CPU-Markt im Wandel
Frische Arbeivon Thomas Joos
Veröffentlicht in Ausgabe 07/2021 - PRAXIS
Generell sollten Administratoren und IT-Entscheider beim Planen von Servern und Arbeitsstationen darauf achten, dass für das jeweilige Einsatzgebiet auch die passende CPU verbaut ist. Es ist also nicht mehr so, dass generell Intel die bessere Wahl ist – auf immer mehr Geräten sind mittlerweile Prozessoren von AMD verbaut und auch ARM-Prozessoren werden immer leistungsfähiger.
Natürlich ist Intel immer noch der größte Chiphersteller der Welt. Da sich der Markt im Wandel befindet, ist aber davon auszugehen, dass Marktanteile verloren gehen. Neue Technologien wie Quantencomputer sind ebenfalls in der Entwicklung. Intel, Google und IBM stellen hier in immer kürzeren Zeiträumen neue Durchbrüche vor. Trotzdem ist Quantum Computing noch weit davon entfernt, produktiv zum Einsatz zu kommen. Forscher gehen davon aus, dass in den nächsten fünf bis zehn Jahren noch keine umfassende, praktische Verbreitung zu erwarten ist.
Dennoch gibt es überall neue Entwicklungen, die den CPU-Markt ziemlich durchschütteln können. Chips lassen sich nicht unendlich verkleinern und immer mehr Transistoren unterbringen. Gleichzeitig steigt der Bedarf an schnellen Prozessoren durch den Einsatz von künstlicher Intelligenz und Machine Learning. Hier bietet Intel wiederum einige Vorteile, auch was den Betrieb mit modernen Technologien wie Blockchains betrifft, doch dazu später mehr.
Generell sollten Administratoren und IT-Entscheider beim Planen von Servern und Arbeitsstationen darauf achten, dass für das jeweilige Einsatzgebiet auch die passende CPU verbaut ist. Es ist also nicht mehr so, dass generell Intel die bessere Wahl ist – auf immer mehr Geräten sind mittlerweile Prozessoren von AMD verbaut und auch ARM-Prozessoren werden immer leistungsfähiger.
Natürlich ist Intel immer noch der größte Chiphersteller der Welt. Da sich der Markt im Wandel befindet, ist aber davon auszugehen, dass Marktanteile verloren gehen. Neue Technologien wie Quantencomputer sind ebenfalls in der Entwicklung. Intel, Google und IBM stellen hier in immer kürzeren Zeiträumen neue Durchbrüche vor. Trotzdem ist Quantum Computing noch weit davon entfernt, produktiv zum Einsatz zu kommen. Forscher gehen davon aus, dass in den nächsten fünf bis zehn Jahren noch keine umfassende, praktische Verbreitung zu erwarten ist.
Dennoch gibt es überall neue Entwicklungen, die den CPU-Markt ziemlich durchschütteln können. Chips lassen sich nicht unendlich verkleinern und immer mehr Transistoren unterbringen. Gleichzeitig steigt der Bedarf an schnellen Prozessoren durch den Einsatz von künstlicher Intelligenz und Machine Learning. Hier bietet Intel wiederum einige Vorteile, auch was den Betrieb mit modernen Technologien wie Blockchains betrifft, doch dazu später mehr.
Dieser Beitrag hat nicht zum Ziel, Leistungsmessungen der verschiedenen CPUs durchzuführen. Es geht vielmehr um die generelle Sichtweise auf Prozessoren, die in verschiedenen Geräten im Unternehmen Verwendung finden. Wir betrachten neue Technologien und klären auf, warum der CPU-Markt im Umbruch ist. Noch ist Intel im Bereich der Server-CPUs unbestritten der Platzhirsch. AMD kommt auf dem Servermarkt gerade einmal auf sieben Prozent Marktanteil. Zum Vergleich: Bei Desktops und Notebooks erreicht AMD etwa 20 Prozent und ist damit so stark wie seit 2013 nicht mehr. Der Trend ist deutlich: Intel muss sich in Zukunft noch intensiver mit Mitbewerbern auseinandersetzen.
AMD punktet mit 7 Nanometer
Die steigende Beliebtheit von AMD-Prozessoren [1] liegt nicht zuletzt darin begründet, dass der Hersteller mittlerweile im 7-Nanometer-Verfahren produzieren lässt. Damit ist die Größe der Transistoren auf den Prozessoren gemeint. Ein Nanometer entspricht einem Millionstel Millimeter. AMD kann durch seinen Fertigungsprozess also sehr viel kleinere und damit mehr Transistoren auf gleicher Fläche unterbringen.
