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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.

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.

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.

Vom Pentium entlehnt

Vom Pentium 4 (Prescott) übernimmt der Atom die Befehlssatz-Ergänzungen MMX, SSE3 und XD. Davon profitieren Anwendungen wie Mplayer, die solche Instruktionssets benutzen. Für das Home-Entertainment-System würde das vielleicht nützen, ein LDAP-Server im Abstellraum benötigt diese Features jedoch eher nicht.

Die Atom-Serie besitzt auch neue Eigenschaften. Sie ist auf den Betrieb bei 1,05 Volt optimiert und spart somit Energie gegenüber Kernen, die bis zu 1,5 Volt benötigen. Ein spezieller Sparmodus deaktiviert weiterhin den L2-Cache.

Das Ergebnis der Designprinzipien Miniaturisierung, Recycling und Sparsamkeit sind zwei Architekturen: Atom-Prozessoren mit dem Codenamen “Silverthorne” bezeichnet Intel als Z5xx [3] und sieht sie für Mobile Internet Devices (MIDs) vor, sprich Telefone und PDAs. Die Modelle Z520, 530 und 540 unterstützen sogar Virtualisierung mittels VT. Sie sind allerdings im Vergleich zu ihren Geschwistern der nachfolgenden Generation relativ teuer. Der Name “Diamondville” repräsentiert die nächste Entwicklungsstufe des Atom-Designs [4]. Der Hersteller sieht diese Prozessoren für Netbooks (Atom N270) und Nettops (Atom 230) vor. Unter Nettops sind kleine, kompakte Desktop-Rechner zu verstehen.

Beim Atom 230 verzichteten die CPU-Designer auf Speedstep. Der Prozessortakt lässt sich somit bei geringer Auslastung nicht mehr mittels »powerd« drosseln. Die Sparmaßnahmen bewirken aber auch, dass Integratoren den Atom-Prozessor 230 bereits für 20 US-Dollar erhalten – wichtig, um den Preis für Nettops möglichst gering zu halten. Zudem ist der 230er der einzige der bisherigen Atom-Familie, der mittels EM64T mehr als 4 GByte Hauptspeicher adressiert und AMD-64-Bit-Befehle ausführt.

Große Aufgabe, kleines Geld

Einen Atom 230 hat das Linux-Magazin auserkoren, um mit ihm das eingangs beschriebene Server-Szenario zu realisieren. Die Tester wollen wissen, ob die Performance für einen kleinen Dateiserver ausreicht. Schließlich gibt selbst der Hersteller zu, dass Atom-Anwender zugunsten der Energiesparsamkeit auf das eine oder andere verzichten müssen.

Canonical hat mit seinem Ubuntu für mobile Geräte die Atom-CPU bereits für sich entdeckt [5], und mit Moblin [6] treibt der Prozessorhersteller selbst den Einsatz von Linux auf den kleinen Chips voran. Im Labor sollte jedoch ein ganz normales Ubuntu 8.04 für den Test herhalten. Eine CPU alleine macht jedoch noch keinen Staat, ein passender Chipsatz und die wichtigsten Komponenten müssen her.

Neue und alte Chipsätze

Zum Atom-Programm gehören nicht nur die CPU, sondern – wie immer bei den Intel-Serien – auch ein Chipsatz. Passend zu den Modellen der Z5xx-Reihe sieht Intel den System-Controller-Hub Poulsbo vor, der Southbridge, Northbridge und Grafikchip kombiniert. Er ist speziell für mobile Geräte entwickelt und entsprechend sparsam.

Für die Diamondville-Serie hat es sich der Hersteller hingegen einfach gemacht und empfiehlt den Chipsatz-Oldtimer I-945 aus dem Jahr 2005. 3D-Grafik-Modi machen damit keinen Spaß. Die Desktop-Version des Chipsatzes (I-945GC) hat in der Grafik-Kategorie weniger Probleme, verbraucht mit 22 Watt aber viel Energie, ein Großteil gibt der Chip wiederum als Wärme ab. Sie lässt sich nicht mehr passiv kühlen und benötigt einen Lüfter – unschön für ein dauerhaft im Raum laufendes Gerät.

Passendes Mainboard

Der Kauf einer CPU-230-CPU mit ihrem FCBGA-Sockel scheint im Einzelhandel unmöglich, da der Anwender sie zunächst auf ein Mainboard auflöten müsste. In diese Bresche springt jedoch Intel mit der eigens für atomare Zwecke entwickelten Hauptplatine DG945GCLF (siehe Abbildung 2), deren Name auf den I-945GC-Chipsatz der Desktop-Variante verweist [7]. Der Hersteller hat dort bereits den Core fest aufgebracht.

Abbildung 2: Das neue DG945GCLF-Mainboard von Intel mit Atom-Prozessor misst 17 Zentimeter Kantenlänge und verbraucht in dieser Ausbaustufe unter Volllast weniger als 30 Watt.

