Arm-architectuur: het ontwerp achter bijna elke smartphone
Arm-architectuur is geen chip die je kunt kopen, maar een verzameling technische regels waarmee chips ontworpen worden: een instructieset die bepaalt welke basisopdrachten een processor begrijpt en hoe die worden uitgevoerd. Vergelijk het met een bouwtekening voor een motor. Verschillende fabrikanten kunnen dezelfde tekening gebruiken om hun eigen motor te bouwen, met eigen keuzes voor vermogen, formaat of verbruik, maar de onderliggende werking blijft gebaseerd op hetzelfde ontwerp.
Vrijwel iedereen die dit artikel op een smartphone leest, doet dat op een chip die is gebouwd volgens Arm-architectuur. Ook tablets, smart-tv's, wifi-routers en steeds meer laptops - waaronder alle recente MacBooks van Apple - draaien op processoren met dit ontwerp als basis. Wat Arm zo bijzonder maakt, is niet dat het de snelste optie is, maar dat het bijzonder zuinig omgaat met stroom: essentieel voor apparaten die op een batterij moeten werken.
Wat is het precies?
Een processor voert voortdurend simpele instructies uit: getallen optellen, gegevens verplaatsen, beslissingen nemen. De verzameling mogelijke instructies heet de instructieset-architectuur, afgekort ISA. Arm gebruikt een aanpak die RISC heet: Reduced Instruction Set Computer, ofwel een beperkte, sterk vereenvoudigde set instructies. Elke instructie is klein en simpel, waardoor een chip ze snel en met weinig energie kan verwerken.
Dit staat tegenover CISC, Complex Instruction Set Computer, de aanpak die x86-chips van Intel en AMD van oudsher gebruiken. Daar bevat de instructieset ook complexere, samengestelde opdrachten. Het onderscheid is inmiddels minder zwart-wit dan vroeger: moderne x86-chips vertalen hun complexe instructies intern alsnog om naar kleinere, RISC-achtige stapjes. Toch blijft het fundamentele ontwerp van Arm eenvoudiger, wat historisch heeft bijgedragen aan de reputatie van energiezuinigheid.
Belangrijk is ook het businessmodel. Arm Holdings, het Britse bedrijf achter de architectuur, maakt zelf geen chips. Het ontwikkelt de instructieset en kant-en-klare processorontwerpen, zogeheten cores, en verkoopt daar licenties op aan chipfabrikanten. Een bedrijf als Qualcomm of Samsung kan zo'n kant-en-klaar ontwerp direct gebruiken, of alleen een licentie nemen op de instructieset en zelf een volledig eigen processorontwerp bouwen, zoals Apple doet met zijn M- en A-serie chips. De daadwerkelijke productie van de chips gebeurt bij gespecialiseerde fabrikanten zoals TSMC in Taiwan.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer achter Arm-architectuur is energiezuinigheid. Toen smartphones aan het begin van deze eeuw opkwamen, was er behoefte aan chips die krachtig genoeg waren voor moderne software, maar die ook een hele dag konden draaien op een kleine batterij. Arm's eenvoudige instructieset bleek daarvoor uitermate geschikt en werd de facto standaard in mobiele apparaten.
Daarnaast biedt het licentiemodel flexibiliteit. Omdat chipmakers de architectuur kunnen aanpassen aan hun eigen behoeften, ontstaan er gespecialiseerde processoren: een chip voor een smartphone stelt andere eisen dan een chip voor een wifi-router of een serverpark. Deze aanpasbaarheid heeft Arm de afgelopen jaren ook aantrekkelijk gemaakt buiten de mobiele wereld. Cloudbedrijven en laptopmakers zoeken naar manieren om minder afhankelijk te zijn van x86-chips van Intel en AMD, en gebruiken Arm-ontwerpen om zelf op maat gemaakte, zuinigere processoren te ontwikkelen. Voor datacenters betekent lager energieverbruik ook direct lagere operationele kosten en minder CO2-uitstoot, wat de laatste jaren een steeds zwaarder wegend argument is geworden.
Voorbeelden uit de praktijk
Apple maakte in november 2020 de overstap van Intel-processoren naar eigen Arm-gebaseerde chips onder de naam Apple Silicon, te beginnen met de M1. Latere generaties zoals de M2, M3 en M4 volgden in de jaren daarna. Deze overstap liet zien dat Arm-chips ook in veeleisende laptops en desktops kunnen concurreren met x86, zowel qua prestaties als qua energieverbruik en accuduur.