Hier ist Intel aktuell noch nicht so weit und entwickelt erst noch Prozesse, die es ermöglichen sollen, im 7-Nanometer-Verfahren zu produzieren. Intel rechnet allerdings erst Ende 2022, Anfang 2023 damit, die Produktion in diesem Verfahren zu starten. Intel stellt derzeit seine Prozessoren noch mit 10-Nanometer-Technologie her, teilweise auch 14 Nanometer. Das stellt einen maßgeblichen Nachteil gegenüber AMD dar. Apple fertigt seine ARM-M1-Prozessoren wie AMD schon im 7-Nanometer-Format. IBM hat 2021 einen ersten Chip entwickelt, der auf einen 2-Nanometer-Prozess setzt. Dadurch sind laut IBM bis zu 45 Prozent mehr Leistung und 75 Prozent weniger Energieverbrauch im Vergleich zu 7-Nanometer-Chips möglich.
Je kleiner also der Nanometer-Wert ist, desto mehr Transistoren sind auf dem Prozessor verfügbar und desto kleinere Chips mit der gleichen Anzahl an Transistoren sind möglich. Kleinere Transistoren verbrauchen zudem weniger Energie und erzeugen dadurch weniger Wärme. Die Wärme ist einer der limitierenden Faktoren bei CPUs. Gerade auf Notebooks spielt die Leistungsaufnahme eine wichtige Rolle – verbraucht eine CPU weniger Strom, läuft der Akku länger.
Durch mehr Dichte auf den Halbleitern lassen sich Kosten sparen und mehr Kerne auf einem Chip positionieren. Allerdings bedeutet das nicht automatisch, dass 7-Nanometer-Chips schneller sind als 10-Nanometer-Chips. Die Leistung steigt nicht generell durch das Fertigungsverfahren an. Das Verfahren stellt grundsätzlich nur ein Element der Produktion dar. 10-Nanometer-Prozessoren von Intel können es mit den Prozessoren von AMD aufnehmen, das zeigen die verschiedenen Benchmarks. Kann Intel dies auf 7 Nanometer übertragen, ist davon auszugehen, dass die Prozessoren einen Leistungsschub erhalten und Intel aufholt.
Allerdings ist auch AMD weiterhin aktiv und will seine Chips verbessern. Die Taktzahlen sollen steigen und der Aufbau der Chips soll optimiert werden. Hier verspricht sich AMD eine Leistungssteigerung von 15 Prozent.
Ewiges Benchmark-Rennen
Ende 2020 hat AMD die neueste CPU-Generation Zen 3 (Codename Vermeer, Ryzen 5000) veröffentlicht. Prominente Beispiele sind die Modelle 5900X, 5950X, 5800X und 5600X. Die Leistung dieser Prozessoren ist sehr hoch – sie hängen in vielen Benchmarks selbst die schnellen Intel-Prozessoren ab. Intel arbeitet aber ständig weiter an neuen Prozessoren, die mehr Leistung bringen sollen. Die Tiger-Lake-Prozessoren etwa erlauben einen sehr hohen Takt, die CPU-Kerne der neuen CPUs basieren auf dem Willow-Cove-Design. Intel erhöht den Medium Level Cache (MLC) auf 1,25 MByte. Bisher waren es bei Ice-Lake-Prozessoren 512 KByte pro Kern. Bei einem Quad-Core-Prozessor sind also bis zu 5 MByte erreichbar. Das zeigt, dass Intel nicht abgeschlagen ist, sich aber ständig neu erfinden muss, um seine Prozesse so optimiert wie möglich zu betreiben. Nur dann scheint es möglich zu sein, Mitbewerber wie AMD auf Abstand zu halten.
Servermarkt bringt Wachstum
Auf dem Servermarkt baut AMD ausgehend von einer einstelligen Prozentzahl seine Marktanteile kontinuierlich aus, was nicht zuletzt am Preis-Leistungsverhältnis liegt. Intel befindet sich hier aber noch immer in der Pole Position. Zudem kennt der Hersteller so gut wie keine Lieferschwierigkeiten, da er die Produktionsstätten in den letzten Jahren kontinuierlich erweitert hat. Hier hat AMD noch Nachholbedarf, baut aber seine Kapazitäten ebenfalls ständig aus.
Während Intel selbst produziert, hat AMD seine Produktion ausgelagert, zum Beispiel an die Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC). Weitere Produzenten von AMD-Prozessoren sind Siliconware Precision Industries (SPIL) und das chinesische Unternehmen Tongfu Microelectronics. Gerade in Bezug auf das bereits behandelte Produktionsverfahren und Prozessoren mit einer höheren Dichte denkt Berichten zufolge jedoch auch Intel darüber nach, seine Fabrikation auszulagern. Damit verliert der Hersteller etwas von seiner Unabhängigkeit, da im Moment sämtliche CPUs in Eigenregie gefertigt werden. Ob sich hier Änderungen ergeben, wird die Zeit zeigen.
