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ARM-Prozessoren: Das mobile Monopol

29.01.2014 | 12:31 Uhr |

ARM-Prozessoren sind in fast jedem Smartphone und Tablet zu finden. Die Stromsparer eroberten eine Nische, die der Chipgigant Intel lange als uninteressant einstufte. Ein Überblick darüber, was ARM anders macht.

Smartphones und Tablets lösten eine Geräte-Revolution aus, die mittlerweile kräftig am Marktsegment von klassischen PCs und Notebooks nagt. Mobilgeräte sind keine besseren Telefone mehr, sondern veritable Mini-Computer, die mit den passenden Apps mehr und mehr Aufgaben von Desktop-PCs übernehmen. Möglich macht diesen Paradigmenwechsel eine Prozessorarchitektur, die von Anfang an auf Effizienz und reduzierte Leistungsaufnahme optimiert ist: ARM. Bei diesem Prozessortyp geht es nicht um möglichst hohe Rechenleistung, die sich in FLOPS („Floating-Point Operations Per Second“ – Gleitkomma-Operationen pro Sekunde) messen lässt. Stattdessen geht es um Effizienz im Chipdesign, geringe Leistungsaufnahme für lange Akkulaufzeiten, geringe Wärme-Emission sowie niedrige Fertigungs- und Lizenzkosten.

Anfänge in der Ära der Homecomputer

Hinter dem Kürzel ARM steht „Advanced Risc Machines“ und nicht etwa ein spezifischer Hersteller, sondern ein Chipdesign, das an Gerätehersteller lizenziert wird. Der Entwickler des Designs ist das britische Unternehmen ARM Limited, das früher unter dem Namen Acorn firmierte. Auch wenn ARM erst in den letzten Jahren für den Massenmarkt relevant wurde, so ist das Design selbst schon 30 Jahre alt und gab sein Debüt als Coprozessor im BBC Micro, einem der typischen „Brotkasten“-Heimcomputer der 80er Jahre. Viel Beachtung, wenn auch wenig Marktanteil gegenüber C64/128, Amiga und Atari ST fand der Acorn Archimedes, der 1987 schon mit 32-Bit-Prozessor und einer für damalige Verhältnisse hohen Auflösung von 1152 × 896 Pixeln die Fachwelt begeisterte. Die Ära der Homecomputer war jedoch zu schnell vorbei, als dass der Archimedes noch ein großer Erfolg werden konnte.

Das kommt 2014 bei Tablets und Notebooks

Mit Apples Hilfe auf der Überholspur

Der Acorn Archimedes war einer der ersten erschwinglichen PCs mit 32 Bit CPU in Form eines ARM2. Eine Taktfrequenz von 8 MHz und 1 MB Speicher sorgten Ende der 80er Jahre für ansehnliche Leistung.
Vergrößern Der Acorn Archimedes war einer der ersten erschwinglichen PCs mit 32 Bit CPU in Form eines ARM2. Eine Taktfrequenz von 8 MHz und 1 MB Speicher sorgten Ende der 80er Jahre für ansehnliche Leistung.
© Marcin Wichary, Creative Commons BY 2.0

Stattdessen trat Anfang der 90er Apple auf den Plan, gerade auf der Suche nach einem Prozessor für die Produktreihe „Newton“. Für diese frühen PDAs wurde in einer Partnerschaft der ARM6 entwickelt, ein direkter Vorfahre der ARM-Prozessoren, die zehn Jahre später in den iPods zum Einsatz kommen sollten und natürlich in der Folge auch in den iPhones. Bis diese Geräteklasse ihren umwerfenden Erfolg auch über die ummauerten Zen- Gärten von Apple-Anhängern ausdehnte, war Intel auf dem Prozessormarkt der unangefochtene Champion. Fast alle PCs und Notebooks waren mit einer Intel-CPU oder einem kompatiblen Prozessor dieser x86-Plattform ausgestattet. Mit der verblassenden Dominanz der PCs schwindet auch Intels Vorherrschaft. Zudem kamen 2012 die ersten Low-Cost-Notebooks mit ARM-Prozessor auf den Markt, etwa das Serie-3-Chromebook von Samsung, und wildern damit fast in Intels Jagdgründen. Fast, denn als Betriebssystem dient hier Google Chrome OS, das um den Browser Chrome herum gebaut ist und auf dem Linux-Kernel basiert. Gleichzeitig stellte aber auch Microsoft erstmals ein Betriebssystem vor, das nicht auf Intels x86-Plattform läuft: Windows RT. Diesem ist zwar mangels Apps bislang kein großer Erfolg beschert, aber es zeigt, dass ARM zu einer Architektur gereift ist, die sich inzwischen nicht mehr ignorieren lässt.

