¿Qué es ARM? Todo lo que necesitas saber

Cada vez se habla más de ARM, más aún desde que Apple rompió su alianza con Intel para diseñar sus propios chips para sus Mac. Ahora están por todas partes, en tu Smart TV, en tu smartphone, en tu tablet, en tu Android TV Box, en tu router, incluso en tu PC, aunque éste no tenga una CPU basada en ARM…

En este artículo comprenderás qué es ARM y por qué es tan importante en la actualidad.

¿Qué es la arquitectura ARM?

ARM

Cuando nos referimos a ARM, no como la marca o el holding, sino como la ISA (Instruction Set Architecture), nos estamos refiriendo a una arquitectura, como lo puede ser POWER, SPARC, AMD64 o x96-64, IA-64, etc.

Es decir, la arquitectura define la cantidad de registros, su tamaño, los tipos de datos que se pueden manejar, los modos de direccionamiento, y el repertorio de instrucciones u operaciones que puede ejecutar la CPU (sumar, restar, mover datos, saltos, etc.).

Al igual que cuando aprendes un nuevo lenguaje de programación tienes que aprender los formatos de datos que acepta dicho lenguaje, las palabras reservadas o funciones, etc., en una CPU también existe esa “arquitectura” que se debe aprender tanto para poder diseñar microarquitecturas como para programar para dicha plataforma a bajo nivel (con ASM o ensamblador).

De hecho, el ensamblador de ARM estará compuesto por una serie de nemónicos (mov, mul, sub, add, bne, …) que no son más que las instrucciones del set de esta ISA.

No confundas arquitectura o ISA de una CPU con microarquitectura.

La ISA es la definición de las instrucciones, datos, etc., como he dicho. Mientras que la microarquitectura es una implementación física de dicha ISA, es decir, cómo a nivel de hardware se va a poder gestionar esa ISA. Por ejemplo, la ISA x86-64 es una misma, pero puede tener varias implementaciones diferentes, como AMD Zen, AMD Zen3, Intel Kaby Lake, Intel Coffee Lake, Intel Rocket Lake, etc. Todas con sus diferencias.

Esta ISA ARM es de tipo RISC, y puedes encontrarla en varias versiones, de 32-bit o 64-bit, y ya es compatible con multitud de sistemas operativos, como macOS, Windows, Linux, BSD, etc.

Uso de los chips basados en ARM

ARM Server

ARM comenzó siendo una arquitectura casi marginal, con cierto éxito en Reino Unido para las computadoras Acorn. Pero poco a poco fue ganando importancia por su gran eficiencia energética. La relación de rendimiento por vatio consumido de ARM es excelente, además de ser núcleos muy sencillos que ocupan menos espacio en el chip, lo que también es positivo.

Estas ventajas la hicieron conquistar y dominar varios sectores, y actualmente están presentes en:

  • Los dispositivos móviles, están en casi todas las tabletas y móviles del mundo.
  • Empotrados o embebidos. Existen muchos aparatos que disponen de chips basados en ARM para multitud de aplicaciones. Desde algunos sistemas para vehículos, pasando por otros para la industria, el IoT, routers, televisiones, electrodomésticos, etc.
  • En los PCs también están presentes, no solo en los que usan una CPU ARM, también en otros. Por ejemplo, AMD usa un núcleo ARM dedicado a la seguridad en algunos de sus procesadores. Otros componentes del PC también usan núcleos ARM como controladores.
  • En el HPC también se están comenzando a ver muchos servidores o supercomputadoras con diseños ARM. Su eficiencia y rendimiento están conquistando cada vez más centros de datos.

Origen de la Arquitectura ARM

arm logo

Arm Ltd. es una multinacional dedicada al desarrollo de procesadores y software. Su sede está en Cambridge, Reino Unido. Esta compañía no fabrica sus propios chips, su negocio es diseñar las microarquitecturas, licenciarlas y venderlas a terceros.

ARM (Advanced RISC Machines) una empresa conjunta cuyo objetivo era promover y desarrollar la arquitectura ARM. Fue fundada con la colaboración de Acorn Computer, Apple y VLSI Technology. La compañía de la manzana llegó incluso a usar chips ARM en su Apple Newton, un PDA precursor de los actuales iPad, iPod y iPhone, algo que no demasiados saben, y que deja ver que la relación de los de Cupertino con esta arquitectura son muy anteriores a sus A-Series y M-Series.

