Wenn es drum geht, einen Server für nur eine simple Aufgabe aufzustellen, scheidet ausrangierte Hardware angesichts aktueller Energiepreise aus. In Sachen Leistung und Preis ein Fliegengewicht, aber x86-kompatibel ist die Atom-CPU von Intel eine Alternative für das Brot-und-Butter-Geschäft.

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Admins kleiner Firmen kennen das surrende Geräusch aus der Besenkammer: Dort werkelt ein alter Linux-PC für eine bestimmte Aufgabe vor sich hin, etwa als Router, Printserver oder Dateiverteiler. Der geschenkte Rechner von Tante Paula - ein Klassiker dieses Szenarios. Während der Sommermonate werfen sie besorgte Blicke auf das Thermometer, und das Gewissen mahnt wegen des vielen Stroms, den das Konstrukt verschlingt.

Gewiefte Anwender setzen stattdessen auf Notebook-Prozessoren für Server-Anwendungen, zum Beispiel auf einen AMD Geode, Intel Celeron M oder Via C3, für die es auch Micro-ATX-Boards gibt. Noch einen Schritt weiter gehen Embedded-Prozessoren, die mit wenigen Watt auskommen. Auf diesem Markt sind bislang ebenfalls ARM, Via und neuerdings auch Nvidia unterwegs. Während im Fall der Netbook-Komponenten Preis und Betriebsstabilität das Problem oft nur neu auflegen, entsteht dem Anwender im zweiten Fall zusätzliche Arbeit, weil bei Embedded-CPUs für das beschriebene Szenario die Inkompatibilität zum Quasi-Standard I-386 stört. So sind Anwender gezwungen auf den Komfort gängiger Distributionen verzichten. Sie müssen das Linux-System samt Anwendungen selbst kompilieren und patchen.

Rosinen am Reißbrett

Seit Juni tritt Chiphersteller Intel mit einer eigenen Prozessorserie an, die er "Atom" getauft hat [1]. Sie ist x86-kompatibel und unterstützt damit verbreitete Linux-Distributionen. Das Modell 230 der Atom-Serie gibt es bei Händlern mit Board für etwa 70 Euro [2]. Zusammen mit 2 GByte RAM, Netzteil und Gehäuse fallen rund 200 Euro an. Es kommt damit für Einsätze in Frage, in denen geringe Leistung bei verbrauchsarmem Betrieb und kleinem Anschaffungspreis gewünscht sind.

Da Intel mit der Atom-CPU die Hersteller von Netbooks und MIDs (Mobile Internet Devices) adressiert, galten für die Architektur Maßstäbe, die auf extrem niedrigen Stromverbrauch bei kleiner Chipfläche abzielen, statt mehr Leistung oder mehr Kerne. Für Netbooks, PDAs oder die Beispiel-Besenkammer ist ein neuer Prozessor außerdem nur dann attraktiv, wenn er laut Intel-Preisliste in der 1000er Charge für Großabnehmer deutlich weniger als 100 Euro kostet.

Für den Atom-Prozessor konnte Intel also das bisherige Verfahren, einfach die bestehende CPU-Architektur zu verfeinern, nur schwer anwenden. Die Designer begannen quasi am leeren Reißbrett. Trotzdem profitierten die Ingenieure von den bisherigen Prozessor-Designs und pickten einige Rosinen aus der Intel-Geschichte. Im Ergebnis ist die Atom-CPU nun erheblich kleiner und benötigt deutlich weniger Kühlung als klassische Server- und Desktop-Kerne (siehe Abbildung 1).

Abbildung 1: Der Atom-Prozessor hat seinen Namen von seiner Größe. Rechts im Bild ist der Chip des Atom-Prozessors 230, links der 945GC-Chip zu sehen.

Der Hersteller beziffert die Thermal Design Power (TDP) je nach Modell mit höchstens 4 Watt (siehe Tabelle 1), womit er Integratoren einen Hinweis gibt, wie viel Wärme sie mittels Lüftern und Kühlkörpern abtransportieren müssen. Zur Einordnung: Die TDP einer Core-2-Duo-CPU gibt Intel mit 65 Watt an.

Tabelle 1: Atom-Typen

Starre Kernfaktoren

Ohne Leistungseinbußen kamen die Architekten freilich nicht aus. Sie strichen zugunsten geringer Produktionskosten zum Beispiel die Out of Order Execution Unit (OoO). Sie sorgt sonst dafür, die CPU optimal auszulasten, indem sie die Instruktionen im laufenden Betrieb umordnet. Der Prozessor zieht dadurch andere Operationen vor, während er auf langsame Speicherzugriffe wartet. Schnelle Cores erreichen erst durch dieses Feature ihre hohe Rechengeschwindigkeit.