Intels Stärken
Intel Ice Lake SP, ein Top-Prozessor von Intel, ermöglicht Xeon-CPUs mit 40 Kernen und zwei Sockeln pro Server. Das Acht-Kanal-Speicherinterface und 64 PCIe-Lanes pro CPU sollen die Leistung maximieren. Bei zwei CPUs sind hier 128 Lanes nutzbar. Grundsätzlich nutzt Ice Lake SP die technische Grundlage von Ice Lake U, das vor allem in Notebooks zum Einsatz kommt.
Um Marktanteile auszubauen, senkt Intel die Preise seiner Spitzenprozessoren im Serverbereich. AMD-Epyc-Prozessoren bleiben aber weiterhin günstiger. Intel senkt jedoch nicht nur im Highend-Bereich seine Preise, sondern auch bei herkömmlichen Prozessoren. Es lohnt also, beim Einkauf von ganzen Servern und Prozessoren stets auf den genauen Preis zu achten.
Eine Stärke der Intel-Prozessoren ist Advanced Vector Extensions 512 (AVX-512). Diese Technologie besteht aus mehreren Erweiterungen, die sich unabhängig voneinander implementieren lassen. Auch Intel DL Boost spielt hier eine wichtige Rolle. Damit lassen sich etwa KI-Anwendungen auf Servern mit aktuellen Prozessoren von Intel effektiver betreiben.
ARM-Prozessoren holen auf
Zu den Mitbewerbern von Intel kommt mit der neuen M1-CPU Apple hinzu. Der Prozessor basiert zwar auf ARM [2] und ist für den Servermarkt deshalb aktuell keine große Gefahr. Dennoch zeigt diese Entwicklung, dass mittlerweile auch andere Unternehmen schnelle Prozessoren produzieren können. Neben Apple designt ARM Chips für Samsung oder Qualcomm. Hier kommen die Prozessoren aber vor allem auf Smartphones und Tablets zum Einsatz. Selbst produziert ARM keine Chips. ARM-CPUs verfügen über immer mehr Leistung, ohne zu Stromfressern zu mutieren. Derzeit steht Nvidia vor der Übernahme von ARM. Allerdings sind einige Behörden wie die britische Wettbewerbs- und Marktaufsichtsbehörde CMA nicht gerade begeistert von dieser Konzentration an Marktmacht.
Es ist also nicht auszuschließen, dass sich eines Tages auch Server mit ARM-CPUs ausstatten lassen. Auf Apples M1-Chips sind 16 Milliarden Transistoren verbaut. Geht die Entwicklung so schnell weiter, ist davon auszugehen, dass in einigen Jahren PCs und Server durchaus mit Prozessoren von ARM laufen könnten. Hier muss Intel aufpassen, nicht den Anschluss zu verlieren. Unternehmen könnten mehr und mehr in Versuchung geraten, im einen oder anderen Bereich auf Macs zu setzen.
Halbleiter werden knapp
Bereits seit Anfang 2020 ist ein Mangel an Halbleitern erkennbar, der sich mittelfristig auch auf den CPU-Markt auswirken wird. Durch den Handelsstreit zwischen China und den USA, die steigende Nachfrage, mehrere Brände in Chipfabriken und nicht zuletzt die Corona-Pandemie gibt es derzeit weniger Halbleiter als benötigt. Chiphersteller können deshalb trotz steigender Nachfrage nicht ohne weiteres ihre Produktionskapazitäten ausbauen. Experten rechnen damit, dass sich der Mangel zunächst verschärft, dann aber wieder abflacht. Der weltgrößte Hersteller TSMC, der auch die Prozessoren von AMD fertigt, rechnet noch bis 2022 mit Lieferengpässen. Auch Intel-Chef Pat Gelsinger geht von jahrelanger Knappheit aus. Unabhängig davon ist Intel derzeit auf der Suche nach einem Standort für eine neue Halbleiterfabrik in Europa, eventuell sogar Deutschland.