Arm fue adquirida por la japonesa SoftBank en 2016, y más tarde, en 2020 se anunciaría la compra de Arm por NVIDIA por 40 mil millones de dólares, aunque SoftBank seguiría teniendo una participación del 10%. No obstante, la UE está revisando esta operación, y podría negarse a que se realice esta adquisición, lo que sería un enorme palo para NVIDIA. Actualmente es algo que se debate en Europa, y próximamente habrá noticias sobre la decisión final.

¿Quién ha desarrollado los chips ARM?

Pero… ¿quién creó esa arquitectura ARM? ¿Dónde está el origen? Pues para explicar esto hay que hablar de la compañía británica Acorn Computers. Fue fundada en 1978, con personas clave como Chris Curry, Steve Furber, Hermann Hauser, Andy Hopper, Sophie Wilson y Jim Mitchell.

Esta compañía se dedicó a producir computadoras que fueron muy populares en el reino unido, como la Acorn ARchimedes, BBC Micro, o Acorn Electron. Llegó a ser tan importante que a veces se referían a ella como “la Apple británica”.

Sus primeros diseños usaron otros microprocesadores, como el MOS 6502 en el BBC Micro, entre otros. Pero después comenzaron a diseñar su propia arquitectura denominada inicialmente ARM (Acorn RISC Machine). El primer diseño llegaría en 1985, con el lanzamiento del ARM1 diseñado por Acorn y fabricado por VLSI Technology. Un año después llegaría el ARM2, luego el ARM3, y así sucesivamente.

Desde finales de los 80 y principios de los 90, se tomó un cambio de rumbo importante. En vez de diseñar sus propios chips y encargar la producción a VLSI Technology, tomaron la decisión de crear ARM (Advanced RISC Machines) y comenzar a licenciar sus diseños a mediados de los 90. Por ejemplo, una de las primeras licencias daría paso al StrongARM de la ya desaparecida DEC (Digital Equipment Corp.). Esa línea sería comprada por Intel para sustituir a su i960, y más tarde vendida a Marvell.

Entonces comenzarían a desarrollar IP cores para licenciarlos a terceros, un negocio bastante productivo. Un negocio con clientes de la talla de Analog Devices, Amazon, Apple, Atmel, Marvell, Freescale, NXP, Intel, Huawei, Mediatek, Qualcomm, AMD, NVIDIA, Renesas, Samsung, STMicroelectronics, Texas INstruments, Xilinx, Fujitsu, NUVIA, Ampere, y un largo etc.

Tipos de Licencias ARM

Actualmente, Arm dispone de varios tipos de licencias para sus clientes:

  • Para educación e investigación, para centros o instituciones de educación que no tienen intenciones comerciales. Estas pueden ir desde los 0€ hasta los 60.000€ o más.
  • Licenciamiento de sus IP Core (Cortex). Pueden costar desde los cientos de miles de euros a millones de euros. Por ejemplo, algunas compañías como Samsung, HiSilicon, Mediatek, etc., los usan para usar los ARM Cortex-A Series en sus SoCs.
  • La Built on ARM Cortex Technology, que es una licencia para permitir a terceros modificar un IP Core Cortex. Por ejemplo, Qualcomm, a diferencia de los citados anteriormente, usa núcleos Kryo en su SoC Snapdragon. Se trata de una microarquitectura basada en el IP core ARM Cortex-A Series, pero modificada para obtener mejor rendimiento.
  • Arquitectural licence, que licencia la ISA. Solo se licencia la ISA, es decir, para que otros puedan usar el set de instrucciones en sus propios diseños. Es lo que hace Apple para sus Apple Silicon. Es decir, ellos no compran la licencia de un núcleo ya hecho, sino que ellos mismos desarrollan la microarquitectura desde cero para implementar la ISA ARM. El resultado son chips como el M1.

Además, Arm no solo licencia sus CPUs, también tiene sus propias GPUs llamadas Mali, controladores, IP de seguridad, diseños para la interconexión, kits de diseño, herramientas de software, soporte, etc.

Isaac

Isaac

Electrónico, apasionado de la tecnología y escritor. Además de impartir cursos de administración de sistemas GNU/Linux como preparación para las certificaciones LPI, e introducción a la supercomputación y la arquitectura de computadoras. Autor de la enciclopedia sobre microprocesadores "El Mundo de Bitman", así como otros manuales y colaborador de otros proyectos de código abierto... Siempre intentando aprender.

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