Alles mit ARM: Das Lizenzmodell des Chipdesigns und die daraus resultierende Anpassungsfähigkeit erlauben die Entwicklung eines perfekt abgestimmten SoC (System-on-a-Chip) für die unterschiedlichsten Geräteklassen.
Vergrößern Alles mit ARM: Das Lizenzmodell des Chipdesigns und die daraus resultierende Anpassungsfähigkeit erlauben die Entwicklung eines perfekt abgestimmten SoC (System-on-a-Chip) für die unterschiedlichsten Geräteklassen.

Effizienz statt Leistung: Risc und Cisc Auch wenn die Taktfrequenz aktueller ARM-Prozessoren im Gigahertz-Bereich liegt und mehrere CPU-Kerne heute ein typisches Ausstattungsmerkmal sind, lassen sie sich in Sachen Leistung nicht direkt mit Prozessoren der x86-Plattform vergleichen. Denn es handelt sich um eine andere Architektur: Das „R“ in ARM steht für Risc, was wiederum eine Abkürzung für „Reduced Instruction Set Computing“ ist. Dies bezieht sich auf den Befehlssatz, den ein Chip unterstützt. Bei ARM ist der Satz auf wenige Befehle für den Speicherzugriff (Load/ Store), Arithmetik, Boolsche Operatoren und Programmsprünge (Jumps und Subroutinen) begrenzt. Im Vergleich zu den Cisc-Prozessoren (Complex Instruction Set Computing) der x86- Plattform ist das ein überschaubares Arsenal. Sämtliche Risc-Befehle benötigen jeweils einen Takt zur Ausführung. Der reduzierte Befehlssatz hält die Prozessorstruktur vergleichsweise einfach und kommt mit weniger Transistoren aus. Weniger Transistoren bedeuten eine geringere Leistungsaufnahme des Chips. Allerdings beinhaltet der ARM-Befehlssatz immerhin eine interne Auszeichnung von If-Else- Schleifen, um Sprünge in Programmen zu vermeiden und dadurch deren Ablauf zu beschleunigen. Da es sich um eine eigene Architektur handelt, müssen Programme und Betriebssysteme speziell für ARM kompiliert sein. Optimierungen im Programmcode zahlen sich ebenfalls aus, um die bestmögliche Leistung aus dem Chip herauszuholen.

Der Preis von Risc ist, dass Operationen wie Fließkomma-Berechnungen und Divisionen mit den vorhandenen Befehlen nicht in einem Taktzyklus erledigt sind, sondern mehrere Zyklen benötigen. Cisc geht einen ganz anderen Weg: Der Befehlssatz bietet Aktionen, um Speicherzugriffe und logische Operationen zusammenzufassen, etwa Abkürzungen für häufig benötigte Muster. Das, wofür ein Risc-Prozessor drei Taktzyklen benötigt, kann bei Cisc in einen einzigen Taktzyklus passen. Moderne x86-Prozessoren verfügen zudem über zahlreiche Erweiterungen. Intel integrierte ab dem 486er (DX) einen Coprozessor, ab dem Pentium kam MMX (Matrix Math Extension) hinzu, und AMD setzte ab K6-CPUs auf 3DNow. Für die Parallelisierung von Aufgaben kam später noch bei allen x86-Chips die Erweiterung SSE in verschiedenen Versionen hinzu. Alle vorhandenen Befehlssatzerweiterungen eines x86-Prozessors zeigt unter Windows das Tool CPU-Z unter „CPU à Instructions“ an. Auch diese müssen erst von Programmen unterstützt werden.

Weitere Zukunftstrends: Ultra-HD und 3D-Druck

Energiesparende CPUs: Intel holt auf

Mittlerweile geht es dem Chiphersteller Intel ebenfalls um geringere Leistungsaufnahme und Abwärme. Die Atom-Serie wurde als direkter Konkurrent zu ARM ins Rennen geschickt und machte mit dem kürzlich vorgestellten Quadcore-Chip „Valleyview“ erhebliche Fortschritte. Bei 1,5 Watt Leistungsaufnahme sollen diese x86-Chips an vergleichbaren ARM-Chips vorbeiziehen, was ebenfalls an einer Umstellung auf eine Strukturbreite von 22 Nanometern liegt.

Diese Fertigungstechnik ermöglicht auch den angekündigten Haswell-ULX-CPUs ein lüfterloses Design für Ultrabooks und Tablets. Bei den Kosten hat ARM mit seinem Lizenzmodell aber noch klar die Nase vorn: Geräte-Entwickler müssen nur Lizenzgebühren auf die ARM-Kerne zahlen und können diese in ein SoC (System-on-a-Chip) integrieren, das bis ins Detail auf ein Gerät abgestimmt ist. Für den Haswell und Atom kommt das SoC dagegen stets von Intel selbst.

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