Todo sobre la arquitectura ARM: historia, funcionamiento, ventajas y usos actuales

La tecnología avanza a pasos agigantados y, entre todos los conceptos clave que forman parte del vocabulario tecnológico actual, uno de los términos que más ha ganado protagonismo en los últimos años es ARM. Seguro que lo has escuchado alguna vez en relación con móviles, tablets, portátiles, relojes inteligentes o, incluso, servidores y supercomputadoras. Pero, ¿qué se esconde realmente detrás de estas siglas tan habituales en las especificaciones técnicas? Vamos a despejar todas las dudas y adentrarnos con todo detalle en el universo de la arquitectura ARM, repasando desde su historia y evolución hasta su funcionamiento, sus ventajas y desventajas, los tipos de procesadores que incluye, y mucho más.

Te adelantamos que entender qué es ARM no solo te hará comprender por qué tu móvil o tu ordenador portátil funcionan mejor, consumen menos energía o tienen más autonomía, sino que te permitirá descubrir cómo este tipo de procesadores está cambiando el equilibrio del mercado y lleva camino de plantar cara, incluso, a los gigantes tradicionales como Intel y AMD. Si quieres saberlo todo sobre este pilar de la computación moderna, sigue leyendo porque aquí tienes la guía más completa que puedas encontrar.

¿Qué es ARM y cuál es su origen?

Para empezar, conviene aclarar que ARM hace referencia a dos cosas principales: por un lado, es la arquitectura de procesadores ARM, un estándar de diseño para chips que se ha extendido como la pólvora en la industria tecnológica. Por otro lado, es también el nombre de la empresa británica ARM Holdings (https://www.arm.com/), que es la responsable de desarrollar y licenciar estos diseños.

La historia de ARM arranca en la década de los 80 en Cambridge, Reino Unido, de la mano de Acorn Computers, una empresa que buscaba un procesador avanzado pero sencillo, compatible con el MOS 6502 usado en sus ordenadores personales. El proyecto, liderado por Sophie Wilson y Steve Furber, desembocó en el desarrollo del prototipo ARM1 en 1985, con solo 30.000 transistores. Su simplicidad, ausencia de microcódigo y falta de caché le permitía ser altamente eficiente y con bajo consumo energético, e inauguró así una línea de diseños que priorizaba la arquitectura RISC (Reduced Instruction Set Computing). Su primera versión comercial, el ARM2, vio la luz en 1986, con un bus de 32 bits y espacio de direcciones de 26 bits.

Ya desde sus primeras iteraciones, la arquitectura ARM incorporó ideas rompedoras para la época: instrucciones sencillas, pocas etapas de ejecución y una estructura que permitía a cada instrucción ejecutarse normalmente en un solo ciclo. Esto resultaba en eficiencia energética, menor necesidad de refrigeración y procesadores más pequeños y baratos de fabricar, características fundamentales para entender su éxito posterior en dispositivos portátiles.

A finales de los años 80, Apple se alió con Acorn para desarrollar nuevos núcleos ARM, lo que llevó a la creación de Advanced RISC Machines, la compañía ARM Holdings, en 1990. Desde entonces, ARM ha evolucionado hasta convertirse en el estándar en procesadores para dispositivos móviles, IoT, automoción, servidores e incluso supercomputadoras.

¿En qué se basa la arquitectura ARM?

La clave de los procesadores ARM está en su arquitectura tipo RISC. A diferencia de la arquitectura CISC (Complex Instruction Set Computing) que emplean los procesadores x86 de Intel y AMD, los RISC se caracterizan por tener un conjunto de instrucciones reducido y sencillo, donde cada instrucción realiza una única operación muy concreta y lo más rápido posible.

• Instrucciones simples de tamaño fijo, lo que simplifica el diseño y permite aumentar la frecuencia de reloj y la eficiencia.
• Múltiples registros de propósito general (típicamente 16 en los primeros modelos, de 32 bits), que permiten un acceso mucho más rápido a los datos.
• Separación clara entre instrucciones de carga/almacenamiento y el resto de operaciones: solo las instrucciones de carga/almacenamiento acceden a la memoria, evitando cuellos de botella.
• Menos transistores, menor consumo y menos calor generado, lo que se traduce en dispositivos más delgados, ligeros, con mayor batería y sin apenas necesidad de ventilación activa.

