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Ein Multi-Core-Prozessor ist ein integrierter Schaltkreis, an den zwei oder mehr Prozessoren angeschlossen sind, um mehrere Aufgaben schneller gleichzeitig abzuarbeiten, den Stromverbrauch zu senken und eine höhere Leistung zu erzielen. Im Allgemeinen besteht es aus zwei oder mehr Prozessoren, die Programmanweisungen lesen und ausführen.

Mit anderen Worten: Auf einem einzigen Chip umfasst ein Mehrkernprozessor zahlreiche Verarbeitungseinheiten oder „Kerne“, von denen jede das Potenzial hat, unterschiedliche Aufgaben zu erledigen. Wenn Sie beispielsweise viele Aufgaben gleichzeitig ausführen, wie zum Beispiel einen Film ansehen und WhatsApp verwenden, übernimmt ein Kern Aktivitäten wie das Ansehen eines Films, während der andere andere Aufgaben wie WhatsApp übernimmt.

Eine Dual-Core-Konfiguration ist vergleichbar mit der Installation mehrerer verschiedener Prozessoren auf demselben Computer, die Verbindung zwischen ihnen ist jedoch schneller, da die beiden CPUs in denselben Sockel gesteckt werden. Mehrere Befehle können von einzelnen Kernen parallel ausgeführt werden, wodurch die Geschwindigkeit von Software erhöht wird, die zur Nutzung der einzigartigen Funktionen der Architektur entwickelt wurde.

Im Vergleich zu einem Single-Core-Prozessor ist ein Dual-Core-Prozessor im Idealfall normalerweise doppelt so leistungsstark. Tatsächlich werden Leistungssteigerungen von etwa 50 % erwartet: Eine Dual-Core-CPU ist etwa 1,5-mal so leistungsstark wie ein Single-Core-Prozessor.

Da Single-Core-Prozessoren an ihre physikalischen Grenzen in Bezug auf Komplexität und Geschwindigkeit stoßen, wird Multi-Core-Computing immer beliebter. Heutzutage sind die meisten Systeme mehrkernig. Many-Core- oder Massively-Multi-Core-Systeme beziehen sich auf Systeme mit einer großen Anzahl von CPU-Kernen, beispielsweise Dutzenden oder Hunderten.

Anfang der 2000er Jahre brachten Intel und AMD die ersten Multicore-Prozessoren auf den Markt. Heutzutage gibt es CPUs mit zwei („Dual-Core“), vier („Quad-Core“), sechs („Hexa-Core“) und acht („Octa-Core“) Kernen („Octo-Core“). ). FPGA-basierte Prozessoren enthalten bis zu 100 physische Kerne und 1000 effektive unabhängige Kerne (Field Programmable Gate Arrays).

Architektur des Multicore-Prozessors

Das Design eines Mehrkernprozessors ermöglicht die Kommunikation zwischen allen verfügbaren Kernen und teilt alle Verarbeitungsaufgaben entsprechend auf. Die verarbeiteten Daten von jedem Kern werden über ein einziges gemeinsames Gateway zurück an die Hauptplatine (Motherboard) des Computers übertragen, sobald alle Verarbeitungsvorgänge abgeschlossen sind. Diese Methode übertrifft eine Single-Core-CPU hinsichtlich der Gesamtleistung.

Vorteile des Multi-Core-Prozessors

Multicore-Prozessoren haben eine Reihe von Vorteilen (Vorteilen), darunter:

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Leistung

Eine Multi-Core-CPU kann von Natur aus mehr Arbeit leisten als ein Single-Core-Prozessor. Der Abstand zwischen den Kernen eines integrierten Schaltkreises ermöglicht schnellere Taktraten. Dadurch müssen die Signale keine große Distanz zurücklegen, um ihr Ziel zu erreichen, und sind zudem dauerhaft. Im Vergleich zur Verwendung eines separaten Prozessors sind die Geschwindigkeiten deutlich höher.

Zuverlässigkeit

Bei Multicore-CPUs ist die Software immer unterschiedlichen Kernen zugeordnet. Wenn eine Software ausfällt, bleiben die anderen davon unberührt. Tritt ein Defekt auf, betrifft dieser nur einen Kern. Dadurch sind Multicore-CPUs fehlerresistenter.

Software-Interaktionen

Auch wenn die Software auf mehreren Kernen läuft, kommuniziert sie miteinander. Räumliche und zeitliche Isolation ist ein Prozess, den ein Mehrkernprozessor durchläuft. Kernthreads werden durch diese Prozesse niemals verzögert.

Multitasking

Ein Betriebssystem kann eine Multi-Core-CPU verwenden, um zwei oder mehr Prozesse gleichzeitig auszuführen, auch wenn möglicherweise viele Programme gleichzeitig ausgeführt werden. Mit einer Photoshop-Anwendung können beispielsweise zwei Aufgaben gleichzeitig ausgeführt werden.

