IDF: 5 Atome ab 0,6 Watt, Details zur Architektur

Intels Kleinster ist sparsamster x86-Prozessor. Der kleinste x86-Prozessor, den Intel je gebaut hat, ist der heimliche Star des IDF in Schanghai. Nach der Vorstellung der Atom-CPU auf der CeBIT hat Intel nun auch die verschiedenen Varianten enthüllt und weitere Details zu Architektur und Chipsatz bekanntgegeben. Demnach sprechen für den Atom nicht nur PC-Kompatibilität, sondern auch ein vergleichsweise geringer Stromverbrauch.

2. April 2008 um 05:31 Uhr / Nico Ernst

Wie bei neuen CPU-Designs üblich, gibt Intel auch beim Atom (früher als "Silverthorne" bekannt) die Informationen über die Architektur und die darum gebaute Plattform nur scheibchenweise bekannt. Die Grundzüge der Atom-Architektur hatte Intel bereits im Februar 2008 zur Konferenz ISSCC erklärt. Im Wesentlichen handelt es sich um einen sehr einfach gestrickten In-Order-Prozessor, dessen Funktionseinheiten per HyperThreading verschiedene Aufgaben erfüllen können.

Diese Mehrfachverwendung macht das Die mit knapp 25 Quadratmillimetern auch so winzig: Nur, was spezielle Aufgaben hat, wie beispielsweise die Dekodierung von Befehlen, ist als Einheit mit nur einer Funktion ausgeführt. Alles andere wird flexibel genutzt. Anders als alle anderen modernen x86-CPUs beherrscht der Atom zudem keine Out-of-Order-Verarbeitung, kann sich die Befehle also nicht selbst neu sortieren. Vielmehr werden die Instruktionen in der Reihenfolge abgearbeitet, in der sie ankommen.

Das hat Vor- und Nachteile. Positiv wirkt sich aus, dass eine lange Pipeline wie zu Zeiten des Pentium 4 nicht notwendig ist. Die langen Pipes sorgen für eine hohe Leistungsaufnahme, da fehlerhafte Vorhersagen häufig vorkommen und sich dadurch viele Teile der CPU selten abschalten können. Das beherrscht als "Deep Power Down", oder als Betriebszustand "C6" genannt, der Atom recht gut. In C6 werden die Takte komplett abgeschaltet und L1- wie L2-Cache geleert. Die CPU braucht dann nur noch 0,2 Watt, aber auch recht lange, um wieder aufzuwachen.

Negativ an In-Order-Prozessoren wirken sich wüste Multi-Threading-Betriebssysteme wie Windows Vista und deren Anwendungen aus. Die Ausführung eines Threads wird ständig unterbrochen, was für fehlerhafte Sprungvorhersagen und ungültige Daten in Caches sorgt. Letzteres ist auch der Grund, warum Intel dem Atom mit 512 KByte einen für Handheld-CPUs sehr großen L2-Cache spendiert hat. Nicht umsonst favorisiert Intel neben Windows auch Linux für die "Mobile Internet Devices" (MID). Hier kann der Code über einen speziellen Compiler – und solche stellt Intel bekanntlich ja auch her – an die CPU angepasst werden. Ein für Atoms kompiliertes Linux dürfte auf dem Prozessor-Zwerg um ein Mehrfaches schneller laufen als ein Windows aus Closed-Source-Anweisungen.

Wenn es denn doch Windows sein muss, kann das HyperThreading immerhin noch den Nachteil der Rechenleistung des In-Order-Atom lindern. Zwei Threads werden parallel ausgeführt, das kostet aber laut Intel 20 Prozent mehr elektrischer Leistung – und bringt nur 30 Prozent mehr Rechenleistung. Bei einem besonders sparsamen Gerät, etwa den von Intel ersehnten, aber noch nicht vorgestellten Smartphones auf Atom-Basis, dürfte also ein Linux mit abgeschaltetem HyperThreading zum Einsatz kommen.

