O que é um processador ARM?

Processadores ARM são uma família de unidades centrais de processamento (CPU) baseadas em uma arquitetura de computador com um conjunto reduzido de instruções (RISC). A sigla ARM significa Máquina RISC avançada. As arquiteturas ARM representam uma abordagem diferente ao design de sistemas de hardware, quando comparada às arquiteturas de servidores mais conhecidas, como a x86.

O ecossistema ARM se desenvolveu ao longo dos anos com produtos otimizados para servidores, soluções para computação em hiperescala e na nuvem, telecomunicações, edge computing e aplicações para computação de alto desempenho (HPC). Veja como o Red Hat® Enterprise Linux® for ARM oferece uma plataforma confiável de alto desempenho que inclui um ambiente para aplicações consistente em implantações físicas, virtuais e em nuvem.

Para entender os casos de uso e as aplicações das arquiteturas ARM, é preciso começar pela história desses processadores.

O x86 é uma abordagem mais antiga. O primeiro design de CPU nessa arquitetura foi lançado em 1978. Sim, isso foi na época em computadores mainframe eram enormes e ocupavam salas inteiras. Com o avanço da tecnologia e o desenvolvimento dos "microcomputadores" (PCs), surgiu o desafio de configurar os componentes para obter alto desempenho em aparelhos menores. No início dos anos 1980, a Acorn Computers projetou microcomputadores, mas o design no chip apresentou limitações de desempenho.

Mais ou menos na mesma época (com início em 1981), um projeto da Universidade da Califórnia estudava a utilização de recursos em chips de computador. Unidades de processamento têm algumas operações predefinidas, chamadas de conjuntos de instruções. Sistemas operacionais e programas usam esses conjuntos de instruções na sua execução. O que os programadores de Berkeley descobriram foi que a maioria dos programas usava apenas um pequeno subconjunto pertencente desse conjunto de instruções. Se eles reduzissem o número de instruções predefinidas, eliminando instruções complexas, de difícil implementação e pouco utilizadas, as instruções simples seriam executadas mais rapidamente e consumiriam muitos menos energia e espaço do chip. Assim surgiu arquitetura de computador com um conjunto reduzido de instruções (RISC). O design x86 é uma arquitetura de computador com um conjunto complexo de instruções (CISC). As duas são consideradas arquiteturas de conjuntos de instruções.

Arquiteturas de servidor tradicionais, como o muito conhecido design x86, têm uma abordagem modular baseada em uma placa mãe com componentes intercambiáveis. A CPU e outros componentes, como placas gráficas, GPUs, controladores de memória, armazenamento e núcleos de processamento, são otimizados para funções específicas e podem ser facilmente trocados ou expandidos. No entanto, essa facilidade tem um preço: esses componentes de hardware costumam ter arquiteturas de sistema mais padronizadas. Isso pode facilitar invasões e a exploração de falhas por hackers, como com o "escreva uma vez, execute em qualquer lugar".

Um processador baseado em ARM tem uma abordagem diferente. A unidade de processamento não fica separada do restante do hardware. Em vez disso, os núcleos de CPU fazem parte da plataforma física do circuito integrado. Outras funções de hardware, como controladores de barramento de E/S (por exemplo, o interconector de componentes periféricos), estão na mesma plataforma física, e todas as outras funções estão integradas por um barramento interno. Quando componentes desse tipo são colocados no mesmo circuito integrado, isso se chama sistema-em-um-chip (SoC).

Essa adaptabilidade e integração são o principal motivo para escolha de processadores ARM em um sistema. Diferente da arquitetura x86, para a qual existem fabricantes de processadores como AMD ou Intel, não há fabricantes de processadores ARM. A Arm Holdings licencia o design dos processadores ARM para uma série de propósitos e otimizações específicas, segundo as referências de desempenho. Então, os fabricantes de hardware os adaptam para seus produtos.

