Mehrprozessorsystemen

Mehrprozessorsysteme sind Computersysteme, die aus mehr als einem Zentralprozessor bestehen und gemeinsamen Zugriff auf Speicher und Peripherie ermöglichen. Sie setzen darauf, Arbeiten parallel zu bearbeiten, wodurch Throughput steigt und große Anwendungen schneller ausgeführt werden können. Typische Architekturformen unterscheiden sich vor allem in der Art der Speicherzugriffe und der Skalierbarkeit.

Die verbreitetste Form ist das Symmetric Multiprocessing (SMP). Bei SMP teilen sich mehrere Prozessoren denselben Hauptspeicher und gleiche I/O-Ressourcen; jeder Prozessor kann auf alle Daten zugreifen, und eine Cache-Kohärenz sorgt dafür, dass Änderungen in einem Cache konsistent sichtbar werden. Grenzen ergeben sich durch Speicherbandbreite, Interconnect-Latenzen und Synchronisationsaufwand.

Eine weitere Klasse ist NUMA (Non-Uniform Memory Access). Hier besitzt jeder Prozessor lokalen Speicher, auf den Zugriff schneller erfolgt als auf fremden Speicher. Durch globale Adressierung bleibt der Speicher sichtbar, doch die Zugriffszeiten variieren. NUMA ermöglicht bessere Skalierbarkeit für größere Systeme im Vergleich zu reinen SMP-Lösungen. In sehr großen Systemen kommen auch Massively Parallel Processing (MPP)-Architekturen oder verbundene Server-Cluster zum Einsatz, bei denen viele Prozessoren über schnelle Netze kommunizieren.

Betriebssysteme unterstützen Mehrprozessorsysteme durch Scheduling, Thread- bzw. Prozessverwaltung und Cache-Kohärenzprotokolle (z. B. MESI). Programmierung erfolgt oft mit Parallelisierungstechniken wie OpenMP, MPI oder paralleler Bibliotheken; Virtualisierung ergänzt die Einsatzmöglichkeiten in Rechenzentren.

Zu den Vorteilen zählen erhöhter Durchsatz, bessere Rechenleistung bei multi-threaded Workloads sowie Redundanzmöglichkeiten. Herausforderungen sind Komplexität, Synchronisation, Speicherhierarchie, Energieverbrauch und Kosten. Mehrprozessorsysteme bleiben zentral für Server, HPC, datenintensive Anwendungen und Cloud-Umgebungen.