Procesadores Arm: Todo lo que necesitas saber ahora

Lo más importante que debe comprender sobre el papel que desempeña la arquitectura del procesador Arm en cualquier mercado de informática o comunicaciones (teléfonos inteligentes, computadoras personales, servidores u otros) es esto: Arm Holdings, Ltd., con sede en Cambridge, Reino Unido. , diseña los componentes de los procesadores para que otros los construyan. Arm posee estos diseños, junto con la arquitectura de sus conjuntos de instrucciones, como ARM64 de 64 bits. Su modelo de negocio es otorgar licencias de propiedad intelectual (IP) para estos componentes y el conjunto de instrucciones a otras empresas, permitiéndoles construir sistemas a su alrededor que incorporen sus propios diseños y los de Arm. Para sus clientes que construyen sistemas alrededor de estos chips, Arm ha hecho la parte difícil por ellos.

Arm Holdings, Ltd.

¿Cómo hace Arm, una empresa de chips, para hacer negocios sin fabricar chips?

Arm Holdings, Ltd. no fabrica sus propios chips. No tiene instalaciones de fabricación propias. En cambio, otorga licencias de estos derechos a otras empresas, a las que Arm Holdings llama “socios”. Utilizan el modelo arquitectónico de Arm como una especie de plantilla, construyendo sistemas que utilizan núcleos Arm como procesadores centrales.

Qualcomm

Estos socios de Arm tienen la oportunidad de diseñar, y posiblemente fabricar, sus sistemas en torno a estos procesadores, o subcontratar su producción a otros, pero en cualquier caso vender implementaciones de estos diseños en mercados comerciales. Muchos teléfonos inteligentes y tabletas de Samsung y Apple, y esencialmente todos los dispositivos producidos por Qualcomm, utilizan parte de la propiedad intelectual de Arm. Una nueva ola de servidores producidos con sistemas en un chip (SoC) basados ​​en Arm ya ha avanzado en la competencia contra x86, especialmente con modelos de bajo consumo o de uso especial. Cada dispositivo que incorpora un procesador Arm tiende a ser su propio sistema único, como el procesador móvil Qualcomm Snapdragon 845 de varias partes que se muestra arriba.

(Qualcomm anunció su plataforma móvil 865 Plus 5G en julio de 2020. En enero pasado, el fabricante de chips anunció que su plataforma móvil 888 5G alimentaría los teléfonos inteligentes Galaxy S21, S21+ y S21 Ultra de Samsung).

Quizás la mejor explicación del modelo de negocio de Arm, así como de su relación con su propia propiedad intelectual, se encuentre en una presentación de 2002 ante la Comisión de Bolsa y Valores de Estados Unidos:

Ponemos mucho cuidado en establecer y mantener la integridad patentada de nuestros productos. Nos enfocamos en diseñar e implementar nuestros productos en una forma de “sala limpia”, sin el uso de propiedad intelectual perteneciente a terceros, excepto bajo procedimientos estrictamente mantenidos y derechos de licencia expresa. En el caso de que descubramos que un tercero tiene protecciones de propiedad intelectual que cubren un producto que estamos interesados ​​en desarrollar, tomaríamos medidas para comprar una licencia para usar la tecnología o trabajar en torno a la tecnología para desarrollar nuestra propia solución a fin de evitar la infracción de los derechos de propiedad intelectual de esa otra empresa. A pesar de dichos esfuerzos, terceros aún pueden presentar reclamos de que hemos infringido sus derechos de propiedad, los cuales defenderíamos.

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Por qué se vende x86 y Arm tiene licencia

El fabricante de una computadora x86 basada en Intel o AMD no diseña ni posee ninguna parte de la propiedad intelectual de la CPU. Tampoco puede reproducir IP x86 para sus propios fines. “Intel Inside” es un sello que certifica una licencia para que el fabricante del dispositivo construya una máquina. alrededor El procesador de Intel. Se puede diseñar un dispositivo basado en Arm para incorporar el procesador, tal vez incluso haciendo adaptaciones a su arquitectura y funcionalidad. Por esa razón, en lugar de una “unidad central de procesamiento” (CPU), un procesador Arm se denomina sistema en un chip (SoC). Gran parte de la funcionalidad del dispositivo puede fabricarse en el propio chip, cohabitando el troquel con los núcleos exclusivos de Arm, en lugar de construirse. alrededor el chip en procesadores, aceleradores o expansiones separados.

