Acorn, ARM und Raspberry Pi – die Zukunft kommt aus Cambridge

Was haben die Computerfirma Acorn, der ARM Prozessor und der Raspberry Pi gemeinsam? Die Antwort ist einfach und schwierig zugleich. Die einfache Antwort ist: alles kommt aus Cambridge.

Die schwierige Antwort lautet: die Firma Acorn hat in den 80ern einen neuen Typ von Prozessor entwickelt, der heute als ARM Prozessor in allen mobilen Computersystemen zu finden ist. Auch der Raspberry Pi hat einen.

Seit Jahren beschäftige ich mich schon mit den Menschen und Produkten der Firma Acorn. Mir ist klar, dass hier Menschen zusammengekommen sind, die etwas ganz besonderes geschaffen haben. Nicht nur damals in den 80ern den BBC Microcomputer, sondern auch einen Prozessor, der heute den Platzhirschen Intel und AMD zeigt wie es anders (oder auch besser) geht.

Acorns Produkte hatten wirklich eine außerordentliche Auswirkung auf unsere Zukunft, wie es wenige Produkte jemals gemacht haben. Ich spreche hier von der Acorn RISC Machine, oder wie wir es heute kennen: dem ARM Prozessor.

Der ARM Prozessor, der gerade als Apple M1 und im Jahr 2022 als M2 zeigt, wie man leistungsfähige und energieeffiziente Prozessoren bauen kann. Und Apple hat in der Geschichte des ARM-Prozessors selbst auch eine wichtige Rolle gespielt.

Dieser Beitrag soll aus meiner persönlichen Sicht eine nicht allzu technische Geschichte über Acorn, die Menschen bei Acorn, die RISC-Prozessoren und die Entstehung von ARM und seinem Geschäftsmodell erzählen. Und natürlich auch erläutern, warum der Raspberry Pi heute so wichtig für die Zukunft ist.

Es war einmal – Acorn und die BBC

Hermann Hauser und Chris Curry gründeten 1978 die Firma Cambridge Processor Unit Ltd (CPU). Was für ein passender Name für die zukünftige Entwicklung dieser Firma. Daraus entstand Acorn Computers Ltd für die Entwicklung und Vertrieb von Computer Kits und Homecomputern. Der Name Acorn sollte dafür sorgen, dass man vor Apple im Telefonbuch aufgeführt war.

Steve Furber und Roger/Sophie Wilson

Mit Steve Furber und Roger Wilson kamen talentierte junge Ingenieure an Bord, die viele wichtige Impulse für die Zukunft setzten. Steve Furber war der Hardware-Tüftler und Roger Wilson war für den Software-Teil zuständig. Zusammen waren sie ein kongeniales Team.

Roger Wilson kennen wir heute als Sophie Wilson. Sie ist eine der großartigsten Persönlichkeiten in der Computergeschichte und in der nun folgenden Geschichte.

Sie entwickelte das erste Computerprodukt der Firma Acorn: das System 1 war ein günstiger Microcomputer auf zwei Platinen. Es war auch für Privatleute als Einstieg in die Hex-Programmierung attraktiv. In schneller Folge gab es Weiterentwicklungen bis zum System 5.

Als Antwort auf den Sinclair ZX80 entwickelte Chris Curry mit einem Kollegen dann den Acorn Atom auf Basis eines System 3 und brachte diesen auf den Markt. Im Gegensatz zum Sinclair-Produkt erhielt man als Nutzer eine richtige Tastatur, ein vernünftiges Gehäuse und einen MOS 6502 Prozessor.

Micro Men – der Kampf zwischen Acorn und Sinclair

Die nun folgende Geschichte ist in der BBC4 Mini-Serie Micro Men wunderbar festgehalten. Ihr müsst sie euch unbedingt anschauen. Ich empfehle euch die Version des centre for computing history, die Hermann Hauser, Chris Curry und Steve Furber zur Live-Kommentierung der Serie eingeladen haben.

Und es gibt noch ein weiteres Video nach der Live-Kommentierung, in dem diese drei den Film und seine Ungenauigkeiten diskutieren.

