Was ist ein ARM-Prozessor?

ARM-Prozessoren sind eine Art von CPUs (Central Processing Units), die auf der RISC-Architektur (Reduced Instruction Set Computer) basieren. Die Abkürzung ARM steht für „Advanced RISC Machine“. ARM-Architekturen gehen beim Design der Hardware für ein System anders vor als bekanntere Serverarchitekturen wie x86.

Das ARM-Partnernetzwerk wurde in den letzten Jahren ständig erweitert und bietet serveroptimierte Produkte und Lösungen, die für Cloud und Hyperscale Computing, Telekommunikation und Edge Computing sowie für HPC-Anwendungen (High-Performance Computing) entwickelt wurden. Red Hat® Enterprise Linux® for ARM biete Ihnen eine zuverlässige, leistungsstarke Plattform mit einer konsistenten Anwendungsumgebung für physische, virtuelle und Cloud-Deployments.

Um die Use Cases und Anwendungen von ARM-Architekturen verstehen zu können, müssen wir zunächst die Geschichte der ARM-Prozessoren kennen.

x86 ist ein älteres Architekturkonzept – das erste x86-CPU-Design kam 1978 auf den Markt. Damals waren riesige, zimmergroße Großrechner Standard. Mit der Modernisierung der Technologie hin zu „Mikrocomputern“ (PCs) entstand auch die Herausforderung, Komponenten zu konfigurieren, die hochleistungsfähig sind und gleichzeitig in kleineren Computerdesigns Platz finden. Das Unternehmen Acorn Computers entwarf in den frühen 1980er Jahren Mikrocomputer, sahen sich dabei aber mit ihrem Chip-Design Einschränkungen bei der Performance gegenüber.

Etwa um die gleiche Zeit (ab 1981) wurde in einem Projekt der University of California, Berkeley, die Ressourcennutzung mit Computer-Chips bewertet. PUs (Processing Units) besitzen bestimmte vordefinierte Operationen, die zusammen auch Befehlssätze genannt werden. Betriebssysteme und Programme nutzen diese Befehlssätze, um sich selbst auszuführen. Die Programmierteams in Berkeley stellten fest, dass die meisten Programme nur einen kleinen Teil des Befehlssatzes verwendeten. Wenn sie die vordefinierten Befehle reduzieren könnten, indem sie komplexe oder schwer zu implementierende (und wenig genutzte) Befehle entfernten, dann würden die verbleibenden einfachen Befehle schneller ausgeführt werden und viel weniger Leistung und Speicherplatz des Chips in Anspruch nehmen. Dabei handelt es sich um eine sogenannte RISC-Architektur (Reduced Instruction Set Computer). x86 hingegen ist eine CISC-Architektur (Complex Instruction Set Computer). Sowohl RISC als auch CISC werden als Befehlssatzarchitektur (Instruction Set Architecture, ISA) angesehen.

Typische Serverarchitekturen wie das allgegenwärtige x86-Design folgen einem modularen Ansatz, der auf einem Motherboard mit austauschbaren Komponenten basiert. Die CPU und andere Komponenten – wie Grafikkarten und GPUs, Speicher-Controller, Storage oder Prozessorkerne – sind für bestimmte Funktionen optimiert und können einfach ausgetauscht oder erweitert werden. Diese Einfachheit hat aber ihren Preis: Bei den Hardwarekomponenten handelt es sich oft um homogenisierte Systemarchitekturen. Dadurch kann es bei den Systemen schneller zu Sicherheitsverletzungen und Angriffen kommen – mithilfe von Exploits nach dem Schema „Einmal schreiben, in vielen verschiedenen Umgebungen ausführen“.

ARM-Prozessoren basieren auf einem anderen Ansatz. Anstatt die PU von der restlichen Hardware zu trennen, sind die CPU-Kerne Teil der physischen Plattform für den integrierten Schaltkreis. Andere Hardwarefunktionen (etwa I/O-Bus-Controller wie Peripheral Component Interconnect) befinden sich auf derselben physischen Plattform, wobei diese unterschiedlichen Funktionen über einen internen Bus miteinander integriert werden. Werden Komponenten wie diese in denselben integrierten Schaltkreis eingesetzt, spricht man von einem SoC (System on a Chip).

Die Anpassbarkeit und Integration sind ein Hauptgrund bei der Entscheidung für ARM-Prozessoren. Im Gegensatz zu den AMD- oder Intel-Prozessoren für x86-Architekturen gibt es bei ARM-Prozessoren nicht den einen bestimmten Hersteller. Arm Holdings lizenziert Designs für ARM-Prozessoren mit bestimmten Performance-Benchmarks, und zwar serienmäßig für verschiedene besondere Zwecke und Optimierungen. Diese Designs werden dann von den Hardwareherstellern an ihre konkreten Geräte angepasst.

