ARM: qué es, para qué sirve y cómo funciona esta arquitectura de procesadores

ARM es una de las arquitecturas de procesadores más importantes de la informática moderna. Aunque durante muchos años estuvo especialmente asociada a teléfonos móviles y dispositivos pequeños, actualmente está presente en ordenadores portátiles, servidores, sistemas de automoción, dispositivos IoT, centros de datos e incluso supercomputadores.

Su principal característica es utilizar una arquitectura basada en RISC, un enfoque que utiliza un conjunto de instrucciones diseñado para ser eficiente y facilitar implementaciones con diferentes niveles de rendimiento y consumo energético. Arm señala que ya se han enviado más de 350.000 millones de chips basados en su arquitectura.

¿Qué es ARM?

ARM es una arquitectura de conjunto de instrucciones (ISA) que define cómo debe comportarse un procesador y cómo se comunica el hardware con el software.

Es importante distinguir entre ARM como arquitectura y un procesador concreto.

Por ejemplo, Qualcomm, Apple, MediaTek, Samsung o Amazon pueden diseñar sus propios chips compatibles con la arquitectura Arm. La compañía Arm licencia sus especificaciones y tecnologías a otras empresas, que posteriormente pueden crear sus propias implementaciones.

Por tanto, cuando decimos que un móvil tiene un procesador ARM no necesariamente significa que el procesador haya sido fabricado por Arm.

¿Qué significa ARM?

El nombre ARM procede históricamente de Advanced RISC Machines, aunque actualmente la compañía utiliza principalmente la denominación Arm.

La arquitectura está basada en el concepto RISC, siglas de Reduced Instruction Set Computer. Este enfoque utiliza un conjunto de instrucciones relativamente sencillo y optimizado para facilitar una ejecución eficiente.

A diferencia de lo que puede parecer por su nombre, ARM no es simplemente un tipo de procesador pequeño o de bajo consumo. La arquitectura puede utilizarse para crear chips destinados tanto a dispositivos que funcionan con batería como a servidores de alto rendimiento.

¿Para qué sirve ARM?

La arquitectura Arm sirve como base para diseñar procesadores y sistemas capaces de ejecutar software.

Actualmente podemos encontrarla en:

• Smartphones.
• Tablets.
• Smart TV.
• Ordenadores portátiles.
• Servidores.
• Centros de datos.
• Consolas y dispositivos de entretenimiento.
• Automóviles.
• Microcontroladores.
• Dispositivos IoT.
• Sistemas industriales.
• Equipos de redes.
• Supercomputadores.

Arm explica que su arquitectura puede utilizarse desde dispositivos IoT de muy bajo consumo hasta sistemas de computación de altas prestaciones.

Esta flexibilidad es precisamente una de sus principales características.

¿Por qué ARM consume tan poca energía?

Una de las razones por las que ARM se hizo especialmente popular en dispositivos móviles es su eficiencia energética.

La filosofía RISC permite utilizar un diseño de instrucciones relativamente sencillo, lo que facilita crear procesadores eficientes en términos de rendimiento por vatio.

Esto es especialmente importante en dispositivos alimentados por batería.

Un smartphone, por ejemplo, necesita realizar numerosas tareas durante todo el día sin agotar rápidamente su batería. Un diseño eficiente permite mantener un equilibrio entre rendimiento, consumo y temperatura.

Sin embargo, sería incorrecto decir que todos los procesadores ARM consumen poco. El consumo final depende de la implementación concreta, el proceso de fabricación, las frecuencias, el número de núcleos y otros elementos del chip.

ARM frente a x86

Cuando hablamos de procesadores para PC, las dos arquitecturas que más suelen aparecer son ARM y x86.

x86 está asociada principalmente a procesadores de Intel y AMD, mientras que ARM domina tradicionalmente el mercado de smartphones y dispositivos móviles.

La diferencia fundamental está en el conjunto de instrucciones y en la arquitectura utilizada.

Durante años, los ordenadores Windows y Linux de escritorio estuvieron dominados por x86, mientras que ARM se convirtió en la arquitectura predominante en teléfonos y tablets.

Sin embargo, esta separación se ha ido reduciendo.

