Qué es la arquitectura ARM en ordenadores y por qué importa

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La arquitectura ARM ha pasado de mover simples gadgets a impulsar portátiles, sobremesa y servidores. Si alguna vez has usado un móvil Android, un iPhone, una Raspberry Pi o un Mac reciente, ya has trabajado con procesadores basados en este diseño, aunque quizá no fueras consciente de ello.

En las siguientes líneas vamos a ver con calma qué es exactamente la arquitectura ARM en ordenadores, cómo funciona, de dónde viene y por qué está cambiando el panorama frente a x86 de Intel y AMD. También hablaremos de su relación con RISC-V, de su papel en Windows, macOS y Linux, y de por qué los grandes fabricantes se han lanzado de cabeza a este tipo de CPU.

Qué es la arquitectura ARM y en qué se basa

Cuando hablamos de ARM nos referimos a una arquitectura de conjunto de instrucciones RISC (Reduced Instruction Set Computing), diseñada para procesadores de bajo consumo pero cada vez más potentes, usada desde microcontroladores diminutos hasta ordenadores personales y centros de datos.

A diferencia de las arquitecturas CISC como x86/x86-64 (vea las diferencias entre procesadores Intel y AMD), ARM apuesta por un conjunto de instrucciones más simple, compacto y muy eficiente. Eso permite procesadores con menos transistores, menor complejidad interna y un consumo energético mucho más bajo, algo clave en dispositivos móviles y portátiles ultraligeros.

Un punto importante es que ARM Holdings (ahora Arm Ltd.) no fabrica procesadores. La compañía se dedica a diseñar la arquitectura y los núcleos, y luego licencia esa tecnología a terceros (Apple, Qualcomm, Samsung, etc.), que la integran en sus propios SoC añadiendo GPU, controladores de memoria, módems y otros bloques personalizados.

En la práctica, esto significa que existen cientos de variantes de procesadores ARM con comportamientos y rendimientos bastante distintos entre sí, aunque todos comparten la misma base de conjunto de instrucciones, lo que permite desarrollar sistemas operativos y aplicaciones compatibles.

Breve historia de ARM: de Acorn a dominar el mercado

La historia de ARM arranca en 1983, cuando Acorn Computers decide desarrollar un nuevo procesador basado en la experiencia con el MOS 6502, el chip que usaban muchos de sus ordenadores personales de la época. El proyecto estuvo liderado por Sophie Wilson y Steve Furber.

Su objetivo era crear un procesador avanzado pero muy sencillo internamente, sin microcódigo y con filosofía RISC clara. En 1985 culminan el diseño del primer prototipo, el ARM1, y en 1986 llega el ARM2, la primera versión comercial usada en ordenadores como el Acorn Archimedes.

El ARM2 disponía de bus de datos de 32 bits, espacio de direcciones de 26 bits y 16 registros de propósito general de 32 bits. Uno de esos registros se usaba como contador de programa (PC), aprovechando algunos bits para los flags de estado. Técnicamente era de una sencillez extrema: alrededor de 30.000 transistores y sin memoria caché.

Esa simplicidad se traducía en un consumo energético ridículo para la época y un rendimiento superior al de un Intel 286. El ARM3, su sucesor, añadió una pequeña caché unificada de 4 KB que mejoró notablemente el acceso repetitivo a memoria.

A finales de los 80, Apple empieza a colaborar con Acorn en nuevas versiones del núcleo ARM. Para evitar recelos de otros fabricantes, en 1990 se crea la empresa independiente Advanced RISC Machines (ARM), encargada de diseñar y licenciar las futuras generaciones de procesadores.

De esta etapa surge el ARM6, presentado en 1991, utilizado por Apple en el Newton (ARM 610) y por Acorn en el RiscPC. El núcleo seguía siendo sorprendentemente simple: apenas 35.000 transistores, lo que permitía integrarlo con distintos periféricos y formar sistemas a medida.

El salto masivo de ARM al gran consumo llega con el ARM7TDMI, que se extiende por millones de teléfonos móviles, consolas portátiles y sistemas embebidos. Paralelamente, Digital (DEC) licencia el diseño y crea el StrongARM, capaz de funcionar a 233 MHz consumiendo alrededor de 1 W, un hito en eficiencia.

Con el tiempo, esta tecnología pasa a manos de Intel, que la integra en su familia Intel i960 y en soluciones XScale, mientras otros gigantes como Freescale, IBM, Texas Instruments, Nintendo, Philips, Samsung, STMicroelectronics o Atmel también licencian la arquitectura ARM.

