CPU のお勉強

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ほげさん

x86 と x64 はビット数を示す

x86 → 32 ビット
x64 → 64 ビット

1 ビット → 0, 1
2 ビット → 00, 01, 10, 11

1 ビット増えると情報量は 2 倍
32 ビット → 64 ビットはおよそ xxx

Intel が 1978 から 1989 年まで MPU の型番に xxx86 としていたため

64 ビット版 x86 は x86 の互換製品を作っていた AMD が 2000 年に x86-64 で発表した
2003 に AMD64 で実装
続いて Intel が実装した Intel64 があり、AMD64 互換を総称して x64 と言う

ほげさん

ビット数は CPU が扱えるメモリの最大サイズ

32 ビット → 2^32 ( 4GB )
64 ビット → 2^64 ( 128TB )

32 bit の歴史

Intel が IA-32 を作った
Intel が IA-64 を作った
- IA-64 は IA-32 との互換性を持たせなかった
AMD が IA-32 互換のある x86-64 を発表した ( AMD64 )

x86 とは

Intel 8086 およびその後方互換を持つ MPU の命令セットアーキテクチャの総称

8086 ( 16 bit ), 80386 ( 32 bit, のちに IA-32 と命名 ), x64 ( 64 bit ) など
ただよく x86 or x86_64 と書かれたりするため、x86 = 32 bit として一般には使われる

x64 とは

x64 または x86-64 とは、x86 を 64 bit に拡張した命令セットアーキテクチャ

AMD の AMD64, Intel の Intel 64 などを含む、各社の AMD64 互換命令セットの総称
x86 との互換があるので広義では x86 に x64 を含む

ほげさん

命令セットアーキテクチャとは

Instruction SEt Architecture ( ISA ) といい、CPU を動かすために必要になる CPU が理解できる命令のセットのこと

x86-64 や x64 や AMD64 は ISA の名前

x86-64 もしくは x64 は、x86 アーキテクチャを 64bit に拡張したものの総称で、AMD64 や Intel64 を含む

AMD64 は、AMD が発表した x86 アーキテクチャを 64bit に拡張したもの、Intel 64 とはほぼ差はない

Intel64 は、Intel が発表した x86 アーキテクチャを 64bit に拡張したもの、AMD 64 とはほぼ差はない

AArch64 ( ARM64 )
スマホやタブレットなどで多く使われる ARM アーキテクチャを 64bit に拡張したもの

ほげさん

bit の違いはメモリー容量や HDD 容量に影響する

32bit: 2GB ~ 4GB
64bit: 8GB ~

macOS Mojave ( 10.14 ) を最後に 32bit アプリの対応は終了している
macOS Catalina ( 10.16 ) 以降は 64bit アプリのみサポートされる

macOS Big Sur ( 11 ) は Intel ベースの Mac に加えて Apple シリコンを搭載した Mac でも動作する

ほげさん

M1 チップは、iOS デバイス向けの Apple シリコンを Mac 向けにアレンジしたもの

CPU や GPU や Neural Engine などを１つのチップに組み込んだもの

iPhone や iPad のアプリをそのまま M1 Mac で動かすことができる

ほげさん

M1 が省電力で公正なのは統合型システムチップのアーキテクチャだから
異なる目的の処理回路が同じメモリを共有して協調動作するアーキテクチャだった

CPU と GPU や、機械学習モデルの推論アルゴリズム専用プロセッサ ( Neural Engine ) を並列動作させるときに真価を発揮する
GPU の処理結果をビデオメモリにロードして、CPU で処理してメモリに書き戻す、ということは効率が悪い
あるデータを必要に応じて CPU / GPU / Neural Engine でアクセスできる

