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Auf dem Prozessormarkt können wir den Wettbewerb seit Jahren beobachten. Die konkurrierenden Unternehmen bringen immer modernere Designs auf den Markt und versuchen so, ihre technologischen Konkurrenten zumindest ein wenig auszustechen. Der Leistungskrieg ist im Gange, aber es gibt noch einen anderen Konflikt, von dem wir nicht so oft hören – den Konflikt der Architekturen.
Die vorherrschenden Prozessorarchitekturen sind ARM und x86. Beide Konzepte haben ihre eigene Nische gefunden: ARM-basierte Chips sind in mobilen Geräten und IoT-Geräten zu finden, während x86-Prozessoren erfolgreich in PCs und Servern eingesetzt werden. Diese Aufteilung gibt es schon seit Jahren, aber in letzter Zeit ist eine zunehmende Rivalität zu beobachten. Der Hauptgrund dafür ist die ständig wachsende Beliebtheit von ARM-Chips und deren Einsatz in bisher x86-dominierten Geräten.
Chipdesigner stehen derzeit vor einer Herausforderung: ARM oder x86? Was wird sich in Zukunft als effizienter, stromsparender und einfacher zu implementieren erweisen? Sind revolutionäre Veränderungen zu erwarten, oder wird es beiden Mächten gelingen, ihren eigenen Platz im künftigen Ökosystem der digitalen Technologie zu finden?
Prozessorarchitektur - was ist das?
Jede Zentraleinheit ist nach streng festgelegten Regeln aufgebaut, die als Prozessorarchitektur bezeichnet werden. Danach wird die Funktionsweise der Schaltung bestimmt, wobei Fragen wie unterstützte Befehle, Datenübertragung, Registerorganisation, Kommunikation mit dem Speicher, Betriebsarten oder Zusammenarbeit mit anderen für Logikschaltungen typischen Peripheriegeräten behandelt werden.
Bei Prozessoren handelt es sich um Schaltungen, bei denen man sich keine Fehler leisten kann. Jede Komponente, die in die Architektur einfließt, muss sorgfältig bedacht werden, sonst wird die entworfene Schaltung nicht funktionieren.
Es gibt verschiedene Prozessorarchitekturen, die jeweils ihre eigenen Vor- und Nachteile haben. Die Wahl der richtigen Konstruktionsprinzipien für eine zentrale Recheneinheit hängt von der spezifischen Anwendung, den Leistungsanforderungen, der Energieeffizienz und der Verfügbarkeit der Software und des Ökosystems im Zusammenhang mit der Architektur ab. Aus diesem Grund ist die Prozessorarchitektur einer der wichtigsten Punkte im Designprozess für diese Art von Chip.
Einige der wichtigsten Prozessorarchitekturen:
- x86: Dies ist eine der am weitesten verbreiteten Prozessorarchitekturen, die hauptsächlich in Personal Computern und Servern eingesetzt wird.
- ARM: Chips, die nach den Grundsätzen der ARM-Architektur entwickelt wurden, finden sich vor allem in mobilen Geräten wie Smartphones und Tablets, aber auch in Hardware für das Internet der Dinge (IoT).
- MIPS: Die Blütezeit der MIPS-Architektur (Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages) war in den 1980er Jahren. Und in den 90er Jahren wurden die Layouts auf der Grundlage dieser Prinzipien entworfen. Heutzutage wird diese Architektur, wenn auch seltener, immer noch in einigen Netzwerkgeräten und eingebetteten Systemen verwendet.
- PowerPC: Die PowerPC-Architektur wurde hauptsächlich in Apple Macintosh-Computern und in einigen Spielkonsolen wie der PlayStation 3 verwendet. Das ist heute so gut wie nicht mehr der Fall.
- RISC-V: Dies ist eine offene Architektur, die von Jahr zu Jahr beliebter wird. Sie wird hauptsächlich in der Welt der eingebetteten Systeme verwendet.
Dies sind nur einige der bekannteren Prozessorarchitekturen. Jede hat seine eigenen einzigartigen Merkmale und Anwendungen, aber die Könige der Branche sind die bereits erwähnten ARM und x86.
Welche Architektur war zuerst da?
