Arm-basierte Prozessoren sind eine Art von CPU-Architektur, die für ihre Energieeffizienz und immer höhere Leistung bekannt ist. Diese Prozessoren wurden zunächst in Mobilgeräten eingesetzt, werden aber inzwischen auch in eingebetteten Systemen und IoT-Geräten sowie in Servern und sogar Supercomputern eingesetzt. Ihre Designphilosophie, die auf Reduced Instruction Set Computing (RISC) ausgerichtet ist, ermöglicht es ihnen, eine beachtliche Leistung pro Watt zu erzielen. Damit sind sie eine überzeugende Wahl für moderne, energiebewusste Rechenumgebungen.
Ein Arm-basierter Prozessor nutzt im Kern eine RISC-Architektur (Reduced Instruction Set Computing). Dies steht im Gegensatz zur CISC-Architektur (Complex Instruction Set Computing), die von herkömmlichen x86-Prozessoren verwendet wird. RISC-Architekturen verwenden eine kleinere Anzahl einfacherer Befehle, die in der Regel schneller ausgeführt werden und weniger Energie benötigen.
Arm-basierte Prozessoren holen Befehle aus dem Arbeitsspeicher und führen sie aus. Die RISC-Architektur vereinfacht diesen Prozess. Jede Anweisung führt eine einfache Operation aus. Komplexe Aufgaben werden durch eine Abfolge dieser einfachen Anweisungen erreicht. Dieser optimierte Ansatz führt zu einem geringeren Stromverbrauch, da in jedem Befehlszyklus weniger Transistoren aktiv sind. Moderne Arm-basierte Prozessoren verfügen über erweiterte Funktionen wie Pipelining (überlappende Befehlsausführung), superskalares Ausführen (mehrere Befehle gleichzeitig ausführen) und ausgefeilte Verzweigungsvorhersage, um die Leistung zu steigern und gleichzeitig die Energieeffizienz zu erhalten.
Die Landschaft der Prozessoren umfasst mehrere wichtige Architekturen. Hier ist ein Vergleich, der Arm-basierte Prozessoren hervorhebt:
Feature | Arm-basierte Prozessoren | Intel-(X86)-Prozessoren |
Architektur | RISC (Reduced Instruction Set Computing) | CISC (Complex Instruction Set Computing) |
Energieeffizienz | Im Allgemeinen höher, für geringen Stromverbrauch ausgelegt | Bisher eher niedrig, aber mit neueren Designs verbessert |
Leistung | Schnelle Fortschritte, jetzt in vielen Bereichen wettbewerbsfähig | Traditionell stark im Hochleistungs-Computing |
Kosten | Oft niedriger, insbesondere bei eingebetteten und mobilen Anwendungen | Kann höher sein, insbesondere bei High-End-Server-CPUs |
Marktpräsenz | Dominant im Bereich Mobilgeräte, wachsender Marktanteil bei eingebetteten Systemen, IoT und Servern | Dominant auf dem Desktop- und traditionellen Servermarkt |
Befehlssatz | Einfache Anweisungen mit fester Länge | Komplexe Anweisungen mit variabler Länge |
Feature
Arm-basierte Prozessoren
Intel-(X86)-Prozessoren
Architektur
RISC (Reduced Instruction Set Computing)
CISC (Complex Instruction Set Computing)
Energieeffizienz
Im Allgemeinen höher, für geringen Stromverbrauch ausgelegt
Bisher eher niedrig, aber mit neueren Designs verbessert
Leistung
Schnelle Fortschritte, jetzt in vielen Bereichen wettbewerbsfähig
Traditionell stark im Hochleistungs-Computing
Kosten
Oft niedriger, insbesondere bei eingebetteten und mobilen Anwendungen
Kann höher sein, insbesondere bei High-End-Server-CPUs
Marktpräsenz
Dominant im Bereich Mobilgeräte, wachsender Marktanteil bei eingebetteten Systemen, IoT und Servern
Dominant auf dem Desktop- und traditionellen Servermarkt
Befehlssatz
Einfache Anweisungen mit fester Länge
Komplexe Anweisungen mit variabler Länge
Im Vergleich zur traditionellen x86-Architektur lag der Schwerpunkt bei Arm-basierten Prozessoren bisher auf Energieeffizienz. Durch die Weiterentwicklung der Arm-Architektur, wie etwa der Neoverse-Serie, wird die Leistungslücke in Serverumgebungen jedoch immer kleiner. X86-Prozessoren dominieren seit langem den Bereich des Hochleistungscomputings, da sie ein ausgereiftes Software-Ökosystem und eine enorme Rechenleistung für bestimmte Arbeitslasten bieten. Arm-basierte Prozessoren sind eine überzeugende Alternative, da sie energieeffizient sind und eine immer wettbewerbsfähigere Leistung bieten.
Google Cloud erkennt die wachsende Bedeutung und die Fähigkeiten von Arm-basierten Prozessoren an. Das zeigt sich auch bei den Google Axion-Prozessoren, den maßgeschneiderten CPUs von Google, die auf der Arm Neoverse-Architektur basieren. Axion-Prozessoren sind für eine außergewöhnliche Leistung und Energieeffizienz bei einer Vielzahl von Cloud-Arbeitslasten ausgelegt.