Hoy en día, aproximadamente tres cuartas partes de los procesadores de 32 bits del mundo incorporan núcleos ARM. Hablamos de una presencia brutal: discos duros, routers, juguetes, coches, televisores, móviles, tablets, portátiles y, cada vez más, ordenadores personales y servidores.

Principales familias de procesadores ARM

A lo largo de las décadas ARM ha ido lanzando diferentes familias y versiones de arquitectura (ARMv1, v2, v3, etc.), cada una con mejoras en rendimiento, capacidades de memoria, cachés, soporte de punto flotante y funcionalidades extra.

Las primeras generaciones, como ARM1, ARM2 y ARM3 (ARMv1 y ARMv2), se centraban en ofrecer una CPU de 32 bits muy simple para ordenadores como el BBC Micro con coprocesador ARM, el Acorn Archimedes o el RiscPC. Eran chips sin MMU completa (en algunos casos con MEMC externo) y con caché nula o muy pequeña.

Con la familia ARM6 (ARMv3) se da el salto a direccionamiento completo de 32 bits y se incorporan núcleos como ARM600 o ARM610, algunos con caché integrada y buses específicos para coprocesadores de coma flotante.

Posteriormente llegan ARM7 y ARM7TDMI (ARMv3 y ARMv4T), con soporte para el conjunto de instrucciones Thumb de 16 bits, pipeline de 3 etapas y variantes con caché, MMU o MPU. Estos núcleos son la base de productos tan populares como Game Boy Advance, Nintendo DS, Apple iPod, equipos embebidos de NXP, Atmel o Psion.

En paralelo aparece la familia StrongARM (ARMv4), fruto de la colaboración con DEC, que se centra en conseguir altos MIPS por vatio para PDAs y pequeños ordenadores (Apple Newton 2×00, iPAQ, Zaurus, etc.), con cachés L1 relativamente grandes para la época y MMU completa.

Más adelante, las series ARM9, ARM9E y ARM10E (ARMv4T y ARMv5) introducen pipelines más profundos, mejoras en instrucciones DSP, soporte más amplio de Thumb, capacidades Jazelle para ejecutar bytecode Java en hardware y cachés más grandes y configurables. Estos núcleos se utilizan en móviles, cámaras digitales, dispositivos de red, consolas portátiles y una infinidad de SoC.

Una rama importante es XScale (ARMv5TE), adquirida por Intel, pensada para procesadores de aplicaciones y procesadores de red con altas frecuencias, cachés L1/L2 generosas y, en algunos casos, aceleradores de RAID o funciones muy específicas para I/O.

Con ARM11 (ARMv6) se introduce un pipeline de hasta 9 etapas, soporte SIMD, Thumb-2, Jazelle DBX, mejoras DSP y tecnologías de seguridad como TrustZone. Estos núcleos han estado en dispositivos tan conocidos como el primer iPhone, iPod touch de primeras generaciones, algunos Nokia Nseries, consolas y el primer Raspberry Pi.

La gran revolución moderna llega con la familia Cortex, sobre todo en el perfil de aplicaciones ARMv7-A y posteriores. Núcleos como Cortex-A5, Cortex-A8, Cortex-A9 y sus variantes multinúcleo (MPCore) se convierten en estándar de facto en smartphones, tablets, televisores inteligentes y portátiles ligeros.

Estos núcleos incorporan ejecución superscalar, pipelines profundos, NEON (SIMD), VFP para punto flotante, Thumb-2 avanzado y TrustZone. Están presentes en SoC como los de la serie OMAP de Texas Instruments, Exynos de Samsung, Tegra de Nvidia, Snapdragon de Qualcomm o Apple A4/A8 y sucesores.

En el ámbito embebido y de microcontroladores destacan las familias Cortex-R (perfil tiempo real) y Cortex-M (perfil microcontrolador), con variantes como Cortex-R4, Cortex-M0, M1, M3 y M4, pensadas para sistemas críticos, control industrial, automoción y electrónica de consumo donde prima la predictibilidad del tiempo de respuesta y la eficiencia.

Juego de instrucciones ARM: RISC, condicionales y modos Thumb

El conjunto de instrucciones ARM se diseñó desde el principio como RISC puro: instrucciones simples, de tamaño fijo y, en muchos casos, ejecutables en un ciclo de reloj. La clave está en que el compilador genere secuencias eficientes con pocas instrucciones muy atómicas.

