Achtergrond: waarom ruilt Apple Intel voor ARM?

Apple gaat voortaan zelf haar chips ontwikkelen op basis van ARM. Waarom doet het dat, en kan het met die architectuur wel de prestaties evenaren van Intel-chips? Ja, want er is heel wat veranderd op de chipmarkt zegt professor micro-elektronica Marian Verhelst.

Apple gaat met Apple Silicon voortaan haar eigen processors ontwikkelen en neemt zo in de komende twee jaar afscheid van Intel chips in de Mac-computers.

In praktijk doet het dat niet vanaf nul. Hoewel het woord ‘ARM’ niet viel tijdens de presentatie van Tim Cook, gebruikt Apple wel die architectuur, zeg maar de grote blauwdrukken van hoe een chip werkt. De productie wordt (volgens zeer geloofwaardige geruchten) door TSMC uitgevoerd. Maar daartussen ligt nog een breed veld waar Apple haar chips naar eigen wens kan optimaliseren, zowel naar prestaties als winstmarge toe.

We kennen ARM vooral van smartphones en lichte toestellen, maar de veelzijdige architectuur duikt de laatste jaren ook op in servers en zeer veeleisende omgevingen. Toevallig komt de aankondiging van Apple gelijk met de aankondiging dat de snelste supercomputer ter wereld op ARM processoren draait.

Maar lukken fenomenale prestaties ook in een brede commerciële productreeks? Wat betekent dit voor Intel, en hoe komt het dat die laatste niet langer wordt gezien als het prestatiebeest? We leggen onze voornaamste vragen voor aan Marian Verhelst, professor Micro-elektronica aan de KU Leuven en geaffilieerd aan onderzoeksinstelling imec.

Wat heeft de ARM-architectuur te bieden tegenover Intel?

MARIAN VERHELST: “ARM komt van heel energie-efficiënte cores, oorspronkelijk van embedded pc’s en gsm’s waar laag stroomverbruik heel belangrijk was. Om dat te kunnen doen, gebruiken ze niet de complexe instructies die Intel hanteert en zijn ze terug naar RISC processoren gegaan en daar zijn ze blijven op inzetten.”

“Wat we de laatste tijd zien, zowel bij servers, pc’s als gsm’s, zijn multicore processoren. Niet langer één heel krachtige processor, maar meerdere naast elkaar. Intel doet dat ook, maar ARM speelt hier al langer mee, en combineert op slimme wijze cores met verschillende eigenschappen. Je krijgt dan bijvoorbeeld systemen met vier kleine zuinige cores, vier grotere en minder zuinige cores en een paar stevige cores en die combineren ze.”

“Dat maakt een processor heel schaalbaar. Lees je enkel je mails dan worden de zuinige cores aangesproken, begin je te gamen dan schieten de zwaardere cores in actie. Het laatste gerucht is dat Apple nu 12 cores op hun eerstvolgende chips zal zetten.

Maar zijn ze daarom ook beter dan Intel? Zij gaan er al decennia prat op de beste prestaties te kunnen halen.

VERHELST: “Dat is een debat. Sommigen zeggen dat Apple zich eerst zal richten op low end toestellen, maar er zijn ook analisten die zeggen dat als Apple die overstap maakt, dat ze klaar zijn om dezelfde prestaties te kunnen halen.”

“Belangrijk daarbij is dat Apple instaat is om zijn eigen silicium te laten fabriceren, en daarom het ook ergens anders kan produceren. Bij Intel koop je een volledig gemaakte chip, maar Intel heeft al een tijdje niet meer de beste technologie, wat vroeger wel het geval was. Vandaag heeft TSMC bijvoorbeeld een beter aanbod en de verwachting is dat Apple haar chips zal produceren in de 5 nanometer technologie van TSMC.”

In welke mate speelt mee dat Intel nog niet naar op een 5 nanometer productieproces zit?

