CPUs der Zukunft
Doppelte Kraft voraus

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Die Dual-Core-CPUs von AMD und Intel sind erst der Anfang eines neuen Trends: Immer mehr Recheneinheiten werden zukünftig in einem Gehäuse zusammenarbeiten. In zehn Jahren sollen Prozessoren mit über 100 Kernen schneller als heutige Supercomputer sein.

Trend zum Doppelsitzer

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Das passende Bild zur aktuellen Entwicklung im Prozessorbereich ist ein Ruderboot. Bislang herrschten im PC-Bereich die Einsitzer vor Boote mit nur einem Rudermann beziehungsweise Rechner mit nur einer CPU. Jetzt geht der Trend zum Doppelsitzer: Zwei Ruderer in einem Boot hängen auch den verbissensten Einzelkämpfer ab. Im PC sorgen parallel seit neuestem Dual-Core-CPUs mit zwei Rechenkernen in einem Gehäuse für einen Performance-Sprung.

Multi-Prozessor-Systeme sind zwar an sich nichts Neues. Im Server- und Workstation-Segment sind Systeme mit zwei oder mehr CPUs bereits Standard. Neu ist aber, dass jetzt mehrere Prozessoren genauer CPU-Kerne in einem Gehäuse zusammengefasst werden.


Hohe CPU-Frequenz

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Bisher waren bei Multi-Prozessor-Plattformen teure Mainboards mit mehreren CPU-Sockeln und entsprechend angepasster Bus-Architektur notwendig. Die Dual-Core-Prozessoren passen dagegen in die gleichen Steckplätze wie die aktuellen Desktop-CPUs das System spricht sie aber wie zwei getrennte Prozessoren an.

Bei den herkömmlichen Prozessoren in Single-Core-Bauweise gerät die Entwicklung zu höheren Leistungswerten ins Stocken. In den letzten Jahren resultierten mehr als drei Viertel der Geschwindigkeitsgewinne rein aus schnelleren Taktraten. Die weitere Steigerung der CPU-Frequenzen stößt allerdings an physikalische Grenzen.


Singles laufen heiß

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Die höheren Frequenzen machen immer kleinere Halbleiterstrukturen notwendig. Das steigert zum einen die Anforderungen an die Verfahren und Qualität der Halbleiterfertigung drastisch. Zum anderen nehmen bei den Strukturen, die inzwischen teilweise nur noch wenige Atomlagen dick sind, Sperrströme stark zu. Das sind unerwünschte Ströme, die durch eigentlich isolierende Schichten hindurchtreten. Die Konsequenz ist eine deutlich höhere Verlustleistung der neuesten Prozessoren. Jedes Prozent mehr an CPU-Leistung muss derzeit mit drei Prozent höherer Leistungsaufnahme erkauft werden. CPUs vom Kaliber eines Pentium 4/3,8 GHz erzeugen inzwischen auf der Fläche eines Fingernagels mehr Wärme als eine 100-Watt-Glühbirne. Die Chip-Temperatur dabei niedrig zu halten, bedeutet enormen Aufwand.

Und selbst wenn es weiter gelingt, die Taktraten zu erhöhen, bremsen Speicherzugriffe die Prozessoreinheit stärker denn je aus. Auch beim schnellen integrierten Cache-Speicher der Prozessoren gelingt es nicht, die Latenzzeiten im gleichen Maße zu verringern, wie der Prozessortakt zunimmt. Leistungszehrende Wartezyklen sind die Folge. Während ein Zugriff auf den L2-Cache beim Pentium III noch etwa zehn Prozessor-Taktzyklen gedauert hat, fallen bei den neuesten Spitzen-CPUs jenseits der 3,0-GHz-Grenze mehr als 30 Leerlaufrunden an.


Schnell wie 6,0 GHz

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Die Lösung sind zwei CPU-Kerne, die mit vereinter Kraft im theoretischen Idealfall bis zu doppelt so schnell wie eine identisch getaktete Einzel-CPU rechnen können. Das Taktrennen verliert damit erst einmal an Bedeutung. Ein Dual-Core-Pentium-D-840-Prozessor mit 3,2 GHz Taktrate könnte stark vereinfacht etwa mit einem Pentium-4-Prozessor mit einer Frequenz von mehr als 6,0 GHz gleichgesetzt werden. Auf dieses imaginäres Modell hätte der Anwender noch mindestens drei Jahre warten müssen.

