Ein Kern vs mehrere Kerne: Was ist der Unterschied?

Ein Einkernprozessor ist ein Chip mit einer Recheneinheit darin, die einen Strom von Befehlen nach dem anderen abarbeitet. Ein Mehrkernprozessor setzt mehrere dieser Einheiten, Kerne genannt, auf denselben Chip, und jeder ist eigenständig und für alles zu gebrauchen: einer trägt deinen Videoanruf, während ein anderer eine Sicherung erledigt und ein dritter diese Seite zeichnet. Chips sind so gewachsen, weil der ältere Weg, einen Kern immer schneller zu machen, nicht weitergehen konnte. Ab einem gewissen Tempo kostet jede weitere Steigerung mehr Strom, als sie einbringt, und der Chip erzeugt diese Wärme schneller, als eine Kühlung sie abführen kann. Seit etwa 20 Jahren verbessern sich Prozessoren daher vor allem durch mehr Kerne, und viele Notebook-Chips tragen heute acht oder mehr.

Ein Einkernprozessor arbeitet einen Strom von Befehlen nach dem anderen ab; ein Mehrkernprozessor packt mehrere eigenständige Recheneinheiten, Kerne genannt, auf einen Chip, und jede kann ihr eigenes Programm ausführen, während sie sich den Speicher des Chips teilen. Jahrzehntelang führte der Weg zum schnelleren Chip über einen höheren Takt, also das Tempo, in dem ein Kern seine Befehle durchgeht. Die Grenze war am Ende die Wärme, denn höheres Tempo treibt den Stromverbrauch stark hinauf, und dieser Strom verlässt den Chip als Wärme durch ein Stück Silizium von der Größe eines Fingernagels. Die Wende kam 2004. Intel hatte einen Chip versprochen, der 7 Gigahertz erreichen sollte, doch Testversionen schafften 2,8 bei rund 150 Watt, fast dem Doppelten dessen, was der ausgelieferte Chip beim selben Tempo zog. In jenem Mai strich das Unternehmen ihn und stellte seine ganze Reihe auf zwei Kerne um. Der Tausch lohnt sich, weil zwei maßvolle Kerne mehr Gesamtarbeit schaffen als ein Kern an seiner Grenze, und dabei weit weniger Wärme erzeugen. Für die Person an der Tastatur bedeuten eigenständige Kerne, dass mehrere Programme wirklich gleichzeitig laufen. Ein einzelnes Programm wird allerdings nur dann früher fertig, wenn seine eigene Arbeit sich auf die Kerne verteilen lässt. Manche Programme können das, etwa ein Videoexport oder eine große Tabelle beim Neuberechnen, aber viele laufen weiterhin als ein einziger Strom auf einem einzigen Kern. Die Kerne teilen sich zudem einen Chip und dessen Speicher, und genau das trennt einen Mehrkernprozessor von einem Compute-Cluster, wo ganze Maschinen verkabelt sind und nichts teilen. Das Tempo eines Kerns entscheidet weiterhin darüber, wie schnell sich ein einzelnes Programm anfühlt, dieses Tempo ist also im Rahmen des Möglichen weiter langsam gestiegen, während die großen Zugewinne aus zusätzlichen Kernen kommen.

Ein Mehrkernprozessor ist wie der Kopierraum eines Büros. Ein Kopierer kann nur so schnell laufen, bevor er klemmt und heiß wird, und kein Geld kauft einen zehnmal schnelleren, also stellt das Büro 4 davon nebeneinander. Jeder ist eine vollständige Maschine, es kommen also vier Aufträge zugleich heraus: der Vertrag der einen, die Folien des anderen, die Handzettel einer dritten, und niemand steht Schlange. Das Tempo eines einzelnen Auftrags hat sich dagegen nicht geändert. Ein Bericht mit 500 Seiten kommt im Tempo eines Kopierers heraus, es sei denn, jemand teilt den Stapel auf alle vier auf und sortiert ihn danach wieder zusammen, was eigene Mühe ist, und manche Dokumente lohnen das Aufteilen nicht. Die Kopierer sind die Kerne, die Aufträge sind deine Programme, und die Tempogrenze einer Maschine ist die Wärmegrenze eines Kerns.