CPU-Kerne vs. Threads: Alles, was Sie wissen müssen

Ein Computer besteht aus verschiedenen Komponenten. Die wohl kritischste interne Komponente ist die CPU. Die CPU ist die Abkürzung für Central Processing Unit und das Gehirn des Computers. Es besteht aus Milliarden winziger Transistoren, die als elektronische Schalter fungieren und für die Steuerung des Stromflusses durch komplexe Schaltkreise verantwortlich sind.

Neben der Ausführung von Aufgabenprogrammen koordinieren CPUs auch andere Komponenten in einem Computer, darunter RAM (Random Access Memory), HDD (Festplattenlaufwerk) und SSD (Solid-State-Laufwerk).

Es gibt zahlreiche Faktoren, die die Leistung und Effizienz eines Prozessors bestimmen, aber eines der am häufigsten diskutierten Themen ist Kerne vs. Threads. Im Allgemeinen glauben die Leute, dass mehr Kerne mehr Leistung bedeuten. Allerdings ist es nicht immer so einfach.

Um beim Kauf oder der Konfiguration eines Computers die richtigen Entscheidungen zu treffen, ist es wichtig zu wissen, was Kerne und Threads bewirken. Idealerweise möchten Sie die Leistung so weit wie möglich optimieren, ohne zu viel auszugeben. Abhängig von den Aufgaben, die Sie ausführen möchten, kann die richtige Anzahl an Kernen und Threads erheblich variieren.

Wenn Sie sich außerdem für ein tragbares Gerät (z. B. einen Laptop) entscheiden, dürfen Sie die Energieeffizienz nicht vernachlässigen. Das Letzte, was Sie sich wünschen, wenn Sie Ihren Computer unterwegs mitnehmen, ist, dass der Akku während der Erledigung einer Aufgabe leer wird. Die Wahl einer CPU mit angemessenem Stromverbrauch kann das Risiko solcher Probleme minimieren.

In diesem Beitrag erkläre ich alles, was Sie über Computerprozessorkerne und -threads, ihre Unterschiede und andere Faktoren wissen müssen, die sich auf die Leistungsniveaus eines Prozessors auswirken.

Was ist ein CPU-Kern?

Im Wesentlichen ist ein Kern eine physische Verarbeitungseinheit innerhalb einer CPU, die für die unabhängige Ausführung von Aufgaben verantwortlich ist. Sie können sich Ihre CPU als eine Fabrik vorstellen, in der jeder Kern ein „Arbeiter“ ist, der Aufgaben erledigen kann. Im Allgemeinen können Sie mehr Aufgaben mit mehr Mitarbeitern in kürzerer Zeit ausführen.

Traditionell war ein CPU-Kern darauf ausgelegt, Aufgaben einzeln auszuführen. Dies bedeutete, dass es den ersten Computergenerationen an Multitasking-Fähigkeiten mangelte. Allerdings hat sich die Art und Weise, wie CPU-Kerne damit umgehen, dank der Entwicklung von Multithreading-Technologien, auf die ich später in diesem Artikel eingehen werde, erheblich verändert.

Single- oder Multi-Core-Prozessoren

Die früheren Computerversionen verfügten über Single-Core-CPUs, die jeweils eine Aufgabe ausführen konnten. Um mehrere Programme gleichzeitig auszuführen, versuchten Computeringenieure, das Motherboard zu erweitern und mehrere CPU-Einheiten zusammenzufügen. Allerdings verursachten einige unabhängig laufende CPUs eine hohe Latenz und erwiesen sich als unpraktisch.

Um dieses Problem zu lösen, haben Ingenieure Mehrkernprozessoren entwickelt. Da jeder Kern unabhängig arbeitet, kann jeder Kern seinen eigenen Befehlssatz verarbeiten, ohne dass dies Auswirkungen auf einen anderen Kern hat. Das heißt, je mehr Kerne ein Computerprozessor hat, desto mehr Aufgaben kann er gleichzeitig ausführen.

