Waarom ARM-processoren Intel het nakijken geven

Computers werken sinds de jaren 70 eigenlijk pakweg hetzelfde. Chipfabrikant Intel bedacht toen de x86-structuur voor processors. Dit is een instructieset voor de processor, die bepaalt hoe bepaalde handelingen worden uitgevoerd. Iedere processor maakt rekensommen, maar x86 vertelt aan de processor hoe deze rekensom moet worden uitgevoerd. Alles dat je op je computer doet is hiervan afhankelijk; van het openen van apps tot het spelen van games.

Het toen nog gigantische IBM nam de x86-chips in gebruik, waarna iedere computermaker dit voorbeeld volgde. In de jaren die volgde veranderde er weinig. De x86-chips kregen wel upgrades naar bijvoorbeeld 64 bit, waardoor software met meer geheugen gebruikt kon worden. Maar de chip in jouw kersverse desktop of laptop leunt nog steeds op de principes die in de jaren 70 werden bedacht.

Hoewel die x86-chips prima bleken te werken voor laptops en desktops, was de situatie compleet anders toen bedrijven zoals Apple en Samsung zo’n 15 jaar geleden aan de eerste smartphone begonnen. De klassieke processors zijn energiehongerig, waardoor een laptop met forse batterij het slechts twee uur op een volle accu volhoudt. Voor zo’n apparaat ruim voldoende, maar telefoons moeten het minimaal een hele dag vol kunnen houden.

Rol van smartphones

De smartphonemarkt investeerde daarom in een ander soort chiparchitectuur, die eerder vooral in zeer specifieke zakelijke apparatuur werd gebruikt: ARM genaamd. De ARM-chip verbruikt minder stroom, wat hem ideaal maakt voor draagbare apparaten. Dat krijgt ARM voor elkaar door op andere wijze instructies naar de processor te sturen. 

Een x86-processor krijgt één verwerking ‘per ronde’ opgestuurd, waardoor deze voor vijf rekensommen ook vijf handelingen moet uitvoeren. ARM probeert zoveel mogelijk verwerkingen te bundelen tot één complexe berekening. Die is zwaarder voor de processor, maar netto gebruik je minder rondes (en dus stroom) om hetzelfde gedaan te krijgen.

Zowel Apple als chipmaker Qualcomm stortten zich vol op het ontwerpen en produceren van ARM-chips om te gebruiken in hun telefoons en later ook tablets. Sindsdien bestaan beide chipvormen naast elkaar. Intel produceert voor het overgrote merendeel van de laptops en desktops zijn eigen x86-processors, terwijl bedrijven als Qualcomm de ARM-markt bedienen voor smartphones, tablets en wearables. Een balans die jarenlang prima leek te werken, totdat deze ineens ruw werd verstoord.

De smartphonemarkt groeide in de afgelopen jaren explosief, waardoor fabrikanten van ARM-chips steeds meer geld konden investeren in het ontwikkelen van hun processorsoort. Telefoons en tablets werden met het jaar vele malen krachtiger: Apple sprak bij nieuwe iPhones vaak van een verdubbeling of zelfs verveelvuldiging van de processorkracht, met apps die in luttele seconden konden opstarten en efficiënter met stroom omgingen.

In diezelfde periode maakte x86-processors ook sprongen, maar daar was het plafond steeds dichterbij. Daarnaast klotste het geld daar niet langer over de plinten: de opkomst van smartphones en tablets zorgde dat de gewone computermarkt langzamerhand kromp. Nieuwe modellen computers en laptops boden relatief kleine verbeteringen en optimalisaties, zonder dat chipmakers gouden bergen konden beloven.

Telkens beter

Op termijn werden die ARM-chips zo snel, dat ze gebruikt konden voor meer dan alleen tablets en telefoons om te gebruiken voor Facebook en WhatsApp. Tablets als de iPad Pro werden capabele werkpaarden, in staat tot multitasking en het draaien van geavanceerde software zoals Office en Photoshop.

Het maakte de tablet een geduchte concurrent van de laptop, met één significant voordeel: een veel langere batterijduur. Het gebruik van een ARM-chip in plaats van een x86-processor zorgt voor een gebruiksduur per acculading tot wel negen uur, in plaats van de twee tot vier uur die we van laptops gewend zijn.

In 2019 besloot Microsoft een gok te wagen door een ARM-versie van zijn hybride Surface Pro-laptopreeks uit te brengen. De Surface Pro X is als tablet te gebruiken, maar is in combinatie met de bijgeleverde toetsenbordhoes een volwaardige Windows-computer. Het was voor Microsoft de grote stap naar ARM, nadat Lenovo in mei dat jaar ook een laptop met een ARM-chip van Qualcomm presenteerde die op Windows moest draaien.

