O que é um processador Arm e qual é a diferença para um x86?

Arm é um conjunto de arquiteturas para processadores desenvolvido pela empresa britânica Arm. Tem como principal característica a versatilidade para atender de pequenos dispositivos móveis a grandes servidores. Entenda como a Arm conquistou o segmento de celulares e disputa espaço com a arquitetura x86.

O que é arquitetura Arm?

Arm é uma família de arquiteturas de processadores do tipo RISC (Reduced Instruction Set Computing), ou seja, que tem como base um conjunto simplificado de instruções que definem como o processador funciona.

Essa simplificação permite que um chip de tecnologia Arm consuma menos energia e gere menos calor do que um processador x86. Isso explica a sua ampla aceitação em celulares, tablets, smartwatches, notebooks e outros dispositivos que dependem de baterias.

Mesmo com instruções simplificadas, chips com tecnologia Arm podem ter alto desempenho. Tudo depende do seu conjunto de recursos, bem como das aplicações para as quais foram desenvolvidos.

Além disso, instruções simplificadas podem ser executadas mais rapidamente. Assim, se uma tarefa exige três ciclos para ser concluída por um processador x86, um chip Arm pode precisar de dez passos, mas executá-los de modo que o desempenho de ambos os processadores seja similar.

Como surgiu a arquitetura Arm?

O nome Arm advém de Acorn RISC Machine. Isso porque, no início dos anos 1980, a empresa Acorn Computers estava tendo dificuldades para encontrar uma CPU que atendesse a um computador em fase de projeto e decidiu criar um chip próprio para ele.

A Acorn baseou o processador no então recente conceito RISC, que permite o desenvolvido de chips com instruções simplificadas. O chip foi anunciado em 1983 com o nome Acorn RISC Machine (ARM).

Os primeiros chips Arm da Acorn eram produzidos pela VLSI. Em 1990, ambas as companhias fecharam um acordo para criar uma divisão baseada na tecnologia. O negócio foi batizado de Advanced RISC Machines, o que permitiu que o acrônimo ARM fosse mantido. Desde então, a empresa licencia as suas arquiteturas.

Em 2017, a marca teve uma reformulação. Com isso, o nome “ARM”, todo em maiúsculo, passou a ser escrito oficialmente como “Arm”, com as duas últimas letras em minúsculo.

O que são processadores Armv7, Armv8 e Armv9?

A família Arm recebe novas versões e variações de arquiteturas com o passar do tempo para acrescentar funcionalidades ou otimizar determinados recursos. No âmbito dos chips para dispositivos móveis, as arquitetura Arm mais importantes são estas:

• Armv7: introduzida em 2004 com o Cortex-M3 (ARMv7-M), primeiro processador físico desenvolvido pela Arm. Suporta recursos como virtualização e aceleração de mídia. Recebeu variações a partir de 2005;
• Armv8: lançada em 2011, trouxe como grande inovação o suporte ao AArch64, um conjunto padronizado de instruções de 64 bits. Apesar disso, manteve o suporte a instruções de 32 bits (AArch32);
• Armv9: anunciada em 2021, mantém o suporte a instruções AArch32 e AArch64, mas adiciona recursos para desempenho, inteligência artificial e segurança, como a tecnologia CCA, que previne ataques no nível do hardware.

O que é arm64?

O nome arm64 se refere ao suporte a 64 bits em chips Armv8 ou posteriores. Uma arquitetura Arm64 indica que o chip tem registradores, barramentos de dados e endereçamento de memória de 64 bits, o que se traduz em mais capacidade de processamento ou desempenho do que arquiteturas de 16 ou 32 bits.

A Arm se refere formalmente à sua arquitetura de 64 bits como AArch64. A denominação arm64 é usada por companhias como Microsoft e Apple.

Como a Arm ganha dinheiro?

O principal negócio da Arm é o licenciamento de suas arquiteturas. A companhia desenvolve conjuntos de instruções que servem de base para que empresas como Apple, MediaTek, Qualcomm, Samsung e muitas outras desenvolvam os próprios chips como forma de viabilizar dispositivos para os mais variados fins.

Até o final de 2022, mais de 250 bilhões de chips com arquiteturas licenciadas pela Arm haviam sido produzidos, de acordo com a companhia. Nenhum deles têm fabricação própria. A Arm até desenvolve chips próprios, mas eles servem somente para testes internos ou demonstrações de tecnologias a clientes.

Quanto custa a licença da Arm?

Cada licença da Arm pode custar alguns milhões de dólares. Os valores não são públicos, mas sabe-se que eles variam de acordo com a arquitetura licenciada e os contratos estabelecidos com cada cliente.

A Arm também pode cobrar do parceiro royalties por chip vendido, geralmente em proporções entre 1% e 2% sobre o valor da venda.

