Taktvolles Chaos

Thomas Leichtenstern

Das Wirrwarr der verschiedenen Prozessorarchitekturen und Paketformate nimmt zuweilen babylonische Ausmaße an. Welches Paket für welchen Prozessor geeignet ist, erfahren Sie in diesem Artikel.

AMD und Intel bemühen sich beinahe im Quartalstakt, den Anwender mit neuen Prozessorgenerationen und Fachbegriffen wie Multi-Core, Hyper-Threading, 64-Bit oder Sockel 775 zu verwirren. Begriffe und Technologien, die wie Pilze aus dem Boden schießen, und von denen viele Anwender nicht wissen, was sie zu bedeuten haben. Der Artikel schlüsselt die Technik hinter der heute gängigen Terminologie auf und erklärt in verständlichen Worten, welchen Vorteil der Benutzer davon hat. Er beschreibt weiterhin, welche Prozessoren zu welcher Achitekturfamilie gehören, und mit welchen Paketen sie jeweils umgehen können.

Im Gleichtakt

Das wesentlichste Leistungsmerkmal eines Prozessors ist seine Verarbeitungsgeschwindigkeit, die Taktfrequenz [1]. Sie gibt an, mit welchem Tempo dieser in der Lage ist, Rechenoperationen zu verarbeiten. Moderne CPUs arbeiten derzeit mit 2 GHz und darüber. Das heißt, der Rechner verarbeitet bis zu zwei Milliarden Rechenoperationen in der Sekunde. Die Leistungsspitze einzelner Prozessoren liegt derzeit bei etwa 4 GHz. Entscheidende Nachteile der immer höheren Taktfrequenzen sind die enorme Hitzeentwicklung und der hohe Stromverbrauch: Begnügte sich ein Pentium II der zweiten Generation mit lediglich 14 Watt, verbrät ein moderner AMD Opteron, ohne mit der Wimper zu zucken, das achtfache. Da Prozessoren die meiste Energie in Wärme umwandeln, benötigen sie entsprechend immer größere Kühler. Kühlkörper von der Größe einer Streichholzschachtel, die noch vor einigen Jahren ausreichten, um eine CPU vor dem Hitzetod zu bewahren, taugen heute gerade einmal zum Kühlen der Grafikkarte. Moderne Prozessoren erwarten belüftete Kühler in der Größe von drei übereinander gestapelten Zigarettenschachteln, um nicht im wahrsten Sinne des Wortes abzurauchen.

Auch die erforderliche Miniaturisierung der Schaltungen stößt langsam an die Grenzen des physikalisch Machbaren, da sich mit Silizium eine Mindestgröße der Transistoren nicht unterschreiten lässt, die in Kürze erreicht sein wird. Dieser Umstand ist den Herstellern seit längerem bewusst, weswegen sie auf andere Techniken ausweichen, um die Rechenleistung bei gleicher Taktfrequenz zu erhöhen.

Simultanarbeiter

Ein Ausweg aus dem Dilemma und gleichzeitig ein aktueller Trend sind Mehrprozessor-Systeme. Die Hersteller verfolgen dabei verschiedene Lösungsansätze:

Multi-Prozessor-Systeme -- auf dem Mainboard befinden sich zwei oder mehr CPUs. Beispiele: AMD Opteron, Intel Xeon MP.

Multi-Core-Prozessor -- die CPU enthält zwei oder mehr Recheneinheiten (ALU) (Dual-Core). Beispiele: AMD Athlon 64 X2, Intel Pentium D.

Virtueller Multi-Prozessor -- simuliert lediglich mehrere Prozessoren (Hyper-Threading (HT)). Beispiel: Intel Pentium 4 ab 3,06 GHz.

ALU:Die ALU (Arithmetic Logic Unit) einer CPU ist als Rechenwerk für die Verarbeitung aller arithmetischen und logischen Funktionen zuständig.

