¿Qué es un Procesador Arm y Cuál es la Diferencia con un x86?

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Qué es un Procesador Arm y Cuál es la Diferencia con un x86
Qué es un Procesador Arm y Cuál es la Diferencia con un x86

Arm es la arquitectura más popular en procesadores de smartphones y está ganando terreno frente al x86 en otros segmentos; comprende su funcionamiento y ventajas.

Arm es un conjunto de arquitecturas para procesadores desarrollado por la empresa británica Arm. Su característica principal es su versatilidad para adaptarse desde dispositivos móviles pequeños hasta grandes servidores. Entiende cómo Arm ha dominado el segmento de los teléfonos celulares y compite con la arquitectura x86.

¿Qué es la Arquitectura Arm?

Ejemplo de procesador CPU
Ejemplo de procesador

Arm es una familia de arquitecturas de procesadores del tipo RISC (Reduced Instruction Set Computing), es decir, que se basa en un conjunto simplificado de instrucciones que define cómo funciona el procesador.

Esta simplificación permite que un chip de tecnología Arm consuma menos energía y genere menos calor que un procesador x86. Esto explica su amplia aceptación en teléfonos celulares, tabletas, relojes inteligentes, computadoras portátiles y otros dispositivos que dependen de baterías.

A pesar de tener instrucciones simplificadas, los chips con tecnología Arm pueden tener un alto rendimiento. Todo depende de su conjunto de características, así como de las aplicaciones para las que fueron desarrollados.

Además, las instrucciones simplificadas pueden ejecutarse más rápidamente. Por lo tanto, si una tarea requiere tres ciclos para completarse en un procesador x86, un chip Arm puede necesitar diez pasos, pero ejecutarlos de manera que el rendimiento de ambos procesadores sea similar.

¿Cómo surgió la arquitectura Arm?

El nombre Arm proviene de Acorn RISC Machine. Esto se debe a que, a principios de la década de 1980, la empresa Acorn Computers estaba teniendo dificultades para encontrar una CPU que satisficiera a una computadora en fase de diseño y decidió crear un chip propio para ella.

Empresa detrás de la arquitectura Arm
Empresa detrás de la arquitectura Arm

Acorn basó el procesador en el entonces reciente concepto RISC, que permite el desarrollo de chips con instrucciones simplificadas. El chip fue anunciado en 1983 con el nombre de Acorn RISC Machine (ARM).

Los primeros chips Arm de Acorn fueron producidos por VLSI. En 1990, ambas compañías cerraron un acuerdo para crear una división basada en la tecnología. El negocio fue bautizado como Advanced RISC Machines, lo que permitió que el acrónimo ARM se mantuviera. Desde entonces, la empresa licencia sus arquitecturas.

En 2017, la marca tuvo una reformulación. Con esto, el nombre “ARM”, todo en mayúsculas, pasó a escribirse oficialmente como “Arm”, con las dos últimas letras en minúscula.

¿Qué son los procesadores Armv7, Armv8 y Armv9?

La familia Arm recibe nuevas versiones y variaciones de arquitecturas con el tiempo para agregar funcionalidades u optimizar determinados recursos. En el ámbito de los chips para dispositivos móviles, las arquitecturas Arm más importantes son estas:

  • Armv7: introducida en 2004 con el Cortex-M3 (ARMv7-M), primer procesador físico desarrollado por Arm. Admite características como virtualización y aceleración de medios. Recibió variaciones a partir de 2005;
  • Armv8: lanzada en 2011, trajo como gran innovación el soporte para AArch64, un conjunto estandarizado de instrucciones de 64 bits. A pesar de esto, mantuvo el soporte para instrucciones de 32 bits (AArch32);
  • Armv9: anunciada en 2021, mantiene el soporte para instrucciones AArch32 y AArch64, pero agrega características para rendimiento, inteligencia artificial y seguridad, como la tecnología CCA, que previene ataques a nivel de hardware.

¿Qué es arm64?

