Qu’est-ce qu’un processeur ARM ?

La rivalité entre les architectures x86 et ARM structure l’univers des processeurs modernes.

Alors que l’architecture x86 portée par des géants comme Intel et AMD est historiquement associée aux ordinateurs personnels et aux serveurs, l’architecture ARM s’est imposée comme un choix de premier plan pour les appareils mobiles et les systèmes embarqués.

Ces processeurs reposent sur une architecture RISC (Reduced Instruction Set Computer) qui privilégie des instructions simples et rapides à exécuter. Les processeurs ARM ont redéfini les standards de consommation énergétique dans l’industrie.

Mais qu’est-ce qui distingue réellement un processeur ARM et pourquoi connaît-il un tel succès ?

Qu’est-ce qu’un processeur doté d’une architecture ARM ?

Un processeur doté d’une architecture ARM (Advanced RISC Machine) est conçu pour exploiter les principes d’une architecture RISC (Reduced Instruction Set Computing) caractérisée par l’exécution rapide et simplifié d’un ensemble réduit d’instructions. Cette conception simplifiée permet une faible consommation énergétique et a permis aux processeurs ARM de devenir le choix dominant pour les appareils mobiles (smartphones, tablettes et objets connectés) où l’autonomie est un critère indispensable.

Toutefois, leur champ d’application ne se limite plus aux appareils mobiles. L’expansion de leur écosystème logiciel soutenue par des systèmes comme Windows 11 conçu pour ARM ont permis à ces processeurs de s’imposer dans des environnements informatiques plus complexes. On les retrouve désormais dans des ordinateurs ultraportables, des serveurs et même dans des infrastructures cloud et des solutions de calcul haute performance (HPC). Windows 11 ARM, par exemple, optimise les performances sur ce type de matériel et améliore la compatibilité avec les applications développées pour l’architecture x86 grâce à l’émulation.

Depuis 2020, avec l’introduction de la puce Apple M1, Apple a entamé une transition majeure en abandonnant les processeurs Intel (x86) au profit de ses propres processeurs basés sur l’architecture ARM. Cette stratégie d’Apple démontre la puissance de cette architecture lorsqu’elle est exploitée de manière optimisée.

ARM et calcul haute performance ?

Le superordinateur Fugaku, développé conjointement par RIKEN et Fujitsu est une démonstration spectaculaire du potentiel de l’architecture ARM dans le domaine du calcul haute performance (HPC). Premièr superordinateur basée sur des processeurs ARM à occuper la première place du classement mondial TOP500 en 2020, Fugaku symbolise la capacité de cette architecture à répondre aux besoins les plus exigeants de l’informatique scientifique et technique.

Au cœur de Fugaku se trouvent les processeurs Fujitsu A64FX spécifiquement conçus pour le calcul haute performance et reposant sur l’architecture ARMv8-A avec des extensions Scalable Vector Extensions (SVE). Ces processeurs intègrent 48 cœurs principaux et 4 cœurs auxiliaires par puce fonctionnant à une fréquence de 2,2 GHz chacun et sont accompagnés de 32 Go de mémoire HBM2 par processeur. Avec un total de 158 976 processeurs, Fugaku atteint une puissance maximale de 442 pétaflops (PFLOPS) et dépasse même les 2 exaflops en précision mixte sur HPL-AI, un record mondial au moment de sa mise en service.

Les avantages de l’architecture ARM (Advanced RISC Machine)

Les avantages de l’architecture ARM (Advanced RISC Machine) découlent principalement de sa conception basée sur l’architecture RISC (Reduced Instruction Set Computer) :

Coût réduit grâce à une architecture optimisée

L’architecture ARM repose sur des composants peu complexes et entraîne inévitablement une réduction des coûts de fabrication. Comparé aux processeurs basés sur des architectures plus complexes comme les CPU Gaming x64, les puces ARM nécessitent moins de transistors, ceci rend leur production plus économique.

Économe en énergie : le pilier des processeurs ARM

L’optimisation énergétique est l’un des atouts majeurs des processeurs ARM. Grâce à leur architecture simplifiée, ils consomment moins d’énergie, ce qui se traduit par une autonomie accrue pour les appareils équipés. Par exemple :

• Appareils mobiles : Les smartphones, tablettes et autres gadgets portables équipés de processeurs ARM bénéficient de batteries plus durables car ces processeurs minimisent la consommation d’énergie tout en offrant de bonnes performances.
• Systèmes à calcul hétérogène : Ces systèmes combinent différents types de processeurs (performants et économes en énergie), ce qui permet d’allouer des tâches legères aux processeurs et minimiser l’impact sur la puissance de calcul.

