Von der Heimcomputer-CPU zum Herzstück der schnellsten Supercomputer 40 Jahre ARM-Architektur

Anbieter zum Thema

E.E.P.D. Electronic Equipment Produktion & Distribution GmbH

Syslogic GmbH

RECOM Power GmbH

Was als britisches Heimcomputerprojekt begann, wurde zum Grundstein der mobilen Revolution: Am 26. April 1985 traf beim britischen Computerhersteller Acorn der ARM1-Prozessor ein – die erste Generation einer heute nicht mehr wegzudenkenden Chiparchitektur.

Die Entwicklung der ARM-Architektur war eng mit dem Erfolg des BBC Micro verbunden: 1981 war es dem englischen Computerhersteller Acorn Computers aus Cambridge gelungen, den Zuschlag für einen 8-Bit-Mikrocomputer zu erhalten, der im Rahmen des Computer Literacy Project der BBC als Grundlage dienen sollte, um in einer Sendereihe der britischen Rundfunkanstalt den Zuschauern das Konzept und den Umgang mit einem Mikrocomputer näher zu bringen. Für das junge Unternehmen Acorn war dieser Auftrag von gewaltiger Bedeutung: Der aus dieser Kooperation hervorgegangene, auf dem 8-Bit-Prozessor MOS6502 basierende BBC Micro war schon bald in zahlreichen Schulen und Wohnzimmern Großbritanniens anzutreffen.

Die Suche nach einer billig zu produzierenden Heimcomputer-CPU

Doch die Computerlandschaft veränderte sich in den 1980ern rasant: Noch im selben Jahr wie der BBC Micro entwickelte der IBM PC 5150 das Licht der Welt, der – zusammen mit seinen ebenfalls auf dem Intel 8088 Prozessor aufsetzenden PC-Klonen – in Windeseile einen neuen Standard auf dem Heim- und Bürocomputermarkt etablieren sollte. Der MOS-6502-Prozessor war zwar wesentlich günstiger als die Produkte von Intel, offenbarte aber im direkten Vergleich zahlreiche Schwächen. Acorn plante, einen weiteren Computer auf den Markt zu bringen, der sich preislich weiterhin unter der Marke von 500 britischen Pfund halten konnte und trotzdem mit der aufkommenden PC-Schwemme konkurrenzfähig bleiben konnte. Auf Basis des vergleichsweise teuren Intel 8088 war dies allerdings nicht zu schaffen. Als die Suche nach einem günstigen, konkurrenzfähigem Gegenstück auf dem vorhandenen Markt erfolglos blieb, sah der kleine Computerhersteller Acorn, der über keine eigene Chipfertigung verfügte, nur einen Ausweg: die Entwicklung eines eigenen Prozessors, der sich günstig von einem Hardware-Partner produzieren lassen konnte.

Bildergalerie

Ein Grund für die steigenden Kosten bei den bisher auf dem Markt verfügbaren Produkten war unter anderem die immer komplexer werdende Architektur dieser Chips. Prozessorhersteller verwendeten immer umfangreichere Befehlssätze, fügten stets neue Anweisungen zu ihren Modellen hinzu, ohne bereits vorhandene zu ersetzen oder zu entfernen. Das führte unter anderem dazu, dass Befehle selbst oft immer komplexer wurden, da sie mehrere Operationen kombinierten: zum Beispiel eine arithmetische Operation mit einem Speicherzugriff. Eine Folge daraus war, dass aus diesem Muster heraus entwickelte Prozessoren – im Nachhinein oft als CISC-Architektur bezeichnet (Complex Instruction Set Computer) – durchaus leistungsfähiger wurden; sie waren allerdings bei der Durchführung einzelner Operationen nicht unbedingt schneller.