Das Mainboard enthält alles, was ein Anwender von einem typischen Mainboard erwartet. Es gibt einen DDR2-Slot, der bis zu 2 GByte RAM bei 533 MHz aufnimmt. Zwei SATA- und ein PATA-Interface stehen für Festplatten zur Verfügung sowie ein PCI-Slot für Erweiterungen. Es gibt einen seriellen und einen parallelen Port sowie für Maus und Tastatur PS/2. Von insgesamt sechs USB-2.0-Anschlüsse sind vier herausgeführt. Ein Realtek-Audiochip ALC662 gibt Onboard-Stereosound aus. Die im GC-Chipsatz integrierte Grafik ist nur via VGA-Schnittstelle erreichbar, ein DVI-Ausgang fehlt leider. An unterstützten Betriebssystemen führt das Datenblatt lediglich Windows auf (ab XP).

Mit dem »i915«-Treiber und seinen »agpgart«-Geschwistern kommt der X.org-Server beispielsweise von Ubuntu unmittelbar zurecht. Der RTL8101E-Chip, ebenfalls von Realtek, bindet Fast Ethernet über eine PCI-Schnittstelle an. Sie machte bei der Installation des aufgespielten Ubuntu anfangs Schwierigkeiten (siehe Kasten “Probleme bei der Installation”).

Das Mini-ITX-Bord passt in große und kleine Gehäuse, etwa in der Größe eines Nintendo Wii. Bei sehr kleinen Gehäusen ist Vorsicht angebracht: Lüfter und Kühler machen das I-945GC-Bord 45 Millimeter dick. Unter den Tisch passt es aber allemal. Für den anvisierten Anwendungszweck genügt der Lieferumfang, da Grafikkarte, Audio und Ethernet bereits vorhanden sind.

Atomkraft für zu Hause

Nachdem die kleinen Hürden der Installation gemeistert sind, zeigt ein erster subjektiver Praxistest zufriedenstellende Ergebnisse: Dieser Artikel sowie die folgenden Messergebnisse entstanden auf einem Ubuntu-8.04-Desktop mit dem Atom-DG945GCLF-Gespann. Für normale Internet- und Office-Arbeiten reicht die abgespeckte Leistungsfähigkeit also aus. Mehrere offene Webseiten mit Flash-Animationen belasten die CPU hingegen so stark, dass der Browser nur noch langsam reagiert. Abstriche sind auch bei der Grafik zu machen: Filme im klassischen Videoformat bis 720 p laufen flüssig ab, in Full-HD allerdings sind sie nicht mehr zu ertragen.

Objektive Werte liefert ein Vergleich mit einem tüchtigen Referenzssystem, das aber außerhalb der expliziten Server-Klasse liegt. Hier diente dafür eine HP Workstation XW4600 mit einem auf 2,66 GHz getakteten Core 2 Duo E6750 und 2 GByte Hauptspeicher.

Kräftemessen

Auch wenn Intel die neue CPU mit 1,6 GHz taktet, entspricht ihre Leistung nur einem Out-of-Order-Prozessor mit 800 MHz bis 1 GHz. Somit verwundert kaum, dass das Vergleichsgerät einen Linux-Kernel viel schneller übersetzt. In dieser Zeit verbraucht es jedoch mit rund 107 Watt erheblich mehr Strom als das Atom-Setup. Dies benötigt dazu, wie auch beim Surfen und bei Office-Arbeiten, fast konstant 35 Watt (siehe Abbildung 3). Für Entwickler ist die Leistung allerdings unakzeptabel: Um einen Linux-Kernel zu kompilieren, müssten sie zweieinhalb Stunden Zeit einplanen.

Abbildung 3: Energieverbrauch von Core 2 gegen Atom während einer Kernel-Kompilierung. Die Core-2-CPU ist deutlich schneller, verbraucht aber auch wesentlich mehr Energie.

Entsprechend kleiner ist der Durchsatz zum Arbeitsspeicher. Mit »hdparm« liest das Referenzsystem achtmal so schnell aus dem Dateicache, der im Hauptspeicher liegt (siehe Abbildung 4). Darin machen sich der kleine CPU-Cache und der langsamere Front-Side-Bus der Atom-CPU bemerkbar, die mit dem Buffer-Cache des virtuellen Filesystems vergleichsweise schleppend kommunizieren.

Abbildung 4: Bus, kleinere Caches und die langsame CPU bremsen das Atom-System deutlich. Im Bild der Durchsatz zum wichtigen Filesystem-Cache.

Die Tester wollten außerdem wissen, wie das Gerät beim Einsatz als Dateiserver abschneidet, laden doch die beiden SATA-Ports des DG945GCLF dazu ein, Festplatten anzuschließen und sie als Software-Raid zu betreiben. Zwei Festplatten WD5000AACS zu je 500 GByte der Serie Green Power von Western Digital kamen zum Einsatz. Damit fallen für einen vollständigen Dateiserver mit 1 Terabyte Brutto-Speicherplatz unter Raid-Level 0 insgesamt 320 Euro an. Als Referenzsystem für eine Leistungsmessung dient wieder die HP-Workstation.

