64-Bit-CPU-Architektur
x86 zielt traditionell vor allem auf Spitzenleistung ab, was ein wesentlicher Unterschied zu Arm-Prozessoren ist, die auf eine bessere Energieeffizienz abzielen. In der heutigen Welt sind 64-Bit-Architekturen in Smartphones und PCs weit verbreitet. Dieser Wandel vollzog sich nicht so schnell, denn um das Jahr 2012 herum wurden auch die Telefone umgestellt, was aber nichts an der Art und Weise änderte, wie wir die Geräte nutzen, sondern nur dafür sorgte, dass sie die Dinge besser handhaben. Heute unterstützen beide Architekturen 64-Bit, aber in Smartphones ist es relevanter.
PCs sind lange vor Smartphones auf 64-Bit umgestiegen, aber es war nicht Intel, der die moderne x86-64-Architektur (auch als x64 bekannt) geprägt hat. Diese Ehre gebührt AMDs Ankündigung aus dem Jahr 1999, die Intels bestehende x86-Architektur nachrüstete.
ARM-Architektur
ARM basiert auf RISC (Reduced Instruction Set Computing), während Intel (x86) auf CISC (Complex Instruction Set Computing) basiert. Die CPU-Befehle von Arm sind relativ atomar, mit einer sehr engen Korrelation zwischen der Anzahl der Befehle und den Mikro-OPs. CISC bietet im Vergleich dazu viel mehr Befehle, von denen viele mehrere Operationen ausführen (z. B. optimierte mathematische Operationen und Datenbewegungen). Dies führt zu einer besseren Leistung, aber zu einem höheren Stromverbrauch bei der Dekodierung dieser komplexen Befehle.
Arm hat seine ARMv8 64-Bit-Architektur im Jahr 2011 eingeführt. Anstatt seinen 32-Bit-Befehlssatz zu erweitern, bietet Arm eine reine 64-Bit-Implementierung an. Um dies zu erreichen, verwendet die ARMv8-Architektur zwei Ausführungszustände, AArch32 und AArch64. Wie die Namen schon andeuten, ist einer für die Ausführung von 32-Bit-Code und der andere für 64-Bit-Code vorgesehen. Das Schöne am ARM-Design ist, dass der Prozessor während seiner normalen Ausführung nahtlos von einem Modus in den anderen wechseln kann. Das bedeutet, dass der Decoder für die 64-Bit-Befehle ein neues Design ist, das die Kompatibilität mit der 32-Bit-Ära nicht aufrechterhalten muss, während der Prozessor als Ganzes abwärtskompatibel bleibt.
Arms Sieg im mobilen Ökosystem
Die oben beschriebenen architektonischen Unterschiede erklären zum Teil die aktuellen Erfolge und Probleme der beiden Chipriesen. Der Low-Power-Ansatz von Arm eignet sich perfekt für die 3,5-W-TDP-Anforderungen (Thermal Design Power) von Mobilgeräten, doch die Leistung kann auch mit Intels Laptop-Chips mithalten. Intels typischer Core i7 mit 100 W TDP ist zwar in Servern und Hochleistungs-Desktops sehr erfolgreich, hat aber Schwierigkeiten, unter 5 W zu skalieren.
Ein einzigartiges Merkmal der Arm-Architektur hat besonders dazu beigetragen, den TDP für mobile Anwendungen niedrig zu halten: das heterogene Computing. Die Idee ist denkbar einfach: Es geht darum, eine Architektur zu entwickeln, die es ermöglicht, dass verschiedene CPU-Teile (in Bezug auf Leistung und Stromverbrauch) zusammenarbeiten, um die Effizienz zu steigern. Heterogeneous Multiprocessing (HMP) ist im Android-Bereich bereits groß, siehe Chips wie der Snapdragon 810, Exynos 7420 oder Helio X20, aber Heterogeneous Compute (HC) ist die nächste Entwicklung.
Sie sehen, Prozessoren können so konzipiert werden, dass sie bestimmte Aufgaben effizienter ausführen, aber ein einzelnes Design kämpft damit, in allem gut zu sein. Eine typische CPU ist vielleicht gut für die serielle Verarbeitung geeignet, während ein Grafikprozessor parallele Datenströme verarbeiten kann und ein DSP besser für die Berechnung von Zahlen mit hoher Genauigkeit in Echtzeit optimiert ist. Die Theorie besagt, dass die Auswahl des besten Prozessors für eine bestimmte Aufgabe zu einer besseren Leistung und Energieeffizienz führt.
Der derzeit schnellste Computer der Welt ist ARM-basiert!
Fugaku ist jetzt der schnellste Supercomputer der Welt. Im Rahmen des TOP500-Projekts wurde der japanische Fugaku-Computer, der auf dem A64FX-Prozessor basiert, als schnellster Computer der Welt eingestuft. Fugaku befindet sich im RIKEN Center for Computational Science in Wakō, Japan.
Softwarekompatibilität
Anwendungen und Software müssen für die CPU-Architektur kompiliert werden, auf der sie laufen. Historisch gesehen haben Ökosysteme wie Android auf Arm oder Windows auf x86 kein Problem damit, auf mehreren Plattformen oder Architekturen zu laufen. Apples Arm-basierte Macs, Googles Chrome OS und Microsofts Windows auf Arm sind alles moderne Beispiele, bei denen die Software sowohl auf Arm- als auch auf Intel-Architekturen laufen muss. Die Kompilierung nativer Software für beide ist eine Option für neue Anwendungen und Entwickler, die bereit sind, in die Neukompilierung zu investieren. Um die Lücken zu schließen, setzen diese Plattformen auch auf Code-Emulation. Mit anderen Worten: Übersetzung von Code, der für eine CPU-Architektur kompiliert wurde, um auf einer anderen zu laufen. Dies ist weniger effizient und verschlechtert die Leistung im Vergleich zu nativen Apps, aber eine gute Emulation ist derzeit möglich, um sicherzustellen, dass Apps funktionieren.
Nach jahrelanger Entwicklung ist die Windows on Arm-Emulation für die meisten Anwendungen in einem ziemlich guten Zustand. Auch Android-Anwendungen laufen auf Intel Chromebooks größtenteils anständig. Wir müssen abwarten, ob Arm-Macbooks ebenso gut laufen.
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