Kleine Chips mit großer Wirkung

Die RISC-Idee war gut, sagt Professor Steve Furber, also die Idee, Prozessoren zu bauen, die nur sehr wenige Befehle ausführen können, das dafür aber sehr schnell.

Nachdem er und seine Kollegen sich über das Berkeley-RISC-Projekt in den USA informiert hatten, entwickelten sie für die britische Firma Acorn den ARM-Prozessor.

"Nach 18 Monaten hielten wir das erste funktionsfähige Exemplar in Händen",

erinnert er sich. Nur wenige Ingenieure waren an dem Projekt beteiligt. Umgerechnet betrug die damals aufgewandte Entwicklungsarbeit gerade mal zehn bis zwölf Mann-Jahre. ARM ist mittlerweile eine selbständige Ingenieursfirma. Und fast alle Entwickler von Smartphone-Prozessoren haben heute die ARM-Architektur lizenziert. In Silizium gießen lassen die dann ihre Designs von großen Auftragsfertigern in Ostasien. Auch Qualcomm hält es so, der Marktführer mit einem Anteil von inzwischen über 50 Prozent. Jon Erensen vom Marktforschungsunternehmen Gartner:

"Einer der Gründe für den Erfolg von Qualcomm war, dass sich die Firma auf die Integration konzentrierte. Sie liefert mit ihren Chips nicht nur Anwendungsprozessoren aus, sondern bauen auch Mobilfunk-Technologien mit ein. Darin liegt ihre Kompetenz."

Integration ist entscheidend im Smartphone-Geschäft. Je weniger Chips in einem Handy stecken, desto weniger Strom benötigt es. Also muss möglichst viel Funktionalität pro Chip untergebracht werden. Allerdings auch relativ niedrig integrierte Bausteine haben es in sich:

"Wir nennen das diskrete Anwendungsprozessoren. Sie enthalten CPU- und Grafik-Prozessor-Kerne, außerdem Verarbeitungseinheiten für Multimedia, sogenannte Hardware-Beschleuniger. Das sind optimierte Audio- und Videofunktionen. Also das ist eine Kategorie von System-Chips, die man auswählen kann, dieser diskrete Anwendungsprozessor."

In Apples iPhones etwa takten solche diskreten Anwendungsprozessoren. Gefertigt werden die vom Erzrivalen Samsung, der die gleichen auch für seine eigenen Smartphones verwendet. Nvidia setzt ebenfalls diskrete Anwendungsprozessoren mit ARM-Architektur ein, modifiziert aber die Prozessor-Kerne etwas. Und so halten es einige:

"Wir nennen es eine Architektur-Lizenz, die das ermöglicht. Andere Anbieter nehmen die Standard-Kerne, die Implementierungen von ARM, und verwenden sie in ihren Lösungen."

Außer durch Modifikationen am ARM-Kern unterscheiden sich die Anwendungsprozessoren vor allem durch die integrierte Grafik-Einheit.

"Bei den Grafikprozessoren hat die Firma Imagination gegenwärtig eine sehr starke Position. Aber es gibt auch Alternativen, vor allem Mali von ARM. ARM hatte so viel Erfolg mit CPU-Kernen, jetzt versuchen sie es mit GPUs. Qualcomm hat Adreno. Nvidia hat Gforce. Also es gibt Möglichkeiten, sich voneinander zu unterscheiden. Ein Großteil des Leistungswachstums der letzten Jahre rührt von starken Grafikprozessoren her."

Und dann gibt es Chips mit einem noch höheren Integrationsgrad. Die meisten stammen aus der Entwicklungsabteilung von Qualcomm. Snapdragon heißen die, "Löwenmäulchen". Auf ihnen sind modifizierte ARM-Kerne untergebracht, Adreno, die hauseigene Grafik-Einheit, ein GPS-Empfänger und Mobilfunk-Funktionen.

"Die zweite Kategorie sind diese integrierten Anwendungsprozessoren. Wobei "integriert" vielleicht etwas irreführend ist. Denn die anderen integrieren ebenfalls sehr viele Funktionen. Auf den Chips der zweiten Kategorie wird das Mobilfunk-Modem mit dem eigentlichen Anwendungsprozessor kombiniert. Also integriert wird alles, was zum Anwendungsprozessor gehört, plus die Mobilfunkfunktionen der dritten und der zweiten Generation. Und jetzt packen sie auch die vierte Generation – G4 – auf diesen System-Chip."

