La rivalidad entre las arquitecturas x86 y ARM está dando forma al mundo de los procesadores modernos.
Mientras que la arquitectura x86, respaldada por gigantes como Intel y AMD, se ha asociado históricamente a ordenadores personales y servidores, la arquitectura ARM se ha consolidado como opción líder para dispositivos móviles y sistemas embebidos.
Estos procesadores se basan en la arquitectura RISC (Reduced Instruction Set Computer), que favorece las instrucciones sencillas y rápidas de ejecutar. Los procesadores ARM han redefinido los estándares de consumo energético en la industria.
Pero, ¿qué es lo que realmente diferencia a un procesador ARM y por qué tiene tanto éxito?
¿Qué es un procesador de arquitectura ARM?
Un procesador con arquitectura ARM (Advanced RISC Machine) está diseñado para explotar los principios de la arquitectura RISC (Reduced Instruction Set Computing), caracterizada por la ejecución rápida y simplificada de un conjunto reducido de instrucciones. Este diseño simplificado permite un bajo consumo de energía y ha permitido a los procesadores ARM convertirse en la opción dominante para los dispositivos móviles (smartphones, tabletas y objetos conectados) en los que la autonomía es un criterio esencial.
Sin embargo, su alcance ya no se limita a los dispositivos móviles. La expansión de su ecosistema de software, respaldado por sistemas como Windows 11 diseñado para ARM, ha permitido a estos procesadores establecerse en entornos informáticos más complejos. Ahora pueden encontrarse en ordenadores ultraportátiles, servidores e incluso infraestructuras en la nube y soluciones de computación de alto rendimiento (HPC). Windows 11 ARM, por ejemplo, optimiza el rendimiento en este tipo de hardware y mejora la compatibilidad con aplicaciones desarrolladas para arquitectura x86 mediante emulación.
Desde 2020, con la introducción del chip Apple M1, Apple ha iniciado una importante transición desde los procesadores Intel (x86) hacia sus propios procesadores basados en ARM. La estrategia de Apple demuestra la potencia de esta arquitectura cuando se utiliza de forma optimizada.
¿ARM y la informática de alto rendimiento?
El superordenador Fugaku, desarrollado conjuntamente por RIKEN y Fujitsu, es una espectacular demostración del potencial de la arquitectura ARM en el campo de la computación de alto rendimiento (HPC). Fugaku, el primer superordenador basado en procesadores ARM que ocupará el primer puesto en la clasificación mundial TOP500 en 2020, simboliza la capacidad de esta arquitectura para satisfacer las necesidades más exigentes de la informática científica y técnica.
En el corazón de Fugaku se encuentran los procesadores Fujitsu A64FX diseñados específicamente para la computación de alto rendimiento y basados en la arquitectura ARMv8-A con Scalable Vector Extensions (SVE). Estos procesadores cuentan con 48 núcleos principales y 4 auxiliares por chip que funcionan a una frecuencia de 2,2 GHz cada uno y van acompañados de 32 GB de memoria HBM2 por procesador. Con un total de 158.976 procesadores, Fugaku alcanza una potencia máxima de 442 petaflops (PFLOPS) e incluso supera los 2 exaflops en precisión mixta en HPL-AI, un récord mundial en el momento de su puesta en servicio.
Las ventajas de la arquitectura ARM (Advanced RISC Machine)
Las ventajas de la arquitectura ARM (Advanced RISC Machine) derivan principalmente de su diseño basado en la arquitectura RISC (Reduced Instruction Set Computer):
Menores costes gracias a una arquitectura optimizada
La arquitectura ARM se basa en componentes de baja complejidad, lo que inevitablemente conlleva una reducción de los costes de fabricación. En comparación con los procesadores basados en arquitecturas más complejas, como las CPU x64 Gaming, los chips ARM requieren menos transistores, lo que los hace más económicos de producir.
Eficiencia energética: el pilar de los procesadores ARM
La optimización energética es una de las principales ventajas de los procesadores ARM. Gracias a su arquitectura simplificada, consumen menos energía, lo que se traduce en una mayor autonomía de los dispositivos equipados. Por ejemplo :
- Dispositivos móviles: los smartphones, tabletas y otros gadgets portátiles equipados con procesadores ARM se benefician de baterías más duraderas, ya que estos procesadores minimizan el consumo de energía al tiempo que ofrecen un buen rendimiento.
- Sistemas informáticos heterogéneos: estos sistemas combinan distintos tipos de procesadores (de alto rendimiento y bajo consumo), lo que permite asignar tareas ligeras a los procesadores y minimizar el impacto en la potencia de cálculo.
Este enfoque estratégico en la eficiencia energética explica por qué ARM es tan dominante en áreas donde la autonomía y el consumo mínimo de energía son prioritarios.