逆にメモリを共有しなければいけないので、１パッケージにどこまでメモリを乗せられるかが課題になる
今後の上位モデルと値段がどうなるのだろうか

あとは I/O インターフェースもチップに統合しているので、Thunderbolt 2/USB 4 のポートを 2 つまでしかサポートできない

ほげさん

ARM は x86 とかと退避するもの
ARM は ISA の１つ

x86 は高性能、ARM は安価で低消費電力

PC は Intel が多かったが、組み込みで活躍してた ARM も増えてきた
スマホとかタブレットは ARM が多い

ARM64 と AArch64 というのがあるが、もともと別だったが公式にマージされて AArch64　になる

ほげさん

https://urashita.com/archives/12325

ARM アーキテクチャ

ARM 社によるもの

Reduced Instruction Set Computer ( RISC ) とは ISA の１つ
命令の種類を減らし、回路を単純化して演算速度の向上を図る

従来のアーキテクチャは対義語として Complex Instruction Set Computer ( CISC ) と呼ばれるようになった

ARM アーキテクチャは携帯電話や携帯端末で使われている
Android や iPhone ではほぼ ARM が使われている

Intel の ATOM プロセッサが対抗していたが撤退した

x86 アーキテクチャ

Intel 社の 32 bit アーキテクチャ

x64 ( もしくは x86-64 ) は Intel の 64 bit アーキテクチャ

x86 も x86-64 も CISC アーキテクチャ

パソコンではほぼこれらが独占している

ほげさん

ARM64 は Apple によって 64 bit iOS 用に作られたもので、最近公開された

AArch64 は機能は足りていた

ARM64 はパフォーマンスが良かったが機能が若干足りなかった

チューニングより機能追加の方が楽なので、ARM64 をベースに AArch64 をマージして、それを新たな AArch64 にすることになった

ほげさん

Finder でアプリの情報を確認すると Universal や Intel と書いてある

Universal アプリは x86-64 バイナリと ARM64 バイナリの両方を含む
Intel は x86-64 バイナリのみを含む

Universal アプリには Rosetta を使用して開くというチェックボックスがあり、そうすると ARM64 バイナリではなく x86_64 バイナリが使われる

Rosetta 2 は /Library/Apple/usr/libexec/oah にあり、カーネルが必要だと判断すると自動で呼び出される

ほげさん

Rosetta は PowerPC から Intel へ移行するときに活躍したバイナリトランスコードシステム

https://ja.wikipedia.org/wiki/Rosetta

Rosetta は Apple の技術

ほげさん

Apple シリコンは、Apple Inc. が ARM アーキテクチャを使用して設計した Software on a Chip ( SoC ) および System in Package ( SiP ) の総称
iPhone, iPad, Apple Watch などで使われている

Apple M1 プロセッサを使用した ARM ベースの Mac になった

SoC, SiP どちらも半導体チップののことである
SoC は１つの半導体チップの上に必要とされる全ての機能を集積する
SiP は複数の LSI チップを１パッケージにまとめる

コスト、サイズ、配線や消費電力などのメリデメがあるが、今はそこは対象外とする

Apple シリコンには次のシリーズがある

A シリーズ ( iPhone 8 )
S シリーズ ( Apple Watch )
T シリーズ ( MacBook Pro with Touch Bar )
W シリーズ ( AirPods )
H シリーズ ( AirPods Pro )
U シリーズ ( iPhone 11 )
M シリーズ ( Mac )

ほげさん

https://isapplesiliconready.com/

ほげさん

Rosetta 2 があれば子プロセスのアーキテクチャは混在できる
Homebrew は /usr/local から /opt/homebrew に変わる
Homebrew で ARM64 のパッケージを入れるには、バイナリがないのでソースからビルドすることになる
- https://github.com/Homebrew/brew/issues/7857
x86_64 のシェルから ARM64 のパッケージはインストールできない
- 逆も同様

