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Prozessor-Mikroarchitekturen
Wenn die Prozessorhersteller ein neues Modell für den Markt entwickeln, wird das Rad nicht jedes Mal neu erfunden, sondern auf eine bestehende Architektur zurückgegriffen. Jedem sollte eindeutig klar sein, dass die unterschiedlichen Modelle einer Prozessor-Serie technisch identisch sind und sich in der Regel nur in den Taktraten unterscheiden. Wer also die Wahl zwischen einem Intel Core i7 950 und einem Intel Core i7 960 hat, der entscheidet sich letztendlich nur für eine bessere oder schlechtere Leistungsfähigkeit. Die Technik aber ist identisch. Aus Sicht des Herstellers sind solche Modell-Unterschiede recht einfach umzusetzen.
Etwas schwieriger wird es bei der Einteilung in Desktop-, Server- und Mobile-Prozessoren. Da hier die Anforderungen an den Prozessor deutlich variieren, müssen leichte Eingriffe in die Prozessorarchitektur seitens des Herstellers vorgenommen werden. Notebook-Prozessoren besitzen oftmals zusätzliche Stromsparmechanismen, Server-Prozessoren können auf besonders üppig ausgestattete Zwischenspeicher (Cache) zurückgreifen und Desktop-Prozessoren relativ hoch getaktet werden. Diese Beispiele zeigen, dass die Hersteller leichte Eingriffe in die Architektur vornehmen, um die einzelnen Einsatzgebiete abdecken zu können. Die Basis bzw. Plattform des Prozessors bleibt weiterhin dieselbe.
Erst wenn tiefgreifende Änderungen an der Architektur vorgenommen werden, spricht man von einem Wechsel der Mikroarchitektur. In diesem Fall wird das komplette Design überarbeitet und in der Regel kündigen die Hersteller "eine neue Ära von Prozessoren" an. Die Mikroarchitektur beschreibt also eine komplette Prozessor-Familie bzw. Generation, welche aus mehreren Prozessor-Serien besteht und über mehrere Jahre bestehen kann. So hielt sich Intels P6 Mikroarchitektur fast 11 Jahre am Markt: vom ersten Pentium 2 über den Pentium III bis hin zum Pentium M (Centrino). Alle genannten Serien basieren auf derselben Plattform bzw. Mikroarchitektur und unterscheiden sich lediglich in zahlreichen Optimierungen und Erweiterungen.
In folgendem werden die Mikroarchitekturen der großen Hersteller AMD und Intel chronologisch aufgelistet und erläutert:
AMD
Bobcat (2011 - Heute)
Die Bobcat-Mikroarchitektur ist der Teil der Fusion-Produktpalette und symbolisiert das Konkurrenzprodukt zu Intels Atom Plattform. Mit Fusion hat AMD im Jahr 2011 ein Marketing-Begriff ins Leben gerufen, der für Prozessoren mit integriertem Grafikchip und Northbridge steht (APU = CPU + GPU + Northbridge). Diese All-In-One Prozessoren heißen bei AMD Accelerated Processing Unit (kurz APU). Die Bobcat-Mikroarchitektur bezieht sich auf die CPU (Prozessor), nicht auf die GPU (Grafikeinheit) innerhalb der APU.
Prozessoren mit der Bobcat-Mikroarchitektur sind kleine, effiziente und besonders stromsparende X86-Prozessoren. Die Architektur ist einfach gehalten und für möglichst geringen Stromverbrauch konzipiert. Das Haupteinsatzgebiet sind Netbooks, Nettops oder besonders energieeffiziente Desktop-Systeme. Obwohl AMD den Spagat zwischen Leistung und Energieeffizenz gut gemeistert hat und diese Prozessoren im Vergleich zu Intels Atom Prozessoren deutlich schneller sind, bleiben die APUs auf Basis der Bobcat-Mikroarchitektur relativ leistungsschwach.
Bulldozer (2011 - Heute)
Die Geschichte der Bulldozer-Mikroarchitektur reicht bis in das Jahr 2007 zurück. Bis zum Jahr 2011 wurde an dieser Mikroarchitektur intensiv gearbeitet. Das Ergebnis ist ein grundlegend neues und von der Pike an entwickeltes Prozessor-Design, was für AMD einen großen Schritt bedeutet. Die Vorgänger-Mikroarchitekturen K8 (bsp. Athlon 64) und K10 (bsp. Phenom) basieren zum Großteil auf der K7-Mikroarchitektur aus dem Jahr 1999. Die K10-Prozessoren sind also optimierte Versionen des Ur-Athlons. Bulldozer hingegen ist ein "Major-Redesign".
