Ein CPU-Kern ist ein wesentlicher Bestandteil eines jeden Computers. CPU-Kerne sind ein Teil jedes CPU-Prozessors. Moderne Desktop-CPUs haben in der Regel zwischen zwei und 16 Kerne, von denen jeder jeweils eine bestimmte Aufgabe erledigen kann. Die Anzahl der verfügbaren Kerne ist einer der entscheidenden Indikatoren dafür, wie leistungsstark und schnell ein PC bei Spitzenleistung ist.
Es ist erwähnenswert, dass Kerne nicht völlig unabhängig voneinander sind. Je nach CPU-Design können Kerne mehr oder weniger eng miteinander verbunden sein. Sie können Caches gemeinsam nutzen, sich gegenseitig zum Weiterleiten von Nachrichten verwenden oder sogar andere Arten von Kommunikationsprozessen gemeinsam nutzen. In den meisten Fällen werden Kerne über Busse verbunden. Es wird auch unterschieden zwischen CPUs, die nur identische Kerne haben und solchen, die verschiedene kombinieren.
CPU-Design
Das historische Multicore-CPU-Design hat im Allgemeinen eine homogene CPU-Topologie verwendet. Das heißt, alle Kerne sind identisch. Dies hat den Vorteil, dass nur der Entwicklungsaufwand einer Kernarchitektur erforderlich ist, die beliebig oft kopiert und eingefügt werden kann. Es erleichtert auch die Aufgabenplanung, da alle Kerne alle Aufgaben mit der gleichen Geschwindigkeit und Effizienz ausführen können.
Ein differenzierterer Ansatz für das Design von CPU-Kernen kann mit heterogener CPU-Topologie gefunden werden. In diesem Fall hat ein CPU-Die mehrere Arten von Kernen, die typischerweise auf Leistung oder Energieeffizienz optimiert sind, und manchmal einen Mittelweg. Dieses Setup ist besonders nützlich in Mobilgeräten, wo zahlreiche effiziente Kerne eine gute Leistung bei minimalem Batterieverbrauch bieten. Spitzenleistung kann bei Bedarf auch durch leistungsfähigere, leistungsoptimierte Kerne bereitgestellt werden, jedoch auf Kosten einer erhöhten Leistungsaufnahme und Wärmeerzeugung.
In der Vergangenheit begannen CPUs mit nur einem Kern und konnten jeweils nur eine Aufgabe gleichzeitig bewältigen. Mit der Zeit, als die Nachfrage nach Hardware stieg, reichte das nicht mehr aus. Neuere, modernere CPUs wurden entwickelt und ausgemustert als solche mit weniger Kernen. Die Ausnahme waren Laptops – aufgrund von Platz- und Kühlungsbeschränkungen hinkten Laptop-CPUs in der Vergangenheit bei der Anzahl der CPU-Kerne hinter Desktop-Computern hinterher. Moderne Laptops können die Anzahl der Kerne mit Desktops vergleichen, aber die CPUs laufen oft mit niedrigeren Leistungsstufen und Taktraten, um die Temperaturen zu verwalten.
Tipp: Wenn Sie versuchen, einen Computer zu bauen und Ihre CPU auszuwählen, sollten Sie mindestens vier Kerne anstreben.
Multithreading
Die meisten modernen Prozessoren verwenden Multi- oder Hyper-Threading, um die Anzahl der verfügbaren Kerne zu erhöhen. Dieser Prozess teilt einen Kern in mehrere virtuelle Kerne auf. Insbesondere arbeitet jeder physische Kern als zwei Threads. Daher können CPUs mit vier Kernen mit acht Threads arbeiten, was bedeutet, dass sie wie eine Achtkern-CPU funktionieren.
Hinweis: Einige spezialisierte CPUs können mehr als zwei Threads pro CPU-Kern anbieten. Alle diese Produkte sind jedoch exklusiv für die HPC- ( High-Performance Computing ) und Supercomputing-Märkte. Desktop-CPU-Kerne können entweder einen oder zwei Threads ausführen.