Una característica muy particular es que, en los modos clásicos de 32 bits, cada instrucción incluye en sus 4 bits más altos un código de condición. Eso permite que prácticamente cualquier instrucción sea condicional (ejecutarse solo si se cumplen ciertas banderas), reduciendo la necesidad de saltos y evitando burbujas en el pipeline en pequeños bloques de código con condiciones frecuentes.

Además, ARM permite combinar operaciones aritméticas/lógicas con desplazamientos y rotaciones de registros en una sola instrucción. Por ejemplo, algo equivalente en C a “a += (j << 2);” puede expresarse como una única instrucción ARM que suma al registro un valor ya desplazado, ahorrando instrucciones y accesos a memoria.

Otra ventaja es que el conjunto de direcciones soporta modos con pre y post incremento, direccionamiento relativo y otras formas flexibles, poco habituales en otras arquitecturas consideradas también RISC. Todo esto contribuye a reducir el número total de instrucciones y mejorar el rendimiento por ciclo.

La arquitectura clásica define 16 registros visibles al programador, de 32 bits (R0-R15). En principio son simétricos, aunque R15 se usa como contador de programa (PC), R14 suele actuar como registro de enlace (dirección de retorno de subrutinas o excepciones) y R13 se emplea como puntero de pila.

ARM dispone de dos modos de ejecución principales: modo ARM (instrucciones de 32 bits) y modo Thumb (instrucciones de 16 bits). El modo ARM ofrece más potencia (conjunto de instrucciones más completo) pero genera código más grande; el modo Thumb reduce a la mitad el tamaño de cada instrucción, mejorando la densidad de código y, en muchos casos, el rendimiento en sistemas con bus de memoria más estrecho.

Thumb es básicamente un subconjunto de las instrucciones más usadas del juego ARM. El primer procesador que lo incorporó fue el ARM7TDMI, y desde entonces prácticamente todas las familias posteriores (ARM9, XScale, Cortex, etc.) incluyen soporte para Thumb o su evolución Thumb-2.

A esto se suma Jazelle DBX, una tecnología que permite ejecutar bytecode Java directamente en hardware en determinados núcleos (aquellos cuyo nombre incluye una “J”, como ARM926EJ-S). Esta funcionalidad buscaba acelerar máquinas virtuales Java en dispositivos con recursos limitados.

Ventajas clave de la arquitectura ARM

La popularidad de ARM no es casual: responde a una combinación de eficiencia energética, flexibilidad de diseño, coste y rendimiento suficiente para la mayoría de usos.

Por un lado, al ser una arquitectura RISC con un juego de instrucciones relativamente reducido y sin microcódigo pesado, los núcleos ARM pueden fabricarse con muchos menos transistores que un diseño x86 equivalente. Menos transistores significan menos consumo, menos calor y chips más pequeños y baratos.

Esto permite que procesadores ARM ofrezcan un rendimiento muy decente con consumos ínfimos, algo crítico en móviles, tabletas, portátiles ultraligeros, dispositivos IoT y sistemas embebidos alimentados por batería o con limitaciones térmicas.

El modelo de licencias también juega a favor: ARM vende la propiedad intelectual de sus núcleos a todo tipo de fabricantes, que pueden personalizarlos, fusionarlos con otros bloques (GPU, módem, aceleradores IA) y crear SoC totalmente adaptados a sus productos.

Esto produce un ecosistema de fabricantes enorme, con mejoras continuas en rendimiento y eficiencia, y una oferta muy amplia para casi cualquier nicho: desde microcontroladores ultrabaratos hasta CPU de 64 bits para servidores.

En resumen, ARM ofrece bajo consumo, coste contenido, buena densidad de código, herramientas maduras y un rendimiento más que aceptable que no deja de mejorar. No siempre alcanza las cotas brutas de x86 en sobremesa gaming de alta gama, pero tampoco lo necesita en la mayoría de escenarios.

ARM de 32 y 64 bits: evolución reciente

Los primeros diseños ARM eran de 32 bits, y durante décadas dominaron el mercado de dispositivos embebidos y móviles. Sin embargo, a partir de 2011 Arm introduce arquitecturas con soporte nativo de 64 bits (ARMv8 y sucesivas), abriendo la puerta a cargas de trabajo mucho más pesadas.

El paso a 64 bits en ARM no se ha hecho a costa de abandonar la eficiencia RISC, sino que se ha logrado gracias al diseño más elaborado del conjunto de instrucciones moderno. Esto facilita direcciones de memoria mucho más grandes y operaciones aritméticas de precisión extendida, algo ya imprescindible en móviles de gama alta y, por supuesto, en ordenadores y servidores.

