Quad-Core für Handys: ARM bringt winzige Embedded-CPU

Wird ein A9-Kern in 65 Nanometern Strukturbreite hergestellt, soll er laut ARM nur 1,5 Quadratmillimeter auf dem Die belegen und nur 250 Milliwatt elektrischer Leistung aufnehmen. Dabei soll die Rechenleistung aber gegenüber anderen Embedded-Kernen 4- bis 16-mal so hoch liegen. Möglich macht das ARM mit seinen kleinen RISC-Kernen über eine Pipeline mit acht Stufen, der Prozessor ist zudem als Out-of-Order-Maschine ausgeführt. Die Taktfrequenzen lassen sich je nach Anwendung auf über 1 GHz schrauben. Bis zu vier der Kerne lassen sich koppeln und zusammen in einen Chip integrieren.

Die ARM-Kerne finden sich in zahlreichen Handys und anderen mobilen Geräten, aber auch in Set-Top-Boxen. Laut ARM haben sich bereits NEC, Nvidia, Samsung, ST und TI entschieden, die neuen A9-Kerne zu verbauen - ob jedoch alle auch auf mehrere Kerne setzen, ist noch nicht bekannt. Laut ARM kommen auch erst jetzt und im Jahr 2008 die ersten Geräte auf den Markt, die um den Vorgänger-Kern Cortex A8 herum gebaut sind.

Symbian hat bereits angekündigt, dass das eigene Smartphone-Betriebssystem SymbianOS Unterstützung für ARMs symmetrische Multi-Prozessor-Architektur (SMP) erhalten soll. Künftige Versionen des Betriebssystems werden in der Lage sein, mit mehreren CPU-Kernen umzugehen, die ARMs Prozessor Cortex-A9 MPCore bietet. Erste Smartphones mit ARM Cortex-A9 MPCore und SymbianOS sollen 2010 auf den Markt kommen.

Die beiden neuen ARM-Kerne A9 und A9-MP unterscheiden sich in ihrem Funktionsumfang deutlich. Letztendlich kann aber auch bei den jeweiligen Einheiten jeder Hersteller eines Endgerätes wählen, welche Teile der Architektur er verwenden will. So preist ARM den A9 zwar mit integrierter FPU samt doppelter Genauigkeit und der Multimedia- und Grafikeinheit "Neon" an, zum Laufen bringt man ein ARM-System jedoch auch ohne diese. Für Ausgabe oder etwa 3D-Effekte ist dann jedoch ein externer Chip bzw. eine Integration dieser Aufgaben auf dem selben Die nötig.

Blockdiagramm Cortex-A9 MP mit vier Kernen So sind auch die Blockdiagramme von A9 und A9-MP zu verstehen. Jedes Kästchen darin stellt eine Einheit dar, die vorhanden sein kann oder nicht. Um den A9-MP zu realisieren braucht man aber in jedem Fall die dort dunkelblau gekennzeichneten Einheiten, die unter anderem für die Cache-Kohärenz der Prozessoren zuständig sind. Dabei dürfen auch externe, also nicht-ARM-Einheiten, auf den Datenfluss im Prozessor einwirken. Das deutet beispielsweise auf 3D-Beschleuniger hin, die so eine hohe Speicherbandbreite erreichen könnten. Der ebenfalls als Modul zu habende Speichercontroller für die A9s beherrscht sogar den Umgang mit DDR2-Speicher.

Blockdiagramm Cortex-A9 als Single-Core mit Erweiterungen Um zu älteren Anwendungen der ARM-Kerne kompatibel zu bleiben, ist in der Multi-Core-Verwaltung des A9-MP ein Interrupt-Controller vorgesehen - dieser ist sonst meist extern ausgeführt, so auch beim einkernigen A9. Im A9-MP steuert der "Generalized Interrupt Controller" (GIC) auch die Kommunikation der Kerne untereinander. Von der flüssigen Transparenz der Mehrkern-Verwaltung einer x86-CPU ist der A9-MP damit recht weit entfernt. Sein Anwendungsbereich sind jedoch voll auf die CPU zugeschnittene Betriebssysteme mit wenigen Threads, sodass man etwa eine einzelne Anwendung fest an einen Kern binden kann. Die Kerne kommen sich dabei viel weniger gegenseitig in die Quere als in einem PC.

Da die Hersteller von Endgeräten sich aus den ARM-Angeboten immer erst die für sie optimale CPU zusammenstellen müssen, sollen an der Software möglichst wenige Änderungen erforderlich sein. So sind die beiden neuen Kerne laut ARM auch weitgehend kompatibel zur Architektur des ARM11 aus dem Jahr 2002, welcher das letzte Design vor der 2005 gestarteten Ära der Cortex-Kerne war. Ein einzelner Cortex A9 soll folglich auch in die selben Designs passen, bei gleicher Leistungsaufnahme, aber höherer Energieeffizienz - und dabei aber vor allem mehr Rechenleistung bieten. Die Aufgaben werden in kürzerer Zeit erledigt, dabei aber in den Spitzen der Akku-Belastung weniger Strom verbraucht.