ARM Prozessoren – eine energieeffiziente Architektur

Tauchen wir in die faszinierende Welt von Smartphones, Tablets und Wearables ein, stolpern wir häufig über technische Details und Spezifikationen, allen voran die mysteriöse Abkürzung ARM. ARM Prozessoren sind in der mobilen Gerätelandschaft quasi überall zu finden, doch was bedeuten sie für den Durchschnittsnutzer? Und warum nutzen wir nicht einfach die berühmten x86-Prozessoren von Giganten wie Intel und AMD, die in den meisten Computern mit Microsoft Windows zu finden sind, auch in unseren tragbaren Geräten? In diesem spannenden Blogpost enthüllen wir das Geheimnis hinter den ARM Prozessoren und beleuchten ihre Vorzüge und Herausforderungen.

Was zeichnet ARM Prozessoren aus?

Die auf der RISC-Architektur (Reduced Instruction Set Computer) basierenden ARM Prozessoren stellen eine Prozessorfamilie dar, die von der Firma ARM Limited ständig optimiert wird. Durch die Ausrichtung auf ein Low-Power-Konzept bieten diese Prozessoren eine bemerkenswerte Energieeffizienz und eine geringe Wärmeentwicklung (TDP). Aus diesem Grund sind sie vor allem in mobilen Geräten weit verbreitet, werden aber zunehmend auch in höheren Leistungsbereichen eingesetzt. Derzeit gibt es eine Vielzahl von ARM Prozessoren von Herstellern wie Rockchip, Nvidia und NXP, die auf die unterschiedlichsten Anforderungen zugeschnitten sind.

Diese Vorteile sprechen für ARM Prozessoren

ARM Prozessoren bestechen nicht nur durch ihr ausgefeiltes Energiemanagement und ihre reduzierte Wärmeerzeugung, sondern bieten noch eine Reihe weiterer Vorteile. Der schlanke Befehlssatz der RISC-Prozessoren ermöglicht die rasche Abarbeitung zahlreicher Befehle in kurzer Zeit. Die Einfachheit und limitierte Anzahl an Befehlen erleichtern zudem den Aufbau der Prozessoren. Ein charakteristisches Merkmal von ARM Prozessoren sind ihre überwiegend unabhängigen Recheneinheiten und separaten internen Bussysteme.

Dass die RISC-Befehle nicht in kleinere Mikrocodes dekodiert werden müssen, wirkt sich positiv auf Geschwindigkeit und Energieverbrauch aus. Alle Befehle haben dasselbe Format und lassen sich daher schneller verarbeiten. Die schlichten Anweisungen der ARM Prozessoren bedeuten auch einen geringeren Bedarf an Schaltkreisen, was diese Prozessoren im Vergleich erheblich kleiner macht. Dies, zusammen mit weniger komplexen Fertigungsprozessen, senkt die Herstellungskosten und damit auch die Endkundenpreise. Die geringere Größe im Vergleich zu x86-Prozessoren ist ein Hauptgrund dafür, dass ARM-Prozessoren in mobilen Geräten den Vorzug bekommen.

Ein weiteres zentrales Element der ARM-Architektur ist das heterogene Computing, das ebenfalls zu dem niedrigeren Energiebedarf beiträgt.

Was ist eine heterogene Computerarchitektur?

Heterogenes Computing ist nach Definition eine spezielle Überlegung im Systemdesign, die den Einsatz unterschiedlicher Prozessoren, Kerne oder anderer Hardwareteile innerhalb eines einzigen Systems vorsieht. Systeme, die heterogenes Computing einsetzen, zeichnen sich durch bemerkenswerte Vorteile in Bezug auf Energieeffizienz und Leistung aus. So beinhaltet eine ARM-basierte CPU beispielsweise nicht nur einen einheitlichen Prozessortyp, sondern auch verschiedene Co-Prozessoren, die spezielle Verarbeitungsleistungen für bestimmte Aufgabenbereiche erbringen.

Das Konzept hinter heterogenem Computing ist grundlegend einfach. Ziel ist es, eine Architektur zu schaffen, die unterschiedlichen CPU-Komponenten mit verschiedenen Leistungsspektren erlaubt, zusammenzuarbeiten und dadurch die Effizienz zu steigern. Die spezielle ARM big.LITTLE-Architektur, die erstmals 2011 vorgestellt wurde, ermöglicht es einem ARM-Prozessor, Arbeitslasten zwischen leistungsstarken und leistungsschwächeren CPU-Kernen aufzuteilen.

Ein Beispiel dafür wäre eine 8-Kern-ARM-CPU in einem Smartphone, die über vier Low-Power-Kerne verfügt. Diese sind schnell genug für alltägliche Aufgaben wie Internetbrowsing, Video-Streaming, Musik hören und die Bewältigung kleinerer Hintergrundaufgaben. Sobald jedoch ein Videospiel gestartet oder mit kreativen Tätigkeiten wie Fotobearbeitung begonnen wird, springen die vier Hochleistungskerne ein. Dieser intelligente Einsatz verschiedener Kerne führt schließlich zu einem geringeren Energieverbrauch.

Diese Nachteile sind zu berücksichtigen

Seit vielen Jahren stellt die x86-Architektur die Standardgrundlage dar, die von Chip- und Computerproduzenten verwendet wird. Das gesamte Ökosystem ist es gewohnt, auf x86 basierende Software oder Apps zu entwickeln und einzusetzen. Programme oder Apps, die auf der x86-Architektur fußen, laufen nicht nativ auf ARM-basierten Geräten. Daher kann man durchaus von Kompatibilitätsproblemen sprechen, welche unter anderem dazu führen, dass verhältnismäßig wenige Softwarelösungen für Geräte mit ARM-Prozessor verfügbar sind. Dennoch sollten wir beachten, dass Code-Emulatoren es ermöglichen, Programme, die für x86 kompiliert wurden, auf einem ARM-Gerät auszuführen. Obwohl dies relativ reibungslos funktioniert, kommt es zu erheblichen Leistungseinbußen.

Aus der Perspektive von Softwareentwicklern stellt die Entwicklung von Anwendungen oder Programmen für ARM-Prozessoren eine größere Herausforderung dar, verglichen mit dem Prozess für die x86-Architektur. Dabei ist zu beachten, dass die Performance des Prozessors erheblich von den Fähigkeiten und Kenntnissen des Programmierers oder Softwareentwicklers abhängt.

Einsatzbereiche – hier werden ARM Prozessoren eingesetzt

Der eindrucksvolle Vorzug von ARM Prozessoren liegt in ihrer speziellen Auslegung, die einen minimalen Energieverbrauch bei gleichzeitiger hoher Rechenleistung gewährleistet. Daher sind sie die perfekte Wahl für Geräte, in denen die Energieeffizienz mehr wiegt als die Gesamtleistung.

ARM Prozessoren haben ihren Weg in eine Vielzahl unterschiedlichster Geräte gefunden: Von Mikrowellen über Geschirrspüler und Waschmaschinen bis hin zu eingebauten Steuerungssystemen, Spielzeug und Mediaplayern – viele Geräte profitieren von den Vorzügen der ARM-Architektur.

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