El nombre arm64 se refiere al soporte de 64 bits en chips Armv8 o posteriores. Una arquitectura Arm64 indica que el chip tiene registros, buses de datos y direccionamiento de memoria de 64 bits, lo que se traduce en más capacidad de procesamiento o rendimiento que arquitecturas de 16 o 32 bits.

Arm se refiere formalmente a su arquitectura de 64 bits como AArch64. La denominación arm64 es utilizada por empresas como Microsoft y Apple.

¿Cómo Gana Dinero Arm?

El principal negocio de Arm es el licenciamiento de sus arquitecturas. La compañía desarrolla conjuntos de instrucciones que sirven de base para que empresas como Apple, MediaTek, Qualcomm, Samsung y muchas otras desarrollen sus propios chips como forma de habilitar dispositivos para diversos fines.

Hasta finales de 2022, más de 250 mil millones de chips con arquitecturas licenciadas por Arm habían sido producidos, según la compañía. Ninguno de ellos tiene fabricación propia. Arm incluso desarrolla chips propios, pero solo sirven para pruebas internas o demostraciones de tecnologías a clientes.

¿Cuánto cuesta la licencia de Arm?

Cada licencia de Arm puede costar varios millones de dólares. Los valores no son públicos, pero se sabe que varían según la arquitectura licenciada y los contratos establecidos con cada cliente.

Arm también puede cobrar regalías al socio por cada chip vendido, generalmente en proporciones entre el 1% y el 2% sobre el valor de venta.

¿Cuáles son las principales tecnologías de Arm?

Arm desarrolla tecnologías que complementan sus arquitecturas para procesadores o satisfacen aplicaciones específicas. Entre estas tecnologías se encuentran:

  • Cortex: familia de núcleos de CPU principalmente destinados a dispositivos móviles. Incluye productos como Cortex-A720 (rendimiento intermedio), Cortex-A78 (alto rendimiento) y Cortex-A55 (eficiencia energética);
  • Neoverse: grupo de núcleos para CPUs destinadas a centros de datos, computación de alto rendimiento y aplicaciones profesionales. Incluye modelos como Neoverse V1 (arquitectura Armv8.4) y Neoverse N2 (Armv9);
  • Ethos: familia de tecnologías para NPUs (Unidades de Procesamiento Neural), un tipo de procesador que acelera tareas de inteligencia artificial. Incluye modelos como Ethos-U65 y Ethos-N78;
  • big.LITTLE: tecnología que combina núcleos de alto rendimiento con núcleos menos potentes pero que consumen menos energía. Optimiza el consumo de energía en dispositivos que dependen de baterías;
  • Mali: serie de GPUs (procesadores gráficos) que complementan chips de arquitectura Arm. La línea tiene capacidades gráficas para satisfacer aplicaciones con diferentes demandas de rendimiento, como juegos;
  • Immortalis: es una categoría de GPU para dispositivos móviles anunciada en 2022. Al estar enfocada en alto rendimiento, admite características como trazado de rayos (técnica que imita rayos de luz del “mundo real”);
  • Mali Image Signal Processors: es una línea de procesadores de señal de imagen (ISP) que convierten la información recibida por el sensor de una cámara en fotos y videos. Está presente en chips con arquitectura Arm;
  • Corstone: conjunto de plataformas para el desarrollo de SoCs (System-on-a-Chip) para dispositivos ponibles, Internet de las cosas, entre otras aplicaciones.

¿Qué Empresas Fabrican Chips Arm?

