ARM : Tout savoir sur les processeurs basés sur l’architecture RISC

L’ARM ou Advanced RISC Machine fait référence aux puces les plus populaires dans le monde. On les rencontre surtout dans les appareils embarqués qui fonctionnent au moyen d’une batterie.

Les processeurs RISC sont plus connus pour leur faible coût et leur efficacité énergétique. Ce type d’architecture permet l’optimisation des performances en ce sens qu’elle limite le nombre de cycles par instruction dans ses programmes CPU. Ces processeurs fonctionnent avec une taille d’instruction de 32 bits. C’est pour cela qu’ils sont plus adaptés aux smartphones, tablettes et ordinateurs portables. Dans cet article, on va découvrir tout ce qu’il y a savoir sur ces puces ARM, notamment leurs caractéristiques, leurs avantages et leurs inconvénients. On vverra en même temps où en est-on aujourd’hui avec les différents problèmes rencontrés.

Qu’est-ce qu’on entend par ARM ? Brève historique

Les processeurs ARM fonctionnent sur la base de l’architecture RISC. RISC est l’acronyme de « Reduced Instruction Set Computing » qui signifie calcul de jeu d’instructions réduit. Ce type de processeur est largement utilisé dans les appareils embarqués tels que les téléphones portables et les tablettes. On les rencontre également dans certaines consoles de jeu et ordinateurs.

ARM est un acronyme qui a évolué avec le temps. Au début, en 1984, il signifiait Acorn RISC Machines où les puces étaient principalement utilisées dans le territoire britannique. En 1990, le département de recherche s’est retiré de la société mère pour créer ARM Ltd ou Advanced RISC Machines Limited.

Après, d’autres firmes du secteur ont également adopté l’architecture RISC, en l’occurrence Apple qui l’a introduit dans le Macintosh en 2005. En 2016, Softbank, une société japonaise, a acquis ARM. Celle-ci l’a ensuite vendu à Nvidia pour 40 milliards de dollars en 2020.

Caractéristiques de l’ARM

Les processeurs ARM présentent de nombreuses caractéristiques que nous allons voir dans cette partie.

Une appellation spécifique

Les processeurs ARM sont nombreux à intégrer le marché. On les reconnaît facilement par le préfixe ARM suivi d’un chiffre comme ARM7, ARM9 et ARM11. A part cela, les puces RISC sont aussi reconnaissables par les termes Cortex, SecurCore ou StrongARM.

StrongARM désigne une version de la puce fonctionnant avec une vitesse plus rapide. Ces puces ont été développées en collaboration avec Digital Equipment Corporation. Sa toute première version intitulée SA-100 a rejoint le marché en 1995, deux ans avant qu’Intel ait acquis la technologie de Digital.

L’informatique hétérogène

Les processeurs ARM disposent également de ce qu’on appelle informatique hétérogène. C’est ce qui leur permet d’être plus économiques en termes de consommation énergétique. L’informatique hétérogène se définit par la conception de systèmes spécifiques impliquant l’utilisation de différents processeurs dans un même système. Elle désigne également l’utilisation de différents cœurs ou autres composants matériels au sein du même système.

Sur le fond, cela implique de construire une architecture au sein de laquelle différents composants du processeur, présentant des capacités et performances différentes, de travailler ensemble. Pas plus tard qu’en 2011, les concepteurs ont introduit une nouvelle forme d’architecture appelée LITTLE. Celle-ci permet au processeur ARM de partager la charge utile de travail entre des cœurs à performances différentes.

Une flexibilité de conception

Contrairement à Intel, ARM Ltd adopte une stratégie plus flexible en matière de conception des puces semi-conducteurs. En effet, la firme concède sous licence les principales technologies en tant que propriété intellectuelle. De ce fait, elle ne produit pas et ne vend pas ses unités de micro-traitement.

Aujourd’hui, la société offre trois types de licence à savoir la licence de conception de base, la licence Built on Arm Cortex Technology ainsi que la licence d’architecture. Cette dernière permet aux sociétés licenciées de concevoir leurs propres processeurs basés sur l’architecture ARM. Nvidia, Qualcomm, Apple et AMD sont des exemples de sociétés détenant une licence ARM.

Avantages de l’ARM

Les processeurs RISC sont à faibles coûts. Les composants de l’architecture sont plus petits par rapport à ceux des puces ordinaires. Ce qui amoindrit le coût par puce. Mais le coût réduit n’est pas son unique avantage. En fait, si la majorité des puces semi-conducteurs en circulation sont de type ARM, c’est à cause des multiples avantages qu’elles offrent. On peut citer l’efficacité énergétique, la facilité de conception et la liberté de fabrication dont disposent les fabricants.

Efficacité énergétique

La simplicité de l’architecture RISC permet aux fabricants d’assurer une efficacité énergétique. Si un smartphone ou une tablette fonctionne avec un processeur fonctionnant sur la base d’une telle architecture, sa batterie est forcément plus économique.

C’est aussi un avantage notable qu’on retrouve chez les systèmes à calcul hétérogène. Un appareil fonctionnant avec de tels systèmes dispose de processeurs de différents types ayant des capacités différentes. Par conséquent, la gestion des tâches spécialisées est affectée à des processeurs ayant les capacités appropriées.