Ce positionnement stratégique sur la sobriété énergétique explique pourquoi ARM domine largement dans les domaines où autonomie et consommation minimale sont prioritaires.

Réduction des risques de surchauffe

Les processeurs ARM genèrent peu de chaleur grâce à leur faible consommation énergétique, ce qui réduit considérablement les risques de surchauffe. Leur robustesse s’en trouve améliorée : les puces ARM sont moins sujettes aux contraintes thermiques et gagnent en durabilité même lors d’une utilisation prolongée.Elles ne nécessitent pas toujours de systèmes de refroidissement actif (ventilateurs) ce qui simplifie la conception des appareils et en diminue les coûts.

Conception simplifié

Les processeurs ARM utilisent un ensemble d’instructions réduit et standardisé avec des instructions fixes et courtes. Cette standardisation simplifie le traitement des commandes et rendant les performances plus prévisibles. Les optimisations sont également plus faciles à réaliser grâce à une exécution des instructions en un seul cycle d’horloge, l’efficacité opérationnelle est maximisée et accélére ainsi le développement et la mise en œuvre des applications.

La structure de l’architecture RISC offre également quelques avantages en matière d’accès à la mémoire. En réduisant les délais d’accès au cache et à la mémoire principale, elle améliore les performances globales des systèmes et des tâches. Ces atouts font de l’architecture ARM une solution privilégiée pour les environnements où simplicité et performances sont un choix de prédilection.

Puissance de calcul : ARM VS X64

Les processeurs X64, ou CISC (Complex Instruction Set Computer) sont réputés pour leur capacité à gérer des charges de travail intensives grâce à leur architecture complexe. Cette complexité leur permet d’exécuter un large éventail d’instructions simultanément et se traduit par des performances brutes supérieures dans les scénarios de calculs lourds ou de traitement intensif de données. Leur capacité à manipuler ces tâches complexes en fait souvent le choix privilégié pour les applications nécessitant une puissance de calcul importante telles que les serveurs de bases de données ou les stations de travail haut de gamme.

En revanche, les processeurs ARM peuvent rivaliser avec les processeurs X64 en termes d’efficacité énergétique et de performance par watt. Bien que leur architecture soit généralement considérée comme moins complexe que celle des processeurs X64, les processeurs ARM peuvent exceller dans des scénarios où la consommation d’énergie est un enjeu majeur comme les appareils mobiles, les systèmes embarqués et les dispositifs IoT (Internet des objets).

Quelle est la différence entre les architectures ARMv7 et ARMv8 ?

ARMv7 et ARMv8 sont deux versions majeures de l’architecture ARM, utilisées principalement dans les processeurs pour mobiles, systèmes embarqués et serveurs. ARMv7 est une architecture 32 bits qui a longtemps dominé le marché des smartphones et tablettes, tandis qu’ARMv8 a marqué une évolution majeure avec le passage au 64 bits.

ARMv7 : Une architecture 32 bits optimisée

L’architecture ARMv7 repose sur une approche RISC (Reduced Instruction Set Computing) en 32 bits, ce qui limite la gestion de la mémoire à 4 Go par processus. Elle propose différents profils adaptés à des usages spécifiques :

• ARMv7-A : pour les smartphones et tablettes, avec prise en charge de la mémoire virtuelle (MMU).
• ARMv7-R : pour les systèmes temps réel, utilisés dans l’automobile ou l’aviation.
• ARMv7-M : conçu pour les microcontrôleurs et l’embarqué.

La caractéristique phare d’ARMv7 est l’intégration du jeu d’instructions Thumb-2 qui permet une exécution plus efficiente des instructions en mode 16 et 32 bits. Cependant, l’architecture ARMv7 ne prend pas en charge nativement la virtualisation matérielle et ses capacités de sécurité restent limitées.

ARMv8 : Le passage au 64 bits

L’architecture ARMv8 apporte plusieurs améliorations clés, dont la principale est l’introduction du mode 64 bits (AArch64). Ce mode permet une gestion de la mémoire bien plus large, avec un adressage allant au-delà de 4 Go, essentiel pour les applications modernes comme l’intelligence artificielle ou le cloud computing.

ARMv8 introduit également une meilleure séparation des modes d’exécution :

• AArch64 : mode 64 bits avec un nouveau jeu d’instructions (A64).
• AArch32 : mode 32 bits assurant la compatibilité avec les applications ARMv7.

Ces améliorations rendent ARMv8 beaucoup plus adapté aux applications serveur, aux centres de données et aux architectures modernes basées sur ARM.

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