Concepto de fabricación de chips Arm
Concepto de fabricación de chips Arm

Arm licencia sus arquitecturas a docenas de empresas. Las más conocidas son:

  • Qualcomm: empresa estadounidense fundada en 1985 conocida por los procesadores Snapdragon, utilizados en teléfonos celulares, tabletas y computadoras portátiles;
  • Samsung: con sede en Corea del Sur, utiliza arquitecturas Arm en los chips Exynos, que equipan teléfonos celulares y tabletas Samsung Galaxy;
  • Apple: emplea las arquitecturas de Arm en los chips Apple Silicon, que equipan principalmente las líneas Mac, iPhone y iPad;
  • MediaTek: taiwanesa, desarrolla chips con tecnología Arm para teléfonos celulares, tabletas, relojes inteligentes y otros dispositivos. Es una competidora directa de Qualcomm;
  • Nvidia: desarrolla chips con arquitectura Arm para supercomputadoras, centros de datos y otras aplicaciones profesionales. Un ejemplo es la línea de CPUs Grace. Nvidia intentó comprar Arm en 2020, sin éxito;
  • Texas Instruments: desarrolla chips con arquitectura Arm para dispositivos que van desde calculadoras hasta circuitos utilizados en automatización industrial;
  • NXP: con sede en los Países Bajos, desarrolla chips para automóviles, ciudades inteligentes, telecomunicaciones, entre otros segmentos;
  • Broadcom: compañía estadounidense que aplica arquitecturas Arm en chips para teléfonos celulares, enrutadores Wi-Fi, redes cableadas, servidores y sistemas corporativos;
  • HiSilicon: subsidiaria de Huawei, desarrolla los chips Kirin para teléfonos celulares. HiSilicon sufrió graves problemas de producción en la segunda mitad de 2020, después de que Huawei fuera sancionada por Estados Unidos;
  • Unisoc: fundada en 2001, en China, desarrolla chips Arm para módems, dispositivos ponibles, Internet de las cosas y teléfonos celulares económicos.

¿Cuáles son los Procesadores con Arquitectura Arm?

Los chips con arquitectura Arm se encuentran en una amplia variedad de dispositivos. Los más conocidos son aquellos que equipan teléfonos celulares, tabletas y computadoras portátiles, como las siguientes líneas:

  • Snapdragon: línea de Qualcomm común en teléfonos celulares Android, pero también presente en tabletas y computadoras portátiles. Chips como el Snapdragon 8 Gen 2 equipan teléfonos celulares avanzados, pero también hay opciones con rendimiento medio y básico;
  • Exynos: son los chips que Samsung desarrolla para teléfonos celulares y tabletas. Equipan dispositivos Samsung Galaxy, pero ocasionalmente también se encuentran en teléfonos de otras marcas;
  • Apple Silicon: línea de procesadores desarrollada por Apple que equipa Macs e iPads. Se destaca por combinar alto rendimiento con eficiencia energética. Surgió en 2020 con el chip Apple M1;
  • Apple A16 y otros: chips como A16 Bionic, A15 Bionic y A14 Bionic se utilizan principalmente en iPhones;
  • MediaTek Helio y Dimensity: son chips empleados principalmente en teléfonos celulares Android. La familia Helio ofrece opciones desde básicas hasta avanzadas. Por otro lado, la línea Dimensity está orientada a dispositivos de alto rendimiento;
  • HiSilicon Kirin: equipa principalmente los teléfonos celulares de Huawei, como el P40. Muchos modelos de la línea dejaron de producirse en septiembre de 2020 debido a las sanciones impuestas por el gobierno de Estados Unidos.

¿Qué Sistemas Operativos son Compatibles con Arm?

Todos los principales sistemas operativos son compatibles o tienen versiones para procesadores con arquitectura Arm, destacándose:

