Leistungskriterien für den Prozessor (CPU) sind Taktfrequenz, Datenrate, Anzahl parallel laufender Prozessoren. Die Leistung wird in MIPS angegeben.
Entscheidend für die Leistung eines Prozessors ist die Taktfrequenz und die Breite des Datenbusses, die bestimmt, wieviel Byte parallel (gleichzeitig) über den Bus transportiert werden können, um von der CPU ein- oder ausgelesen werden zu können. Daneben ist für die Performanz eines Rechners noch die Anzahl parallel laufender Prozessoren ausschlaggebend.
Prozessorleistung in MIPS
Die Prozessorleistung wird in MIPS (Mega Instructions Per Second = Millionen Anweisungen pro Sekunde) angegeben. Sie hängt u.a. von der internen Taktfrequenz und von der Größe der Prozessorstrukturen (gemessen in Mikron) ab. Zur Veranschaulichung der unvorstellbar schnellen Verarbeitung: „Man nehme einen einfachen Taschenrechner und addiere zwei achtstellige Zahlen. Damit hat man dann, nachdem dies ja rund 1 Sekunde dauern dürfte etwa 1 IPS (Instruktionen pro Sekunde) erzielt. Und fährt man nun fort, bis man exakt 400 Millionen dieser Additionen ausgeführt hat, so wird man ziemlich genau um zwölf Jahre, acht Monate und sechs Tage älter sein. Denn so lange dauert im manuellen Verfahren nun mal das, was der 400 MIPS-Alpha in einer einzigen Sekunde leisten kann“ (ehemaliger DEC-Manager Wolfgang Stübich).
Während im Standard-PC-Bereich Intel oder AMD den Ton angeben, sollten Rechner im High-End mit der leistungsstarken Xenon CPU oder auch Alpha-Prozessoren von DEC ausgestattet werden. Diese 64-Bit-Prozessoren bieten bei gleicher Taktfrequenz eine höhere Rechenleistung (eben aufgrund der größeren Bit-Wortlänge). 64-Bit-Prozessoren sind zwar mittlerweile auch im PC-Bereich erhätlich, aber bislang können nur UNIX-basierte OS zuverlässig damit umgehen.
Wichtig: Die Unterscheidungsmerkmale wie Taktfrequenz, Befehlssatz, Wortlänge (Anzahl Datenbits, die der Prozessor gleichzeitig verarbeiten kann), Größe des direkt adressierbaren Speichers und Breite des intern verwendeten Busses von Mikroprozessoren taugen nicht für einen direkten Leistungsvergleich der Prozessoren! Vielmehr ist es das Zusammenspiel von allen Rechnerkomponenten, das ein leistungsfähiges System ergibt.
Taktrate
Die Taktrate bestimmt die Arbeitsgeschwindigkeit der CPU und wird in Mhz (Megahertz) angegeben. In den aktuellen Prozessor-Versionen werden Taktraten von mehreren Gigahertz erreicht. Zurzeit sind allein für Desktop-Systeme mehr als 60 verschiedene CPUs mit Taktfrequenzen zwischen 1 und 4 Ghz auf dem Markt. Diese Chips passen nicht etwa alle in dieselbe Prozessorfassung, sondern laufen nur auf Mainboards, die für den jeweiligen Prozessor ausgelegt sind. Auch wenn eine höher getaktete CPU schneller als ein baugleicher Chip mit niedrigerer Taktfrequenz rechnet, fallen im Normalbetrieb die relativen Geschwindigkeitsunterschiede gering aus.
Es gibt Anwendungen, bei denen sich Mehrausgaben für eine höher getaktete CPU lohnen. Wenn man häufig Berechnungsaufgaben erledigen muss, die den Rechner mehrere Stunden beschäftigen, kann die schnellere Hardware sich auszahlen. Auch bei Computerspielen können wenige Prozent Mehrleistung deutlich mehr Spielspaß bringen, wenn gerade dadurch die Grenze von ruckelndem Bildaufbau zu flüssiger Darstellung überwunden wird.
8-, 16-, 32- und 64-Bit Prozessoren
Neben Markenname, Taktrate etc. unterscheidet man Prozessoren häufig nach drei Merkmalen:
- Wie viele Bit lang können die Daten sein? (Datenbreite)
- Wie viele Bit können mit einem Lade- bzw. Speicherbefehl gleichzeitig aus dem Hauptspeicher in ein Register kopiert werden? (Speicherwortbreite)
- Wie viele Bits können zur Adressierung des Speichers verwendet werden? Wieviel Speicher kann damit der Rechner maximal adressieren? (Adressbits)
Je höher die Bitrate, desto größer die Leistung.
Einzel- und Multi-CPU-System
Das Einzel-CPU-System ist ein einzelnes Zentralsystem mit einem Prozessor, an das direkt alle Massenspeicher angeschlossen sind.
