Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/smartphone-das-schnellere-64-bit-d-j-vu-1405-106105.html    Veröffentlicht: 05.05.2014 09:39    Kurz-URL: https://glm.io/106105

Smartphone

Das schnellere 64-Bit-Déjà-vu

Apples iPhone 5S war der Vorreiter, viele weitere 64-Bit-Smartphones werden folgen. Aktuell bietet eine 64-Bit-Architektur kaum Vorteile, mittelfristig gehört ihr jedoch dank mehr als 4 GByte Arbeitsspeicher und deutlich höherer Leistung sowie Effizienz die Zukunft.

Drücken wir es doch einmal so aus: Der A7-Chip im iPhone 5S ist nichts weiter als eine Kombination aus Apples Marketing und ARMs Bestrebungen, im Server-Markt besser Fuß zu fassen. Bis heute ist das iPhone 5S das weltweit erste und einzige 64-Bit-Smartphone, Apples A7 rechnet oft doppelt so schnell wie sein nur 32 Bit unterstützender A6-Vorgänger und damit flotter als die die meisten anderen Prozessoren. Also alles ganz einfach? Fast.

64-Bit-Architekturen gibt es in Supercomputern seit Jahrzehnten, im Server-Segment seit den 1990ern, im PC-Markt, in Form von AMDs Athlon 64 und Apples G5, seit 2003. Durch die Playstation 4 sowie die Xbox One hat 64 Bit mittlerweile auch die Spielekonsolen erreicht. Die Nintendo 64, die Playstation 2, die Playstation 3 und die Xbox 360 basieren zwar auf 64-Bit-Architekturen, der Spielecode ist aber in 32 Bit geschrieben, damit er schneller berechnet wird.

Apple macht es vor, die anderen ziehen nach

Intel verkauft derzeit die meisten 64-Bit-Prozessoren weltweit - um so mehr verwundert es, dass dieser Hersteller nicht das erste 64-Bit-Smartphone angekündigt hat, denn das nötige Know-how ist seit Jahrzehnten vorhanden. Was innovative Technologien anbelangt, ist Intel abseits der Halbleiterfertigung jedoch eher zurückhaltend. 64 Bit voranzutreiben, war ein zu erwartender Schachzug von Apples Marketing.

Kaum war das iPhone 5S offiziell vorgestellt, sprachen viele Hersteller der Technologie den Nutzen ab, kündigten aber nur wenige Zeit später ebenfalls 64-Bit-Smartphone-Chips an. Die Grundlage hatte ARM im Oktober 2011 in Form der ARMv8-Architektur geschaffen, die bisher 30 Hersteller lizenziert haben. Ein Jahr später stellte ARM die Cortex-Kerne A57 und A53 vor.



256 TByte RAM für Multithreading

Die ARMv8 bietet die Ausführungszustände Aarch32 und Aarch64, letzterer beinhaltet die A64-Befehlssätze und damit 64 Bit. Die meisten 64-Bit-Architekturen sind eine Erweiterung von 32 Bit und daher abwärtskompatibel. Eine Ausnahme sind Intels Itanium-Prozessoren, die 32-Bit-Code sehr langsam emulieren müssen.

Eine 64-Bit-Architektur bietet mehrere Vorteile: Die Recheneinheiten eines Prozessors, die Arithmetic Logic Units, und deren allgemeine Datenregister (winzige, sehr schnelle Speichereinheiten, die General Purpose Registers, kurz GPRs) sowie der Adressbus sind doppelt so breit wie bei 32 Bit ausgelegt. Hierdurch steigt die Rechengeschwindigkeit bei Integer-Datentypen und der Prozessor (genauer: dessen Speichercontroller) kann weitaus mehr physikalischen Speicher adressieren.

