ARM Prozessoren – alles Wissenswerte zusammengefasst

ARM Prozessoren – für Smartphones, Tablets & Co.

Der Vergleich von Smartphones, Tablets, Wearables und vergleichbaren Geräten führt schnell zu den Prozessorangaben und dort zu der Abkürzung ARM. Die sogenannten ARM Prozessoren sind nahezu omnipräsent, doch nur wenige Nutzer können mit dieser technischen Angabe viel anfangen. Einige Anwender stellen sich vielleicht die Frage, warum nicht die weit verbreiteten x86-Prozessoren von Intel und AMD, die bei den meisten Windows-PCs anzutreffen sind, nicht auch bei mobilen Endgeräten zum Einsatz kommen. In diesem Blogbeitrag erfahren Sie alles Wissenswerte über ARM Prozessoren, einschließlich der Vor- und Nachteile.  

Was sind ARM Prozessoren?

ARM Prozessoren basieren auf der RISC-Architektur (Reduced Instruction Set Computer) und stellen eine Familie von CPUs dar, die von der Firma ARM Limited weiterentwickelt wird. Die ARM-Architektur verfolgt ein Low-Power-Konzept, demnach eine besonders effiziente Energiebilanz, und geht in der Folge mit einer geringen Wärmeentwicklung (TDP) einher. Daher werden ARM Prozessoren auch vorrangig bei mobilen Endgeräten verwendet, doch bahnen sie sich zunehmend den Weg in höhere Leistungsklassen. Zum heutigen Zeitpunkt gibt es von Herstellern wie Rockchip, Nvidia und NXP eine Vielzahl verschiedener ARM-Prozessoren für diverse Anwendungsbereiche. 

Was sind die Vorteile von ARM Prozessoren?

ARM Prozessoren überzeugen nicht nur mit einem optimierten Energiemanagement und einer geringeren Wärmeentwicklung, sondern mit vielen weiteren Vorteilen.  

Dem reduzierten Befehlssatz von RISC-Prozessoren ist es zu verdanken, dass in einer kurzen Zeit verhältnismäßig viele Befehle abgearbeitet werden. Zusätzlich ermöglicht die Einfachheit und geringe Anzahl an Befehlen einen unkomplizierteren Prozessoraufbau. Die meist unabhängigen Verarbeitungseinheiten und getrennten internen Bussysteme sind ein besonderes Merkmal von ARM-Prozessoren. 

Sowohl bei der Geschwindigkeit als auch bei dem Energiebedarf macht es sich bemerkbar, dass die RISC Befehle nicht in kleinere Mikrocodes dekodiert werden müssen. Sämtliche Befehle besitzen das gleiche Format und können daher schneller umgesetzt werden. 

Die einfachen Anweisungen von ARM Prozessoren implizieren einen geringeren Bedarf an Schaltkreisen, sodass es sich um viel kleinere Prozessoren handelt. Die Kombination aus geringer Größe und weniger aufwändigen Herstellungsprozessen reduziert die Produktionskosten und in der Folge die Endverbraucherpreise. Der Größenunterschied im Vergleich zu x86-Prozessoren ist auch dafür verantwortlich, dass sich ARM Prozessoren bei mobilen Endgeräten letztendlich durchgesetzt haben. 

Ein wesentliches Merkmal der ARM-Architektur ist heterogenes Computing, das auch für den geringeren Energiebedarf mitverantwortlich ist. 

Heterogene Computerarchitektur – Effizienz durch intelligenten Leistungsabruf

Per Definition ist heterogenes Computing eine spezielle Systemdesignüberlegung, die die Verwendung verschiedener Prozessoren, Kerne oder anderer Hardwarekomponenten innerhalb eines einzelnen Systems beinhaltet. 

Systeme mit heterogenem Computing haben bemerkenswerte Energieeffizienz- und Leistungsvorteile. Zum Beispiel enthalten die Komponenten einer ARM-basierten CPU nicht nur denselben Prozessortyp, sondern auch andere unterschiedliche Coprozessoren, die spezielle Verarbeitungsfähigkeiten besitzen, die für die Handhabung bestimmter Aufgaben bestimmt sind. 