Quais são as principais tecnologias da Arm?

A Arm desenvolve tecnologias que complementam as suas arquiteturas para processadores ou atendem a aplicações específicas. Entre essas tecnologias estão:

• Cortex: família de núcleos de CPUs voltados principalmente a dispositivos móveis. Inclui produtos como o Cortex-A720 (desempenho intermediário), Cortex-A78 (alto desempenho) e Cortex-A55 (eficiência energética);
• Neoverse: grupo de núcleos para CPUs destinadas a datacenters, computação de alto desempenho e aplicações profissionais. Inclui modelos como Neoverse V1 (arquitetura Armv8.4) e Neoverse N2 (Armv9);
• Ethos: família de tecnologias para NPUs (Unidades de Processamento Neural), um tipo de processador que acelera tarefas de inteligência artificial. Incluem modelos como Ethos-U65 e Ethos-N78;
• big.LITTLE: tecnologia que faz um chip combinar núcleos de alto desempenho com núcleos menos potentes, mas que gastam menos energia. Otimiza o consumo energético em dispositivos que dependem de bateria;
• Mali: série de GPUs (processadores gráficos) que complementam chips de arquitetura Arm. A linha tem capacidades gráficas para atender a aplicações com as mais diferentes demandas de desempenho, como jogos;
• Immortalis: é uma categoria de GPU para dispositivos móveis anunciada em 2022. Por ter foco em alto desempenho, suporta recursos como o ray tracing (técnica que imita raios de luz do “mundo real”);
• Mali Image Signal Processors: é uma linha de processadores de sinal de imagem (ISP), que convertem as informações recebidas pelo sensor de uma câmera em fotos e vídeos. Está presente em chips com arquitetura Arm;
• Corstone: conjunto de plataformas para desenvolvimento de SoCs (System-on-a-Chip) para dispositivos vestíveis, internet das coisas, entre outras aplicações.

Quais empresas fazem chips Arm?

A Arm licencia suas arquiteturas a dezenas de empresas. As mais conhecidas são:

• Qualcomm: empresa americana fundada em 1985 conhecida pelos processadores Snapdragon, usados em celulares, tablets e notebooks;
• Samsung: com sede na Coreia do Sul, usa arquiteturas Arm nos chips Exynos, que equipam celulares e tablets Samsung Galaxy;
• Apple: emprega as arquiteturas da Arm nos chips Apple Silicon, que equipam principalmente as linhas Mac, iPhone e iPad;
• MediaTek: taiwanesa, desenvolve chips com tecnologia Arm para celulares, tablets, smartwatches e outros dispositivos. É uma concorrente direta da Qualcomm;
• Nvidia: desenvolve chips com arquitetura Arm para supercomputadores, datacenters e outras aplicações profissionais. Um exemplo é a linha de CPUs Grace. A Nvidia tentou comprar a Arm em 2020, sem sucesso;
• Texas Instruments: desenvolve chips com arquitetura Arm para dispositivos que vão de calculadoras a circuitos utilizados em automação industrial;
• NXP: baseada nos Países Baixos, desenvolve chips para automóveis, cidades inteligentes, telecomunicações, entre outros segmentos;
• Broadcom: companhia americana que aplica arquiteturas Arm em chips para celulares, roteadores Wi-Fi, redes cabeadas, servidores e sistemas corporativos;
• HiSilicon: subsidiária da chinesa Huawei, desenvolve os chips Kirin para celulares. A HiSilicon teve a sua produção fortemente prejudicada no segundo semestre de 2020, depois que a Huawei sofreu sanções dos Estados Unidos;
• Unisoc: fundada em 2001, na China, desenvolve chips Arm para modems, dispositivos vestíveis, internet das coisas e celulares de baixo custo.

Quais processadores têm arquitetura Arm?

Chips com arquitetura Arm estão presentes em uma grande variedade de dispositivos. Os mais conhecidos são aqueles que equipam celulares, tablets e notebooks, a exemplo das seguintes linhas:

• Snapdragon: linha da Qualcomm comum em celulares Android, mas também presente em tablets e notebooks. Chips como o Snapdragon 8 Gen 2 equipam celulares avançados, mas há opções com desempenho médio e básico;
• Exynos: são os chips que a Samsung desenvolve para celulares e tablets. Equipam os aparelhos Samsung Galaxy, mas eventualmente aparecem em smartphones de outras marcas;
• Apple Silicon: linha de processadores desenvolvida pela Apple que equipa Macs e iPads. Destaca-se por combinar alto desempenho com eficiência energética. Surgiu em 2020 com o chip Apple M1;
• Apple A16 e mais: chips como A16 Bionic, A15 Bionic e A14 Bionic são usados principalmente nos iPhones;
• MediaTek Helio e Dimensity: são chips empregados principalmente em celulares Android. A família Helio tem opções que vão do básico ao avançado. Já a linha Dimensity é direcionada a aparelhos de alto desempenho;
• HiSilicon Kirin: equipa principalmente os celulares da Huawei, a exemplo do P40. Muitos modelos da linha deixaram de ser produzidos em setembro de 2020 por causa das sanções que o governo americano aplicou à Huawei.

