Very british – Geschichte der ARM-CPU Was ist eine ARM-CPU?

Autor / Redakteur: Kriemhilde Klippstätter / Ulrike Ostler

ARM-Prozessoren arbeiten energieschonend. Das macht das Prozessor-Design nicht nur für Smartphones interessant, sondern auch für eine neue Generation von Rechenzentrums-Computern. Es wird Zeit, sich die Entwicklung dieser Risc-Prozessoren einmal genauer anzuschauen. Hier ein historischer Abriss:

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Der ARM-Prozessor M0+, eine eine Weiterentwicklung des M0, der von 50 ARM-Lizenznehmern als Microcontroller verwendet wird, soll in kleinster Konfiguration nur 3 Mikrowatt pro Megahertz aufnehmen. Das gilt für eine Fertigung mit 40 Nanometern Strukturbreite, bei den verbreiteteren Techniken wie 90-Nanometer-Low-Power (90LP) sind es auch nur 11 Mikrowatt pro Megahertz.
Der ARM-Prozessor M0+, eine eine Weiterentwicklung des M0, der von 50 ARM-Lizenznehmern als Microcontroller verwendet wird, soll in kleinster Konfiguration nur 3 Mikrowatt pro Megahertz aufnehmen. Das gilt für eine Fertigung mit 40 Nanometern Strukturbreite, bei den verbreiteteren Techniken wie 90-Nanometer-Low-Power (90LP) sind es auch nur 11 Mikrowatt pro Megahertz.
(Bild: ARM.com)

Die Geschichte der ARM-Prozessoren ist eng verknüpft mit den Anfängen der englischen Computerindustrie. Größen wie der später geadelte Clive Sinclair nutzen Anfang der 1970er Jahre das Umfeld der Studentenstadt Cambridge, um die damals neuartige Prozessortechnologie voranzutreiben und die ersten Computerunternehmen zu gründen.

Eine dieser Firmen war die CPU (Cambridge Processor Unit) Ltd., die 1978 von Hermann Hauser und Chris Curry gegründet wurde. Der Wiener Physiker Hauser war Dozent in Cambridge. Curry hatte zuvor mit Clive Sinclair die Unternehmung Science of Cambridge (SoC) gegründet, sich aber später mit dem Entrepreneur überworfen. Erster Kunde der jungen Firma CPU war die Ace Coin Equipment, für deren Spielautomaten Hauser und Curry Controller entwickelten.

Eines Tages erschien der Student Roger Wilson bei CPU. Er wollte einen Computerbausatz entwickeln, der alle anderen damals verfügbaren Systeme überflügeln sollte. Im Januar 1979 brachte die Acorn Computer Ltd. – als eigenständige Tochter der CPU – den Bausatz zusammen mit Systemsoftware auf den Markt.

Acorn war fast fehlerfrei

Wilson hatte ein fast fehlerfreies System entwickelt. Mit dem neuen Namen Acorn, englisch für Eichel, wollten die Unternehmer einerseits auf die Erweiterungsmöglichkeiten des Systems hinweisen und andererseits im Telefonbuch vor Apple gelistet werden.

Den Durchbruch verdankte Acorn der British Broadcasting Corporation (BBC). Die BBC hatte eine Computer Lern-Show im Programm, für die ein Heimrechner, der BBC Mirco-Computer, angeboten werden sollte.

Acorn bekam den Zuschlag und vermarktete ab 1982 den „BBC Micro“. Statt der erwarteten ein paar Tausend Stück verkaufte sich die Hardware rund zwei Millionen Mal.

Revolutionäre Eigenschaften

Der Rechner nutzte den 8-Bit breiten Prozessor „6502“ von MOS Industries, den auch Steven Jobs für den Apple II verwendete. Acorn stattete seinen Rechner mit Farbgrafik und 32 Kilobyte RAM aus.

Zwar wurden die Daten auf Audio-Kassetten gespeichert, es gab aber bereits Schnittstellen für Floppy- und Harddisk-Laufwerke sowie die Unterstützung für das hauseigene „Econet“-LAN. Außerdem konnte über eine Erweiterungseinheit – die Tube – ein zweiter Prozessor angeschlossen werden – damals revolutionäre Eigenschaften.

