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Apples Arm-Chips könnten für die Konkurrenz auf Jahre unerreichbar bleiben

10. Mai 2021 | Tech

Dass Apple seine Macintosh-Computer auf selbstentwickelte Arm-basierende Chips umstellen wird, wurde bereits seit Jahren spekuliert. Einige hatten jedoch die Befürchtung, dass ein „iPad Chip“ nicht dafür geeignet sei, um einen kraftvollen Computer im professionellen Einsatz betreiben zu können. Teilweise wurde ein solches Vorhaben belächelt und Apple wurde vorab vorgeworfen professionelle Nutzer zu vernachlässigen, da solche Chips sicherlich auf private Konsumenten abzielen, deren Computernutzung sich auf E-Mails schreiben, Websurfen und Social Media posten beschränkt.

Die erste Generation der neuen Macintosh Chips (M1), die für die unterste Kategorie der Macs gefertigt wurde, schockte mit ihrer Leistung und Effizienz jedoch die gesamte Computerindustrie allen Voran den vorherigen Chip-Lieferanten Intel.

Wie konnte das passieren?

Einige behaupten Apple disruptierte mit der Einführung des M1-Chips die Chip-Technologie über Nacht. Das ist aber nicht der Fall. Apple produziert bereits seit Jahren Arm-Chips für seine iPhones, iPads, Apple Watches und sogar AirPods. Diese basieren nicht auf der x86-Architektur wie sie Intel und AMD zumeist verwenden. Die Erkenntnisse und das Know-How, welches Apple über die Jahre gesammelt hat, kamen bei der Entwicklung des Arm-Chips für den Mac zum Tragen. Letztlich ist die Architektur der neuen M-Reihe mit der A-Reihe der iPhone und iPad Chips vergleichbar.

Während die Leistung der Intel-Chips in den letzten fünf Jahren nahezu stagnierte, konnte Apple mit seinen iOS-Chips jedes Jahr einen deutlichen Performance-Boost verzeichnen. Mittlerweile sind wir an einem Punkt angekommen, wo vor allem die Chips in den iPad Pros in einigen Benchmark Tests den Intel-Chips überlegen sind. Insbesondere im Bereich Single Core.

Benchmark-Vergleich zwischen den neuesten Intel- und Apples A-Chips

Quelle: AnandTech

Das Beeindruckende daran ist, dass dies mit einer weitaus geringeren Energiebelastung einher geht. Vor allem bei Notebooks ist dies ein großer Vorteil, da die Akkulaufzeit dramatisch verbessert werden kann.

Dieses Chart zeigt auffällige Parallelen zu Charts der “Theorie der disruptiven Technologie“.

Ein ganzer Computer in nur einem Chip

Der M1 ist das Erste von Apple entworfene „System on a Chip“ (SoC), das für den Einsatz in Macs entwickelt wurde. Der Chip markiert gleichzeitig Apples Übergang von Intel zu den eigenen Arm-basierenden Chips.

Als SoC integriert der M1 verschiedene Komponenten wie CPU, GPU, Unified-Memory-Architektur (RAM), Neural Engine, Secure Enclave, SSD-Controller, Bildsignalprozessor, Encode/Decode-Engines, Thunderbolt-Controller mit USB-4-Unterstützung und mehr.

Bildliche Darstellung des M1 Chips bei der Vorstellung durch Apple

Die einheitliche Speicherarchitektur, ist ein Grund dafür, warum der M1 so viel schneller und effizienter ist als frühere Intel-Chips. Alle Technologien im M1 können auf dieselben Daten zugreifen, ohne zwischen mehreren Speicherpools wechseln zu müssen. Dass Apple auch das Betriebssystem (MacOS) und die Compiler kontrolliert sorgt dafür, dass die CPU “maßgeschneidert“ ausgereizt werden kann.

Die in den M1-Chip eingebaute Unified-Memory-Architektur sorgt dafür, dass CPU, GPU und andere Prozessorkomponenten keine Daten untereinander kopieren müssen, sondern auf den selben Datenpool zugreifen können. Dies bringt deutliche Geschwindigkeits- und Effizienzvorteile.

