Procesadores ARM

Los procesadores ARM son un grupo de unidades de procesamiento central (CPU) que se basan en una arquitectura de computadora con un conjunto reducido de instrucciones (RISC). ARM es la sigla de Advanced RISC Machine (máquina avanzada de RISC). Este tipo de arquitectura presenta un enfoque diferente en cuanto al diseño del hardware de un sistema en comparación con las arquitecturas de servidores más conocidas, como x86.

El ecosistema de ARM surgió en los últimos años con los productos y las soluciones optimizados para los servidores, los cuales se diseñaron para la nube, los sistemas informáticos con gran capacidad de expansión, las telecomunicaciones y el edge computing, y con las aplicaciones informáticas de alto rendimiento (HPC). Red Hat® Enterprise Linux® for ARM ofrece una plataforma confiable y de alto rendimiento que incluye un entorno de aplicaciones uniforme para las implementaciones físicas, virtuales y en la nube.

Para comprender los casos prácticos y las aplicaciones de las arquitecturas ARM, debemos conocer la historia de sus procesadores.

El enfoque arquitectónico x86 es más antiguo, ya que la primera CPU con este procesador se lanzó en 1978, es decir, en la época en que las computadoras centrales eran gigantes y ocupaban una habitación entera. A medida que se fue modernizando la tecnología con las "microcomputadoras" (las PC), surgió la necesidad de configurar los elementos para obtener mayor rendimiento con un diseño más pequeño. A principios de la década de 1980, Acorn Computers desarrolló las microcomputadoras, pero el diseño del chip limitaba su desempeño.

En la misma época (desde 1981), se llevó a cabo un proyecto en la Universidad de California, Berkeley, para evaluar el uso de los recursos con los chips de las computadoras. Las unidades de procesamiento cuentan con ciertas operaciones predefinidas que conforman los conjuntos de instrucciones, los cuales se utilizan para ejecutar los sistemas operativos y los programas. Los programadores de Berkeley descubrieron que la mayoría de los programas solo usaban una pequeña parte del conjunto de instrucciones. Si reducían la cantidad de operaciones predefinidas y eliminaban aquellas que eran complejas, difíciles de implementar y poco utilizadas, las instrucciones restantes y más sencillas se ejecutarían más rápido y ocuparían menos energía y espacio en el chip. Esto se denomina arquitectura de computadora con un conjunto reducido de instrucciones (RISC). En cambio, x86 es una arquitectura con un conjunto complejo de instrucciones (CISC). Tanto RISC como CISC se consideran arquitecturas de conjuntos de instrucciones.

Las arquitecturas de los servidores típicos, como el diseño de x86 ampliamente difundido, presentan un enfoque modular con una placa madre y elementos intercambiables. La CPU y los demás elementos, como las placas de video y las GPU, los controladores de memoria, el almacenamiento o los procesadores, son específicos para ciertas funciones y se pueden cambiar o ampliar con facilidad. Sin embargo, la comodidad también tiene un precio. Los elementos de hardware son en general arquitecturas más homogéneas, lo cual puede permitir que los piratas informáticos penetren los sistemas rápidamente con programas que desarrollan una sola vez y los implementan en diversos entornos.

Los procesadores ARM tienen un enfoque distinto. La unidad de procesamiento no está separada del resto del hardware, sino que los núcleos de la CPU son parte de la plataforma física del circuito integrado. También hay otras funciones de hardware en la misma plataforma física (p. ej.: los controladores de entrada y salida, como la interconexión de los elementos periféricos), y todas se integran en un bus interno. Cuando los elementos de este tipo se ubican en el mismo circuito integrado, conforman un sistema en chip o SOC.

La capacidad de adaptación y la integración de los procesadores ARM son las principales razones que nos llevan a elegirlos para un sistema determinado. No hay un fabricante único de ARM, como es el caso de los procesadores AMD o Intel para las arquitecturas x86. Arm Holdings comercializa las licencias de los diseños para los procesadores ARM con ciertos indicadores de rendimiento y para diferentes optimizaciones y propósitos especializados. Luego, los fabricantes de hardware adaptan esos diseños a sus dispositivos específicos.

