Mehrkernarchitekturen

Mehrkernarchitekturen bezeichnen Computerarchitekturen, bei denen mehrere unabhängige Recheneinheiten, Kerne genannt, auf einem einzigen Chip integriert sind. Die Kerne arbeiten gemeinsam an Programmen, nutzen denselben Hauptspeicher und teilen I/O-Ressourcen. Dadurch lassen sich parallele Ausführung und eine bessere Energieeffizienz erreichen, insbesondere bei multithreaded- oder parallelisierbaren Anwendungen.

Typische Merkmale sind eine gemeinsame Speicherhierarchie, pro Kern vorhandene Caches und ein Cache-Kohärenzprotokoll, das sicherstellt, dass Kopien von Daten in verschiedenen Caches konsistent bleiben. Die Kerne kommunizieren über einen On-Chip-Interconnect, der Datenaustausch und Kohärenz ermöglicht. Mehrkernprozessoren können homogen sein (Kerne mit ähnlicher Leistung) oder heterogen, wobei verschiedene Kerne unterschiedliche Leistungs- bzw. Energieprofile bieten (beispielsweise ARM big.LITTLE-Designs).

Die Programmierung von Mehrkernarchitekturen erfordert oft Parallelisierung, etwa durch Threads oder Aufgaben, die gleichzeitig auf mehreren Kernen laufen. Betriebssysteme unterstützen Scheduling und Synchronisation, und Entwickler müssen Faktoren wie Datenrennen, Deadlocks und die Kosten von Synchronisation berücksichtigen. Amdahls Gesetz mahnt, dass die erzielbare Beschleunigung durch Parallelisierung von dem Anteil serieller Teile einer Aufgabe begrenzt wird.

Historisch führten Mehrkerne in Personalcomputern zu deutlichen Leistungssteigerungen, ohne bei jedem Kern die Taktung erhöhen zu müssen. Heute finden sich Mehrkerner in einer Vielzahl von Mikroprozessorfamilien, darunter Intel Core, AMD Ryzen und ARM-basierte Systeme. Zu den Herausforderungen zählen begrenzte Speicherbandbreite, Energieverbrauch und die Komplexität der Software-Entwicklung, insbesondere bei feinkörniger Parallelität.