Wer fragt, was ein ARM-basierter Prozessor ist, hat nicht verstanden, worum es bei einem ARM-basierten Prozessor geht. Mit einem ARM-basierten Prozessor wird eine andere Systemarchitektur mit anderen zugrunde liegenden Prioritäten in Sachen System-Performance und -Konnektivität eingesetzt.

ARM-Architekturen sind weltweit die häufigsten elektronischen Designs, auch wenn x86 auf dem Servermarkt üblicher ist. ARM-Architekturen werden in fast allen Smartphone-Designs verwendet, ebenso wie in anderen kleinen Mobilgeräten und Laptops.

x86-Chips sind auf Performance-Optimierung ausgelegt. ARM-basierte Prozessoren hingegen sollen ein ausgewogenes Preis-Leistungsverhältnis bieten und zeichnen sich daher durch kleinere Größen, niedrigeren Energieverbrauch, geringere Wärmeerzeugung, Geschwindigkeit und eine potenziell längere Akkulebensdauer aus.

Da Arm Holdings Designs anstatt der eigentlichen Hardware verkauft, können Hardwarehersteller die Mikroarchitektur an ihre spezifischen Anforderungen anpassen und gleichzeitig die kleine Größe, hohe Performance und Energieeffizienz beibehalten. Das ist sowohl mit Vorteilen als auch mit Nachteilen verbunden, denn es bedeutet auch, dass Betriebssysteme wie Linux, Windows und Android ein breiteres Spektrum an Hardware unterstützen müssen.

Das heißt aber nicht, dass ARM-Architekturen nur für kleine Mobilgeräte verwendet werden. Auch Fugaku, einer der schnellsten Supercomputer der Welt (entworfen von Fujitsu und Riken), nutzt einen ARM-Prozessor. In diesem Fall entwarf Fujitsu zwar seinen eigenen ARM-Chip für den Supercomputer, aber generell stellt ARM auch ein Designprofil für HPC-Architekturen bereit. Aufgrund der geringen Größe, des niedrigeren Energieverbrauchs sowie der geringeren Wärmeerzeugung (und des dadurch geringeren zusätzlichen Kühlungsbedarfs) werden ARM-Systeme vermehrt von Organisationen eingesetzt, um Knoten oder Cluster für HPC- und Cloud-Flotten zu entwickeln (wie Amazon Web Services Graviton und Microsoft Azure). Die Toolchain Arm Compiler for Linux ist speziell auf die Entwicklung von HPC-Anwendungen zugeschnitten. Wenn Sie ARM-Prozessoren integrieren, ist es wichtig, deren Kompatibilität mit Ihren bestehenden Anwendungen und Use Cases zu überprüfen.

Eine ARM-Architektur sorgt beim Hardwaredesign für mehr Kontrolle über Designs, Performance und Lieferkette. Diese Kombination aus Kontrolle und Performance ist sowohl für kleine Endbenutzergeräte als auch für große Computing-Umgebungen attraktiv.

ARM-Architekturen nutzen seit langem Linux-Betriebssysteme (insbesondere für Geräte wie Raspberry Pi-Platinen und Smartphones von Samsung und Apple). Eine berühmte Anekdote aus der Entwicklungsgeschichte der ARM-Prozessoren mit Linux: Wegen der mangelnden Konsistenz zwischen ARM-Designs brauchte jedes ARM-Design stets einen eigenen spezifischen Linux-Kernel-Build, selbst innerhalb des gleichen Modells oder beim gleichen Hersteller. Das änderte sich im Jahr 2012, als die Linux-Kernel-Community Multi-Plattform-Unterstützung für ARM SoCs im Linux-Kernel integrierte.

Arm Holdings hat spezielle Architekturen für die Unterstützung von Linux-Servern und -Workstations definiert: die SystemReady-Reihe. Diese Architekturen definieren Spezifikationen für Hardware, Firmware, Boot-Anforderungen und Sicherheit. Red Hat Enterprise Linux for ARM wurde für Arm SystemReady SR zertifiziert. SystemReady-Architekturen sollen sicherstellen, dass die einzelnen Schichten des Technologie-Stacks – angefangen beim Betriebssystem – einfach funktionieren.

Die Community ist ein entscheidender Faktor bei ARM-Designs. Einer der Vorteile einer Red Hat Subskription ist die breite Palette an Hardwareanbietern, die Collaborative Engineering nutzen und getestete, zertifizierte Deployments anbieten. Dazu gehören auch die Herstellung und das Design von ARM-Hardware. Da ARM eng mit dem Hardwaredesign selbst verbunden bleibt, bietet Red Hat Enterprise Linux ein Early Bird-Programm mit Hardwarepartnern zum Testen neuer ARM-Entwicklungen.

Red Hat investiert in die ARM-Community und bietet mit Red Hat Enterprise Linux eine Plattform, die aufgrund ihrer Open Source-Sicherheit und -Performance sowie ihres Enterprise-Lifecycles gut für ARM-Workloads geeignet ist.