Esta filosofía, aparentemente sencilla, ha sido la base que ha permitido que los procesadores ARM conquisten los dispositivos móviles, donde el equilibrio entre rendimiento y autonomía es fundamental. Además, la flexibilidad de esta arquitectura ha permitido su adaptación tanto a aplicaciones muy básicas (sensores, controles industriales) como a servidores, centros de datos y supercomputadoras.

La estrategia de licencias: el modelo de negocio de ARM Holdings

Una de las particularidades que más ha impulsado la expansión de ARM ha sido su modelo de negocio basado en licencias. A diferencia de Intel o AMD, que fabrican y venden sus propios procesadores, ARM Holdings no fabrica chips directamente. En su lugar, diseña las arquitecturas y licencia esos diseños a otras empresas, como Samsung, Qualcomm, Apple, MediaTek, NVIDIA, Huawei o Broadcom, que adaptan y fabrican sus propias versiones de chips ARM.

Este enfoque ha propiciado una explosión de variantes y ha permitido a los fabricantes personalizar sus chips según las necesidades de cada producto o mercado. Por ejemplo, Apple ha desarrollado chips tan avanzados como sus Apple Silicon, incluidos en los más recientes iPhone, iPad y, desde 2020, también en ordenadores Mac.

Gracias a la licencia de ARM Holdings, los fabricantes pueden:

• Modificar o ampliar las capacidades del procesador según sus objetivos: añadir inteligencia artificial, gráficos, comunicaciones o características de seguridad.
• Optimizar el diseño para consumo energético, rendimiento o integración con otros elementos, dando lugar a los famosos sistemas en un chip (SoC).
• Controlar toda la cadena de producción y diferenciarse en un mercado donde la personalización es clave.

El resultado es que hoy existen cientos de variantes de procesadores ARM, adaptadas a smartphones, tablets, coches conectados, routers, dispositivos IoT, robots, videoconsolas (como la Nintendo Switch) y, cada vez más, a equipos portátiles, sobremesa y servidores.

Evolución de los procesadores ARM: de Acorn a la era Apple Silicon

El recorrido de los procesadores ARM se puede dividir en varias generaciones, cada una con saltos importantes en potencia, eficiencia y capacidad:

• ARM1 y ARM2: Los primeros chips sencillos, con hasta 30.000 transistores, orientados a computadoras personales como el BBC Micro o el Acorn Archimedes.
• ARM3 a ARM6 y ARM7: Llegan mejoras como la memoria caché, espacio de direcciones ampliado y mayor integración, permitiendo su salto a más dispositivos (PDA, consolas portátiles).
• StrongARM y XScale: En los 90, DEC y después Intel licencian el diseño, desarrollando procesadores ultrapotentes y eficientes para agendas electrónicas y primeros smartphones.
• ARM9, ARM11 y Cortex: Se lanza la familia Cortex (A, R, M) para cubrir desde aplicaciones de alto rendimiento hasta microcontroladores embebidos. La llegada de la tecnología Thumb y Jazelle amplía la capacidad de ejecución y eficiencia.
• Apple Silicon: Desde 2020, Apple lanza sus propios chips M1, M2 y M3 totalmente basados en ARM, marcando el comienzo de la transición de sus ordenadores a esta arquitectura, con una integración hardware-software sin precedentes y un salto en rendimiento y eficiencia energética.
• Neoverse y Ethos: ARM desarrolla líneas específicas para servidores, centros de datos y aplicaciones de inteligencia artificial, compitiendo en nuevos mercados.

¿Cómo funciona un procesador ARM?

El funcionamiento de un procesador ARM se fundamenta en la ejecución eficiente de un conjunto reducido de instrucciones. Cada instrucción suele ejecutarse en un solo ciclo de reloj, lo que significa menos consumo eléctrico y mayor velocidad para tareas repetitivas.

El juego de instrucciones de ARM está pensado para optimizar el acceso a los registros y minimizar el número de operaciones de carga y almacenamiento, lo que incrementa el rendimiento. Además, incluye características únicas, como la posibilidad de ejecutar instrucciones condicionales usando los bits superiores del código de instrucción, lo que evita saltos innecesarios y mejora el flujo de datos en el pipeline del procesador.

