ARM - Advanced RISC Machines
Die britische Firma Advanced RISC Machines, kurz ARM, entwickelt Prozessoren, genauer gesagt Systems-on-Chips (SoCs). Anstatt die Prozessoren wie Intel oder AMD selber herzustellen und zu verkaufen, lizenziert ARM seine Entwicklungen an andere Hersteller, die für Ihre Geräte aus der Computertechnik, Unterhaltungs- und Haushaltselektronik spezielle Prozessoren benötigen. Um den umfangreichen Entwicklungsaufwand zu vermeiden bauen diese Hersteller aus der Vorlage von ARM maßgeschneiderte Prozessoren. Vor allem, weil der Produktlebenszyklus extrem kurz ist. Vorgefertigte und modulare Konzepte sind hier von Vorteil.
Ab 1994 begann der große Siegeszug von ARM-Prozessoren in Handys, Smartphones und Spielekonsolen. Während Intel vergeblich versuchte, sich in diesen Markt durchzusetzen, ist hier die ARM-Architektur klar dominant. Der Trend hat sich dadurch verstärkt, dass Smartphones die primären Computer für die Nutzer sind. Intel- und AMD-Prozessoren sind nur noch in Bereichen relevant, wo es auf hohe Leistungsfähigkeit ankommt.
ARM-Architektur
Die ARM-Architektur basiert auf dem Konzept des Reduced Instruction Set Computing (RISC), das sich durch eine reduzierte Anzahl von Befehlen auszeichnet. Das ermöglicht einen einfachen und energieeffizienten Prozessor, weshalb sie besonders attraktiv für eingebettete und mobile Geräte sind. ARM-Prozessoren sind dafür bekannt, einen geringen Stromverbrauch zu haben, dass sich leicht Zusatzfunktionen integrieren lassen und sich eine hohe Geschwindigkeit durch mehrere Kerne realisieren lässt.
Die SoCs von ARM enthalten neben dem Hauptprozessor (CPU) auch einen Grafikprozessor (GPU), Speicher-Controller, diverse Beschleunigungseinheiten, Mobilfunk und GPS. Wobei auch ARM nicht alles selbst entwickelt, sondern auf spezialisiertes Know-how von anderen Firmen zurückgreift und in die eigenen Konzepte integriert. So entstehen billige und sparsame Systems-on-Chip (SoC), die typischerweise in Smartphones und Tablets Anwendung finden. Die Prozessorkerne aktueller Tablets und Smartphones werden gerne vom CPU-Entwickler ARM bezogen.
Ein entscheidender Vorteil der ARM-Architektur ist die Flexibilität im Design. Unternehmen können Lizenzen erwerben, um eigene Chips auf Basis der ARM-Technologie zu entwickeln. Dies hat zu einer Vielzahl von Implementierungen geführt, die in Geräten von Apple, Qualcomm und Samsung zu finden sind. Insbesondere Apple hat sich durch eigene Optimierungen einen Wettbewerbsvorteil verschafft, während die Kompatibilität erhalten bleibt.
Übersicht: ARM-Befehlssatzarchitekturen und Kerne (unvollständig)
| Architektur | Jahr | Kern |
|---|---|---|
| ARMv1 | 1985 | ARM1 |
| ARMv2 | 1986 | ARM2, ARM3 |
| ARMv3 | 1991 | ARM6, ARM7 |
| ARMv4 | 1995 | ARM7T, ARM8, StrongARM, ARM9T |
| ARMv5 | 2002 | ARM7EJ, ARM9E, ARM10E |
| ARMv6 | 2002 | ARM11, Cortex-M0, M0+, M1 |
| ARMv7 | 2004 | Cortex-A5, A7, A8, A9, A12, A15, A17, M3, M4, M7, R4, R5, R7, R8 |
| ARMv8 | 2012 | Cortex-A32, A35, A53, A55, A57, A72, A73, A75, A76, A77, A78, X1, M23, M33, R52 Neoverse E1, N1, V1 |
| ARMv9 | 2021 | Cortex-A510, A710, X2 Neoverse N2 |
SoC-Hersteller (Beispiele)
- Qualcomm (Prozessoren für Mobilfunk- und Embedded-Bereich)
- Texas Instruments (DSPs)
- Nvidia (Grafikeinheit)
Ein SoC-Hersteller kauft die SoC-Bestandteile als Komponenten zu und kombiniert sie mit Eigenentwicklungen zu einem fertigen Bauteil, den er von einem Auftragsfertiger herstellen lässt. Die Teile eines SoCs sind genau aufeinander abgestimmt, was viel Platz, Strom und Kosten spart. Dem gegenüber steht die klassische PC-Architektur, die auf eine Vielzahl von Komponenten baut, die über standardisierte Schnittstellen verbunden, aber nicht aufeinander abgestimmt sind.
Anwendungen
Die exakte Anpassung der einzelnen SoC-Bestandteile spart Kosten, Entwicklungszeit und Energie. Das alles sind wichtige Faktoren bei Geräten der Unterhaltungselektronik, Haushaltsgeräte, Smartphones und Tablets.
Den erfolgreichen SoC-Ansatz verfolgen auch die Prozessor-Hersteller Intel und AMD bei Ihren Prozessoren für Desktops und Notebooks mit dem Chiplet-Design. Allerdings sind sie dabei weniger erfolgreich.
Alternative: RISC-V
RISC-V ist eine offene Befehlssatzarchitektur für Mikrocontroller, Prozessoren, eingebettete Controller und System on Chips (SoCs). Das V steht für die Zahl 5, was als „feif“ ausgesprochen wird.
RISC-V hat dazu geführt, dass weltweit RISC-V-Forschungsprojekte in Universitäten und Chipfirmen entstanden sind.
Prozessor-Architekturen
ARM oder x86
Welche die bessere Prozessortechnik ist, ist eher akademischer Natur. Wenn es darum geht, dass ein Prozessor eine möglichst hohe Rechenleistung hat und gleichzeitig bei geringer Last eine sehr lange Akku-Laufzeit zu ermöglichen, da haben Notebooks mit ARM-Prozessoren von Apple und Qualcomm eindeutig die Nase vorn. Da sind die Bemühungen von ARM viel Rechenleistung auf kleinstem Raum umzusetzen ein strategischer Vorteil.
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