Blockchain mit Intel SGX
Leistung spielt gerade im Serverbereich natürlich eine wichtige Rolle. Performance ist jedoch nicht das Einzige, für was eine CPU gewappnet sein muss. So spielen etwa Blockchain-Technologien und künstliche Intelligenz eine immer wichtigere Rolle. Beim Einsatz der Blockchain geht es in Unternehmen nicht um das Mining von Kryptowährungen, sondern um Distributed Apps (dApps), die dezentral im Netzwerk laufen. Im Fokus stehen hier im professionellen Umfeld vor allem Smart Contracts. Damit lassen sich zum Beispiel in Lieferketten Vorgänge automatisiert durchführen.
Beim professionellen Einsatz der Blockchain sind nicht alle Daten innerhalb der Blockchain speicherbar. Durch den dezentralen Ansatz der Blockchain ist das aus Gründen des Datenschutzes auch nicht möglich. Es gilt also, einen Teil der Daten außerhalb des Blockchain-Netzwerks zu speichern. Dieser Vorgang wird auch als "off-chain" bezeichnet. Trotzdem müssen die Daten außerhalb der Blockchain genauso abgesichert sein wie die innerhalb der Blockchain. Trusted Computing garantiert in diesem Fall Vertraulichkeit und sorgt gleichzeitig für Leistung. Die Blockchain und ihre Knoten werden entlastet, während sensible Daten hochsicher gespeichert werden.
Für eine sichere Auslagerung von Daten kommen zum Beispiel Trusted Execu-tion Environments (TEE) zum Einsatz, etwa Multi-Party-Computation, Zero-Knowledge-Proofs und Intel Software Guard Extensions (SGX). Blockchain-Lösungen wie Hyperledger Avalon unterstützen vor allem Intels SGX [3]. Wer derzeit auf eine TEE setzen will, kommt also kaum um Intel herum. Diesen Sachverhalt haben viele Entscheider derzeit jedoch nicht auf dem Schirm.
Intel gehört zu den Sponsoren von Hyperledger Avalon. Software Guard Extension ist eine Sicherheitsfunktion von Intel-Prozessoren. Die Technologie ermöglicht es, Daten hardwarebasiert zu verschlüsseln. SGX definiert dazu Enklaven, die vom Rest der Hard- und Software getrennt sind. Diese Enklaven werden auch auf Ebene des Prozessors voneinander isoliert. Dazu kommen zum Beispiel Xeon-E-Prozessoren zum Einsatz.
Eine Blockchain-Anwendung kann über Hyperledger Avalon auf einem Serversystem mit Intel SGX eine Enklave anfordern. Diese lässt sich nicht außerhalb der Hardware und der fest definierten Zugriffsprozesse nutzen. Intel-Prozessoren können mehrere Enklaven definieren und dafür sorgen, dass sich bestimmte Daten bei der Berechnung auf Ebene des Prozessors voneinander trennen lassen.
Beim Off-Chain-Ansatz mit Avalon erhält der Blockchain-Prozess eine Enklave. In dieser kann SGX Berechnungen ausführen und gewährleisten, dass nur die fest definierten Knoten des Blockchain-Netzwerks oder die jeweilige Blockchain-App auf die Daten der Enklave zugreifen darf. Aktuell nutzen bereits IBM mit Cloud Data Shield und Microsoft mit Azure Confidential Computing diesen technischen Ansatz. Beiden Unternehmen sind wie Intel Mitglieder des Avalon-Projekts. Es wird also in Zukunft bei Prozessoren nicht nur um mehr Transistoren und mehr Leistung gehen. Es zählt vielmehr auch, neue Technologie in den Prozessor zu implementieren.
Fazit
Administratoren und IT-Entscheider mussten sich in der Vergangenheit selten tiefgehend mit der Auswahl der richtigen Prozessoren für Arbeitsstationen und Server beschäftigen – in den meisten Fällen kamen einfach Intel-CPUs zum Einsatz. Mittlerweile spielen aber auch andere Hersteller eine wichtige Rolle. AMD und Intel jagen sich gegenseitig, was die Leistungskrone angeht, andere Chipdesigner wie ARM schlafen nicht und Apple hat mit dem M1-Prozessor einen Chip an der Hand, der sich im produktiven Betrieb sinnvoll einsetzen lässt.
Weiterhin spielen Technologien wie Blockchain für immer mehr Unternehmen eine wichtige Rolle. Intel bietet hier mit SGX einen Ansatz, der auf prominenten Blockchain-Plattformen und beim Thema Off-Chain Einsatz findet. Nicht zuletzt sollten IT-Verantwortliche auch beim Buchen von Leistungen in der Cloud beachten, ob bestimmte Chip-Funktionen vonnöten sind.
(ln)
Link-Codes
[1] AMD EPYC: https://www.amd.com/de/products/epyc-server/
[2] ARM-Prozessoren: https://www.arm.com/products/silicon-ip-cpu/