ARM también tiene sistemas de direccionamiento avanzados, permitiendo pre y post-incremento en la manipulación de memoria, y opciones de rotación y desplazamiento en una única instrucción, algo muy útil para ciertas operaciones matemáticas y de manipulación de datos.

Otra característica relevante es la existencia de dos modos de funcionamiento: el modo ARM, con instrucciones de 32 bits, y el modo Thumb, que utiliza instrucciones de solo 16 bits, lo que reduce el consumo de memoria y mejora la densidad de código, clave en dispositivos con recursos limitados.

Ventajas y desventajas de la arquitectura ARM

Elegir un procesador ARM implica valorar una serie de ventajas y algún que otro inconveniente, especialmente si lo comparamos con otros tipos de arquitecturas como x86 (Intel/AMD) o RISC-V.

Ventajas principales

• Bajo consumo energético: su diseño RISC, el bajo número de transistores y la eficiencia de sus instrucciones consiguen reducir notablemente el uso de energía, lo que se traduce en una mayor duración de batería. Esto es especialmente importante en smartphones, tablets y todo tipo de dispositivos portátiles.
• Procesadores más pequeños y ligeros: el número reducido de transistores y la integración de funciones facilita la fabricación de chips compactos, ideales para herramientas donde el espacio es limitado.
• Menor generación de calor: al consumir menos, los chips ARM apenas requieren sistemas activos de refrigeración.
• Simplicidad y flexibilidad: instrucciones sencillas y una arquitectura limpia hacen que el desarrollo de hardware y software sea más directo, con menos probabilidad de errores o cuellos de botella.
• Personalización extrema: los fabricantes pueden adaptar los diseños a sus necesidades concretas, añadiendo o quitando módulos como GPU, NPU (procesador neuronal), módems, etc.
• Licencias para terceros: cualquier empresa puede diseñar su propio chip ARM, abriendo la puerta a la innovación, la competencia y precios más bajos.

Desventajas notables

• Compatibilidad limitada con x86: el software compilado para procesadores Intel/AMD no es compatible de manera nativa con ARM, lo que obliga a usar emuladores, traducción de instrucciones o versiones específicas del software.
• Potencia computacional algo menor en ciertas tareas: aunque los ARM han mejorado muchísimo, los procesadores x86 siguen llevando ventaja en trabajos muy intensivos de cálculo (servidores, virtualización, edición de vídeo profesional, gaming extremo, etc.).
• Fragmentación: la personalización de cada fabricante puede motivar cierta falta de homogeneidad, lo que puede complicar el soporte del software y la interoperabilidad entre dispositivos ARM distintos.
• Necesidad de adaptar el software: para aprovechar todas las virtudes de ARM, los desarrolladores deben crear versiones específicas o portar sus aplicaciones, algo que puede llevar tiempo y recursos.
• Aumenta el tamaño del código: la simplicidad de las instrucciones RISC hace que hagan falta más líneas de código para las mismas tareas, aunque este impacto es cada vez menor gracias a la optimización de los compiladores.

Usos y aplicaciones de los procesadores ARM

La presencia de ARM como arquitectura dominante en el mundo de la tecnología es abrumadora, y no solo en el sector móvil:

• Smartphones y tablets: prácticamente todos los teléfonos y tabletas modernos incluyen un SoC ARM, como los Snapdragon de Qualcomm, Exynos de Samsung, Bionic/Apple Silicon de Apple o Kirin de Huawei.
• Ordenadores personales y portátiles: gracias a su salto a los 64 bits y la mejora del rendimiento, los ARM han comenzado a aparecer en ordenadores portátiles y en equipos de sobremesa, encabezados por la línea Apple Silicon (MacBook, iMac, Mac Mini) y los nuevos modelos con chips de Qualcomm y Microsoft Surface.
• Servidores y centros de datos: las líneas ARM como Neoverse se están empleando en servidores, centros de datos y servicios cloud, ofreciendo eficiencia, bajo coste y alto rendimiento.
• Supercomputadoras: sistemas como Fugaku en Japón, desarrollados por Riken y Fujitsu, lideran la lista mundial de supercomputadoras gracias a sus procesadores ARM.
• Automoción y sistemas embebidos: los ARM son el centro de la electrónica de coches inteligentes, sistemas de infoentretenimiento, navegación y control en automóviles y vehículos autónomos.
• IoT y dispositivos conectados: sensores, dispositivos domóticos, wearables, routers, cámaras y todo el ecosistema de Internet de las Cosas apostaron desde hace años por esta arquitectura por su bajo consumo y sus opciones de personalización extrema.
• Videoconsolas y sistemas multimedia: consolas portátiles (Nintendo Switch), televisores inteligentes, decodificadores y reproductores streaming como Apple TV emplean chips ARM para ofrecer rendimiento y eficiencia.

