Mehr leisten - ohne mehr Leistung zu beanspruchen

Tief greifende Designänderungen für mehr Leistung

Mit dem Design der Core-i7-CPU baut Intel das Konzept aus, das der Hersteller bereits vor einigen Jahren mit der Einführung von Zwei- und Vierkern-CPUs präsentierte. Um die Leistung von Prozessoren zu verbessern, wurde über viele Jahre die Taktrate der CPUs immer weiter erhöht. Damit konnten Anwendungen schneller arbeiten, ohne dass Änderungen am Design der Programme erforderlich waren.

Ein höherer Takt ist die einfachste Möglichkeit, um Anwendungen leistungsfähiger zu machen. Aber diese Methode hat ihren Preis, denn höhere Taktfrequenzen treiben auch den Stromverbrauch in die Höhe.

Die Multi-Core-Technik biete einen Ausweg aus diesem Dilemma, weil sie effizienter ist. Aber auch hier ist die Annahme falsch, dass acht Kerne doppelt so schnell sind wie vier. Am Ende entscheiden bei x86-Mikroprozessoren mehr als nur Taktfrequenz und die Zahl der Kerne über die Leistung. Für künftige, noch schnellere Prozessoren sind unter anderem neue Befehlssätze und Verbesserungen am Cache notwendig. Zudem muss das Hardware-Thread-Scheduling verbessert werden.

Im Inneren der Core-i7-CPUs befinden sich vier Kerne; maximal acht sind in späteren Modellen geplant. Die vier Cores sind in der Lage, mehrere Prozesse parallel zu bedienen. Diese wiederum lassen sich einer einzelnen Applikation, aber auch mehreren Anwendungen zuordnen.

Das Betriebssystem verteilt die einzelnen Prozesse auf die Kerne der CPU.

Um die Rechenkerne optimal ausnutzen, sollten sie möglichst gleichmäßig ausgelastet sein. Ein Großteil der Server-Applikationen erfüllt bereits diese Anforderungen und ist für Multi-Threaded-Systeme ausgelegt.

Bei der Core-i7-Architektur sorgt zudem Hyper-Threading (Hyper-Threading Technology / HTT) dafür, dass Programmcode auf die bestmögliche Weise ausgeführt wird. erzielt. HTT ermöglicht eine bedingte Parallelverarbeitung von zwei Threads innerhalb eines Kerns.

Der Leistungsgewinn wird dadurch erreicht, dass die Ausführeinheit (Execution Unit) der CPU besser ausgelastet wird. Da jeder Kern der CPU beim Core-i7-Prozessor zwei Threads parallel bearbeitet, sind bei den derzeit angebotenen Core-i7-Modellen bis zu acht parallele Verarbeitungs-Threads vorhanden.

Durch mehrere Kerne, Hyper-Threading und die Verbesserungen der Architektur steigt der Leistungsdurchsatz von Prozessoren sowohl bei Multi-Threaded-Anwendungen als auch traditionellen Single-Threaded Applikationen. Dennoch werden Anwendungen immer unterschiedliche Lastprofile in den parallelen Threads aufweisen.

Die Herausforderung bei allen Techniken der parallelen Programmierung besteht ja gerade darin, die Applikation so aufzubrechen, dass sie die vorhandenen stehenden Rechenkerne möglichst gleichmäßig »beschäftigt«.

Die unterschiedlichen Lastkurven bei der Parallelverabeitung führen dazu, dass einzelne Kerne mehr, andere weniger ausgelastet sind. Prozesse mit hohem Bedarf an Rechenleistung werden die Performance ihres Kerns zu 100 Prozent nutzen, andere vielleicht nur zu einem Bruchteil. Manche Kerne bleiben komplett inaktiv.

Damit auch Anwendungen, die noch nicht auf Multi-Core-Umgebungen abgestimmt sind, in den Genuss der Leistungssteigerungen kommen, hat Intel eine neue Technik eingeführt: eine variable Taktung der einzelnen Kerne. So lasen sich mittels »Turbo-Boost« Cores, die hoch belastet sind, kurzfristig höher takten.

Die Kerne ohne Auslastung bleiben inaktiv und verbrauchen nahezu keinen Strom. Das führt letztendlich dazu, dass die Ausführung der Anwendung schneller wird. Die Erhöhung der Taktrate durch Turbo-Boost erfolgt in zwei 133-MHz-Schritten.

Prinzipiell ist es möglich, die Frequenz für alle vier Kerne zu erhöhen. Das ist aber, wie beim Übertakten einzelner Kerne, nur dann möglich, wenn dabei die maximale Verlustleistung (Thermal-Design-Power, TDP) von 130 Watt nicht überschritten wird. Wenn Taktraten ausgelasteter Cores erhöht werden, operiert die CPU noch innerhalb dieser Spezifikationen und trotzdem steht die maximale Leistung für Prozesse zur Verfügung.

Zusätzlich lassen sich die Kerne in Ruhephasen fast vollständig deaktivieren. Diese Technik ist von Prozessoren für Notebooks her bekannt. Die Kerne verringern verringer auf diese Weise den Stromverbrauch des Gesamtsystems.

Positiv auf den Stromverbrauch wirkt sich außerdem der Fertigungsprozess aus. Die Core-i7-Prozessoren werden, wie alle anderen CPU-Modelle von Intel, in einem 45-Nanometer-Prozess gefertigt. Der Energiegewinn dabei ergibt sich aus der Vermeidung von Leckströmen in den Transistoren sowie aus einer höheren Transistordichte.

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