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O que é um processador ARM?

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

O ecossistema ARM foi surgindo ao longo dos anos com produtos otimizados para servidores, soluções desenvolvidas para computação em hiperescala e na nuvem, telecomunicações e edge computing e aplicações de 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 dos processadores ARM.

x86 é uma abordagem de arquitetura mais antiga, com o primeiro design de CPU x86 tendo sido lançado em 1978. Isso também foi na época em que enormes computadores mainframe ocupavam uma sala inteira. Com o avanço da tecnologia e o desenvolvimento dos "microcomputadores" (PCs), surgiu o desafio de como configurar os componentes para obter alto desempenho e diminuir o design. 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 na Universidade da Califórnia, em Berkeley, analisava 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 para a própria execução. O que os programadores de Berkeley descobriram foi que a maioria dos programas usava apenas um pequeno subconjunto pertencente a esse 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. O nome disso é arquitetura de computador com um conjunto reduzido de instruções (RISC). 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 trocáveis. 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 ser arquiteturas de sistema mais homogeneizadas. Isso pode facilitar invasões e ataques de hackers a sistemas com falhas do tipo "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. Não existe um fabricante de processadores ARM, como a os processadores AMD ou Intel para arquiteturas x86. A Arm Holdings licencia os designs dos processadores ARM com referências de desempenho. Isso é feito em série, com propósitos e otimizações especializados diferentes, e os fabricantes de hardware os adaptam a serviços específicos.

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 outros dispositivos mobile menores e laptops.

Chips x86 são projetados para otimizar o desempenho. Já os processadores baseados em ARM são projetados equilibrar custo com tamanhos menores, consumo de energia reduzido, menor geração de calor, velocidade e maior potencial de vida da bateria.

Como a Arm Holdings vende os designs, e não o hardware, os fabricantes podem personalizar a microarquitetura de acordo com os próprios requisitos sem abrir mão do tamanho pequeno, do alto desempenho e da eficiência energética. Isso tem vantagens e desvantagens, pois também significa que sistemas operacionais como Linux, Windows e Android precisam ter suporte para 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 projetaram o próprio chip ARM para o supercomputador, mas a ARM também oferece um perfil de design para arquiteturas HPC. Devido à redução no tamanho, consumo de energia e aquecimento (o que também reduz a necessidade de resfriamento adicional), cada vez mais organizações estão começando a usar sistemas ARM para 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 é feita especialmente para desenvolver aplicações de 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 de clientes 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, existe uma história de desenvolvimento conhecida entre processadores ARM e Linux: os designs ARM precisavam ter a própria compilação kernel do linux personalizada, devido a uma falta de consistência entre designs ARM, mesmo dentro do mesmo fabricante ou modelo. Isso mudou em 2012, quando a comunidade kernel do Linux adicionou suporte à multiplataforma dos SoCs ARM ao kernel do Linux.

A Arm Holdings definiu arquiteturas específicas para suporte a servidores e estações de trabalho do 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 camas do stack de tecnologia funcionem, 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 acoplada ao design de hardware, o Red Hat Enterprise Linux tem 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.

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