Uma não tão breve história da ARM (parte 1)

Você já a conhece há muito tempo. Ela faz parte do nosso dia a dia e está entre nós de maneira quase onipresente. Há anos em celulares, tablets e smartwatches, recentemente ela também chegou com mais força aos computadores pessoais. Ela é a arquitetura ARM (Advanced Risc Machine), presente nos processadores da imensa maioria dos gadgets do mercado. O que você talvez ainda não saiba é que ela foi criada por dois amadores, dois jovens estudantes da Universidade de Cambridge no início dos anos 1980.

No final dos anos 1970 e início dos anos 1980, os computadores começaram a se popularizar em todo o mundo. O que até então estava restrito a um nicho de nerds nas universidades alcançava cada vez mais os lares de pessoas comuns. As máquinas complexas que demandavam treinamentos sofisticados e profissionais altamente especializados para sua operação estavam se tornando mais fáceis de serem utilizadas, e ferramentas cada vez mais importantes e valiosas para estudantes e profissionais dos mais diversos setores.

Já estava claro que os computadores seriam o futuro. Na Inglaterra, essa certeza fez a rede pública de rádio e televisão BBC perceber que era necessário educar a população sobre computadores. Afinal, se o computador era o futuro, era necessário ensinar as pessoas a utilizá-los. Então, em 1982, a BBC criou um projeto chamado The Computer Programme, uma série de programas de TV para introduzir o computador a milhões de lares britânicos e mostrar à população do que aquelas máquinas eram capazes. Além disso, o governo pretendia equipar com computadores as escolas de todo o país.

Porém, havia um problema. Esse era um momento extremamente rico e dinâmico da indústria de computadores, e isso se traduzia em uma enorme variedade de marcas, modelos e fabricantes. Não existiam padrões bem definidos de hardware e software. Cada computador rodava seus programas específicos e se comunicava com seus periféricos específicos. Como educar um país inteiro em computadores, num cenário como esse?

Obviamente, seria impossível fazer um programa (de TV) para cada fabricante ou modelo de computador. A BBC decidiu que precisava definir um computador específico para usar no seu programa, um micro para chamar de seu. A empresa então definiu as especificações do que seria chamado de BBC Micro, e foi atrás das fabricantes de computadores do país em busca de uma fornecedora. O contrato com a BBC para produzir o BBC Micro significava a venda de milhares de unidades ao governo britânico, além de milhões de libras em publicidade espontânea em programas de TV.

Quem venceu a disputa e conseguiu o contrato com a BBC foi a Acorn Computers, uma então pequena empresa de Cambridge. A Acorn e o BBC Micro levariam ao desenvolvimento do processador que permitiu a “revolução mobile” do final dos anos 1990 e que atualmente está em 99% dos smartphones do mercado.

Sinclair e o surgimento da Acorn

Christopher Curry era o braço direito de Clive Sinclair na Sinclair Radionics, uma das diversas empresas criadas pelo icônico inventor britânico. Ao longo da vida, Sinclair inventou e comercializou de tudo, de rádios AM/FM e mini TVs portáteis a relógios de pulso, passando até por um carro elétrico.

Na década de 1970, o maior produto da Sinclair era sua calculadora portátil, lançada em 1972, a Sinclair Executive. A calculadora foi um enorme sucesso comercial e levou Sinclair à fortuna. Rumo ao final da década de 1970, Curry estava cada vez mais interessado em computadores pessoais, mas encontrava resistência por parte de Sinclair, que só pensava e novos modelos para a sua calculadora ¹Sinclair rapidamente mudaria de opinião sobre computadores e acabaria entrando para a história como um dos pioneiros da computação pessoal. Com o ZX80, o ZX81 e principalmente o ZX Spectrum, seria um dos grandes responsáveis pela popularização dos computadores pessoais no mundo. A história de Sir Clive Sinclair e de como ele se tornou um dos principais nomes da computação pessoal é um caso à parte, e merece um artigo especial dedicado a ela — talvez, meu próximo. Voltemos à história da arquitetura ARM..

Em 1978, Curry abandonou Sinclair e se juntou a Hermann Hauser para fundar uma empresa que se dedicaria aos computadores pessoais. Nasceu, então, a Acorn Computers. O nome foi inspirado em um ditado inglês, “great oaks from little acorns grow”, que pode ser traduzido como “a ideia de que coisas grandes podem surgir de algo que começa pequeno”. Além disso, acorn também é um nome de fruta e tem a vantagem de vir antes de Apple na lista telefônica — sim, essa realmente foi uma motivação para a escolha do nome!