Achter die ARM-versie van de Surface Pro schuilt nogal wat werk: alle Windows-software was tot op heden geschreven voor x86-processors, die informatie op een compleet andere manier verwerken dan hun ARM-tegenhangers. Microsoft moest feitelijk zijn eigen besturingssysteem en aanvullende software helemaal opnieuw opbouwen. En externe ontwikkelaars moeten dus ook hun programma’s herschrijven en publiceren in een compleet nieuwe variant, als ze willen dat deze werken op deze Surface Pro.

Het is met een omweggetje wel mogelijk om sommige oude (x86) apps en games te draaien op de ARM-chip. De computer emuleert dan in feite een ouderwetse processor die bovenop de nieuwe chip draait, zodat de software werkt zoals verwacht. Maar dit vergt forse rekenkracht, waardoor de x86-software log en langzaam werkt op Microsofts ARM-machine. Bovendien werkt emulatie op het moment van schrijven alleen nog met 32bit-software. Emulatiesoftware voor 64 bit bevindt zich op dit moment in de testfase en is nog niet breed beschikbaar.

Experimenteel

Het betekent in de praktijk dat krachtige software zoals Photoshop of moderne games nagenoeg nooit werken op de Surface Pro X. De laptop is een prima machine voor alledaags browsen, maar dat is iets waar smartphones en tablets zich ook voor lenen. Hoewel de ARM-processor buitengewoon krachtig is, loopt Windows op softwarevlak nog te ver achter om zich te meten met x86-chips.

Het maakt de Surface Pro X op dit moment nog een experimentele machine. De langere batterijduur is fijn – een in 2020 uitgebracht model hield het ruim tien uur vol – maar er zijn nog te veel haken en ogen om een serieuze dreiging te vormen voor de oude Intel-chiparchitectuur. De ARM-machine dient als voorproefje van een mogelijke toekomst waarin veel meer software vloeiend werkt op de machine en het een serieus alternatief zal zijn voor een x86-gebaseerde computer.

Concurrentie van Apple

Het grootste gevaar voor de Intel-processor komt op het moment uit de keuken van Apple. De fabrikant introduceerde eind 2020 drie nieuwe computers: een MacBook Air, MacBook Pro en een Mac Mini. Maar waar vorige Macs draaiden op hardware van Intel, heeft Apple ditmaal gekozen om zijn eigen chips te ontwerpen en laten produceren.

De Apple M1 is geïnspireerd door chips die in eerdere iPads werden gebruikt, met acht krachtige processorkernen en acht zuinige alternatieven voor verminderd stroomverbruik. Het is een chip die bij tests de Intel-chips volledig uit het veld blaast. Alleen intens krachtige gameprocessors die een capaciteit van 35 watt vragen kunnen zich meten met de nieuwe Apple-hardware, terwijl de M1 zuiniger dan zelfs de meest energievriendelijke Intel-chips is.

Een laptop met een M1-chip laat apps in minder dan een seconde opstarten en werkt zeer lang op één acculading. Apple spreekt bij de nieuwe MacBook Pro van een accuduur van 15 tot 20 uur – wat door de eerste recensenten in de praktijk wordt bevestigd. Het is een laptop die je ‘s ochtends kunt opladen, om vervolgens twee werkdagen achter elkaar te gebruiken. De nieuwe MacBook Air is bovendien muisstil door het ontbreken van een ventilator. ARM-chips hadden op smartphones en tablets immers ook geen actieve koeling nodig.

Niet-geoptimaliseerde apps moeten net als bij de Surface Pro X nog worden geëmuleerd, maar Apple lijkt op dit vlak wel voor te liggen op zijn concurrent: het onderliggende programma Rosetta 2 krijgt de oude x86-software werkend zonder de processor zwaar te belasten. Het verschil met Intel-laptops wordt duidelijk als je de twee direct met elkaar vergelijkt.

Doordat de gebruikte architectuur identiek is aan die op de iPhone en iPad, is het ook mogelijk om op deze nieuwe M1-laptops iOS-applicaties te draaien. Helemaal vlekkeloos werkt dat nog niet: de Mac heeft geen aanraakscherm, waardoor je bepaalde veegbewegingen met onduidelijke knoppencombinaties moet simuleren. Het betekent desalniettemin dat software uit Apples populairste App Store ineens op laptops te gebruiken is, die het tot op heden moesten doen met de uitgestorven Mac App Store.

