Computerhardware: Prozessor: Tendenzen

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Wir erwarten von der Halbleiterindustrie, dass unsere Computer leistungsfähiger werden. Welche Wege gibt es, um dieses Ziel zu erreichen?

[Bearbeiten] Größere Verarbeitungsbreite

Die Intel 8088 CPU konnte mit 8-Bit-Zahlen rechnen, der i8086 mit 16-Bit-Zahlen. Seit dem i80386 können die CPUs 32-Bit-Zahlen verarbeiten. Das bedeutet, dass Zahlen bis 4.294.967.296 (2³²) für die CPU zum „kleinen Einmaleins“ gehören und in einem einzigen Takt verarbeitet werden. Seit 2006 gibt es erste 64-Bit-CPUs, die hauptsächlich in Servern und Hochleistungs-PCs eingesetzt werden. Das bedeutet, dass Zahlen bis 18.446.744.073.709.551.616 (18 Trilliarden) in einem einzigen Takt verarbeitet werden können.

[Bearbeiten] Kleinere Strukturen

Der Pentium III und die ersten Pentium 4 wurden in 0,13 Mikrometer-Struktur (130 Nanometer) hergestellt. Als Strukturbreite wird der halbe Abstand zweier Leiterbahnen bezeichnet. Kleinere Strukturen bringen drei Vorteile:

• Es passen mehr Transistoren auf die Chipfläche
• Kleinere Transistoren kommen mit einer kleineren Versorgungsspannung aus. Pro Transistor wird weniger Energie gebraucht.
• Die Schaltungen werden schneller, weil die Entfernungen zwischen den Transistoren kürzer werden (denn schneller als das Licht ist der Strom nicht).

Zum Vergleich: Die meisten Viruszellen haben einen Durchmesser von 20 bis 80 nm.

Jahr/Monat	1980	1999-12	2001	2003-10	2005-12	2007-11	2009-03	2011
Bezeichnung des Kerns	i8086	Coppermine		Dotham	Presler	Penryn	Nehalem
Strukturbreite (Nanometer)	3000	180	130	90	65	45	32	22

Beispiel

Eine Verkleinerung der Struktur von 65 auf 45 nm bedeutet, dass jeder Transistor nur noch etwa die halbe Fläche einnimmt (45² / 65² = 48%). Deshalb hat Intel beim Dual-Core-Penryn Platz gefunden, den L2-Cache von 4 auf 6 MByte zu vergrößern und außerdem 47 neue SSE4-Befehle hinzufügen. Durch den geringeren Strombedarf kann die Taktfrequenz erhöht werden: Sie wird mehr als 3 GHz betragen und der FSE-Takt wird bei 1600 MHz liegen.

[Bearbeiten] Mehr Transistoren

In den vergangenen Jahrzehnten konnte die Zahl der Transistoren in der CPU durchschnittlich alle zwei Jahre verdoppelt werden. Im Jahr 2008 passen etwa eine Milliarde Transistoren in ein CPU-Gehäuse. Was kann man mit so vielen Transistoren anfangen?

• Es soll neue Spezialfunktionen geben. In den vergangenen Jahren wurden den CPUs Spezialbefehle für Multimedia-Anwendungen (MMX und SSE) hinzugefügt. Gegenwärtig besteht ein hoher Bedarf an Spezialbefehlen für Kryptografie (Verschlüsselung).
• Java gewinnt an Bedeutung. Java-Befehle sollen künftig direkt, ohne vorherige Übersetzung, von den Intel-CPUs ausgeführt werden können.
• Der Cache-Speicher soll stark vergrößert werden.
• Spezielle Schaltungen sollen zukünftig weit vorausschauend „erraten“, welche Daten aus dem Arbeitsspeicher benötigt werden könnten (Speculative Precomputation). Wenn der Speicherbus wenig beschäftigt ist, werden diese Daten auf Vorrat geholt.

[Bearbeiten] Mehr Kerne

Im Februar 2009 stellte Intel den ersten Xeon-Prozessor mit acht Kernen und 16 Threads vor. Er wird in 45-nm-Struktur gefertigt, 2010 soll die 32-nm-Version folgen. Es gibt neue Stromsparfunktionen. Je nach Auslastung kann für jeden Kern die Versorgungsspannung erhöht oder verringert werden, unbenutzte Kerne können sogar komplett abgeschaltet werden. ^[1]

[Bearbeiten] Hot Spots beseitigen

Hot Spots heißen die winzigen Stellen der CPU, wo die Temperatur besonders hoch ist, hervorgerufen durch hochbelastete Funktionseinheiten. Sie begrenzen die Taktfrequenz, denn je höher der Takt, desto mehr Wärme entsteht. Wenn man mehrere dieser heißlaufenden Funktionseinheiten auf dem Chip verteilen kann und sie abwechselnd benutzt, verteilt sich die Wärme und der Takt kann erhöht werden.

[Bearbeiten] Optische Datenleitungen

Im Dezember 2008 hat Intel mit der Fertigung in 32 nm Technologie begonnen ^[2]. Noch kleinere Strukturen als 32 Nanometer sind problematisch. Noch dünner dürfen die Leitungen kaum werden, sonst wird der Elektronentransport zu langsam. Optische Datenleitungen wären der Ausweg. Die Lichtblitze sollen mit Miniaturlasern erzeugt werden. Noch sind die Laser zu groß.