Definition: Microsoft-Betriebssystem für spezielle CPUs Was ist Windows on ARM?

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Windows on ARM ist die Bezeichnung für eine Version des Microsoft-Betriebssystems, das mit Prozessoren arbeiten kann, die auf dem ARM-Design basieren. Der Einsatz solcher Lösungen hat viele Vorteile, aber auch nennenswerte Einschränkungen.

Unter Windows on ARM ist eine Version des Microsoft-Betriebssystems zu verstehen, das Prozessoren bzw. CPUs unterstützt, die nach dem gleichnamigen Design entwickelt wurden. Das ARM-Design kann allerdings keine CPUs von Intel oder AMD unterstützen, die dem x86-Design folgen.

Derzeit existieren Varianten von Windows 10 und 11, die speziell auf Prozessoren nach dem ARM-Design ausgelegt sind. Die Chips hat Microsoft im Zusammenspiel mit Qualcomm entwickelt. Das auf sie zugeschnittene Betriebssystem stammt ausschließlich von den Entwicklern aus Redmond und wurde erstmals 2012 veröffentlicht. 2016 wurde das erste Windows 10 on ARM präsentiert.

Die Abkürzung ARM steht für „Advanced RISC Machines“, ist gleichzeitig der frühere Firmenname von ARM Limited und kommt vor allem im Automotive-Umfeld, aber auch bei Embedded Systems allgemein sowie bei Smartphones oder Tablets zum Einsatz.

Die Folge unterschiedlicher CPU-Designs

Prozessoren führen die Rechenoperationen aus, die ein System erledigen muss, damit es wie vom Nutzer gewünscht funktioniert. Damit die CPUs dies tun können, müssen sie wissen, welche Aufgaben von ihnen zu lösen sind. Hierfür ist in die Chips ein sogenannter Befehlssatz integriert. Es handelt um die Komponente, die versteht, welche Operationen benötigt werden und diese an den eigentlichen Prozessor weiterleitet. Wenn von einem Design die Rede ist, geht es um eben diesen Befehlssatz. Der weitere Aufbau der CPU kann individuell gestaltet sein. Dies erlaubt es, dass Betriebssysteme mit Prozessoren unterschiedlicher Leistungsstärke zusammenarbeiten können, da die Befehle auf dem bekannten Weg übermittelt werden.

Anwendungen wie z.B. Office-Lösungen nutzen das Betriebssystem als Übermittlungsschicht. Entsprechend müssen sie ebenfalls den Befehlssatz unterstützen, den die CPU vorgibt. Andernfalls kann beispielsweise Windows die Operationen nicht weiterleiten. Die Folge ist, dass Software nicht funktioniert, wenn sie auf einen ihr fremden Befehlssatz trifft. Dies ist der Grund, weshalb Intel und AMD als die weltgrößten Hersteller von Desktop-Prozessoren auf das x86-Design vertrauen, dessen Erstversionen schon in den 1970er Jahren entwickelt wurden.

ARM: Unternehmen können Prozessoren selbst entwickeln

Für Microsoft kam es lange nicht infrage, eine Windows-Version zu erschaffen, die vom x86-Design abwich. Es handelt sich um das weltweit am meisten verbreitete Betriebssystem, das deshalb problemlos mit praktisch jedem Computer funktionieren sollte. Mit dem Geschäftsmodell von ARM Limited (ehemals: Acorn) war diese Anforderung inkompatibel.

Das britische Unternehmen ARM Limited gehört zum japanischen TK- und Medienkonzern Softbank, entwickelt zwar auch eigene Prozessoren, aber in der Hauptsache handelt es mit dem Design des eigenen Befehlssatzes. Dieses wird an andere Unternehmen lizenziert, die den Rest der CPU dann eigenständig entwickeln können. Der wohl bekannteste Kunde, der diesem Schema folgt, ist Apple. Erst waren es nur Mobilgeräte, die auf entsprechende Prozessoren vertrauten. Inzwischen werden auch die Mac-Rechner mit den eigenen Chips mit ARM-Befehlssatz ausgestattet. Die ARM-Architektur gehört zur Familie von „reduced instruction set computing“ RISC-Architekturen für Computer-Prozessoren jenseits der x86-Architektur, die von AMD und Intel dominiert wird.

