Eigenschaften von Computer-Prozessoren

Hier sind die wichtigen Eigenschaften von Prozessoren:

Das primäre definierende Merkmal eines Prozessors ist seine Marke (AMD oder Intel) und sein Modell. Obwohl konkurrierende Modelle der beiden Unternehmen ähnliche Funktionen und Leistungen aufweisen, kannst du keinen AMD-Prozessor in einem Intel-kompatiblen Motherboard installieren oder umgekehrt.

Ein weiteres definierendes Merkmal eines Prozessors ist der Anschluss (Socket), für den er entwickelt wurde. Wenn du beispielsweise den Prozessor in einem Motherboard mit einem 478er-Anschluss austauschst, musst du einen Ersatzprozessor wählen, der für diesen Anschluss ausgelegt ist. Tabelle 5-1 beschreibt Probleme bezüglich der Upgrade-Freundlichkeit je nach Prozessoranschluss.

Tabelle 5-1: Upgrade-Freundlichkeit nach Prozessoranschluss-Typ

Die Taktfrequenz eines Prozessors, die in Megahertz (MHz) oder Gigahertz (GHz) angegeben wird, bestimmt seine Leistung. Die Taktfrequenzen sind jedoch über verschiedene Prozessorreihen hinweg nicht vergleichbar. Ein 3,2 GHz Pentium 4 mit Prescott-Kern ist beispielsweise etwa 6,7 % schneller als ein 3,0 GHz Pentium 4 mit Prescott-Kern, wie es die relativen Taktfrequenzen vermuten lassen. Ein 3,0 GHz Celeron-Prozessor ist jedoch langsamer als ein 2,8 GHz Pentium 4, vor allem weil der Celeron über einen kleineren L2-Cache verfügt und eine langsamere Host-Bus-Geschwindigkeit verwendet. Ähnlich verhielt es sich bei der Einführung des Pentium 4 mit 1,3 GHz: Seine Leistung war tatsächlich geringer als die des 1-GHz-Pentium-III-Prozessors, den er ersetzen sollte. Das lag daran, dass die Architektur des Pentium 4 taktgenau weniger effizient ist als die frühere Architektur des Pentium III.

Die Taktfrequenz ist nutzlos, um AMD- und Intel-Prozessoren zu vergleichen. AMD-Prozessoren laufen mit viel niedrigeren Taktfrequenzen als Intel-Prozessoren, verrichten aber pro Taktzyklus etwa 50 % mehr Arbeit. Im Großen und Ganzen hat ein AMD Athlon 64 mit 2,0 GHz etwa die gleiche Gesamtleistung wie ein Intel Pentium 4 mit 3,0 GHz.

'''MODELLNUMMERN IM VERGLEICH ZU TAKTFREQUENZEN'''

Da AMD bei der Taktfrequenz gegenüber Intel immer im Nachteil ist, verwendet AMD Modellnummern anstelle von Taktfrequenzen, um seine Prozessoren zu bezeichnen. Beispielsweise kann ein AMD Athlon 64-Prozessor, der mit 2,0 GHz läuft, die Modellnummer 3000+ haben, was darauf hindeutet, dass der Prozessor ungefähr die gleiche Leistung wie ein Intel-Modell mit 3,0 GHz hat. (AMD bestreitet vehement, dass ihre Modellnummern dazu gedacht sind, mit Intel-Taktfrequenzen verglichen zu werden, aber sachkundige Beobachter ignorieren diese Dementis.)

Früher verwendete Intel Buchstabenbezeichnungen, um zwischen Prozessoren zu unterscheiden, die mit der gleichen Geschwindigkeit liefen, aber eine andere Host-Bus-Geschwindigkeit, einen anderen Kern oder andere Eigenschaften aufwiesen. Zum Beispiel wurden 2,8 GHz Pentium 4-Prozessoren mit Northwood-Kern in drei Varianten hergestellt: der Pentium 4/2.8 verwendete einen 400 MHz FSB, der Pentium 4/2.8B den 533 MHz FSB und der Pentium 4/2.8C den 800 MHz FSB. Als Intel einen 2,8 GHz Pentium 4 auf Basis ihres neuen Prescott-Kerns einführte, bezeichneten sie ihn als Pentium 4/2.8E.

