Quad-Core-Prozessor
Ein Quad-Core-Prozessor ist ein Chip mit vier unabhängigen Einheiten, den so genannten Cores, die Befehle der Zentraleinheit (CPU) lesen und ausführen, zum Beispiel Addieren, Daten verschieben und Verzweigen. Im Inneren des Chips arbeitet jeder Kern in Verbindung mit anderen Schaltkreisen, wie Cache, Speicherverwaltung sowie Ein- und Ausgabeanschlüssen.
Quad-Core-Prozessoren waren der zweite Schritt auf dem Weg zu Multicore-Systemen, der 2005 mit Dual-Core-Prozessoren begann. Quad-Core-CPUs sind nach wie vor in allen Arten von Systemen beliebt, darunter Smartphones, Computer, PC-Spiele und Server für Rechenzentren. Einige High-End-Server verfügen über bis zu 128 Kerne. Intel und AMD gehören zu den führenden Herstellern dieser Prozessoren.
Wie funktioniert ein Quad-Core-Prozessor?
Jeder Kern in einem Quad-Core-Prozessor kann seine eigenen Anweisungen ausführen, während die anderen drei Kerne ihre eigenen Anweisungen ausführen. Auf diese Weise unterstützt der Prozessor Multithreading, eine Form der parallelen Verarbeitung, bei der mehrere Threads gleichzeitig von verschiedenen Kernen verarbeitet werden.
Multithreading verbessert die Anwendungsleistung, allerdings nur bei Anwendungen, die für die parallele Verarbeitung konzipiert sind. Anwendungen, die nur wenige Threads enthalten oder die kein Multithreading unterstützen, profitieren nicht in gleichem Maße.
Hersteller, die Quad-Core-Prozessoren herstellen, integrieren die Cores in der Regel auf einem einzigen Halbleiterwafer oder auf mehreren Wafern in einem einzigen Gehäuse für integrierte Schaltungen. Die Prozessoren verfügen in der Regel über einen eigenen Cache-Speicher, um die Leistung zu erhöhen. Die Art und Weise, in der der Prozessor-Cache implementiert ist, unterscheidet sich jedoch je nach Hersteller.
In den meisten Konfigurationen erhält jeder Kern seinen eigenen Level-1-Cache-Speicher (L1), und alle vier Kerne teilen sich den gleichen Level-3-Cache-Speicher (L3), wenn dieser vorhanden ist. Der Level 2 (L2)-Cache unterscheidet sich bei Quad-Core-Prozessoren am meisten. So kann beispielsweise jeder Core einen eigenen L2-Cache haben, es können zwei L2-Chips vorhanden sein, die sich zwei Cores teilen, oder alle vier Cores nutzen denselben L2-Cache.
Ist ein Quad-Core-Prozessor besser als ein Single-Core-Prozessor?
Viele Single-Core-Prozessoren verwenden Hyper-Threading, um die Systemleistung zu verbessern. Hyper-Threading ermöglicht es einem einzelnen Kern, zwei Threads gleichzeitig auszuführen, so dass der Prozessor eine Art Pseudo-Parallelität umsetzt um die Verarbeitungseffizienz zu verbessern. Das Betriebssystem (OS) sieht den physischen Kern als zwei logische Kerne.
Hyper-Threading ermöglicht mehr Performance, wenn mehrere Anwendungen gleichzeitig auf einem System ausgeführt werden. Der Prozessor hat jedoch immer noch nur einen physischen Kern, und dieser Kern führt immer nur einen Befehlssatz aus. Daher sind die Vorteile von Hyper-Threading oft nur minimal. Sowohl die Firmware des Computers als auch das Betriebssystem müssen Hyper-Threading unterstützen, damit dies funktioniert.
Im Gegensatz zu Hyper-Threading bietet Multithreading auf einem Quad-Core-Prozessor eine echte Parallelverarbeitung und liefert somit oft eine bessere Leistung.
Was beeinflusst die Leistung von Quad-Core-Prozessoren?
Die drei wichtigsten Faktoren, die sich auf die Prozessorleistung auswirken, sind die folgenden:
Anzahl der Kerne. Mehr Cores können eine bessere Leistung bedeuten, aber nicht immer.
Taktrate. Genauso wichtig wie die Anzahl der Kerne ist die Taktfrequenz eines Prozessors. Sie bestimmt die Anzahl der Zyklen in Gigahertz (GHz), die der Prozessor pro Sekunde ausführen kann. Je höher die Taktfrequenz ist, desto besser ist die Leistung.
Zwischenspeicher. Auch die Menge und Qualität des Cache-Speichers des Prozessors beeinflussen die Leistung. Der Cache speichert die Anweisungen und Daten, auf die der Prozessor am häufigsten zugreift. Der Prozessor prüft immer zuerst den Cache eines Systems, bevor er auf den Hauptspeicher zugreift. Er prüft die Cache-Ebenen in der folgenden Reihenfolge:
- Der L1-Cache ist normalerweise der kleinste und schnellste Cache.
- Der L2-Cache ist größer, aber nicht so schnell.
- Der L3-Cache, falls vorhanden, ist noch größer und noch langsamer.
Alle drei Cache-Ebenen übertreffen den Hauptspeicher eines Computers, der schneller ist als der Zugriff auf den nichtflüchtigen Speicher des Systems.
Was ist bei der Bewertung von Prozessoren zu beachten?
Bei der Bewertung eines Prozessors müssen die Kunden die Taktrate und den Cache der CPU sowie die Anzahl der Kerne berücksichtigen. Obwohl ein Quad-Core-Prozessor die Leistung für viele Anwendungen erhöht, schneidet ein Prozessor mit weniger Cores, aber höherer Taktfrequenz und besserem Cache unter bestimmten Umständen besser ab. Das gilt insbesondere dann, wenn die Anwendungen nur wenige Threads enthalten oder kein Multithreading unterstützen.
Wenn verschiedene Prozessoren ähnliche Taktgeschwindigkeiten und Cache-Konfigurationen haben, bedeutet das immer noch nicht, dass ein Quad-Core-Prozessor doppelt so schnell arbeitet wie ein Dual-Core-Prozessor oder viermal so schnell wie ein Single-Core-Prozessor. Die Ergebnisse hängen von den Gewohnheiten des Benutzers, den ausgeführten Programmen und der Kompatibilität des Prozessors mit der restlichen Systemhardware ab. Selbst wenn eine Anwendung sehr viele Threads enthält, ist das noch keine Garantie dafür, dass sie einen Vierkernprozessor optimal nutzt.
Das Video bietet eine kleine Einführung in die Welt der Multi-Core-Prozessor-Architekturen.