Die Bulldozer-Mikroarchitektur ist für alle drei Bereiche Desktop, Notebook, Server konzipiert und unterstützt bis zu 16 Prozessorkerne. Des Weiteren wurde die Energieeffizienz und das Leistung-Pro-Watt Verhältnis verbessert. Die Bulldozer-Mikroarchitektur ist für eine Leistungsaufnahme (Stromverbrauch) von 10 bis 125 Watt TDP ausgelegt.
Die größte Erneuerung der Bulldozer-Mikroarchitektur ist die Modul-Bauweise anstelle der klassischen Mehrkern-Bauweise (sprich zwei oder mehr Prozessorkerne auf einem Chip). Hierbei werden zwei Prozessorkerne zu einem Modul zusammengefasst, welche sich L2-Cache und FPU teilen und zwei Threads verarbeiten können. Es sind aber keine klassischen und vollwertige Prozessorkerne. AMD spricht von so genannten Integer-Kernen. Laut AMD entspricht die Rechenleistung von einem Modul (sprich zwei Integer-Kernen) dem von zwei klassischen Prozessorkernen mit einem Rechenleistungsverlust von ca. 20%. Ein Modul mit zwei Integer-Kernen erreicht die Rechenleistung von 180% im Vergleich zu zwei klassischen Prozessorkernen.
- Erstes Major-Redesign seit der K7-Mikroarchitektur aus dem Jahr 1999
- Zusammenfassung zweier Integer-Kerne zu einem Modul
- Bis zu 16 Prozessorkerne
- verbessertes Leistung-pro-Watt Design
- 10 bis 125 Watt TDP
- Einsatz sowohl im privaten Desktop-/Notebook- als auch Server-Bereich
K10 (2009 - Heute)
Die neunte Generation der AMD x86 Prozessoren ist die K10 Mikroarchitektur (K9 wurde nie offiziell veröffentlicht und seitens AMD übersprungen). Obwohl bereits die ersten Opteron-Prozessoren aus dem Server-Segment im September 2007 basierend auf der K10 Mikroarchitektur erschienen, wurde diese erst später mit Einführung der Phenom X3/X4 Prozessoren richtig bekannt.
Hauptaugenmerk bei der K10 Mikroarchitektur liegt auf der Multi-Core-Fähigkeit. In Zeiten, in welcher die Takraten nicht mehr problemlos erhöht werden können, steigern die Prozessor-Hersteller die Leistungsfähigkeit durch die Implementierung mehrerer Kerne auf einem Prozessor. Die K10 Mikroarchitektur unterstützt 6 Kerne pro DIE bzw. 12 Kerne pro Prozessor.
Des Weiteren wurden einige spezielle Optimierungen vorgenommen: großer gemeinsamer L3-Cache, schnellerer HyperTransport Link, verbesserter memory controller, usw.
Zu der K10 Mikroarchitektur gehören u.a. die folgenden Prozessormodelle: Athlon II, Athlon II X2 / X3 / X4, Phenom X3 / X4, Phenom II X2 / X3 / X4 / X6, Turion II
K8 (2003 - 2008)
Im April 2003 wurde mit den ersten Opteron-Prozessoren die K8 Ära eingeläutet. Ähnlich wie die K7 Generation war auch die K8 Mikroarchitektur sehr erfolgreich und brachte einige revolutionäre Erneuerungen mit sich. Allen voran die 64 Bit Technologie, welche vollkommen abwärtskompatibel zu älteren 8 Bit, 16 Bit und 32 Bit Programmen ist. Zusätzlich wurde erstmals der memory controller direkt in die CPU integriert, so dass die Kommunikation mit dem Arbeitsspeicher nicht mehr über den Chipsatz des Mainboards, sondern auf direktem Wege erfolgt. Auch der Begriff Hypertransport, ein high-speed link zwischen Prozessor und anderen I/O Geräten, wurde erstmals bekannt.
Zu der K8 Mikroarchitektur gehören u.a. die folgenden Prozessormodelle: Athlon 64, Athlon 64 FX, Sempron 64, Turion, Turion 64 X2.
K7 (1999 - 2003)
Die siebte x86-Generation aus dem Hause AMD trat 1999 in die Fußstapfen der AMD K6-2/K6-III Familie. Die überwiegend auf dem Slot A bzw. Sockel A basierenden Prozessoren konnten die Intel Konkurrenten meist hinter sich lassen, so dass die K7 Mikroarchitektur eine erfolgreiche Ära war.
