Lange wurde die Leistungsfähigkeit eines Prozessors vor allem über die Taktfrequenz und die Zahl der Kerne definiert. Neue Architekturen gehen jedoch andere Wege und verteilen die Last intelligent auf unterschiedlich leistungsfähige CPU-Cores.
Die Digitalisierung hat in allen Bereichen zu einer enormen Diversifizierung an Geräten und Formfaktoren geführt. PCs, Notebooks, Smartphones und Tablets sind nicht mehr die einzigen Devices, in denen leistungsfähige Prozessoren verbaut sind. Auch Spielekonsolen, Brillen für Virtual und Augmented Reality (AR/VR) oder Steuerungsmodule für Maschinen und Roboter benötigen eine möglichst auf das Anwendungsgebiet abgestimmte CPU-Performance.
Für die Prozessorhersteller besteht die Herausforderung darin, Leistung, Energieverbrauch und Temperaturentwicklung optimal für alle Anwendungsbereiche auszubalancieren. Dies gelingt am besten mit neuen Architekturkonzepten, die nicht mehr das „One size fits all“-Prinzip verfolgen, sondern für unterschiedliche Anforderungen spezifische Kerne zur Verfügung stellen. Einer der ersten, der dieses Architekturprinzip verfolgte, war der Chipentwickler ARM mit seiner big.LITTLE-Technologie. Auch das System-on-a-Chip „Apple M1“ basiert auf einer ARM-Architektur mit unterschiedlich leistungsfähigen Kernen. Hersteller Intel hat mit den Intel Core Prozessoren der 12. Generation ebenfalls eine Hybridarchitektur mit unterschiedlich leistungsfähigen Kernen vorgestellt, die der Anbieter „Performance-Cores“ (P-Cores) und „Effizienz-Cores“ (E-Cores) nennt.
Wie funktionieren hybride CPUs?
Wie bereits erwähnt integrieren hybride CPUs zwei Arten von Kernen in einem Chip. Während die eine für Hochleistung zuständig ist, spielt die andere bei der Energieeffizienz ihre Stärke aus. Die P-Cores in Intel Core Prozessoren der 12. Generation sind beispielsweise größer als die E-Cores und auf Taktgeschwindigkeit sowie Instructions per Cycle (IPC) optimiert. Sie spielen ihre Stärke vor allem bei anspruchsvollen Workloads aus, die eine hohe Leistung in Single-Threads benötigen. Intel bietet mit den Intel Core Prozessoren der 12. Generation bis zu 8 P-Cores pro CPU mit einem Basis-Takt von bis zu 3,7 GHz und einem Turbo-Takt von bis zu 5,2 GHz.
Da E-Cores kleiner sind als Hochleistungskerne, lassen sich mehr Kerne dieses Typs pro Fläche in einer CPU unterbringen. Sie sind außerdem auf eine möglichst geringe Leistungsaufnahme ausgelegt, was Strombedarf und Wärmeentwicklung verringert. Effizienzkerne spielen ihre Stärke im Multithreading-Bereich und bei Hintergrundprozessen aus. Sie können so die P-Cores bei Aufgaben wie dem Rendern von Videos entlasten oder übernehmen weniger anspruchsvolle Tasks wie die Verwaltung von Office-Lösungen oder Antivirensoftware. E-Kerne in Intel Core Prozessoren der 12. Generation weisen einen Basis-Takt von bis zu 2,8 GHz und einen Turbo-Takt von bis zu 3,9 GHz auf.
Wie wird die Last zwischen P- und E-Cores verteilt?
Um die hybriden CPUs optimal nutzen zu können, muss die Last zwischen P- und E-Cores richtig verteilt werden. Intel hat dazu den „Thread Director“ entwickelt, der direkt in die Hardware integriert ist. Er nutzt maschinelles Lernen, um die Aufgaben den passenden Kernen zuzuordnen. So wird sichergestellt, dass die Performance-Cores und die Effizienz-Cores optimal zusammenarbeiten, Hintergrundaufgaben die CPU nicht ausbremsen und sich mehr Anwendungen gleichzeitig öffnen lassen.
