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Wer statt des üblichen Intel- oder AMD-Prozessors eine ARM-CPU in seinem Mobilrechner hat, erlebt ein kleines Energiewunder. An die neue Generation dieser Architektur angepasste Software verspricht außerdem einen bedeutenden Performanceschub in den nächsten Monaten.

Sie stecken in Mobiltelefonen, Embedded-Kästchen und in NAS-Speicherstationen für den Hausgebrauch: Wo Energiesparen gefragt ist, sind ARM-Prozessoren Trumpf. Im Desktopbereich ist diese Architektur dagegen nur selten zu finden, sieht man von den jüngsten Tablets mit Nvidias Tegra ab.

Kleines Schwarzes

Das Linux-Magazin hat sich exemplarisch eines der seltenen ARM-Netbooks ausgesucht und gegen die Intel-Konkurrenz antreten lassen. Genesi Europe stellte das 10,1-Zoll-Gerät Efika MX zum Testen zur Verfügung (Abbildung 1).

Abbildung 1: Das leichtgewichtige Netbook Efika MX lief als Vertreter der ARM-Plattform wesentlich länger als die Konkurrenz mit Intel-Prozessor.

In dem Rechner steckt Freescales System-on-a-Chip i.MX515, dessen Kernkomponente ein ARM-Cortex-A8-Prozessor mit 800 MHz Taktrate bildet. Dazu kommen 512 MByte RAM und ein 16 GByte großer Flashspeicher. Das Netbook kam im Herbst 2010 in den USA, im Frühling 2011 in Europa auf den Markt und kostet rund 190 Euro [1]. Im Auslieferungszustand ist darauf die ARM-Ausgabe Ubuntu 10.10 (Maverick Meerkat) installiert. Um die Hardwarebeschleunigung der beiden Freescale-Grafikkerne zu nutzen, installiert Genesi zudem einen selbst entwickelten Grafiktreiber.

In dieser Konfiguration unterzog sich das Netbook dem Laufzeit-Benchmark, der auch auf dem Intel-Notebook (siehe Artikel in diesem Schwerpunkt) zum Einsatz kam. Das Efika MX hängte die Konkurrenz ab und lief unter der gewählten Workload stolze 5 Stunden und 15 Minuten, der Hersteller verspricht allerdings 7 Stunden. Dabei steckt in dem schlanken 1-Kilo-Maschinchen nur ein 31-Wh-Akku – etwa die halbe Batteriekapazität der Konkurrenz.

Ein vergleichbares ARM-Netbook mit dickerem Akku (50 Wh) ist das Hercules Ecafé EX HD [2], das unter den gleichen Rahmenbedingungen vielleicht nicht die vom Hersteller angegebenen 13 Stunden läuft, aber mit Optimierungen einer Betriebsdauer von 10 Stunden nahekommen dürfte.

Spar-Strategie

Nach Gründen für die auffallend unterschiedliche Leistungsaufnahme der Architekturen fragte die Redaktion Steve McIntyre. Der ehemalige Debian Project Leader arbeitet für den Chip-Designer ARM Limited im englischen Cambridge. Derzeit ist er in der technischen Leitung des Linaro-Projekts tätig [3], das sich mit der Optimierung von Linux für ARM-Geräte beschäftigt (Abbildung 2).

Abbildung 2: Hersteller wie Freescale, Texas Instruments, Canonical und Genesi arbeiten im Linaro-Projekt gemeinsam an einem verbesserten ARM-Linux.

“Die Instruction Set Architecture (ISA) von x86 ist sehr kompliziert und nimmt daher auch viel Raum auf der CPU ein,” erläutert der Brite, “ARM wurde bereits mit einer kleineren und einfacheren ISA entwickelt. Sie benötigt in der Regel weniger Platz und auch weniger Strom.” Daneben sieht McIntyre Gründe in der Produktpolitik: Intel bemühe sich seit vielen Jahren, seine Prozessoren immer schneller zu machen. Dazu dienen lange Pipelines, große Caches und hohe Taktraten. Das Ergebnis seien leistungsfähige CPUs für den Desktop-Einsatz. “ARM dagegen”, fährt er fort, “hat sich in erster Linie um den Energieverbrauch gekümmert. Das Design bevorzugt meist die einfachere, effizientere – und zugegebenermaßen langsamere Lösung.”

