Was ist eine Computerarchitektur?

Zwischen Präsentationen von Technologieunternehmen wie AMD, Apple oder Intel und Datenblättern für bestimmte Geräte und andere Produkte haben Sie es mit ziemlicher Sicherheit zumindest gehört das Wort Architektur. Apple prahlt damit, dass seine M1- und M2-Chips das verwenden ARM Architektur, und AMD betont, dass seine Zen 4-Architektur besser ist als Intels Raptor Lake-Architektur. Aber bei all dem Marketing wird nie wirklich erklärt, was „Architektur“ eigentlich ist. Hier finden Sie alles, was Sie über Architekturen wissen müssen und warum sie wichtig sind.

Architektur: die Grundlage eines Prozessors

Architektur ist in der Technik ein vages Wort, aber ich spreche hier von Befehlssatzarchitekturen (ISA) und Mikroarchitekturen. Sowohl ISAs als auch Mikroarchitekturen werden mit „Architekturen“ abgekürzt, da es ungewöhnlich ist, ISAs und Mikroarchitekturen zu verwechseln. Darüber hinaus werde ich hauptsächlich über CPU-Architekturen sprechen, aber auch andere Prozessoren wie GPUs verwenden sowohl ISAs als auch Mikroarchitekturen.

Die ISA ist ein guter Ausgangspunkt, da sie der grundlegendste Teil eines Prozessors ist und dessen grundlegendstes Element enthält Aspekte wie Anweisungen (wie Addition und Multiplikation) und Funktionen (wie die Fähigkeit, mit Zahlen mit 32 Dezimalstellen umzugehen). setzt). Prozessoren, die eine bestimmte ISA verwenden, können nur Code ausführen, der für diese ISA entwickelt wurde (obwohl Emulation eine Problemumgehung darstellt). Aus diesem Grund war es eine große Sache, als Apple begann, Macs mit Apple-Silizium zu verkaufen, da macOS für Intel-CPUs entwickelt wurde, die das verwenden x86 ISA und Apples Chips verwenden das ARM ISA.

Mikroarchitekturen können einen erheblichen Einfluss auf Spiele, professionelle Arbeit oder sogar die gelegentliche Computernutzung haben.

Kurz gesagt ist die Mikroarchitektur das, was verschiedene Teile des Prozessors verbindet und wie sie miteinander verbunden und zusammenarbeiten, um die ISA zu implementieren. Wenn ISAs also wie verschiedene Sprachen sind, dann sind Mikroarchitekturen Dialekte. Das Entwerfen eines brandneuen Chips erfordert nicht den Verzicht auf die ISA, und die Entwicklung eines neuen Prozessors ohne Änderung der ISA führt zu einer neuen Mikroarchitektur. Mikroarchitekturen, die auf derselben ISA basieren, können sehr unterschiedlich sein, aber denselben Code ausführen, selbst wenn ein Chip eindeutig eine bessere Leistung erbringt als der andere. Unternehmen neigen dazu, neue Mikroarchitekturen zu entwickeln, um die Leistung zu steigern, neue Anweisungen hinzuzufügen (sogenannte Erweiterungen, da sie nicht in der Basis-ISA enthalten sind) oder eine bestimmte Anwendung gezielt einzusetzen.

Heute haben wir eine Handvoll ISAs, wobei die wichtigsten x86 (im gemeinsamen Besitz von Intel und AMD), ARM (im Besitz von Arm, aber an andere Unternehmen wie Apple und Samsung lizenziert) sind. RISC-V (ein ISA mit offenem Standard, den jeder kostenlos nutzen kann) und PowerPC (gehört IBM und wird hauptsächlich für Rechenzentrumsaufgaben und früher für viele Konsolen wie PS3 und Wii verwendet). Es gibt mindestens Hunderte, wenn nicht Tausende von Mikroarchitekturen, darunter die Zen-Serie von AMD, die Lake-Serie von Intel und die Cortex-Serie von Arm.

ISAs haben die Grenzen innerhalb der Technologie definiert

Die Tatsache, dass Programmierer Code speziell für bestimmte ISAs erstellen müssen, um nativ (d. h. ohne Notwendigkeit) ausgeführt zu werden eine Problemumgehung wie die Emulation zu verwenden, die oft eine schlechte Leistung erbringt) hat zwangsläufig viele Hürden geschaffen, wenn es darum geht Computers. Entwickler neigen dazu, sich auf nur eine ISA zu konzentrieren, und diese nahezu unzerstörbare Verbindung zwischen Hardware und Software hat definiert, wer die Prozessoren für bestimmte Gerätetypen herstellt.

x86 wird fast ausschließlich in Desktops, Laptops und Spielekonsolen verwendet, und diese Geräte wiederum verwenden fast ausschließlich x86. ARM, RISC-V und PowerPC haben sich alle in diesen Bereichen versucht, aber x86 dominiert sie alle. Das reicht noch nicht einmal Microsoft hat eine ARM-Version von Windows erstellt weil Softwareentwickler von Drittanbietern machen müssen ARM-Versionen ihrer Apps, und nur sehr wenige von ihnen haben es getan. Andererseits machte es Apples Besitz von macOS viel einfacher (wenn auch immer noch eine Herausforderung), von x86-Intel-Chips auf eigene umzusteigen.