Auf der Suche nach Alternativen wurden die ARM-Ingenieure auf die RISC-Architektur aufmerksam (Reduced Instruction Set Computer). Dieser Grundsatz für eine Prozessorarchitektur war zwar bereits in den 1970er Jahren erprobt worden, hatte bislang allerdings, außer im universitären Umfeld, kaum Verbreitung gefunden – vor allem noch nicht in kommerziellen Produkten. Acorn wurde speziell auf das Berkeley RISC Forschungsprojekt aufmerksam, das an der University of California in Berkeley erprobt wurde und darauf abzielte, einen einfachen, aber leistungseffizienten Mikroprozessor zu schaffen, der trotz geringer Transistorendichte eine hohe Rechenkapazität aufbringen konnte. Mit der Produktion seines ersten RISC-Prozessors – zu dem Zeitpunkt noch unter dem Namen „Acorn RISC Machine“ entwickelt – beauftragte Acorn die Firma VLSI Technologies, die bereits ROMs und weitere hauseigens entwickelte Chips für die Heimcomputer BBC Micro, Acorn Atom und Acorn Electron herstellte.

Das Resultat aus diesen Entwicklungsbemühungen traf am 26. April 1985 bei Acorn Computers in Cambridge ein: der ARM1, die erste Generation der ARM-Prozessoren. Entwickelt von Sophie Wilson und Steve Furber, war er der praktische Beweis für die Vorteile einer schlanken Prozessorarchitektur. Mit nur 30.000 Transistoren und einer Taktung von 6 MHz bot der RISC-basierte ARM1 eine bemerkenswerte Leistungsaufnahme und Effizienz im Vergleich zu zeitgenössischen 16- oder 32-Bit-Prozessoren.

Heureka: Durchbruch und erster kommerzieller Einsatz im Acorn Archimedes

Der ARM1 verfügte bereits über einen 32-Bit-Datenraum, aber nur über einen 26-Bit-Adressraum. Er war noch nicht wirklich als ein kommerzielles Produkt im eigentlichen Sinn, sondern als Machbarkeitsstudie gedacht. Dennoch fand der ARM1 bereits in einigen Acorn-Produkten anwendung, vor allem ein Co-Prozessor für BBC-Micro-Systeme: Der Chip half bei der Entwicklung von Simulationssoftware, um die Entwicklung der Support-Chips (VIDC, IOC, MEMC) abzuschließen, und beschleunigte die bei der ARM2-Entwicklung verwendete CAD-Software. Dies erlaubte es, den hauseigenen RISC-Befehlssatz weiter zu optimieren und ihn in eine effizientere, leistungsstärkere und dennoch vergleichsweise günstige CPU zu überführen.

Dies war prktisch, da es Wilson und Furber dadurch möglich war, die Entwicklung des neuen Prozessors mit den hauseigenen 8-Bit-Heimcomputern durchzuführen. Mit dem ARM1 wurde rasch die Entwicklung einer zweiten Prozessorgeneration vorangetrieben, die in erster Linie der Erprobung und Verbesserung des neuen Befehlssatzes diente – kommerziell relevant wurde erst der ARM2.

1987 stellte Acorn die Archimedes-Serie vor, eine Familie von 32-Bit-Heimcomputern, die von einem ARM2-Prozessor als zentraler CPU angetrieben wurde. Diese Rechner boten eine bislang unerreichte Leistungsfähigkeit für Privatnutzer und setzten technisch Maßstäbe, auch wenn sie außerhalb Großbritanniens nur begrenzte Marktanteile gewinnen konnten. Der ARM2 kombinierte 32-Bit-Datenverarbeitung mit einer für damalige Verhältnisse beeindruckenden Energieeffizienz und bereitete den Boden für eine neue Klasse von Prozessoren, die nicht auf reine Rechenleistung, sondern auf optimale Leistung pro Watt abzielten.