Bis zu vier Prozessorkerne takten mittlerweile in Smartphones mit Raten von bis zu anderthalb Gigahertz. Und der taiwanesische Halbleiter-Konzern TSMC, der etwa die Designs von Qualcomm, Nvidia und Broadcom in Silizium gießt, hat vor ein paar Tagen erklärt, er habe im Labor bereits einen Prozessor mit über drei Gigahertz erfolgreich getestet. Eine Entwicklung zeichnet sich ab, wie man sie von PC-Prozessoren her kennt, als bis vor einigen Jahren Intel und AMD versuchten, mit ständig höheren Taktraten sich wechselseitig zu übertrumpfen. Bei vier Gigahertz war dann Schluss. Dann wurden die Chips zu heiß.

"Ich denke, man wird im Mobilbereich dasselbe Megahertz-Rennen sehen – oder Gigahertz-Rennen sollte ich wohl besser sagen, und genauso an Grenzen stoßen, meiner Meinung nach aber schneller als bei PCs. Man muss sich nur die Größe der Geräte vergegenwärtigen."

Im Unterschied zu PCs, die Anfangs vor allem von Technik-Enthusiasten gekauft wurden, hat sich bei Handys lange Zeit niemand für die Interna interessiert. Das hat sich mittlerweile geändert. Die Hersteller werben inzwischen intensiv mit technischen Details der verwendeten Prozessoren. Und sie stoßen dabei auf Resonanz. Charles Golvin vom Analysten-Haus Forrester Research hält das für eine Fehlentwicklung.

"Diese Leistungskennziffern und Merkmale, wie die Anzahl der Prozessorkerne oder die Taktrate, sind unter Marketing-Aspekten wichtig. Sie bestärken die Kundschaft in ihrem Glauben, ein herausragendes Gerät zu kaufen, eines, das besser ist als die der Konkurrenz. Ob sich das in der Anwendungspraxis niederschlägt, steht auf einem anderen Blatt."

Und eine weitere Parallele zu PCs scheint möglich: Für Home-Computer wurden Anfangs sehr viele unterschiedliche Prozessoren eingesetzt. Dann – ab 1981 – begann Intel den Markt aufzurollen. Seit ein paar Wochen nun gibt es – zunächst nur in Indien – auch Smartphones mit einem Intel-x86-Prozessor. Ein mächtiger Konzern ist in einen Markt eingestiegen, auf dem sich kleinere Chip-Entwickler zunehmend schwer tun. Denn die Herausforderungen, mit denen sie konfrontiert sind, werden immer komplexer, sagt der Gartner-Analyst Jon Erensen.

"Sie integrieren die Mobilfunktechnologie, die anderen drahtlosen Technologien, Dinge wie den Transceiver und die Stromsparfunktionen. Da ist es für einen kleinen Anbieter sehr schwierig, wettbewerbsfähig zu sein. Trotzdem halte ich ein Monopol in naher Zukunft für eher unwahrscheinlich. Die Handy-Hersteller haben Angst davor. Und das ist eigentlich einer der Gründe, weshalb sie sich Intel anschauen. Denn es gibt Befürchtungen, dass Qualcomm bei einigen Technologien sehr dominant werden könnte."

Intel verfügt über die modernsten Chip-Fabriken. Der Konzern muss also gar nicht erst zu Auftragsfertigern wie TSMC gehen, um sein Prozessor-Design in Silizium gießen zu lassen. Und auf seiner Chef-Etage hat man erkannt, wie wichtig das Handy-Geschäft ist. Deshalb will er künftig seine neuste Halbleitertechnik nicht nur für PC- und Server-, sondern auch für Smartphone-Prozessoren einsetzen. Darüber hinaus hat er mit der Mobilfunksparte von Infineon auch das Know-how gekauft, um hoch-integrierte Chips wie die von Qualcomm zu fertigen. Trotzdem erwartet Forrester-Analyst Golvin nicht, dass er den Smartphone-Markt so aufrollen wird wie zuvor den für PC- und Server-Chips:

"Ich glaube, dass Intel kleinere Eroberungen in der mobilen Welt gelingen werden. Aber es wird sehr schwer, einen signifikanten Marktanteil zu gewinnen, vor allem unter Preisgesichtspunkten. Außerdem muss Intel gegen den Ruf ankämpfen, dass seine Prozessoren zu viel Energie verbrauchen, für die Leistung, die sie bieten."

Intel, der mächtigste Chip-Konzern der Welt, muss gegen die kleine Ingenieursfirma ARM konkurrieren. Und hat dabei nicht einmal sonderlich gute Chancen. Auf dem derzeit wichtigsten Prozessor-Markt gelten halt einfach sehr eigene Regeln.