CPU-Vergleich für die Industrie

Ein Befehlssatz bezeichnet die Gruppe von Befehlen für eine Zentraleinheit (CPU) in Maschinensprache. Der Begriff kann sich entweder auf alle möglichen Anweisungen für eine CPU oder auf einen Teil der Anweisungen für die CPU selbst beziehen.

Obwohl es theoretisch drei Arten von Befehlssätzen gibt, werden in den heutigen Systemen nur zwei verwendet:

• RISC-Architekturen (Reduced Instruction Set Computing) verwenden Laden und Speichern (z. B. SPARC, MIPS, Alpha AXP, PowerPC)
• CISC-Architekturen (Complex Instruction Computing) verwenden Register und Speicher (z. B. x86, MC68000).

Die Anzahl der Befehle hängt von der Leistungsfähigkeit des Befehlssatzes ab, der unterschiedlich viel Arbeit in einem einzigen Befehl erledigen kann. Die Befehle eines CISC-Mikroprozessors leisten zum Beispiel so viel Arbeit wie zwei oder drei Befehle eines RISC-Mikroprozessors.

Um die Leistung einer Anwendung zu messen, kann man die durchschnittliche Anzahl der für die Ausführung eines Befehls erforderlichen Zyklen betrachten. Diese Zahl gibt den Umfang der Latenzzeit im System an und kann ein gültiges Maß für die Leistung einer Anwendung sein.

Die Ausführungsgeschwindigkeit einer CPU wird anhand der Anzahl der Zyklen pro Befehl (CIP) pro Sekunde berechnet. Diese Frequenz wird in Hertz angegeben. Heutzutage sind CPUs in der Lage, Milliarden von CIPs pro Sekunde auszuführen, daher wird die Geschwindigkeit in Gigahertz (GHz) angegeben.

Zu berücksichtigen ist auch, dass die Zyklen pro Anweisung (CPI) ein Verhältnis von zwei Werten sind (verbrauchte CPU-Zyklen geteilt durch die Anzahl der ausgeführten Anweisungen). Daher ist es wichtig, bei jeder Vergleichsanalyse einen der Werte konstant zu halten. 

Die Rechenleistung bezieht sich auf die Anzahl der Befehle, die von einem Computer in einer Sekunde ausgeführt werden können, normalerweise ausgedrückt in Millionen von Befehlen pro Sekunde.

Trotz ihrer geringen Größe befinden sich im Inneren der CPU verschiedene Komponenten. Die Kerne sind das Herzstück des Mikroprozessors, die Einheiten, die für die Interpretation und Ausführung des Codes der Programme, die auf unserem Gerät laufen, verantwortlich sind. Während CPUs in der Anfangszeit nur einen Kern hatten (Single-Core-CPU) und daher nur eine Operation zur gleichen Zeit ausführen konnten, hat die fortschreitende Miniaturisierung der Computertechnologie dazu geführt, dass mehr als ein Kern in eine einzige CPU eingebaut werden kann (Multicore-CPU). Ein Mikroprozessor mit mehr als einem Kern ist in der Lage, mehr als einen Strom von Operationen parallel auszuführen. Die große Neuerung, die Multicore-Mikroprozessoren mit sich bringen, besteht also nicht in der Erhöhung der Ausführungsgeschwindigkeit eines Stroms von Operationen, sondern in der Möglichkeit der Parallelisierung und der gleichzeitigen Ausführung von mehr als einem Strom von Operationen.

An dieser Stelle kann ein einfaches, praktisches Beispiel helfen, den Punkt zu verdeutlichen. Bei einer virtuellen Arbeitssitzung über das Internet muss die CPU etwa die Ausführung des Audio-/Videoprogramms verwalten. Wenn wir während der Besprechung eine andere Software für Notizen verwenden, muss die CPU beide Programme verwalten. Eine Einkern-CPU wäre dann gezwungen, einen Weg zu finden, die Lastverteilung zu optimieren, während eine CPU mit mehreren Kernen die Arbeit auf zwei verschiedene Kerne verteilen kann. Auf diese Weise wird nicht jeder der beiden Kerne ständig unterbrochen, um die Ausführung des anderen Programms zu gewährleisten.