Het einde voor Macs met Intel-chips is echter nog niet nabij: het bedrijf verkoopt nog steeds zijn laptops en Mac Mini’s die eerder met de oude x86-architectuur werden geïntroduceerd, naast de huidige Mac Pro en iMacs die nog niet van een Apple-chip zijn voorzien. Apple-topman Tim Cook beloofde dat er nog langere tijd Intel-apparaten zullen worden gemaakt – vermoedelijk om de overgang naar ARM soepel te laten verlopen. Wie afhankelijk is van niet-geoptimaliseerde software die slecht draait op de M1, kan dus nog met een gerust hart een ‘ouderwetse’ Mac kopen.

Spannende tijden

Toch zijn er buitengewoon spannende tijden op komst voor Intel. Naarmate Apple zijn eigen chip beter ondersteunt en meer apps zijn geoptimaliseerd, zal de vraag naar Intel-machines afnemen totdat ze niet meer gemaakt hoeven te worden. Daarmee zal een einde komen aan de samenwerking tussen beide bedrijven, die in 2006 begon toen Apple stopte met het gebruik van PowerPC-processors.

Het vertrek van Apple is niet meteen het einde van de wereld voor Intel en zijn x86-processors. Lenovo, HP en Dell hebben alledrie een groter marktaandeel op de laptopmarkt en zweren nog bij de klassieke technologie. De kans is aanzienlijk groot dat Intel nog jarenlang chips kan leveren aan laptopmakers en zijn marktaandeel op die markt nog wel even zal vasthouden. 

Maar de stap die Apple hier maakt zal veel computermakers op termijn kunnen inspireren. Sterker nog: als zij Apple’s veel langere accuduur van maximaal 20 uur willen evenaren, moeten ze wel overstappen op de nieuwe ARM-architectuur.

Tegelijkertijd legt Microsoft met zijn Surface Pro X de basis voor al die andere laptopmakers. Hun computers gebruiken Windows, wat betekent dat alle software die voor de Surface wordt geoptimaliseerd ooit ook op hun ARM-laptops zal werken, mits ze de stap maken. Het is op dit moment nog een brug te ver voor veel bedrijven, die liever op safe spelen. Maar over een paar jaar zal de keuze voor een ARM-product veel makkelijker zijn om te maken.

Al die ontwikkelingen komen op een buitengewoon slecht moment voor Intel. De fabrikant is al jarenlang marktleider op de processormarkt, maar ziet de concurrentie van andere bedrijven zoals Nvidia en AMD steeds meer toenemen. Tegelijkertijd heeft Intel moeite met het nog kleiner maken van zijn chips doordat ze gebonden zijn aan processors geproduceerd op vlakken van 14 nanometer. De overstap naar een 10nanometer-proces mislukte namelijk door leveringsproblemen en interne strubbelingen na het vertrek van een CEO in 2018. Apple zit met zijn M1 intussen op een chip van slechts 5 nanometer.

Het is reden voor beursanalisten om te vrezen voor een rampzalig 2021 voor Intel. “De basis van het bedrijf neemt alarmerend snel af”, stelt Bernstein-analist Stacy Rasgon bijvoorbeeld. “We moeten er van uitgaan dat 2021 nog veel erger wordt.”

Ook over op ARM?

Een optie voor Intel is om op termijn ook over te stappen op de ARM-architectuur. Dat lijkt voor de hand liggend: ARM Holdings (de makers van ARM) verkoopt immers ook licenties voor de architectuur aan Apple, Qualcomm en andere bedrijven om chips mee te maken. Maar het zou betekenen dat Intel voor het eerst chips maakt die niet zijn gebaseerd op hun eigen technologie, waardoor een groot deel van de marge die nu wordt verdiend verloren gaat. Een desastreuze zet die duizenden banen bij de chipgigant kan vernietigen – maar wellicht onvermijdelijk wordt als ARM’s aandeel op de processormarkt blijft groeien.

In de tussentijd vieren ze feest bij ARM Holdings. Het bedrijf werd in de jaren 80 opgericht door een handjevol processorontwerpers, maar is explosief gegroeid sinds de eerste smartphones op de markt kwamen. In 2016 werd het bedrijf verkocht aan het Japanse SoftBank Group voor 24,3 miljard pond. Dat bleek toen al een flinke onderneming te zijn, maar in 2020 besloot Nvidia het bedrijf te kopen voor 40 miljard dollar. Daarmee is het bedrijf – waar inmiddels ruim 6.000 mensen werken – in handen van de grootste concurrent die Intel op het moment heeft. Wil dat bedrijf ooit overstappen op ARM-chips, dan moeten ze diep in de buidel tasten. Tegelijkertijd zullen ze daarmee hun ‘vijand’ nog groter maken.