Quais sistemas operacionais são compatíveis com Arm?

Todos os principais sistemas operacionais são compatíveis ou têm versões para processadores com arquitetura Arm, com destaque para:

• Android: baseado no kernel Linux, é líder no segmento de smartphones, com mais de 80% de participação somente no Brasil. Já suportou a arquitetura x86 para funcionar em celulares com chips Intel Atom;
• iOS: é o sistema operacional da linha iPhone, que conta com chips de arquitetura Arm. Tem variações como iPadOS (linha iPad) e watchOS (linha Apple Watch);
• Linux: numerosas distribuições Linux têm versões específicas para chips Arm, a exemplo do Ubuntu, Debian e OpenSUSE. Isso porque o kernel Linux em si têm suporte nativo a arquiteturas Arm;
• macOS: o sistema operacional dos Macs passou a ter suporte oficial à arquitetura Arm em 2020, quando a família Apple Silicon foi anunciada para substituir os processadores Intel na linha;
• Windows: os sistemas operacionais da Microsoft suportam chips Arm, apesar de terem sido desenvolvidos originalmente para x86. A plataforma é capaz de executar softwares de 32 ou 64 bits específicos para Arm desde o Windows 10, com o Windows on Arm;
• BSD: usados principalmente em aplicações profissionais e acadêmicas, os sistemas FreeBSD, OpenBSD e NetBSD funcionam com uma grande variedade de chips com tecnologia Arm.

Qual a diferença entre Arm e x86?

Enquanto chips Arm são baseados em RISC, tendo instruções simplificadas, processadores x86 têm como base a arquitetura CISC (Complex Instrucion Set Computers), que têm instruções mais complexas.

A arquitetura CISC visa atender a aplicações que priorizam o desempenho, razão pela qual chips do tipo empregam um grande número de transistores e recursos avançados.

O efeito disso é que processadores CISC podem gastar mais energia e gerar mais calor do que aqueles baseados em RISC. Isso explica o fato de processadores Intel e AMD, que são baseados em x86, dominarem os segmentos de PCs e servidores, mas precisarem de coolers (ventoinhas) ou outros mecanismos de resfriamento.

Embora muitos chips com tecnologia Arm tenham alto desempenho, a exemplo dos modelos Apple M1 e M2, arquiteturas do tipo costumam demandar menos energia por terem como base instruções simplificadas. É por isso que celulares ou tablets não precisam de sistemas de resfriamento, com poucas exceções.

Porém, chips Arm raramente são intercambiáveis, diferente dos processadores x86, que podem ser trocados com maior facilidade. Isso porque unidades Arm costumam ser feitas no modelo de SoC (System-on-a-Chip), ou seja, reúnem vários processadores no mesmo chip de silício para atender a necessidades específicas.

Arm consome menos energia que x86?

Chips Arm geralmente consomem menos energia por serem baseados em instruções simplificadas, enquanto modelos x86 consomem mais por priorizarem o desempenho. No entanto, há chips x86 que demandam pouca energia, como alguns modelos voltados a notebooks que priorizam a autonomia.

Processadores x86 são mais rápidos que chips Arm?

Processadores x86 são tipicamente mais rápidos que unidades Arm. No entanto, esse aspecto depende do projeto do chip e de otimizações de software. Um exemplo são os chips Apple M1 e M2. Com arquitetura Arm, eles substituíram os processadores Intel nos Macs oferecendo mais desempenho.

Por que um chip Arm não precisa de cooler?

Chips Arm são baseados na arquitetura RISC, que favorece o menor consumo de energia, razão pela qual dificilmente essas unidades precisam de cooler. Em muitos casos, chips Arm só precisam de um dissipador de calor simples.

Já os chips x86 geram muito mais calor, portanto, o uso de sistemas de resfriamento é importante especialmente em computadores de alto desempenho. Mas há exceções, a exemplo dos chips Intel Lakefield. Lançados em 2020, eles tinham TDP de apenas 7 W, por isso, não precisavam de ventoinhas.

x86 roda aplicativos feitos para Arm?

Computadores x86 não rodam aplicativos Arm (e vice-versa) de modo nativo, mas podem fazê-lo por meio de emulação de software ou virtualização. Esses procedimentos podem precisar de ajustes e otimizações minuciosas para evitar erros ou instabilidades no aplicativo.