Interessanterweise hat Intel die Taktfrequenz auch als Bezeichnung aufgegeben. Mit Ausnahme einiger älterer Modelle werden nun auch alle Intel-Prozessoren nach Modellnummern bezeichnet. Im Gegensatz zu AMD, deren Modellnummern noch einen rudimentären Hinweis auf die Taktfrequenz enthalten, sind Intel-Modellnummern vollständig von den Taktfrequenzen entkoppelt. Beispielsweise bezeichnet der Pentium 4 540 ein bestimmtes Prozessormodell, das zufällig mit 3,2 GHz läuft. Die Modelle dieses Prozessors, die mit 3,4, 3,6 und 3,8 GHz laufen, werden entsprechend mit 550, 560 und 570 bezeichnet.

Die Host-Bus-Geschwindigkeit, auch Front-Side-Bus-Geschwindigkeit, FSB-Geschwindigkeit oder einfach FSB genannt, spezifiziert die Datenübertragungsrate zwischen dem Prozessor und dem Chipsatz. Eine schnellere Host-Bus-Geschwindigkeit trägt zu einer höheren Prozessorleistung bei, selbst bei Prozessoren, die mit der gleichen Taktfrequenz laufen. AMD und Intel implementieren den Pfad zwischen Speicher und Cache unterschiedlich, aber im Wesentlichen ist der FSB eine Zahl, die die maximal mögliche Menge an Datenblockübertragungen pro Sekunde widerspiegelt. Bei einer tatsächlichen Host-Bus-Taktfrequenz von 100 MHz und einer Datenübertragung von viermal pro Taktzyklus (also „quad-pumped“) beträgt die effektive FSB-Geschwindigkeit 400 MHz.

Intel hat beispielsweise Pentium 4-Prozessoren hergestellt, die Host-Bus-Geschwindigkeiten von 400, 533, 800 oder 1066 MHz verwenden. Ein 2,8 GHz Pentium 4 mit einer Host-Bus-Geschwindigkeit von 800 MHz ist geringfügig schneller als ein Pentium 4/2.8 mit einer 533 MHz Host-Bus-Geschwindigkeit, der wiederum geringfügig schneller ist als ein Pentium 4/2.8 mit einer 400 MHz Host-Bus-Geschwindigkeit. Ein Maß, das Intel zur Differenzierung seiner günstigeren Celeron-Prozessoren verwendet, ist eine reduzierte Host-Bus-Geschwindigkeit im Vergleich zu aktuellen Pentium 4-Modellen. Celeron-Modelle verwenden 400 MHz und 533 MHz Host-Bus-Geschwindigkeiten.

Alle AMD-Prozessoren für Socket 754 und Socket 939 verwenden eine 800 MHz Host-Bus-Geschwindigkeit. (Tatsächlich lässt AMD den Host-Bus wie Intel mit 200 MHz laufen, „quad-pumpt“ ihn aber auf effektive 800 MHz.) Sempron-Prozessoren für Socket A verwenden einen 166 MHz Host-Bus, der auf eine effektive 333 MHz Host-Bus-Geschwindigkeit „double-pumped“ wird.

Prozessoren verwenden zwei Arten von Cache-Speicher, um die Leistung durch das Puffern von Übertragungen zwischen dem Prozessor und dem relativ langsamen Hauptspeicher zu verbessern. Die Größe des Layer-1-Cache (L1-Cache, auch Level-1-Cache genannt), ist eine Eigenschaft der Prozessorarchitektur, die nicht geändert werden kann, ohne den Prozessor neu zu entwickeln. Der Layer-2-Cache (Level-2-Cache oder L2-Cache) befindet sich jedoch außerhalb des Prozessorkerns, was bedeutet, dass Prozessorhersteller denselben Prozessor mit unterschiedlichen L2-Cache-Größen produzieren können. Verschiedene Modelle von Pentium 4-Prozessoren sind beispielsweise mit 512 KB, 1 MB oder 2 MB L2-Cache erhältlich, und verschiedene AMD Sempron-Modelle sind mit 128 KB, 256 KB oder 512 KB L2-Cache erhältlich.

Für einige Anwendungen – insbesondere solche, die mit kleinen Datensätzen arbeiten – erhöht ein größerer L2-Cache die Prozessorleistung spürbar, vor allem bei Intel-Modellen. (AMD-Prozessoren verfügen über einen integrierten Speichercontroller, der die Vorteile eines größeren L2-Cache bis zu einem gewissen Grad kaschiert.) Für Anwendungen, die mit großen Datensätzen arbeiten, bietet ein größerer L2-Cache nur einen geringen Vorteil.