Welche der genannten Varianten zum Einsatz kommt, ist für das darüberliegende Betriebssystem transparent. Das heißt, es unterscheidet nicht zwischen realen und simulierten Mehrprozessor-Systemen. Moderne Mehrprozessor-Systeme arbeiten heute beinahe ausnahmslos als symmetrische Multiprozessorsysteme (SMP) [2]. Das bedeutet, jede CPU hat im Verarbeitsungprozess die gleiche Priorität. Alle großen Linux-Distributionen stellen dafür eigene SMB-Kernel bereit. Um diese Technologie zu nutzen, sollten deshalb Besitzer eines solchen Rechners stets diese verwenden.

Abb. 1: Die Hersteller verfolgen bei der Entwicklung von Multiprozessor-Prozessoren verschiedene Ansätze.

Zum Verständnis der Arbeitsweise und der potentiellen Vorteile von Mehrprozessor-Systemen hilft folgende Beschreibung, wie ein Betriebssystem meherer CPUs (vereinfacht dargestellt) nutztt:

Jedes gestartete Programm übergibt dem Kernel eine Aufgabe, die dieser schrittweise an die CPU weiterleitet. Stehen mehrere Aufgaben in der Warteschleife, leitet das System diese an die unterschiedlichen Prozessoren weiter. Da die meisten dieser Jobs nur Sekundenbruchteile der CPU-Zeit beanspruchen, kommt dieser Vorteil jedoch nur zum Tragen, wenn mehrere rechenintensive Jobs gleichzeitig laufen, beispielsweise das Kompilieren eines Programmes und das Rendern einer Grafik.

Anders gelagert ist der Fall, wenn das Programm in der Lage ist, eine Aufgabe in mehrere Teilaufgaben zu zerlegen welche der Kernel parallel an die Prozessoren weiterleitet, die diese simultan abarbeiten. Mit dieser Methode lässt sich die Arbeit unter Umständen erheblich beschleunigt.

Im Regelfall spürt der normale Anwender, außer bei Leistungsspitzen, kaum einen Performance-Unterschied zu einem Single-Prozessor-System. Stehen sehr viele zu erledigende Jobs an, kann die Hyper-Threading-Technologie das System sogar deutlich ausbremsen [3].

Architektur-Wettbewerb

In den 90er Jahren waren die Leistungs- und Preisunterschiede zwischen den verschiedenen Prozessor-Architekturen eklatant. Großrechner wurden in erster Linie mit CPUs der SPARC- und Alpha-Familie bestückt, Intel- und Intel-kompatible Prozessoren fanden meist in PCs (Personal Computer) ein Zuhause. Die Ausnahme auf dem Personal-Computer-Markt war aber schon damals die Firma Apple, die Prozessoren der PowerPC-Familie verbauten.

Das Bild hat sich jedoch fast komplett gewandelt. Die meisten "exotischen" CPU-Architekturen sind zwischenzeitlich vom Markt verschwunden und nur noch in älteren Rechner anzutreffen. Ein Grund dafür ist, dass die immer kleiner werdenden Leistungsunterschiede die enorme Preisdifferenz nicht mehr rechtfertigen. Durchgesetzt hat sich, inzwischen auch bei Apple, Intels Prozessor-Architektur IA-32 (Intel Architecture 32), oft auch fälschlicherweise als i386 bezeichnet, deren Markt sich die Firmen AMD und Intel zum größten Teil untereinander teilen. Bereits 1985 stellte Intel mit Einführung des 80386 DX die erste vollwertige 32-Bit-CPU mit einer IA-32-Architektur vor, die bis heute als Standard gilt.

Broadway

Zwar läutete Intel die 64-Bit-Ära schon 1994 mit der Entwicklung des Itanium-Prozessors [4] ein, der aber erst 2001 der Öffentlichkeit vorgestellt wurde. Intel verzichtete dabei aus Performance Gründen jedoch bewusst auf Rückwärtskompatibilität -- ein fataler Fehler, wie sich herausgestellt hat. Da nur Programme, die speziell für diese IA-64-Architektur geschrieben wurden starten, und die CPU zudem sehr teuer ist, spielt diese Prozessor-Architektur heute nur noch eine Nebenrolle.

