2020 entfielen 29 Prozent des Umsatzes auf ARM-Prozessoren, die Verbreitung steigt. Die Architektur ist nicht nur durch den Raspberry Pi verbreitet: Oft steckt sie beispielsweise in Smartphones, Tablets, Routern, Geräten aus dem Internet der Dinge und eingebettete Systeme wie etwa Automaten oder Autos. Durch den vergleichsweise niedrigen Preis sind die 29 % nicht mit Stückzahlen gleich zu setzen. Was hinter ARM steckt, warum die Architektur zu den verbreitetsten weltweit gehört und wieso sie sich in manchen Bereichen gegen X86 durchsetzen konnte, erklärt dieser Beitrag.
ARM ist nicht neu
Die Ursprünge gehen bis ins Jahr 1983 zurück, als in Großbritannien von Acorn ein neuer Prozessor als Alternative zu den damals dominierenden CPUs von Intel und Motorala entwickelt wurde – mit Erfolg: Der ARM2 war 1986 deutlich schneller und sparsamer als die Konkurrenz. 1990 wurden die Prozessoren in ein eigenes Unternehmen namens Advanced RISC Machines ausgelagert, an dem unter anderem Apple beteiligt war. Später erfolgte die Umbenennung zu ARM Ltd.
Für den durchschnittlichen Nutzer geriet ARM in den Hintergrund. PCs setzten überwiegend auf X86. Ausgenommen Apple, die zwischenzeitlich mehrmals ihre CPU-Architektur wechselten.
RISC vs CISC: Mehr oder weniger Komplexität?
In der X86 Architektur wurden die Befehlssätze immer mächtiger, um mehr umfangreiche Aufgaben in nur einem Maschinenbefehl auszuführen – das sollte die Leistung erhöhen. Damit stieg allerdings die Komplexität: Mehr Transistoren führten zu größeren Prozessoren mit höherem Stromverbrauch sowie einer schwierigeren Programmierung. Sie wurden daher Complex Instruction Set Computer (kurz CISC) bezeichnet.
Als Gegenstück entstand Reduced Instruction Set Computer (RISC) zu denen ARM gehört: Ein reduzierter Befehlssatz soll die Komplexität reduzieren. Wird umfangreicherer Code ausgeführt, sind mehr Befehle notwendig. Es wird somit mehr Arbeit vom Prozessor weg auf den Programmierer bzw. bei Hochsprachen den Compiler ausgelagert. RISC ist daher nicht grundsätzlich energieeffizienter, es kommt auf die Aufgabe drauf an. Wenn relativ wenig Leistung benötigt wird wie etwa in Smartphones, verbrauchen sie weniger Strom. Gerade dort führt das indirekt zu weiteren Vorteilen: Der Akku hält länger und man hat weniger Abwärme, die gekühlt werden muss.
ARM (RISC) und X86 (CISC) sind konkrete Architekturen, die auf der Designphilosophie von RISC bzw. CISC beruhen. Die Trennung ist heutzutage nicht mehr derart strikt. Manche RISC-Prozessoren verfügen auch über umfangreichere Befehle. Es gibt zudem eine ganze Reihe an Architekturen, etwa RISC-V.
Warum ARM-Systeme meist SoCs sind
Bei X86 handelt es sich um CPUs, also Prozessoren. Das Mainboard verbindet ihn mit anderen Komponenten wie z.B. dem Arbeitsspeicher, der Grafikkarte, Schnittstellen usw. In der Regel können sie aufgerüstet oder ausgetauscht werden: Etwa mehr RAM oder eine größere Festplatte.
ARM verkauft gar keine Chips, sondern lediglich ihre proprietäre Technik in Form von Referenzdesigns und Patentnutzung. Kunden können damit fertige CPUs anhand von Modulen zusammenstellen und bauen, oder diese Anpassen – je nach Lizenz. Diese CPUs stecken oft in einem System-on-a-Chip (SoC). Darin stecken neben dem Prozessor alle wichtigen Hardwarebausteine. Beispielsweise Controller für Kamera, Bildschirm und USB, mobile Schnittstellen wie 4G/5G, WLAN, Bluetooth eine Grafikeinheit (CPU), Arbeitsspeicher und je nach Anwendungszweck noch mehr. Man kann es sich wie einen Computer im Miniaturformat vorstellen, der sich geschlossen in einem einzigen Bauteil befindet.
Die entstehenden Systeme sind oft einzigartig, Erweiterungen oft nur sehr eingeschränkt oder gar nicht vorgesehen. Unter X86 können dagegen üblicherweise die meisten Komponenten aufgerüstet/ausgetauscht werden. Für die Kompatibilität spielt es keine Rolle, ob man Intel oder AMD verwendet – auf beiden laufen die gleichen Betriebssysteme und die gleiche Anwendungssoftware. X86 ist also generischer und offener, ARM spezifischer.