'''Prescott, die traurige Ausnahme'''

Es war für alle ein Schock – nicht zuletzt für Intel –, als man bei der Migration der Pentium 4-Prozessoren vom älteren 130 nm Northwood-Kern zum neueren 90 nm Prescott-Kern feststellte, dass Stromverbrauch und Wärmeentwicklung in die Höhe schossen. Dies geschah, weil Prescott keine einfache Verkleinerung (die shrink) des Northwood war. Stattdessen hat Intel den Northwood-Kern komplett neu gestaltet, Funktionen wie SSE3 hinzugefügt und enorme Änderungen an der grundlegenden Architektur vorgenommen. (Wir dachten damals, diese Änderungen seien ausreichend, um den Prozessor mit Prescott-Kern Pentium 5 zu nennen, was Intel nicht tat.) Leider führten diese dramatischen Änderungen in der Architektur zu ebenso dramatischen Anstiegen bei Stromverbrauch und Wärmeentwicklung, was den Vorteil zunichtemachte, der von der Reduzierung der Prozessgröße erwartet wurde.

Die Prozessgröße, auch Fertigungsgröße (fab size) genannt, wird in Nanometern (nm) angegeben und definiert die Größe der kleinsten einzelnen Elemente auf einem Prozessor-Die. AMD und Intel versuchen ständig, die Prozessgröße zu reduzieren (was als Die-Shrink bezeichnet wird), um mehr Prozessoren aus jedem Silizium-Wafer zu erhalten und so ihre Kosten für die Herstellung jedes Prozessors zu senken. Pentium II- und frühe Athlon-Prozessoren verwendeten einen 350- oder 250-nm-Prozess. Pentium III- und einige Athlon-Prozessoren verwendeten einen 180-nm-Prozess. Neuere AMD- und Intel-Prozessoren verwenden einen 130- oder 90-nm-Prozess, und kommende Prozessoren werden einen 65-nm-Prozess verwenden.

Die Prozessgröße ist wichtig, weil ein Prozessor, der eine kleinere Prozessgröße verwendet, bei sonst gleichen Bedingungen schneller laufen, mit niedrigerer Spannung arbeiten, weniger Strom verbrauchen und weniger Wärme erzeugen kann. Prozessoren, die zu einem bestimmten Zeitpunkt verfügbar sind, verwenden oft unterschiedliche Fertigungsgrößen. So verkaufte Intel beispielsweise zeitweise Pentium 4-Prozessoren, die die 180-, 130- und 90-nm-Prozessgrößen verwendeten, und AMD verkaufte gleichzeitig Athlon-Prozessoren, die die 250-, 180- und 130-nm-Fertigungsgrößen verwendeten. Wenn du einen Upgrade-Prozessor auswählst, gib einem Prozessor mit einer kleineren Fertigungsgröße den Vorzug.

Verschiedene Prozessormodelle unterstützen unterschiedliche Funktionssätze, von denen einige für dich wichtig sein können und andere keine Rolle spielen. Hier sind fünf potenziell wichtige Funktionen, die bei einigen, aber nicht allen aktuellen Prozessoren verfügbar sind. Alle diese Funktionen werden von neueren Versionen von Windows und Linux unterstützt:

SSE3 (Streaming Single-Instruction-Multiple-Data (SIMD) Extensions 3), das von Intel entwickelt wurde und heute auf den meisten Intel-Prozessoren und einigen AMD-Prozessoren verfügbar ist, ist ein erweiterter Befehlssatz, der die Verarbeitung bestimmter Datentypen beschleunigen soll, die häufig bei der Videoverarbeitung und anderen Multimedia-Anwendungen vorkommen. Eine Anwendung, die SSE3 unterstützt, kann auf einem Prozessor, der ebenfalls SSE3 unterstützt, zwischen 10 % oder 15 % bis zu 100 % schneller laufen als auf einem Prozessor, der dies nicht tut.

Bis vor kurzem arbeiteten alle PC-Prozessoren mit 32-Bit internen Datenpfaden. Im Jahr 2004 führte AMD mit seinen Athlon 64-Prozessoren die 64-Bit-Unterstützung ein. Offiziell nennt AMD diese Funktion x86-64, aber die meisten Leute nennen sie AMD64. Entscheidend ist, dass AMD64-Prozessoren abwärtskompatibel zu 32-Bit-Software sind und diese Software genauso effizient ausführen wie 64-Bit-Software. Intel, das seine eigene 64-Bit-Architektur propagiert hatte, die nur eine begrenzte 32-Bit-Kompatibilität aufwies, war gezwungen, seine eigene Version von x86-64 einzuführen, die es EM64T (Extended Memory 64-bit Technology) nennt. Im Moment ist die 64-Bit-Unterstützung für die meisten Leute unwichtig. Microsoft bietet eine 64-Bit-Version von Windows XP an und die meisten Linux-Distributionen unterstützen 64-Bit-Prozessoren, aber bis 64-Bit-Anwendungen weiter verbreitet sind, gibt es kaum einen praktischen Nutzen für den Betrieb eines 64-Bit-Prozessors auf einem Desktop-Computer. Das könnte sich ändern, wenn Microsoft (endlich) Windows Vista ausliefert, das die 64-Bit-Unterstützung nutzen wird und wahrscheinlich viele 64-Bit-Anwendungen hervorbringen wird.