Eine Single-Core-CPU verbraucht deutlich weniger Strom und kann für alltägliche Aufgaben wie das Surfen im Internet ausreichen. Da sie jedoch über begrenzte Leistungsfähigkeiten verfügen, werden sie immer ungünstiger. Obwohl man sie möglicherweise noch in einigen älteren Systemen findet, sind Single-Core-CPUs auf dem heutigen Markt weitgehend veraltet.

Typischerweise sind Alltagscomputer mit zwei, vier, acht oder 16 CPU-Kernen ausgestattet. Die höchste Anzahl an Kernen bei verbraucherorientierten CPUs auf dem Markt beträgt 64. Prozessoren für Rechenzentren und Unternehmensserver können sogar noch mehr Kerne packen. Der AMD EPYC 9654-Prozessor beispielsweise ist mit satten 96 Kernen ausgestattet.

Was ist ein Verarbeitungsthread?

Bei der Computerverarbeitung bezieht sich ein Thread (oder ein Ausführungsthread) auf eine einzelne Aufgabe oder einen Arbeitszweig, den die CPU verarbeitet. Jeder Thread gilt als die kleinste Folge programmierter Anweisungen, die Ihr Betriebssystem unabhängig verwalten kann. Dies kann alles sein, vom Starten eines Programms bis zum Speichern einer Datei.

Ihre CPU-Kerne sind für die Verarbeitung dieser Threads verantwortlich. In jeder CPU kann jeder Kern mindestens einen Thread gleichzeitig ausführen. Wie bereits erwähnt, führen mehr Kerne zu besseren Multitasking-Fähigkeiten, aber die Fähigkeit, mehr Threads zu verarbeiten, kann auch zum selben Ergebnis führen.

Wenn Sie die Unterschiede zwischen Threads und Kernfunktionen kennen und deren Rollen in Ihrer CPU verstehen, können Sie die beste Wahl für Ihre Anforderungen treffen.

Was ist Multithreading?

Wie Sie sich vorstellen können, kann es sehr zeitaufwändig sein, nur einen Thread an den Prozessorchip zu senden, auf den Abschluss der Aufgabe zu warten und dann den nächsten zu senden. Aus diesem Grund haben Computeringenieure verschiedene Methoden und Strategien entwickelt, um mehr Threads in kürzerer Zeit zu verarbeiten.

Die einfachste Lösung besteht darin, einen Thread in separate, kleinere Threads aufzuteilen und diese von einer CPU parallel ausführen zu lassen. Dies wird als „Multithreading“ bezeichnet (Nicht zu verwechseln mit simultanem oder zeitlichem Multithreading). Ein Programm kann je nach Entwicklung leicht oder stark gethreaded sein.

Konzepte zur Integration verschiedener Multithreading-Strategien reichen bis in die 50er Jahre zurück. Doch erst Ende der 90er Jahre nutzte Intel eine Technologie namens Simultaneous Multithreading (SMT), um eine hardwarebasierte Multithreading-Technik für Desktop-Computer zu entwickeln. Intel nannte die Funktionalität Hyper-Threading-Technologie und führte es 2002 im Intel Pentium 4 Desktop-Prozessorchip ein.

Mit Intels Hyper-Threading können sich bis zu zwei Threads die gleichen Ressourcen eines CPU-Kerns teilen, um gewünschte Aufgaben zu erledigen. Mit anderen Worten: Sie haben praktisch Zugriff auf die doppelte Anzahl an „Arbeitern“, die Ihre Aufgaben erledigen können. Allerdings teilt sich jede Gruppe von zwei Arbeitern die gleichen Ressourcen.

Hyper-Threading: Vor- und Nachteile

Der Hauptvorteil von Hyper-Threading besteht darin, dass es die Systemleistung erheblich steigert, indem mehr verfügbare Verarbeitungsressourcen genutzt werden. In einigen Fällen kann jedoch Single-Threading immer noch bevorzugt werden.