ほげさん

Homebrew でパッケージをインストールするときは、シェルのアーキテクチャに依存して決まる

で、ユニバーサルバイナリのコマンドは、ターミナルのアーキテクチャに応じて決まる

> lipo -archs /bin/bash
x86_64 arm64e

↑ デフォルトのコマンドはユニバーサルバイナリ

> uname -smp
Darwin x86_64 i386

> bash

$ uname -smp
Darwin x86_64 i386

 uname -smp
Darwin arm64 arm

 bash

$ uname -smp
Darwin arm64 arm

つまり arm のバイナリを入れたければ arm のシェルで brew を叩く
arm のシェルを使うために arm のターミナルを使う

ほげさん

アーキテクチャに応じて brew 自体のインストール方法とインストール先が違う

x86_64 での brew

> which brew
/usr/local/bin/brew

> brew install zsh

> which zsh
/usr/local/bin/zsh

/usr/local/bin に入ったものはユニバーサルバイナリではない

> lipo -archs /usr/local/bin/zsh                                                                                                                                                                    develop
x86_64

arm64 での brew

 which brew
/opt/homebrew/bin/brew

 brew install zsh

 which zsh
/opt/homebrew/bin/zsh

同じく opt/homebrew/bin に入ったものはユニバーサルバイナリではない

 lipo -archs /opt/homebrew/bin/zsh
arm64

ほげさん

Rosseta 2 On ターミナル → x86_64 は x86_64

> uname -smp
Darwin x86_64 i386

> /usr/local/bin/zsh

> uname -smp
Darwin x86_64 i386

Rosseta 2 On ターミナル → arm64 は x86_64 ( Rosseta 2 で変換されている？ )

> uname -smp
Darwin x86_64 i386

> /opt/homebrew/bin/zsh

> uname -smp
Darwin x86_64 i386

ほげさん

Rosseta 2 Off ターミナル → x86_64 は x86_64

 uname -smp
Darwin arm64 arm

 /usr/local/bin/zsh

> uname -smp
Darwin x86_64 i386

Rosseta 2 Off ターミナル → arm64 は arm64

 uname -smp
Darwin arm64 arm

 /opt/homebrew/bin/zsh

 uname -smp
Darwin arm64 arm

ほげさん

Docker のイメージはマルチアーキテクチャと言う

同じイメージで複数の OS や CPU アーキテクチャをサポートできる
ホストのアーキテクチャに応じてイメージが選択される

それぞれのターミナルで pull してみる

x86_64 の Mac

> docker pull alpine:3.14.0

> docker image ls | grep alpine
REPOSITORY                  TAG        IMAGE ID       CREATED         SIZE
alpine                      3.14.0     b0e47758dc53   2 weeks ago     5.33MB

arm64 の Mac

 docker pull alpine:3.14.0            

 docker image ls | grep alpine
REPOSITORY                  TAG        IMAGE ID       CREATED         SIZE
alpine                      3.14.0     b0e47758dc53   2 weeks ago     5.33MB

イメージの ID は同じ

なのにコンテナのアーキテクチャは違う

/ # uname -spm
Linux aarch64 unknown       todo

 docker run -it alpine:3.14.0 /bin/sh 
/ # uname -spm
Linux aarch64 unknown

どっちのイメージが pull できたかは、image id で inspect すれば確認できる

> docker inspect b0e47758dc53 | jq '.[] | {Id: .Id, RepoTags: .RepoTags, RepoDigest: .RepoDigests, Architecture: .Architecture}'
{
  "Id": "sha256:b0e47758dc53e7391c7abf92fd56fd959bf37fb74574feba3d557b4182d15801",
  "RepoTags": [
    "alpine:3.14.0"
  ],
  "RepoDigest": [
    "alpine@sha256:234cb88d3020898631af0ccbbcca9a66ae7306ecd30c9720690858c1b007d2a0"
  ],
  "Architecture": "arm64"
}

ほげさん

arm64 の Mac から x86_64 を指定することもできる

> docker pull alpine:3.14.0 --platform linux/x86_64

> docker inspect d4ff818577bc | jq '.[] | {Id: .Id, RepoTags: .RepoTags, RepoDigest: .RepoDigests, Architecture: .Architecture}'
{
  "Id": "sha256:d4ff818577bc193b309b355b02ebc9220427090057b54a59e73b79bdfe139b83",
  "RepoTags": [
    "alpine:3.14.0"
  ],
  "RepoDigest": [
    "alpine@sha256:234cb88d3020898631af0ccbbcca9a66ae7306ecd30c9720690858c1b007d2a0"
  ],
  "Architecture": "amd64"
}

