Energieeffiziente Prozessorarchitekturen Sparsam und trotzdem kraftvoll

Bei modernen ARM-Prozessorarchitekturen wie Cortex-A7, Cortex-A8 und -A9 sind bereits viele Funktionen in die CPU integriert. Dadurch lassen sich auf einfache Weise kostenoptimierte Systeme generieren.

Wir sind immer stärker gefordert, Energie einzusparen, ob im Haushalt durch LED-Leuchtmittel und energieeffiziente Geräte oder etwa in der Automobil­industrie durch elektrische Antriebe. Um Geräte entwickeln zu können, die sparsam mit den Ressourcen umgehen, sind die Hersteller von Halbeitern gefordert, bei der Entwicklung von elek­tronischen Komponenten auf die Energieeffizienz zu achten. Gerade im Bereich der CPU-Herstellung haben sich in den letzten Jahren neue Maßstäbe ergeben. Es gilt, die Verlustleistung zu reduzieren, Kosten zu sparen und die Rechenleistung zu erhöhen. Durch den Einsatz von neu entwickelten Technologien wie hohe Geschwindigkeit und Datendurchsatz bei niedrigen Taktfrequenzen und geringer Verlustleistung lassen sich die zukünftigen Herausforderungen an die CPUs bewerkstelligen.

An diesen Technologien arbeiten alle Chiphersteller verschiedener Prozessorarchitekturen und liefern sich regelrecht einen Wettstreit, um sich mit ihren Produkten Marktanteile zu sichern: Intel legt den Schwerpunkt auf die Grafikleistung, um mehrere 4K-Displays ansteuern zu können. Bei den ARM-CPUs liegt der Fokus eher auf den Peripherieeinheiten, sodass hier kaum noch zusätzliche Bausteine nötig sind, um ein System zu realisieren. Es ist anzunehmen, dass Intel in den nächsten Jahren weitere Prozessoren auf Basis neuer Technologien entwickeln wird, um mit wettbewerbsfähigen Produkten gegenüber ARM & Co. konkurrieren zu können. Ebenfalls ist umgekehrt zu beobachten, dass Hersteller, die ARM-basierte CPUs entwickeln, in Richtung der Leistungsklasse von Intel gehen, um dem Wettbewerb standhalten zu können und keine Marktanteile an Intel zu verlieren.

Wettbewerb der Prozessor-Architekturen

Auch wenn die zwei typischen Embedded-Architekturen – ARM und Power Architecture – noch nicht mit der Rechenleistung und der integrierten Grafikleistung von Intel mithalten können, punkten sie nicht nur bezüglich des erweiterten Temperaturbereichs und der sehr niedrig gehaltenen Verlustleistung. Bezogen auf die Chipfläche bieten sie eine wesentlich höhere Integration der Funktionalität und der verfügbaren Schnittstellen in einer Ein-Chip-Lösung.

ARM hat sogar gegenüber den anderen Architekturen die höchste Performance pro Chipfläche und ist führend in der Chiptechnologie. Bei den ARM-CPUs mehrerer Hersteller ist derzeit eine rasante Weiterentwicklung zu beobachten: In puncto Leistungsfähigkeit bietet ARM neben den aktuellen Rechenkernen mit 32-bit-Architektur wie Cortex-A7, Cortex-A8 und Cortex-A9 bald Rechenkerne, die auf einer 64-bit-Architektur aufbauen, wie Cortex-A53 oder Cortex-A72. Diese können trotz der steigenden Leistungsfähigkeit weiterhin ein sehr gutes Verhältnis zwischen Rechenleistung und Verlustleistung aufweisen.

Diesen Vorteil nutzen die ARM-Chiphersteller und integrieren für fast jeden Markt die entsprechenden anwendungsspezifischen Schnittstellen. Ein preis- und funktionsoptimiertes Derivat auf Basis verschiedener ARM-Rechenkerne ist für alle Branchen verfügbar, ob für die Automobilindustrie, den Bereich Networking (Bild 1), die Automatisierung oder die Steuer- und Regelungstechnik. Zudem zeichnet sich ab, dass erweiterte Power-Management-Funktionen integriert werden, um den Marktanforderungen hinsichtlich Energieeinsparung noch besser entsprechen zu können.

Bei ARM-CPUs verschiedener Hersteller sind viele Schnittstellen wie Grafik, Ethernet, CAN, A/D-Wandler, SPI und Digitale IOs bereits in die CPU integriert worden. Dies bedeutet, dass sich aufgrund der Vielseitigkeit der Schnittstellen die meisten Systemanforderungen ohne großen Zusatzaufwand umsetzen lassen. Durch die Schnittstellenvielfalt und die freie Auswahl eines Betriebssystems sind die ARM-Prozessoren universell einsetzbar. Getrieben durch die gute Applikationsunterstützung der CPU-Hersteller für verschiedene Marktsegmente werden immer mehr Geräte auf Basis dieser Architektur entwickelt.

Für die ARM-CPUs werden speziell dem Prozessortyp angepasste Betriebssysteme eingesetzt. Abhängig von den Projektanforderungen kann ein entsprechendes Betriebssystem wie Linux, Windows Embedded oder ein Echtzeit-Betriebssystem von Green Hills, QNX oder Wind River oder aber „Bare Metal“ ausgewählt werden. Letzteres hat den Vorteil, dass dem Anwender das Optimum an Performance zur Verfügung steht. Somit lassen sich auch komplexe Steuerungen mit ansprechender Grafikleistung realisieren, die ohne den Overhead eines Betriebssystems auskommen.

Die Embedded-Spezialisten der TQ haben sich die Vorteile hinsichtlich Verlustleistung, Funktionsumfang und Preisvorteil der ARM-Architektur zunutze gemacht: Auf Basis verfügbarer CPUs haben sie neue Computermodule entwickelt und geplant, um Kunden weiterhin innovative Produkte anbieten zu können. Empfehlenswert ist für Kunden grundsätzlich, mehrere in Frage kommende Architekturen hinsichtlich eines Gesamtkonzeptes für ein zu entwickelndes Gerät zu vergleichen, um so die Vor- und Nachteile für ein neues System bewerten zu können.

Bezüglich des Platzbedarfs und der Verlustleistung im direkten Vergleich mit der Rechenleistung, Schnittstellenvielfalt und Chipgröße haben die Architekturen von ARM gegenüber den anderen Architekturen einen klaren Vorteil (Bild 2). Zusammen mit einem auf die Architektur abgestimmten Betriebssystem lassen sich preis- und funktionsoptimierte Systeme realisieren, die effizient eingesetzt werden können.

ARM-CPUs führen durch die niedrige Verlustleistung bei einer durchschnittlichen Lebensdauer von 10 bis 15 Jahren zu einer nicht zu vernachlässigenden Energiekosteneinsparung. Somit leisten Geräte, die auf dieser Architektur entwickelt wurden, einen wesentlichen Beitrag in Richtung Energieeffizienz und Umweltbewusstsein.

Der Autor:

Konrad Zöpf
Nach der Ausbildung zum staatlich geprüften Techniker arbeitete Konrad Zöpf als Medizintechniker und Applikationsingenieur bei zwei Medizintechnik-Unternehmen. Seit mittlerweile 16 Jahren ist er bei TQ, zunächst in der Elektronik-Entwicklung und seit acht Jahren als Produktmanager in der Embedded-Sparte. Er verantwortet bei TQ die ARM-Produktpalette.