ARM y big.LITTLE, la revolución en procesadores
22/07/2021
Como no se puede hablar de la distribución de cilindros de un coche sin entender primero lo que es un motor, la CPU (central processing unit) o unidad central de procesamiento es el componente vital de cualquier dispositivo, el encargado de ejecutar todas las tareas y órdenes que llegan del sistema operativo. Estos circuitos integrados también conocidos como microprocesadores tienen una construcción singular que ha mejorado drásticamente a lo largo del tiempo gracias al avance en tecnologías y procesos de fabricación.
La obsesión por el rendimiento y el tamaño.
Corría el año 1965 cuando el cofundador de Intel Gordon Moore estableció una ley sobre el número de transistores en los microprocesadores. Estos pequeños aparatos no son más que un diminuto semiconductor que entrega una respuesta de salida en función de la señal de entrada. La Ley de Moore vaticinó que el número de transistores se duplicaría cada año. Remarcar que dicho postulado se creó cuando ni siquiera se había acuñado el término microprocesador, no obstante, su precisión resultó ser indiscutible durante décadas.
La misma compañía en los años setenta cambiaría el devenir del futuro con el juego de instrucciones propias, la arquitectura CISC* X86. Esta tecnología rápidamente se instauró como estándar en los ordenadores personales. Los procesos de fabricación se medían en una litografía que fue reduciéndose a velocidades inconcebibles, lo que ayudó enormemente en el consumo energético. Aumentar la densidad de transistores conllevaba disminuir el tamaño del volumen para controlar el calor generado.
Con toda la industria pisando el acelerador, las memorias cada vez más rápidas y de mayor capacidad, frecuencias cada vez más altas, la potencia de cómputo de estos componentes parecía no tener límite. Pero pronto llegarían los primeros aparatos portátiles, entre ellos los teléfonos, todos ellos requerían un gasto de energía menor por la limitación de las baterías.
*CISC: “Complex Instruction Set Computing”. Arquitectura que usa un gran número de instrucciones.
Primeros dispositivos móviles, necesidad de eficiencia
La solución no se haría esperar. Siguiendo la filosofía RISC (conjunto reducido de instrucciones) cuyo único objetivo era la reducción de transistores que derivaba en una reducción de costes y consumos, apareció en escena una empresa inglesa.
El desarrollo de la arquitectura ARM comenzó en el año 1983, con los primeros prototipos funcionales denominados ARM1 y un ARM2 que llegó en el 86, siendo el primero en comercializarse. Todos tenían en común su simplicidad del núcleo, los menos de 35000 transistores producían un consumo ridículo. El objetivo era que cada fabricante personalizase cada “core” ARM con otros periféricos integrados para crear su procesador a medida o SOC*.
La tecnología de ARM proliferó de tal manera que con su versión ARM7 alcanzó millones de unidades vendidas, y estaba incorporada en los icónicos Apple iPod, el Nokia 6110 o la mítica Game Boy Advance. La venta de licencias ARM continuó su éxito hasta la actualidad, teniendo a las mayores compañías de semiconductores como clientes. Qualcomm, Samsung Exynos, Mediatek, Nvidia, Huawei Kirin o Apple son algunos de los más destacados.
*SOC: “System on a Chip” o chip integrado por múltiples componentes que forman un sistema. CPU, gráficos, conectividad, ISP…
Escalabilidad a ordenadores, el pistoletazo de salida
Avanzamos hasta el año 2011, momento en el que haría su aparición de la arquitectura de computación heterogénea big.LITTLE. Hasta este momento el estándar era usar múltiples núcleos e hilos de ejecución idénticos con frecuencias variables. Esta idea se concibió con la idea de mejorar la computación dinámica usando menos potencia. La solución, simple pero efectiva hasta en un 75% de ahorro energético, recurrir a núcleos distintos de alto y bajo rendimiento.
Pronto se adoptó en la mayoría de dispositivos portátiles dada su efectividad, sector para el que estaba precisamente pensado. Sin embargo, unos años más tarde llegaría de la mano de Apple el primer jaque a la clásica arquitectura de ordenador x86.
Los de Cupertino son expertos que llevan un gran número de transiciones de hardware y software relevantes a sus espaldas, ya desde el año 1980 trabajaban conjuntamente con ARM. Gracias a esa experiencia, pusieron “patas arriba” el mercado con la presentación del procesador Apple M1 en 2020, un movimiento totalmente revolucionario.
El chip en cuestión es unos ocho núcleos, con cuatro de alto rendimiento más otros cuatro de eficiencia, además de una GPU integrada y un procesador de inteligencia artificial o “deep learning”. Su potencia es equiparable o incluso superior a los modelos con la clásica arquitectura CISC, los típicos de Intel o AMD de bajo consumo. Pero en esto último es muy superior, con un gasto de energía que no tiene rival. Puede encontrarse en los últimos portátiles Macbook Pro y Air, además del nuevo iPad, y ya se está cocinando su sucesor M2.
Límites en la litografía, en busca de otras alternativas
Ahora que los californianos han vislumbrado el camino a seguir con su nuevo procesador te preguntarás, ¿por qué no los demás fabricantes no están apostando por ARM en procesadores de ordenador? Ahora bien, no es tan sencillo como cambiar los planos y listo, el mayor inconveniente es el problema con la compatibilidad.
Volviendo al símil de la introducción, imagina ahora tener que cambiar el motor de un coche de combustión por uno eléctrico y comercializarlo con éxito. Puede parecer “sencillo” en mente, pero que le pregunten a Tesla la cantidad de millones de dólares invertidos en I+D para conseguir un producto funcional. Con las arquitecturas de procesadores de PC ocurre algo similar, casi toda la infraestructura está fabricada en base a X86 y todas las aplicaciones adaptadas a la misma, de igual forma la escalabilidad en potencia es todavía limitada.
¿El relevo de x86? De momento, bienvenido big.LITTLE
Si Apple ha conseguido tal hazaña es por sus años de trabajo y desarrollo además de poseer un ecosistema cerrado que ayuda a realizar un cambio de tal magnitud. No obstante, si bien los reyes en CPUs de ordenador AMD e Intel no darán el paso a ARM por el momento, sí que está previsto la adaptación inminente del sistema big.LITTLE. Para añadir más picante a la situación, la empresa Nvidia está cerca de cerrar un acuerdo de compra de ARM.
Las máquinas de fabricación de transistores están acercándose a su límite físico. Si bien el tamaño o litografía de las obleas continúa reduciéndose, ya puede contemplarse su posible tope, y si no que se lo digan a Intel con sus problemas con los 10 nanómetros. Mientras no aparezca un material con propiedades mágicas frente al habitual silicio, los fabricantes se han visto obligados a adoptar diferentes vías de desarrollo, como los chiplets de AMD.
No es casualidad que la famosa Ley de Moore de la que ya te hablaba anteriormente esté tambaleándose su validez a día de hoy, aunque para ser honestos su creador pronosticó en poco más de veinte años du fecha de caducidad. Aunque claro está, la tecnología X86 ya ha dado mucho de sí, podría ser ARM u otra arquitectura, sólo sabemos que el tiempo nos dará la respuesta.