Tipos de procesadores ARM y gamas principales

El catálogo de soluciones basadas en ARM es amplísimo. Estas son las principales familias de procesadores ARM que puedes encontrar actualmente:

• ARM Cortex-A: desarrollados para aplicaciones avanzadas, abarcando desde smartphones y tablets hasta miniordenadores como la Raspberry Pi. Ofrecen alto rendimiento y capacidades multimedia, permitiendo la personalización por parte de los fabricantes.
• ARM Cortex-R: orientados a usos en tiempo real crítico, como módems 4G/5G, sistemas de automoción, control industrial, almacenamiento o comunicaciones donde la rapidez de respuesta es esencial.
• Cortex-M: pensados para aplicaciones en espacios reducidos o con recursos limitados, habituales en microcontroladores de automóviles, sistemas de frenado, cámaras digitales, sistemas de reconocimiento de voz y sensores IoT.
• Ethos-N y Ethos-U: destinados a aplicaciones de inteligencia artificial y machine learning, perfectos para el reconocimiento de patrones, procesamiento de datos y aprendizaje automático. La versión U se utiliza como coprocesador acompañando a los Cortex-A.
• Neoverse: la gama para servidores, infraestructura, mini y microcentros de datos. Permite una gestión eficiente de cargas de trabajo tanto vertical como horizontal, ideal para escalar rendimiento con bajo coste energético.
• SecurCore: chips diseñados para tareas de seguridad, tarjetas inteligentes, sistemas de autenticación y aplicaciones USB seguras.

Además, ARM diseña y licencia sus propias GPU Mali, que normalmente se integran junto con la CPU en los SoC utilizados en dispositivos móviles, televisores y tablets.

Qué es un SoC y su relación con ARM

Una de las tendencias más importantes en la industria es el concepto de SoC (System on a Chip). Los procesadores ARM suelen formar parte central de estos sistemas, que integran en un solo chip la CPU, GPU, memoria, módulos de comunicación (5G, WiFi, Bluetooth), coprocesadores de inteligencia artificial, controladores y otros elementos.

Este enfoque permite dispositivos ultraslim, con bajo consumo y alto rendimiento, y propicia la personalización extrema. Por ejemplo, el diseño de un smartphone moderno incorpora este tipo de chips, logrando la integración de todos los componentes claves necesarios para un funcionamiento eficiente y fiable.

¿Qué es la arquitectura big.LITTLE?

Un aspecto diferencial de ARM ha sido la creación del concepto big.LITTLE, una arquitectura heterogénea que combina núcleos de alto rendimiento (big) con núcleos de bajo consumo (LITTLE) dentro de un mismo chip.

• Cuando el dispositivo está en reposo o ejecutando tareas sencillas (como ver vídeos, navegar o WhatsApp), funcionan solo los núcleos LITTLE. Esto maximiza la autonomía.
• Cuando hace falta más potencia (juegos, edición, multitarea), se activan los núcleos big, aportando la capacidad extra sin penalizar el consumo en situaciones habituales.

Este sistema ha sido tan eficiente que incluso Intel lo ha implementado en sus procesadores Core de última generación, inspirándose en el modelo de ARM para alternar núcleos de rendimiento y eficiencia.

¿En qué se diferencia ARM de x86 y de otras arquitecturas?

