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Der Begriff Mehrkernprozessor (abgeleitet vom englischen Begriff auch Multicore-Prozessor oder Multikernprozessor) bezeichnet einen Mikroprozessor mit mehr als einem vollst?ndigen Prozessorkern in einem einzigen Chip. Die Prozessorkern-Komponenten mit Ausnahme des Busses und eventuell einiger Caches sind mehrfach vorhanden. Es handelt sich also um mehrere (weitgehend) vollst?ndige, weitgehend voneinander unabh?ngige CPU-Kerne inklusive eigener Registers?tze und arithmetisch-logischer Einheiten (ALU).
Als Doppelkernprozessor (auch Dual-Core-Prozessor) bezeichnet man einen Mehrkernprozessor mit zwei Prozessorkernen. Mikroprozessoren mit einem CPU-Kern bezeichnet man zur Abgrenzung als Einzelkernprozessor (auch Single-Core-Prozessor). Mikroprozessoren mit drei Kernen werden Triple-Core-Prozessoren oder Dreikernprozessoren genannt. Diese Terminologie l?sst sich entsprechend fortsetzen. So spricht man bei vier Kernen von einem Vierkernprozessor (auch Quad-Core-Prozessor), wobei ein Vierkernprozessor aus zwei Doppelkernprozessoren oder vier eigenst?ndigen Kernen bestehen kann.
Multi-Threaded-CPUs sind mehrf?dige (engl. multithreading) Prozessorkerne mit mehreren Programmz?hlern und Registers?tzen, die sich gegenüber dem System aber als mehrere Kerne melden. Diese Technik kann je nach Aufwand im Prozessordesign unterschiedlich effizient umgesetzt sein. Intel nennt sie in einigen Prozessorlinien Hyper-Threading, IBM SMT (symmetrisches Multi-Threading). Der IBM Power5-Prozessor ist z. B. ein Doppelkernprozessor mit zwei Threads pro Kern, der Sun UltraSPARC-T1-Prozessor ein Achtkern-Prozessor mit vier Threads pro Kern. Im Unterschied zu echten Mehrkern-Prozessoren teilen sich hier die ?Kerne“ manche Ausführungseinheiten, wie zum Beispiel die Gleitkomma-Recheneinheit oder sogar die ALU. Dann muss evtl. ein ?Kern“ warten, wenn der andere diese Einheit gerade belegt.
Es ist nicht exakt definiert, welche Ressourcen genau ein Kern ?privat“ besitzen muss, um als ?eigenst?ndig“ und ?vollwertig“ zu gelten.
Einführung
BearbeitenBis zum Jahre 2005 dominierten die Einzelkernprozessoren den PC-Bereich. Zuvor wurde nur selten versucht, durch den Einsatz von zwei oder mehr Einzelprozessoren die Leistungsf?higkeit zu erh?hen. Stattdessen stand damals neben neuen Befehlss?tzen wie MMX die Erh?hung der Taktfrequenz im Vordergrund. Doch ab Frequenzen von etwa 4 GHz war die entstehende Abw?rme nicht mehr sinnvoll handhabbar. Eine M?glichkeit der Fortentwicklung war die Einführung von Mehrkernprozessoren. So wurde ab der zweiten H?lfte des Jahres 2006 das Angebot in der oberen H?lfte des PC-Leistungsspektrums von Doppelkernprozessoren (Intel Core 2 Duo und AMD Athlon 64 X2) beherrscht. Dies markierte die Abkehr von einem Prinzip, das seit der Geburtsstunde der Prozessoren Gültigkeit hatte. So werden nur noch in wenigen F?llen Einzelkerne verbaut, da die entsprechenden Mehrkerne unwesentlich teurer sind.
Sinn und Zweck
BearbeitenMehrkernprozessoren wurden entwickelt, weil eine Erh?hung der Rechenleistung durch h?here Taktfrequenzen gro?e technische Probleme verursachte. Es ist auch kostengünstiger, mehrere Kerne in einen Chip zu implementieren, als mehrere Prozessorsockel auf der Hauptplatine zu haben. Anders betrachtet kann mit derselben Anzahl an Chip-Sockeln und Chips theoretisch eine vervielfachte Rechenleistung erzielt werden (das n-fache bei n Kernen). In der Realit?t kann diese Steigerung aber kaum erreicht werden. Die tats?chliche Leistungssteigerung h?ngt vor allem davon ab, wie gut die Software parallelisiert ist. Dabei kann der Zugriff mehrerer aktiver Kerne auf den gemeinsamen Arbeitsspeicher zu Engp?ssen und Leistungsgrenzen führen, dagegen setzt man hochentwickelte Cache-Strategien ein.