“… it was close enough to the truth that it told the story roughly as it was.”

Hermann Hauser, Micro Men – 10th Anniversary – The Chat After The Film

Der BBC Micro

Kurz gesagt erzählt Micro Men folgende Geschichte: Acorn und Sinclair konkurrierten um den Auftrag der BBC einen Computer für ihre Fernsehsendung The Computer Program herzustellen.

Der Gewinner hätte damit die Möglichkeit den gesamten Bildungsmarkt in UK zu erobern. Micro Men zeigt uns dramatisch, wie Steve Furber und Sophie Wilson in nur fünf Tagen aus dem vorhandenen Acorn Proton-Computerentwurf einen Prototyp nach der BBC-Spezifikation fertigstellten. Sie schafften es und statt Sinclairs ZX Spectrum wurde nun die Acorn-Entwicklung ausgewählt und BBC Micro genannt. Trotz des Erfolgs von Acorn wurden Sinclair und sein ZX Spectrum von seinen Nutzern geliebt. Spiele gab es mehr für den Sinclair-Computer.

Acorn wurde für sein hervorragendes Produkt respektiert. Der BBC Micro Computer ist so viel besser als der Sinclair ZX Spectrum und viele sagen, dass er auch besser als der Apple II war. Nur beim RAM war er mit 32 KB gegenüber dem ZX Spectrum mit 48 KB benachteiligt. Und natürlich war er auch viel teurer. Chris Curry wollte dieses Problem dadurch lösen, dass er einen neuen und günstigen, aber zum BBC Micro kompatiblen Computer entwickeln ließ. Dies war der Acorn Electron, der wegen Produktionsproblemen zu spät für das Weihnachtsgeschäft 1983 auf den Markt kam.

Neben diesem Fiasko hatte Acorn auch viel Geld in den Vereinigten Staaten verloren. Über 20 Millionen US$ investierten sie damals in einen Marktauftritt auf der anderen Seite des Atlantiks. Während Acorn im März 1985 von Olivetti gerettet werden musste, hielt Sinclair noch bis 1986 durch. Dann übernahm Amstrad den zu diesem Zeitpunkt gescheiterten Computerhersteller Sinclair.

RISC-Architektur und die Tube im BBC Micro

Was den BBC Micro besonders machte war eine Schnittstelle namens Tube, über die ein zweiter Prozessor angebunden werden konnte. Und er sollte die Brücke zu einer Entwicklung sein, die Steve Furber und Sophie Wilson unsterblich im Bereich der Prozessorentwicklung machten.

Was ist eine RISC-Architektur und was hat das mit der Tube zu tun?

Sophie Wilson wollte über die Tube einen zweiten Prozessor anbinden und hatte dazu schon unterschiedlichste Prozessortypen ausgetestet. Aber keiner hat so richtig ihre Erwartungen erfüllt. In diesem Moment bekam sie über Hermann Hauser den Hinweis, dass RISC Architekturen für Prozessoren ein neuer Weg sein konnten. Es war ein Weg zu einfacheren Strukturen. Weniger konnte tatsächlich mehr sein. Vor allem energiesparender, wie sich später herausstellen sollte. Hermann Hauser erinnert sich, als Sophie Wilson ihn um Unterstützung für dieses Projekt bat:

“When we decided to do a microprocessor, in hindsight, I think I made two great decisions,” Hauser said with a chuckle. “I trusted the team, and gave them two things that Intel and Motorola had never given their people: the first was no money and the second was no people. They had to keep it simple.”

Hermann Hauser über das ARM Projekt (Quelle: Whatever happened to Hermann Hauser, alphr.com)

RISC bedeutet Reduced Instruction Set Computer. Üblich waren damals Prozessor-Architekturen, die als sogenannte Complex Instruction Set Computer (CISC) bezeichnet wurden. RISC versucht einfache Instruktionen zu verwenden, die in einem Taktzyklus abgearbeitet werden. CISC dagegen verwendet komplexere Instruktionen, die mehrere Taktzyklen für die Abarbeitung benötigen.

