Arm-basierte Prozessoren holen Befehle aus dem Arbeitsspeicher und führen sie aus. Die RISC-Architektur vereinfacht diesen Prozess. Jeder Befehl führt eine grundlegende Operation aus. Komplexe Aufgaben werden durch eine Sequenz solcher einfacher Befehle erreicht. Dieser optimierte Ansatz führt zu einem geringeren Stromverbrauch, da während jedes Befehlszyklus weniger Transistoren aktiv sind. Moderne Arm-basierte Prozessoren bieten erweiterte Funktionen wie Pipelining (überlappende Befehlsausführung), superskalare Ausführung (gleichzeitige Ausführung mehrerer Befehle) und ausgefeilte Verzweigungsvorhersage, um die Leistung zu verbessern und gleichzeitig die Energieeffizienz zu erhalten.

Die Prozessorlandschaft umfasst mehrere wichtige Architekturen. Hier ein Vergleich, der die Vorteile von ARM-basierten Prozessoren hervorhebt:

Im Vergleich zur herkömmlichen x86-Architektur lag der Fokus bei ARM-basierten Prozessoren schon immer auf der Energieeffizienz. Fortschritte in der Arm-Architektur, darunter die Neoverse-Serie, schließen jedoch die Leistungslücke in Serverumgebungen. x86-Prozessoren dominieren seit Langem das Hochleistungs-Computing, da sie ein ausgereiftes Software-Ökosystem und eine hohe Rechenleistung für bestimmte Arbeitslasten bieten. Arm-basierte Prozessoren sind jedoch eine attraktive Alternative, da sie energieeffizienter sind und eine zunehmend wettbewerbsfähigere Leistung bieten.

Google Cloud ist sich der wachsenden Bedeutung und Leistungsfähigkeit von Arm-basierten Prozessoren bewusst. Das zeigt sich zum Beispiel bei den Google Axion-Prozessoren, den von Google entwickelten CPUs, die auf der Arm Neoverse-Architektur basieren. Axion-Prozessoren bieten eine herausragende Leistung und Energieeffizienz für eine Vielzahl von Cloud-Arbeitslasten.

Innerhalb von Google Cloud können Arm-basierte Prozessoren, insbesondere über Google Axion, verschiedene Dienste erheblich verbessern:

• Compute Engine: Axion-Instanzen in der Compute Engine bieten Nutzern leistungsstarke, energieeffiziente virtuelle Maschinen, die sich für anspruchsvolle Arbeitslasten wie Webserver, Anwendungsserver und Microservices eignen.
• Google Kubernetes Engine (GKE): Das Ausführen von containerisierten Anwendungen auf Axion-Knoten in GKE kann aufgrund der Energieeffizienz der Prozessoren zu potenzieller Kosteneffizienz und Nachhaltigkeit beitragen, ohne die Skalierbarkeit und Leistung zu beeinträchtigen, die für containerisierte Umgebungen erforderlich sind. GKE unterstützt Cluster mit mehreren Architekturen, sodass Anwendungen nahtlos auf x86- und Arm-Knoten bereitgestellt werden können.
• Verwalteter Dienst für Apache Spark: Für die Verarbeitung und Analyse großer Datenmengen kann die Ausführung von Spark- und Hadoop-Arbeitslasten auf Axion-basierten Instanzen im Verwalteten Dienst für Apache Spark ein gutes Gleichgewicht zwischen Leistung und potenziellen Kosteneinsparungen bieten, insbesondere bei Scale-out-Verarbeitungsaufgaben.
• Dataflow: Streamverarbeitungs-Workloads in Dataflow können die effiziente Leistung von Axion-Prozessoren nutzen, was möglicherweise zu niedrigeren Betriebskosten für die kontinuierliche Datenaufnahme und -analyse führt.
• Batch: Hochleistungs-Computing (HPC) und Batchverarbeitungsjobs können von der Kerndichte und der Leistung pro Watt profitieren, die Axion auf Batch bietet. Dies macht es zu einer geeigneten Option für rechenintensive Aufgaben.
• Cloud SQL: Das Ausführen von Cloud SQL-Instanzen in Compute Engine mit Axion-Prozessoren kann eine kosteneffiziente und leistungsstarke Lösung für relationale Datenbank-Workloads bieten.
• AlloyDB: AlloyDB ist mit PostgreSQL kompatibel und kann die Leistung und Effizienz von Axion-Prozessoren für anspruchsvolle Transaktionsanwendungen nutzen, was zu einer höheren Leistung und niedrigeren Gesamtbetriebskosten führen kann.