Der Thread Director überwacht dazu den Runtime Instruction Mix für jeden Thread und registriert in Nanosekunden-Abständen den aktuellen Status jedes Kerns. Die Informationen werden zur Laufzeit an das Betriebssystem übergeben, das auf dieser Basis Workloads optimal auf P- und/oder E-Kerne verteilt. Je nach TDP-Limit (Thermal Design Point), den Betriebsbedingungen und den Energieeinstellungen passt der Thread Director seine Entscheidungen an die aktuelle Situation an.
An einer typischen Büroumgebung mit Outlook, Word, Excel, PowerPoint und Zoom lässt sich zeigen, wie dies in der Praxis funktioniert: Bearbeitet ein Anwender beispielsweise E-Mails, ein Dokument oder eine Präsentation, werden der jeweiligen Applikation automatisch einer oder mehrere P-Cores zugewiesen. Startet der Nutzer jetzt eine Videokonferenz per Zoom und teilt darin seine Präsentation, verschiebt der Thread Director die anderen offenen Anwendungen auf die E-Cores, um der Conferencing-Software und PowerPoint ausreichend Leistung zur Verfügung stellen zu können. Nach Beendigung der Besprechung werde alle Anwendungen wieder optimal auf die Kerne verteilt.
Häufige Irrtümer zu hybriden CPU-Architekturen
Noch gibt es Vorbehalte gegen hybride Big Core / Small Core-Architekturen. Vor allem folgende Argumente liest man immer wieder:
- „Hybride CPUs vertragen sich nicht mit DRM-Systemen“: Tatsächlich gab es nach Einführung der Hybridarchitektur Schwierigkeiten mit einigen DRM-Lösungen (Digital Rights Management), die beispielsweise für den Kopierschutz von Spielen zuständig sind. Diese interpretierten die Efficiency Cores als zusätzliche CPU. Um diese scheinbar lizenzverletzende parallele Nutzung auf mehreren Systemen zu verhindern, wurde die betroffene Software abgeschaltet. Diese Schwierigkeit ist aber mittlerweile behoben. Laut der offiziellen Support-Liste von Intel ist das DRM-Problem vollständig gelöst.
- „Unter Windows 10 kommt es zu erheblichen Leistungseinbußen“: Laut heise online konnten Anwender auf Intel Core Prozessoren der 12. Generation mit Windows 10 im Vergleich zu Windows 11 anfangs bis zu 60 Prozent Performance verlieren, da der Task Scheduler von Windows 10 die Lastverteilung auf P- und E-Cores nicht unterstützte. Mit Einführung des Release Windows 10, Version 21H2 ist dieses Problem allerdings gelöst und auch Windows-10-Nutzer können die Leistungsoptimierung durch hybride CPUs voll ausnutzen.
Fazit: Hybride Chip-Architekturen sind die Zukunft
Die Anforderungen an Prozessoren werden immer vielfältiger und komplexer. Hybridarchitekturen mit unterschiedlich leistungsfähigen und an spezielle Aufgaben angepassten Kernen tragen dieser Entwicklung Rechnung. Traditionelle Methoden zur Bewertung von Prozessoren wie die Zahl der Kerne, die Taktrate, TDP oder ICP reichen allerdings nicht mehr aus, um die Leistungsfähigkeit von Hybrid-CPUs bewerten und vergleichen zu können.
Hersteller wie Intel haben deshalb neue Kenngrößen in ihre Spezifikationen aufgenommen, um die tatsächliche Leistung besser wiederzugeben. Sie sollen dazu beitragen, dass die Erwartungen der Käufer an die Gesamtleistung und die Akkulaufzeit mobiler Plattformen auch wirklich mit der Realität übereinstimmen. Dennoch sind Benchmarks, die auf tatsächlichen Benutzer-Workflows und Anwendungen basieren, nach wie vor die wichtigste Messgröße für ein umfassendes Verständnis der tatsächlichen Leistungsfähigkeit eines Prozessors.