De certa forma, perguntar o que é um processador baseado em ARM não faz muito sentido. Um processador baseado em ARM representa uma arquitetura de sistema diferente, com um conjunto diferente de prioridades subjacentes para desempenho e conectividade desse sistema.

Arquiteturas ARM são o tipo de design eletrônico mais comum do mundo, ainda que a x86 seja a mais comum do mercado. Arquiteturas ARM são usadas em quase todos os designs de smartphone, além de em laptots e outros dispositivos menores.

Os chips x86 tem como foco otimizar o desempenho. Já os processadores baseados em ARM são projetados para equilibrar o custo por meio da redução de tamanho, consumo de energia e geração de calor e do aumento da velocidade e do potencial de vida da bateria.

Como a Arm Holdings vende os designs, e não o hardware, os fabricantes podem personalizar a microarquitetura sem abrir mão do tamanho reduzido, do alto desempenho e da eficiência energética. Isso tem vantagens e desvantagens, pois também significa que sistemas operacionais como Linux, Windows e Android precisam oferecer suporte a uma maior variedade de hardware.

Isso não quer dizer que as arquiteturas ARM só podem ser usadas em dispositivos mobile pequenos. Um dos supercomputadores mais rápidos do mundo, o Fugaku, projetado por Fujitsu e Riken, usa um processador ARM. No caso da Fujitsu, eles desenharam seu próprio chip ARM para o supercomputador, mas a ARM também oferece um perfil de design para arquiteturas HPC. Devido à redução em tamanho, consumo de energia e aquecimento (o que também reduz a necessidade de resfriamento adicional), cada vez mais organizações estão adotando sistemas ARM na hora de criar nós ou clusters para HPC e frotas de nuvem, como Amazon Web Services Graviton e Microsoft Azure. A cadeia de ferramentas Arm Compiler for Linux foi criada especialmente para o desenvolvimento de aplicações HPC. Nessa integração, é importante avaliar a compatibilidade entre suas aplicações existentes, os casos de uso e os processadores ARM.

Com a arquitetura ARM, os designers de hardware têm maior controle sobre design, desempenho e cadeias de suprimento. Essa combinação de controle e desempenho é interessante tanto para dispositivos menores destinados ao consumidor final quanto para ambientes de computação em larga escala.

Durante muito tempo, as arquiteturas ARM usaram os sistemas operacionais Linux, especialmente em dispositivos como placas Raspberry Pi e smartphones da Samsung e da Apple. No entanto, os processadores ARM e o Linux tem uma história: todos os designs ARM precisavam uma compilação kernel do linux específica devido a falta de consistência entre designs ARM, mesmo dentro do mesmo fabricante ou modelo. Isso mudou em 2012, quando a comunidade de kernel do Linux incluiu o suporte à multiplataforma dos SoCs ARM ao sistema operacional.

A Arm Holdings definiu arquiteturas específicas para o suporte a servidores e estações de trabalho Linux: a série SystemReady. Essas arquiteturas definem especificações para hardware, firmware, segurança e requisitos de inicialização. O Red Hat Enterprise Linux for ARM é certificado pela Arm SystemReady SR. O objetivo das arquiteturas SystemReady é assegurar que todas as camadas do stack de tecnologia funcionem como previsto, começando pelo sistema operacional.

A comunidade é essencial para os designs ARM. Um dos benefícios da subscrição Red Hat é o amplo conjunto de fornecedores de hardware, que conta com esforços colaborativos de engenharia e implantações testadas e certificadas. Isso inclui os fabricantes e designers de hardware ARM. Como a ARM continua estreitamente conectada ao design de hardware, o Red Hat Enterprise Linux oferece um programa de acesso antecipado aos fornecedores do nosso ecossistema de hardware para avaliar novos desenvolvimentos ARM.

O investimento da Red Hat na comunidade ARM e o desempenho, a segurança e o ciclo de vida empresarial open source do Red Hat Enterprise Linux fazem dele uma ótima plataforma para cargas de trabalho ARM.