Die Schlüsselpunkte der K7 Mikroarchitektur waren die "multiple superscalar integer and floating point units", ein DDR-Bustakt (200 MHz) und der Befehlssatz SSE. Die K7 Generation war die letzte reine 32 Bit Architektur aus dem Hause AMD.
Zu der K7 Mikroarchitektur gehören u.a. die folgenden Prozessormodelle: Athlon, Athlon XP, Athlon MP, Duron und Sempron.
K6 (1997 - 1998)
1997, also ein Jahr später nach der K5 Ära, veröffentlichte AMD die K6 Mikroarchitektur, welche in den Wettkampf mit den Intel Pentium II Prozessoren zog. Wichtigste Erneuerung in der K6 Mikroarchitektur ist der Befehlssatz MMX, der Multimedia-Anwendungen beschleunigt und damals stark vermarktet wurde. In regelmäßigen Abständen wurde auch die K6 Mikroarchitektur tiefgreifend erweitert. Der Befehlssatz 3dNow! führte zum K6-2, der integrierte L2-Cache zum K6-III.
K5 (1995 - 1996)
Die K5 Mikroarchitektur war die erste x86 Familie, welche komplett eigenständig von AMD entwickelt wurde, obwohl es mittlerweile die fünfte Generation aus dem Hause AMD war. Die K5 Mikroarchitektur war das Pendant zum ersten Intel Pentium (P5) und bestach vor allem in der Fließkomma-Leistung, so dass AMD damals erstmals das Performance-Rating verwendete. Somit sollte deutlich gemacht werden, dass ein K5 Prozessor bei gleichem Takt schneller als der Pentium war. Im Jahr 1996 erschienen die ersten AMD K5 Prozessoren, welche noch mit der Mikroarchitektur im Produktnamen vermarktet wurden. Wichtigste Erneuerung ist die 32 Bit Technologie, welche völlig abwärtskompatibel zu den 16 Bit Prozessoren ist.
Intel
Sandy Bridge (2011 - Heute)
Zu Beginn des Jahres 2011 veröffentlichte Intel erste Core i7, i5 und i3 Modelle der zweiten Generation, welche erstmals auf der neuen Sandy Bridge Mikroarchitektur basierten. Die neu eingeführte Mikroarchitektur ist der Nachfolger der Nehalem Mikroarchitektur (verwendet u.a. von der Core i7 bis i3 Serie der ersten Generation) und korrigierte die zahlreichen Kinderkrankheiten. So wurde die Energieeffizienz aufgrund des verfeinerten Herstellungsverfahren auf 32 Nanometer optimiert. Gleichzeitig wurde die Leistungsfähigkeit erhöht. Anders als bei Nehalem ist die Northbridge (Speichercontroller + GPU + PCI-Express) auf ein und demselben CPU-Chip, was den Datenaustausch / die Kommunikation zwischen den CPU-Kernen und der Peripherie verbessert. Auch der Turbo Mode, nun in Version 2.0, wurde optimiert.
Auflistung der Keyfeatures:
- Nachfolger von der Nehalem-Architektur
- Veröffentlicht im Januar 2011
- Ursprünglich als Gesher bezeichnet
- Erste Prozessoren waren Intel Core i3, i5, i7 in der zweiten Generation
- Anders als bei Nehalem ist die Northbridge (Speichercontroller + GPU + PCI-Express) auf ein und demselben CPU-Chip
- verbesserte Energieeffizienz durch Wechsel auf 32 Nanometer Herstellungsverfahren
- optimierter Datenaustausch / Kommunikation zwischen den CPU-Kernen
- AVX-Einheit für verbesserte FPU-Leistung
- Optimierte Single-Core-Leistung (Turbo-Mode), wenn Kerne abgeschaltet werden
- Leistungssteigerung der integrierten GPU
Nehalem (2008 - Heute)
Die Nehalem Mikroarchitektur (Westmere) erhielt Einzug mit Veröffentlichung der ersten Intel Core i7 Prozessoren. Sie tritt in die Fußstapfen der Core Mikroarchitektur und vereint quasi die Vorteile der NetBurst und Core Familie bzw. zahlreichen Weiterentwicklungen. Mit der Nehalem Mikroarchitektur konnte Intel den Abstand zu AMD deutlich vergrößern und nicht ohne Grund im Jahr 2010 den größten Unternehmensgewinn seit Bestehen vorweisen.