Der M1 ist auf einem hochmodernen 5-Nanometer-Prozess aufgebaut (5 nm = kleinere Transistoren für mehr Leistung bei weniger Energie). Die neuesten Intel-Chips können seit kurzem gerade einmal 10 nm erreichen.

Es befinden sich insgesamt 16 Milliarden Transistoren auf dem Arm-Chip, um einen sehr schnellen CPU-Kern und eine bis Dato beispiellose CPU-Leistung pro Watt zu erreichen. Apples Chipdesign hat es ermöglicht, Macs zu entwickeln, die weitaus schneller und energieeffizienter sind, als es mit den von Intel entwickelten Chips jemals möglich war.

Apples Gründe für die Entwicklung eines eigenen Chips

Es gibt mehrere Gründe warum Apple sich dazu entschlossen hat eigene Chips zu bauen:

  • Die technische Weiterentwicklung und Innovationskraft der Intel-Chips stagniert seit Jahren
  • Die Kosten der Chips können reduziert werden wenn „In-House“ produziert werden kann
  • Apple kann die Produktion und die Releasezyklen besser kontrollieren
  • Arm-Prozessoren sind vermutlich die zukunftsfähigere Architektur

Die Konkurrenz kann Arm-Chips nicht im gleichen Maße anpassen

Wenn das was Apple macht so clever ist, warum macht es dann nicht jeder? Teilweise geschieht dies bereits. Andere Chiphersteller bauen zunehmend spezialisierte Hardware in ihre Chips ein. AMD hat bereits begonnen, stärkere GPUs in einige seiner Chips einzubauen und bewegt sich allmählich in Richtung einer Form von SoC, die im Grunde CPU-Kerne und GPU-Kerne auf demselben Silicon vereint. Windows-on-Arm gibt es auch schon länger. Microsoft hat hier aber seit Beginn mit Problemen zu kämpfen.

Es gibt einige Gründe, warum andere Hersteller SoC’s letztlich nicht so umsetzen können wie Apple. Ein SoC ist wie gesagt ein ganzer Computer auf nur einem Chip. Das würde es eigentlich zu einem natürlicheren Geschäftsfeld für einen echten PC-Hersteller, wie Lenovo, Dell, Asus etc. machen.

Aus Sicht von Intel und AMD könnte man sagen: Wenn ihr Geschäftsmodell darin besteht, Automotoren zu bauen und zu verkaufen, wäre es ungewöhnlich plötzlich mit der Herstellung und dem Verkauf ganzer Autos anzufangen.

Die Geschäftsmodelle von Intel und AMD basieren auf dem Verkauf von Allzweck-CPUs, die die PC-Hersteller auf ein Motherboard stecken. Diese kaufen in der Regel, Speicher, CPUs und Grafikkarten von verschiedenen Anbietern und integriere sie in ihre Systeme.

Beispiel für ein traditionelles Motherboard

Sind SoC’s die Zukunft für alle Chip-Hersteller?

Diese traditionelle Vorgehensweise scheint ein Ablaufdatum zu haben. In der neuen SoC-Welt werden keine physischen Komponenten von verschiedenen Anbietern mehr zusammengebaut. Stattdessen bauen die Hersteller „geistiges Eigentum“ von verschiedenen Anbietern zusammen. Sie kaufen das Design für Grafikkarten, CPUs, Modems, IO-Controller und sonstigen Komponenten von den Anbietern und verwenden es, um ein SoC intern zu entwickeln. Dann beauftragen Sie einen Chip-Hersteller mit der Herstellung (z.B. TSMC).

AMD Chip

Hier haben die PC-Hersteller jedoch vermutlich ein Problem, denn weder Intel noch AMD oder Nvidia werden ihr geistiges Eigentum ohne weiteres an die Hersteller lizenzieren, damit diese ein SoC für ihre Maschinen herstellen können. Sonst würden sie nämlich ihr eigenes Businessmodell, den Verkauf von Computerchips, torpedieren.

