Intel freut sich über ein Rekordjahr 2011: Der Branchenprimus konnte das schon sehr gute 2010 nochmals deutlich übertreffen. Doch in jüngster Zeit werfen einige negative Entwicklungen bei Intel-Chips ihre Schatten auf die Bilanz. So blieben die Umsätze mit Atom-Prozessoren hinter den Ergebnissen des Vorjahres zurück. Analysten haben prompt einen Trend ausgemacht: Die Kunden wenden sich vom Netbook ab und kaufen Tablet-PCs. In diesen rechnet in der Mehrheit aber ein ARM-Prozessor.

Auf einen Blick

Mit den leistungsfähigen Prozessoren Cortex-A8 und -A9 eignet sich ARM-Architektur zusehends für Aufgaben, die bisher den x86-CPUs vorbehalten waren. Prompt gibt es zwei aussichtsreiche Vorschläge für Standard-Module: Qseven und Kontron ARM Architecture.

Auch in anderen Applikationen drängen ARM-CPUs Schritt für Schritt in angestammte Intel-Märkte vor. Der Trend ist selbst im Embedded-Sektor spürbar. Die etablierten x86-Embedded-Modul-Anbieter stellen sich der Herausforderung und präsentieren Modullösungen mit ARM-Prozessoren. Die Idee ist nicht neu und es wurde schon mehrmals ohne Erfolg versucht, sie umzusetzen – die neuen Ansätze scheinen jedoch erfolgversprechender, stehen doch hinter den Ideen nicht einzelne Firmen, sondern ganze Interessengruppen.

Bisher waren ARM-Prozessoren, wie ARM9 oder ARM11 in der Leistung und in den Schnittstellen weit weg von der x86-Welt. Jeder Chiphersteller brachte sein spezielles Derivat für spe­zielle Applikationen auf den Markt. In den Stückzahlen ist der Low-End-ARM-Prozessormarkt auch entsprechend weit weg von den Stückzahlen von x86-Anwendungen, speziell in der Industrie. Auf der Modulanbieterseite finden sich entsprechend viele Anbieter, die spezielle Märkte adressieren und nie zu einem Standard gefunden haben.

Da sich ARM-Prozessoren deutlich untereinander und von x86-Prozessoren unterscheiden, ist eine Standardisierung kaum möglich oder sinnvoll. Alle Ansätze einzelner Anbieter führen letztendlich zu erheblichen funktionalen Einschränkungen auf dem Modul. Versuche, ARM9- oder ARM11-Prozessoren auf eine x86-Modulplattform zu bringen, haben entweder die x86-Standardvorgaben erheblich verletzt oder den Platz- und Stromverbrauchsvorteil des ARM-Prozessors verspielt, weil Zusatzchips nötig waren. Es gibt viele Gründe für die etablierten x86-Modulanbieter, diesen Marktbereich zu ignorieren.

Aufholjagd

Ein TQ-Modul mit dem Freescale i.MX32 (dunkelgrün), Qseven (weiß) und die beiden Varianten der Kontron ARM Architecture Platform (blau). Die aus dem x86-Umfeld stammenden Standard-Formate sind sichtbar größer als bisherige ARM-Module.

Ein TQ-Modul mit dem Freescale i.MX32 (dunkelgrün), Qseven (weiß) und die beiden Varianten der Kontron ARM Architecture Platform (blau). Die aus dem x86-Umfeld stammenden Standard-Formate sind sichtbar größer als bisherige ARM-Module.TQ

Mit der Vorstellung der Cortex-A8- und Cortex-A9-Prozessoren ändert sich das Bild jetzt erheblich. So haben die ARM Cortex-A8-Prozessoren mit den bekanntesten Vertretern Texas Instruments OMAP35xx und Freescale i.MX5x eine deutlich verbesserte Grafik: Auflösung und Anzahl der Grafikschnittstellen nähern sich der x86-Welt. Die typischen x86-Schnittstellen wie USB-OTG und -Host, Fast Ethernet und MMC/SD sind selbstverständlich. Cortex-A8-Prozessoren sind damit schon erheblich näher an Low-End-x86-CPUs und werden für typische x86-Anwendungen interessant. Praktischerweise besitzen sie weiterhin die klassischen Industrieschnittstellen wie CAN, UART, I²C und GPIO. Das vereinfacht den Einsatz in Industrie-Applikationen.

Die Annäherung an die x86-Welt hat die ersten x86-Modulanbieter auf den Plan gerufen. Die ersten Qseven-Module mit ARM-Cortex-A8-Prozessoren sind am Markt erhältlich. Auch wenn die ursprünglichen Qseven-Spezifikationen unter anderem mit PCI Express und Gigabit-Ethernet nicht eingehalten werden, ist dies ein erster Standardisierungsversuch in der ARM-Prozessorwelt. Die Qseven-Spezifikationen wurden in der Version 1.2 auf die ARM-Anforderungen angepasst.

