Aufholjagd: ARM schliesst Performance-Lücke zu Intel

Obwohl sich die Zahl der Chips mit ARM-Prozessor von 2001 bis 2012 mehr als verzwanzigfacht hat, haben sich die Einnahmen von ARM gerade mal etwas mehr als vervierfacht. Die durchschnittlichen Lizenzerlöse pro Chip mit ARM-Prozessor betragen 10,5 US-Cent. Dennoch verdient ARM mit einer Umsatzrendite von 46 Prozent alles andere als schlecht. Das erlaubt es, Rücklagen für schwierigere Zeiten zu bilden, sollte ARM künftig mal technologisch zurückfallen. Trotz ihres gewaltigen Erfolgs und ihrer überragenden Bedeutung hat es ARM aber bisher geschafft, die eigenen Kosten im Zaum zu halten und insbesondere auf exzessive Gehälter zu verzichten.
Vorteil: ARM-Lizenznehmer können CPU-Design ändern
ARM-Kerne gibt es in einem weiten Spektrum von klein und effizient bis gross und leistungsstark. Lizenznehmer können die ARM-Kerne unverändert übernehmen, oder nach Absprache auch von eigenen Design-Teams weiter optimieren lassen. Zudem können sie neben den ARM-Kernen weitere Funktionseinheiten (z.B. Mobilfunk-Modems, 2D/3D-Grafik, Sprach- und Videocodierung etc. pp.) in ihre Chips integrieren.
Die geringen Kosten und die hohe Flexibilität haben dazu beigetragen, dass ARM-Kerne nicht nur in so gut wie allen Smartphones und Tablets, sondern auch in unzähligen weiteren Produkten stecken, oft sogar da, wo man nicht einmal vermuten würde, dass ein vollwertiger 32-Bit-Prozessor eingebaut ist. Selbst in klassischen PCs und Laptops stecken oft mehr ARM- als Intel-Kerne, beispielsweise im Festplatten- und DVD-Controller, im Power-Management oder im Funkmodem.
Angriff auf Intel dank Performance-Optimierung
Mit dem Smartphone- und Tablet-Boom ist es ARM gelungen, den Sprung vom eingebetteten Prozessor, der irgendwo im Gerät Steuerungsaufgaben erledigt, zum Hauptprozessor zu vollziehen, auf dem Betriebssystem und Anwendungen laufen. Stolz verwies Ian Drew, Executive Vice President Marketing & Business Development, im Interview darauf, dass dieses Jahr voraussichtlich mehr Tablets und Laptops auf ARM-Basis als auf Intel-Basis ausgeliefert werden.
Dennoch hängen auch die schnellsten aktuellen ARM-Prozessoren ein oder zwei Technologie-Stufen hinter Intels x86-Prozessoren wie dem in der Performance mit ARM-Prozessoren vergleichbaren, aber (zumindest nach Intel-Angaben inzwischen) effizienterem Atom oder dem im Vergleich zu ARM und Atom deutlich schnelleren Core i3/i5/i7 in der aktuellen Generation Ivy Bridge zurück. Der Tegra 3 von nVidia, der unter anderem im Microsoft Surface-Tablet steckt, enthält beispielsweise vier Cortex-A9-Kerne, die pro Takt bis zu zwei 32-Bit-Befehle dekodieren können, und wird in einem 40-Nanometer-Prozess hergestellt. Ivy Bridge kann im Optimalfall pro Takt vier 64-Bit-Befehle dekodieren und wird in einem 22-Nanometer-Prozess produziert, der die kostbare Chipfläche gut dreimal besser ausnutzt.
Ziel von ARM war immer geringer Stromverbrauch und gute Integration
Einer der Gründe für den Rückstand ist, dass ARM in der Vergangenheit mehr auf geringen Stromverbrauch und gute Integrierbarkeit der Prozessoren und Kerne hin optimierte, weniger auf hohe Performance und schnellstmögliche Release-Zyklen. Der Weg vom Chip-Design über den Integrator (z.B. Qualcomm oder nVidia), über Chip-Auftragsfertiger und Smartphone- oder Tablet-Hersteller zum Kunden war lang.
Doch ARM schickt sich an, den Rückstand mit Siebenmeilenstiefeln aufzuholen. Der aktuelle Cortex-A15, der beispielsweise im Tegra 4 stecken wird, schafft drei Befehle auf einmal statt derer zwei. Der bevorstehende Cortex-A57 bringt erstmalig einen 64-Bit-Befehlssatz und zugleich weitere Performance-Optimierungen für 32-Bit-Code. Zudem testet ARM mit dem Chip-Auftragsfertiger Globalfoundries die Herstellung des A57 im aktuellen 28-Nanometer-, im bevorstehenden 20-Nanometer- und im projektierten 14-Nanometer-Prozess. Entsprechend weniger Zeit werden künftig die Integratoren verlieren, wenn sie ARM-Kerne mit weiteren Funktionseinheiten (zum Beispiel Modems, Grafik, Audio- und Video-De- und -En-Coder usw.) ergänzen und dann zum Chip-Fertiger schicken.