Mit 32 Bit sind ohne Erweiterungen nur 2^32 Byte möglich, also 4 GByte für alle Anwendungen und das Betriebssystem - bei 64 Bit hingegen stehen theoretisch 2^64 Byte und damit 16 Exabyte (16 Millionen GByte) zur Verfügung. Der Adressbus muss allerdings nicht zwingend 64 Leitungen bieten: Die ARMv8-, die AMD64- und die Intel-64-Architektur nutzen 48 Bit, weswegen Prozessoren mit dieser Technologie maximal 256 TByte ansprechen können.

Allerdings unterstützen Intel-CPUs ab dem Pentium Pro und AMD ab dem Athlon 64 die PAE (Physical Address Extension), die bei einem 32-Bit-System die Adressleitungen auf 36 respektive 40 erhöhen.

Heutige Smartphones wie Oneplus' One bieten höchstens 3 GByte Arbeitsspeicher und bis auf iOS7 nur ein 32-Bit-Betriebssystem. Für mehr RAM sind ein 64-Bit-Prozessor und ein entsprechendes Betriebssystem zwingend notwendig. Ansonsten liegt zusätzlicher Arbeitsspeicher brach, da das Betriebssystem ihn nicht nutzen kann. Soll ein einzelnes Programm mehr als 3 GByte benötigen, so muss es ebenfalls im 64-Bit-Format vorliegen.

Der Hintergrund ist folgender: Dem Betriebssystem ist Teil des Arbeitsspeichers fest zugeordnet, weswegen nur 3 GByte pro Anwendungen bereit stehen - zumindest unter Linux. Ein 32-Bit-Windows begrenzt den RAM sogar auf 2 GByte, einzig mit einem LAA-Flag (Large Address Aware) sind 3 GByte pro Ausführungsdatei möglich.

Dies ist auf absehbare Zeit bei Smartphones zwar nicht notwendig, viele Apps gleichzeitig belegen jedoch ebenfalls Speicher, und zwar immer mehr. Für flottes Multitasking ist 64 Bit daher wichtig, da zumindest Android-Apps bei zu wenig freiem RAM nicht wie bei einem Desktop-Linux ausgelagert, sondern bis auf Ausnahmen aus dem LRU-Cache oder Speicher geworfen werden. Im Consumer- oder Server-Segment ist 64 Bit übrigens seit Jahren üblich: Aufwendige Bildbearbeitung oder große Datenbanken wären ohne viel Arbeitsspeicher undenkbar.

ARMv8 war eigentlich für Server gedacht

Wie eingangs erwähnt sind 64 Bit für Smartphones als Nebenprodukt von ARMs Server-Ambitionen zu sehen: ARM hofft, durch die ARMv8-Architektur, deren Lizenzierungen und die Fähigkeit, mehr als 4 GByte Arbeitsspeicher zu adressieren, Marktanteile mit energieeffizienten Systemen zu ergattern.

AMD beispielsweise geht davon aus, dass bis 2019 der Anteil an ARM-Prozessoren im Servermarkt bei 25 Prozent liegen wird, und hat mit dem Opteron A1100 einen passenden Prozessor mit acht Cortex-A57-Kernen angekündigt.



Schneller auch ohne 64 Bit

Die Cortex A57 sollen laut ARM dreimal so flott rechnen wie ihre A15-Vorgänger, Apples A7 soll doppelt so schnell sein wie der A6. ARM rechnet allerdings höhere Frequenzen durch eine bessere Fertigungstechnologie mit ein. In beiden Fällen ist es ohnehin nicht nur die 64-Bit-Fähigkeit an sich, welche die Leistung steigert, sondern vor allem Anpassungen des Chipdesigns.

64 Bit hat neben Vorteilen auch Nachteile: Zwar verarbeiten die Register eines Prozessors bei 64 Bit pro Takt doppelt so viele Bytes wie bei 32 Bit, Adresszeiger und Daten belegen jedoch doppelt so viel Speicherplatz. Da diese zugunsten einer hohen Rechengeschwindigkeit in den Caches der CPU-Kerne abgelegt werden müssen, ist es unabdingbar, diese Puffer zu vergrößern.