Prozessor	Takt	TDP
Z500	800 MHz	0,6-0,7 Watt
Z510	1,1 GHz	2 Watt
Z520	1,33 GHz	2 Watt*
Z530	1,6 GHz	2 Watt*
Z540	1,86 GHz	2,4 Watt*
* Hyperthreading kann die Leistungsaufnahme um weitere 200mW steigern, sofern eine Anwendung ausgeführt wird, die von Hyperthreading Gebrauch macht

Die Pipeline des Atom ist mit 16 Stufen kurz gehalten, die Hälfte davon braucht der Prozessor allein bis zum Cache-Zugriff auf Daten. Wenn hier ein Thread dazwischenfunkt, bremst das für viele Takte – denn die Pipeline hat sich dann umsonst bemüht und kann von vorne anfangen. Anders als noch beim Pentium III soll sie aber von 800 MHz bis 2,5 GHz noch sehr gut skalieren. Die Spannung steigt aber in diesem Bereich von unter 0,7 bis 2,5 Volt an.

Wie viel Spannung der kleinste Atom, das Modell Z500 mit 800 MHz, genau braucht, hat Intel noch nicht verraten. Er ist aber bei 0,6 bis 0,7 Watt der sparsamste, schon für eine 40 Prozent höhere Taktfrequenz braucht der nächstgrößere Z510 mit 1,1 GHz fast 200 Prozent mehr elektrischer Leistung: ganze 2 Watt.

Diese TDP-Angabe von 2 Watt kann Intel bis zum Z530 mit 1,6 GHz halten, dabei sind die 20 Prozent mehr Strombedarf für HyperThreading aber noch nicht eingerechnet. Erst das bisherige Spitzenmodell mit 1,86 GHz braucht dann – ohne HT – schon 2,4 Watt. Die "Thermal Design Power" sollte man aber gerade bei mobilen Geräten nicht überbewerten, sie ist in diesem Fall mehr noch als bei Notebooks ein Richtwert für das Kühlsystem.

Dennoch sind 2 Watt für einen Handheld-Prozessor viel – typische Geräte mit ARM-Architekturen bewegen sich um 1 Watt. Intel führt hier stets die PC-Kompatibilität ins Feld. Sollte also beispielsweise ein Smartphone mit abgespecktem Windows XP erscheinen – nicht mit Windows Mobile -, stünde sofort das gesamte Softwareangebot für Windows zur Verfügung.

1 Watt will Intel erst 2009 mit dem Atom-Nachfolger "Lincroft" erreichen, in diesem System-on-a-Chip (Soc) sind bereits Grafik und Speichercontroller integriert. Diese Funktionen muss für Atom bisher noch der Chipsatz "Poulsbo" erledigen. Dieser braucht aber weitere 600 bis 800 Milliwatt, je nachdem, welche seiner Einheiten wirklich benötigt werden. Die beiden x1-Ports für PCI-Express kann man ihm beispielsweise dauerhaft abknapsen, um Strom zu sparen.

Der "System Controller Hub" (SCH), wie Poulsbo in Anlehnung an die ICHs aus Destops und Notebooks auch heißt, ist ein 1-Chip-Chipsatz mit Grafik, die bis zur 1080i-Ausgabe von HD-Videos alles beherrscht. Ob Intel aber das Kunststück fertigbringt, in einer Lösung von rund 3 Watt wirklich Blu-ray-Inhalte wiederzugeben, darf bezweifelt werden – Nvidia hatte Ähnliches, wenn auch nur bis 720P, ja auch bereits versprochen .

Ein HDMI-Interface hat Poulsbo jedenfalls nicht. Dafür kommt er über einen einzelnen Speicherkanal für DDR2-Bausteine mit bis zu 1 GByte bei bis zu effektiv 533 MHz klar. Alle anderen Schnittstellen wie theoretisch acht USB-2.0-Ports, paralleles IDE und drei Ports für SD-Karten – einer dürfte für lokalen Flash-Speicher verwendet werden – bringt er jedenfalls auch mit.

Die Ausstattung ist damit ziemlich komplett – wären da nicht die Netzwerke. Für alles, vom GSM oder UMTS über WLAN oder GPS, braucht eine Atom-Plattform Zusatzbausteine. Die hat Intel aber immerhin auch bis auf das in den USA weitgehend unbekannte UMTS auf einer Platine als Referenz-Design von 74 x 143 Millimetern schon integriert.

Nun fehlen nur noch die attraktiven Geräte aus diesen Bausteinen von Intel. Dass sich Steve Jobs mit einem atombetriebenen iPhone in Schanghai blicken lässt, was damit auch sein erster IDF-Auftritt wäre, darf bezweifelt werden. Zeit wäre es: Den Intel-CEO Paul Otellini ließ Apple schon zwei Mal auf seinen Veranstaltungen auftreten.