ARM: ¿Qué es y para que sirven? ¿Qué aportan estos procesadores?

El protagonismo de los chips ARM dentro de la industria no deja de crecer. Cada vez son más las soluciones que ofrece la compañía para diferentes segmentos con una cartera de soluciones muy amplia. Te vamos a explicar aquí qué es la arquitectura ARM, para qué sirven y los motivos de su creciente relevancia en la industria del hardware.

ARM qué significa y cómo se llama el fabricante de arquitectura ARM

Lo primero que tenemos que saber de ARM es que es una empresa y al mismo tiempo es una arquitectura de procesadores o SoCs. ARM Holdings es la empresa que desarrolla los diseños de la arquitectura ARM de chips. Y es que la particularidad de ARM Holdings es que no fabrica chips o procesadores, sino licencias de arquitecturas (diseños).

La historia de ARM es posiblemente una de las más interesantes. Inicialmente la empresa se llamaba Acorn Computers y fue fundada en 1981 en Cambridge, Reino Unido. Esta compañía estaba especializada en un microordenador que se basaba en el procesador Motorola 6502, que también se usaba en el Commodore 64 y Apple II, entre otros.

Eligieron el nombre Acorn (bellota, en inglés) como una estrategia de marketing genial para aparecer en las listas de hardware alfabéticamente antes de Apple. Además, el primer ordenador de Acorn había sido subvencionado en parte por BBC, siendo conocido en Reino Unido como BBC Micro.

Ya en 1990, Acron Comuters pasa a denominarse ARM Holdings, que es la conjunción de Advanced RISC Machine (ARM).

Qué es RISC

Es un diseño de chips que se caracterizan por usar instrucciones de un tamaño fijo y de formato reducido donde solo las instrucciones de carga y almacenamiento acceden a la memoria de datos. Los procesadores RISC suelen tener una gran cantidad de registros de propósito general.

Las instrucciones no son más que una serie de indicaciones de lo que debe hacer el procesador con los datos, las cuales permiten desarrollar los programas. Debemos además entender que el término «reducido» no implica que la cantidad de instrucciones usadas sean limitadas, sino que son más «sencillas». Los procesadores de este tipo se caracterizan porque la misma instrucción de carga de datos en la memoria no realiza más operaciones.

Estas instrucciones son muy sencillas de implementar en el procesador. Adicionalmente estas ocupan menos espacio en los bloques lógicos, permitiendo que las frecuencias de funcionamiento sean superiores.

Para que os hagáis una idea, nosotros usamos procesadores x86 CISC en sobremesa, complejo en vez de reducido, por lo que es normal ver instrucciones AVX o SSE para cálculos vectoriales y otras tareas pesadas.

La arquitectura RISC lo que permite es que las unidades aritmético-lógicas y las de punto flotante sean más sencillas. Permite crear chips más compactos o aprovechar el espacio «sobrante» para integrar otros elementos. Adicionalmente estos procesadores suelen requerir menos tensiones de funcionamiento y generan menos calor.

Inconvenientes de RISC

Pese a las grandes ventajas de este tipo de arquitectura, presenta algunas desventajas notables:

• Reducida potencia: estos procesadores suelen ser menos potentes que los procesadores CISC (CPU de Intel y AMD). Sobre todo tienen desventaja en cuanto a capacidades matemáticas asociadas a simulaciones, tratamiento de señal, video, etc.
• Tamaño de los programas: para las instrucciones RISC se requieren más líneas de código de software, lo que aumenta el tamaño del programa. Esto puede ser un inconveniente en aplicaciones para smartphone, aunque para ordenadores de sobremesa esto es bastante irrelevante.

Qué es big.LITTLE

Es una arquitectura heterogénea que combina núcleos de bajo consumo con núcleos de potencia. La arquitectura ARM big.LITTLE se basa en una estructura de núcleos mixta: núcleos de bajo consumo, denominados «LITTLE«, son los que están activos en todo momento mientras exista baja carga, y núcleos de potencia núcleos de potencia, denominados «big», que se «activan» cuando se requiere una gran potencia de cómputo.

Ejemplo: Los núcleos «LITTLE» están funcionado cuando navegamos, hablamos por WhatsApp o vemos vídeos en YouTube. Los núcleos «big» se activan cuando ejecutamos un videojuego o cuando realizamos tareas pesadas como edición de fotografía o video.