Eine andere Möglichkeit, die Rechenleistung zu definieren, ist die Taktfrequenz. Bei CPUs werden hauptsächlich zwei Variablen zur Bewertung ihrer Leistung herangezogen: die Gesamtzahl der Berechnungen pro Sekunde und die Anzahl der Prozessorzyklen in einer Sekunde (Taktrate in GHz). Jeder Prozessorkern führt eine bestimmte Anzahl von Berechnungen pro Sekunde durch; die Gesamtzahl der Berechnungen ist also die Summe. Wenn alle Kerne mit der gleichen Geschwindigkeit arbeiten, bleibt die Gesamt-Taktfrequenz des Mikroprozessors unabhängig von der Anzahl der aktiven Kerne gleich.

Wir kommen zu dem Schluss, dass ein Quad-Core-Mikroprozessor, der mit 2 GHz läuft, niemals so schnell sein wird wie ein Single-Core-Mikroprozessor, der mit 5 GHz läuft: Das ist zwar technisch korrekt, aber in Wirklichkeit ändert sich die Art der Tätigkeit, die in diesem Computer zu einem bestimmten Zeitpunkt ausgeführt wird.

Moderne Mikroprozessoren basieren auf der 64-Bit-Architektur, die es ermöglicht, doppelt so viele Daten im Speicher abzulegen wie die vorherige Architektur, die 32-Bit-Architektur.

Wenn ein Mikroprozessor mathematische Operationen mit dem 64-Bit-System durchführt, können die Zahlen wesentlich größer und genauer sein, und es werden viel weniger Anweisungen für die Berechnungen benötigt. In der Praxis führt dies zu einer Beschleunigung der Software-Ausführung um bis zu 40 Prozent.

Während die 64-Bit-Architektur die historische 32-Bit-Architektur ersetzt, gibt es bereits Überlegungen zur Entwicklung von 128-Bit-Mikroprozessoren, die in naher Zukunft in Betriebssystemen eingesetzt werden sollen.

Die Gebäudeautomatisierung hat in letzter Zeit dank preiswerter Geräte wie Raspberry Pi und Arduino ein rasantes Wachstum erlebt. Ferner sind neue ‘Form Factors’, neue Computermodelle wie Mini-PCs und NAS (Network Access Server) entstanden. Diese ermöglichen es nicht nur, Geräte wie Rollläden, Klimaanlagen, Leuchten, Radios, Schlösser usw. anzuschließen, zu koordinieren und zu überwachen, sondern auch über Anwendungen direkt mit ihnen zu interagieren.

Um zu verstehen, welche Hardware zu verwenden ist, muss man zunächst seine Bedürfnisse kennen. Wenn der Bedarf primär im Bereich der Heimassistenten liegt, empfiehlt es sich, eine preisgünstige Lösung wie den Raspberry Pi zu wählen. Klein, preiswert, stromsparend, zuverlässig.

Will man hingegen sehr viel leistungsintensivere Server-Anwendungen realisieren, dann ist ein Mini-PC eine gute Wahl, ohne sich jedoch in elitäre Lösungen mit unverhältnismäßig hohen Kosten zu stürzen, denn die vom Rechner geforderte Leistung ist nicht stratosphärisch.

Das Gleiche gilt für NAS. Wenn Netzwerkspeicher benötigt werden, z. B. in großen Unternehmen, dann sind NAS sicherlich eine gute Option. Wenn auch leistungsstarke Systeme benötigt werden, muss in eher teure NAS investiert werden, d. h. in solche mit ausreichend leistungsstarker Hardware und CPU.

Ein Mikroprozessor ist die zentrale Einheit des Computers, die alle mathematischen Berechnungen zur Datenverarbeitung durchführt. Im Allgemeinen gilt: Je leistungsfähiger die CPU, desto besser die Leistung. Fast alle heutigen Prozessoren sind in mehrere Cores unterteilt, die parallel arbeiten können und somit die Durchführung mehrerer Berechnungen ermöglichen.  

Finden Sie in diesem Leitfaden heraus, welche Aspekte eines Mikroprozessors Sie bei der Auswahl Ihrer nächsten IT-Lösung berücksichtigen sollten. Sie begeistern sich für solche Themen? Dann werden Sie Teil unserer DesingSpark-Community.