Die Geschichte der Prozessorarchitektur geht eigentlich bis in die 1940er Jahre zurück. Das war in den 1970er Jahren, einer Zeit, in der es die heute üblichen integrierten Schaltkreise noch nicht gab. Zu dieser Zeit wurde das erste grundlegende Modell der Computerorganisation von John von Neumann entwickelt. Diese Beschreibung ist recht allgemein und bezieht sich auf digitale Maschinen als Ganzes, aber wir können darin Informationen über die grundlegenden Aufgaben und die Organisation des Prozessors finden. Nach von Neumanns Konzept ist die Zentraleinheit das Gehirn des Computers, das Rechenoperationen ausführt und den Betrieb des gesamten Systems steuert.
Wir mussten bis 1971 auf die Entwicklung des ersten Prozessors, oder besser gesagt Mikroprozessors, warten. Damals stellte ein Team von Intel-Ingenieuren unter der Leitung von Ted Hoff der Welt einen Chip mit der Bezeichnung Intel 4004 vor. Dieser Chip, den wir aus heutiger Sicht als technologischen Meilenstein bezeichnen können, wurde nach den von dem bereits erwähnten von Neumann vorgeschlagenen Prinzipien entworfen. Der Chip hatte eine 4-Bit-Architektur und enthielt mehrere Komponenten, die für heutige Prozessoren typisch sind, wie eine arithmetische Logikeinheit (ALU), Arbeitsregister und Kontrollstrukturen.
Mit der Einführung des Intel 4004 Mikroprozessors wurde den Technikbegeisterten jener Zeit klar, dass digitale Systeme auch anders gestaltet werden können. Dabei muss es sich nicht um komplexe, für eine bestimmte Anwendung konzipierte Maschinen handeln; vorzuziehen sind Systeme mit großer Vielseitigkeit. So begannen immer mehr Unternehmen, ihre eigenen Prozessorchips zu entwickeln, und der damalige Markt konnte als “Wilder Westen” bezeichnet werden. Jeder brachte seine eigenen Lösungen auf den Markt, und obwohl die meisten Chips auf der von-Neuman-Architektur basierten, war es schwer, Kompatibilität zu finden.
Der Durchbruch gelang 1978 mit der Einführung des Intel 8086-Chips, dem ersten kommerziellen Mikroprozessor der x86-Familie, dessen Modellbezeichnung der Name der Architektur ist. Seitdem gehören alle Chips der blauen zur x86-Familie und zeichnen sich durch Abwärtskompatibilität aus, d. h. von Spezialisten erstellte und an die x86-Architektur angepasste Software sollte auf jedem Chip der Serie laufen können. Leider ist dies in der Praxis nicht immer der Fall gewesen.
Die ARM-Architektur wurde erstmals Anfang der 1980er Jahre bekannt, als die Ingenieure von Acorn Computers, die mit den auf dem Markt erhältlichen Prozessoren unzufrieden waren, beschlossen, einen eigenen, einzigartigen Chip zu entwickeln. Sie nannten das Projekt Acorn RISC Machine, oder kurz ARM. RISC bedeutete, dass der Prozessor mit einer begrenzten Anzahl von Befehlen ausgestattet sein würde, was zu dieser Zeit recht merkwürdig erschien. Der populärere Ansatz lautete “mehr Anweisungen gleich mehr Leistung”. Die Ingenieure wussten, dass die Aufgabe nicht einfach sein würde. “Das Team war so klein, dass bei jeder Designentscheidung die Einfachheit im Vordergrund stehen musste – sonst hätten wir das Projekt nie abgeschlossen”, erinnert sich Steve Furber.
Letztendlich erwies sich die Einfachheit als der Schlüssel. Der erste ARM-Chip war klein, stromsparend und leicht zu programmieren. Sophie Wilson, die den Befehlssatz entworfen hat, erinnert sich noch daran, wie sie den Chip zum ersten Mal in einem Computer getestet hat. “Wir gaben ‘PRINT PI’ in die Befehlszeile ein und erhielten eine richtige Antwort. Dann haben wir Champagnerflaschen geöffnet.”