Passen die Daten beispielsweise nicht in den schnellen L1-Cache, werden sie in die zweite, langsamere Cachestufe ausgelagert. Dadurch dauert es länger, bis die Recheneinheiten auf die Daten zugreifen können, und sie müssen warten - die Leistung sinkt.

Mehr Register, mehr Cache

Daher hat Apple beim A7 (Codename "Cyclone") unter anderem den L1-Instruktionen- und den L1-Daten-Cache verglichen mit dem A6 (Codename "Swift") von je 32 auf 64 KByte verdoppelt sowie zusätzlich die Latenz des L2-Puffers drastisch beschleunigt. ARM und Nvidia verfahren bei den Cortex- respektive Denver-Kernen ähnlich. Eine weitere Änderung beim A7 ist das auf 64 statt 32 Bit verdoppelte Dualchannel-Speicherinterface, an das schnelleres Low Power DDR3-1333- statt DDR2-1066-RAM angeschlossen ist.

Die ARMv8 sieht zudem beschleunigte Verschlüsselungsalgorithmen und 31 statt nur 15 allgemeine Register vor, diese sind 64 statt 32 Bit breit. Daher laufen selbst 32-Bit-Programme auf einem 64-Bit-Prozessor schneller, da die zusätzlichen Register die Leistung erhöhen. Die Gleitkommaregister verdoppeln die Architektur von 32 auf 64 Stück, sie sind außerdem 128 statt 64 Bit breit.

All diese Verbesserungen zusammen steigern die Geschwindigkeit, deswegen ist der A7 in einigen Benchmarks doppelt so flott wie der A6 (zudem muss dieser alle Aufgaben des M7-Koprozessors übernehmen). Und das, obwohl beide Prozessoren im iPhone 5 respektive iPhone 5S jeweils mit 1,3 GHz takten und nur 1 GByte Arbeitsspeicher anbinden sowie zwei Kerne bieten.



64-Bit-Smartphone-Benchmarks

Werden die zusätzlichen Register im 64-Bit-Modus genutzt, erhöht sich die Geschwindigkeit weiter. Um dies möglich zu machen, hat Apple nicht nur iOS7 selbst, sondern auch jegliche relevante Anwendungen wie den Safari-Browser neu programmiert. Dieser eignet sich nicht als Benchmark, der Geekbench 3.1.6 schon: Das Tool führt viele Integer- und Floating-Point-Berechnungen durch und unterstützt 32 sowie 64 Bit.

Im Consumer-Bereich am PC, beispielsweise bei der Bildbearbeitung, steigern angepasste 64-Bit-Programme die Leistung um etwa 10 bis 40 Prozent. Wie unsere Messungen auf einem iPhone 5S mit dem Geekbench zeigen, erledigt der A7-Prozessor viele Berechnungen dank 64 Bit meist um ein Viertel bis ein Drittel zügiger.

Raytracing läuft gar um die Hälfte flotter, Dijkstra hingegen deutlich langsamer. Laut Anandtech ist dies den doppelt so großen Adresszeigern geschuldet, die nicht mehr in die Caches passen. Die Leistung bei AES und SHA1 erklärt sich durch die beschleunigten Verschlüsselungsalgorithmen.

Fassen wir zusammen: Eine 64-Bit-Architektur mit allen ihren Anpassungen ist bereits mit 32-Bit-Code oft schneller als eine 32-Bit-Architektur, entfaltet jedoch erst mit einem angepassten Betriebssystem und entsprechend programmierten Apps ihr volles Potenzial. Hinzu kommt die Option, mehr als 4 GByte Arbeitsspeicher zu adressieren.