Mit dem Athlon 64 führte AMD die NX (No eXecute)-Technologie ein, und Intel folgte bald mit seiner XDB (eXecute Disable Bit)-Technologie. NX und XDB dienen dem gleichen Zweck und ermöglichen es dem Prozessor zu bestimmen, welche Speicheradressbereiche ausführbar und welche nicht ausführbar sind. Wenn Code, wie etwa ein Pufferüberlauf-Exploit, versucht, in einem nicht ausführbaren Speicherbereich zu laufen, gibt der Prozessor einen Fehler an das Betriebssystem zurück. NX und XDB haben ein großes Potenzial, den Schaden durch Viren, Würmer, Trojaner und ähnliche Exploits zu reduzieren, erfordern jedoch ein Betriebssystem, das die geschützte Ausführung unterstützt, wie zum Beispiel Windows XP mit Service Pack 2.

AMD und Intel bieten beide in einigen ihrer Prozessormodelle Stromspartechnologien an. In beiden Fällen wurde Technologie, die in mobilen Prozessoren verwendet wird, auf Desktop-Prozessoren migriert, deren Stromverbrauch und Wärmeentwicklung problematisch geworden sind. Im Wesentlichen arbeiten diese Technologien durch Reduzierung der Prozessorgeschwindigkeit (und damit des Stromverbrauchs und der Wärmeentwicklung), wenn der Prozessor im Leerlauf ist oder nur geringfügig ausgelastet wird. Intel bezeichnet seine Stromspartechnologie als EIST (Enhanced Intel Speedstep Technology). Die AMD-Version heißt Cool'n'Quiet. Beide können geringfügige, aber nützliche Reduzierungen bei Stromverbrauch, Wärmeentwicklung und Systemgeräuschpegel bewirken.

Bis 2005 erreichten sowohl AMD als auch Intel die praktischen Grenzen dessen, was mit einem einzelnen Prozessorkern möglich war. Die naheliegende Lösung bestand darin, zwei Prozessorkerne in einem Prozessorgehäuse unterzubringen. Wieder einmal war AMD mit seiner eleganten Serie von Athlon 64 X2-Prozessoren führend, die zwei eng integrierte Athlon 64-Kerne auf einem Chip vereinen. Intel, das wieder einmal gezwungen war, aufzuholen, biss die Zähne zusammen und zimmerte einen Dual-Core-Prozessor zusammen, den es Pentium D nennt. Die durchdachte AMD-Lösung hat mehrere Vorteile, einschließlich hoher Leistung und Kompatibilität mit fast jedem älteren Motherboard für Socket 939. Die hastig zusammengeschusterte Intel-Lösung, die im Grunde darauf hinauslief, zwei Pentium 4-Kerne auf einen Chip zu kleben, ohne sie zu integrieren, führte zu zwei Kompromissen. Erstens sind Intel-Dual-Core-Prozessoren nicht abwärtskompatibel zu früheren Motherboards und erfordern daher einen neuen Chipsatz und eine neue Serie von Motherboards. Zweitens ist der Stromverbrauch und die Wärmeentwicklung extrem hoch, weil Intel mehr oder weniger einfach zwei ihrer vorhandenen Kerne auf ein Prozessorgehäuse geklebt hat. Das bedeutet, dass Intel die Taktfrequenz von Pentium D-Prozessoren im Vergleich zu den schnellsten Single-Core Pentium 4-Modellen reduzieren musste.