Phoenix aus der Asche: Das Ende von Acorn und der Aufstieg von ARM

Allerdings neigte sich die Heimcomputer-Ära zu diesem Zeitpunkt bereits ihrem Ende zu. Atari und Commodore hatten mit dem Atari ST und dem Commodore Amiga zwei Jahre zuvor bereits begonnen, den 16-Bit-Computermarkt zu sättigen. Parallel dazu wurden IBM-PCs immer günstiger und leistungsfähiger – nicht zuletzt, weil deren Architektur von anderen Computerherstellern leicht zu klonen und mit kompatiblen Systemen vergleichsweise günstig zu reproduzieren war. Acorn geriet als unabhängiger Computerhersteller in Schwierigkeiten. 1985 wurde der italienische Computerhersteller Olivetti Mehrheitsanteilseigner, so dass das britische Unternehmen (seine) Unabhängigkeit verlor. Auch verkaufte sich der Archimedes, obwohl er vielerorts für seine effiziente Leistung und seine für diese Zeit beispiellose 3D-Grafikeigenschaften gelobt wurde, wesentlich schlechter als erhofft. Acorn büßte infolgedessen im Verlauf der Jahre mehr und mehr seine Unabhängigkeit ein; als Computerhersteller wurde die Marke Acorn bedeutungslos.

Doch der ARM-Architektur selbst sollte der große Siegeszug erst noch bevorstehen: 1990 rief der gebürtige Österreicher Hermann Hauser, einst Mitbegründer von Acorn und einer der führenden Köpfe in der Entwicklung des BBC Micro, die Firma Advanced RISC Machines Ltd. (ARM) ins Leben. Das eigenständige Unternehmen, dessen Gründung mit Förderung von Acorn, Apple und VLSI Technology erfolgte, setzte auf ein neues Geschäftsmodell: Anstatt eigene Chips zu produzieren, setzte ARM auf ein reines Lizenzierungsmodell – eine Entscheidung, die später die rasante Verbreitung der Architektur ermöglichen sollte. Robin Saxby, erster CEO von ARM, erkannte früh, dass Flexibilität und Partnerschaften wichtiger sein würden als Marktabschottung.

1991 folgte mit dem ARM6 die erste vollständige 32-Bit-Architektur samt Speicherverwaltungseinheit (MMU).

Dieses Design legte die Grundlage für den ARM7, der sich in den GSM-Handys der 1990er-Jahre durchsetzte, etwa im Nokia 6110. In einer Zeit, in der Mobiltelefone noch stark durch Energieverbrauch und Größe limitiert waren, erwies sich die Effizienz der ARM-Architektur als strategischer Vorteil – und öffnete ARM endgültig den Weg in die Massenmärkte.

Die Weiterentwicklung der Architektur setzte sich in den 2000er-Jahren fort: Mit der ARMv7-Generation und Prozessoren wie dem Cortex-A8 bildete ARM das Fundament für den Smartphone-Boom der späten 2000er. Rund 99 Prozent aller heute verkauften Smartphones nutzen eine Variante der ARM-Architektur. Die Philosophie – maximaler Wirkungsgrad bei möglichst geringer Komplexität – blieb dabei erhalten und prägte auch die ARMv8-A-Architektur, die ab 2011 mit 64-Bit-Unterstützung ARM erstmals in den Server- und Desktopmarkt führte.

Bildergalerie

Die technologische Relevanz von ARM beschränkt sich längst nicht mehr auf mobile Endgeräte. So basiert etwa der Supercomputer Fugaku, der zwischen 2020 und 2022 als schnellster Rechner der Welt galt, auf einer ARM-Architektur. Auch in Embedded-Systemen, vernetzten Geräten (IoT) und zunehmend in Rechenzentren setzt sich ARM als effiziente Alternative zu klassischen x86-Prozessoren durch. Gerade in einem Zeitalter, in dem Energieverbrauch und Skalierbarkeit zentrale Rollen spielen, wird die Relevanz der Architektur weiter wachsen.

Vierzig Jahre nach dem ersten ARM1 ist die Grundidee unverändert aktuell: Hardware so einfach und effizient wie möglich zu gestalten. Die frühen Designentscheidungen – eine auf Performance und Effizienz optimierte RISC-Philosophie, gepaart mit einem Lizenzmodell, das Innovation bei Partnern ermöglicht – machen ARM heute zur meistgenutzten Prozessorarchitektur weltweit. Ohne große Schlagzeilen, aber mit konsequenter technischer Weitsicht hat ARM die Elektronikindustrie nachhaltig verändert.(sg)

(ID:50402606)