Qual a diferença de um processador ARM para um x86?

[Paulo de Deus]

Li esse artigo e achei interessante, isso é bom para termos mais conhecimento, mesmo técnico de itens da nossa área. Espero que gostem e seja útil.

 

A palavra “processador” é bastante ampla, uma vez que é utilizada para denominar inúmeros componentes utilizados em aparelhos eletrônicos. Há dispositivos que são projetados para o processamento geral, enquanto outros são adequados para trabalhar com imagens ou áudio.

Todavia, quando falamos apenas em processador, geralmente estamos nos referindo à CPU, a tal unidade central de processamento. Nos computadores, esses itens são fabricados pela Intel ou AMD; já nos smartphones, as marcas conhecidas são Qualcomm, MediaTek e Samsung.

É importante notar que apesar de desempenhar funcionalidade similar, os processadores de computadores e celulares são muito diferentes em tamanho, capacidade, arquitetura e operação. Os modelos voltados para notebooks e desktops são conhecidos pelas instruções x86 e aqueles usados em telefones móveis usam a tecnologia ARM.

Afinal, o que muda tanto entre esses modelos? Por que não temos chips x86 nos smartphones e componentes ARM nos PCs? O que os processadores ARM ainda não conseguem fazer? Hoje, vamos responder essas e outras questões para você entender porque as fabricantes simplesmente não migram para outros segmentos, de que forma “menos pode ser mais” e por que essas duas tecnologias devem continuar coexistindo.

A complexidade do CISC

Os processadores x86 são baseados na arquitetura CISC (Complex Instrucion Set Computers), que, como a própria sigla sugere, é voltada para instruções complexas. O termo “complexo” aqui serve tanto para designar a parte de trabalho do componente quanto a própria disposição dos elementos e a forma como tudo funciona ali dentro.

O hardware de um chip como o Intel Core i7 ou o AMD Ryzen 7 é composto por diversos itens: núcleos, controlador de memória, interface de entrada e saída, memória cache e outros.

Basicamente, no entanto, pensando num esquema ilustrativo simplificado, conforme proposto pela Universidade de Stanford, uma CPU pode ser separada em memória, registros e unidade de execução. A memória contém os dados básicos, que, através de uma instrução, serão carregados de forma temporária no registro e computados na unidade de execução.

 

O grande detalhe deste tipo de processador é que o software não precisa detalhar instruções de forma separada e a unidade de execução pode realizar múltiplos processos com uma única instrução. Assim, pensando no exemplo de cálculos matemáticos, um processador CISC pode realizar várias contas através de uma única linha de comando e dar um retorno imediato.

Pensando num sentido amplo, a arquitetura CISC permite realizar tarefas complexas sem que o programa tenha de se desdobrar em inúmeras partes, isso garante um menor consumo de memória RAM para armazenamento das funções. Vale notar que a arquitetura diretamente do hardware nesses chips já é voltada para esta alta complexidade.

É importante notar que boa parte do trabalho pesado aqui é feita diretamente no hardware, que pode trabalhar com diferentes configurações de clock, usar códigos menores (o que beneficia os desenvolvedores) e operar com ciclos maiores por cada segundo.

A simplicidade do RISC

Os processadores ARM, por outro lado, são baseados na arquitetura RISC (Reduced Instruction Set Computer), que, conforme você pode imaginar, opta pela simplicidade. O hardware destes componentes também é bastante complexo e um olhar mais amplo pode até confundir os usuários menos atentos, pois há muitos itens similares aos dos chips x86.

Os processadores mais avançados, como os que são baseados na arquitetura Cortex-A75, trazem núcleos equipados com memória cache de diferentes níveis (com capacidades próximas às que temos em processadores x86), unidade de ponto flutuante, controlador de periféricos e outros dispositivos que garantem operações robustas em sistemas completos.

 

Novamente, baseado num esquema mais simples — com memória, registro e unidade de execução —, a forma de operação é um pouco diferente. A memória ainda contém os dados básicos que serão carregados no registro e computados na unidade de execução, porém, em vez de usar uma punica instrução, uma CPU RISC precisa de várias instruções.

Ao contrário da CISC, a RISC requisita muitos comandos vindo do software, cada qual detalhando uma operação. Apesar de parecer ineficiente, isso permite que cada tarefa seja executada mais rápida, já que são instruções mais simples.