Gleichstand mit Atom

Spätestens mit den kommenden Cortex-A9-Prozessoren haben die ARM-CPUs mit Low-End-x86-Prozessoren in der Leistung gleichgezogen, wenn nicht gar überflügelt. Ein wesentlicher Entscheidungspunkt für den Anwender sind außerdem die deutlich geringere Verlustleistung und der kleinere Platzbedarf für die Ein-Chip-ARM-Lösung. Es ist jedoch zu erwarten, dass Intel alle Anstrengungen unternimmt, um hier zu kontern.

Die beiden angekündigten Vertreter der führenden ARM-Prozessoranbieter sind Texas Instruments OMAP44xx und Freescale i.MX 6. Zu deren wesentlichen Entwicklungsfortschritten gehören eine deutlich verbesserten Grafik bis zu Full HD, HDMI-Schnittstellen, Unterstützung von bis zu vier unterschiedlichen Displays, Gigabit-Ethernet und PCI Express. Die Standard-x86-Schnittstellen sind somit auch in der ARM-Welt präsent. Auch Multi-Core ist kein Fremdwort mehr bei ARM-Prozessoren. War bei den Low-End-ARM-Prozessoren nur ein geringer Teil der Schnittstellen gleich bei unterschiedlichen Anbietern, ist im Cortex-A9-Angebot eine Ähnlichkeit unverkennbar.

Standard-Module mit ARM

Die hohe Performance und die von x86 bekannten Schnittstellen ermöglichen den Einsatz von ARM in Applikationen, die bisher typischerweise von x86-Systemen besetzt waren. Das ruft die etablierten x86-Modulanbieter auf den Plan. Aus den Erfahrungen und dem Erfolg im x86-Markt mit ETX, XTX, COM Express und Qseven, die etablierten Standards oder De-facto-Standards, liegt es nahe, auch im ARM-Modulmarkt nach Standards zu suchen. Wie nicht anders zu erwarten, sind die treibenden Kräfte hinter den x86-Standards auch die treibenden Kräfte hinter den Vorschlägen für den ARM-Modulmarkt. Zwei Ansätze sind im Markt sichtbar: Qseven und Kontron ARM Architecture.

Der Größenvergleich eines klassischen ARM9-Moduls (TQMa28 mit Freescale i.MX28 von TQ) mit der kleinen Ausprägung der Kontron ARM Architecture zeigt, wie viel mehr Platz auf der Standard-Platine verfügbar ist.

Der Größenvergleich eines klassischen ARM9-Moduls (TQMa28 mit Freescale i.MX28 von TQ) mit der kleinen Ausprägung der Kontron ARM Architecture zeigt, wie viel mehr Platz auf der Standard-Platine verfügbar ist.TQ

Vergleicht man beide De-facto-Standards, sind einige wesentliche Unterschiede auf den ersten Blick sichtbar. Ein entscheidendes Merkmal ist sicher die Board-Größe. Hier liegt das Kontron-System mit 82 x 50 mm (4100 mm²) vor dem Qseven-Format mit 70 x 70 mm (4900 mm²). Die größere Kontron-Variante mit 82 x 80 mm (6560 mm²) ist vorgesehen für künftige leistungsstärkere Prozessoren, deren Abwärme über das kleinere Format gar nicht mehr sinnvoll abzuführen wäre.

Stecker-Frage

Entscheidend ist auch das Stecksystem. Das bei Qseven eingesetzte MXM hat 230 Pins bei einem Pin-Abstand von 0,5 mm. Bei der Frage, ob sich dieses System für eine raue Industrieumgebung eignet, gehen die Meinungen weit auseinander. Der Kontron-Vorschlag setzt auf einen MXM3.0-Stecker mit 314 Pins und einem Pin-Abstand von 0,5 mm. Dieses System ist in einer besonders Schock- und vibrationsfesten Version verfügbar sowie in einer besonders flachen Bauform lieferbar. Damit kommt es auch für sehr kompakte Geräte in Frage, die wie ein iPad aussehen könnten.

Bei der Pinzahl ist klar, dass ein Kontron-System mehr Signale zur Verfügung stellen kann als ein entsprechendes Qseven-Modul. TI oder Freescale Cortex-A9-Prozessor könnten in der Applikation bis zu 300 oder 320 Signale bereitstellen. Weder das Qseven- noch das Kontron-System haben dazu ausreichend viele Pins. Es bleiben immer einige Signale übrig, die nicht über das Steckersystem verfügbar sind. Die Kunst der finalen Definition wird also darin liegen, die richtigen und wichtigen Signale im De-facto-Standard festzulegen. Hoffentlich berücksichtigt die Definition auch zukünftige Schnittstellen der nächsten Prozessorgeneration.

Spannende Entwicklungen

TQ ist schon lange im ARM-Modulmarkt tätig und wird die Entwicklungen und Standardisierungsbestrebungen sorgfältig beobachten. Der Weg zu einem universellem TQ-ARM-Modul, das alle Signale zur Verfügung stellt und optimiert auf die Baugröße entwickelt wird, die höchstmögliche Integration mit höchstem Speicherausbau realisiert, absolut robust und damit auch für anspruchsvolle Industrieanwendungen geeignet ist und für 10 bis 15 Jahre lieferbar ist, bleibt aber weiterhin offen. Die endgültige Richtung wird der Markt zeigen.