Die Geburt des ersten kommerziellen Risc-Prozessors ARM 1

Die V8-84-bit-Architektur wird bisher hauptsächlich in mobilen Devices verwendet; doch es gibt auch erste Server: die Atlas- und Apollo-Prozessoren beispielsweise.
Die V8-84-bit-Architektur wird bisher hauptsächlich in mobilen Devices verwendet; doch es gibt auch erste Server: die Atlas- und Apollo-Prozessoren beispielsweise.
(Bild: ARM)

Für die zweite Auflage des BBC-Computers suchte Acorn lange nach einem geeigneten Prozessor, fand aber keinen. Die Company hatte nun den Business-Bereich im Visier, dem man einen leistungsstarken Rechner gleich mit 32-Bit-Prozessor anbieten wollte. Damals war es nicht ungewöhnlich, dass eine kleine Firma einen Mikroprozessor entwickelte, wie Sun mit dem „Sparc“-Chip bewies, fertigen konnte es jemand anderer.

Bei Acorn begann man damit, eine Risc-Architektur zu entwickeln. Reduced instruction set war damals neu, normalerweise wurden Complex-instruction-set-computer (Cisc) entworfen. Aber ein Risc-Design zu entwerfen erfordert weniger Kapazitäten, was der kleinen Firma zu Gute kam: Das Entwicklerteam bei Acorn bestand zum großen Teil aus kreativen aber unerfahrenen Talenten. Außerdem standen kaum moderne Werkzeuge zur Verfügung.

Das Entwicklerteam um den genialen Roger Wilson, der sich später einer Geschlechtsumwandlung unterzog und als Sophie Wilson Chefarchitektin bei Broadcom wurde, begann 1983 mit den Arbeiten. Man beschloss, dass die Länge der Befehle vorgegeben und ein Load-Store-Modell – also eine Risc-Architektur- angewandt werden sollte. Heraus kam ein Prozessor mit weniger als 25. 000 Transistoren, deren erste Muster schon im April 1985 vorzeigbar waren.

Entwicklungs-Tools und Fertigung von VLSI Technology

Der erste Entwurf des ARM-Befehlssatzes war in Basic geschrieben, so dass schnell ein Prototyp entstand. Konsequenterweise wurde die ARM-Hardware dann auch in Basic geschrieben, ebenso ein Simulator für die Entwicklung und das Testen der Zusatzprozessoren wie Video-, I/O- und Memory-Controller. Zum Einsatz kamen die Entwicklungswerkzeuge von VLSI Technology. Dort wurde der Chip auch gefertigt.

Der Prozessor wurde sofort intern bei Acorn für die Simulationswerkzeuge genutzt und ließ sich auch als Co-Prozessor in bestehende BBC-Micros einbauen – somit konnten externe Entwickler erste Erfahrungen mit der neuen Architektur machen.

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Starke Konkurrenz kommt auf

Als kurz darauf mit dem „ARM2“ eine verbesserte Version auf den Markt kam, hatte sich die Lage im Vergleich zu Beginn der 80er Jahre stark verändert: IBM setzte mit seinem PC den Standard, dem viele Hersteller folgten und Rivale Apple nutzte Motorolas 68000er-Prozessoren für den 32-Bit-Rechner Macintosh.

Die Kunden wollten Kompatibilität und Programme, die Acorn nicht liefern konnte. Die ARM-Chips lagen auf Halde.

Das Management unternahm zwar einige Versuche, das Ruder herum zu reißen, doch das Geld wurde knapp. 1985 kaufte die italienische Olivetti Ing. et Cie, damals einer der Top-Büroausstatter, die angeschlagene Prozessorschmiede, vor allem um sich in den englischen Computermarkt einzukaufen. 1987 gelang es endlich, den ARM-Prozessor in einem System bewundern zu können.

Archimedes bleibt ohne Angel

„Archimedes“ nannte man den Rechner, der nicht kompatibel zu den gängigen Größen war und praktisch keine Applikationen vorweisen konnte. Deshalb wurden Software-Emulatoren mitgeliefert. Insgesamt dauert der Markteintritt aber zu lange.

