Arm 架構處理器的定義
基本上，Arm 架構處理器採用精簡指令集運算 (RISC) 架構，與傳統 x86 處理器採用的複雜指令集運算 (CISC) 架構不同。RISC 架構採用的指令集較小且指令較簡單，執行速度通常較快，且耗電量較低。
Arm 架構處理器的運作方式
Arm 架構處理器會從記憶體中擷取指令並加以執行，RISC 架構會簡化這項程序。每個指令會執行基本作業，而複雜的任務則是透過一系列簡單指令完成。這種精簡做法可降低耗電量，因為在每個指令週期中，只有較少的電晶體會處於運作狀態。現代的 Arm 架構處理器導入進階功能，例如 pipelining (重疊指令執行)、超純量執行 (同時執行多個指令) 和精密分支預測，可在提升效能的同時維持能源效率。
相較之下，Arm 處理器的表現如何？
處理器領域包含幾個主要架構。以下是聚焦於 Arm 架構處理器的比較表：
功能 | 採用 Arm 架構的處理器 | Intel (X86) 處理器 |
架構 | RISC (精簡指令集運算) | CISC (複雜指令集運算) |
能源效率 | 通常較高，設計目的為降低功耗 | 一直以來都較低，但隨著新設計的推出而提高 |
效能 | 發展迅速，目前在許多領域都具競爭力 | 在高效能運算領域的表現向來出色 |
費用 | 通常較低，尤其是嵌入式和行動應用程式 | 可能更高，尤其是高階伺服器 CPU |
市占率 | 在行動裝置領域占主導地位，在嵌入式系統、IoT 和伺服器的使用率持續成長 | 在電腦和傳統伺服器市場中占主導地位 |
指令集 | 更簡單的固定長度指令 | 複雜且長度可變的指令 |
功能
採用 Arm 架構的處理器
Intel (X86) 處理器
架構
RISC (精簡指令集運算)
CISC (複雜指令集運算)
能源效率
通常較高，設計目的為降低功耗
一直以來都較低，但隨著新設計的推出而提高
效能
發展迅速，目前在許多領域都具競爭力
在高效能運算領域的表現向來出色
費用
通常較低，尤其是嵌入式和行動應用程式
可能更高，尤其是高階伺服器 CPU
市占率
在行動裝置領域占主導地位，在嵌入式系統、IoT 和伺服器的使用率持續成長
在電腦和傳統伺服器市場中占主導地位
指令集
更簡單的固定長度指令
複雜且長度可變的指令
與傳統 x86 架構相比，以往 Arm 架構處理器的設計重點是能源效率。不過，隨著 Neoverse 系列等 Arm 架構的進步，伺服器環境的效能差距逐漸縮小。雖然 x86 處理器因其成熟的軟體生態系統和可用於特定工作負載的原始處理功能，在高效能運算領域長期占據主導地位，但 Arm 架構處理器則具有能源優勢和日益具競爭力的效能，是另一個值得考慮的選擇。
Arm 架構處理器搭配 Google Cloud
Google Cloud 瞭解 Arm 架構處理器的重要性與日俱增，且功能越來越強大。這點在 Google Axion 處理器上顯而易見，這是 Google 自製的 CPU，採用 Arm Neoverse 架構。Axion 處理器經過精心設計，可為各種雲端工作負載提供優異效能和高能源效率。
在 Google Cloud 中，採用 Arm 架構處理器 (尤其是透過 Google Axion) 能為各種服務帶來可觀的效益：
- Compute Engine：Compute Engine 中的 Axion 執行個體為使用者提供高效能、高能源效率的虛擬機器，適合用於網站服務、應用程式伺服器和微服務等高負載工作
- Google Kubernetes Engine (GKE)：在 GKE 中的 Axion 節點上執行容器化應用程式，即可發揮處理器的能源效率，不必犧牲容器化環境所需的擴充性和效能，進而提高成本效益和永續發展潛力。GKE 支援多架構叢集，可在 x86 和 Arm 節點上順暢部署應用程式
- Dataproc：在 Dataproc 中，採用 Axion 的執行個體可讓您在處理大數據和分析工作時，兼顧效能與成本，尤其是水平擴展處理工作
- Dataflow：Dataflow 中的串流處理工作負載可發揮 Axion 處理器的高效能，有望降低持續擷取及分析資料的作業成本
- Batch：Batch 中的 Axion 提供高核心密度，且能讓每瓦特電力都達到極佳效能，為高效能運算 (HPC) 和批次處理工作帶來優勢，適合用於需要大量運算資源的工作
- Cloud SQL：在採用 Axion 處理器的 Compute Engine 中執行 Cloud SQL 執行個體，可為關聯式資料庫工作負載提供兼具高效能與成本效益的解決方案
- AlloyDB：AlloyDB 採用與 PostgreSQL 相容的設計，可運用 Axion 處理器的效能和效率，滿足嚴苛的交易應用程式需求，進而提升成效並降低 TCO
Arm 架構處理器範例