Erst in jüngster Zeit gibt es bei beiden Unternehmen auch andere Bestrebungen: Intel arbeitet an sparsamen Mobilprozessoren wie Atom und die Hersteller von ARM-basierten Systemen an leistungsfähigeren Prozessoren wie dem Cortex A15. Obwohl i.MX515, das System im Efika MX, zu Freescales High-End-Serie zählt, spürt der Anwender, dass der Ubuntu-Desktop ein wenig zäher reagiert als auf Intel-Notebooks.

Das liegt weniger an der Hardware als vielmehr an den Compiler-Optionen für Linux-Betriebssysteme. Bisherige ARM-Ausgaben von Linux-Distributionen (»armel« ) verlassen sich nämlich nicht darauf, dass der Prozessor eine Floating Point Unit (FPU) für Fließkomma-Operationen an seiner Seite hat. Das auch in Ubuntu Maverick verwendete Soft-Float ABI nutzt zwar die FPU, falls sie vorhanden ist, verursacht dabei aber aufwändige Kopiervorgänge zwischen Haupt- und Co-Prozessor.

Die neue Generation von ARM-Systemen wie das i.MX515 dagegen besitzt leistungsfähige FPUs. Dem soll eine neue Architektur für Linux-Distributionen Rechnung tragen. Das ABI verwendet die volle Hardware-Unterstützung für Fließkomma-Operationen, nennt sich also “Hard-Float” und trägt das Architekturkürzel »armhf« .

Debian Wheezy für moderne ARM-Systeme

Den Debian-Port auf »armhf« entwickeln maßgeblich Steve McIntyre sowie Konstantinos Margaritis, der für Genesi bei Linaro arbeitet. Derzeit sind bereits 90 Prozent von Debians Main-Archiv für das Hard-Float-ABI kompiliert. Mit der kommenden Debian-Release Wheezy soll es erstmals eine offizielle »armhf« -Ausgabe der freien Linux-Distribution geben. Konstantinos Margaritis schätzt den Performancegewinn für Desktop-Linux dank Hard-Float mutig auf bis zu 300 Prozent [4]. Das gilt aber vornehmlich für Fließkomma-intensive Anwendungen – zu Demonstrationszwecken zeigt er gerne den Raytracer Povray in Aktion.

Bereits jetzt lassen sich die neuen Images für das Efika MX [5] sowie für die Entwicklersysteme Beagleboard und Pandaboard [6] (Texas Instruments) zum Testen herunterladen. Canonical ist ebenfalls bei Linaro dabei, um künftige Ubuntu-Releases für die modernen ARM-Systeme fit zu machen.

Neben den Vorteilen gibt es bei ARM derzeit auch einige architekturspezifische Probleme. Dazu gehört das Flash-Browser-Plugin für Desktopsysteme. Adobe behandelt ARM-Systeme grundsätzlich als Mobilgeräte, quasi als Smartphones. Dafür gibt es jedoch kein offizielles Flash, denn der Hersteller möchte dort lieber auf HTML 5 setzen.

Freescale habe also ein ARM-Plugin auf eigene Kosten entwickeln lassen, erklärt André Siegel von Genesi Europe: “Außerdem muss das entstandene Plugin an Adobe für eine Zwangszertifizierung übergeben werden.” Auf dem Efika-MX-Netbook im Test war das Plugin als Betaversion installiert, daher zeigte das ARM-Gerät auch Flash-Filmchen.

McIntyre und Margaritis bereiten in der Zwischenzeit das ARM-Linux der Zukunft vor. Sie tauschen sich dabei auch mit den Distributionen Fedora und Open Suse aus. Die Entwickler sehen in der neuen Architektur nämlich eine Chance, einen neuen De-facto-Standard in der ansonsten recht fragmentierten ARM-Welt zu etablieren. Demnächst werden auf dem Markt auch ARM-basierte Server auftauchen. Beim Debian-Projekt laufen schon heute welche. Sie bauen fleißig Binaries für »armhf« .