Acorn unternahm einige Versuche, die technischen Raffinessen, etwa das echtzeittaugliche Betriebssystem, das in ein ROM gebrannt war, für höherwertige Maschinen zu nutzen, sogar eine Unix-Workstation wurde gebaut, der wirtschaftliche Erfolg blieb allerdings aus.

ARM überlebt als Chip

HP will im Rahmen des Projekts "Moonshot" Server auch mit ARM-Prozessoren ausstatten.
HP will im Rahmen des Projekts "Moonshot" Server auch mit ARM-Prozessoren ausstatten.
(Bild: Socram8888/ Wikipedia)

1989 war ein wichtiges Jahr für den englischen Prozessorlieferant. Man stellte den „ARM3“ vor, der mit 25 Megaherzt getaktet war – wie Intels Pendant „486“ und ebenso wie dieser über einen L1-Chache-Speicher verfügte. Dank des neuen Kernels zeichnete sich der ARM3 aber dadurch aus, dass er wenig Energie aufnahm und auch dank der kleinen Die-Größe ein wunderbarer Chip für Embedded-Anwendungen war. Chip-Produzent VLSI überzeugte einige Kunden, diesen Prozessor auszuprobieren, darunter auch Apple.

Apple wollte den Chip in Mobilgeräten einsetzen, der Handheld „Newton“ wurde gerade entworfen, sich aber nicht von einem Desktop-Rivalen beliefern lassen. Die Amerikaner überzeugten Acorn, die Prozessorabteilung auszugegliedern.

1990 wurde die ARM Ltd. gegründet, die nun als „Advanced RISC Machines Ltd.“ firmierte. Acorn/Olivetti hielten 40 Prozent Anteil an der neuen Company ebenso wie Apple, der Rest ging an VLSI Technology. Neuer Firmenchef wurde Robin Saxby, der bis 2001 als CEO, danach bis 2006 als Chairman der Firma verbunden blieb.

Apple wird Kunde

Saxby begann mit der systematischen Vermarktung ausschließlich der Rechte (Intellectual Property) an den ARM-Prozessoren, verkaufte also keine Hardware mehr. Kunden war neben Apple auch die ehemalige Mutter Acorn, die weiter Systeme herstellte, unter anderem für Oracle die Client-Rechner „Netsurfer“ und „Netstation“.

Auch der zukunftsträchtige Markt für Video on Demand wurde schon getestet: In Cambridge startete ein Feldversuch bei dem sich die Teilnehmer ihre Video-Inhalte über ein Netzwerk selbst aussuchen und ansehen konnten. Abonnenten konnten so auch Home-Shopping, Weiterbildung und sogar das Internet nutzen. Acorn lieferte die dazu notwendige Settop-Box.

Allerdings war man seiner Zeit voraus, das Projekt floppte. Als dann auch noch Olivetti in finanzielle Schwierigkeiten geriet, bedeutet das das Ende von Acorn. Morgan Stanley wurde neuer Eigentümer der Acorn-Gruppe, die schließlich Ende 2000 bei Broadcom landete.

ARM, still going strong

„StrongARM“ nannte sich der erfolgreiche Prozessor der ARM Ltd., der von Digital gefertigt wurde und den Apple im Newton einsetzte. Allerdings geriet Apple selbst in dieser Zeit in finanzielle Schwierigkeiten, auch weil Newton kein Verkaufsschlager wurde.

Als Steve Jobs erneut das Ruder bei Apple übernahm, verkaufte er bis 2001 Zug um Zug alle ARM-Anteile. Dabei wuchs die Liste der ARM-Lizenznehmer seit Mitte der 90er Jahre stetig und zählte bald alle namhaften Halbleiterhersteller zur Kundschaft.

2001 hielt man im Markt für Embedded 32-Bit-Risc-Chips einen Anteil von über 75 Prozent. 2002 feierte man die Auslieferung von einer Milliarde Mikroprozessorkerne, 2007 waren es bereits fünf Milliarden, ein Jahr später zehn Milliarden.

2010 wurde Microsoft Lizenznehmer der ARM-Architektur und brachte ein Jahr später Windows für ARM auf den Markt. Heute zählen 300 Lizenznehmer zur Kundschaft, die über 30 Milliarden ARM-basierende Chips geliefert haben.

Die Autorin:

Kriemhilde Klippstätter ist freie Autorin und Coach in München.

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