In den meisten Fällen, insbesondere beim alltäglichen Multitasking, sind die CPU-Kerne Ihres Computers nicht voll ausgelastet. Das bedeutet, dass noch Raum für weitere Verarbeitungsschritte besteht. Hyper-Threading setzt die ungenutzte Rechenleistung in einem CPU-Kern frei, um andere Threads auszuführen, und sorgt so für eine optimierte Nutzung des maximalen Potenzials einer CPU.

Hyper-Threading ist zwar vorteilhaft, hat aber auch deutliche Nachteile. Der Hauptnachteil ist der erhöhte Stromverbrauch. Im Vergleich zu ARM-basierten Chips sind Intel-Prozessoren dafür bekannt, dass sie Laptops viel Energie entziehen, und Hyper-Threading ist einer der Gründe dafür.

Da dem Prozessor mehr Leistung zugeführt wird, führt Hyper-Threading zu hohen Temperaturen und thermischer Drosselung, wobei die CPU langsamer wird, um eine Überhitzung zu verhindern. Darüber hinaus erfordern tragbare Geräte mit solchen Intel-CPUs sperrigere Kühlsysteme, was das Gewicht und die Proportionen des Geräts erheblich erhöhen kann.

Da die Leistungssteigerung schließlich stark von der Anwendung abhängt, liegt es letztendlich in den Händen der Programmierer, Anwendungen zu entwerfen, die die Hyper-Threading-Technologie nutzen. Dies erhöht die Herausforderungen bei der Entwicklung von Programmen, die die Effizienz maximieren. Darüber hinaus läuft Software, die Hyper-Threading nicht unterstützt, unter prozessorintensiven Bedingungen möglicherweise nicht reibungslos.

Mehr Kerne vs. Threads: Was ist besser?

Da es stark von den Programmen abhängt, die Sie verwenden möchten, ist es schwierig, in allen Fällen eines für wichtiger als das andere zu halten. Mehr Kerne führen im Allgemeinen zu mehr verfügbaren Ressourcen. Andererseits können mehr Threads zu besseren Multitasking-Fähigkeiten führen, wenn auch nicht immer.

Bei Programmen mit hohem Thread-Gehalt führt die Tatsache, dass einem CPU-Kern mehr Threads zugeordnet sind, häufig zu einer besseren und schnelleren Ausführung. Andererseits kann es bei Programmen, die für Single-Threaded-CPU-Kernarchitekturen optimiert sind, zu Leistungseinbußen kommen, wenn Hyper-Threading auf einer CPU aktiviert ist.

Allerdings ist einigen aufgefallen, dass mehrere Spiele – sowohl alte als auch neue – deutlich besser laufen, wenn Hyper-Threading ausgeschaltet ist. Ein Benutzer auf Reddit behauptet beispielsweise, er habe etwa a gesehen 30 % höhere FPS in den meisten Spielen, nachdem er Hyper-Threading deaktiviert hat auf seiner Intel Core i9 CPU.

Intel dominierte jahrelang den CPU-Markt bei Laptops und Desktop-Computern mit Chips, die dank Hyper-Threading doppelt so viele Threads wie Kerne bereitstellten. Einige Konkurrenten haben jedoch kürzlich damit begonnen, an anderen CPU-Architekturen zu arbeiten, die sich als unglaublich effizienter erwiesen haben und gleichzeitig Single-Thread-CPU-Kerne bieten.

Apple Silicon beispielsweise ist eine ARM-basierte Chipserie, die sich in den jüngsten Computern von Apple als deutlich energieeffizienter als Intel-basierte Modelle erwiesen hat. Außerdem sind mehrere neue Windows-Laptops, darunter das Microsoft Surface Pro 11, auf ARM-Prozessoren umgestiegen, um eine bessere Akkulaufzeit und Leistung für alltägliche Anwendungsfälle zu erzielen. Alle diese ARM-basierten Chips verfügen über Single-Threaded-Kerne.

Alles in allem bedeutet mehr Threads nicht unbedingt eine bessere CPU-Leistung. Mehr Kerne sind jedoch ein direkter bestimmender Faktor für die Fähigkeit eines Prozessors, komplexere und ressourcenintensivere Befehle zu verarbeiten.