AMD ging parallel zu Intel einen anderen, massentauglicheren Weg. Sie entwickelten Mischprozessoren mit der AMD64-Architektur, die man sowohl im 32- als auch im 64-Bit-Modus betreiben kann. Diese Technik stellt den heutigen 64-Bit-Standard dar, und wurde von Intel durch ein Cross-Licensing-Agreeement mit AMD ein Jahr nach der Markteinführung praktisch ohne Veränderung mit der Architekturbezeichnung EM64T übernommen.

Diese neue Prozessor-Generation drängt immer stärker auf den Markt und wird in absehbarer Zeit den zwischenzeitlich betagten 32-Bit-Standard ablösen.

Ihr größter Vorteil ist jedoch nicht seine schnellere Verarbeitungsgeschwindigkeit, die in den meisten Fällen sowieso ungenutzt bleibt, sondern das Unterstützen neuer Transfertechnologien (z.B. HyperTransport [5]) zwischen den Baugruppen. Zur Verdeutlichung: Ein Ferrari mit 400 PS ist im Stadtverkehr nicht schneller als ein Citroen mit 20 PS. Erst auf der Autobahn kommen die unterschiedlichen Kräfteverhältnisse zum Tragen. Diesen Vorteil spielt das System aber nur dann aus, wenn die restlichen Komponenten wie Mainboard und Hauptspeicher diese Technologien ebenfalls unterstützen. Ein optimal aufeinander abgestimmtes System ermöglicht dann durchaus einen Performance-Gewinn von 50 % und mehr gegenüber vergleichbaren 32-Bit-Systemen.

Mit Format

Generell handelt es sich bei den Bezeichnungen i386, i586 und i686 die man in Paketdateinamen findet nicht um Prozessorarchitekturen, sondern um Klassenbezeichnungen unterschiedlicher Prozessorgenerationen, die alle auf der IA-32-Architektur basieren. Sie unterscheiden sich im Wesentlichen durch erweiterte Befehlssätze.

Befehlssatz: Der Befehlssatz bezeichnet die Maschinenbefehle eines Prozessors. Bei jeder Prozessorgeneration wurdn neue Befehle ergänzt, ohne im Wesentlichen die alten zu verändern.

Die Bezeichnung i386 stammt vom Namen der ersten echten 32-Bit-CPU, dem Intel 80386 DX. Das bedeutet, dass Sie Pakete dieses Typs selbst auf Methusalem-Rechnern aus dem Jahr 1985 installieren könnten, sofern sie mit diesem Prozessor ausgestattet sind. Prozessoren der i586-Klasse sind Pentium-CPUs der ersten Generation sowie deren Pendants von AMD. I686 geht auf Intels Pentium Pro zurück, der Befehlssatz wurde in den meisten nachfolgenden Prozessorgenerationen (Pentium II/III/4, Athlon etc.) übernommen, weswegen heute praktisch alle modernen CPUs zur i686-Klasse gehören.

Da die Befehlssätze aller späteren Prozessoren in der Hauptsache erweitert, die alten jedoch nicht verändert wurden, sind die Pakete komplett aufwärtskompatibel, jedoch nur bedingt abwärtskompatibel. Das bedeutet, Sie können auf jedem beliebigen Rechner mit einem derartigen Prozessor ein i386-Paket installieren, bekommen jedoch unter Umständen Schwierigkeiten, wenn Sie versuchen, ein i686-Paket auf einem Rechner mit einer alten Pentium-90-CPU einzuspielen.

In der Praxis spielt das jedoch kaum eine Rolle, da selbst Rechner der i586-Klasse heute eher im Museum als unter dem Schreibtisch anzutreffen sind.

Etwas komplizierter gestaltet sich die Zuordnung bei 64-Bit-Prozessoren: Hier hat Intels Itanium als einzige reinrassige 64-Bit-CPU eine Ausnahmestellung. Pakete mit der Bezeichnung ia64 sind ausschließlich zu diesem Prozessor kompatibel und lassen sich auch auf keinem anderen System installieren. Anders verhält es sich bei den Mischprozessoren der 64-Bit-Klasse (AMD64/EM64T). Die meisten Linux-Distributionen bieten ihre Systeme in 32- und 64-Bit-Varianten an. Die Pakete der 32-Bit-Variante tragen im Namen die Bezeichnung i386, i586 oder i686, die des 64-Bit-Systems x86_64. Beide lassen sich ohne Einschränkungen auf Rechnern mit einer solchen CPU installieren, nageln Sie dann jedoch auf die gewählte Architektur fest. Das heißt, es ist nicht möglich, auf einem 32-Bit-Betriebssystem x86_64-Pakete zu installieren und umgekehrt.