Die Acorn RISC Machines

Sophie Wilson entwickelte das dafür benötigte Instruction Set und Steve Furber die Mikroarchitektur für den neuen RISC Prozessor. Hermann Hauser stellte einige Chip Designer an und so entstand am 26.4.1985 der erste RISC Prozessor von Acorn. Er wurde ARM 1 genannt, was für Acorn RISC Machines stand.

Aber dieser Prozessor wurde nicht verkauft, sondern wurde als Zweitprozessor in einem BBC Micro dafür verwendet die nächste Generation, ARM 2, zu berechnen, zu designen und zu simulieren.

Was aber schon früh auffiel, war der geringe Stromverbrauch des neuen Chips. Dies war damals wie heute das Alleinstellungsmerkmal der ARM-Prozessoren.

“We tried to measure the power of the processor … loaded some code, running the code perfectly. Looked to the ammeter: it said zero amps … actually I failed to connect the power … but it was running a program … other processors on the board were powered, signal was going into the chip through the protection diode … it was extremely power efficient by the standards today”

Steve Furber in einem Interview zum geringen Stromverbrauch des ARM Prozessors (Quelle: centre for computing history ab 29:44)

Acorn Archimedes und RISC PC

Es dauerte allerdings noch bis 1987 bis der Acorn Archimedes Computer den ersten ARM Chip und den kompletten Chipsatz mit Speicher-Controller (MEMC), IO Controller (IOC) und Video-Controller (VIDC) enthielt. Gebaut wurden die Chips von VLSI Technology.

Acorn bot diesen Computer der BBC als Nachfolger des BBC Micro an. Er wurde dann mit roten Funktionstasten und hellem Gehäuse als A305 und A310 mit BBC Logo verkauft. Auch der A3000 hatte dieses markante Design ab 1989, war aber wie der Atari ST und der Commodore Amiga 500 ein kompakter Tastaturcomputer.

Der RISC PC von 1994 ist ein anderes Beispiel für die Kreativität von Acorn. Ein für die damalige Zeit sehr leistungsfähiger und erweiterbarer Computer bot innovative Konzepte. Unter anderem wurde er durch denselben ARM Prozessor angetrieben wie die Apple Newton MessagePads. Dies war bereits ein System-on-Chip (SOC) Design, der die Prozessoren IOC, MEMC und VIDC schon enthielt.

Wer mehr über den Acorn RISC PC600 und noch viel mehr Informationen zur Geschichte von Acorn und ARM erfahren will, dem empfehle ich den Beitrag von homecomputerguy.de. Er hat das Glück einen fast fabrikneuen Computer einem intensiven Review unterziehen zu können. Weitere Beiträge zum RISC PC hat er bereits angekündigt.

Advanced RISC Machines

Acorn schien für viele Marktbeobachter der damaligen Zeit weit vorne zu sein. Aber die Erfolge blieben aus. Der ARM-Prozessor ließ sich nicht am Desktop-Markt vermarkten. Da kam Apple ins Spiel. Larry Tesler, verantwortlich für die Entwicklung des Newton, suchte einen energieeffizienten Prozessor. Er persönlich sorgte dafür, dass Acorn seine Prozessor-Sparte als Joint Venture von Acorn, Apple und VLSI Technology ausgliederte. Apple investierte damals 1,5 Millionen US$ für einen 43%-Anteil an der neuen Firma, die nun Advanced RISC Machines (ARM) genannt wurde.

Das erste Newton MessagePad hatte im Jahr 1993 einen ARM 610-Prozessor. Einige Generationen sollten folgen, bis Steve Jobs das Lieblingsprodukt von John Sculley einstellte. Der Newton passte nicht in Steves Plan. Wegen finanzieller Schwierigkeiten verkaufte Apple im Jahr 1998 seinen Anteil an ARM für 800 Millionen US$.