Mehrkernprozessoren stellen neben einer Erh?hung der Taktfrequenz und dem Pipelining eine von vielen M?glichkeiten dar, die Leistung von Mikroprozessoren zu erh?hen. Die rein theoretische Leistungssteigerung ist vergleichsweise effizient und betr?gt maximal 100 % (gegenüber einem einzelnen Kern) pro zus?tzlichem Kern. In der Praxis h?ngt die Leistungssteigerung stark von dem Parallelisierungsgrad des ausgeführten Programms und des verwendeten Betriebssystems ab. Unix, der SMP-Linux-Kernel und Microsoft Windows ab XP unterstützen Mehrkernprozessoren (Windows NT und 2000 erkennen einen Mehrkernprozessor als mehrere Einzelkernprozessoren; dadurch sind zwar alle Kerne nutzbar, spezielle Mehrkernprozessoroptimierungen konnten aber nicht greifen). Dabei verteilt das Betriebssystem Prozesse und Anwendungen auf die einzelnen Prozessoren, die diese dann unabh?ngig parallel ausführen. Wird hingegen nur eine Anwendung ausgeführt, so muss diese für die mehreren Prozessoren parallelisiert werden. Das bedeutet, die Anwendung wird so modifiziert, dass sie komplett oder auch nur Fragmente davon gleichzeitig auf mehreren Prozessoren als Threads ausgeführt werden.
So unterscheiden sich verschiedene Architekturen. W?hrend manche Architekturen leistungssteigernde Komponenten wie einen Shared Cache auf dem Chip unterbringen (so IBMs POWER4 und folgende, Sun UltraSPARC IV+ und T1), setzen andere Architekturen lediglich mehrere Einzelkerne mit eigenem Cache auf einen Chip. Prozessorbasiert lizenzierende Softwareunternehmen haben verschiedene Konzepte entwickelt, um auf diese Entwicklungen zu reagieren. So z?hlt Oracle bei Mehrkernprozessoren jeden Prozessorkern auf einem Chip mit 0,25 (Sun UltraSPARC T1), 0,5 (Intel und AMD CPUs) oder 0,75 (HP, IBM und Sun RISC CPUs). Microsoft hat angekündigt, nicht mehr die Kerne, sondern die Chips als Basis für die Lizenzierung heranzuziehen, womit auf einen Mehrkernprozessor nur noch eine Lizenz f?llt. Bei Windows Servern gilt jedoch die Core-basierte Lizenzierung.[1]
Varianten
BearbeitenMehrkernprozessoren k?nnen je nach internem Aufbau in zwei Varianten unterteilt werden: symmetrische und asymmetrische Mehrkernprozessoren.
In symmetrischen Mehrkernprozessoren sind die einzelnen Kerne gleich. Ein für diesen Prozessor übersetztes Programm kann auf jedem beliebigen seiner Kerne ausgeführt werden. Bei dieser Art von Mehrkernprozessoren handelt es sich um SMP-Systeme. Da es sich bei Mehrkernprozessoren um eine Variante des SMP handelt, ist der Sinn und Zweck eines Mehrkernprozessors SMP platzsparend umzusetzen. Ein Beispiel für so ein 8-fach-SMP-System auf einem Chip ist der Sun UltraSPARC-T1-Prozessor.
Eine Abwandlung hiervon ist auch ARMs big.LITTLE-Konzept, in dem mehrere rechenstarke, energiehungrige Kerne mit einem rechenschwachen, energiesparenden Kern kombiniert werden. Der schwache Kern ist jedoch Bin?rcode-kompatibel mit den starken und kann ebenfalls alle Programme ausführen. Beispiele für dieses Konzept sind nVidia Tegra 3 und Samsung Exynos 5 Octa. Auch auf x86-Prozessoren von Intel finden sich ab der 12. Core-i-Generation (?Alder-Lake“) st?rkere Prozessorkerne, sog. ?P-Cores“ (für Performance), und Effizienzkerne, sog. ?E-Cores“ (für Efficiency), auf demselben Prozessorchip.[2] W?hrend die E-Cores weniger Strom verbrauchen, erledigen die P-Cores Aufgaben schneller. Dadurch kommet es vor allem auf den Scheduler an, damit nicht arbeitsintensive Tasks auf den langsamen E-Cores erledigt werden.[3][4] Zumindest unter Core i-12000 haben die P-Cores zus?tzlich die Befehlssatzerweiterung AVX-512, was Intel jedoch deaktivieren musste, weil die E-Cores dies nicht bieten.[5] Mit einem angepassten Scheduler wie Intels Thread Director, der die Unterschiede beider Core-Arten berücksichtigt, lassen sich Hybridcores effizient nutzen.[6] Bei x86-Prozessoren von AMD sind Hybridkerne für die kommende Ryzen-8000-Serie (Zen 5) geplant.[7]
Bei asymmetrischen Mehrkernprozessoren gibt es verschiedene Kerne, die unterschiedlich gesteuert werden und eine unterschiedliche Maschinensprache verstehen. Ein Programm kann nur auf einem seiner übersetzung entsprechenden Kern ausgeführt werden. Bei dieser Art von Mehrkernprozessoren arbeiten einige der Kerne wie klassische Hauptprozessoren, andere wie asynchrone Koprozessoren. Ein Beispiel für solch ein System ist der Cell-Prozessor von IBM.