Nur die wenigsten Hardware-Hersteller können jedoch einen vollständigen Prozessor in Eigenregie entwickeln. Sie greifen deshalb auf die Komplettsysteme von AMD und Intel zurück. Windows on ARM war deshalb lange überflüssig. Durch den Erfolg der Apple-Prozessoren änderte sich dies jedoch: Die mobilen Chips und die Mac-CPUs verbrauchen deutlich weniger Strom als die Varianten der Konkurrenz und sind dabei oft noch deutlich leistungsfähiger.

Umdenken bei Microsoft

Schon kurz nach 2010 sah sich Microsoft deshalb zum Umdenken gezwungen. Mit Windows RT erschien ein erstes auf Tablets zugeschnittenes Betriebssystem für ARM-Chips, das aber wegen seiner eingeschränkten Funktionen schnell wieder aufgegeben wurde. 2016 dann folgte Windows 10 on ARM. Vier Jahre später präsentierte Microsoft das Surface Pro X als erste eigene Hardware für Windows on ARM.

Den Prozessor hatte das Unternehmen aus Redmond wie oben bereits erwähnt im Zusammenspiel mit Qualcomm entwickelt. Der Snapdragon-Hersteller gehört zu den Marktführern im Bereich der mobilen Prozessoren und möchte sich durch die Partnerschaft im Desktop-Computer-Bereich etablieren. Das Tablet steht beispielhaft für die Vor- und Nachteile von Windows on ARM.

Die Vorteile von Windows on ARM:

• längere Akkulaufzeit durch geringeren Stromverbrauch,

• native Unterstützung für die Nutzung von Mobilfunknetzen,

• sofortiges Wecken aus dem Ruhezustand (wie auf einem Handy),

• niedrigere Betriebstemperaturen durch individuelle Anpassung des Prozessors an das Gerät,

• bestmögliches Zusammenspiel zwischen von Microsoft geschriebenen Anwendungen und dem Tablet, da die Entwickler das gesamte System kontrollieren.

Die Nachteile von Windows on ARM:

• fehlende Kompatibilität mit x86-Apps (inklusive zahlreicher Spiele),

• mangelnder Wille vieler Drittunternehmen, eigene Apps für Windows on ARM zu schreiben oder zu optimieren, weil die entsprechenden Geräte nicht verbreitet genug sind,

• Einschränkungen der Kooperation zwischen Microsoft und Qualcomm: Windows darf nicht für Geräte mit anderen ARM-Prozessoren (z.B. Macs) freigegeben werden,

• viele Windows-Dienste nicht verfügbar (z.B. Fax und Scan).

Emulator für Windows 11 on ARM

Viele der Nachteile lassen sich durch einen sogenannten Emulator beseitigen. Dabei handelt es sich um eine Übersetzungsschicht, mit der das Betriebssystem x86-Design-Befehle in ARM-Design-Anweisungen übersetzen kann. Apple hat für seine ARM-Macs mit Rosetta 2.0 diesbezüglich bewiesen, dass die für Intel- und AMD-Prozessoren optimierten Apps reibungslos laufen können. Microsoft bestätigte öffentlich zwar immer wieder, dass eine solche Lösung interessant sei. Für Windows 10 wurde sie jedoch nicht veröffentlicht. Für Windows 11 on ARM stellten die Entwickler dann jedoch einen x64-Emulator bereit. Es handelt sich um das Kürzel für Prozessoren, die mit 64 Bit arbeiten und dem x86-Design gehorchen.

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