Multithreading ist jedoch keine absolute Duplizierung der CPU-Leistung. Hyperthreading verdoppelt nicht die Leistung des CPU-Kerns. Die Forschung von Intel deutet darauf hin, dass es eine Leistungssteigerung von etwa 30 % bietet, obwohl dies stark variieren und in seltenen Fällen sogar die Leistung leicht verringern kann. Einige Apps und Programme funktionieren damit besser als andere. Videospiele profitieren beispielsweise nicht immer von mehr Kernen, da sie oft empfindlicher auf die Taktrate reagieren. Andere Software, insbesondere Videobearbeitung und -animation, läuft mit zusätzlichen Kernen und Threads weiter.
Natürlich ist es unmöglich, zusätzliche Kerne zu erfinden – also müssen sich die simulierten Threads die verfügbaren physischen Ressourcen ihres zugrunde liegenden Kerns teilen. Das kann bedeuten, dass die Threads einzeln eine geringere Performance haben, aber auch, dass Ressourcen effektiver verteilt werden. Sie können von jedem Thread verwendet werden, der sie mehr benötigt.
Die Zukunft der Hardware
Der Trend in der CPU-Kernentwicklung geht eindeutig dahin, immer mehr Kerne in CPUs zu implementieren. Theoretisch wäre es möglich, CPUs mit Hunderten oder sogar Tausenden von Kernen zu bauen. Das ist noch keine kommerzielle Realität, da AMDs Threadripper- und EPYC-CPUs bis zu 64 Kerne haben. Im Moment liegt ein realistischerer Fokus jedoch auf der Optimierung der Leistung pro Watt. Mit anderen Worten – um die Leistungsaufnahme von CPUs zu senken. Davon profitieren vor allem Laptops und andere batteriebetriebene Geräte.
Die Verwaltung des Stromverbrauchs ist entscheidend für weitere signifikante Leistungssteigerungen. Das Mooresche Gesetz verdoppelt die CPU-Leistung seit Jahrzehnten im Allgemeinen etwa alle zwei Jahre. Dies basierte jedoch hauptsächlich auf dem Schrumpfen des Knotens, dh wie klein die kleinsten Elemente in der CPU sein konnten.
Moderne CPU-Knoten sind so klein, dass sie den physikalischen Grenzen der Größenreduzierung sehr nahe kommen. Steigende Leistung hat daher eine höhere Leistungsaufnahme und eine höhere Wärmeabgabe bedeutet. In naher Zukunft könnten Supercomputer-CPUs auf so kleinem Raum so viel Wärme erzeugen, dass es unmöglich ist, sie mit Luft zu kühlen, was eine Flüssigkeitskühlung erfordert.
Natürlich werden auch immer wieder neue CPU-Typen entwickelt. Die beiden größten Marken hier, Intel und AMD, bieten jeweils unterschiedliche Arten von CPU-Designs. Das geht so weit, dass ihre jeweiligen CPUs für einige Anwendungen besser geeignet sind als für andere. Natürlich bieten neu gestaltete CPUs neue Anwendungsfälle und Spezialitäten zusätzlich zu den bestehenden.
Die CPU-Architektur ist ein komplexes Thema. Da sowohl die verfügbaren Technologien als auch die Nachfrage nach höherer Leistung wachsen, wächst auch die Leistung, die CPUs bieten, und die Vielfalt der verfügbaren Konfigurationen. Wie der GPU-Markt zeigt auch der CPU-Markt Anzeichen einer Verlagerung hin zu bestimmten Hardwarebeschleunigern. Dies kann mehr Leistung und größere Effizienz bei bestimmten Aufgaben ermöglichen, erhöht jedoch die Komplexität.
Abschluss
Ein CPU-Kern ist ein oder mehrere spezifische Teile eines CPU-Chips, die die eigentliche Verarbeitung durchführen. Diese werden typischerweise bedient und von Registern und Caches umgeben. Die überwiegende Mehrheit moderner CPUs bietet mehrere Kerne auf einem CPU-Chip. CPU-Kerne können identisch oder für verschiedene Stufen auf der Leistungs-/Effizienzkurve optimiert sein.
CPU-Kerne sind in der Regel universell einsetzbar und können alle Verarbeitungen ausführen, die die CPU möglicherweise benötigt. Eine nicht-allgemeine Verarbeitungseinheit auf einem CPU-Die kann als Beschleuniger oder als X-Verarbeitungskern bezeichnet werden. X wird durch einen bestimmten Zweck ersetzt, z. B. neurale Verarbeitungskerne und neurale Beschleuniger für die KI-Verarbeitung.
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