Ebenso hat ARM Telefone und Tablets im Würgegriff, und das schon seit etwa zwei Jahrzehnten. Zu der Zeit Intel begann mit der Herstellung von x86-Chips für Telefone Ende der 2000er-Jahre nutzte praktisch der gesamte Markt schon seit Jahren ARM, und Intel hatte Schwierigkeiten, Unternehmen von einem Wechsel zu überzeugen.

Heute scheint es, dass die von den ISAs geschaffenen Grenzen weitgehend gefestigt sind. Es ist äußerst unwahrscheinlich, dass ARM-Chips jemals x86 in Desktops und Laptops überholen werden (obwohl). Apple macht hier deutliche Fortschritte, und es ist so gut wie sicher, dass Smartphones immer genutzt werden ARM. Allerdings gibt es in aufstrebenden Märkten wie Rechenzentren und Internet-of-Things-Geräten (IoT) einen erheblichen Wettbewerb. RISC-V liefert auch ein überzeugendes Argument dafür, dass viele Unternehmen lieber ihre eigenen RISC-V-Chips für Anwendungen herstellen würden, bei denen die Notwendigkeit der Kompatibilität mit einem breiten Ökosystem kein wirkliches Problem darstellt. Vielleicht werden einige dieser ISAs in ferner Zukunft nicht mehr verwendet, aber es ist wahrscheinlich, dass nur wenige große ISAs jemals relevant sein werden.

Mikroarchitekturen können Ihr Erlebnis auf einem Gerät beeinflussen oder beeinträchtigen

Obwohl man das Marketing von Unternehmen nicht ohne Bedenken betrachten kann, ist es wahr, dass Mikroarchitekturen einen erheblichen Einfluss auf Spiele, professionelle Arbeit oder sogar die gelegentliche Computernutzung haben können. Wenn Sie sich fragen, ob Sie die neueste Mikroarchitektur in Ihrem Gerät benötigen oder nicht, sollten Sie Folgendes beachten.

Spiele profitieren oft nicht von allem, was eine neue CPU-Mikroarchitektur zu bieten hat, wie etwa einer Steigerung der Anweisungen pro Takt (IPC), da Spiele nicht wirklich viele Rohressourcen verbrauchen. Allerdings können Mikroarchitekturen höhere Taktraten, zusätzlichen Cache und andere Eigenschaften mit sich bringen, die für Spiele besser sein könnten. Wenn Sie Videospiele mit hohen Frameraten spielen, kann Ihr Erlebnis durch die Verwendung des neuesten Prozessors erheblich verbessert werden. Wenn Ihre CPU älter als fünf Jahre ist, ist es möglicherweise an der Zeit, über ein Upgrade nachzudenken.

Ein Upgrade auf eine neue GPU mit einer neuen Mikroarchitektur könnte ebenfalls eine gute Idee sein. Neue Grafikkarten führen manchmal neue Funktionen ein, wie z. B. Nvidias DLSS (das nur auf RTX-Karten verfügbar ist, und DLSS 3 nur auf die RTX 40-Serie) und AV1-Kodierung nur auf den neuesten RTX 40-, RX 7000- und Arc Alchemist-GPUs vorhanden. Dazu noch Gaming-Performance hängt von der Grafikkarte ab, und neue Mikroarchitekturen werden oft mit Karten gepaart, die viel mehr Leistung und VRAM haben als ältere Einsen.

Sollten Sie auf CPUs mit neuer Architektur upgraden?

Wenn es um professionelle und kreative Arbeiten wie Rendering, Videobearbeitung und andere Aufgaben geht, lohnt sich die Anschaffung einer neuen CPU oder GPU oft sowohl wegen der neuen Funktionen als auch wegen der allgemein höheren Leistung. Manchmal sind beispielsweise zusätzliche CPU-Anweisungen wie AVX nützlich. Mögliche Leistungssteigerungen können jedoch je nach Anwendung stark variieren. Sie sollten Ihre Software daraufhin untersuchen, ob sie von neuerer Hardware profitieren kann.

Für Gelegenheitsnutzer sind die Vorteile neuerer Hardware nicht so offensichtlich, da grundlegende Anwendungen auf so ziemlich allem laufen können, was im letzten Jahrzehnt hergestellt wurde. Insbesondere für Laptop-Benutzer bringt eine Mikroarchitektur jedoch oft eine höhere Effizienz mit sich, und eine bessere Effizienz bedeutet in der Regel einen geringeren Stromverbrauch, was wiederum eine längere Akkulaufzeit bedeutet.