Besonderheiten der x86-Architektur
Die x86-Architektur ist seit den 1970er Jahren bekannt und wird auch heute noch erfolgreich eingesetzt. Prozessoren, die auf diesem Modell basieren, befinden sich in vielen Geräten, vor allem in Personalcomputern und Servern. Um seine Bedeutung in der heutigen Welt zu verstehen, muss man einige seiner Hauptmerkmale kennen.
x86-Prozessoren basieren auf dem CISC-Prinzip, d. h. jede dieser Einheiten verfügt über einen umfangreichen Befehlssatz. Auf diese Weise können recht komplexe Operationen in einem einzigen Taktzyklus durchgeführt werden, was zweifellos ein Vorteil ist, aber es sollte nicht vergessen werden, dass eine solche Lösung auch ein erhebliches Problem mit sich bringt. CISC-Prozessoren sind in Bezug auf die Logik recht aufwendig, d. h. ihre Steuerblöcke sind komplex, so dass mit jeder von den Entwicklern hinzugefügten Anweisung die Komplexität des Gesamtentwurfs steigt.
Die x86-Chips arbeiten mit 32-Bit- und 64-Bit-Daten, obwohl die ersten Designs der Serie 16-Bit waren. Die fortschreitende technologische Entwicklung, die eine größere Speicherkapazität und fortschrittlichere Anwendungen ermöglicht, hat eine Erhöhung der Datenmenge erforderlich gemacht.
Die Speichersegmentierung ist ein weiteres Merkmal der x86-Architektur. Dies ermöglicht es dem Prozessor, den Speicher strukturiert zu adressieren. Die laufende Anwendung bezieht sich nur auf ein bestimmtes Segment, so dass aus Sicht des Benutzers die physikalische Adresse einer bestimmten Zelle nicht bekannt ist. Dieses Modell ist ein Erbe der von-Neumann-Architektur und wurde bereits in älteren x86-Prozessoren verwendet.
Die x86-Prozessoren können in verschiedenen Modi arbeiten, z. B. im realen Modus, im geschützten Modus und im virtuellen Modus (augmented real mode). Jedes hat seine eigenen Anwendungen, unterstützt unterschiedliche Funktionen und Schutzklassen.
Moderne x86-Chips sind für ihre Multicore-Fähigkeiten bekannt. Mit mehreren physischen Kernen kann der Chip mehrere Aufgaben gleichzeitig ausführen, was die Leistung des Gesamtsystems verbessert.
Ein wichtiges Merkmal von x86-Prozessoren ist die bereits erwähnte Abwärtskompatibilität, so dass ältere Anwendungen und Betriebssysteme, die für ältere Prozessorversionen geschrieben wurden, ohne größere Probleme auf neueren Prozessoren laufen sollten.
Charakterisierung der ARM-Architektur
Der Hauptkonkurrent von x86, die ARM-Architektur, hat ebenfalls eine Reihe einzigartiger Merkmale, die es zu kennen gilt.
ARM-Chips basieren auf dem RISC-Prinzip, was eine reduzierte Liste von unterstützten Befehlen bedeutet. Einfache Befehle ermöglichen eine schnelle Ausführung von Operationen, wodurch die Komplexität des Prozessors verringert wird.
Einer der Hauptvorteile von ARM-Chips ist ihr geringer Stromverbrauch. Diese Prozessoren sind so konzipiert, dass sie so wenig Strom wie möglich verbrauchen, was sie ideal für mobile Anwendungen wie Smartphones und Tablets macht, bei denen eine lange Akkulaufzeit äußerst wichtig ist.
Die ARM-Architektur ist skalierbar und kann an unterschiedliche Anforderungen und Anwendungen angepasst werden. ARM-Prozessoren reichen von einfachen Mikrocontrollern bis hin zu fortschrittlichen Servern und können daher in einer Vielzahl von Geräten eingesetzt werden.
Wie x86 unterstützt auch ARM Multicore, wodurch mehrere Aufgaben parallel ausgeführt werden können und die Leistung erhöht wird.
Unterschiede zwischen ARM und x86
Die Aufgabe eines jeden Prozessors ist im Grunde dieselbe – nämlich Berechnungen durchzuführen. Die Organisation und Funktionsweise der Systeme selbst kann jedoch variieren. Wenn man bereits mit den Besonderheiten der ARM- und x86-Architekturen vertraut ist, kann man leicht einige wichtige Unterschiede zwischen ihnen erkennen:
- Befehlssatz – x86-Chips unterstützen das CISC-Modell, das eine umfangreiche Befehlsliste enthält. ARM-Prozessoren sind mit einer auf das absolute Minimum reduzierten Befehlsliste konzipiert, dieser Ansatz wird als RISC bezeichnet.