Amazon Web Services ontwikkelt sinds 2018 eigen Arm-gebaseerde serverchips onder de naam Graviton, met opeenvolgende generaties Graviton2, Graviton3 en Graviton4. Klanten die hun clouddiensten op deze chips draaien, profiteren volgens Amazon van een beter verhouding tussen prestaties en energieverbruik dan bij traditionele x86-serverchips.
De Japanse supercomputer Fugaku, gebouwd door Fujitsu voor onderzoeksinstituut RIKEN, gebruikt de Arm-gebaseerde A64FX-processor en stond in 2020 op nummer één van de TOP500-lijst van snelste supercomputers ter wereld. Dit was destijds een belangrijk signaal dat Arm-architectuur ook geschikt is voor de zwaarste rekentaken.
Op kleinere schaal draait de populaire Raspberry Pi, een goedkope minicomputer die veel wordt gebruikt door hobbyisten, scholen en makers van doe-het-zelfprojecten, al sinds de eerste versie uit 2012 op Arm-gebaseerde chips.
In 2024 bracht Qualcomm de Snapdragon X Elite en X Plus op de markt, chips die specifiek bedoeld zijn voor Windows-laptops onder Microsofts Copilot+ PC-noemer. Het is een nieuwe poging om Arm-architectuur een stevigere plek te geven in de Windows-laptopmarkt, die van oudsher wordt gedomineerd door x86-chips van Intel en AMD.
Hoe ver is de techniek?
In de mobiele wereld is Arm-architectuur al decennialang volwassen en dominant: vrijwel elke smartphone, ongeacht merk of besturingssysteem, gebruikt een Arm-gebaseerde chip. In datacenters en laptops is de omslag veel recenter en nog volop gaande. X86-chips van Intel en AMD hebben daar nog altijd het grootste marktaandeel, maar dat aandeel staat onder druk door het succes van Apple Silicon en de groei van Arm-gebaseerde serverchips zoals Graviton.
Een belangrijke technische mijlpaal was de introductie van ARMv9 in 2021, de eerste grote architectuurvernieuwing in bijna tien jaar. Deze generatie voegt onder meer verbeterde beveiligingsfuncties en instructies toe die specifiek zijn afgestemd op kunstmatige intelligentie en machine learning.
Op softwarevlak blijft compatibiliteit een obstakel. Programma's die specifiek voor x86 zijn geschreven, draaien niet zomaar op een Arm-chip; ze moeten opnieuw worden gecompileerd of via emulatie worden vertaald, wat ten koste kan gaan van snelheid. Apple loste dit relatief soepel op met zijn vertaaltechnologie Rosetta 2, maar eerdere pogingen van Microsoft om Windows op Arm te populariseren, zoals de Surface Pro X uit 2019, liepen tegen aanhoudende compatibiliteitsproblemen aan. De nieuwste generatie Windows-on-Arm-laptops uit 2024 moet dat euvel grotendeels verhelpen, al blijft dit een punt van aandacht.
Wie werken eraan?
Aan de basis staat Arm Holdings, opgericht in 1990 in Cambridge, Verenigd Koninkrijk, als spin-off van computerbedrijf Acorn Computers. Het Japanse conglomeraat SoftBank nam Arm in 2016 over voor ongeveer 32 miljard dollar en bracht het bedrijf in september 2023 gedeeltelijk naar de beurs in New York, met behoud van een meerderheidsbelang. Een eerdere poging van chipgigant Nvidia om Arm voor circa 40 miljard dollar over te nemen, aangekondigd in 2020, strandde in 2022 op verzet van toezichthouders in onder meer het Verenigd Koninkrijk, de Europese Unie en de Verenigde Staten, die vreesden voor te veel marktmacht bij één partij.
Rond Arm bestaat een breed netwerk van licentienemers die de architectuur gebruiken in hun eigen chips: Apple, Qualcomm, Samsung, MediaTek en Nvidia behoren tot de grootste. Amazon ontwikkelt zijn Graviton-serverchips eveneens op basis van Arm-licenties, en ook Nvidia gebruikt de architectuur voor zijn Grace-serverprocessor, gericht op datacenters en AI-workloads. De daadwerkelijke productie van al deze chips ligt grotendeels bij gespecialiseerde chipfabrikanten, met TSMC in Taiwan als belangrijkste speler. Zo blijft het Verenigd Koninkrijk het ontwerphart van de architectuur, terwijl de toepassing en productie zich vooral in de Verenigde Staten, Oost-Azië en in toenemende mate bij cloudbedrijven wereldwijd afspeelt.