Megahertz, Gigahertz, Single- und Dual-Core-Prozessoren, i386 oder AMD64? Viele Begriffe im Dunstkreis moderner Prozessoren sorgen für reichlich Verwirrung. Wir erklären die Grundlagen.
Was passiert, wenn Sie per Mausklick ein Programm starten? Auf einem modernen Betriebssystem ungefähr das Folgende: Der Kernel, also der Betriebssystem-“Kern”, lädt die ausführbare Programmdatei und einige weitere Daten in den Hauptspeicher und erzeugt daraus einen so genannten Prozess. Im Speicher liegt nun eine Reihe von Instruktionen oder Kommandos, aus denen sich das Programm zusammensetzt. Der Kernel weiß, wie viele Prozessoren Sie haben und lässt diese das Programm abarbeiten. “To process” heißt auf Deutsch auch “bearbeiten”: Der Prozessor schnappt sich eine Anweisung nach der anderen und führt sie aus.
Ein Prozessor ist ein Chip, der meist auf der Hauptplatine des Rechners sitzt. In Ihrem Computer gibt es mehrere Prozessoren. Derjenige, der mit der allgemeinen Bezeichnung “Prozessor” üblicherweise gemeint ist, ist der “Hauptprozessor”, die Central Processing Unit (CPU). Auch Grafikkarten sind mit Prozessoren ausgestattet, den Graphical Processing Units, (GPU). Sogar Netzwerkkarten oder Videokarten der gehobeneren Preislagen bringen eigene Prozessoren mit.
Wie Prozessoren funktionieren
Ein Prozessor besteht aus mehreren Komponenten. Die Register sind kleine Zwischenspeicher, welche die CPU für interne Berechnungen verwendet. Sie sind nicht zu verwechseln mit den L1-, L2- und L3-Caches. Daneben existiert das Rechenwerk, das die echte Rechenarbeit leistet und Befehle (engl. “instructions”) ausführt. Es arbeitet mit dem Befehlsdecoder zusammen, der binäre Maschinenbefehle (aus denen alle Software besteht) versteht. Das Steuerwerk sorgt für die Abarbeitung der Anweisungen in richtiger Reihenfolge. Zusammen ergeben diese Komponenten jeweils einen Prozessorkern (engl. “core”).
Zusätzlich zum Kern verfügen Prozessoren über weitere Komponenten. Eine davon ist die Einheit für die Speicherverwaltung, die Memory Management Unit (MMU). Sie ist direkt mit dem Arbeitsspeicher verbunden. Auch Datenleitungen hin zu anderen Komponenten existieren – eine verbindet den Prozessor mit dem Steuerbus für alle anderen Hardware-Komponenten. Dieser Steuerbus heißt Front Side Bus (FSB). Seine Geschwindigkeit ist ausschlaggebend dafür, wie schnell der Prozessor Daten mit anderen Komponenten (mit Ausnahme des RAMs) austauschen kann.
L1-, L2- und L3-Caches sind zusätzliche Zwischenspeicher in CPUs, die es ermöglichen, auf erst kürzlich verwendete Speicherinhalte erneut und wesentlich schneller zuzugreifen. Die drei Caches unterscheiden sich in Größe und Geschwindigkeit. L1 ist der kleinste aber schnellste Cache, L2 und L3 sind jeweils langsamer, dafür aber auch wesentlich größer (bis zu 256 MByte). L1- und L2-Caches besitzt meist jeder Prozessorkern separat. Gibt es mehrere Kerne auf einem Prozessor, teilen diese sich den L3-Cache.
Die Taktrate
Die Taktrate von Prozessoren ist ein klassischer Faktor beim Leistungsvergleich verschiedener CPUs. Sie wird in Hertz angegeben: Hertzzahlen geben Frequenzen an, also die Zahl sich wiederholender Operationen in einer Sekunde. Bei Prozessoren meint die Taktfrequenz die Zahl der möglichen Rechenoperationen pro Sekunde. Ein Prozessor mit einer Taktfrequenz von einem Gigahertz (1 GHz) schafft also eine Milliarde Operationen pro Sekunde.
Insbesondere bei modernen Prozessoren lässt die Taktfrequenz Rückschlüsse auf die tatsächliche Geschwindigkeit nicht mehr direkt zu. Denn neben der reinen Taktfrequenz spielen eine Vielzahl anderer Faktoren eine Rolle. Soll die Rechenleistung angegeben werden, kommt dabei meistens die Einheit FLOPS (Floating Point Operations per Second, Gleitkommazahl-Operationen pro Sekunde) zum Einsatz, die sich aus Benchmarks ergibt.
Damals …
Vielleicht erinnern Sie sich an vergangene Tage, als Prozessoren der Flaschenhals für die PC-Geschwindigkeit waren. Legendär ist Intels Prozessor 80386 (i386). Auf ihm basieren fast alle im Consumer-Bereich eingesetzten Prozessoren. Bis heute nutzen die gängigen Prozessoren seinen Befehlssatz aus dem Jahr 1985 und sind völlig abwärtskompatibel zu den Rechnern von damals. Intels erste Version dieser CPU war mit 12 MHz getaktet. AMD kopierte den Prozessor unter dem Namen Am386.