Risque réduit de surchauffe

Outre l’économie d’énergie, les processeurs ARM sont aussi moins sujets à la surchauffe. Ils dispersent moins de chaleur, ce qui les rend plus robustes car ils ne requièrent pas de composants de gestion de chaleur.

Intel conçoit des puces basées sur l’architecture x86 qui ont du mal à descendre en dessous de 5W. Par contre, les processeurs RISC fonctionnent à faible puissance, de 3,5W. Ainsi, les processeurs conçus à base d’architecture Advanced RISC Machine conviennent mieux aux appareils fonctionnant avec une batterie. Raison pour laquelle Intel est mis de côté au profit d’AMD, Nvidia et les autres fabricants.

Conception facile

Étant donné que les fonctions RISC n’utilisent que quelques paramètres, celles-ci sont alors faciles à canaliser en raison de la longueur d’instruction fixe. En plus, sachant que chaque instruction ne prend qu’un seul cycle, cela permet de gagner du temps lors de la conception car la vitesse d’opération est maximisée. Le chargement et le stockage des valeurs dans le cache ou la mémoire ne prend que peu de temps.

Une grande liberté pour les fabricants

Les processeurs RISC sont plus faciles à fabriquer et à déployer par rapport aux processeurs CISC. La réduction du jeu d’instruction entraîne celle de l’espace de puce utilisé. En outre, le nombre de transistors utilisés diminue du fait de la simplicité de la logique de décodage.

Par ailleurs, ARM Ltd opte pour la concession sous licence des principales technologies. Ainsi, les fabricants de puces et les fabricants d’appareils disposent d’une grande marge de manœuvre en ce qui concerne le coût de production. Du coup, certaines firmes telles qu’Apple choisissent de produire elles-mêmes des processeurs basés sur l’architecture ARM.

 

Inconvénients de l’ARM

Les processeurs RISC ne sont pas non plus sans défaut. En l’occurrence, ils sont incompatibles avec certains logiciels, ce qui peut parfois perturber le fonctionnement des applications sur les appareils.

Incompatibilité avec de nombreux logiciels

On dénombre beaucoup d’appareils qui fonctionnent avec des processeurs standards Intel depuis des années. C’est notamment le cas des ordinateurs de bureau et portables fonctionnant sous Windows. De ce fait, la plupart de l’écosystème s’est habitué avec les logiciels et applications basés sur x86.

Toutefois, un ordinateur alimenté par un processeur ARM ne peut pas exécuter un système basé sur x86 en mode natif. On sait aussi que les systèmes x86 servent de base dans le développement pour la plupart des applications standards à usage général. L’incompatibilité avec certains logiciels marque une limite de l’architecture RISC. A cause de cela, les fabricants d’ordinateurs ne sont pas très enthousiastes quant à son adoption.

Perturbation du logiciel/application

En outre, d’après les développeurs, il faut plus d’effort pour concevoir des programmes et applications pour les processeurs ARM contrairement à la conception de logiciels basés sur CISC. Dans ce cas, la simplicité des processeurs RISC devient un frein car perturbe le logiciel ou l’application. Les caches doivent ainsi être plus volumineux puisque les instructions d’alimentation requièrent des systèmes de mémoire ultra rapides.

Les mesures correctives

Face à divers inconvénients, les acteurs ont déjà opté pour des mesures correctives qui consistent en l’adoption de puces ARM. Dernièrement, certaines industries du secteur abandonnent petit à petit les puces basées sur l’architecture CISC.

Snapdragon de Microsoft

Par exemple, Microsoft a d’abord annoncé son projet qui consiste à développer une version de Windows compatible avec l’architecture ARM. Le géant de la Silicon Valley a également l’intention de concevoir d’autres applications compatibles en collaboration avec Qualcomm. Finalement, la firme a mis sur le marché la série d’ordinateurs Windows qui exécutent des processeurs Snapdragon basés sur l’architecture RISC.

Apple et les modèles d’appareils basés sur ARM

Dans sa stratégie produit, Apple a suivi celle de Microsoft en abandonnant les processeurs Intel au profit de ceux basés sur ARM. La stratégie a porté ses fruits avec la sortie des modèles de MacBook Air et MacBook Pro ainsi que d’autres Mac où le processeur Apple M1. En même temps, Apple a déployé Rosetta 2, un nouveau système masOC basé sur l’architecture RISC. Le système est destiné à mettre fin aux problèmes d’incompatibilité, permettant ainsi aux applications x86 natives de s’exécuter sans tracas.

Où trouve-t-on des processeurs ARM ?

L’architecture ARM demeure le choix primordial pour les appareils mobiles fonctionnant avec une batterie à l’instar des appareils Android, Chrome OS, Firefox OS ou Windows Mobile. En tout, on compte environ une centaine de millions d’appareils disposant de tels processeurs dans le monde entier (smartphones, tablettes, iPhones, etc.).

Depuis une décennie, de nombreuses distributions Linux ont rejoint la communauté en supportant l’architecture. C’est notamment le cas d’Ubuntu, Debian, Raspbian et Gentoo. Par ailleurs, d’autres sociétés sous licence utilisent les processeurs ARM pour des systèmes sur modules (SoM) et des systèmes sur puces (SoC).

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