Decir que Intel Alder Lake-S serán los primeros procesadores con un sistema de núcleos big.LITTLE, caracterizados por tener núcleos Golden Cove (big) y Gracemont (LITTLE). Gracias a este sistema, se consigue elevar el conteo de núcleos y estos chips vendrán con más núcleos e hilos que Intel Rocket Lake-S.

¿Qué beneficios ofrece?

La arquitectura de los chips ARM big.LITTLE viene a aportar un aumento en la eficiencia energética. Para un smartphone (SoC) el consumo energético es crítico, ya que afecta directamente a la autonomía del dispositivo.

El problema de los procesadores es que todos los núcleos reciben una cierta carga, aunque sea poca y generan un consumo energético. Dicho consumo energético de los núcleos no hace un trabajo útil, lo cual es energía desperdiciada, impactando en la autonomía de la batería; o dicho de otra manera, el tiempo que tardará la batería en descargarse.

Con la arquitectura big.LITTLE, cuando navegamos únicamente funcionan los núcleos «LITTLE» de bajo consumo. Los núcleos «big» únicamente se activarán cuando la aplicación tenga una carga de trabajo elevada y los núcleos «LITTLE» no puedan con las tareas de cómputo.

Además del ahorro energético, sus beneficios son los siguientes:

• Reducción de la generación de calor con cargas de trabajo ligeras
• Capacidad de diseñar chips ajustados a las necesidades
• Ahorro de espacio en el diseño para integrar otros elementos
• Reducir la dependencia de las litografías para conseguir eficiencia energética

Por qué ARM licencia sus diseños

Intel y AMD son fabricantes de procesadores x86 que venden sus CPU, por lo que el ensamblador de los sistemas no puede realizar ajustes en el diseño de los procesadores. Un ensamblador únicamente puede coger un procesador Intel o uno de AMD y construir alrededor de estos.

ARM tiene una propuesta muy diferente a este respecto, ya que cualquier fabricante puede incorporar al chip lo que quiera, incluso realizar ajustes de arquitectura o funcionalidad. Es más, los procesadores de ARM no son CPU: reciben el nombre de «Sistema en un Chip (SoC)». Lo que permite esto a Samsung, Apple, Qualcomm o Huawei, entre otros, es construir chips a medida, en vez de construir alrededor de estos.

Esto para los fabricantes es algo más interesante, ya que tienen la capacidad de personalizar al máximo los chips. Por ejemplo, Sony y Microsoft recurren a un SoC AMD (Zen 2 + RDNA 2) para potenciar sus PlayStation 5 y Xbox Series X/S.

Una ventaja importante para los fabricantes es que tienen el control de toda la cadena de suministro, siendo más manejable. Para ARM la ventaja es que no tiene que entablar acuerdos con fundiciones como TSMC o Samsung para la fabricación de chips.

Qué es ARM Foundry

Lo que hace la compañía es licenciar sus diseños de procesadores, permitiendo que terceros los adapten a sus necesidades. Si bien ARM no produce absolutamente nada, exista un acuerdo entre ARM Holdings y varias fundiciones. Concretamente existe un acuerdo de producción de chips entre la taiwanesa TSMC y la estadounidense Intel. Esto permite a los licenciatarios disponer de varios productos de los chips.

Cabe destacar que los licenciatarios tienen libertad para solicitar a otras fundiciones la producción de chips. Actualmente solo quedaría disponible Samsung, con procesos de litografía avanzados, ya que GlobalFoundries podría ser otro productor de chips que usa procesos litográficos menos avanzados.

¿Qué es mejor ARM o X86?

Un sistema basado en un procesador x86 se construye en base a unas especificaciones de rendimiento y compatibilidad común. Realmente un ordenador no se diseña, simplemente se «monta». Esto permite a los fabricantes de hardware tener unos costes reducidos. La innovación se relega al software y a algunos matices de implementación. Podemos decir que el ecosistema x86 vendría a ser como piezas Lego, donde podemos construir cosas, pero las piezas nos vienen dadas en forma y color.

ARM también tiene elementos «fijos» como memoria, almacenamiento e interfaces de comunicación. Pero los licenciadores pueden personalizar el chip tanto como quieran. Se puede integrar la memoria en el procesador, añadir inteligencia artificial o un modem 5G, por ejemplo.