Vor und Nachteile von ARM im Vergleich mit X86
Der vereinfachte Befehlssatz kann für komplexere Aufgaben von Nachteil sein, weil mehr Zyklen benötigt werden. In einigen Geräten (z.B. Smartphones) ist dies gar nicht nötig und man profitiert von den Vorteilen, wie etwa einer kompakten Bauweise und längeren Akkulaufzeit.
Ein grundsätzlicher Unterschied bestand darin, dass ARM im Gegensatz zu AMD/Intel bis 2026 keine Chips produzierte. Sondern lediglich Lizenzen für die Technologie an Unternehmen wie Qualcomm oder Mediathek verkauft. Diese stellen darauf aufbauend Prozessoren her. Bekannt ist beispielsweise die Snapdragon-Reihe von Qualcomm aus verschiedenen Smartphones. Zum Erstellzeitpunkt des Artikels ist der Snapdragon 8 Gen 2 das aktuellste Modell, welches in Oberklassen-Smartphones wie dem Galaxy S23 verbaut wird. In diesem Beispiel hat Samsung sich von ARM das Recht erkauft, den Prozessor zu modifizieren und für das S23 mit einem höheren Takt zu betreiben.
Am 25.03.2026 wurde bekannt: Nach 35 Jahren hat ARM einen Kurswechsel angekündigt. Statt ausschließlich proprietäre Lizenzen zu verkaufen, steigen sie erstmals in die Produktion ein. Zukünftig wird ARM somit selbst Prozessoren verkaufen. Der bekannte Auftragsfertiger TSMC wird sich um die Herstellung kümmern.
Vorteile
- Reduziert die Hardwarekosten
- Geringere Komplexität
- Kompakter
- Geringerer Leistungsbedarf, lässt sich ggf. passiv kühlen
Nachteile
- Nicht nativ mit X86 Software kompatibel (Neu kompilieren oder Emulation notwendig)
- Das Ökosystem an Software ist kleiner (je nach Einsatzzweck, auf etablierten Plattformen wie z.B. Android/iOS hat man dieses Problem weniger bis gar nicht)
- Es gibt keine Standardtreiber, daher ist für jedes einzelne System ein angepasstes Betriebssystemabbild nötig
- ARM besitzt durch seine proprietäre Technologie viel Macht und nutzt diese für ein neues Lizenzmodell, wodurch Geräte mit ARM-SoC zukünftig wahrscheinlich teurer werden
Der Siegeszug der ARM SoCs
Die SoC haben sich vor allem bei Mobilgeräten durchgesetzt, zumindest bei Smartphones und Tablets sind sie konkurrenzlos. Hier sind ihre Vorteile besonders gefragt: Man benötigt dort meist keine High-End Prozessoren. Wichtiger sind kompakte Geräte, die auf einen Lüfter verzichten können und für eine lange Nutzungsdauer den Akku möglichst wenig belasten. Durch die little.Big Architektur sind ARM-Prozessoren jedoch durchaus in der Lage, trotzdem eine gewisse Leistung bereitzustellen, wenn sie benötigt wird.
Bei Notebooks mangelt es noch am Software-Angebot. Geringere Kosten, Anpassbarkeit für spezielle Anforderungen und geringerer Energieverbrauch ziehen zunehmend auch Betreiber von Rechenzentren/Clouds an. Gerade große Cloudanbieter nutzen bereits keine Standard X86 Server, sondern selbst entwickelte Hardware um die Prozessoren herum. Ein für individuelle Schwerpunkte anpassbarer SoC ist aus Ihrer Sicht interessant. Es ist daher davon auszugehen, dass der Marktanteil dort in Zukunft weiterhin steigen wird.
ARM wird leistungsfähig
Im Desktop-Bereich war ARM in der jüngeren Vergangenheit lange kein ernsthafter Kandidat, wenn Power gefragt ist. Das liegt nicht daran, weil ARM-Prozessoren grundsätzlich langsam sein müssen. Der seit einigen Jahren wachsende Servermarkt beweist das Gegenteil: Die AmpereOne-Reihe bietet leistungsstarke CPUs mit bis zu 192 Kernen bei maximal 3,6 GHz. Stattdessen wurde in ihren bisher überwiegend eingesetzten Geräten nicht übermäßig viel Leistung benötigt.
Im Desktop-Bereich sind sie wegen der Software bis heute weitgehend wenig dominant: Was nützt der stärkste Prozessor, wenn die Programme, welche ihn brauchen, darauf nicht laufen? Jahrzehnte der X86-Dominanz haben ihre Spuren hinterlassen. Ähnlich wie bei GNU/Linux & Windows haben wir daher ein Henne-Ei-Problem: Software wird kaum für ARM entwickelt, weil es kaum Verbreitung besitzt. Durch das überschaubare Softwareangebot lohnt sich der Kauf nicht. Zwar ändert sich das langsam. Doch bereits eine Anwendung reicht, um den Wechsel in Frage zu stellen. Emulation ist möglich. Ob es sinnvoll ist, kommt auf das Szenario an.