Menor riesgo de sobrecalentamiento
Los procesadores ARM generan poco calor gracias a su bajo consumo, lo que reduce considerablemente el riesgo de sobrecalentamiento. También son más robustos: los chips ARM están menos sometidos a tensiones térmicas y son más duraderos, incluso cuando se utilizan durante largos periodos, y no siempre requieren sistemas de refrigeración activos (ventiladores), lo que simplifica el diseño de los dispositivos y reduce los costes.
Diseño simplificado
Los procesadores ARM utilizan un conjunto de instrucciones reducido y estandarizado con instrucciones fijas y cortas. Esta estandarización simplifica el procesamiento de las instrucciones y hace que el rendimiento sea más predecible. Las optimizaciones también son más fáciles de conseguir gracias a que las instrucciones se ejecutan en un solo ciclo de reloj, lo que maximiza la eficiencia operativa y acelera el desarrollo y la implantación de aplicaciones.
La estructura de la arquitectura RISC también ofrece una serie de ventajas en términos de acceso a la memoria. Al reducir los tiempos de acceso a la memoria caché y a la memoria principal, mejora el rendimiento general de los sistemas y las tareas. Estas ventajas convierten a la arquitectura ARM en la solución preferida para entornos en los que priman la sencillez y el rendimiento.
Potencia de cálculo: ARM VS X64
Los procesadores X64 o CISC (Complex Instruction Set Computer) son famosos por su capacidad para manejar cargas de trabajo intensivas gracias a su compleja arquitectura. Esta complejidad les permite ejecutar una amplia gama de instrucciones simultáneamente, lo que se traduce en un rendimiento bruto superior en escenarios de cálculo pesado o procesamiento intensivo de datos. Su capacidad para gestionar estas tareas complejas los convierte a menudo en la opción preferida para aplicaciones de cálculo intensivo, como servidores de bases de datos o estaciones de trabajo de gama alta.
Los procesadores ARM, por su parte, pueden rivalizar con los procesadores X64 en términos de eficiencia energética y rendimiento por vatio. Aunque su arquitectura suele considerarse menos compleja que la de los procesadores X64, los procesadores ARM pueden destacar en escenarios en los que el consumo de energía es un problema importante, como los dispositivos móviles, los sistemas embebidos y los dispositivos IoT (Internet de las cosas).
¿Cuál es la diferencia entre las arquitecturas ARMv7 y ARMv8?
ARMv7 y ARMv8 son dos versiones principales de la arquitectura ARM, utilizadas principalmente en procesadores para teléfonos móviles, sistemas integrados y servidores. ARMv7 es una arquitectura de 32 bits que ha dominado durante mucho tiempo el mercado de smartphones y tabletas, mientras que ARMv8 marcó una importante evolución con el paso a los 64 bits.
ARMv7: una arquitectura de 32 bits optimizada
La arquitectura ARMv7 se basa en un enfoque RISC (Reduced Instruction Set Computing) de 32 bits, que limita la gestión de la memoria a 4 GB por proceso. Ofrece distintos perfiles adaptados a usos específicos:
- ARMv7-A: para smartphones y tabletas, con soporte para memoria virtual (MMU).
- ARMv7-R: para sistemas en tiempo real utilizados en los sectores de la automoción y la aviación.
- ARMv7-M: diseñado para microcontroladores y sistemas integrados.
La característica estrella de ARMv7 es la integración del conjunto de instrucciones Thumb-2, que permite una ejecución más eficiente de las instrucciones en los modos de 16 y 32 bits. Sin embargo, la arquitectura ARMv7 no admite de forma nativa la virtualización de hardware y sus capacidades de seguridad siguen siendo limitadas.
ARMv8: la transición a los 64 bits
La arquitectura ARMv8 aporta varias mejoras clave, la principal de las cuales es la introducción del modo de 64 bits (AArch64). Este modo permite una gestión de la memoria mucho más amplia, con direccionamientos superiores a 4 GB, algo esencial para aplicaciones modernas como la inteligencia artificial o la computación en la nube.
ARMv8 también introduce una mejor separación de los modos de ejecución:
- AArch64: modo de 64 bits con un nuevo conjunto de instrucciones (A64).
- AArch32: modo de 32 bits para compatibilidad con aplicaciones ARMv7.
Estas mejoras hacen que ARMv8 sea mucho más adecuado para aplicaciones de servidor, centros de datos y arquitecturas modernas basadas en ARM.
| Características | ARMv7 (32 bits) | ARMv8 (64 bits) |
|---|---|---|
| Arquitectura | 32 bits | 64 bits (AArch64) + 32 bits (AArch32) |
| Registros generales | 16 registros de 32 bits | 31 registros de 64 bits |
| Memoria máxima | 4 GB | Teóricamente 16 Exabytes |
| Virtualización | Limitada | Hardware completo |
| Seguridad | TrustZone (opcional) | TrustZone mejorada |
| Juego de instrucciones | ARMv7 + Pulgar-2 + NEON | Nuevo juego de instrucciones A64 + compatibilidad con A32 |
| Áreas de aplicación | Móviles, integrados | Móviles, servidores, IA, HPC |
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