In Google Cloud können Arm-basierte Prozessoren, insbesondere durch Google Axion, verschiedene Dienste erheblich unterstützen:
Die Arm-Architektur umfasst verschiedene Prozessorfamilien, die für bestimmte Anwendungen entwickelt wurden:
Die zunehmende Nutzung von Arm-basierten Prozessoren, insbesondere in Umgebungen mit Hochleistungsrechnern, wird durch mehrere wichtige Vorteile vorangetrieben:
Eine grundlegende Stärke der RISC-Architektur ist die Fähigkeit, im Vergleich zu traditionellen CISC-Architekturen eine erhebliche Rechenleistung bei geringerem Energieverbrauch zu erreichen. Diese Effizienz führt zu geringeren Betriebskosten, einer geringeren Wärmeabgabe und der Möglichkeit, mehr Rechenleistung in einen bestimmten thermischen Rahmen zu packen.
Der einfachere Befehlssatz und das effiziente Design von Arm-basierten Prozessoren führen oft zu kleineren Die-Größen und einer geringeren Wärmeentwicklung. Das ist besonders in Umgebungen mit Platzmangel von Vorteil und ermöglicht ein kompakteres und effizienteres Systemdesign.
Die Skalierbarkeit und Anpassungsfähigkeit der Arm-Architektur ermöglicht die Implementierung in einem breiten Spektrum von Geräten, von winzigen Sensoren bis hin zu leistungsstarken Server-CPUs. Diese Vielseitigkeit macht sie zu einer grundlegenden Technologie für die zunehmend vernetzte und vielfältige Computing-Landschaft.
Trotz ihrer wachsenden Bedeutung stehen Arm-basierte Prozessoren immer noch vor bestimmten Herausforderungen:
Bisher war das Software-Ökosystem für Arm-basierte Server und Hochleistungsrechner im Vergleich zum x86-Ökosystem weniger ausgereift. Diese Situation ändert sich jedoch schnell, da Betriebssysteme, Compiler und Anwendungsentwickler immer mehr Unterstützung bieten. Einige Legacy-Anwendungen müssen möglicherweise neu kompiliert werden oder sind für Arm-Architekturen nicht ohne Weiteres verfügbar.
Obwohl ARM-basierte Prozessoren immer leistungsstärker werden, können bestimmte Arbeitslasten mit hohem Spezialisierungsgrad, die über viele Jahre für x86-Architekturen optimiert wurden, auf diesen Plattformen immer noch einen Leistungsvorteil haben. Dieser Unterschied wird jedoch mit jeder neuen Generation von Arm-basierten Serverprozessoren kleiner.
Die Energieeffizienz und die steigende Leistung von Arm-basierten Prozessoren machen sie für verschiedene Geschäftsanwendungen attraktiv:
Google Cloud sieht eine Zukunft, in der die Arm-Architektur eine immer wichtigere Rolle bei der Ausführung verschiedener Arbeitslasten spielt. Die Einführung der Google Axion-Prozessoren ist ein langfristiges Bekenntnis zu dieser Architektur, die Kunden eine überzeugende Alternative in puncto Leistung und Effizienz bietet.
Die Arm-Architektur hat ihren Ursprung in der Mobiltelefonie, hat sich aber inzwischen stark weiterentwickelt. Arm Neoverse, die Grundlage der maßgeschneiderten Axion-CPUs von Google, zeigt seine Leistungsfähigkeit bei der Verarbeitung auf Serverebene. Axion wurde speziell für anspruchsvolle Rechenzentrumsarbeitslasten entwickelt, einschließlich HPC, und bietet erhebliche Leistungs- und Effizienzsteigerungen in Google Cloud. Das wird durch den Neoverse V2-Core von Axion und die von uns beobachteten Leistungsbenchmarks unterstützt.
Das Software-Ökosystem für Arm wächst rasant. Google Cloud unterstützt dieses Wachstum aktiv, indem es die Kompatibilität mit einer Vielzahl von Compilern wie dem Arm Compiler für Linux und wissenschaftlichen Bibliotheken wie den Arm Performance Libraries gewährleistet. Außerdem sind viele Open-Source-Tools und ISV-Anwendungen jetzt verfügbar und für Arm optimiert. In Google Cloud profitieren Nutzer von kompatiblen Betriebssystem-Images in der Compute Engine, Multi-Architektur-Container-Unterstützung in GKE und den kontinuierlichen Beiträgen von Google zur Arm-Softwareentwicklungs-Community. Wir stellen auch Ressourcen und Tools zur Verfügung, die den Migrationsprozess erleichtern.
Google Cloud unterstützt Sie beim Einstieg in Arm für HPC. Nutzer können schnell Axion-gestützte Arm-basierte virtuelle Maschinen in der Compute Engine starten oder Arm-basierte Container in GKE mit vertrauten Tools und Workflows bereitstellen. So können sich Entwickler und Studenten auf einer führenden Cloud-Plattform wertvolle, zukunftsorientierte Kompetenzen aneignen. Wir prüfen auch die Möglichkeit, Arm in unsere Bildungsprogramme und Labore zu integrieren.
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