Nehalem ist eine sehr interessante Architektur, da zahlreiche neue Features implementiert wurden: Intel folgte der K8 Architektur aus dem Hause AMD und integrierte den memory controller direkt in den Prozessor, so dass die Kommunikation mit dem Arbeitsspeicher nicht mehr über den Chipsatz des Mainboards, sondern auf direktem Wege erfolgt. Die Anbindung an den Chipsatz erfolgt nun über QuickPath Interconnect (QPI), welches AMD's Hypertransport ähnelt und deutlich höhere Durchsatzraten mit den restlichen I/O Komponenten im Rechner ermöglicht. Und erstmals erhielt eine weitere Komponente Einzug in die Prozessorarchitektur: der Grafikchip. Somit sind einige Modelle der Nehalem Architektur wahre Alleskönner (CPU + memory controller + VGA).
Aber die Liste der Erneuerungen ist noch nicht zu Ende: da zu diesem Zeitpunkt noch nicht alle Anwendungen Dual bzw. Quad Core Prozessoren unterstützen, entwickelte man den so genannten TurboBoost, der einzelne Kerne schlafen legt und gleichzeitig die übrigen Kerne übertaktet. Somit werden Anwendungen beschleunigt, die keine Multi Core Prozessoren unterstützen. In Sachen Leistungsfähigkeit profitiert die Nehalem Architektur zusätzlich vom erweiterten Befehlssatz SSE 4.2, einem gemeinsamen L3-Cache und dem aus der NetBurst Generation bekannten Hyperthreading. In Sachen Energiehaushalt verfügen die Prozessoren über eine Power Control Unit (PCU), eine Art Koprozessor für die Energieverwaltung.
Prozessoren aus der Nehalem Mikroarchitektur: Core i3, Core i5, Core i7
Übersicht Keyfeatures:
- Nachfolger von der Core-Architektur und basiert zum Großteil darauf
- Erste Prozessoren waren Intel Core i3, i5, i7 in der ersten Generation
- Veröffentlicht im vierten Quartal des Jahres 2008
- Ausgelegt für bis zu 8 Prozessorkerne
- Erstmals Turbo Core bei einigen Modellen
- Wiedereinführung von HyperThreading
- QuickPath Interconnect external bus
- Einführung von SSE 4.2
Atom (2008 - Heute)
Die Atom Mikroarchitektur ist etwas speziell und nicht mit den großen Mikroarchitekturen wie Intels Nehalem oder Core und AMDs K8 oder K10 vergleichbar. Grund hierfür ist das spezielle Einsatzgebiet der Atom Prozessoren: Anwender verlangen nicht nur Spitzenleistung, sondern auch besonders stromsparende Prozessoren. Netbooks als Langläufer für unterwegs, stromsparende Homeserver oder besonders leise Wohnzimmer-PCs: hier ist weniger Leistung, sondern viel mehr Energieeffizienz gefragt.
Die Atom Mikroarchitektur ist sehr einfach gehalten, so dass Atom Prozessoren nur sehr wenig Verlustleistung produzieren. Es existieren Modelle mit einer Verlustleistung von gerade einmal 2,5 Watt! Durch die einfache Architektur sind die Leistung-Pro-MHz Werte sehr gering und die Atom Prozessoren vergleichsweise leistungsschwach.
Technisch gesehen handelt es sich aber um vollwertige Prozessoren: SSE 3 Befehlserweiterung, 64 Bit Technologie, teils Dual Core Prozessoren, teils integrierte memory controller und Grafikchipsätze, teils Hyperthreading oder Virtualisierung. Viele Technologien aus der NetBurst-, Nehalem- oder Core-Mikroarchitektur finden sich in den Atom Prozessoren wieder.
Core (2006 - Heute)
Nachdem NetBurst sich langsam zum Disaster für Intel entwickelte, veröffentlichte man im Jahr 2006 die ersten Prozessoren auf der Core Mikroarchitektur (auch bekannt als Penryn). Die Intel Core Prozessoren eroberten schnell die Gunst der Käufer zurück, da sie die Mängel der Vorgänger nahezu wett machten: hohe Leistungsfähigkeit bei relativ niedrigen Taktraten machte Intel wieder wettbewerbsfähig.
Bei der Core Mikroarchitektur erfolgte ein harter Schnitt, denn anstatt die NetBurst Mikroarchitektur anzupassen, trennte man sich komplett davon und baute auf altbewährten auf. Viele Bereiche stammen noch aus der P6 Mikroarchitektur.
