’affaires progressent d’année en année.

Côté AMD, ses CPU EPYC de dernière génération sont tellement puissants que l’industrie les adopte en masse, qu’il s’agisse de centres de données ou de supercalculateurs. Quant à Intel qui règne en maître sur un marché global (CPU, réseau, etc.) de 300 milliards de dollars, le géant a investi dans de nombreuses autres briques du business, notamment dans les domaines de l’IA (puces Nervana [lien en anglais], rachat d’Hanaba). Il maîtrise pour l’heure le marché du super computing : 87 des 100 plus puissants supercalculateurs du monde fonctionnent avec des Intel Xeon (x86) – un seul est en AMD (x86), le reste en Sparc, Power ou Sugon. Et aucun n’est en ARM.

Au final, même si l’architecture ARM arrive à se faire une place dans les domaines des PC et des serveurs, cela prendra beaucoup de temps pour réellement bousculer Intel et AMD dans leurs fiefs.

Ce qui n’est pas très grave pour l’architecture ARM, puisqu’elle domine déjà le reste du monde.



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