Hy­per­threa­ding & Co.: Das be­schleu­nigt die CPU

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Bis vor ei­ni­gen Jah­ren schien der Weg zu mehr CPU-Leis­tung nur über ei­ne hö­he­re Takt­fre­quenz zu ver­lau­fen. Doch ir­gend­wann führt die­ser Weg in ei­ne Sack­gas­se. Denn wenn die CPU zu schnell ist, kann es trotz­dem zu Ver­zö­ge­run­gen kom­men: Ar­beits­spei­cher oder Pe­ri­phe­rie kön­nen die ge­wünsch­ten Da­ten nicht recht­zei­tig zur Ver­fü­gung zu stel­len, wes­halb der Pro­zes­sor war­ten muss und die po­ten­zi­el­le Re­chen­leis­tung gar nicht ins Spiel kommt. Die Lö­sung die­ses Fla­schen­hals-Pro­blems: Die CPU ar­bei­tet meh­re­re Auf­ga­ben gleich­zei­tig statt nach­ein­an­der ab. Die­se Par­al­le­li­sie­rung kommt in ei­nem Pro­zes­sor auf meh­re­ren Ebe­nen zum Tra­gen: Ei­ne Stu­fe nennt sich „Pi­pe­ling“und lässt sich als Fließ­band für die Be­fehls­aus­füh­rung se­hen. Hier­bei er­folgt die Un­ter­tei­lung ei­nes Be­fehls in ver­schie­de­ne Pha­sen: Wech­selt ein Be­fehl von der ers­ten in die zwei­te Pha­se, rückt so­fort ein neu­er Be­fehl in Pha­se 1. Je mehr Pha­sen oder auch Pi­pe­lines ei­ne CPU be­sitzt, des­to mehr Be­feh­le las­sen sich par­al­lel ver­ar­bei­ten. Der nächs­te Schritt bei der Par­al­le­li­sie­rung ist das Mul­ti­threa­ding. Hier­bei hält der Pro­zes­sor meh­re­re Auf­ga­ben (Th­reads) vor, die er ab­wech­selnd ab­ar­bei­ten kann. So lässt sich Thread 2 be­ar­bei­ten, wäh­rend Thread 1 auf Da­ten aus dem Spei­cher war­tet. Je­doch las­sen sich nicht al­le Auf­ga­ben par­al­le­li­sie­ren, da es vor­kom­men kann, dass bei­spiels­wei­se ein Thread auf ei­nen an­de­ren war­ten muss. Da­mit der Pro­zes­sor be­stimm­te Auf­ga­ben gleich­zei­tig ab­ar­bei­ten kann, muss au­ßer­dem die Soft­ware ent­spre­chend pro­gram­miert sein – das ist kom­plex und auf­wen­dig. In­tel hat ei­ne wei­te­re Tech­nik na­mens Si­mul­ta­neous Mul­ti­threa­ding (SMT) bei sei­nen Pro­zes­so­ren im Ein­satz. Sie er­mög­licht das par­al­le­le Ab­ar­bei­ten von meh­re­ren Th­reads. Die­se Pro­gramm­ab­läu­fe wer­den au­ßer­dem un­ab­hän­gig von­ein­an­der be­ar­bei­tet, wo­mit sie sich nur sel­ten in die Que­re kom­men kön­nen. Auf die­se Wei­se lässt sich die Re­chen­kraft des Pro­zes­sors bes­ser auf­tei­len, was zu ei­nem ef­fi­zi­en­te­ren Be­trieb und un­ter an­de­rem auch zu ei­ner ge­rin­ge­ren Leis­tungs­auf­nah­me führt. Mit der Tech­nik Hy­per­threa­ding (HAT) si­mu­liert ei­ne In­tel-CPU dem Be­triebs­sys­tem zu­sätz­li­che Pro­zes­sor­ker­ne – aus ei­nem Dual­co­re-Pro­zes­sor mit HT wird bei­spiels­wei­se für Win­dows dann ein Quad­core. Ziel ist es, da­durch die Funk­ti­ons­ein­hei­ten ef­fek­ti­ver aus­zu­las­ten und Spei­cher­war­te­zei­ten zu über­brü­cken. Noch ef­fi­zi­en­ter ge­stal­tet sich Hy­per­threa­ding, wenn das so­ge­nann­te Pre­fet­ching gut funk­tio­niert: Die­se Tech­nik lädt Da­ten und Be­feh­le schon vor­ab in den Spei­cher, weil sie glaubt, dass sie als Nächs­tes zum Ein­satz kom­men.

In die­ser Gra­fik er­läu­tert In­tel die Vor­tei­le der Hy­per­threa­ding­tech­nik.

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