Im Atom-Prozessor bleiben die Wartezeiten unkorrigiert. Die Einschränkung spart die Hälfte der Transistoren ein, bremst Linux jedoch aus. Intel nennt diese Einschränkung etwas schönfärberisch "In-Order Execution Pipeline" (siehe Kasten "Bei Intel nachgefragt"). Ein weiteres Opfer der Sparmaßnahmen sind die CPU-Caches. Sie sind teuer und daher so klein wie möglich: Knappe 512 KByte L2-Cache enthält der Atom-Prozessor, der Level-1-Cache schrumpft auf 56 KByte. Er ist untypisch für das bisherige Intel-Design mit 24 KByte für Daten und 32 KByte für Instruktionen aufgebaut.

Um den Leistungsverlust nicht weiter zu erhöhen, taktet Intel die Chips recht schnell. Dafür nutzte das Unternehmen seinen Vorstoß in den 45-nm-Produktionsprozess. Taktraten von maximal 1,8 GHz sind erst mit dieser Fertigungstechnik möglich, bei mehr steige der Energieverbrauch zu stark an.

Der Hersteller reaktiviert schließlich das vom Pentium 4 bekannte Hyper-Threading, das die 16-Stufen-Pipeline auslastet. Es benötigt im Vergleich zu Out of Order Execution (OoO) weniger Transistoren. Linux-Anwender achten beim Hyper-Threading darauf, die Option »CONFIG_SMT« beim Übersetzen des Kernels zu aktivieren, um die Linux-Unterstützung zu nutzen. Bei den meisten von Distributionen mitgelieferten Kerneln ist das heute jedoch Standard.

Bei Intel nachgefragt

Pankaj Kedia arbeitet bei Intel als Director Global Ecosystem Ultra Mobility. In dieser Position kümmert er sich um alle Hersteller und Produkte, die Netbooks und MIDs zu einem Rechnersystem komplettieren, etwa OEMs. Linux-Magazin: Worin unterscheiden sich die Designziele der neuen Atom-Prozessoren gegenüber ihren Verwandten, zum Beispiel der Core-2-CPU? Pankaj Kedia: Intel hat die Atom-Prozessoren für Netbooks und Nettops konzipiert, bei denen es auf einen geringen Stromverbrauch ankommt. Die Core-2-Prozessoren hat Intel hingegen mit dem Ziel entwickelt, Notebook- und Desktop-Systeme leistungsstark zu machen. Der Stromverbrauch in diesen Geräten ist entsprechend höher. Desktops und Notebooks ermöglichen dafür Anwendungsfälle wie Photo- und Videobearbeitung oder Spiele. Linux-Magazin: Wie unterscheiden sich die Chipsätze 945GSE und 945GC? Pankaj Kedia: Der 945GSE ist für den Einsatz mit dem Intel-Atom-Prozessor N270 in Netbooks gedacht. Der 945GC wird mit dem 230 in Nettops eingebaut. Der 945GSE kann den Arbeitsspeicher mit 400 MHz oder 533 MHz ansprechen, der 945GC mit 667 MHz. Zudem adressiert der GSE nur 512 MByte Arbeitsspeicher, der GC bis zu 1 GByte. Linux-Magazin: Welche Einstellungen kann ein Linux-Anwender vornehmen, um den Stromverbrauch mit dem Atom-Board so gering wie möglich zu halten? Pankaj Kedia: Intel hat die Atom-Prozessoren im 45-nm-Herstellungsverfahren gefertigt und von Grund auf für hohe Energieeffizienz entwickelt. Dazu trägt vor allem die so genannte "In-Order Pipeline" bei, die weniger Chipstrukturen benötigt: Die Atom-Prozessoren arbeiten mit nur 47 Millionen Transistoren. Weitere stromsparende Funktionen sind der neue Sparmodus C6 sowie die so genannte "Non-Grid Clock Distribution", optimierte Register Files, Pervasive Clock Gating sowie geteilte I/O-Spannungsversorgung. Viele dieser Funktionen und Techniken hängen davon ab, wie ein Entwickler die darauf laufende Software auf die Atom-Architektur optimiert. Intel arbeitet hierzu mit der Open-Source-Community zusammen, etwa bei Moblin. Das Projekt [http://www.moblin.org/projects/projects_ppm.php] stellt zum Beispiel Informationen speziell zum Powermanagement zur Verfügung. Linux-Magazin: Intel engagiert sich im Rahmen des Moblin-Projekts für mobile Geräte und MIDs. Ist der Atom-Prozessor daran beteiligt? Pankaj Kedia: Ja, aber die Aktivitäten sind nicht exklusiv für die Atom-Plattform. Das Ganze ist quelloffen, daher kann sich jeder beteiligen. Wir arbeiten selbstverständlich auch mit Leuten zusammen, die das Ganze auf anderen Plattformen laufen lassen wollen.

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Wenn es drum geht, einen Server für nur eine simple Aufgabe aufzustellen, scheidet ausrangierte Hardware angesichts aktueller Energiepreise aus. In Sachen Leistung und Preis ein Fliegengewicht, aber x86-kompatibel ist die Atom-CPU von Intel eine Alternative für das Brot-und-Butter-Geschäft.