La eterna pregunta: ¿es mejor ARM o x86? La respuesta depende de la aplicación, pero a grandes rasgos:

• x86 (Intel/AMD): la arquitectura dominante en ordenadores de sobremesa y portátiles durante décadas. Utiliza instrucciones complejas (CISC), lo que implica chips más grandes, mayor consumo y calor, pero con mayor compatibilidad y potencia en ciertas tareas profesionales.
• ARM: más ligero, eficiente y personalizable. Inicialmente relegado a móviles y sistemas embebidos, pero cada vez con mayor potencia y presencia en portátiles, equipos de sobremesa y servidores.
• RISC-V: la alternativa open source basada también en arquitectura RISC, con potencial de crecimiento por su modelo abierto.

ARM nunca buscó competir directamente contra Intel o AMD, sino que se centró en nichos de dispositivos móviles, IoT y sistemas integrados. Sin embargo, con el desarrollo de líneas de alto rendimiento como Apple Silicon y Neoverse, el equilibrio está cambiando, y cada vez más fabricantes y sistemas operativos están adaptando sus productos para ser compatibles con ARM.

Sistemas operativos y soporte de software para ARM

Uno de los retos históricos para la adopción de ARM ha sido la compatibilidad del software, especialmente en sistemas operativos y aplicaciones de productividad profesional.

Hoy, la situación es radicalmente diferente:

• Linux ofrece soporte completo, con distribuciones como Debian, Ubuntu, Manjaro, Arch Linux, Kali Linux, Gentoo y Oracle Linux entre otras, perfectamente optimizadas para ARM.
• Windows ofrece soporte nativo en Windows 10 y Windows 11 para ARM64, con versiones especiales para dispositivos Surface X y portátiles equipados con procesadores ARM. El rendimiento y la compatibilidad han mejorado mucho gracias a la integración de emulación (x86/x64), aunque aún existen problemas de compatibilidad con ciertas aplicaciones.
• macOS es totalmente compatible desde la llegada de Apple Silicon, con un rendimiento sobresaliente y emulación avanzada a través de Rosetta 2, que permite ejecutar aplicaciones diseñadas para Intel de manera transparente para el usuario.
• Sistemas embebidos y de tiempo real: plataformas como FreeRTOS, VxWorks, ThreadX, eCos, ChibiOS y muchas más soportan arquitecturas ARM, dominando sectores como automoción, IoT y hardware industrial.
• Android y iOS están construidos nativamente sobre ARM, siendo los sistemas operativos móviles más extendidos.

Gracias a los avances en virtualización, traducción de instrucciones y la creciente base de desarrolladores, la brecha de compatibilidad con x86 se ha reducido notablemente y cada vez más software está disponible tanto para ARM como para Intel/AMD.

Innovaciones recientes y futuro de ARM

El protagonismo de ARM continúa creciendo y las últimas innovaciones apuntan a una diversificación aún mayor:

• Procesadores ARM de 64 bits: desde 2011, los diseños ARM incorporan instrucciones de 64 bits que permiten ejecutar sistemas operativos y aplicaciones complejas, abriendo las puertas a la migración de la informática de sobremesa y servidores a ARM.
• Desembarco en servidores y supercomputación: empresas como Fujitsu (con la supercomputadora Fugaku) y Amazon Web Services apuestan por los ARM Neoverse en centros de datos, buscando eficiencia, escalabilidad y menor coste de operación.
• Expansion a ordenadores portátiles y sobremesa: Apple lidera el cambio con sus procesadores ARM personalizados, marcando tendencia en la industria y animando a otros a seguir su ejemplo.
• Sistemas big.LITTLE y procesamiento heterogéneo: la integración de distintos tipos de núcleos en un mismo chip está siendo adoptada por otros fabricantes, como Intel, para maximizar el equilibrio entre rendimiento y autonomía.
• Negocio de licencias y acuerdos de producción: ARM ha sellado acuerdos con TSMC, Intel y Samsung, lo que garantiza la producción a gran escala y la llegada de chips avanzados y eficientes.
• Desarrollo de IA y machine learning: la aparición de la familia Ethos y la integración de coprocesadores de IA en los SoC ARM abre un mundo de posibilidades en el procesamiento de datos, reconocimiento de patrones y aprendizaje profundo.
• Compra de ARM Holdings por NVIDIA: aunque todavía pendiente de aprobación, la adquisición posiciona a ARM como pieza clave en el futuro del hardware y la inteligencia artificial, ofreciendo a los fabricantes acceso también a la IP de GPU desarrollada por NVIDIA.

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