Intel Chip

Intel und AMD könnten natürlich auch einfach anfangen, fertige SoC’s zu verkaufen. Aber was für Spezifikationen sollten diese beinhalten? Die verschiedenen PC-Hersteller haben unterschiedliche Anforderungen. Es könnte zu einem Konflikt zwischen Intel, AMD, Microsoft und den PC-Herstellern darüber kommen, welche Art von spezialisierten Chips enthalten sein sollten, da diese auch eine dementsprechende Software-Unterstützung benötigen. Der Entwicklungsaufwand wäre enorm.

Insbesondere auch die Integration der Software ist eine hohe Hürde. Solange x86-Chips weit verbreitet sind und verkauft werden, wird es schwierig werden die Entwickler dazu zu bewegen ihre Software zügig anzupassen. Microsoft versucht das mit seinen Windows-on-Arm Geräten seit Jahren vergeblich. Apple hat den Entwicklern mit ihrer Aussage, dass die komplette Transformation der Macintosh Computer zu Arm in zwei Jahren abgeschlossen wird, die Pistole auf die Brust gesetzt. Friss oder Stirb.

Für Apple ist die Integration ohnehin einfacher. Sie kontrollieren die ganze Kette der Produktion. Hier kommt die Power zu tragen wenn über Soft- und Hardware selbst verfügt werden kann.

Was bedeutet die neue Architektur für Mac-Nutzer und für das Betriebssystem MacOS?

Für die Nutzer ändert sich erstmal recht wenig. MacOS war bereits vor der aktuellen Version „Big Sur“ ein ziemlich geschlossenes Betriebssystem. Besitzer eines Macs sitzen in Apples goldenen Käfig. Der Robustheit und Performance des OS stehen die fehlende Möglichkeit von Anpassungen und Freiheiten, wie sie beispielsweise Linux-Nutzer genießen, gegenüber. Jedoch ist MacOS nicht so abgeriegelt wie iOS und iPadOS. Bei diesen Betriebssystemen ist es beispielsweise ohne weiteres nicht möglich, wie bei Android, Software außerhalb des App Stores zu installieren. Die Befürchtungen einiger Skeptiker sind aber nicht eingetreten. Unter MacOS bleiben Softwareinstallationen auch außerhalb des Mac App Stores möglich.

Der Marktanteil von Apple ist global gesehen weiterhin verhältnismäßig niedrig. Wenn man jetzt aber den Preis, die Leistung/Qualität und die Effizienz der ersten Macs mit Arm-Chip in Vergleich zur Konkurrenz sieht, muss man tatsächlich sagen, dass es auf dem Markt in diesen Punkten derzeit keine Konkurrenz gibt. Es hört sich zwar komisch an, aber

Die M1 Macs sind aus Preis-Leistungssicht momentan nicht zu überbieten

Es ist nicht unwahrscheinlich, dass Apple Macs, so wie sie jetzt aufgestellt sind weitere Marktanteile von Windows gewinnen werden. Insbesondere wenn die ersten Nachfolger des Einstiegschips M1 erscheinen und alle Softwareanwendungen für die Arm-Architektur optimiert wurden. Diese werden vermutlich deutlich leistungsfähiger und energieeffizienter sein als die stärksten Chips von Intel und AMD in den jeweiligen Kategorien.

Und mit deutlich meinen wir DEUTLICH.

Der M1-Chip in einem MacBook

Quelle: iFixit

Fazit

Wir bei Pyngu Digital nutzen, je nach Einsatzzweck, sowohl MacOS als auch Linux Betriebssysteme. Im täglichen Einsatz erwies sich unser M1 Mac gegenüber seinen Intel Vorgängern in den meisten Fällen als überlegen. Und dass, obwohl er wesentlich günstiger ist als die höher klassifizierten Macs, die wir davor im Einsatz hatten. Von der Energieeffizienz ganz zu schweigen.

Man kann zu Apple stehen wie man will. Aber aus technologischer Sicht hat das Unternehmen aus Cupertino mit seinen ersten eigenen Chips auf Arm-Basis geliefert. Und das war vermutlich erst der Anfang…

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