Szenario NFS-Fileserver

Die folgenden Benchmarks liefen mit nur einer Festplatte, um Effekte der Softraid-Verwaltung auszuschließen. Beim Benchmark Bonnie++ liegen beide Kontrahenten bei blockweisem Zugriff trotz viel aktuellerem ICH9-Chipsatz der Workstation gleichauf. Das Bild dreht sich, wenn die CPU mehr zu tun bekommt: Holt sich Bonnie++ Zeichen für Zeichen, erreicht der Atom nur noch ein Viertel der Leistung des Referenzsystems (siehe Abbildung 5).

Abbildung 5: Solange der Benchmark blockweise auf die lokal angeschlossene Green-Caviar-Platte von Western Digital zugreift, erreichen beide Systeme gute Werte beim Lesen und Schreiben. Zeichenweise fällt das Atom-System weit zurück.

Da das Gerät als Fileserver dienen soll, untersuchte das Testlabor den Durchsatz von NFS (siehe auch den Schwerpunkt in diesem Linux-Magazin). Das NFS-Howto beschreibt Verfahren, um die Leistung eines NFS-Servers zu messen [8], und empfiehlt auch hier Bonnie. Das Netz war unbelastet, beide Server nutzten die Ubuntu-Vorgaben. Als Client arbeitete ein T42-Thinkpad.

Bonnie++ erzielte bei beiden Systemen rund 10 MByte/s Durchsatz beim Schreiben, beim Lesen rund zehn Prozent mehr. Es zeigt sich, dass für solche Einsätze Fast Ethernet, dessen nominale Bandbreite sich in dieser Größenordnung bewegt, die Systeme deutlich mehr begrenzt als die reine CPU-Leistung: Trotz schwächeren Prozessors kann darum die Atom-CPU weitgehend mit dem HP-System mithalten.

Ergänzend enthält Abbildung 6 die Resultate von Dbench, einem synthetischen Benchmark, der den lokalen Anteil des parallelen Zugriffes vieler SMB-Clients nachbildet [9]. Hier ist wieder mehr Leistung von der CPU gefragt, da sie die vielen parallelen Anfragen verwaltet – und prompt fällt der Atom wieder zurück. Setzt man rund 10 MByte/s als Durchsatz für einen Client an, mit dem sich noch erträglich arbeiten lässt, zeigen die Messungen, dass der Atom bis ungefähr 16 Clients mithalten kann, die HP-Workstation jedoch bis mehr als 40.

Abbildung 6: Der synthetische Dbench-Test simuliert lokale Aktivitäten unterschiedlich vieler Clients. Benötigen Anwender durchschnittlich 10 MByte/s Durchsatz, schafft der Atom etwa 16 Clients, die Workstation über 32.

Brot-und-Butter-Geschäft

Als Fileserver für größere Abteilungen punktet die Atom-Kombination also nicht. Eine NAS-Appliance (Network Attached Storage) ist dazu besser geeignet, gibt es sie doch sogar zu einem ähnlichen Preis. Insgesamt fällt das Atom-System immer dann zurück, wenn Anwender hohe Ansprüche an den Hauptspeicherdurchsatz oder die Prozessorleistung haben.

Zurück ins Rennen kommt der Chip aber, sobald Anwendungen gar nicht so viele Ressourcen benötigen. Weitere Abhilfe ist in Sicht, wenn Medienberichten zufolge im Herbst eine Dual-Core-Version des Diamondville erscheint. Intel wollte das allerdings nicht offiziell bestätigen. Für den Einsatz als Fileserver könnten auch eine Gigabit-Ethernet-NIC und ein Switch mit einem schnellen Port förderlich sein. Mit dieser Erweiterung kämen mehr Clients schnell an ihre Daten.

Die Resultate zeigen, dass in kleinen Büros die vorgestellte Kombination aus Energiesparkomponenten ein nützliches Nischenprodukt sein könnte, zumal die Kombination flexibler als ein reines NAS ist. Die CPU-Leistung reicht noch, um etwa einen kleinen Verzeichnisdienst mittels LDAP oder Samba zu betreiben. Im Vergleich zu klassischen PC-Systemen ist der Preis attraktiv und die Energiebilanz ist gut, auch wenn sie noch Raum für Verbesserungen bieten.

Zeigt die Atom-CPU bereits den Weg zum 100-Watt-Rechenzentrum auf, das die Green-IT-Bewegung gerne proklamiert? Sie deutet zumindest in die Richtung. Schon heute trägt sie dazu bei, dass es in der Besenkammer wieder etwas kühler und leiser zugeht. (ake/mg)