Lo interesante de ARM es que nunca ha competido con Intel y AMD, siempre ha buscado sus nichos. Esto hace que el mercado de smartphone, tabletas e IoT este plagado de chips de arquitectura ARM. Intel y AMD no tienen presencia en el mercado de smartphone y la presencia en el mercado de tabletas e IoT es realmente ínfima.

Actualmente ARM ya está empezando a expandirse a otros segmentos. La compañía trabaja en el desarrollo de chips específicos para Data Centers, servidores, automoción y ordenadores de sobremesa.

Diferencias entre la arquitectura ARM y la arquitectura GPU

Una GPU es un diseño de procesador desarrollado específicamente para la computación de cálculos gráficos. Aunque inicialmente se desarrollaron para los cálculos de gráficos 2D y 3D, actualmente son mucho más. Las GPU se han expandido para desarrollar soluciones aceleradoras de cómputo de propósito general.

Se utilizan actualmente para inteligencia artificial, redes neuronales o para computación de cálculos complejos como puedan ser las previsiones metereológicas. Esto se consigue gracias a que una GPU puede ejecutar una gran cantidad de tipos de instrucciones en paralelo que permite la aceleración de computación para fines científicos y académicos.

Estrechamente relacionado con la Inteligencia artificial o el Deep Learning, están las tecnologías como NVIDIA DLSS, las cuales permiten obtener un aumento de FPS en videojuegos, así como un aumento de rendimiento en herramientas profesionales.

ARM actualmente diseña GPU Mali, los cuales licencia para libre uso, aunque normalmente se licencian junto a los diseños de CPU. Estas GPU normalmente se integran en los SoC de ARM para poder mostrar video en smartphone, tableas y televisiones. La potencia de estas GPU es limitada, aunque en los últimos años ha avanzado de una manera bastante interesante.

¿Cuáles son los dispositivos ARM Cortex, Ethos y demás?

Actualmente podemos encontrar las siguientes gamas de soluciones de ARM en el mercado:

• ARM Cortex-A: son chips ARM destinados a aplicaciones. Estos chips están pensados para que un fabricante los pueda personalizar para una aplicación en concreto. Se pueden utilizar para desarrollar amplificadores de audio digital, procesadores de vídeo digital, monitores de frecuencia cardiaca, etc. Los Cortex-A se pueden encontrar en sistemas como smartphone, tablets o pico-ordenadores como la Raspberry Pi.
• ARM Cortex-R: estos chips se han desarrollado para un conjunto de usos más reducido, concretamente para el procesamiento en tiempo real. Son utilizados principalmente para crear módems 4G LTE y 5G, donde el tiempo es crítico para conseguir la modulación. Los chips Cortex-R se diseñan para responder a las interrupciones, las solicitudes de atención que generan ejecución de los procesos, de manera rápida y predecible.
• ARM Cortex-M: unos chips miniaturizados pensados para espacios reducidos, como pueda ser los sistemas de frenado y control de automóviles o las cámaras digitales de alta definición con reconocimiento de imagen. Principalmente los Cortex-M se utilizan para el procesamiento de señales digitales (DSP), que permite el reconocimiento y gestión de señales analógicas para aplicaciones como reconocimiento de voz y radares.
• Ethos-N: chips desarrolladores para aplicaciones que tienen que ver con aprendizaje automático o de algún modo con procesamiento de redes neuronales. ARM denomina a estos chips como «Procesador Neuronal (NPU)», los cuales incluyen rutinas que se usan para la extracción de inferencias lógicas a partir de datos. Estos son los componentes básicos de la IA que se usa para el reconocimiento de imágenes y patrones, además del aprendizaje automático.
• Ethos-U: versión reducida de los chips Ethos-N diseñado para operar como coprocesador. Estos normalmente se integran en los Cortex-A.
• Neoverse: son un diseño de núcleos para aplicaciones de servidores y Data Centers a pequeña escala. ARM utiliza el término de marketing «infraestructura» para los Neoverse, sin dar muchos datos al respecto. Se pueden utilizar para crear mini y micro Data Centers situados cerca de los usuarios finales con un consumo de energía muy reducido.
• SecurCore: chips diseñados exclusivamente para ser usados en tarjetas inteligentes, certificación basada en USB y aplicaciones de seguridad integradas.