Energieverbrauch

Multitasking mit einer Multi-Core-CPU benötigt hingegen weniger Strom. Es wird nur der Teil der CPU genutzt, der Wärme erzeugt. Der Stromverbrauch wird schließlich minimiert, was zu einer geringeren Batterieauslastung führt. Manche Betriebssysteme hingegen benötigen im Vergleich zu anderen mehr Ressourcen.

Vermeidung von Obsoleszenz

Durch den Einsatz von Multicore-CPUs können Architekten eine Veralterung der Technologie vermeiden und die Wartbarkeit verbessern. Chiphersteller nutzen die neuesten technologischen Fortschritte in ihren Multicore-CPUs. Single-Core-Chips werden mit zunehmender Kernanzahl immer schwieriger zu bekommen.

Isolierung

Multicore-Prozessoren können im Vergleich zu Single-Core-Systemen die geografische und zeitliche Isolation erhöhen (garantieren dies jedoch nicht). Software auf einem Kern hat weniger Auswirkungen auf Software auf dem anderen, wenn beide Kerne auf demselben Einzelkern ausgeführt werden. Diese Entkopplung erfolgt aufgrund der geografischen und zeitlichen Isolation (Threads auf einem Kern werden nicht durch Threads auf einem anderen Kern verzögert). Durch die Begrenzung der Auswirkungen von Fehlern auf einen einzelnen Kern kann die Multicore-Verarbeitung die Robustheit erhöhen. Bei der separaten Ausführung von Programmen mit gemischter Kritikalität ist diese verbesserte Isolation sehr wichtig (sicherheitskritisch, geschäftskritisch und sicherheitskritisch).

Einige weitere wichtige Vorteile des Multicore-Prozessors:

• Im Vergleich zu Single-Core-Prozessoren hat ein Multicore-Prozessor das Potenzial, mehr Aufgaben zu erledigen.
• Geringer Energieverbrauch bei gleichzeitiger Ausführung vieler Aktivitäten.
• Daten benötigen weniger Zeit, um ihr Ziel zu erreichen, da beide Kerne auf einem einzigen Chip integriert sind.
• Durch den Einsatz einer kleinen Runde kann die Geschwindigkeit erhöht werden.
• Ein Beispiel für Multitasking ist das Erkennen von Infektionen mit Antivirensoftware während des Spielens.
• Durch den Einsatz niedriger Frequenz können zahlreiche Aufgaben gleichzeitig erledigt werden.
• Im Vergleich zu einem Single-Core-Prozessor ist er in der Lage, große Datenmengen zu verarbeiten.

Nachteile von Multi-Core-Prozessoren

Wir werden einige der Einschränkungen (Nachteile) eines Multi-Core-Prozessors durchgehen, darunter:

Anwendungsgeschwindigkeit

Obwohl eine Multicore-CPU für Multitasking ausgelegt ist, reicht ihre Leistung nicht aus. Es neigt dazu, bei jeder Verarbeitung einer Anwendung von einem Kern zum nächsten zu springen. Dadurch füllt sich der Cache und die Geschwindigkeit erhöht sich.

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Nervosität

Je mehr Kerne in einer Multi-Core-CPU vorhanden sind, desto stärker treten Störungen auf, was zu übermäßigem Jitter führt. Dadurch kann die Programmleistung Ihres Betriebssystems beeinträchtigt werden und es kann zu häufigen Ausfällen kommen. Nur durch die Verwendung einer geeigneten Synchronisierung und eines Mikrokernels kann der Benutzer mit Jitter umgehen.

Analyse

Wenn Sie zwei oder mehr Dinge gleichzeitig tun, müssen Sie zusätzliche Speichermodelle verwenden. Bei einer Maschine mit mehreren Kernen erschwert dies die Analyse. Insbesondere zeitliche Begrenzungen sind schwer zu ermitteln und können ungenau sein.

Darüber hinaus wird die Interferenzanalyse mit zunehmender Anzahl der Kerne komplexer. Folglich wird das Betriebssystem nicht in der Lage sein, die versprochenen Ergebnisse zu liefern.

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Gemeinsame Nutzung von Ressourcen

Ein Multi-Core-Prozessor teilt eine Vielzahl interner und externer Ressourcen. Zu diesen Ressourcen gehören Netzwerke, Systembusse und Hauptspeicher. Folglich besteht bei jedem Programm, das auf demselben Kern ausgeführt wird, eine höhere Wahrscheinlichkeit, unterbrochen zu werden. Bei dieser Form der Einmischung kann es sowohl zu geografischer als auch zeitlicher Isolation kommen.