Curry e Hauser não eram especialistas em eletrônica ou computadores. Curry era publicitário, um homem de vendas, e Hauser um entusiasta de computadores que estava fazendo seu doutorado de Física em Cambridge. Eles precisavam de alguém que realmente entendesse de computadores, de hardware, alguém que pudesse botar a mão na massa e criar os computadores que eles pretendiam vender.

Como qualquer grande universidade da época, Cambridge também tinha seu grupo de nerds que se reunia em clubes dedicados ao estudo dos computadores — assim como Stanford nos Estados Unidos tinha um certo Homebrew Computer Club, que você provavelmente já ouviu a respeito. E foi no Clube de Processadores de Cambridge que Curry e Hauser encontraram os talentos de que precisavam para formar a Acorn: Steve Furber (então estudante de doutorado em Física) e Sophie Wilson (ainda estudante de graduação em Ciências da Computação).

O primeiro computador construído pelo time da Acorn foi o Atom, lançado em março de 1980. Sua CPU ²Central processing unit, ou unidade central de processamento. era o MOS 6502 (8 bits, rodando a incríveis 1MHz, 2KB de RAM ³Random access memory, ou memória de acesso aleatório. e 8KB de ROM ⁴Read-only memory, ou memória somente de leitura.). O sistema operacional era uma versão customizada do BASIC escrita por Wilson, o Acorn System Basic. O Atom competia diretamente com o ZX80 da Sinclair (eu falei que Clive Sinclair ia mudar rapidinho sua opinião sobre computadores) — e foi um relativo sucesso, vendendo em torno de 20.000 unidades. Com o Atom, a Acorn se desenvolveu como empresa e se estabeleceu como fabricante de computadores. Estava na hora de pensar no seu próximo produto.

Por esse momento, início dos anos 1980, estava surgindo uma nova geração de processadores de 16 bits, como o Motorola 68000 e o Intel 8088. Eles eram mais poderosos, porém mais complexos e de custo elevado.

A Acorn precisava definir o processador que usaria em seu novo computador, o sucessor do Atom. Manter-se no 6502 poderia significar uma perda de oportunidade e um risco de tornar-se obsoleta em pouco tempo. Porém, uma mudança aos novos processadores de 16 bits poderia significar meter-se em uma aventura de alto custo, que talvez a empresa não pudesse manter.

A Acorn acabou adotando uma solução de compromisso, um “meio termo”, mas com uma pitada grande de ousadia: seu próximo computador seguiria baseado no 6502, mas teria uma nova interface de conexão e um módulo de expansão que permitiria a conexão de um segundo processador. Essa interface permitiria inclusive o acoplamento dos novos processadores de 16 bits que estavam surgindo no mercado, o que traria um salto gigantesco de desempenho e potência ao computador.

O computador se chamaria Proton e a interface para acoplagem de um segundo processador, Tube. Assim, a Acorn seguiria oferecendo a opção de um computador barato e acessível com a opção de uma versão expandida mais cara para quem buscasse mais potência.

O BBC Micro

Enquanto a equipe técnica, liderada por Wilson e Furber, discutia como implementar a ideia de um segundo processador acoplado ao Proton, Curry ficou sabendo dos planos da BBC de produzir um computador para seu futuro programa de educação em computação.

Curry entrou em contato com a BBC e disse que a Acorn tinha um protótipo que atendia às especificações requeridas para o modelo. A BBC então pediu uma demonstração do protótipo, em uma semana. Curry concordou. Aqui, a história fica divertida e se parece com o caso de Bill Gates vendendo o Microsoft DOS para a IBM, contada nessa cena do clássico filme “Piratas do Vale do Silício” ⁵Se você ainda não assistiu a esse filme, faça um favor a você mesmo e veja-o imediatamente! Ou melhor, imediatamente não, termine de ler o artigo primeiro!.

