Was ist die Arm-Prozessorarchitektur?

Ein Arm-Prozessor ist ein energieeffizienter Prozessor, der auf der Arm-Architektur basiert. Diese ist speziell darauf ausgelegt, mit einem reduzierten und optimierten Befehlssatz zu arbeiten. So werden die Rechenprozesse vereinfacht und die Leistungsfähigkeit bei geringem Energieverbrauch erhöht.

Hintergründe der Arm-Architektur

Die Arm-Architektur, ursprünglich von der britischen Firma Acorn Computers entwickelt, zeichnet sich durch hohe Leistung und Skalierbarkeit aus. Dank ihrer Energieeffizienz finden Arm-Prozessoren sich heutzutage in zahlreichen Geräten und Anwendungen, die von Smartphones über Tablets bis hin zu modernen Servern reichen.

Die Prozessorarchitektur basiert auf dem Prinzip der RISC-Architektur (Reduced Instruction Set Computer). Mithilfe dieses Befehlssatzes, der nur eine begrenzte Anzahl von einfachen und schnellen Instruktionen beinhaltet, ist es Arm-Prozessoren möglich, schneller und energieeffizienter zu arbeiten als Konkurrenzprodukte mit einem umfangreichen Befehlssatz (CISC, wie bei x86).

Eigenschaften und Vorteile der Arm-Architektur

Das wohl bedeutsamste Merkmal der Arm-Prozessorarchitektur ist ihre Energieeffizienz. Dank des RISC-Befehlssatzes benötigen Arm-Prozessoren weniger Energie pro Rechenoperation. Dadurch sind sie ideal geeignet für mobile Geräte, die lange Akkulaufzeiten benötigen, wie Smartphones und Tablets. Weiter gesteigert wird die Energieeffizienz durch das Pipelining, bei dem mehrere Befehle gleichzeitig verarbeitet werden können.

Darüber hinaus sind Arm-Prozessoren äußerst skalier- und anpassbar. Arm Holdings, das Unternehmen hinter der Architektur, lizenziert das Design an andere Unternehmen, die daraus spezialisierte Chips für spezifische Anwendungsfälle entwickeln können. Dies ermöglicht maßgeschneiderte Lösungen für unterschiedliche Einsatzgebiete, angefangen bei einfachen Mikrocontrollern bis hin zu komplexen High-Performance-Servern. Unter anderen nutzt Apple für seine MacBooks seit der Einführung des M1-Chips Ende 2020 einen Arm-basierten Chip.

Da Arm-Designs kompakt und einfach gehalten sind, benötigen sie weniger Platz auf dem Silizium-Chip und weniger Energie für die Fertigung. Dies macht Arm-Prozessoren kostengünstiger als viele Alternativen und damit besonders attraktiv für Hersteller, die große Mengen an Chips für mobile und eingebettete Geräte benötigen.

Arm-Prozessoren können durch ihre Mehrkern-Architektur eine hohe Leistung für Anwendungen mit Parallelverarbeitung bieten. Dies ist besonders relevant in Themengebieten wie künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen. Mit dem seit 2021 existierenden Standard Armv9 sind außerdem eine ganze Reihe weiterer Funktionalitäten der Arm-Architektur ausgebaut worden, die sie für einen Einsatz im Bereich KI bestens wappnen.

Vorteile der Arm-Architektur auf einen Blick

Energieeffizienz: Dank des reduzierten Befehlssatzes sind Arm-Chips energieeffizienter als ihre Konkurrenten.

Skalierbarkeit: Ein hohes Maß an Skalierbarkeit sorgt für maximale Flexibilität.

Parallelität: Parallele Prozessverarbeitungen und viele Kerne sind ideal für KI-Anwendungen.

Kostengünstig: Der geringe Energieverbrauch sorgt für kostengünstige Prozessorlösungen.

Zentrale Einsatzgebiete für Arm-Prozessoren

Der größte Markt für Arm-Prozessoren liegt im Bereich mobiler Geräte, darunter Smartphones, Tablets und Wearables. Aufgrund ihrer hohen Energieeffizienz sind Arm-Prozessoren hier die bevorzugte Wahl. Fast alle modernen Smartphones nutzen Arm-Prozessoren, da diese eine lange Akkulaufzeit bei hoher Rechenleistung ermöglichen.

Auch in eingebetteten Systemen, wie sie mittlerweile in IoT, Medizin- oder Haushaltsgeräten zum Einsatz kommen, spielen Arm-Prozessoren eine zentrale Rolle. Zwar erfordern diese Systeme in der Regel nur eine geringe bis mittlere Rechenleistung; eine lange Akkulaufzeit und ein hohes Maß an Zuverlässigkeit sind jedoch Pflicht.

In den letzten Jahren hat Arm außerdem zunehmend an Bedeutung im Bereich der Servertechnologie gewonnen. Arm-Server bieten eine Alternative zu herkömmlichen x86-basierten Servern, insbesondere in speziellen Cloud-Anwendungen, bei denen Energieeffizienz und parallele Rechenleistung im Vordergrund stehen. Arm-Server sind oft in speziellen Rechenzentren zu finden, die auf hohen Datendurchsatz und niedrige Betriebskosten angewiesen sind. Der Einsatz von Arm-Prozessoren in Dedicated Servern bringt klare Vorteile: Sie ermöglichen eine hohe Rechenleistung bei niedrigem Stromverbrauch und geringeren Kühlanforderungen, was langfristig Kosten senken kann.

Auch in den Bereichen Edge Computing und bei KI-Anwendungen, die nahe an der Datenquelle erfolgen, sind Arm-Prozessoren durch ihre Skalierbarkeit und Effizienz auf dem Vormarsch. Mit speziellen Beschleunigern für KI-Berechnungen sind moderne Arm-Prozessoren in der Lage, schnelle Analysen und Entscheidungen in Echtzeit zu treffen, ohne dass die Daten an ein zentrales Rechenzentrum gesendet werden müssen.

Befehlssatz und Programmiermodell

Der Arm-Befehlssatz ist auf Einfachheit und Effizienz ausgelegt und folgt dem RISC-Prinzip. Im Gegensatz zu komplexeren Befehlssätzen (wie x86) sind die Arm-Befehle weitgehend standardisiert und führen meist nur eine Operation aus, was die Optimierung der Hardware maßgeblich vereinfacht. Dies erlaubt es den Entwicklerinnen und Entwicklern, klare und vorhersehbare Programme zu schreiben, die den Energieverbrauch und die Rechenzeit optimieren.

Arm-Architekturen verfügen je nachdem über einen 32-Bit- oder über einen 64-Bit-Befehlssatz, der für die Anforderungen moderner Anwendungen ausgelegt ist. Der erste Arm-64-Bit-Befehlssatz, Armv8-A, ermöglicht die Verarbeitung größerer Datenmengen und erweitert die Speicherkapazitäten erheblich. Im hierarchisch aufgebauten Arm-Programmiermodell gibt es spezielle Register für bestimmte Operationen. Darüber hinaus können durch das Pipelining verschiedene Instruktionen gleichzeitig verarbeitet werden, was die Gesamtleistung optimiert.