Typ:	Baujahr (ab):	Architektur:	Sockel:	Taktfrequenz (Mhz):	Kompatible Pakete:
Gängige Prozessoren
AMD
K5	1996	IA-32	Sockel 5/7	75-166	i386,i586,(i686)
K6	1997	IA-32	Sockel 7	166-300	i386,i586,(i686)
K6-2	1998	IA-32	Super Sockel 7	266-550	i386,i586,(i686)
K6-III	1999	IA-32	Super Sockel 7	400-550	i386,i586,(i686)
Athlon (K7)	1999	IA-32	Slot-A	500-1.000	i386,i586,i686
Thunderbird	2000	IA-32	Sockel-A/Slot-A	650-1.400	i386,i586,i686
Duron	2000	IA-32	Sockel-A	600-1.800	i386,i586,i686
Athlon XP	2001	IA-32	Sockel-A	1.333-2.333	i386,i586,i686
Sempron	2004	IA-32/AMD64	Sockel-A/754	1.500-2.000	i386,i586,i686
Opteron	2005	IA-32/AMD64	Sockel 939/940	1.800-2.400	X86_64,i386,i586,i686
Turion 64	2005	IA-32/AMD64	Sockel 754	1.600-2.400	X86_64,i386,i586,i686
Athlon 64 X2	2005	IA-32/AMD64	Sockel 939/940	2.200-2.600	X86_64,i386,i586,i686
Athlon 64 (FX)	2005	IA-32/AMD64	Sockel 939/940	2.200-2.800	X86_64,i386,i586,i686
Intel
Pentium	1993	IA-32	Sockel 4,5,7	60-233	i386,i586,(i686)
Pentium Pro	1995	IA-32	Sockel 8	150-200	i386,i586,i686
Pentium II	1997	IA-32	Slot 1	233-500	i386,i586,i686
Pentium Xeon	1998	IA-32	Slot 2, Sockel 495	400-700	i386,i586,i686
Celeron	1998	IA-32	Slot 1,Sockel 370/478	266-3.200	i386,i586,i686
Pentium III	1999	IA-32	Slot 1, Sockel 370	450-1.400	i386,i586,i686
Pentium IV	2001	IA-32/EM64T	Sockel 432/478/775	2.800-3.800	X86_64,i386,i586,i686
Itanium	2001	IA-64	Sockel PAC418/611	733-1.500	ia64
Centrino	2003	IA-32	Sockel 479M	900-2.130	i386,i586,i686
Pentium D	2005	IA-32/EM64T	Sockel 775	2.800-3.400	X86_64,i386,i586,i686

Schneller ist besser?

Der Flaschenhals eines Rechners ist schon lange nicht mehr der Prozessor, sondern es sind die miteinander kommunizierenden Bauteile. Die hohe Rechenleistung der neuen CPUs bringt dem normalen Anwender nur in seltenen Fällen spürbare Performance-Vorteile. Anders verhält es sich mit den neuen Transfer-Technologien, die vor allem Prozessoren der 64-Bit-Klasse bieten. Sie ermöglichen durchaus einen Performance-Gewinn von 50 % und mehr gegenüber vergleichbaren 32-Bit-Rechnern. (tle)

Infos

[1] Taktfrequenz: http://de.wikipedia.org/wiki/Taktfrequenz
[2] Symetrische Multiprozessor-Systeme:http://de.wikipedia.org/wiki/SMP
[3] Hyper-Threading: http://www.tecchannel.de/technologie/prozessoren/401793/
[4] Intel Itanium: http://elektronik-kompendium.de/sites/com/0608201.htm
[5] HyperTransport: http://de.wikipedia.org/wiki/Hypertransport

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