A Acorn não tinha nada! Absolutamente nada para mostrar à BBC. O Proton e a interface Tube eram apenas uma ideia que ainda não estava nem no papel. Era algo apenas nas mentes de Wilson e Furber, os quais “achavam” que seria possível fazer tal coisa. Curry e Hauser sabiam disso, mas viram o que significava um contrato com a BBC e as potenciais vendas para o governo britânico. Era uma oportunidade que a Acorn não podia deixar passar.

Após Curry dizer sim à BBC e prometer um protótipo funcional em uma semana, faltava convencer seu próprio time que seria possível cumprir a promessa. Hauser telefonou para Wilson e perguntou se aquilo era viável, se poderiam ter um protótipo funcional do Proton em uma semana. A resposta de Wilson foi simples: “É claro que não.” Hauser então ligou para Furber, fez a mesma pergunta e obteve a mesma resposta.

Porém, Hauser complementou com: “Hum, estranho. A Wilson disse que consegue fazer.” E a provocação funcionou. Furber imaginou que ela deveria saber algo que ele não sabia e concordou: “Se Wilson acha que é possível, então podemos tentar.”

Hauser voltou a ligar para Wilson, desta vez dizendo que Furber achava que conseguia fazer, e consegue a mesma resposta positiva. Foi a vez de Wilson imaginar que ele deveria saber de algo que ela não sabia, e concordar com a empreitada — “Se Furber acha que é possível, então podemos tentar!”

Assim, Wilson, Furber e mais alguns membros do time da Acorn mergulham em uma semana intensa e insana de trabalho; em cinco dias, entregam aos avaliadores da BBC um protótipo funcional do Proton e sua extensão Tube para acoplar um segundo processador. Na entrevista abaixo, Wilson contou como ainda trabalhava no código para fazer o vídeo funcionar no protótipo quando a equipe da BBC chegou à sede da Acorn, e como coube a Curry “enrolar” um pouco a comitiva enquanto ela terminava de finalizar tudo.

O protótipo funcionou e o Proton impressionou a BBC. A Acorn ganhou o contrato e o Proton foi produzido em escala e comercializado como o nome BBC Micro. Lançado em dezembro de 1981 e com uma expectativa inicial de venda de algumas milhares de unidades — o BBC Micro acabou vendendo mais de 1,5 milhão de unidades durante sua vida.

A Acorn se tornou uma gigante europeia da computação pessoal, investindo pesado em publicidade, estampando a sua marca em carros de corrida e criando até mesmo uma revista para a sua base de usuários.

A interface Tube e uma nova maneira de se construir processadores

Com o sucesso do BBC Micro, a Acorn agora tinha os recursos financeiros necessários para investir no desenvolvimento da expansão Tube, que aumentaria enormemente a capacidade de processamento do BBC Micro. Vários processadores foram testados, inclusive os novos Motorola 68000 e o National Semiconductor NS32000, processadores 32 bits supostamente muito superiores ao MOS 6502 de 8 bits utilizado no próprio BBC Micro. Porém, surpreendentemente, nenhum desses processadores mostrava um desempenho muito superior ao velho 6502.

De fato, os resultados obtidos com esses novos processadores não eram muito melhores que um segundo 6502 rodando a um clock um pouco superior. A baixa performance, atrelada ao alto custo e à complexidade de operação desses novos processadores não justificavam seu uso como segundo processador no BBC Micro. A Acorn precisava de algo diferente.

A busca por um segundo processador para o BBC Micro levou Furber e Wilson a uma viagem aos EUA, para conhecer a sede da Western Design Center (WDC, no Arizona), uma empresa que desenvolvia processadores e fora fundada por Bill Mensch, um dos criadores do 6502 na MOS Technology.

A WDC havia desenvolvido o sucessor do 6502, o 65C02, que equipava o Apple IIc e o Apple IIe. O time da Acorn esperava que Mensch e sua nova empresa pudessem criar uma nova versão do chip 6502 feito sob medida para ser o segundo processador do BBC Micro.

Eles esperavam encontrar uma empresa de alta tecnologia, com máquinas de última geração para o desenho e a fabricação de processadores, uma equipe altamente qualificada… mas não foi nada disso que encontraram. A Western Design Center funcionava em uma pequena casa no subúrbio de Phoenix e era formada praticamente por estudantes usando velhos Apple II para desenhar os chips para a Maçã. Furber e Wilson ficaram chocados! A infraestrutura e a capacidade técnica da Acorn eram muito superiores às da WDC. Não havia nada que impedisse a Acorn de desenhar seus próprios processadores.