La complejidad reducida respecto a x86 sigue siendo una ventaja: incluso en sus versiones de 64 bits, los procesadores ARM mantienen menos transistores para la misma tarea, lo que se traduce en costes de fabricación más bajos y un consumo inferior.

En el ámbito de los ordenadores personales, esto se ha materializado en procesadores como Apple Silicon (M1, M2, M3…) y los nuevos Snapdragon X Elite de Qualcomm, que combinan núcleos de alto rendimiento con núcleos de alta eficiencia y gráficos integrados capaces de rivalizar con muchos portátiles x86 en tareas generales.

Uso de ARM en ordenadores, portátiles y otros dispositivos

Tradicionalmente, los procesadores ARM se reservaban para smartphones, tablets, smart TV, routers, consolas portátiles y gadgets donde el bajo consumo era clave y no se necesitaba una potencia de escritorio plena.

Pero eso está cambiando rápido. Por un lado, dispositivos como las Raspberry Pi han demostrado que un sistema ARM puede funcionar perfectamente como microordenador de escritorio o mini PC de ofimática con un sistema operativo adecuado (generalmente Linux) para tareas de oficina, navegación y programación ligera.

También hemos visto productos basados en ARM más potentes como NVIDIA Tegra X1, usado por Nvidia en su Shield TV y, sobre todo, por Nintendo en la Switch, donde el equilibrio entre rendimiento gráfico y consumo es fundamental.

En el territorio de las tablets avanzadas, Apple con sus chips de la serie A (y más tarde M) ha mostrado que un SoC ARM bien diseñado puede ofrecer un rendimiento espectacular en aplicaciones creativas, ofimática y multitarea pesada, sin requerir ventiladores agresivos.

Microsoft, por su parte, integra procesadores ARM en dispositivos como Surface Pro X y otras variantes de la familia Surface, apostando por equipos ligeros, silenciosos y con conexión LTE integrada que puedan competir con portátiles tradicionales para trabajo en movilidad.

En paralelo, Google impulsa fuertemente ARM en su ecosistema Chromebook. Chrome OS, basado en Chromium y Android, se adapta muy bien a esta arquitectura, ofreciendo portátiles económicos, ligeros y con autonomías excelentes. Muchos fabricantes de Chromebook apuestan por SoC ARM precisamente para maximizar autonomía y reducir costes.

ARM y los sistemas operativos: Windows, macOS, Linux y otros

Aunque mucha gente asocia ARM únicamente con móviles, la mayoría de grandes sistemas operativos tienen ya soporte maduro para esta arquitectura, tanto en variantes embebidas como en entornos de escritorio y servidor.

En el terreno móvil, Android e iOS llevan años funcionando casi exclusivamente sobre ARM, aprovechando sus ventajas de eficiencia. Apple, con la transición a Apple Silicon, ha llevado esta filosofía también a sus ordenadores de sobremesa y portátiles, abandonando los procesadores Intel x86.

En los Mac con ARM, Apple ofrece Rosetta 2, un sistema de traducción que permite ejecutar aplicaciones compiladas para Intel con un rendimiento sorprendentemente bueno. Esto ha facilitado enormemente la transición, hasta el punto de que hoy casi todas las aplicaciones relevantes ya cuentan con versión nativa para ARM.

En el ecosistema Microsoft, Windows ha experimentado varias aproximaciones a ARM. Windows CE y Windows Embedded Compact llevaban años soportando ARMv5, v6 y v7 en el mundo embebido. Más tarde llegó Windows 8 RT para tablets ARM como la primera Surface, con resultados discretos por las limitaciones de software.

Windows 10 y Windows 11 dan un paso más, ofreciendo versiones para ARM con emulación de aplicaciones x86. En Windows 11 la emulación y el rendimiento han mejorado bastante, aunque todavía existen problemas de compatibilidad con parte del software de escritorio clásico.

Mientras tanto, Linux y los sistemas tipo UNIX han abrazado ARM con bastante entusiasmo. Distribuciones como Debian, Ubuntu, Arch Linux, Kali, Manjaro, Gentoo u Oracle Linux ofrecen imágenes oficiales para diversos SoC ARM, incluyendo Raspberry Pi y otras placas.

En el lado BSD, FreeBSD, NetBSD y OpenBSD cuentan con soporte para múltiples plataformas ARM, y sistemas históricos como RISC iX funcionaron en máquinas Acorn basadas en ARM2/ARM3. Además, Solaris y otras variantes UNIX también han tenido implementaciones para esta arquitectura.