Como resultado, un dispositivo ejecutado por un procesador Arm, como uno de la serie Cortex, es un orden de máquina diferente de uno ejecutado por un Intel Xeon o un AMD Epyc. Significa algo muy diferente ser un dispositivo original basado en un chip Arm. Lo más importante desde la perspectiva del fabricante es que significa una cadena de suministro algo diferente y, con suerte, más manejable. Dado que Arm no tiene interés en comercializarse entre los usuarios finales, normalmente no se escucha mucho sobre “Arm Inside”.

Sin embargo, es igualmente importante el hecho de que un chip Arm no es necesariamente un central procesador. Dependiendo del diseño de su sistema, puede ser el corazón de un controlador de dispositivo, un microcontrolador (MCU) o algún otro componente subordinado de un sistema.

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¿Cuál es la relación entre Arm y Apple?

Silicio de manzana es la frase que Apple utiliza actualmente para describir su propia producción de procesadores, comenzando en junio de 2020 con el anuncio de Apple del reemplazo de su línea de procesadores Mac x86. En su lugar, en las unidades de portátiles Mac que, según se informa, ya se están comercializando, habrá un nuevo sistema en un chip llamado A12Z, con nombre en código “Bionic”, producido por Apple utilizando diseños de componentes de 64 bits con licencia de Arm Holdings. , Ltd. En este caso, Arm no es el diseñador, sino el productor del conjunto de instrucciones en torno al cual Apple realiza su diseño original. En diciembre de 2020, Apple eligió a TSMC, con sede en Taiwán, como fabricante de su A12Z.

Para que MacOS 11 siga ejecutando software compilado para procesadores Intel, bajo un SoC Arm, el nuevo sistema ejecutará una especie de traductor de instrucciones “justo a tiempo” llamado Rosetta 2. En lugar de ejecutar una imagen antigua de MacOS en una máquina virtual , el nuevo sistema operativo ejecutará un traductor de código de máquina x86 en vivo que remodela el código x86 en lo que Apple ahora llama código binario Universal 2, un código de nivel intermedio que aún se puede ejecutar en Mac más antiguas basadas en Intel, en tiempo real. Ese código se ejecutará en lo que fuentes fuera de Apple llaman un “emulador”, pero que en realidad no es un emulador porque no simula la ejecución del código en una máquina física real (no existe un chip “Universal 2” ).

Los primeros resultados de pruebas de rendimiento independientes que comparan un iPad Pro con el chip A12Z planeado para las primeras Mac basadas en Arm con los modelos Microsoft Surface parecían prometedores. Los resultados de Geekbench al momento de escribir este artículo le dieron a la tableta con tecnología Bionic una puntuación de procesamiento multinúcleo de 4669 (cuanto más alto, mejor), versus 2966 para la Surface Pro X con tecnología Pentium y 3033 para la Surface Pro con tecnología Core i5. 6.

La recientemente afirmada capacidad de Apple para producir su propio SoC para Mac, tal como lo hace para iPhone y iPad, podría ahorrarle a la compañía con el tiempo hasta un 60 por ciento en costos de producción, según sus propias estimaciones. Por supuesto, Apple normalmente guarda silencio sobre cómo llega a esa estimación y cuánto tiempo tardarán en realizarse esos ahorros.

La relación entre Apple y Arm Holdings se remonta a 1990, cuando Apple Computer UK se convirtió en uno de los accionistas fundadores de Arm Holdings, Ltd. Los otros socios en ese momento eran el creador del concepto Arm, Acorn Computers Ltd. (más sobre Acorn más tarde) y el fabricante de semiconductores personalizados VLSI Technology (llamado así por el proceso común de fabricación de semiconductores llamado “integración a muy gran escala”). Hoy en día, Arm Holdings es una subsidiaria de propiedad total de SoftBank, que anunció su intención de comprar al licenciante en julio de 2016. En ese momento, el acuerdo de adquisición era el más grande para una empresa de tecnología con sede en Europa.

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¿Cuál será el papel de Nvidia en la gestión de Arm como división corporativa?