All das gesagt, ist der Athlon 64 X2 keineswegs ein klarer Sieger, denn Intel war schlau genug, den Pentium D attraktiv zu bepreisen. Die günstigsten Athlon X2-Prozessoren kosten mehr als das Doppelte der günstigsten Pentium D-Prozessoren. Obwohl die Preise zweifellos fallen werden, erwarten wir nicht, dass sich der Preisunterschied stark ändern wird. Intel hat Produktionskapazitäten im Überfluss, während AMD in seiner Fähigkeit, Prozessoren herzustellen, sehr begrenzt ist, daher ist es wahrscheinlich, dass AMD-Dual-Core-Prozessoren auf absehbare Zeit hochpreisig sein werden. Leider bedeutet das, dass Dual-Core-Prozessoren für die meisten Menschen keine vernünftige Upgrade-Option sind. Intel-Dual-Core-Prozessoren sind preisgünstig, erfordern aber den Austausch des Motherboards. AMD-Dual-Core-Prozessoren können ein vorhandenes Socket 939-Motherboard verwenden, aber die Prozessoren selbst sind zu teuer, um für die meisten Leute, die ein Upgrade durchführen wollen, eine praktikable Option zu sein.

'''HYPER-THREADING VERSUS DUAL-CORE'''

Einige Intel-Prozessoren unterstützen die ''Hyper-Threading-Technologie (HTT)'', die es diesen Prozessoren ermöglicht, zwei Programm-Threads gleichzeitig auszuführen. Programme, die für die Nutzung von HTT entwickelt wurden, können auf einem HTT-fähigen Prozessor 10 % bis 30 % schneller laufen als auf einem ähnlichen Modell ohne HTT. (Es ist auch wahr, dass einige Programme mit aktiviertem HTT langsamer laufen als mit deaktiviertem.) Verwechsle HTT nicht mit Dual-Core. Ein HTT-Prozessor hat einen Kern, der manchmal mehrere Threads ausführen kann; ein Dual-Core-Prozessor hat zwei Kerne, die immer mehrere Threads ausführen können.

Der Prozessorkern definiert die grundlegende Prozessorarchitektur. Ein Prozessor, der unter einem bestimmten Namen verkauft wird, kann einen von mehreren Kernen verwenden. Zum Beispiel verwendeten die ersten Intel Pentium 4-Prozessoren den Willamette-Kern. Spätere Pentium 4-Varianten haben den Northwood-Kern, Prescott-Kern, Gallatin-Kern, Prestonia-Kern und Prescott 2M-Kern verwendet. Ähnlich wurden verschiedene Athlon 64-Modelle unter Verwendung des Clawhammer-Kerns, Sledgehammer-Kerns, Newcastle-Kerns, Winchester-Kerns, Venice-Kerns, San Diego-Kerns, Manchester-Kerns und Toledo-Kerns hergestellt.

Die Verwendung eines Kernnamens ist eine bequeme Kurzform, um zahlreiche Prozessoreigenschaften kurz anzugeben. Zum Beispiel verwendet der Clawhammer-Kern den 130-nm-Prozess, einen 1.024 KB L2-Cache und unterstützt die NX- und X86-64-Funktionen, aber nicht SSE3 oder den Dual-Core-Betrieb. Umgekehrt verwendet der Manchester-Kern den 90-nm-Prozess, einen 512 KB L2-Cache und unterstützt die SSE3-, X86-64-, NX- und Dual-Core-Funktionen.

Du kannst dir den Namen des Prozessorkerns wie eine Hauptversionsnummer eines Softwareprogramms vorstellen. Genau wie Softwareunternehmen häufig kleine Updates veröffentlichen, ohne die Hauptversionsnummer zu ändern, nehmen AMD und Intel häufig kleine Aktualisierungen an ihren Kernen vor, ohne den Kernnamen zu ändern. Diese kleinen Änderungen werden Kern-Steppings genannt. Es ist wichtig, die Grundlagen der Kernnamen zu verstehen, da der Kern, den ein Prozessor verwendet, seine Abwärtskompatibilität mit deinem Motherboard bestimmen kann. Steppings sind in der Regel weniger bedeutsam, obwohl es sich auch lohnt, ihnen Beachtung zu schenken. Ein bestimmter Kern kann zum Beispiel in B2- und C0-Steppings erhältlich sein. Das spätere C0-Stepping kann Fehlerbehebungen enthalten, kühler laufen oder andere Vorteile gegenüber dem früheren Stepping bieten. Das Kern-Stepping ist auch kritisch, wenn du einen zweiten Prozessor auf einem Dual-Prozessor-Motherboard installierst. (Das heißt, ein Motherboard mit zwei Prozessoranschlüssen, im Gegensatz zu einem Dual-Core-Prozessor auf einem Single-Socket-Motherboard.) Mische niemals, niemals Kerne oder Steppings auf einem Dual-Prozessor-Motherboard – das führt in den Wahnsinn (oder vielleicht einfach nur zur Katastrophe).

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