Die Vorteile sind:
- einfaches Systemmanagement
- schneller und direkter Zugriff auf alle Daten
Nachteile:
- Beim Ausfall steht der gesamte Rechner still
- schlechter skalierbar
Dagegen arbeitet das Multi-CPU-System parallel mit mehreren CPUs in einem Bus. Im Unterschied zur Einzel-CPU-Lösung steht einem einzelnen Programm – bei sonst unbelasteter Maschine – nicht mehr die gesamte Rechenleistung, sondern nur die eines einzelnen Prozessors zur Verfügung. Kommt es also auf die Verarbeitung eines einzelnen Programms in möglichst kurzer Zeit an, ist diese Lösung schlechter. Unter der Annahme, dass immer genügend viele Programme gleichzeitig genutzt werden, um alle Prozessoren auszulasten, ist diese Multi-Prozessor-Lösung vom Durchsatz her aber nicht schlechter als eine entsprechend schnellere Einzel-CPU, dafür aber in der Regel deutlich billiger. Auch ein Performance-Zuwachs kann durch Hinzufügen einer weiteren CPU, sofern noch ein Steckplatz vorhanden ist, sehr kostengünstig realisiert werden.
Ein Dual- oder QuadCore-Prozessor-System (Doppel- oder Vierfachkern-Prozessoren) muss also nicht unbedingt die Rechnerleistung verdoppeln. Diese Rechnung trifft nur auf sehr wenige Anwendungen und schon gar nicht unter dem alten Windows 9x zu, da dieses nur eine CPU unterstützte. Nur wer tatsächlich ständig eine leistungshungrige Anwendung betreibt, die mehrere Prozessoren nutzen kann, profitiert wirklich von einem Dual- oder QuadCore-Prozessor-PC.
Computer mit mehreren Prozessoren, welche sich Hauptspeicher und die Ein /Ausgabebaugruppen teilen, werden auch als Symmetric Multiprocessing (SMP)-Systeme (symmetrisches Multiprozessing) bezeichnet. Der Einsatz mehrerer Prozessoren in SMP-Maschinen erhöht die Verfügbarkeit nicht, da die Prozessoren zwar gleichberechtigt arbeiten, aber nicht redundant sind. Fällt ein Prozessor aus, sind unter Umständen zentrale Funktionen des Betriebssystems gestört, was sich nicht abfangen lässt.
Bis zu 32 Prozessoren in einem Intel-Server sind mit SMP heutzutage möglich. 32 CPU’s bilden nicht die Grenze: Unten findet sich die Abbildung der CPU eines Supercomputers. Die Abbildung zeigt eines von mehreren Prozessor-Boards eines Supercomputers. Jedes Board kann mit bis zu 48 einzelnen Prozessoren ausgerüstet werden. Das abgebildete Board umfasst 37 Prozessoren. Leider ist die I/O-Leistung – im Vergleich zu großen Unix-Servern oder besonders gegenüber Mainframes – nicht entsprechend gut.
Zusammenfassung: Leistungskriterien für den Prozessor (CPU)
- Leistung wird in MIPS angegeben und ist abhängig von
- Taktfrequenz
- Datenrate
- Anzahl parallel laufender Prozessoren
Mainboard/CPU-Sockel muss zu Prozessor-Chip passen.
- Taktrate: bestimmt die Arbeitsgeschwindigkeit der CPU und wird in Mhz angegeben. Bei aufwendigen Rechenvorgängen sinnvoll, im Normalbetrieb jedoch nur geringe Leistungssteigerung mit hochgetakteten CPUs.
- Bitrate (Datenbreite, Speicherwortbreite, Adressbits): Standard im PC: 32-Bit-Prozessor, allmählich auf 64-Bit wechselnd. 64-Bit-Prozessoren (z.B. Xenon, Alpha DEC): wegen größerer Bitrate bei gleicher Taktfrequenz höhere Rechenleistung.
- Einzel-CPU: Vorteile: einfaches Systemmanagement, schneller und direkter Zugriff auf alle Daten; Nachteile: beim Ausfall steht der gesamte Rechner still, schlechter skalierbar.
- Multi-CPU-System: mehrere CPUs arbeiten parallel in einem Bus. Dem einzelnen Programm steht nicht mehr die gesamte Rechenleistung, sondern nur die eines einzelnen Prozessors zur Verfügung. Kommt es auf die Verarbeitung eines einzelnen Programms in möglichst kurzer Zeit an, ist eine Einzel-CPU sinnvoller. Wenn viele Programme geichzeitig genutzt werden, ist die Multi-Prozessor-Lösung vom Durchsatz her genauso gut wie Einzel-CPU, dafür aber deutlich billiger.