De volta à Inglaterra, Furber e Wilson passaram a se dedicar ao desenho do seu próprio processador. Hauser, um dos fundadores da Acorn, trouxe algo interessante para Furber e Wilson. Alguns artigos publicados por um grupo de cientistas americanos, da Universidade de Berkeley, que estavam trabalhando em um projeto chamado Berkeley RISC (acrônimo para reduced instruction set computer). 

Não vou me aprofundar nos detalhes técnicos do funcionamento de um processador — não é o objetivo deste texto e também não é minha área de especialidade. Mas, basicamente, grande parte das tarefas realizadas por um processador envolvem lógica e aritmética. Essas operações são realizadas através da passagem ou não de corrente elétrica pelos transistores que compõem o chip. Cada transistor funciona como uma pequena chave liga-desliga. Para saber quando e qual “chave” ligar ou desligar, cada processador precisa de um conjunto de instruções, uma lista de como ele pode mover dados de um lugar a outro, comparar números, fazer operações matemáticas, etc.

Acontece que, por essa época (início dos anos 1980), já se sabia que o conjunto de instruções dos processadores estava subutilizado. Grande parte do seu conjunto de instruções simplesmente não era utilizado pelos programas da época. Reduzir o conjunto de instruções de um processador significava diminuir sua complexidade (de fabricação e operação) e, consequentemente, reduzir significativamente o seu custo.

Por isso, surgiram projetos como o de Berkeley (ele não foi o único), com o objetivo de estudar a viabilidade de processadores mais simples e baratos, com uma quantidade reduzida de instruções ⁶Para se ter uma ideia do que isso significava, o Intel 80286, lançado em 1982, tinha um total de 357 instruções únicas, enquanto o chip que a Acorn desenvolveria tinha apenas 45. Isso se reflete diretamente na quantidade de transistores no interior do chip: o 80286 tinha em torno de 134 mil transistores, enquanto a primeira versão do chip da Acorn teria apenas 25 mil..

A partir dos artigos de Berkeley, a Acorn decidiu que a melhor opção para um segundo processador no BBC Micro seria desenvolver o seu próprio chip, usando a ideia de conjunto de instruções simplificada (RISC).

Furber seria o responsável pelo desenho do hardware do processador, enquanto Wilson estaria encarregada do conjunto de instruções. O processador se chamaria ARM (Acorn Risc Machine) e seria fabricado pela VTI (VLSI Technologies), empresa americana que já era parceira da Acorn e fabricava alguns dos chips utilizados no BBC Micro.

Havia, ainda, um último requisito: o processador precisaria funcionar sendo encapsulado em plástico, sem a necessidade do uso de encapsulamento de cerâmica ou algum sistema extra de refrigeração. Isso manteria o custo do chip baixo e permitiria a competição direta com o mercado de computadores domésticos dominado pela linha ZX da Sinclair, que eram vendidos a menos de US$100. Não era uma exigência menor. Significava que o processador teria que consumir, no máximo, 1 watt — algo extremamente baixo e que exigiria um nível absurdo de eficiência do ponto de vista energético.

Hello World, I am ARM

O processo de desenvolvimento do primeiro processador ARM levou 18 meses. O chip foi produzido com uma tecnologia de 3 micrômetros (pelo menos 1.000 vezes maior que o que temos atualmente) e, como dito acima, tinha em torno de 25 mil transistores.

Em 26 de abril de 1985, as primeiras amostras do ARM1 chegaram à sede da Acorn. O processador foi conectado como segundo processador em um BBC Micro, através da interface Tube, e após alguns comandos, às 15h surgiu na tela a mensagem:

Hello World, I am ARM

Estouros de garrafas de champagne ecoaram pela sede da Acorn. Eles haviam alcançado algo extraordinário. Em apenas 18 meses, uma equipe de menos de 10 pessoas criou seu próprio processador de 32 bits, através de uma nova e inédita metodologia e que funcionou na primeira tentativa!

Com o processador conectado e funcionando, Furber conectou seu multímetro aos terminais do computador, a fim de tentar medir algumas tensões e correntes, e assim determinar a potência consumida pelo ARM1. Precisavam verificar se a estimativa de consumo feita no projeto do chip estava correta.