Apple Silicon by ARM

En 2020, Apple anunciaba que dejaría de utilizar procesadores de Intel en sus ordenadores portátiles y de sobremesa para usar sus propios procesadores, denominados Apple Silicon. Un SoC que se basa en la arquitectura ARM de 64 bits. Los procesadores de Apple se basarán en el diseño y el tipo de instrucciones desarrollado por parte de ARM.

Lo que permite esto a Apple es cerrar aún más su ecosistema de productos. Podrán crear un procesador optimizado para su sistema operativo y optimizar su sistema operativo para este procesador. El primer SoC de Apple es el M1 y ha dado la sorpresa en el mundo portátil.

La parte complicada está en los desarrolladores, ya que deberán cambiar la manera de trabajar de sus softwares, ya que el juego de instrucciones de la arquitectura ARM es diferente al de los procesadores Intel y AMD. De momento se ha desarrollado una especie de traductor de instrucciones «just on time» que se denomina Rosetta 2. Esto permite facilitar la transición a los desarrolladores de software.

Respecto al rendimiento, existen ciertas quejas respecto a un rendimiento peor que otras soluciones. Principalmente el rendimiento malo en determinados softwares se debe precisamente al proceso de «traducción» de instrucciones. Aunque el rendimiento del chip A12Z del iPad Pro, según Geekbench ofrece una puntuación de 4669 puntos frente a los 3033 puntos del Core i5 usado en la Surface Pro 6.

Sin embargo, estas quejas no son más que una anécdota porque los productos potenciados por estos chips (MacBook e iMac) están vendiéndose realmente bien y están dando un rendimiento que ha sorprendido a muchos; de hecho, hay ciertos analistas que apuntan a la «muerte de la CPU x86» en portátiles ultrabook o profesionales (que no gaming).

Apple se podría ver beneficiada en una reducción importante de costes, estimándose un ahorro de hasta un 60%, según la compañía. Pero además permitirá crear soluciones a medida para sus diferentes productos, ahorro de consumo energético y reducción de temperaturas.

Que Apple haya apostado por desarrollar sus procesadores bajo la arquitectura ARM y dejar de lado a Intel, es un indicador del buen trabajo de la compañía británica. Ahora queda por delante una cierta incertidumbre que viene dada por la adquisición de NVIDIA de este fabricante de arquitectura. Una operación que debe ser avalada por diferentes organismos contra el monopolio en todo el mundo.

NVIDIA adquiere ARM

El 13 de septiembre de 2020 se anunciaba que NVIDIA había llegado a un acuerdo con SoftBank para hacerse con la compañía ARM Holdings. Destacar en este punto que ARM Holdings era propiedad del banco de inversión japones SoftBank. Un acuerdo que se ha valorado en 40.000 millones de dólares y que está en fase de revisión. Los reguladores de Estados Unidos, la Unión Europea, Japón y China deben aceptar esta operación, en un proceso que se debería concluir en 2022.

Jensen Huang, CEO de NVIDIA, tras anunciarse la operación, indico que el modelo de ARM seguiría igual. Destacar que Huang ha indicado también la intención de añadir a la cartera de IP de ARM las tecnologías de GPU de NVIDIA. Esto permitirá a los que quieran obtener licencias ARM acceder a los diseños de NVIDIA.

Palabras finales

Debemos tener claro que ARM son dos cosas diferentes: una arquitectura de procesadores y una empresa. Una empresa que no fabrica absolutamente nada, simplemente licencia sus diseños de procesadores a terceras compañías. Esto ofrece a las compañías desarrollar un ecosistema en donde el procesador y resto de componentes se «fusionan». Se rompe así la estructura convencional donde los fabricantes y ensambladores debían construir en torno a un procesador.

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La estrategia de ARM es muy interesante, ya que en primera instancia no han busco competir con Intel o AMD, porque posiblemente no lo hubieran conseguido. Han ido buscando nichos, como es el mercado de smartphone que se han apoderado. La presencia de Intel en el mercado de tabletas es muy limitada y la de AMD es prácticamente nula, lo cual indica que el trabajo de ARM ha sido muy bueno y concienzudo, y sobre todo, sin prisas.