Apple hat Intel abgelöst
In der Apple-Nische hat sich das ab 2020 deutlich verändert. Das Unternehmen wechselte bei seinen Macs von Intel zu ARM. Und lieferte damit die größte Hardware-Innovation, die Macs seit langem gesehen hatten. Mit dem M1 wurde ein SoC vorgestellt, der beeindruckte: Er war leistungsfähig für den Desktop-Bereich, zeitgleich sehr effizient. Das ermöglicht passive Kühlung, die bei X86 nur schwächeren CPUs vorbehalten ist.
Durch Apples Machtposition mussten Entwickler recht zeitnah ARM unterstützen, damit ihre Software auf dem Mac nutzbar bleibt. Aufgrund der Support-Zyklen sind die letzten Intel-Macs zudem bald Geschichte. Unter Windows und GNU/Linux ist die Verbreitung deutlich geringer. Dort wird es voraussichtlich weitaus länger dauern, sofern sich ARM dort auf dem Desktop jemals durchsetzt.
RISC-V als offene Alternative?
ARM ist proprietär. Wer auf Basis der Technologie Prozessoren herstellen möchte, der muss dafür Lizenzen erwerben. Vollständig offene Hardware wird dadurch unmöglich. Diese Abhängigkeit hat Folgen: Erhöht ARM ihre Preise, sind Lizenznehmer dem ausgeliefert. Sie können diese Kosten lediglich an ihre Kunden weitergeben. Bei unfreien Patenten sind zudem Patentrechte vorprogrammiert. Im Rechtsstreit von ARM und Qualcom wurde beispielsweise ein Verkaufsstop mit Vernichtung aller Prozessoren diskutiert.
RISC-V ist eine freie Alternative, die zumindest Teile der ARM-Probleme besser machen kann. Leider konnte sie sich bisher nicht durchsetzen. Trotz des Potenzials ist die Situation bisher noch schlechter als mit ARM. So gibt es Stand Anfang 2023 keine Hardware mit RISC-V, die stabil unter GNU/Linux läuft. Immerhin scheint sich das langsam zu ändern. Die Zeit wird zeigen, was sich daraus entwickelt.
Fazit: Eine SoC-Zukunft?
SoCs bieten einige Vorteile, denen aber auch Nachteile gegenüberstehen. Vor allem bei ARM zeichnet sich seit einer Weile die Suche nach neuen Einnahmequellen ab, die für höhere Preise sorgen wird. Wirklich zufriedenstellend ist die Software-Situation aus meiner Sicht noch längst nicht. Ein eigenes Abbild pro Distribution und Gerät ist im Vergleich mit X86 ein Rückschritt. Vor allem in Richtung Nachhaltigkeit. Bleibt zu hoffen, dass hier noch einiges geschieht.
Ich würde Architekturen dort einsetzen, wo sie ihre Stärken ausspielen können: Ein (starkes) Desktop-System wird mit X86 meist mehr Sinn machen. Wogegen ein kleiner Mikro-Server problemlos mit einem stromsparenden SoC wie dem Raspberry Pi 4 betrieben werden kann. Auch in den verbreiteten Smartphones machen SoC mehr Sinn. Der Fokus sollte darauf liegen, die Technologie offener und nachhaltiger zu gestalten. Von meinem jetzigen Eindruck scheint ARM mehr Teil des Problems als der Lösung zu sein.
Weiterführende Informationen/Quellen
- https://www.zdnet.com/article/arm-processors-everything-you-need-to-know-now/
- https://www.howtogeek.com/769198/what-is-a-system-on-a-chip-soc/
- https://groups.google.com/g/comp.arch/c/hPsDLEPf2eo/m/nvJR_d7nnyYJ
- https://www.reddit.com/r/AskEngineers/comments/qyd50/what_makes_the_arm_architecture_more_energy/
- https://www.giga.de/artikel/was-bedeutet-arm-prozessor-einfach-erklaert/
- https://www.apfeltalk.de/magazin/news/ein-blick-auf-apples-m-chips-vor-und-nachteile-der-generationen-im-ueberblick/
- Premiere bei ARM: Chipdesigner verkauft erstmals selbst Prozessoren https://winfuture.de/news,157712.html
- https://en.wikipedia.org/wiki/ARM_architecture_family
- https://www.heise.de/news/ARM-will-Verkauf-aller-neuen-PCs-mit-Windows-on-ARM-stoppen-9758354.html