Los procesadores ARM actuales también pueden utilizarse en ordenadores portátiles y servidores. La propia Arm incluye entre sus mercados objetivo los PC, portátiles, servidores, sistemas de red y centros de datos.

ARM de 32 y 64 bits

La arquitectura ARM ha evolucionado considerablemente con el paso de los años.

Una de las evoluciones más importantes fue la llegada de Armv8-A, que introdujo soporte para arquitecturas de 64 bits manteniendo también un estado de ejecución de 32 bits.

En 64 bits se utiliza AArch64, mientras que AArch32 corresponde al entorno de ejecución de 32 bits.

Actualmente, los sistemas ARM de 64 bits tienen una enorme importancia tanto en dispositivos móviles como en ordenadores y servidores.

¿Qué es ARMv8 y ARMv9?

No existe una única versión de ARM.

La arquitectura ha ido evolucionando mediante diferentes generaciones.

Armv8-A introdujo la arquitectura de 64 bits AArch64 y supuso un importante salto respecto a las generaciones anteriores.

Posteriormente llegó Armv9-A, que incorpora nuevas capacidades destinadas a mejorar el rendimiento, la seguridad y las cargas de trabajo relacionadas con inteligencia artificial y aprendizaje automático.

Actualmente, Arm continúa evolucionando la arquitectura mediante nuevas extensiones y versiones.

Los diferentes perfiles de ARM

Una característica interesante de Arm es que no está diseñada exclusivamente para un tipo de dispositivo.

La arquitectura se divide en diferentes perfiles dependiendo de las necesidades del sistema.

ARM A-Profile

El A-Profile está orientado a aplicaciones que necesitan un rendimiento elevado y sistemas operativos completos.

Se utiliza en:

• Smartphones.
• Tablets.
• Ordenadores.
• Servidores.
• Sistemas de automoción.
• Equipos de red.

Las familias Cortex-A, Cortex-X y Neoverse están relacionadas con este segmento.

ARM R-Profile

El R-Profile está pensado para sistemas que necesitan respuestas deterministas y funcionamiento en tiempo real.

Tiene aplicaciones en sistemas industriales, automoción y determinados sistemas críticos donde la respuesta temporal es especialmente importante.

ARM M-Profile

El M-Profile está diseñado para microcontroladores y sistemas embebidos de bajo consumo.

Es habitual encontrar este tipo de procesadores en dispositivos IoT, sensores, sistemas domésticos inteligentes, wearables y diferentes dispositivos electrónicos.

Cortex-A, Cortex-M y Cortex-R

Aquí aparece otra distinción importante.

Cortex es el nombre utilizado por Arm para diferentes familias de núcleos y procesadores.

Por ejemplo:

• Cortex-A: aplicaciones y sistemas operativos completos.
• Cortex-R: sistemas en tiempo real.
• Cortex-M: microcontroladores de bajo consumo.
• Cortex-X: diseños orientados a ofrecer un rendimiento muy elevado.
• Neoverse: infraestructuras y servidores.

Arm explica que estas familias permiten adaptar la arquitectura a diferentes necesidades de rendimiento, consumo y tamaño.

¿Quién fabrica procesadores ARM?

Aquí hay una diferencia fundamental respecto a lo que ocurre con empresas como Intel.

Arm desarrolla y licencia la arquitectura y propiedad intelectual, mientras que diferentes compañías pueden diseñar sus propios chips basándose en ella.

Entre las empresas que utilizan tecnología Arm encontramos nombres como Apple, Qualcomm, MediaTek, Samsung, NVIDIA, Amazon, Google y Microsoft, entre muchos otros.

Esto permite que dos procesadores basados en ARM sean muy diferentes internamente aunque compartan una arquitectura compatible.

Por ejemplo, el procesador de un smartphone y el de un servidor pueden utilizar ARM, pero tener diseños, frecuencias, número de núcleos y objetivos completamente diferentes.

ARM en los teléfonos móviles

Los smartphones son probablemente el ejemplo más conocido de la arquitectura.

Los procesadores de móviles suelen utilizar un diseño basado en ARM porque necesitan combinar potencia suficiente para ejecutar aplicaciones modernas con un consumo energético reducido.

Además, los actuales SoC (System on Chip) integran muchos componentes dentro de un mismo chip.