Weniger Stromverbrauch, mehr Grafik
Dem Problem, dass immer schnellere Mobilprozessoren auch die Akkus immer schneller leersaugen, will ARM mit dem big.LITTLE-Konzept begegnen: Die «grossen» Kerne (aktuell Cortex-A15, künftig Cortex-A57) beherrschen dabei die Umsortierung von Befehlen (so genannte «out-of-order execution»), so dass solche Befehle, die noch auf Daten warten (weil sie ein anderer Befehl erst berechnen muss oder sie aus dem Hauptspeicher oder Cache geladen werden müssen) nicht im Programm weiter hinten stehende Befehle blockieren, für die schon alle Daten bereitstehen. Bei den «kleinen» Kernen (aktuell Cortex-A7, künftig Cortex-A53, der kleine Bruder des Cortex-A57) fehlen diese Einheiten zur Befehls-Umsortierung, sie benötigen folglich deutlich weniger Strom zur Ausführung eines konkreten Befehls, sind aber auch bei gleicher Taktfrequenz deutlich langsamer, weil sie öfters warten müssen.
Wird gerade nur mittlere oder geringe Performance benötigt, sind ausschliesslich die LITTLE-Kerne aktiv. Steigen kurzfristig die Performance-Anforderungen, zum Beispiel, wenn der Browser eine Website fertig geladen hat un diese nun rendert, dann schalten sich die big-Kerne zu oder übernehmen komplett.
Der von Samsung für das Galaxy S4 angekündigte Achtkernprozessor ist ein solcher big.LITTLE-Verbund aus vier Cortex-A15 und vier Cortex-A7. Im Vergleich zum S3, dessen Prozessor vier Cortex-A9-Kerne hat, wird das S4 fast die doppelte Maximalperformance aufweisen (0,2 GHz höherer Takt, viermal Cortex-A15 statt A9, vier zusätzliche Cortex-A7) und zugleich den Stromverbrauch bei mittleren und geringen Lasten halbieren (A7 statt A9).
Dass es sich lohnt, verschiedene Prozessoren mit und ohne out-of-order-Befehlsausführung herzustellen, sieht übrigens auch Intel so: Die leistungsfähigen Core-i-Prozessoren kommen mit, der sparsame Atom hingegen ohne die Möglichkeit zur Umsortierung der Befehle. Es ist also durchaus denkbar, dass auch Intel künftig einen big.LITTLE-Prozessor herausbringt, mit zwei bis vier Core-i-Kernen für die Spitzen-Performance, und mit passend vielen Atom-Kernen für effiziente Basisleistung.
Grafik an Bord
Mit «Mali» hat ARM auch eine eigene GPU für 3D-Grafik entwickelt. Insbesondere zahlreiche «smarte» Fernseher, mehrere Tablets und das Samsung Galaxy S3 haben eine Grafikeinheit auf Mali-Basis. Letztes Jahr enthielten ca. 20 Prozent aller Chips, die einen Cortex-A-Prozessor enthielten, bereits eine Mali-GPU. Auch hier ist ARM bestrebt, den Anteil zu erhöhen. Etliche ARM-Partner, allen voran nVidia, werden aber auch künftig ihre eigenen Grafiklösungen verwenden.
Fazit
Ohne ARMs Flexibilität auf der einen Seite, und dem Verzicht auf hohe Lizenzpreise auf der anderen Seite, wäre der Smartphone- und Tablet-Boom wahrscheinlich langsamer verlaufen. Durch die zügige Weiterentwicklung der Prozessoren zu wahrscheinlich auch künftig überschaubaren Preisen ist ARM zusammen mit den Mobilfunkern drauf und dran, den oft thematisierten «digital divide», dass die breite Masse der Bevölkerung vieler Länder keinen Zugang zum umfassenden im Internet zusammengetragenen Wissen hat, zu beenden.
Der Performance-Abstand zum führenden PC-Prozessor-Hersteller Intel wird sich in den kommenden Jahren stark verringern. Damit rücken neue Anwendungen ins Blickfeld, insbesondere ARM-Server, die aufgrund ihrer Genügsamkeit helfen könnten, den hohen Stromverbrauch der Rechenzentren künftig deutlich zu drücken. Und ganz nebenbei werden auch die Smartphones immer leistungsfähiger.