Doch die Entwicklung steht mit den Dual-Core-Prozessoren gerade am Anfang. Alle Prozessorhersteller führen in den kommenden Jahren Modelle mit mehr als zwei Kernen auf der Roadmap. Die AMD-Entwickler arbeiten nach eigenen Angaben bereits an Modellen mit vier Kernen. Intel hat optimistischere Pläne: Demnach sollen bis spätestens 2015 Prozessoren mit 100 und mehr Kernen realisierbar werden.


Die Multi-Cores kommen

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Bei solchen Multi-Core-Prozessoren mit Dutzenden von Kernen wird der Begriff des Micro-Cores entscheidend sein: Anstatt komplexer, universeller Prozessoren könnten kleinere CPU-Kerne auf unterschiedliche Aufgaben ausgelegt sein. Denkbar sind Einheiten, die speziell für die Grafikdarstellung, für die Spracherkennung oder zur Steuerung der Netzwerk-Übertragung ausgelegt sind.

Zur Energie-Einsparung könnten zeitweise ungenutzte Kerne deaktiviert werden und erst dann wieder mit Spannung und Taktsignal versorgt werden, wenn deren Rechenleistung benötigt wird. Oder die Versorgungsspannungen ließen sich für die einzelnen Kerne unterschiedlich auslegen: Kerne mit eher zeitkritischen Aufgaben werden mit höheren Taktraten und Spannungen betrieben, während die übrigen Aufgaben von langsameren, mit geringerer Spannung versorgten Einheiten Strom sparender erledigt werden.


Architektur der neuen Prozessoren

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Dass es sich bei den Multi-Core-Prozessoren keinesfalls um reine Zukunftsmusik handelt, zeigen erste konkrete Produkte. Intel bietet mit dem IXP 2800 einen Netzwerk-Prozessor zum Einsatz in Switches oder Routern an. Beim IXP 2800 arbeiten in einem Chip eine Xscale-CPU als Steuereinheit und 16 unabhängige Micro-Kerne. Ein weiteres Beispiel ist der kommende Cell-Prozessor, der gemeinsam von IBM, Toshiba und Sony entwickelt wird.

Patentschriften geben erste Hinweise auf die Architektur der neuen Prozessoren: Die Cell-CPU besteht demnach aus insgesamt neun Prozessorkernen. Einer der Prozessorkerne wahrscheinlich ein Ableger der IBM-Power-Architektur übernimmt die Steuerung und gibt Teile der Rechenlast an acht kleinere Prozessoren (Attached Processing Units, APUs) ab. Konkurrenz im PC-Bereich droht aber zunächst nicht: Die CPU ist vor allem auf Multimedia-Aufgaben hin konzipiert. Als erstes Produkt ist beispielsweise die Sony Playstation 3 bekannt, in der ein Cell-Prozessor arbeiten soll.


Kernfrage unterschiedlich gelöst

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Bei der praktischen Umsetzung der Dual-Core-Technik haben die CPU-Entwickler mehrere Möglichkeiten. Die Abbildungen oben zeigen die unterschiedlichen Optionen. Den einfachsten Weg wählt Intel bei den Pentium-D-Prozessoren. Hier sind nur zwei fast unveränderte Pentium-4-Kerne auf einem Halbleiterchip vereint. Aus einem großen Silizium-Wafer mit über 100 CPU-Chips werden zwei Kerne in einem Stück herausgeschnitten, im Prozessorgehäuse (Package) eingefasst und mit dem Pin-Layout verbunden.

Der Aufbau des einzelnen CPU-Kerns ist identisch zu dem der bisherigen Single-Core-Pentium-4-Prozessoren. Jeder der Kerne verfügt damit beispielsweise über einen eigenen Cache-Speicher und ein eigenes Bus-Interface. Die Verbindung der Kerne wird von außen über das Package und den Systembus hergestellt. Intels Front-Side-Bus ist so ausgelegt, dass beide Kerne an der Schnittstelle parallel arbeiten können, ohne dass zusätzliche Elektronik notwendig wäre.


Codenamen Presler

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Beim Umstieg von der aktuellen 90-Nanometer-Technik auf den 65-Nanometer-Kern mit Codenamen Presler will Intel Anfang 2006 flexibler sein: Hier werden die zwei Kerne als getrennte Chips im Prozessorgehäuse integriert. Bei der Halbleiterproduktion können damit Kerne aus verschiedenen Bereichen des Wafers herausgeschnitten und kombiniert werden. Damit lassen sich jeweils die schnellsten CPU-Kerne selektieren und zu Paaren zusammenführen.