VERHELST: “Zo een geavanceerde siliciumtechnologie brengt al een groot performantievoordeel met zich mee. 5 nanometer betekent dat de schakelaars op een chip veel kleiner zijn. Hoe kleiner, hoe minder moeite het kost om ze aan en uit te zetten, dus ook hoe sneller en stroomzuiniger dat kan.”

Naast het productieproces gebruikt Intel de X86 architectuur. Is de overstap van Apple een signaal dat er sleet op zit?

VERHELST: “Intel was altijd de trendsetter, maar nu niet meer. Hun X86-architectuur was lang de meest efficiënte door die complexe instructieset. Zeker op het moment dat chip area en geheugen kostbaar waren en je programma zo compact mogelijk moest zijn, zodat je programma kon opslaan met zo weinig mogelijk lijnen code.”

“Vandaag is dat anders. De hoeveelheid programma-geheugen op je chip is niet langer de meest kritieke bottleneck en andere aspecten zoals energie-efficientie zijn in belang gaan winnen.”

“Maar die architectuur gaat al enkele decennia mee en het is voor Intel niet mogelijk om daar zomaar vanaf te sappen. ARM kwam er pas later bij, en heeft heeft zich vanuit zijn energiezuinige cores voor embedded systemen in een betere positie kunnen settlen.”

Met Apple waagt een grote computerbouwer de overstap. Moet Intel vrezen dat ook andere spelers dat zullen doen?

VERHELST: “Ze zullen zich zeker zorgen maken. Sowieso gaan veel computerbouwers zich afvragen of het de moeite is om over te stappen, maar het niet dadelijn een enorme vaart lopen. Apple is een van de weinigen in de markt die zelf zo’n chip kan maken en daar de infrastructuur al voor in huis hebben (met de iPhone en iPad chips, nvdr). Een Dell of HP heeft dat niet.”

Vroeger kocht het bedrijf Intel-chips. Wat zijn de voordelen van ze nu zelf te ontwikkelen?

VERHELST: “Winstmarge en optimalisatie. In het verleden betaalden ze veel aan Intel voor een afgewerkte chip. Nu betalen ze voor het intellectueel eigendom (IP) van ARM dat ze op hun eigen chip zetten. Die vergoeding is veel lager dan bij een afgewerkte chip.”

“Tegelijk kunnen ze veel meer zelf sturen. Apple kiest zelf welke ‘blokken’ ze op die chip plaatsen: een geïntegreerde GPU, een neural processing unit, een cameraprocessor, als je alles op één chip kan zetten, afgestemd op de noden van jouw toestellen, dan kan je daar veel efficiënter data doorheen pompen.”

De overstap betekent ook dat ontwikkelaars hun software moeten aanpassen. Volgens Apple kan dat op een paar dagen. Is het zo makkelijk?

VERHELST: “Ze laten uitschijnen dat dat redelijk snel te doen is. Apple ondersteunt developers hierin met een combinatie van cross-compilatie tools, emulatie software en Developer Transition Kits. Het zal dus vrij vlot gaan om software om te zetten.”

“Om de maximale performantie te halen met die software komt er typisch nog meer werk bij kijken. Sommige toepassingen worden handmatig verder geoptimaliseerd, tot op het niveau van machine code. Dat kost meer tijd, maar ook hier geeft Apple aan dat het dit al gestart is voor verschillende software-onderdelen. Bovendien kunnen ze hier veel hergebruiken van hun portfolio voor de iPhones en iPads.”

Halen ze er voordeel uit dat zowel de iPhone, iPad als Macs op dezelfde architectuur draaien?

VERHELST: “Zeer zeker. Dit stroomlijnt de verschillende softwarestacks die ze in hun bedrijf moeten ondersteunen en optimaliseren. Daarnaast wordt ook de hardware ook uniformer, wat zeker tot efficientere ontwikkelen leidt.

Moet Apple ook andere hardware aanpassen nu het andere chips gebruikt?

VERHELST: “De meeste zaken zijn vrij standaard. Interfaces, alles rond randapparatuur, geheugen, camera, dat zijn afgesproken protocollen dus daar verwacht ik geen grote aanpassingen.”