Para surpresa geral do time, a leitura no multímetro de Furber era 0. Nenhuma corrente, nenhum sinal. O processador estava consumindo 0 watts. Isso não era possível, não fazia nenhum sentido. O processador estava operando, estava funcionando, executando comandos… como poderia não estar consumindo energia?

De fato, Furber conferiu a placa de circuito onde o ARM1 estava conectado e verificou que ele havia cometido alguns erros na montagem de algumas conexões. O processador não estava corretamente alimentado — não chegava eletricidade onde deveria chegar. E mesmo assim, estava funcionando. A explicação estava na eficiência e na simplicidade: o ARM1 era tão eficiente que estava funcionando apenas com as correntes de fuga presentes no circuito. O ARM1 funcionava consumindo apenas 0,1 watt!

Conforme o planejado, os primeiros lotes do ARM1 foram comercializados como uma expansão ao BBC Micro, uma caixa bege que ia acoplada ao BBC Micro pela interface Tube. Continha um processador ARM1 rodando a 6MHz e 1MB de RAM.

Foi a primeira vez que alguém poderia comprar um processador RISC. O BBC Micro, equipado com Acorn – The ARM Evaluation System, foi o primeiro computador comercializado com arquitetura RISC.

Wilson é considerada uma das mulheres mais importantes da história da computação. Em 2019, foi nomeada Comendadora da Ordem do Império Britânico; em 2022, dividiu com David Patterson, John Henessy e Furber o Prêmio Draper da Academia Nacional de Engenharia dos EUA (Patterson e Henessy também são pioneiros da arquitetura RISC, tendo trabalhado no projeto RISC de Berkeley). Furber é professor emérito no Departamento de Ciências da Computação da Universidade de Manchester. Em 2008, também foi nomeado Comendador da Ordem do Império Britânico.

Sophie Wilson e Steve Furber | Fotos: Wikipédia

Hoje, processadores ARM com conjunto de instruções RISC reinam soberanos em uma infinidade de dispositivos, portáteis ou não.

O que nos faz pensar: como quase ninguém fora da Inglaterra conhece a Acorn Computers? Como um processador tão eficiente e poderoso não se tornou protagonista na jovem indústria de computadores pessoais no início dos anos 1980? Como o revolucionário BBC Micro, com sua expansão para um segundo processador, nunca chegou ao mercado americano? Como que a empresa que criou e desenvolveu a tecnologia que permitiu o mundo mobile que vivemos hoje é ainda uma completa desconhecida para a imensa maioria das pessoas? Como a Acorn acabou sendo comprada pela gigante italiana Olivetti (sim, a das máquinas de escrever) ainda em 1985, e sucumbiu ante uma série de decisões gerenciais equivocadas e perda de timing de mercado, desaparecendo antes do final da década de 1980? E como a Apple deu uma mãozinha e tanto para impedir o sucesso do BBC Micro nos EUA, para dar origem à ARM Ltda (com a sigla ARM agora renomeada para Advanced RISC Machines)?

Bem, tudo isso ficará para a segunda parte dessa história…

Notas de rodapé

• 1
  Sinclair rapidamente mudaria de opinião sobre computadores e acabaria entrando para a história como um dos pioneiros da computação pessoal. Com o ZX80, o ZX81 e principalmente o ZX Spectrum, seria um dos grandes responsáveis pela popularização dos computadores pessoais no mundo. A história de Sir Clive Sinclair e de como ele se tornou um dos principais nomes da computação pessoal é um caso à parte, e merece um artigo especial dedicado a ela — talvez, meu próximo. Voltemos à história da arquitetura ARM.
• 2
  Central processing unit, ou unidade central de processamento.
• 3
  Random access memory, ou memória de acesso aleatório.
• 4
  Read-only memory, ou memória somente de leitura.
• 5
  Se você ainda não assistiu a esse filme, faça um favor a você mesmo e veja-o imediatamente! Ou melhor, imediatamente não, termine de ler o artigo primeiro!
• 6
  Para se ter uma ideia do que isso significava, o Intel 80286, lançado em 1982, tinha um total de 357 instruções únicas, enquanto o chip que a Acorn desenvolveria tinha apenas 45. Isso se reflete diretamente na quantidade de transistores no interior do chip: o 80286 tinha em torno de 134 mil transistores, enquanto a primeira versão do chip da Acorn teria apenas 25 mil.