Die Arm-Architektur umfasst verschiedene Prozessor-Familien, die für bestimmte Anwendungen entwickelt wurden:

• Cortex-A-Serie: Hochleistungs-Prozessoren, die typischerweise in Smartphones, Tablets und zunehmend auch in Laptops und Servern zu finden sind; diese Kerne sind für komplexe Betriebssysteme und anspruchsvolle Anwendungen konzipiert
• Cortex-M-Serie: Mikrocontroller-Prozessoren, die für geringen Stromverbrauch und Echtzeitanwendungen optimiert sind und häufig in eingebetteten Systemen und IoT-Geräten verwendet werden
• Cortex-R-Serie: Echtzeitprozessoren für Anwendungen, die deterministische und latenzarme Antworten erfordern, wie z. B. Automobilsysteme und industrielle Steuerung
• Neoverse-Serie: Serverprozessoren für Rechenzentrumsworkloads mit Fokus auf hohe Kernzahlen, Leistungsskalierbarkeit und Energieeffizienz; Google Axion-Prozessoren basieren auf der Neoverse-Architektur

Trotz ihrer wachsenden Bedeutung stehen ARM-basierte Prozessoren immer noch vor bestimmten Herausforderungen:

Bisher war das Software-Ökosystem für Arm-basierte Server und Hochleistungs-Computing weniger ausgereift als das x86-Ökosystem. Das ändert sich zwar schnell, da Betriebssysteme, Compiler und Anwendungsentwickler zunehmend Unterstützung bieten, aber einige Legacy-Anwendungen müssen möglicherweise neu kompiliert werden oder sind nicht ohne Weiteres für Arm-Architekturen verfügbar.

ARM-basierte Prozessoren werden zwar immer leistungsfähiger, aber bei bestimmten hochspezialisierten Arbeitslasten, die über viele Jahre für x86-Architekturen optimiert wurden, kann es immer noch einen Leistungsvorteil auf diesen Plattformen geben. Dieser Unterschied wird jedoch mit jeder neuen Generation von Arm-basierten Serverprozessoren geringer.

Die Energieeffizienz und die zunehmende Leistung von Arm-basierten Prozessoren machen sie für verschiedene Geschäftsanwendungen attraktiv:

• Cloud-Computing: Anbieter wie Google Cloud verwenden Arm-basierte Prozessoren (Axion), um potenziell kostengünstige und nachhaltige Compute-Instanzen für eine Vielzahl von Arbeitslasten anzubieten.
• Edge-Computing: Der geringe Stromverbrauch und der kleine Formfaktor von Arm-Prozessoren sind ideal für Edge-Geräte, die lokale Verarbeitung mit begrenzten Stromressourcen durchführen müssen.

Google Cloud geht davon aus, dass die Arm-Architektur in Zukunft eine immer wichtigere Rolle bei der Ausführung verschiedener Arbeitslasten spielen wird. Die Einführung von Google Axion-Prozessoren zeigt, dass wir langfristig auf diese Architektur setzen und unseren Kunden eine attraktive Alternative in Bezug auf Leistung und Effizienz bieten möchten.

Die Arm-Architektur hat zwar ihre Wurzeln im Mobilbereich, hat sich aber dramatisch weiterentwickelt. Arm Neoverse, die Grundlage der maßgeschneiderten Axion-CPUs von Google, zeigt seine Fähigkeit zur leistungsstarken Verarbeitung auf Serverebene. Axion wurde speziell für anspruchsvolle Rechenzentrums-Workloads wie HPC entwickelt und bietet erhebliche Leistungs- und Effizienzsteigerungen in Google Cloud. Das wird durch den Neoverse V2-Kern 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 for Linux und wissenschaftlichen Bibliotheken wie den Arm Performance Libraries gewährleistet. Außerdem sind viele Open-Source-Tools und ISV-Anwendungen jetzt für Arm verfügbar und optimiert. In Google Cloud profitieren Nutzer von kompatiblen Betriebssystem-Images in der Compute Engine, Unterstützung für Container mit mehreren Architekturen in der GKE und den fortlaufenden Beiträgen von Google zur Arm-Softwareentwickler-Community. Außerdem stellen wir Ressourcen und Tools zur Verfügung, um den Migrationsprozess zu erleichtern.

Google Cloud unterstützt Sie beim Einstieg in Arm für HPC. Nutzer können mit vertrauten Tools und Workflows schnell Axion-basierte virtuelle Arm-Maschinen in der Compute Engine starten oder Arm-basierte Container in der GKE bereitstellen. So können Entwickler und Studenten auf einer führenden Cloud-Plattform wertvolle, zukunftsfähige Fähigkeiten erwerben. Außerdem prüfen wir, wie wir Arm in unsere Bildungsprogramme und Labs einbinden können.