Die Idee hinter heterogenem Computing ist einfach. Grundsätzlich geht es darum, eine Architektur aufzubauen, die es verschiedenen CPU-Komponenten mit unterschiedlichen Leistungsfähigkeiten ermöglicht, zusammenzuarbeiten und auf diesem Wege die Effizienz zu erhöhen. Die spezifische ARM big.LITTLE-Architektur, die erstmals 2011 eingeführt wurde, ermöglicht es einem ARM-basierten Prozessor, die Arbeitslast auf leistungsstarke und leistungsschwache CPU-Kerne aufzuteilen. 

Beispielsweise kann eine 8-Core-ARM-CPU in einem Smartphone über vier Low-Power-Kerne verfügen, die schnell genug für alltägliche Aufgaben wie das Surfen im Internet, das Ansehen eines Videos, das Hören von Musik und die Bewältigung kleiner Hintergrundaufgaben sind. Sobald Sie ein Videospiel starten oder mit der Erstellung von Inhalten wie Fotobearbeitung beginnen, treten die vier Hochleistungs-CPUs in Aktion. Durch die intelligente Nutzung der verschiedenen Kerne wird letztendlich weniger Energie benötigt. 

Apples M1 Chip – ein prominentes Beispiel für intelligentes Chipmanagement

Bei Apples M1 Chip handelt es sich um das erste System-on-a-Chip von Apple, das auf der ARM-Architektur basiert und sämtliche Stärken des heterogenen Computing ausspielt. Unterschiedliche Komponenten, darunter CPU, GPU, Encode/Decode-Engines, Secure Enclave, SSD-Controller und viele mehr, sind unter dem Dach eines effizienten Chips zusammengefasst. Nach Angaben von Apple sollen bis Ende 2022 sämtliche Macs mit ARM-Prozessoren angeboten werden. Damit verabschiedet sich Apple zunehmend von den Intel-Chips, die viele Jahre bei den Apple-Produkten verbaut wurden. 

Der M1-Chip besitzt vier High-Performance-Kerne und vier High-Efficiency-Kerne, die je nach Bedarf genutzt werden. Damit kann Apples M1 Chip als prominentes Beispiel für heterogenes Computing auf höchstem Niveau angesehen werden, das für die ARM-Architektur bezeichnend ist. 

Was sind die Nachteile von ARM Prozessoren?

Die x86-Architektur ist seit mehreren Jahren die Standardarchitektur, die von Chipherstellern und Computerherstellern verwendet wird. Das gesamte Ökosystem ist daran gewöhnt, Software oder Apps auf Basis von x86 zu entwickeln und zu nutzen. Programme oder Apps, die auf x86-Architektur geschrieben wurden, werden nicht nativ auf ARM-betriebenen Geräten ausgeführt. Durchaus kann von Kompatibilitätsproblemen gesprochen werden, die unter anderem dazu führen, dass vergleichsweise wenige Softwarelösungen für Geräte mit einem ARM Prozessor verfügbar sind. Es ist allerdings zu berücksichtigen, dass Code-Emulatoren das Ausführen von x86 kompilierten Programmen auf einem ARM-Endgerät ermöglichen. Dies funktioniert zwar relativ reibungslos, doch gibt es starke Performanceeinbußen. 

Aus der Perspektive von Compilern und Softwareentwicklern erfordert die Entwicklung von Programmen oder Anwendungen für ARM Prozessoren mehr Aufwand als die Entwicklung für eine x86-Architektur. Die Leistung des Prozessors hängt maßgeblich vom Programmierer oder Softwareentwickler ab. 

Wo werden ARM Prozessoren noch verwendet?

Der große Vorteil von ARM-Prozessoren besteht darin, dass sie auf einen möglichst geringen Energieverbrauch bei gleichzeitig hoher Rechenleistung ausgelegt sind. Daher sind sie ideale Prozessoren für Geräte, bei denen Energieeffizienz wichtiger ist als die Gesamtleistung. 

ARM Prozessoren befinden sich in Geräten der unterschiedlichsten Art: Mikrowellenherde, Geschirrspüler, Waschmaschinen, eingebaute Steuerungssysteme, Spielzeug, Mediaplayer und viele weitere Geräte bauen auf den Vorteilen der ARM-Architektur auf. 

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