Pensando num mesmo cálculo para as duas unidades, uma RISC poderia dar um retorno quase que no mesmo tempo de uma CISC, com a diferença de que apenas necessitaria mais linhas de comando. Outra vantagem é que a CISC mantém as instruções no registro, as quais podem ser usadas posteriormente em outras tarefas, então isso pode gerar alguma economia de energia e processamento.

 

A desvantagem é que o programa precisa ser separado em várias partes para dar o mesmo resultado, o que gera um maior consumo de memória RAM. O hardware um pouco mais simples aqui deve ser compensado pelo software, que precisa ter mais sofisticação.

Assim, ao contrário da CISC, boa parte do trabalho é adiantada pelas linhas de código no software. Além disso, estas CPUs geralmente são programadas para trabalhar com configurações únicas de clock, usam códigos maiores e operam com menores ciclos por segundo.

Funções bastante distintas

É preciso entender que assim como existem veículos com funcionamentos distintos para atividades específicas. Não faz sentido usar um avião para se deslocar diariamente por 10 ou 20 quilômetros, assim como não é lógico apostar num carro como meio de locomoção para ir do Brasil até a Europa.

Da mesma forma, há processadores com arquiteturas diferentes voltados para funções únicas. É claro que um processador Intel Core pode realizar as atividades básicas de um celular, mas o gasto de energia, as altas temperaturas e também o espaço necessário para instalar este componente num smartphone inviabiliza esse tipo de aplicação.

 

Por outro lado, usar um Snapdragon 810 num PC também não faria sentido. Em teoria, com as devidas adaptações de código, ele até poderia renderizar um vídeo no Adobe Premiere, porém levaria uma eternidade para finalizar a tarefa. Durante todo o processo, este componente iria usar pouca energia e não aqueceria quase nada, mas não seria uma aplicação inteligente.

Basicamente, um processador ARM é programado para atividades focadas em tarefas simples e que necessitem de um resultado imediato. Controlar um player de música, fazer cálculos na calculadora, gerenciar os alarmes, cuidar de um sistema leve ou executar alguns poucos apps em paralelo pode ser moleza para um processador RISC.

Além disso, essa questão da energia e temperatura são importantíssimas num celular, que precisa ter bateria para durar o dia todo e se manter frio para evitar danos ao usuário. Dessa forma, as fabricantes mantêm tais componentes pequenos, eficientes, focados e adicionam novidades que possam incrementar a experiência no mundo mobile.

 

Agora, quando tratamos de um processador x86, estamos falando de atividades bem mais complexas, mas que ainda necessitem de resultados imediatos (ou que demorem um mínimo de tempo possível, mesmo que com alto custo de energia).

No caso dos processadores CISC, estamos pensando em um uso muito mais intenso. Aqui, o usuário pode usar um navegador similar ao do celular, mas este processador estará pronto para processar 30 abas simultaneamente se for necessário, com um layout maior, com divisão de tela, com gerenciamento de janelas, enquanto realiza sincronização de múltiplos apps em segundo plano e dá conta de processar jogos e apps muito mais pesados.

É claro que o consumo e a temperatura vão para as alturas, mas é bom pensar que estamos tratando de máquinas bem maiores, como laptops (que trazem baterias de alta capacidade) e desktops que são conectados diretamente à tomada. Não é por acaso que agora temos processadores com mais de dez núcleos, grandes, ainda eficientes (dentro dessa proposta), robustos para executar milhares de threads e cada vez mais poderosos.

Então, um x86 jamais poderá substituir um ARM e um ARM nunca estará apto para um computador? Bom, a verdade é que a Intel até já tentou emplacar processadores x86 no mundo mobile (como é o caso do Intel Atom z3580, que foi instalado no Zenfone 2), bem como já ouvimos planos de ARM para computadores.

 

O Android até tem uma versão para x86, sendo um sistema que pode ser perfeitamente escalado para laptops (o próprio Chromebook usa processadores ARM e entrega uma experiência bem completa e similar à do Windows). Todavia, são coisas que não pegam com facilidade e dificilmente vão virar regra em mercados já estabelecidos.

Em teoria, com as devidas adaptações de software, qualquer um desses processadores pode substituir o outro nas principais tarefas, mas isso nem sempre compensa. Assim, em teoria, um ARM pode fazer o mesmo que um x86, mas, num comparativo, ele nunca terá o mesmo desempenho. A comparação até nem faz sentido, pois estamos tratando de carros populares e Ferraris, são coisas muito distintas.