Cortex-A72 für Amazon-Rechenzentren Amazon Web-Services bringt Arm-CPUs in die Cloud

Die Cloud war eines der großen Themen auf der diesjährigen Hannover Messe – unter anderem im wolkenförmigen Showroom von Amazon auf der Südseite des Convention Centers.
Die Cloud war eines der großen Themen auf der diesjährigen Hannover Messe – unter anderem im wolkenförmigen Showroom von Amazon auf der Südseite des Convention Centers.

Amazon.com machte eine überraschende Ankündigung: Es beginnt, AWS-Instanzen (EC2 A1) auf Basis von selbstentwickelten Arm-CPUs anzubieten. Die erste CPU trägt den Namen "Graviton". Kann sie Intel und AMD gefährlich werden?

Dies ist der Beginn eines lang erwarteten Krieges. Ein Krieg, in dem Arm-basierte Server-CPUs beginnen, Marktanteile von Intel und AMD zu gewinnen. Im Moment hält Chip-Riese Intel 90+x % an diesem lukrativen Markt und bislang sind alle Versuche von Arm-Lizenznehmern gescheitert, dies zu verändern.

Qualcomm und AMD haben bereits in der Vergangenheit Anstrengungen unternommen, mit Arm-basierten SoCs in die Cloud vorzudringen. Die Ergebnisse waren jedoch ernüchternd. Mitterweile haben jedoch insbesondere Apples Armv8-basierte SoCs ein solches Leistungsniveau erreichten, dass sie erfolgreich mit x86-CPUs konkurrieren können. Tatsächlich sollen bereits 2020 erste MacBooks mit Arm-CPUs auf den Markt kommen.

Doch erst jetzt beginnt der Krieg ums Rechenzentrum wirklich. Erstmals wurde eine ARM-basierte Cloud-Lösung von einem relevanten Player (und zwar dem relevantesten Player überhaupt, Amazon Web Services, AWS) zur Verfügung gestellt.

Im Jahr 2015 erwarb Amazon Annapurna Labs, ein in Israel ansässiges Mikroelektronikunternehmen, das zur Chip-Entwicklungsgruppe des Unternehmens wurde. Amazon stellte später ehemalige Mitarbeiter von Calxeda ein, einem der ersten Unternehmen, das versuchte, mit Arm-basierten Prozessoren in den Serverchip-Markt einzusteigen.

Calxeda, früher bekannt als Smooth-Stone, war eines der ersten Unternehmen, das versuchte, in den von Intel dominierten Serverchip-Markt mit arm-basierten Prozessoren einzusteigen. Das vor einem Jahrzehnt gegründete Unternehmen kündigte 2010 erstmals einen armbasierten Serverchip an. Vier Jahre später schloss das Unternehmen, weil seine Arm-Cores nicht genügend Rechenleistung für selbst die einfachsten Webanwendungen boten. Die Chips des Unternehmens bestanden aus den Cortex-A9-CPUs mit niedrigen Taktfrequenzen von 1,1-1,4 GHz. Viele argumentierten damals, dass, obwohl Arm das Potenzial hatte, in den Servermarkt einzusteigen, Calxeda mit armbasierten Prozessoren einfach zu früh in diesem Markt gewesen sei.

Heutzutage haben Arm-Prozessoren eine viel höhere IPC und sind mit der doppelten Frequenz getaktet. Amazon nutzt Cortex-A72-CPU-Cores, die mit bis zu 2,3 GHz getaktet sind. Cortex-A72 ist nicht der neueste Hochleistungs-Arm-Core, aber es ist immer noch ein viel modernerer und rechenzentrumstauglicherer 64-Bit-Chip im Vergleich zu den 32-Bit-Cortex-A9-Chips von vor fast einem Jahrzehnt.

Der kommende Cortex-A76 verspricht Leistung der Laptop-Klasse bei hoher Energieeffizienz, während das serverorientierte Derivat „Ares“ noch mehr Leistung bei allerdings auch höherer Stromaufnahme ermöglichen soll.

Andere Cloud-Firmen werden sich wahrscheinlich in Zukunft Amazon anschließen und Arm-Chips für ihre Server einsetzen, da diese Chips eine höhere Leistung erbringen und gleichzeitig deutlich kostengünstiger als die Konkurrenz sind. Microsoft hat bereits eine Windows Server Edition angekündigt, die Arm-Prozessoren unterstützt. Es hat noch keine Arm-Chips in seinem Azure-Cloud-Service eingesetzt, will aber in Zukunft Arm-Server-Chips von Qualcomm und Cavium einzusetzen.

Natürlich ist jede Hardware nur so gut wie das Software-Ecosystem. Laut Amazon wird die Portierung von skriptbasierten Lösungen einfach sein, da Anwendungen ausgeführt werden können, die für Amazon Linux, Red Hat Enterprise Linux und Ubuntu geschrieben wurden.

Hat Arm eine Chance gegen Intel?

ARM-CPUs sind dafür bekannt, dass sie viel energieeffizienter sind als x86-basierte CPUs. Aber das ist für einen AWS-Kunden irrelevant, da er für die Zeit, die er die CPU nutzt, in Rechnung gestellt wird und nicht für die Stromaufnahme (obwohl die Preise die Kosten für AWS widerspiegeln könnten und sollten).

