Arm: la arquitectura que puede poner fin al imperio x86

Y ahora con fuerza empujada por Apple, amenaza con desplazar a la “tradicional” arquitectura x86 del escritorio y en algunos casos, también de los centros de datos. En este especial vamos a explicar qué es Arm exactamente y en qué se diferencia de los productos que desarrollan compañías como AMD o Intel.

Para entender cómo es la arquitectura ARM, lo primero es comprender el curioso papel que juega en esta ecuación la empresaArm Holdings. Como otras empresas del sector, Arm es la propietaria de los diseños de sus propios chips y la arquitectura de sus conjuntos de instrucciones; por ejemplo de Arm64. Pero a diferencia de otras empresas, ni fabrica sus propios chips, ni posee plantas de producción.

¿Qué es lo que hace entonces? Licencia la fabricación de esos chips a terceras empresas, que de esta forma se convierten en sus “partners”. Estas terceras empresas utilizan los diseños proporcionados por Arm como una suerte de “plantilla” sobre la que construyen sus propios desarrollos, manteniendo ese núcleo Arm en su centro. A partir de aquí, los partners de Arm puede expandir y personalizar la posibilidades de este núcleo central todo lo que consideren necesario, adaptándolas a sus propios dispositivos.

La consecuencia de todo esto es que aunque los procesadores que finalmente desarrollan compañías como Apple, Samsung o Qualcomm tienen una fuerte dependencia de los diseños y la propiedad intelectual producida por Arm, no dejan de ser procesadores esencialmente propios, adaptados a un “aquí y un ahora” del dispositivo en el que se integran.

¿En qué se diferencia una arquitectura Arm de una x86?

Dicho de otra forma, las particularidades de la arquitectura Arm, consiguen que cada dispositivo que la incorpora tienda a crear un sistema único, adaptado a las características propias del smartphone, el tablet o el PC en el que se instala.

Por el contrario, un PC o un servidor basado en una arquitectura x86 se construye utilizando un conjunto de especificaciones en cuanto a rendimiento y compatibilidad que son comunes para todos los fabricantes y equipos. Un PC es más bien entonces una suma de los componentes que se eligen y no tanto un diseño específico/integrado para cada modelo en particular. Y esto por supuesto tiene ventajas, como un coste menor para los vendedores de hardware, pero también inconvenientes, como el hecho de que la mayor parte de las tareas de innovación y desarrollo quedan en terceras manos, por lo que dependen del software y algunos matices en la implementación para diferenciarse de su competencia en términos de rendimiento.

Así, el fabricante de un ordenador x86 basado en Intel o AMD, no diseña ni posee ninguna parte de la propiedad intelectual de la CPU. Tampoco puede reproducirla o adaptarla a sus propios fines. De hecho el conocido sello Intel Inside” certifica una licencia que permite que el fabricante del dispositivo construya un equipo en torno a ese procesador, sin que se le permita alterarlo en ningún aspecto. Que Arm sí permita introducir todo tipo de cambios y que estos cambios se puedan hacer sobre el propio chip hace que en en este caso, más que de CPU hablemos de SoC (System-on-a-Chip).

Esto no quiere decir que automáticamente los ordenadores y otros dispositivos basados en Arm sean superiores a los que equipan una arquitectura x86. De todos es sabido que esta última ha dominado el terreno de la computación durante las últimas cuatro décadas…y por otro lado, no es que Arm sea una empresa precisamente nueva, toda vez que lleva licenciando sus chips desde 1985. Con estas diferencias por lo tanto resulta algo frívolo afirmar que una arquitectura supera a la otra y de hecho, resulta mucho más interesante analizar casos concretos.

Principales procesadores de Arm

Como en el caso de Intel o AMD, Arm ofrece un buen número de series de procesadores en función de su propósito final o su caso de uso. Estos serían sus líneas principales:

Cortex-A: Es una de sus familias más populares, respondiendo la -A al término “aplicación”. Históricamente eran procesadores pensados para clientes que necesitaban que el procesador respondiera a una aplicación única, como podía ser un amplificador de audio digital, un procesador de vídeo, un microcontrolador industrial, el núcleo de un equipo médico…etc.

Con el paso del tiempo y las distintas iteraciones de esta línea, Cortex-A llegó a convertirse en el núcleo fundamental de dos dispositivos emergentes: computadoras de una sola placa capaces de ser programadas para una variedad de aplicaciones (como una caja de supermercado) y más tarde, a los teléfonos inteligentes.