Weitere Gruppen
BearbeitenVielkern-Prozessoren
BearbeitenAls ?Manycore-Prozessoren“ werden oftmals Prozessoren mit deutlich mehr Rechenkernen als üblich bezeichnet; die Kerne (?Cores“) werden in mehrere ?Tiles“ (?Kacheln“) unterteilt, die jeweils definierte, meist redundante Aufgaben besitzen und eigene Recheneinheiten mit dem Zugriff auf gemeinsame Ressourcen (RAM, Cache, I/O-Einheiten) sind, beispielsweise die
- IBM / DARPA / UT-Austin TRIPS: zwei Kerne mit je 16 Executions-Tiles, vier Register- und Data-Tiles, fünf Instruktions-Tiles, ein Control- sowie mehreren Memory- und Network-Tiles
- Intel Terascale: ein Kern mit 80 bis 100 Tiles, davon einige auf SoC-Aufgaben spezialisiert
- Intel Many Integrated Core Architecture (MIC) mit über 50 Tiles[8][9]
Mehrkern-Mikrocontroller
BearbeitenAufgrund anderer Anforderungen eingebetteter Systeme als bei PC werden bei Mikrocontrollern mehrere Kerne nur langsam üblich. Ein erster Mehrkern-Mikrocontroller wurde 2006 auf den Markt gebracht.
- Parallax Propeller: 8-Kern-Mikrocontroller (2006) symmetrisch, 8 × 20 MIPS
- Infineon Aurix (2012)
Siehe auch
BearbeitenWeblinks
Bearbeiten- Christian Hirsch: Embedded-Prozessor mit 64 Kernen. In: heise online, 21. August 2007, abgerufen am 27. April 2010 (Nachrichtenmeldung).
- Fraunhofer IAO Studie: Market Overview of Tools for Multicore Software Development.
Einzelnachweise
Bearbeiten- ↑ Lizenzierung von Windows Server 2025. Microsoft Corporation, 24. Januar 2025, abgerufen am 10. Juni 2025.
- ↑ Christian Hirsch: Intel Core i-12000 für Desktop-PCs: Hybrid-Design nur bei Core i7 und i9. In: Heise online. 4. Januar 2022. Abgerufen am 24. August 2023.
- ↑ Christian Hirsch: Hybrid-Prozessoren unter Windows 10 und 11 optimal einsetzen. In: Heise online. 20. September 2022. Abgerufen am 24. August 2023.
- ↑ Michael Larabel: New Intel Patch Series To Further Help Alder Lake / Hybrid CPUs On Linux. In: Phoronix.com. 26. August 2022, abgerufen am 24. August 2023 (englisch).
- ↑ Nischay Khanna: What Is AVX-512 and Why Is Intel Killing It Off? In: MUO (MakeUseOf.com). Valnet, 27. August 2022, abgerufen am 24. August 2023 (englisch): ?While the older systems used cores running on the same architecture, the Alder Lake processors use two different cores. These cores in the Alder lake CPUs are known as P and E-cores and are powered by different architectures. While the P-cores use the Golden Cove microarchitecture, the E-cores use the Gracemont microarchitecture. This difference in architectures prevents the scheduler from working correctly when particular instructions can run on one architecture but not on the other. In the case of the Alder Lake processors, the AVX-512 instruction set is one such example, as the P-cores have the hardware to process the instruction, but the E-cores do not.“
- ↑ Ian Cutress: Intel 12th Gen Core Alder Lake for Desktops: Top SKUs Only, Coming November 4th. In: AnandTech. 27. Oktober 2021, abgerufen am 24. August 2023 (englisch).
- ↑ Mark Mantel: ?Strix Point“: AMD folgt angeblich Intels Idee von Hybrid-Prozessoren. In: Heise online. 31. Juli 2023. Abgerufen am 24. August 2023.
- ↑ Intel Many Integrated Core Architecture
- ↑ MIC-Architektur bei heise