Arm 架構包含各種專為特定應用程式設計的處理器系列：
- Cortex-A 系列：高效能處理器，通常用於智慧型手機和平板電腦，現在也越來越常用於筆記型電腦和伺服器。這些核心專為複雜的作業系統，以及要求嚴苛的應用程式而設計
- Cortex-M 系列：微控制器等級處理器，專為低耗電量和即時應用程式打造，常用於嵌入式系統和 IoT 裝置
- Cortex-R 系列：即時處理器，專為需要確定性和低延遲回應的應用程式設計，例如車用系統和工業控制系統
- Neoverse 系列：伺服器等級處理器，專為資料中心工作負載設計，著重於高核心數、效能擴充性和能源效率；Google Axion 處理器即採用 Neoverse 架構
使用 Arm 架構處理器的好處
Arm 架構處理器的採用率日益增長，尤其是在高效能運算環境中，主要歸功於以下幾個優勢：
高能源效率
高能源效率
相較於傳統 CISC 架構，RISC 架構能以更低的耗電量達到更強大的處理能力，這是 RISC 架構的根本優勢。這樣的效能不僅可降低營運成本、散熱，還能在特定熱度範圍內實現更強大的處理能力。
體積更小，生熱更少
體積更小，生熱更少
Arm 架構處理器的指令集較簡單，設計也更有效率，因此晶片尺寸通常較小，產生的熱能也更少。這項優勢尤其能在空間有限的環境中發揮效用，實現更精巧且高效的系統設計。
靈活搭配各種技術使用
靈活搭配各種技術使用
Arm 架構具擴充和適應能力，可應用於各種不同的裝置，從微型感應器到高效能伺服器 CPU 都適用。在日益緊密互連且多元的運算環境中，如此靈活的功能讓 Arm 架構成為不可或缺的技術。
Arm 架構處理器的挑戰
Arm 架構處理器越來越受歡迎，但仍面臨挑戰：
軟體相容性
與 x86 生態系統相比，以往 Arm 架構伺服器與高效能運算的軟體生態系統較不成熟。隨著作業系統、編譯器和應用程式開發人員的支援更加全面，這種情況正迅速改變。不過，部分舊版應用程式可能需要重新編譯，或可能無法直接在 Arm 架構上運作。
特定工作負載的效能
雖然 Arm 架構處理器效能越來越強大，但部分高度專業工作負載經過多年的最佳化調整，仍可能在 x86 架構平台上展現出色的效能。不過，隨著新一代的 Arm 架構伺服器處理器問世，這項差距正在縮小。
Arm 架構處理器的商業用途
Arm 架構處理器能在維持高能源效率的同時提升效能，是各種商業應用程式的理想選擇：
- 雲端運算：Google Cloud 等供應商採用 Arm 架構處理器 (Axion)，為各種工作負載提供符合成本效益且可永續發展的潛在運算執行個體
- 邊緣運算：Arm 處理器的耗電量低且外型精巧，非常適合需要在有限電力資源下執行本機處理的邊緣裝置
Google Cloud Arm 架構的未來發展為何？
Google Cloud 預期，Arm 架構未來的重要性將與日俱增，推動各種工作負載。Google Axion 處理器的推出，彰顯了我們對這項架構的長期承諾，致力為客戶提供效能與效率均相當出色的替代方案。
迷思：「Arm 只適用於低功耗行動裝置」
Arm 架構最早運用於行動裝置，但如今已大幅演進。Arm Neoverse 是 Google 特製 Axion CPU 的基礎，展現高效能伺服器等級的處理能力。Axion 專為處理嚴苛的資料中心工作負載 (包括高效能運算) 而打造，可大幅提升 Google Cloud 的效能和效率。Axion 的 Neoverse V2 核心，以及我們觀察到的效能基準都能證明這一點。
迷思：「HPC 的 Arm 軟體生態系統還不夠成熟」
Arm 軟體生態系統正在迅速擴展。Google Cloud 積極推動這項趨勢，致力確保 Arm 與各種編譯器 (例如 Arm Compiler for Linux) 和科學程式庫 (包括 Arm Performance Libraries) 相容。此外，現在有許多開放原始碼工具和 ISV 應用程式已針對 Arm 最佳化，能夠在 Arm 架構上運作。在 Google Cloud 中，使用者可透過 Compute Engine 取得相容的 OS 映像檔、在 GKE 中享有多架構支援容器，並受惠於 Google 持續為 Arm 軟體開發社群貢獻的內容。我們也提供資源和工具來協助您順利完成遷移作業。
迷思：「對於不熟悉架構的學生或開發人員來說，將 Arm 用於 HPC 的起步門檻太高」
Google Cloud 可協助您開始將 Arm 用於 HPC。使用者可以在 Compute Engine 中快速啟動採用 Axion 的 Arm 虛擬機器，或是使用熟悉的工具和工作流程，在 GKE 中部署 Arm 架構容器。Google Cloud 可讓開發人員和學生在領先業界的雲端平台上學習重要技能，準備好因應未來趨勢。我們也正積極發掘將 Arm 整合至教育計畫和實驗室的機會。