Das Preismodell zeigt 5 Arm-Instanzen von a1.medium mit einer virtuellen CPU und 2 GiB RAM für 0,0255 Dollar/Stunde über a1.large (2 vCPUs, 4 GiB RAM, 0,0510 Dollar/Stunde), a1.xlarge (4 vCPUs, 8 GiB RAM, 0,1020 Dollar/Stunde), a1.2xlarge (8 vCPUs, 16 GiB RAM, 0.2040 Dollar/Stunde) bis hin zu a1.4xlarge mit 16 virtuellen CPUs, 32 GiB RAM für 0,4080 Dollar/Stunde.

Das Problem beim Cortex-A72 ist, dass er im Vergleich zum „State of the Art“ Cortex-A76 und den Apple-CPUs deutlich schwächer ist. Obwohl Amazon.com gesagt hat, dass es kundenspezifisches Silizium in seine Lösung aufgenommen hat, müsste man vor allen Dingen den Core wechseln, um mit Intel wettbewerbsfähig zu sein.

Der A72 wurde beispielsweise in Qualcomms SoC Snapdragon 652 mit einer Taktfrequenz von 1,8 Ghz verwendet. Der Benchmark Geekbench 4.2.3.3 zeigt je nach Implementierung des Snapdragon einen Score von rund 1.350-1.400 Punkten. Vermutlich kann die A72-Instanz von Amazon.com auch mit 2,5 GHz betrieben werden. In diesem Fall könnte man den für 1,8 GHz ermittelten Score auf 1.950 Punkte hochrechnen.

Die vergleichbaren Instanzen von Amazon.com auf Intel-CPUs sind z.B. der t3.small (0.0208 Dollar/Stunde) und t3.medium (0.0416 Dollar/Stunde). Diese Instanzen laufen auf 1 und 2 Threads (1 CPU) eines mit 2,5 GHz getakteten sogenannten „Intel Scalable Processor". Hierbei handelt es sich um einen Intel Xeon Platinum 8180. Diese CPU erreicht im Turbo-Modus bis zu 3,80 GHz. Bei Geekbench 4.2.3 erreicht der Prozessor im Single-Thread-Modus 4.689 Punkte unter Linux, anzunehmen ist, dass er im Turbo-Modus ermittelt wurde, so dass für 2,5 GHz heruntergerechnet „nur“ 3.085 Punkte. Dies sind fast 60 % mehr als der Arm-Score.

Das Problem: Der Kunde zahlt für die CPU-Auslastung bis zur verbrauchten Zeit. Allerdings sind Instanzen, die auf x86-Xeon-Prozessoren basieren, erheblich schneller. Sie leisten viel mehr Arbeit in der gleichen Zeit. So bleiben für die meisten Verarbeitungsarbeiten entweder die 1-Thread (vs. 1 Arm-Core) oder 2-Thread-x86-Instanzen wesentlich wettbewerbsfähiger.

Selbst Instanzen, die ständig hochgefahren werden müssen (z.B. ein Webserver) haben bei der Portierung auf die Arm-Instanz immer noch einen Vorteil, da die x86-Basisleistung immer noch deutlich höher ist als die der Arm-Instanzen. Und außerdem ist 1 x86-Thread billiger (und schneller) als 1 Arm-Core-Thread.

Bei den aktuellen Preisen wird es daher wohl noch um Nischenanwendungen für die neuen ARM-Instanzen gehen. Allerdings kündigten zwei AWS-Mitarbeiter in ihren Blogs an, dass die Arm-Instanzen deutlich billiger werden sollen als solche auf Intel-Chips. Demnach eignen sich die Arm-Instanzen besonders für Scale-Out-Workloads, bei denen sich die Last gut auf viele schwächere Instanzen verteilen lässt. Genannt werden Microservices, die in Containern laufen, Webserver, Entwicklungsumgebungen und Cache-Server.

Im Moment scheint es jedoch, dass die Verwendung von Arm-Cores von vor 4 Generationen (A72, A73, A75, A76) die Auswirkungen dieser Entwicklung auf die x86-Nutzung begrenzen wird. Dies wird sich jedoch in zweierlei Hinsicht ändern:

  • Es ist wahrscheinlich, dass Amazon.com zu gegebener Zeit eine viel wettbewerbsfähigere Arm-Server-CPU entwickeln wird. Dies gilt umso mehr, wenn der Cortex-A76 und darüber hinaus verwendet wird, was zu einer wesentlich höheren Rechenleistung führt.
  • Amazon.com wird wahrscheinlich den Preis dieser Arm-Instanzen wie in den Blogs angekündigt deutlich senken und damit ihre Wettbewerbsfähigkeit erhöhen. Für Amazon.com dürfte die Herstellung dieser neuen CPUs 1-2 Größenordnungen billiger sein als der Kauf von Intel-CPUs für den gleichen Zweck.

Diese beiden Effekte können sich gegenseitig verstärken. Es wird für Amazon.com weiterhin billig sein, diese Art von CPUs zu produzieren. Und die CPUs werden sich deutlich verbessern, wenn Amazon.com modernere Technologien einsetzt.

Der Krieg Arm vs. x86 im Rechenzentrum hat nunmehr eindeutig begonnen. Es wird nicht so schnell enden, und angesichts dessen, was Arm und Apple derzeit erreichen, wird dieser Krieg für Intel viel schwieriger zu gewinnen sein als möglicherweise noch heute.