De cierta manera, cuando tratamos de explicar qué es un procesador basado en ARM, perdemos un poco el sentido de lo que representan, ya que su uso implica una arquitectura diferente con un conjunto distinto de prioridades subyacentes para el rendimiento y la conectividad del sistema.

Si bien el uso de las arquitecturas x86 está más extendido en el mercado de los servidores, ARM es el diseño electrónico más común en todo el mundo. Se utiliza en casi todos los teléfonos inteligentes, así como en otros dispositivos móviles pequeños y en las computadoras portátiles.

Los chips x86 están diseñados para optimizar el rendimiento, mientras que con los procesadores basados en ARM se busca lograr el equilibrio entre los costos y la reducción del tamaño, la disminución del consumo de energía y las temperaturas, la velocidad y la mayor duración de la batería.

Dado que Arm Holdings no comercializa los sistemas de hardware, sino los diseños, los fabricantes de hardware pueden personalizar la microarquitectura en función de sus requisitos específicos y, al mismo tiempo, mantener el tamaño pequeño, el rendimiento alto y la eficiencia energética. Este enfoque tiene ventajas y desventajas, ya que también implica que los sistemas operativos, como Linux, Windows y Android, deben admitir una variedad más amplia de sistemas de hardware.

Las arquitecturas ARM no se usan solamente para los dispositivos móviles pequeños: una de las supercomputadoras más rápidas del mundo, Fugaku de Fujitsu y Riken, utiliza uno de estos procesadores. En ese caso en particular, Fujitsu diseñó un chip propio de ARM para la supercomputadora, pero ARM también ofrece un perfil de diseño para las arquitecturas de HPC. Gracias a la reducción del tamaño, del consumo energético y de la temperatura (lo cual a su vez disminuye la necesidad de un sistema de enfriamiento adicional), cada vez más empresas optan por ARM para crear nodos o clústeres para los conjuntos de soluciones de HPC y de la nube (como los procesadores Graviton de Amazon Web Services y Microsoft Azure). La cadena de herramientas Arm Compiler for Linux se diseñó para desarrollar aplicaciones de HPC. Es importante evaluar la compatibilidad entre sus aplicaciones actuales, los casos prácticos y los procesadores ARM a medida que los integra.

Los diseñadores de hardware que utilizan la arquitectura ARM tienen más control sobre los diseños, el rendimiento y las cadenas de suministro. La combinación de control y rendimiento no solo resulta atractiva en los dispositivos pequeños de uso cotidiano, sino también en los entornos informáticos de gran tamaño.

Las arquitecturas ARM utilizan los sistemas operativos Linux desde hace tiempo, particularmente en dispositivos como las placas Raspberry Pi y los teléfonos inteligentes de Samsung y Apple. Sin embargo, el desarrollo con procesadores ARM y Linux tenía sus complicaciones: era necesario contar con un kernel de Linux personalizado para cada diseño de ARM debido a la falta de uniformidad entre ellos, incluso del mismo fabricante o modelo. Esto cambió en el año 2012, cuando la comunidad del kernel de Linux agregó la compatibilidad de varias plataformas con los SOC de ARM.

Arm Holdings ha definido arquitecturas específicas que admiten los servidores y las estaciones de trabajo de Linux: la serie SystemReady. Estas arquitecturas definen especificaciones para el hardware, el firmware, los requisitos de arranque y la seguridad. Red Hat Enterprise Linux for ARM cuenta con la certificación SystemReady SR de Arm. Las arquitecturas SystemReady buscan garantizar que cada elemento de la stack tecnológica funcione correctamente, comenzando por el sistema operativo.

La comunidad es un factor esencial en los diseños de ARM. La suscripción de Red Hat ofrece acceso al conjunto extenso de proveedores, entre los que se incluyen los fabricantes y los diseñadores de hardware de ARM, con iniciativas colaborativas de ingeniería e implementaciones probadas y certificadas. Dado que ARM está muy relacionado con el desarrollo de hardware, RHEL ofrece un programa de acceso anticipado con sus proveedores del ecosistema de hardware para evaluar los diseños nuevos.

La inversión de Red Hat en la comunidad de ARM y el ciclo de vida, la seguridad y el rendimiento del open source empresarial de Red Hat Enterprise Linux la convierten en la plataforma ideal para las cargas de trabajo de ARM.