Cortex-R:Es un procesador con un tipo de casos de uso mucho más estrecho y se destina a aplicaciones de microcontroladores que requieren procesamiento en tiempo real, como pueden ser los modems 4G y 5G.

Cortex-M:En este caso Arm apuesta por la miniaturización, por lo que su uso está indicado para dispositivos en los que precisamente no sobra el espacio. Puedes encontrarlos en los sistemas que controlan por ejemplo los sistemas de freno inteligente de los automóviles, o en cámaras de vídeo de alta definición destinadas al reconocimiento automático de imágenes.

Ethos-N: Constituye una serie de procesadores destinados específicamente a aplicaciones de machine learning y al procesamiento de redes neuronales. Arm de hecho lo considera su procesador neuronal para el centro de datos.

Ethos-U: Hablamos en este caso de una versión reducida del Ethos-N, y está diseñado para su uso como co-procesador, normalmente junto al Cortex-A.

Neoverse:Lanzado en 2018, es un procesador especialmente pensado para ofrecer un desempeño máximo en servidores y centros de datos, especialmente en los factores-forma más pequeños. Su uso está especialmente indicado para micro data centers y el edge computing.

SecureCore:Es un tipo de procesador que solo se utiliza para su uso en aplicaciones de tarjetas inteligentes, certificaciones basadas en dispositivos USB y seguridad integrada.

A partir de aquí como hemos dicho, Arm permite que sus partners creen versiones personalizadas basándose en su arquitectura, llegando a crear productos realmente diferenciados. Entre esos partners que personalizan la arquitectura encontramos los nombres compañías como Apple, Marvell, Nvidia, Samsung, Qualcomm o Ampere Computing…y Huawei, si que las restricciones del gobierno americano no le dejan fuera definitivamente de la posibilidad de seguir utilizando estos diseños.

Cómo Arm quiere conquistar los servidores

Tal y como os contamos hace unas semanas, con Fugaku, Fujitsu hacía historia por partida doble: construía el superordenador más potente del mundo y lo hacía utilizando procesadores basados en arquitecturas Arm.

¿Por qué Arm y cómo impacta esta arquitectura en el centro de datos? De todas las diferencias que Arm pueda presentar frente a x86, la más interesante para el responsable del data center que a diferencia de la de Intel o AMD, es muy poco probable que las basadas en Arm necesiten un sistema de enfriamiento activo, ni se usa ventilador, ni se usa enfriamiento líquido.

Esto es especialmente interesante en el caso del edge computing ya que permite a las empresas posicionar pequeños data centers, justo en el lugar en el que se originan los datos sin necesidad de trasladar las unidades de intercambio de calor que acompañan habitualmente los racks basados en arquitecturas x86. Además al poder introducir 5G en el mismo SoC, las opciones de conectividad se miniaturizan y se extienden.

En este sentido, una startup como Bamboo Systems ya es capaz de desarrollar nodos de computación no mucho más grandes que una caja de zapatos, de modo que basándose en Arm son capaces de producir servidores que utilizan sólo una quinta parte del espacio físico necesario que se emplea en el rack actual, consumiendo solo una cuarta parte de la energía de los racks x86 que presentan niveles de rendimiento comparables.

Apple Silicon y la revolución de la industria tecnológica

Pero sin lugar a dudas, de todos los desarrollos que se han anunciado en los últimos tiempos sobre Arm, es Apple Silicon el que se lleva la atención máxima.

Para la compañía de la manzana, decir adiós a Intel y hola a Arm es más que una declaración de intenciones, es toda una revolución. Apple Silicon es la culminación de un trabajo que la compañía inició con su A10 Fusion el primer SOC diseñado por Apple y que debutó en el iPhone 7 (2016) con un 40% más de rendimiento que el SOC de la generación anterior.

Un año más tarde, la compañía salta hasta los 7 nanómetros con su A11, consiguiendo un 25% de potencia adicional frente al A10; un proceso que se repite con el A12 de 2018 y una vez más, con el A13 del año pasado, ofreciendo un 20% más de rendimiento y un 40% más de eficiencia energética con respecto a la generación anterior.

Con estos mimbres es mucho lo que se espera. Y es que tal y como os contamos, los primeros tests sintéticos a los que se han visto sometidos los primeros procesadores Apple Silicon han superado todas las expectativas. Tanto que los datos que se han hecho públicos ayer en distintos benchmarks, supera con holgura el rendimiento que ofrece el SnapDragon utilizado en el Surface Pro X por Microsoft y ya es capaz de ofrecer unas métricas muy similares a las que encontramos en otros ordenadores e alta gama equipados con Windows.

por Rodolfo de Juana