Un SoC puede incluir:

• CPU.
• GPU.
• Controlador de memoria.
• Procesador de imagen.
• NPU o acelerador de IA.
• Controladores de conectividad.
• Otros aceleradores especializados.

Esto permite construir dispositivos compactos y eficientes.

ARM también ha llegado a los ordenadores

Durante mucho tiempo, comprar un ordenador significaba prácticamente elegir entre procesadores x86 de Intel o AMD.

La situación ha cambiado con la expansión de ARM.

Apple, por ejemplo, utiliza sus propios procesadores basados en Arm para los Mac modernos. También existen equipos Windows con procesadores ARM, especialmente dentro del ecosistema Snapdragon.

La ventaja está en combinar un rendimiento elevado con una buena eficiencia energética, algo especialmente interesante en portátiles.

La propia arquitectura Arm está diseñada para cubrir desde dispositivos móviles hasta PC, servidores y supercomputadores.

ARM en servidores y centros de datos

Otro mercado que ha crecido considerablemente es el de los servidores.

Los centros de datos buscan constantemente reducir el consumo energético porque mantener miles de servidores funcionando supone un coste importante.

Los procesadores basados en ARM pueden ofrecer una combinación interesante de rendimiento y eficiencia energética.

La familia Neoverse de Arm está específicamente orientada a infraestructuras y computación de alto rendimiento.

Por este motivo, ARM ya no puede considerarse únicamente una arquitectura para teléfonos móviles.

Ventajas de ARM

Entre las principales características que han impulsado su expansión podemos destacar:

• Buena eficiencia energética.
• Alto rendimiento por vatio en determinadas implementaciones.
• Gran flexibilidad.
• Diferentes perfiles para distintos tipos de dispositivos.
• Amplio ecosistema de fabricantes.
• Posibilidad de crear diseños personalizados.
• Presencia desde microcontroladores hasta servidores.
• Evolución constante de la arquitectura.

Arm señala precisamente la escalabilidad, eficiencia energética, seguridad y compatibilidad del ecosistema como elementos fundamentales de su arquitectura.

¿ARM es mejor que x86?

No existe una respuesta universal.

ARM y x86 son arquitecturas diferentes y cada implementación concreta puede tener características muy distintas.

Un procesador ARM puede destacar por su eficiencia energética, mientras que determinados procesadores x86 pueden ofrecer un rendimiento excelente en cargas de trabajo concretas.

Además, el rendimiento no depende únicamente de la arquitectura. También influyen el diseño del núcleo, número de núcleos, caché, frecuencia, proceso de fabricación, memoria y software.

Por eso resulta más útil comparar procesadores concretos que afirmar que una arquitectura es siempre superior a otra.

¿Qué futuro tiene ARM?

La presencia de ARM continúa extendiéndose a nuevos mercados.

La arquitectura ya está presente en smartphones, ordenadores, servidores, automoción, IoT y sistemas de inteligencia artificial. Arm afirma que su ecosistema supera los 350.000 millones de chips enviados.

La evolución hacia Armv9 y las nuevas extensiones relacionadas con inteligencia artificial, seguridad y computación de alto rendimiento también están ampliando sus posibilidades.

Por tanto, es probable que sigamos encontrando ARM en un número cada vez mayor de dispositivos.

Conclusión

ARM es una arquitectura de procesadores basada en el enfoque RISC que destaca por su flexibilidad y eficiencia energética. Aunque inicialmente se hizo especialmente popular en teléfonos móviles, actualmente se utiliza en ordenadores, servidores, automóviles, dispositivos IoT y sistemas de computación de alto rendimiento.

Una de sus grandes ventajas es que la misma arquitectura puede adaptarse a dispositivos muy diferentes. Los perfiles A, R y M permiten desarrollar soluciones destinadas respectivamente a aplicaciones de alto rendimiento, sistemas en tiempo real y microcontroladores de bajo consumo.

Además, empresas de todo el mundo pueden licenciar la tecnología de Arm y desarrollar sus propios procesadores, lo que ha creado un enorme ecosistema de chips compatibles.

En definitiva, ARM ya no es simplemente «la arquitectura de los móviles». Se ha convertido en una de las bases tecnológicas más importantes de la informática moderna, desde los pequeños sensores hasta los grandes centros de datos.