AMD ist in der Entwicklung bereits einen Schritt weiter. Das Layout der Dual-Core-Opteron- und Athlon-64-X2-Chips wurde von Anfang an komplett überarbeitet und die einzelnen Produktgruppen wurden so angeordnet, dass zum Beispiel das Bus-Interface beider Kerne im Chip benachbart liegt. Anders als bei Intel steckt ein zusätzlicher Crossbar-Controller direkt im Prozessor-Chip. Dieser stellt eine unmittelbare und schnelle Verbindung
zwischen den beiden Rechenkernen, dem integrierten Speichercontroller des Prozessors und den Hypertransport-Links als Schnittstelle zum übrigen System her.


Software-Unterstützung gefragt

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Damit die Dual- und Multi-Core-Prozessoren ihre Stärken überhaupt ausspielen können, muss die Software entsprechend vorbereitet sein. Betriebssystem und Anwendungen müssen die Rechenanforderungen in Pakete (Threads) zerlegen, die sich parallel von den einzelnen CPU-Kernen bearbeiten lassen.

Die wichtigsten Betriebssysteme sind bereits vorbereitet: Windows XP unterstützt in der Professionell-Version Rechner mit bis zu zwei Multi-Prozessoren. Windows XP Home arbeitet mit einer Dual-Core-CPU zusammen. Auch bei den Linux-Distributionen von Red Hat oder Suse ist die Multi-Prozessor-Unterstützung kein Problem ist doch das Unix-Betriebssystem als Stammvater bei Multi-Prozessor-Servern etabliert.


Anpassung der Programmarchitektur

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Aufwändig ist die auf Multithreading angepasste Programmierung von Software. Nur bei etwa 10 bis 20 Prozent aller Anwendungen lässt sich eine parallele Aufteilung der Rechenschritte unmittelbar realisieren beispielsweise Bildbearbeitungs-Software, bei der das Bild in Abschnitte unterteilt werden kann, auf die sich gleichzeitig Filteroperationen oder Ähnliches anwenden lassen.

Etwa 60 Prozent der aktuellen Anwendungen erfordern erst größere Anpassungen der Programmarchitektur für den Multithreaded-Betrieb. Rund ein Viertel aller Anwendungen bleibt völlig ungeeignet für das Threading: Hier handelt es sich um Software mit linearen Programmschritten, bei denen jede Stufe jeweils vom Ergebnis der vorhergehenden Berechnungen abhängt.


Mehr Speed für Multitasking

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Doch selbst wenn die Software nicht speziell optimiert ist, sorgen Dual- oder Multi-Prozessor-Systeme für mehr Geschwindigkeit: Die Parallel-Architektur zeigt auch dann Vorteile, wenn gleichzeitig mehrere Applikationen im Multitasking-Modus arbeiten. Dann können die Rechenanforderungen der unterschiedlichen Programme auf die einzelnen Prozessoren aufgeteilt werden. Das Betriebssystem übernimmt dabei die Zuweisung der Aufgaben an die einzelnen Prozessor-Kerne.

Der Multitasking-Betrieb ist heute Standard: Alleine im Büro-Einsatz summiert sich die Zahl der aktiven Programme von der Textverarbeitung und Tabellen-Kalkulation, mehrere gleichzeitig geöffnete Browser-Fenster bis hin zum ICQ-Client schnell auf mehr als zehn Applikationen Hintergrundanwendungen wie Virenscanner und Systemprogramme noch nicht hinzugezählt.


Umdenken angesagt

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Mit Dual- und Multi-Core-Prozessoren beschreiten die Prozessor-Hersteller einen Weg, der ein neues Verständnis der PC-Architektur erforderlich macht. Die Entwicklung geht zu mehreren parallelen unter Umständen spezialisierten Funktionseinheiten, die Rechenanforderungen unabhängig voneinander wesentlich schneller bewältigen können als die bislang gewohnten CPU-Modelle. Das Umdenken betrifft dabei vor allem auch die Software-Hersteller. Die Multithreaded-Programmierung wird ihnen in den nächsten Jahren ein wichtiges Ziel bei der Weiterentwicklung der Produkte sein.