Natürlich hat man viele zahlreiche Optimierungen und Erweiterungen implementiert. So ist die Core Mikroarchitektur für mehrere Prozessorkerne (multi core) optimiert, unterstützt Hardware Virtualisierung und enthält SSE3 als weiteren Befehlssatz. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die 64 Bit Technologie, die mehr und mehr vom Anwender verlangt wurde und bereits vom Konkurrenten AMD angeboten wurde.
Prozessoren aus der Core Mikroarchitektur: Core 2, Core Duo, Pentium Dual Core, Celeron, Dual-Core Xeon
NetBurst (2000 - 2007)
Rückblickend kann man sagen, dass die im Jahre 2000 veröffentlichte NetBurst Mikroarchitektur nicht erfolgreich war. Die Pentium 4 Prozessoren erhielten schnell den Ruf von kleinen Wärmekraftwerken und ineffektiven MHz-Boliden. Und der Grund lag an dem Konzept der NetBurst Mikroarchitektur: anstatt wie beim Pentium III (P6) auf kurze, dafür komplexe und rechenstarke Pipelines zu setzen, entwickelte man lange und weniger komplexe Pipelines. Letztere ermöglichen hohe Taktraten, so dass man Taktraten bis an die 4 GHz Marke erreichte. Doch der Anwender merkte schnell, dass hohe Taktraten nicht alles sind. Ein Blick zur Konkurrenz zeigte, dass man stromsparende und niedriger getaktete Prozessoren herstellen konnte, die mindestens genauso leistungsfähig waren.
Den Höhepunkt stellten einige Modelle aus der NetBurst Mikroarchitektur dar, welche so hoch getaktet waren, dass unter Volllast keine ausreichende Kühlung mehr gewährleistet werden konnte und sich die Prozessoren heruntertakten mussten. Aus diesem Grund stellte man im Jahr 2007 die NetBurst Mikroarchitektur ein und stellte auf die effizientere Core Architektur um.
Trotzdem brachte die NetBurst Mikroarchitektur einige interessante Erneuerungen mit sich: Hyperthreading (zwei virtuelle Kerne pro Prozessorkern) oder der Befehlssatz SSE2 sind hier zu nennen.
Prozessoren aus der NetBurst Mikroarchitektur: Celeron, Celeron D, Pentium 4, Pentium 4 Extreme Edition, Pentium D, Pentium Extreme Edition, Xeon
P6 (1995 - 2006)
Mit Einführung des Pentium Pro im Jahr 1995 begann die Wohl längste Ära einer Prozessorgeneration. Die P6 Mikroarchitektur, welche eigentlich durch NetBurst (Pentium 4) abgelöst wurde, erhielt nach deren Misserfolg ein Comeback sondergleichen. Intel entschloss sich nach der erfolglosen Pentium 4 Serie auf alte Tugenden zu setzen und reaktivierte die P6 Mikroarchitektur im Pentium M (Centrino-Technologie) und später auch in den ersten Core-Prozessoren (Core Solo und Core Duo im Notebook-Segment). Somit überlebte die P6 Mikroarchitektur bis weit ins neue Jahrtausend, was in der Computerwelt einer Ewigkeit entspricht.
Für Aufsehen bei der Einführung sorgte ein voll integrierter L2-Cache, eine kurze und für eine hohe Anzahl von Befehlen per Taktzyklus (Instructions per Cycle (IPC) optimierte Pipeline und später der erweiterte Befehlssatz SSE.
Zu der P6 Mikroarchitektur gehören u.a. die folgenden Prozessormodelle: Pentium Pro,Pentium II, Pentium III, Pentium M (Centrino), Celeron, Xeon, Core Solo, Coro Duo
P5 (1993 - 1996)
1993 erblickte die Intel P5 Mikroarchitektur das Licht der Welt. Sofort auffällig war, dass die Prozessoren nicht mehr gleichnamig zur Mikroarchitektur waren, sondern unter dem Namen Pentium vermarktet wurden. Intel störte die Tatsache, dass man Zahlen wie 386 oder 486 patentrechtlich nicht schützen kann und somit viele Nachahmer das Geschäft erschweren.
Intels fünfte Prozessorgeneration zeichnete sich durch den Wechsel von 16 auf 32 Bit, einer dual integer pipeline, einer schnelleren FPU und einer verbesserten Sprungvorhersage aus. Später im Jahr 1996 erhielt erstmals ein erweiterter Befehlssatz namens MMX Einzig in die P5 Mikroarchitektur.
Zu der P5 Mikroarchitektur gehören u.a. die folgenden Prozessormodelle: Pentium, Pentium MMX, Pentium OverDrive (MMX).
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