Mehrkernstrukturen

Mehrkernstrukturen bezeichnen Rechensysteme, in denen mehrere Prozessorkerne auf einem einzigen Chip oder in einer gemeinsamen Gehäuseeinheit vorhanden sind. Jeder Kern führt eigene Befehle aus, teilt jedoch Ressourcen wie Cache, Hauptspeicher und I/O-Busse. Dadurch steigt die Rechenleistung, insbesondere bei parallelisierbaren Anwendungen, ohne dass mehrere Chips benötigt werden.

Typische Architekturen verwenden ein Shared-M-memory-Modell, bei dem Kerne über einen gemeinsamen Hauptspeicher kommunizieren. In größeren Systemen treten Konzepte wie Symmetric Multiprocessing (SMP) oder Chip-Level Multi-Core (CMP) auf. Durch größere Systeme kann auch Non-Uniform Memory Access (NUMA) eine Rolle spielen, bei der Speicherzugriffe je nach Kernort unterschiedliche Latenzen haben. Caches arbeiten oft mit Protokollen wie MESI, um Konsistenz zwischen Kernen zu gewährleisten.

Vorteile liegen in höherem Durchsatz bei Mehrfachausführung, besserer Auslastung mehrerer Threads und potenzieller Energieeffizienz, da mehr Rechenarbeit pro Watt erzielt werden kann. Gleichzeitig erfordern Mehrkernstrukturen entsprechende Softwareunterstützung: Programme müssen parallelisiert, Threads sicher synchronisiert und Race-Conditions vermieden werden. Die Skalierbarkeit ist durch Abhängigkeiten wie Speicherbandbreite, Cache-Kohärenz-Verkehr und Kommunikationsdominanz begrenzt (Prinzip der Amdahl-Grenze).

Typische Einsatzgebiete sind Server-, Desktop- und Mobile-Anwendungen sowie eingebettete Systeme. In der Praxis werden oft heterogene Architekturen kombiniert, zum Beispiel durch verschiedene Kerntypen oder konkrete Energiesparmechanismen wie Big.LITTLE-Designs. Die Entwicklung von Software für Mehrkernstrukturen erfordert geeignete Programmierparadigmen, Tools und Bibliotheken für Parallelisierung (z. B. Threading, parallele Bibliotheken, SIMD).