En el terreno de los sistemas operativos en tiempo real y embebidos, ARM está presente en Android (en el caso de dispositivos integrados), Windows CE/Embedded, .NET Micro Framework, ChibiOS/RT, FreeRTOS, eCos, Integrity, Nucleus, QNX, RTEMS, ThreadX, VxWorks, uTasker, MQX y un largo etcétera. La lista es enorme porque prácticamente cualquier RTOS moderno ofrece soporte para alguno de los perfiles ARM.

Intel, ARM y la inspiración de la arquitectura big.LITTLE

Los procesadores de sobremesa y portátiles clásicos, especialmente de Intel y AMD, han utilizado durante años arquitecturas CISC x86/x86-64 con núcleos más grandes y complejos, alimentados por fuentes de energía potentes y sistemas de refrigeración específicos.

Por contra, los diseños ARM para móviles y SoC integrados optaron hace ya tiempo por arquitecturas heterogéneas del tipo big.LITTLE, combinando núcleos potentes y núcleos eficientes dentro del mismo chip para adaptar el consumo según la carga de trabajo.

Esta idea ha inspirado directamente a Intel en su nueva generación de procesadores Core híbridos, que mezclan núcleos de alto rendimiento (P-cores) con núcleos de alta eficiencia (E-cores) en un mismo paquete. Aunque no usan ARM, sí replican el enfoque introducido por ARM para mejorar eficiencia y rendimiento global.

En cuanto a la competencia directa, hasta hace poco ARM estaba relegado en el escritorio a proyectos muy concretos o al ecosistema Apple. Sin embargo, con los Snapdragon X Elite y otros proyectos similares, Qualcomm y otros fabricantes pretenden plantar cara a x86 en portátiles generalistas.

El mayor obstáculo para ARM en el PC tradicional sigue siendo la compatibilidad del software y, en el caso del gaming, la dependencia de GPU y drivers optimizados para x86. Mientras AMD e Intel mantengan su dominio en tarjetas gráficas dedicadas y CPU de alto rendimiento, el mundo gaming seguirá fuertemente ligado a x86.

ARM frente a RISC-V: dos arquitecturas RISC distintas

En los últimos años ha ganado mucha visibilidad RISC-V, otra arquitectura RISC que compite directamente con ARM en muchos frentes. Al igual que ARM, RISC-V está orientada a dispositivos de bajo consumo, pero se diferencia en un punto clave: es un ISA abierto y libre de licencias.

Mientras que usar x86-64 o ARM implica pagar royalties a Intel, AMD o Arm Ltd., cualquier empresa o individuo puede diseñar, fabricar y vender procesadores RISC-V sin pagar derechos por el conjunto de instrucciones. Esto hace que RISC-V sea especialmente atractivo para países y fabricantes que buscan independencia tecnológica y reducción de costes.

A día de hoy, en cuanto a capacidades puras, tanto ARM como RISC-V cuentan con extensiones de 64 bits y soporte para sistemas operativos completos. ARM ya está muy asentada en Android, iOS, macOS y Linux, mientras que RISC-V está empezando a ganar soporte oficial en Android (Google lo impulsa como arquitectura de primer nivel) y en distribuciones Linux como Ubuntu o Fedora.

En el terreno del soporte de fabricantes, ARM sigue teniendo una ventaja abrumadora. Casi todos los smartphones, tablets y dispositivos inteligentes disponibles hoy usan ARM, mientras que la mayoría de chips RISC-V actuales se orientan aún a desarrollo, microcontroladores y productos muy específicos.

Eso sí, RISC-V gana claramente en precio y libertad de diseño. Al no tener costes de licencia, es más sencillo crear productos ultrabaratos o muy personalizados, algo que explica el interés de países como China o Rusia por adoptar esta arquitectura en proyectos propios.

Si tuviéramos que elegir “ganador” ahora mismo, ARM sigue siendo superior en ecosistema, software disponible y madurez. RISC-V, sin embargo, es un competidor muy prometedor para el futuro, sobre todo en el ámbito de dispositivos de bajo coste, IoT, routers, PCs de entrada y smartphones económicos.

Mirando el panorama general, la arquitectura ARM se ha consolidado como una de las piedras angulares de la informática moderna: impulsa desde los móviles que usamos a diario hasta portátiles ultraligeros, Chromebooks, Mac con Apple Silicon y una enorme cantidad de dispositivos embebidos. Su filosofía RISC, la combinación de eficiencia energética y rendimiento más que suficiente, el modelo de licencias y el amplio soporte de sistemas operativos explican por qué domina tantos segmentos, incluso mientras nuevas propuestas como RISC-V comienzan a asomar la cabeza como alternativa abierta en el mundo de las CPU.