Computerview

Im Produktbereich Mikroprozessoren hat Intel momentan einen ungefähren Marktanteil von 80 Prozent. Der einzige ernsthafte Konkurrent ist AMD, kleinere Hersteller wie etwa Infineon spielen für den Marktführer keine Rolle. Beide erfolgreichen Prozessorhersteller liefern sich nun einen Wettkampf um Marktanteile für Mehrkernprozessoren. Bereits 2005 kam Intel mit einem 2-Kern-System (Pentium D) als Nachfolger des Pentium 4 heraus.
Einen wesentlichen Schritt zur parallelen Anweisungsverarbeitung hat Intel bereits Ende der Neunziger Jahre beim Pentium gemacht. Bis dahin (u. a. beim 486) konnte keine parallele, sondern nur eine verschränkte Bearbeitung von Befehlen durch das Prinzip des Pipelining realisiert werden. Dabei können für unterschiedliche Befehle jeweils unterschiedliche Stufen ihrer Bearbeitung, z.b. Holen des Befehls (instruction fetch), Dekodieren und Bearbeiten innerhalb der Recheneinheit (ALU), zur gleichen Zeit ausgeführt werden. Nicht möglich ist es hingegen in einer solchen Architektur, in der Recheneinheit jeweils zwei Befehle gleichzeitig zu bearbeiten. Dies änderte sich mit der Einführung des Pentium: Hier standen zwei Pipelines nebeneinander, die zur gleichen Zeit Zugriff auf die gleichen Systemkomponenten hatten.
Bei der Mehrkernarchitektur ist nun nicht nur der Zugriff auf die Hardware, sondern auch die Hardware selbst parallelisiert. Insbesondere existieren mehrere ALUs. Die aktuelle Version Pentium Dual-Core 2 ist in zwei Versionen, einmal für stationäre PCs und eine für Laptops, erhältlich.
Die durch die Mehrkernarchitektur erreichte Leistungssteigerung lässt sich nicht pauschal beziffern. Ein wesentlicher Faktor dabei ist, ob die angewandte Software für den Betrieb mit solchen Systemen programmiert worden ist. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt ist nicht in der Mehrzahl der Produkte im Bereich Anwender-Software der Fall. Die weitere Verbreitung des neuen Betriebssystems Vista von Microsoft dürfte dies jedoch in den nächsten Jahren ändern.

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Moderne Festplatten können mehr als 200 Gigabit auf einem Quadratzoll speichern. Immer schwieriger wird es jedoch, die entsprechend kleinen Segmente im Nanometerbereich auch zu beschreiben oder davon zu lesen. In einer vor kurzem im “Journal of Applied Physics ” veröffentlichten Studie hat nun Marian Vopsaroiu ein Lese-Schreib-Verfahren vorgestellt, mit Hilfe dessen eine wesentlich größere Speicherdichte ermöglicht werden könnte.
Normale Festplatten auf dem heutigen Stand der Technik arbeiten mit dem so genannten „magnetoresistiven Effekt“. Der Leseschreibkopf fungiert dabei als Elektromagnet und setzt ein Bit auf einem Speichersegment, in dem er dieses magnetisiert. Um das entsprechende Bit wieder auszulesen, fährt der Kopf abermals über das entsprechende Speichersegment. Ein diesem Kopf fließender Strom erfährt durch das vom Speichersegment erzeugte magnetische Feld eine Änderung seines elektrischen Widerstandes. Auf diese Weise ist dann feststellbar, dass das Bit tatsächlich gesetzt ist. Für dieses Verfahren muss innerhalb des Kopfes natürlich sowohl beim Lesen als auch beim Schreiben ein permanenter elektrischer Strom fließen. Dies hat zum Beispiel die Nachteile der Erhitzung der Umgebung durch den Strom und einen erhöhten Stromverbrauch des Computers.
Vopsaroius Vorschlag hingegen basiert auf einem Prinzip, das keinen kontinuierlichen Strom im Kopf voraussetzt: Bestimmte Materialien können, wenn sie magnetisiert sind, selbst einen kleinen Spannungsimpuls induzieren. Diese Spannung kann beim Lesevorgang dann ihrerseits im Kopf registriert werden. Für den Schreibvorgang muss der Kopf lediglich selbst magnetisiert sein, er kommt ohne einen eigenen elektrischen Stromkreis aus. Man spart dadurch Platz und reduziert die Temperaturerhöhung durch Festplattenoperationen. Darüber hinaus lässt sich dieses System aus materialtechnischen Gründen mit kleineren Köpfen als herkömmliche L-S-Köpfe realisieren. Der Sensor könnte nach Angaben von Vopsaroiu auf bis zu 19 Nanometern verkleinert werden, dies entspricht einer fast fünfzigprozentigen Größenersparnis gegenüber heutigen handelsüblichen Systemen. Dies hängt jedoch davon ab, mit welchen Materialien der magneto-elektrische Effekt erzeugt wird. Darüber hinaus stellt der Zusammenbau solch kleiner Komponenten eine große Herausforderung dar. Daher bleibt abzuwarten, ob ein solches System bald zur Marktreife gelangt.