Welche anderen Faktoren bestimmen die Leistung einer CPU?

Wir haben die Unterschiede zwischen Prozessorkern und Thread in Computern behandelt. Dies sind jedoch nicht die einzigen Faktoren, die die endgültige Leistung Ihrer CPU bestimmen.

Die Taktrate (auch „Taktrate“ oder einfach „Frequenz“) ist eines der Hauptunterscheidungsmerkmale von Computerprozessoren. Kurz gesagt, die Taktrate misst, wie viele Zyklen eine CPU pro Sekunde abschließen kann. Beispielsweise kann ein Prozessor mit einer Taktfrequenz von 3,2 GHz 3,2 Milliarden Zyklen pro Sekunde ausführen.

Ein weiterer zu berücksichtigender Parameter ist der Cache-Speicher einer CPU. Der CPU-Cache ist ein Hochgeschwindigkeitsspeicher, der häufig aufgerufene Daten speichert. Größere und schnellere Caches beschleunigen die Fähigkeit einer CPU, Aufgaben auszuführen, die häufigen Datenzugriff erfordern.

Computerprozessoren werden mithilfe von Herstellungsprozessen im Nanometerbereich (nm) (z. B. 7 nm oder 5 nm) hergestellt. Kleinere Knoten bedeuten, dass mehr Transistoren auf den Chip passen, was zu einer höheren Energieeffizienz und Leistung führt, da Signale kürzere Distanzen zurücklegen und daher weniger Zeit und Energie benötigen.

Andere Faktoren wie IPC (Instructions Per Cycle), Busgeschwindigkeit und Thermal Design Power spielen ebenfalls eine Rolle dabei, wie viel Leistung Sie aus einer CPU herausholen können.

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Abschließende Gedanken: Thread vs. Kern

Wenn es um die Computerleistung geht, ist die CPU die Hauptabteilung, die für die Ausführung von Programmen verantwortlich ist. Ein CPU-Kern ist eine physische Einheit in einer CPU zur Verarbeitung von Aufgaben. Typischerweise verfügen CPUs über mehrere Kerne, von denen jeder mindestens einen Thread ausführt.

Ein Thread bezieht sich oft auf die kleinste Befehlsfolge, die zur Verarbeitung an einen CPU-Kern gesendet wird. Jeder CPU-Kern kann jeweils mindestens einen Thread verarbeiten. Bei Prozessoren mit Hyper-Threading erhöht sich diese Zahl auf zwei, was bedeutet, dass zwei Threads gleichzeitig die Ressourcen eines Kerns nutzen können, um verschiedene Aufgaben auszuführen.

Während Kerne, die SMT-Technologien unterstützen, mehr als einen Thread gleichzeitig verarbeiten können und theoretisch ein besseres Multitasking bieten, führt dies nicht immer zu einer direkten Steigerung der Verarbeitungsleistung.

FAQ

Ist es besser, mehr Kerne statt Threads zu haben?

Dies hängt von den Programmen ab, die Sie verwenden möchten. Anwendungen mit vielen Threads laufen in der Regel besser, wenn mehr Threads vorhanden sind, während einige Programme möglicherweise besser auf Single-Thread-Kernen laufen. Mehr Kerne bedeuten jedoch eine direktere Steigerung der CPU-Leistung.

Wie viele Threads hat ein Kern?

Bei den meisten heutigen Intel-CPUs kann jeder Kern dank einer Technologie namens Hyper-Threading zwei Threads gleichzeitig verarbeiten. Dies ist jedoch nicht bei allen Prozessorchips der Fall. ARM-basierte CPUs verfügen beispielsweise über einen Thread pro Kern.

Was ist der Unterschied zwischen einem Kern und einem Prozessor?

Ein Kern ist eine physische Verarbeitungseinheit innerhalb eines Computerprozessors (CPU). Innerhalb eines Prozessors kann es mehrere Kerne geben, bei denen es sich um einzelne Verarbeitungseinheiten handelt, die Anweisungen unabhängig voneinander ausführen können.