  • Android: basado en el kernel de Linux, es líder en el segmento de teléfonos celulares, con más del 80% de participación solo en Brasil. Anteriormente, admitía la arquitectura x86 para funcionar en teléfonos celulares con chips Intel Atom;
  • iOS: es el sistema operativo de la línea iPhone, que utiliza chips con arquitectura Arm. Tiene variaciones como iPadOS (línea iPad) y watchOS (línea Apple Watch);
  • Linux: numerosas distribuciones de Linux tienen versiones específicas para chips Arm, como Ubuntu, Debian y OpenSUSE. Esto se debe a que el kernel de Linux en sí tiene soporte nativo para arquitecturas Arm;
  • macOS: el sistema operativo de las Macs comenzó a tener soporte oficial para la arquitectura Arm en 2020, cuando se anunció la familia Apple Silicon para reemplazar los procesadores Intel en la línea;
  • Windows: los sistemas operativos de Microsoft admiten chips Arm, aunque fueron desarrollados originalmente para x86. La plataforma es capaz de ejecutar software de 32 o 64 bits específico para Arm desde Windows 10, con el Windows en Arm;
  • BSD: utilizado principalmente en aplicaciones profesionales y académicas, los sistemas FreeBSD, OpenBSD y NetBSD funcionan con una amplia variedad de chips con tecnología Arm.

¿Cuál es la Diferencia entre Arm y x86?

Mientras que los chips Arm se basan en RISC, con instrucciones simplificadas, los procesadores x86 tienen como base la arquitectura CISC (Complex Instruction Set Computers), que posee instrucciones más complejas.

Diferencia de procesadores
Diferencias de procesadores

La arquitectura CISC tiene como objetivo atender aplicaciones que priorizan el rendimiento, razón por la cual los chips de este tipo utilizan una gran cantidad de transistores y recursos avanzados.

El resultado es que los procesadores CISC pueden consumir más energía y generar más calor que aquellos basados en RISC. Esto explica por qué los procesadores Intel y AMD, que están basados en x86, dominan los segmentos de PC y servidores, pero necesitan sistemas de enfriamiento como ventiladores u otros mecanismos.

Aunque muchos chips con tecnología Arm tienen un alto rendimiento, como los modelos Apple M1 y M2, las arquitecturas de este tipo suelen requerir menos energía debido a sus instrucciones simplificadas. Es por eso que los smarthphones o tablets no necesitan sistemas de enfriamiento, con pocas excepciones.

Sin embargo, los chips Arm raramente son intercambiables, a diferencia de los procesadores x86, que pueden ser reemplazados con mayor facilidad. Esto se debe a que las unidades Arm suelen estar diseñadas en el modelo de SoC (System-on-a-Chip), es decir, integran varios procesadores en el mismo chip de silicio para satisfacer necesidades específicas.

¿Arm consume menos energía que x86?

Los chips Arm generalmente consumen menos energía al estar basados en instrucciones simplificadas, mientras que los modelos x86 consumen más al priorizar el rendimiento. Sin embargo, existen chips x86 que requieren poca energía, como algunos modelos diseñados para notebooks que priorizan la autonomía.

¿Los procesadores x86 son más rápidos que los chips Arm?

Los procesadores x86 suelen ser típicamente más rápidos que las unidades Arm. Sin embargo, este aspecto depende del diseño del chip y de las optimizaciones de software. Un ejemplo son los chips Apple M1 y M2. Con arquitectura Arm, reemplazaron los procesadores Intel en las Macs ofreciendo más rendimiento.

¿Por qué un chip Arm no necesita un sistema de enfriamiento?

Los chips Arm se basan en la arquitectura RISC, que favorece el menor consumo de energía, por lo que rara vez estas unidades necesitan un sistema de enfriamiento. En muchos casos, los chips Arm solo requieren un disipador de calor simple.

Por otro lado, los chips x86 generan mucho más calor, por lo que el uso de sistemas de enfriamiento es importante, especialmente en computadoras de alto rendimiento. Sin embargo, existen excepciones, como los chips Intel Lakefield. Lanzados en 2020, tenían un TDP de solo 7 W, por lo que no necesitaban ventiladores.

¿x86 puede ejecutar aplicaciones diseñadas para Arm?

Las computadoras x86 no pueden ejecutar aplicaciones Arm (y viceversa) de manera nativa, pero pueden hacerlo mediante emulación de software o virtualización. Estos procedimientos pueden requerir ajustes y optimizaciones minuciosas para evitar errores o inestabilidades en la aplicación.

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