Das Geschäftsmodell von ARM Ltd ist einfach. Sie entwickeln RISC Prozessorarchitekturen weiter und lizenzieren dieses Intellectual Property (IP) an Lizenznehmer. Die Liste der Lizenznehmer liest sich wie das Who is Who der aktuellen Computerindustrie. Es gibt unterschiedliche Arten von Lizenzen, die zwischen 1 Mio US$ bis 10 Mio US$ liegen. Außerdem wird für jeden nach diesem IP gebauten ARM Prozessor eine Gebühr (Royalty) fällig. Im Jahr 2021 erwirtschaftete ARM einen Umsatz von 2,665 Milliarden US$. Sie gehören mittlerweile zum japanischen Softbank-Konzern. Der Verkauf an Nvidia scheiterte erst dieses Jahr aufgrund von Einsprüchen durch Wettbewerbsbehörden.

ARM ist damit seit Beginn der 90er Jahre knapp 30 Jahre mit diesem Geschäftsmodell gut gefahren. Heute hat ARM mit seinem IP die gesamte Smartphone- und Tablet-Branche versorgt. Auch in den Desktop- und Laptop-Markt ist ARM mit Apples M-Chips jetzt vertreten. Und Amazon Web Services (aws) nutzt auch auf Servern ARM-Technologie.

Raspberry Pi – günstige ARM Technologie für die Massen

Viel wichtiger für mich persönlich ist, dass ARM-Prozessoren heute auch in günstigen kleinen Computern, wie dem Raspberry Pi vertreten sind. Ja, sie machen diese kompakten Platinencomputer überhaupt erst möglich.

Die Arbeit von Sophie Wilson und Steve Furber hat diesen Computer inspiriert. Im Jahr 2006 wurde der erste Prototyp in Cambridge gebaut. Er sollte die Antwort auf die Problematik sein, dass die Anzahl der Computer Science-Studenten in Cambridge stetig zurückging. Als Ursache glaubte man erkannt zu haben, dass es für die Studienanfänger keine günstigen Computer zum Erlernen der Basics im Computer Science-Studium gab. Der Raspberry Pi sollte eine Lösung sein. Im Jahr 2012 kamen die ersten Raspberry Pi Computer auf den Markt. Sie sind seit der ersten Version mit einem ARM-Prozessor von Broadcom ausgestattet.

Sophie Wilson arbeitet für Broadcom in Cambridge. Sie ist nun Research Fellow für Broadcom, wo sie Mikroprozessoren designt. So hat sich der Kreis geschlossen. Der von ihr mitentwickelte ARM-Prozessor wird von ihrem Arbeitgeber Broadcom gebaut und ist das Herz des Raspberry Pi. Alles kam und kommt aus Cambridge.

Der Raspberry Pi ist mit 45 Millionen verkauften Exemplaren (Stand Februar 2022) der meistverkaufte englische Computer.

Meine eigenen Raspberry Pi-Projekte

Im Juni 2014 habe ich mir auch schon einen Raspberry Pi für ein Tor Router Projekt gekauft. Die ersten Erfahrungen damit habe ich in zwei Beiträgen festgehalten:

1. Raspi als Medienzentrale
2. Raspi als Tor-Router (Andy goes Darknet)

Dieses Jahr zum zehnten Geburtstag dieses Computers habe ich mir einen englischen Raspberry Pi 400 in dem Raspberry Pi Laden in Cambridge gekauft. Was für eine schöne Symbolik.

Und zum ersten Start des Raspi hat mir mein Freund Bruno seinen selbstgeschriebenen BASIC-Interpreter für diesen Rechner zur Verfügung gestellt. Er hat diesen für seine Tochter auf einem Raspberry Pi 400 geschrieben, damit sie eine Programmiersprache lernen kann.

Auf Brunos Initiative habe ich mir einen GitHub-Account zugelegt. Über diesen gibt er mir die Möglichkeit an seinem Beta Test teilnehmen zu können. Ich kann Fehler an ihn melden und er kann mir gefixte Versionen seines SimpleBasic-Interpreters zur Verfügung stellen. Und alles läuft auf dem kleinen Raspi.

Auch hier sind wieder die Grundideen der BBC sichtbar, die es vor knapp 40 Jahren schafften die Jugend auf die Computerrevolution vorzubereiten und für die Programmierung zu begeistern. Und die Werkzeuge dazu kamen und kommen auch heute noch aus Cambridge. Eine sehr innovative Stadt, in die ich mich bei meinem Besuch 2022 verliebt habe.