Ein Vorteil der höheren Rechengeschwindigkeit ist die Effizienz respektive Akkulaufzeit. Die Hersteller sprechen dabei auch vom "race to sleep": Ziel ist es, Aufgaben schnell zu erledigen und dann wieder einen Schlafmodus zu erreichen. Für einen kurzen Moment steigt zwar die Leistungsaufnahme stark an, über die Laufzeit ist dies jedoch weniger als wenn der Chip bei geringerer Leistungsaufnahme länger rechnen muss.



Von A wie Apple bis Q bis Qualcomm

Folgerichtig haben nach Apple weitere ARM-Lizenznehmer Smartphone-Chips auf Basis der ARMv8 oder der neuen Cortex-Kerne angekündigt: Mediatek den MT6732 (vier Kerne ) und den MT6752 (acht Kerne), Qualcomm die Snapdragons 810 (acht Kerne via big.LITTLE), 615 (acht Kerne), 808 und 610 (je sechs Kerne) sowie 410 (je vier Kerne), Nvidia den Tegra K1 mit Denver-Dualcore und Samsung hat bekannt gegeben, an 64-Bit-SoCs zu arbeiten.

64 Bit für Android

Intel stellte mit Merrifield und Moorefield zwei x86-Chipreihen vor, bisher gibt es jedoch keine Smartphones damit. Dafür hat der Hersteller zusammen mit Google eine an seine x86-Prozessoren angepasste 64-Bit-Version von Android 4.4.2 zum Download veröffentlicht und Benchmarks gezeigt: Auf einem Atom Z3480 ist 64 Bit rund 14 bis 34 Prozent schneller als 32 Bit.

Wann Google ein reguläres 64-Bit-Android vorstellt, ist ebenso unbekannt wie bei Microsoft und dessen Windows Phone. Das Betriebssystem läuft allerdings mit nur 512 MByte sehr flüssig, Geräte wie das Lumia 930 mit 2 GByte RAM haben daher viele Reserven.

Möglicherweise noch in diesem Jahr, aber vermutlich eher zum Mobile World Congress (MWC) im Februar 2015, werden die ersten Smartphones und Tablets mit 4 GByte oder mehr Arbeitsspeicher erwartet. Diese werden dann wohl abseits von iOS7 mit 64-Bit-Betriebssystemen ausgestattet sein.



Alle für einen

Durch immer mehr Kerne und die damit einhergehende steigende Leistung entwickelt sich eine Konvergenz zwischen Computern und mobilen Geräten, von der nicht nur Endkunden, sondern auch Entwickler profitieren. Bis auf Spezialfälle wie Embedded-Systeme in Industrieumgebungen wird sich 64 Bit mittelfristig auch in Smartphones und Tablets durchsetzen - so wie schon bei Servern, Spielekonsolen und PCs.

Bei Letzteren dauerte es von Herbst 2003 (Veröffentlichung des Athlon 64 "Clawhammer") bis Januar 2007 (Start von Windows Vista), bis die Kombination aus 64-Bit-Prozessor und 64-Bit-Betriebssystem im Massenmarkt verfügbar war - Windows XP Professional x64 Edition kam nur eine Nischenrolle zu. Im Smartphone-Markt wird sich 64 Bit unserer Einschätzung nach schon 2015 und damit in vermutlich weniger als zwei Jahren großflächig durchsetzen.

Zwar werden Smartphones oder Tablets auch mit 64 Bit nie die Rechengeschwindigkeit eines zeitgleich in den Handel gekommenen (teureren) Notebooks oder Desktop-PCs erreichen, wohl aber wird möglich werden, die gleichen Anwendungen darauf laufen zu lassen - nur eben etwas langsamer. Dieser Idee am nächsten kommt derzeit Microsoft: Die Universal Apps laufen unter Windows (Phone) 8.1 sowohl auf Tablets und PCs als auch auf Smartphones - eine App für alle.

Zudem basieren schon heute viele Smartphones, Tablets und günstige Notebooks auf der gleichen Architektur (Stichwort Silvermont), weswegen nicht nur die Software, sondern auch die Hardware sich immer weiter annähert.  (ms)


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