Moderne Prozessoren glänzen durch hohe Taktraten, aber der Datendurchsatz hinkt hinterher Mehr Leistung statt mehr Megahertz

Obwohl Rechner heute mit der 1500-fachen Geschwindigkeit getaktet werden, empfindet der Anwender sie immer noch als zu langsam. Neue Konzepte sollen bei gleicher Taktrate den Datendurchsatz erhöhen.

hiz DÜSSELDORF. Das Herz heutiger Arbeitsplatzrechner sind Prozessoren, die mit Taktraten um drei Gigahertz arbeiten. Das ist 1 500-mal schneller als die ersten PCs, die gerade mal mit zwei Megahertz getaktet wurden. Die Taktrate beschreibt, wie schnell ein Prozessor einen internen Befehl, Instruktion genannt, verarbeitet. Bei diesem gigantischen Tempozuwachs fragt man sich, warum die Rechner immer noch zu langsam sind. Zwei Ursachen sind dafür verantwortlich. Zum einen leisten Betriebssysteme und Programme ein Vielfaches von dem was zu DOS-Zeiten üblich war. Der andere Grund liegt darin das die anderen Komponenten in den Rechnern nicht die gleiche Leistungssteigerung erlebt haben wir die Prozessoren. Entwickler von Sun Microsystems schätzen, dass sie 75 Prozent der Zeit auf die Antwort externer Bausteine warten. Instruktionen ausführen bedeutet Daten mit Rechen- oder Vergleichsoperationen miteinander zu Verknüpfen. Diese Daten liegen üblicherweise im Arbeitsspeicher. Zur Verarbeitung fordert der Prozessor diese an und wartet bis alles bereit ist, bevor er den eigentlichen Rechenvorgang abschließen kann. Da die Speicherchips viel langsamer sind als der Prozessor, verlangsamen diese Wartezeiten den Datendurchsatz.

Den Chipentwicklern sind diese Tatsachen natürlich bekannt. Deswegen gehen sie neue Wege. Die einzige Stelle, an der in einem Computer festgestellt werden kann, ob der Prozessor in Wartestellung ist, ist im Prozessor selbst. Hier setzen die neun Überlegungen an. Intel nennt das Konzept Hyper-Threading-Technologie. Hierbei wird dem Betriebsystem vorgegaukelt, es hätte zwei Prozessoren zur Verfügung. Da in einem Rechner immer mehrere Prozesse, so genannte Threads, parallel ablaufen, werden diese auf die zwei virtuellen Prozessoren verteilt. In der Realität schaltet der Chip in den Wartezeiten auf den andern Thread um. Nach Angaben des Herstellers wird bei gleicher Taktrate ein etwa 30 Prozent höherer Durchsatz erreicht.

Einen Schritt weiter geht Sun bei den eignen Sparc-Prozessoren. Ziel der Entwickler ist es nicht nur zwei sondern beliebig viele Recheneinheiten zu emulieren. Beim Chip Multithreading (CMT) werden nicht nur die Prozessoren für die schnelle Durchführung einzelner Instruktionen optimiert sondern für das gleichzeitige Ausführen dutzender von Threads. Während der eine auf Daten aus dem Speicher wartet, startet der CMT-Prozessor einfach einen anderen Thread. Während die ersten UltraSPARC IV Prozessoren den Durchsatz um Faktor 2 bis 4 steigern werden, soll in 2005 oder 2006 die nächste Generation auf den Markt kommen, die den 30-fachen Durchsatz der aktuellen Prozessorfamilie haben. Sun hat hier den Vorteil, dass das eigene Betriebssystem Solaris auf Unix basiert und deswegen leicht in Multithreading-Umgebungen eingesetzt werden kann.

Sinnvoll sind diese Architekturen vor allem in den zentralen Servern. In diesen Rechnern laufen die zahllosen Anfragen aus dem Internet auf, hier müssen die Datenbankabfragen bearbeitet werden. Diese Transaktionen sind zwar in der Regel recht einfach zu bearbeiten, aber es ist die Vielzahl, die in einer Maschine gleichzeitig anfallen. Durch Multithreading kann hier die von den Entwicklern prognostizierte Erhöhung des Datendurchsatzes erreicht werden.

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