Softwareinterferenz

Aufgrund der gemeinsamen Nutzung von Ressourcen können Softwareinterferenzen Probleme mit der räumlichen und zeitlichen Isolation verursachen. Bei zusätzlichen Kernen erhöht sich diese Chance noch mehr. Das Vorhandensein von mehr Kernen impliziert eine größere Anzahl von Interferenzrouten. Es ist nahezu unmöglich, alle möglichen Störwege zu untersuchen.

Einige weitere wichtige Einschränkungen des Multicore-Prozessors:

• Obwohl er mehrere Prozessoren enthält, ist er nicht doppelt so schnell wie ein einfacher Prozessor.
• Die Verwaltungsaufgabe ist im Vergleich zur Verwaltung einer Single-Core-CPU komplizierter.
• Die Leistung eines Mehrkernprozessors hängt vollständig von den Aufgaben ab, die Benutzer ausführen.
• Wenn andere Prozessoren eine lineare/sequenzielle Verarbeitung erfordern, dauert die Verarbeitung bei Mehrkernprozessoren länger.
• Der Akku entlädt sich schneller.
• Sein Stromverbrauch ist im Vergleich zu einem einfacheren Prozessor sehr hoch.
• Darüber hinaus ist er im Vergleich zu einem Single-Core-Prozessor teurer.

Warum wird ein Multi-Core-Prozessor verwendet?

Die Konfiguration ähnelt einem Dual-Core-Prozessor. Mehrkernprozessoren werden nach der Anzahl der Kerne und der Art der Kerne klassifiziert. Das Ziel einer Multi-Core-CPU besteht darin, eine hohe Leistung zu erzielen. Es wurde entwickelt, um die physischen Einschränkungen einer Single-Core-CPU zu überwinden.

Zu den unterstützenden Betriebssystemen des Multicore-Prozessors gehören:

• Linux
• Microsoft Windows (Windows XP oder höher)
• Die meisten BSD-basierten Systeme
• Solaris
• Mac OS X

Eine kurze Geschichte der Multicore-Prozessoren

Da die Unternehmen, die die ersten Chip-basierten Prozessoren entwickelten, nur einen Prozessor auf einem einzigen Chip unterbringen konnten, konnten sie nur einen Prozessor auf einem einzigen Chip unterbringen. Mit fortschreitender Chipherstellungstechnologie konnten Chiphersteller Chips mit mehr Schaltkreisen konstruieren, und schließlich waren Chiphersteller in der Lage, Chips mit mehr als einem Prozessor herzustellen, was zum Multicore-Chip führte.

1998 wurde der erste Mehrkernprozessor von Kunle Olukotun, einem Professor für Elektrotechnik an der Stanford University, und seinen Studenten erfunden. Multicore-Chips waren erstmals 2005 von Advanced Micro Devices (AMD) und Intel kommerziell erhältlich. Fast jeder Chiphersteller hat seitdem damit begonnen, Multicore-Prozessoren zu entwickeln.

Wo werden Multicore-Prozessoren eingesetzt?

Heutzutage sind Multicore-Prozessoren in den meisten Geräten wie Tablets, Desktops, Laptops, Smartphones und Gaming-Systemen zu finden.

Die beiden bereitgestellten Kernoptionen zeigen, dass das Modell eines Prozessors nicht die ganze Geschichte über die Leistung erzählt. Im Vergleich zu einem Dual-Core-i5 ist die Leistung eines Quad-Core-i5 wesentlich besser, und der Preis des Computers spiegelt dies wider. Alle aktuellen Laptop-Modelle für das i5-Modell sind Dual-Core-Modelle, während alle Desktop-Modelle zum jetzigen Zeitpunkt Quad-Core-Modelle sind. Da es sich bei den Laptop-Versionen um Dual-Core- statt Quad-Core-Modelle handelt, weist ein i5 in einem Laptop eine schlechtere Leistung auf als ein i5 auf einem Desktop. Der Dual-Core-Typ eignet sich besser für tragbare Laptops, die eine längere Akkulaufzeit benötigen und weniger Strom verbrauchen. Ein Desktop-Computer verwendet jedoch eine CPU, die mehr Strom verbraucht, wie z. B. das Quad-Core-Modell, da dieser keine Akkulaufzeit erfordert. Einige Anwendungen des Multicore-Prozessors sind wie folgt:

• Spiele mit hoher Grafik, wie Overwatch und Star Wars Battlefront, sowie 3D-Spiele.
• Der Multicore-Prozessor eignet sich besser für Adobe Premiere, Adobe Photoshop, iMovie und andere Videobearbeitungsprogramme.
• Solidworks mit computergestütztem Design (CAD).
• Hoher Netzwerkverkehr und Datenbankserver.
• Industrieroboter beispielsweise sind eingebettete Systeme.