Literatur:
A new magnetic recording read head technology based on the magneto-electric effect. Marian Vopsaroiu, John Blackburn and Markys G Cain 2007 J. Phys. D: Appl. Phys. 40

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Intel, aber auch der Konkurrent AMD, setzen immer mehr auf parallel arbeitende Prozessorsysteme. Warum?

Die Geschwindigkeit von Berechnungen innerhalb von Prozessoren lässt sich durch heute verfügbare Technologien nicht beliebig erhöhen. Im Bereich der Personal Computer (z. B. beim Dual-Core-System von Intel) und auch bei den Hochleistungsrechnern gelangt man stattdessen durch das Prinzip der parallelen Signalverarbeitung zu einer wesentlichen Leistungssteigerung. Prozessoren, die in PCs verwendet werden, verfügen daher zum Teil über mehrere Rechnerwerke. Bei Großrechnern hingegen werden auch Prozessoren selbst parallel geschaltet.

Eine einfache Nebeneinanderschaltung von Prozessoren ist jedoch nicht hinreichend, um die Rechenleistung zu steigern. Denn die Bearbeitung von Rechenaufträgen muss auch auf eine effiziente Weise auf die verschiedenen Prozessoren verteilt werden. Diese Steuerungsleistung wiederum darf nicht zuviel Zeit in Anspruch nehmen, da sonst der Geschwindigkeitsgewinn wieder von der Systemverwaltung aufgezehrt werden würde.
Wie genau bei Mehrprozessorsystemen verschiedene Rechenwerke eine komplexe Berechnung parallel durchführen können, hängt auch von der Speicherarchitektur ab. Wenn die Berechnung eines komplexen Datums auf mehrere Prozessoren verteilt werden soll, brauchen alle Prozessoren auch einen Zugriff auf dieses Datum; sie müssen also mit einem gemeinsamen Speicher verbunden sein, und sie können im besten Fall parallel und nicht nur hintereinander (sequentiell) auf diesen Speicher zugreifen. Diese Architektur kennzeichnet die sog. „Vektorprozessoren“. Eine noch stärkere Form der Parallelität ist in Rechnern realisiert, die nicht nur mehrere einfache Daten, sondern auch mehrere Befehle auf je einem Datum parallel ausführen können.

Nicht allein technische Faktoren bestimmen die Wahl zwischen den verschiedenen Großrechnerarchitekturen. Angesichts der hohen Zahl an verwendeten Komponenten müssen die Unternehmen auch auf die Kosten achten. Das Mittel der Parallelität eröffnet die Möglichkeit, auf den Einsatz spezieller Hochleistungsprozessoren zu verzichten und stattdessen eine extrem hohe Zahl mehr oder weniger einfacher Prozessoren zu sogenannten „Computerclustern“ zusammenzufügen.

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Ich habe mal einen PC günstiger bekommen, der eine Woche zuvor schon einmal verkauft worden war: Der Erstbesitzer hatte ihn zurückgebracht. Sein Tinnitus vertrug das Kühlergeräusch nicht.
Zwar verschaffte mir das einen preiswerten Rechner. Aber die Eingewöhnungszeit war ziemlich hart. Das Geräusch konnte ich mittels Kopfhörern halbwegs ausblenden; der Computer neigte aber aufgrund des schlechten Kühlers zum Überhitzen – und ging ständig aus.
Irgendwann hatte ich genug und beschloss, etwas zu unternehmen. Auf Anraten eines Freundes erneuerte ich die Wärmeleitpaste. Mit bescheidenem Erfolg.
Die nächste (und letzte) Möglichkeit bestand im Austauschen des Kühlsystems. Und da der PC meine nicht ganz bescheidenen Ansprüche sonst gut erfüllte, investierte ich in eine Wasserkühlung.
Wasserkühlungen sind momentan die effektivsten Computer-Kühlsysteme. Der Trick besteht darin, dass Wasser Wärme viel besser leitet als Luft. Leitet – in beide Richtungen: Kühlung nach innen, Wärme nach außen.
Ich kaufte ein Set zum Selbsteinbau. Das hat, mit ein bisschen Hilfe, gut geklappt; daneben gibt es aber inzwischen auch fertige Gehäuse mit integrierter Kühlung und Einsteiger-Sets. Letztere muss man zwar auch selbst einbauen, die wesentlichen Komponenten sind aber schon zusammengefügt, was die Sache deutlich erleichtert.
Das Resultat ist verblüffend: Der Computer überhitzt gar nicht; weder im Winter noch bei tagelangem Betrieb; und ist unglaublich leise. Die Wasserkühlung ist eine mehr als überzeugende Alternative; langfristig werden Wasserkühlungen sich zweifellos gegen konventionelle Kühlsysteme behaupten.

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