1993 folgte die i486-Baureihe, die wiederum ein direkter Abkömmling der i386-Reihe war, der Intel Pentium (i586) war die erste echte Innovation. Am Ende seiner Produktlinie erweiterte Intel den Pentium 1 um MMX (Multi Media Extension). CPUs der Pentium-1-Reihe waren in Taktraten bis zu 100 MHz verfügbar. 1997 gab Intel den Pentium II frei, der erstmals L1-Cache integriert hatte und so schneller arbeitete als seine Vorgänger. Pentium-II-Prozessoren waren mit bis zu 450 MHz zu haben.
1999 schob Intel den Pentium III nach. Dieser war eng verwandt mit seinem Vorgänger, beherrschte zusätzlich jedoch den SSE-Befehlssatz (Streaming SIMD Extensions), der für das besonders schnelle Ausführen von Gleitkomma-Berechnungen sehr nützlich war. Pentium-III-CPUs durchbrachen zum ersten Mal die Gigahertz-Grenze. Am Ende ihres Lebenszyklus waren sie mit 1400 MHz zu haben.
… und heute
Im Wettbewerb zwischen Intel und AMD zählte irgendwann nur noch die Taktrate. Intels Pentium IV, der 2000 erschien und über die von Intel heftig beworbene “NetBurst”-Architektur verfügte, war wesentlich darauf ausgelegt, höhere Taktfrequenzen zu ermöglichen. Den höheren Takt erkaufte sich Intel mit immer größerem Stromverbrauch und immer stärkerer Wärmeentwicklung. Für Notebooks war der P4 damit eh uninteressant, aber immer häufiger beklagten sich auch Anwender von Desktop-PCs über das Heizkraftwerk direkt unter ihrem Schreibtisch.
Um auf dem Notebook-Markt nicht den Anschluss zu verlieren, arbeitete Intel seit einiger Zeit an einem getunten Pentium III, der sich durch gute Leistung bei geringem Stromverbrauch auszeichnen sollte. Das Ergebnis wurde die zentrale Komponente von Intels Mobilkonzept Centrino und hieß Pentium M. Sein Design stellte sich als so überlegen heraus, dass Intel die NetBurst-Architektur des Pentium IV einstampfte und den Pentium M zur Grundlage aller weiteren Prozessoren machte. Er ist damit auch die Basis für Intels aktuelle Core-Prozessoren.
Dual-Core-Prozessoren
Prozessoren arbeiten Befehle im Wesentlichen sequentiell ab (wenn man vom “Pipelining” absieht, bei dem die Ausführung folgender Befehle bereits vorbereitet wird). Sollen mehrere Befehle auf CPU-Ebene gleichzeitig verarbeitet werden, braucht man mehrere Prozessoren. Entsprechende Mainboards gibt es zwar, sie sind aber so teuer, dass sie nur für Server interessant sind. Intel entwickelte auf Grundlage des Pentium M eine andere Lösung: Die Core-Prozessoren (Abbildung 1) haben statt eines CPU-Kerns mehrere, die gleichzeitig aktiv sind. Wenn Programme so programmiert sind, dass sie aus mehreren Threads bestehen (das sind unabhängig und gleichzeitig lauffähige Teile eines Programms), sind erhebliche Leistungssteigerungen möglich – wahlweise mit mehreren CPUs oder mit einer CPU, die mehrere Cores besitzt.
Entsprechend bieten Quad-Core-Prozessoren vier Kerne auf einem Chip, und es gibt auch CPUs mit noch mehr Kernen.
Abbildung 1: Der Intel Core 2 Duo ist ein Dual-Core-Prozessor (Bild: Intel).
32 Bit vs. 64 Bit
Schließlich darf auch die Unterscheidung zwischen 32-Bit-CPUs sowie ihren Nachfolgern, den 64-Bit-CPUs, nicht fehlen. Entgegen allen immer wieder aufgestellten Behauptungen wirkt sich die Frage, ob ein Rechner die 32-Bit- oder 64-Bit-Nutzung unterstützt, nicht unmittelbar auf die Performance aus. Der eigentliche Grund für den Bedarf nach 64-Bit-CPUs ist die Menge des maximal nutzbaren Speichers pro Programm. 32-bittige Prozessoren können maximal 2^32 Byte (=4 GByte) Speicher für ein Programm bereitstellen. Vor zehn Jahren war das viel, speicherintensive Anwendungen stoßen heute jedoch bei 4 GByte schnell an ihre Grenzen. Eine 64-Bit-CPUs kann (theoretisch) bis zu 2^64 Byte Speicher ansprechen, das ist eine kaum vorstellbar große Speichermenge und bietet auch für die nächsten Jahre noch ausreichende Reserven. 64-Bit-CPUs brachte übrigens AMD vor Intel auf den Markt und schlug dem großen Rivalen damit ein letztes Schnippchen, bevor man im Strudel der Intel-Core-Technik für lange Zeit ins Hintertreffen geriet.
Für Linux-Anwender stellt sich auf aktuellen Rechnern oft die Frage, ob sie die 32- oder die 64-Bit-Version einer Linux-Version installieren soll: Ein 64-Bit-Prozessor erlaubt beide Varianten. Die EasyLinux-Redaktion empfiehlt Linux-Einsteigern grundsätzlich den Einsatz der 32-Bit-Version, weil es damit weniger Probleme bei der Einrichtung mancher Hardware (Treiberinstallation) und auch mancher Software (etwa bei einigen Browser-Plug-ins) gibt.