- Leistung – Aufgrund von Unterschieden in der Anzahl der unterstützten Befehle haben x86- und ARM-Chips unterschiedliche Leistungsmerkmale. x86-Prozessoren sind im Allgemeinen effizienter bei der Durchführung von Gleitkommaoperationen, während ARM-Prozessoren bei einfachen Aufgaben besser abschneiden.
- Multicore – Beide Architekturen unterstützen Multicore, wobei ARM etwas besser abschneidet. Chips, die Kerne unterschiedlicher Leistung in einem einzigen Siliziumchip vereinen, sind seit Jahren bekannt; diese Art von Lösung wird vor allem in mobilen Designs verwendet.
- Größe und Stromverbrauch – ARM-Prozessoren sind in der Regel kleiner und stromsparender als x86-Chips, was sie ideal für mobile Geräte macht, bei denen Miniaturisierung und Stromverbrauch extrem wichtig sind.
Sowohl x86 als auch ARM haben ihre einzigartigen Vorteile und Anwendungen. Die Wahl zwischen beiden hängt von den Spezifikationen und Anforderungen des jeweiligen Geräts oder Systems ab, und beide Architekturen spielen in der heutigen digitalen Welt eine wichtige Rolle.
Praktische Anwendung von x86 und ARM
Einige der bekanntesten Unternehmen, die Prozessoren auf der Basis der x86-Architektur entwickeln, sind Intel Corporation und Advanced Micro Devices (AMD). Ihre Produkte werden vor allem in Personalcomputern, sowohl Desktop- als auch Mobilcomputern, eingesetzt. Darüber hinaus werden x86-Chips in Rechenzentren und Serverräumen eingesetzt.
ARM-Prozessoren sind hauptsächlich in mobilen Geräten wie Smartphones und Tablets zu finden. Darüber hinaus werden solche Designs in IoT-Geräten und in der Industrie für eingebettete Systeme verwendet. Erwähnenswert ist auch, dass Apple in den letzten Jahren schrittweise auf ARM-Chips umgestellt hat. Bislang wurden die Computer des US-Herstellers mit x86-Chips von Intel betrieben, doch 2020 wurden sie durch M1-Chips von ARM ersetzt. Die Unternehmen, die ARM-Prozessoren liefern, sind: ARM Holdings, Qualcomm, MediaTek, Samsung Electronics und Apple.
Die Zukunft gehört den...
Die Zukunft von x86- und ARM-Prozessoren könnte äußerst interessant sein, da beide Architekturen das Potenzial haben, sich weiterzuentwickeln und innovativ zu sein, obwohl man sagen muss, dass eine Vision, bei der Leistung und Energieeffizienz im Vordergrund stehen, ARM-Designs eher entgegenkommt. Wie auch immer die Prozessoren in Zukunft aussehen werden, das Konzept der ARM- und x86-Chips wird nicht von heute auf morgen verschwinden, sondern beide werden wahrscheinlich weiterentwickelt und in bestimmten Technologiebereichen eingesetzt.
Quellen:
https://www.hackernoon.com/understanding-modern-cpu-architecture-part-1
https://www.arstechnica.com/gadgets/2022/09/a-history-of-arm-part-1-building-the-first-chip/
https://www.analyticssteps.com/blogs/understanding-arm-processor-vs-x86
https://en.wikipedia.org/wiki/ARM_architecture_family
https://en.wikipedia.org/wiki/X86
https://www.redhat.com/en/topics/linux/ARM-vs-x86
https://www.androidauthority.com/arm-vs-x86-key-differences-explained-568718/
https://en.wikipedia.org/wiki/Intel_8086
https://spectrum.ieee.org/chip-hall-of-fame-intel-4004-microprocessor
https://www.theregister.com/2016/02/09/arm1_reverse_engineered/
https://www.dobreprogramy.pl/macos-11-3-wydany-apple-zmienia-zdanie-w-sprawie-chipu-m1,6633347700726432a