El 13 de septiembre de 2020, Nvidia anunció un acuerdo para adquirir Arm Holdings, Ltd. de su empresa matriz, Softbank Group Corp., con sede en Tokio, en una bolsa de valores y efectivo valorada en 40 mil millones de dólares. El acuerdo está pendiente de revisión regulatoria en la Unión Europea, Estados Unidos, Japón y China, en procesos separados que aún pueden concluir en 2022.

En una conferencia de prensa posterior al anuncio, el director ejecutivo de Nvidia, Jensen Huang, dijo a los periodistas que su intención es mantener el modelo de negocio actual de Arm, sin influir en su combinación actual de socios. Sin embargo, Huang también declaró su intención de “agregar” acceso a la tecnología GPU de Nvidia a la cartera de IP de Arm ofrecida a los socios, dando a los licenciatarios de Arm acceso a los diseños de Nvidia. Lo que no está claro en el momento en que se anunció el acuerdo es qué querría un posible socio con un diseño de GPU, además de la oportunidad de competir contra Nvidia.

Los diseños de brazos se crean con la intención de combinarlos en varias configuraciones, según las necesidades únicas de sus socios. El programa Arm Foundry es una asociación entre Arm Holdings y fabricantes de semiconductores, como TSMC, con sede en Taiwán, e Intel, con sede en EE. UU., que ofrece a los licenciatarios múltiples opciones para producir sistemas que incorporen la tecnología Arm. (Antes del anuncio de septiembre, cuando se consideró la venta de Arm, se rumoreaba que los compradores potenciales incluían a TSMC y Samsung). En comparación, Nvidia produce diseños de GPU exclusivos, con la intención de ser producidos exclusivamente en una fundición de su elección, originalmente IBM. luego en gran parte TSMC y, más recientemente, Samsung. Los diseños de Nvidia están expresamente destinados a estas fundiciones en particular, por ejemplo, para aprovechar el proceso de litografía Extreme Ultra-Violet (EUV) de Samsung.

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¿Qué le da valor a la arquitectura Arm?

A partir del 30 de marzo de 2021, habrá oficialmente nueve generaciones de arquitectura de procesador Arm desde los inicios de la empresa. Cuando una empresa fabrica sus propios procesadores, o licencia su fabricación exclusivamente a otras fundiciones para que se comercialicen únicamente en nombre del licenciatario, el diseño generalmente se basa en una implementación de referencia que se puede variar fácilmente para adaptarse a los parámetros de rendimiento. Por ejemplo, se agregan o se excluyen cachés de memoria estática en el chip, se apropian los núcleos pero solo se incluyen en los modelos premium, y el ancho de banda de la memoria puede limitarse artificialmente para los procesadores de clase económica.

En el caso de Arm, su arquitectura es como una enciclopedia de funciones. Cada clase de núcleo de procesador aporta funciones tanto básicas como especializadas. Cada licenciatario, o “socio”, crea un diseño en torno a la serie principal que proporciona las funciones que necesita. Luego, Arm certifica que el diseño del socio cumple con sus pautas, mantiene los principios de seguridad de los ingenieros de Arm y la intención del diseño original y, quizás lo más importante, es capaz de ejecutar software producido para la generación de diseño de ese procesador. Ninguna especialización introducida por el socio debería hacer que el procesador sea incapaz de ejecutar software que Arm ya haya certificado como ejecutable en su clase central designada.

Una vez certificado, Arm otorga a su socio una licencia para producir su diseño con la propiedad intelectual (PI) de Arm incluida, ya sea a través de sus propias fundiciones o, como suele ser el caso, subcontratando la producción a una fundición comercial como Foxconn o TSMC.

¿Cuál es el plan de Arm para su última generación arquitectónica?

La cartera de diseños de procesadores ahora llamada Armv9 (arm · vee · nine) introduce un concepto familiar para los arquitectos de software, pero quizás extraño para los ingenieros de hardware: la ejecución de forma aislada. Conceptualmente similar a la idea original de contenedores, Armv9 reinos son subprocesos de ejecución aislados que no tienen conexión con ningún subproceso en el que se ejecutaría el sistema operativo o cualquier servicio del sistema.

El objetivo de Realms es renderizar el tipo más común de exploit de procesador en arquitecturas x86, funcionalmente imposible en Armv9: el pila…