> docker run -it alpine:3.14.0 /bin/sh
WARNING: The requested image's platform (linux/amd64) does not match the detected host platform (linux/arm64/v8) and no specific platform was requested

/ # uname -spm
Linux x86_64 unknown

run の時も指定すると警告は出ない

> docker image ls | grep alpine
alpine                      3.14.0     d4ff818577bc   2 weeks ago     5.6MB

> docker run -it --platform linux/x86_64 alpine:3.14.0 /bin/sh

/ # uname -spm
Linux x86_64 unknown

アーキテクチャを変えるとローカルにないと言って取り直す

> docker run -it --platform linux/arm64 alpine:3.14.0 /bin/sh
Unable to find image 'alpine:3.14.0' locally

/ # uname -smp
Linux aarch64 unknown

増える

> docker image ls | grep alpine
alpine                      <none>     d4ff818577bc   2 weeks ago     5.6MB
alpine                      3.14.0     b0e47758dc53   2 weeks ago     5.33MB

ほげさん

コンテナのアーキテクチャがどうなるかと、その結果やりたいことができるかはまた別

haskell を arm Mac で適当に pull すると、なんか「ねーよ」って言われる

> docker pull haskell:latest
latest: Pulling from library/haskell
no matching manifest for linux/arm64/v8 in the manifest list entries

指定して取りに行く

> docker pull haskell:latest --platform linux/x86_64

> docker image ls | grep haskell
haskell                     latest     02006a905c71   12 days ago     1.5GB

ちゃんと amd64 になってる

> docker inspect 02006a905c71 | jq '.[] | {Id: .Id, RepoTags: .RepoTags, RepoDigest: .RepoDigests, Architecture: .Architecture}'
{
  "Id": "sha256:02006a905c714fa82e87f87670b0bc9c897fd95a47e53cfc740cda6e87610191",
  "RepoTags": [
    "haskell:latest"
  ],
  "RepoDigest": [
    "haskell@sha256:6f4ff6858ac90fc73f7f6e39239df1eef1bcfa4cba240531674d2b6754d3aea6"
  ],
  "Architecture": "amd64"
}

が、stack が使えない

> docker run -it haskell:latest bash
WARNING: The requested image's platform (linux/amd64) does not match the detected host platform (linux/arm64/v8) and no specific platform was requested
root@d1685461b293:/# uname -smp
Linux x86_64 unknown
root@d1685461b293:/# stack -h
Killed

haskell には arm64 対応のイメージがビルドされていない

> DOCKER_CLI_EXPERIMENTAL=enabled; docker manifest inspect haskell:latest | jq -r '.manifests[].platform | .os + "/" + .architecture' | sort
linux/amd64

/Users/ryo
> DOCKER_CLI_EXPERIMENTAL=enabled; docker manifest inspect alpine:3.14.0 | jq -r '.manifests[].platform | .os + "/" + .architecture' | sort
linux/386
linux/amd64
linux/arm
linux/arm
linux/arm64
linux/ppc64le
linux/s390x

ほげさん

haskell は結局 x86_64 の brew で入れることにした

arm64 の brew

 /opt/homebrew/bin/brew install haskell-stack

 /opt/homebrew/bin/stack ghci
zsh: segmentation fault  /opt/homebrew/bin/stack ghci

> brew reinstall haskell-stack

> stack ghci                                                                                                                                                                                        develop

ghci> 1 + 1
2

ほげさん

vim のコマンドラインについて

子プロセスは親と同じになるだけ

ほげさん

todo
CPU と ISA の違いを整理

ほげさん

ユーザ → ターミナル ( エミュレータ ) → シェル → カーネル

ほげさん

arch について確認

ほげさん

参考をやっぱ載せる
長いので結論と強調表示を適宜使う
この章の操作は xxx ですと冒頭に警告する
テキストと画像とコードブロックの順番を x86_64 → ARM64 の順に統一する
コマンド名はハイライトする ( zsh )
標準？ ARM64？
章タイトル
インデントプレビュー

ほげさん

vim のコマンドラインについて

子プロセスは親と同じになるだけ

:W が動かない