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Das Einmaleins der APU: Was heterogene Computersysteme versprechen

Wie die APUs von AMD eine ausgewogenere Prozessorarchitektur verkörpern und das volle Potenzial heterogener Computersysteme ausschöpfen.

Der Beginn des Multi-Core-Zeitalters

Als durch Fortschritte in der Halbleitertechnologie der Weg in das Multi-Core-Zeitalter geebnet war, wurden GPUs zunehmend komplex und damit interessanter für den Einsatz bei weiteren parallelen Rechenaufgaben.

Die Bemühungen der letzten zehn Jahre, Grafikkarten auch für allgemeine Rechenaufgaben einzusetzen, gingen einher mit einem bedeutenden Wandel in der Anwenderkultur. Die beachtliche Zunahme digital verfügbarer Inhalte hat zu einer wesentlich größeren Nachfrage nach erstklassigen Grafikanwendungen geführt, beispielsweise die Wiedergabe von Videos und die Anzeige von HD-Inhalten. Zur gleichen Zeit erforderte die Unterstützung neuer Betriebssysteme für fortschrittliches Multitasking eine Verarbeitungseffizienz einer völlig neuen Größenordnung (z. B. Mehrkern-CPUs).

Ende 2010 war bereits nahezu jeder neue Desktop-Computer mit einem Mehrkern- Prozessor ausgestattet und auch Quad-Core-Prozessoren wurden in bezahlbare Computersysteme integriert.


Die Voraussetzungen schaffen für einen riesigen Sprung nach vorne

Im Bereich der Mehrkern-Verarbeitung mussten zunächst einige technische Hürden überwunden werden: die zusätzlichen Kerne sowie der vergrößerte Cachespeicher, die zum Ausführen von angewachsenen Befehlspipelines erforderlich waren, setzten größere Prozessoren sowie einen erhöhten Stromverbrauch voraus.

Das stete Bemühen, die Leistung zu verbessern und die Beschränkungen in Bezug auf Leistung und Skalierbarkeit bei der Entwicklung von Mehrkern-CPUs, haben Entwickler von Prozessoren, Software und Systemen dazu veranlasst, sich näher mit den vektorverarbeitenden Fähigkeiten von Grafikprozessoren zu beschäftigen.

Doch auch die Vektorverarbeitung ist nicht immer die richtige Lösung. Beispielsweise verursacht jedes kleine Daten-Array eine Verzögerung, da zur Vorbereitung der Verarbeitung einige Schritte erforderlich sind, sodass bei Verarbeitung vieler kleiner Daten-Arrays letztendlich keine Zeit gewonnen wird. Daher ist der von den CPUs verwendete skalare Ansatz bei bestimmten Problemen und Algorithmen immer noch der beste.

Das Verhältnis von CPU und Grafikkarte blieb auch weiterhin sehr unbeständig – bis zur Einführung der APU, dem Wendepunkt in der Geschichte heterogener Computersysteme.


Definition heterogener Computersysteme

Unter heterogenen Computersystemen versteht man Systeme, die mehr als einen Prozessortyp verwenden. Hierbei handelt es sich um Mehrkern-Systeme, bei denen die Leistungssteigerung nicht nur durch das Hinzufügen von zusätzlichen CPU-Kernen erzeugt wird, sondern vor allem durch die Integration spezialisierter Prozessorkerne, um gewisse Rechenaufgaben optimal zu verarbeiten.

Die APU ist ein heterogenes System, bei dem spezialisierte DirectX® 11-fähige Grafikkerne zur Verarbeitung von Grafiken und anderen rechenintensiven Prozessen auf sehr großen Datensätzen eingesetzt werden, wie z.B 3D-Rendering. Zum Ausführen des Betriebssystems und der meisten konventionellen Anwendungen verwendet die APU weiterhin eine CPU.


Beschränkungen der CPU-GPU-Architektur aufheben

APUs kombinieren universell einsetzbare CPU-Kerne und programmierbare vektorverarbeitende Maschinen – so können komplexe skalare Rechenaufgaben der CPU zusammen mit den hochparallelen vektorbasierten Befehlssätzen der GPU in einem Chip synchron verarbeitet werden.

In der ersten APU-Generation führte AMD bereits die wesentlichen Systemelemente ein (CPU-Kerne, vektorverarbeitende GPU-Kerne und UVD für HD-Dekodierung). Diese waren direkt an den Bus angeschlossen (und daher an den Speicher), sodass ein altbekanntes Problem integrierter GPUs beseitigt werden konnte. Anstelle einer unausgewogenen, Zwei-Chip-Datenübertragungslösung, bei der eine CPU mit einer weniger leistungsfähigen GPU kombiniert wird – die typischerweise zu kürzeren Akkulaufzeiten neigt – konnte mit einem gemeinsamen Pfad zum Systemspeicher dieses Problem vollständig umgangen werden.

Die APU-Architektur ermöglicht eine Multi-GPU-Konfiguration, bei der zur Verbesserung der Grafikleistung eine diskrete Grafikkarte zum System hinzugefügt werden kann. Eine solche Konfiguration hat den weiteren Vorteil, dass das System seine Leistung an den aktuellen Bedarf anpassen kann. Hierbei werden alle verfügbaren Ressourcen ausgeschöpft und eine beispiellose Leistung und Energieeffizienz ermöglicht.


APUs für die visuellen Erlebnisse eines neuen Jahrhunderts

Da digitale Inhalte zunehmend visuell werden, verlangen immer mehr Anwender nach Inhalten in HD. Heute liegen neun Milliarden Videodateien in den persönlichen Bibliotheken der Kunden in hoher Definition vor.1 Das Zeitalter der APU ist gekommen, weil sie einfach die beste Lösung zum Abspielen von HD in kleinen Bauformen ist.

Um das Surfen im Internet zu einem besseren Benutzererlebnis zu machen, arbeitet AMD mit Softwareanbietern an einer beschleunigten 2D-Option, die zu wesentlich schnelleren Ladezeiten führen wird. Zusammen mit der Entwicklung von APU-integrierten UVDs, die Videos verbessern und auf dem Großbildschirm präsentieren können, verspricht die 2D-Option eine brillante Zukunft für Web-Browsing.

Und so wirken sich APUs nicht nur auf die Anzeigequalität aus. Aufgrund der Zunahme von hochkarätiger Grafik spielen Funktionen wie Suche und Indizierung sowie das Bereinigen von Foto- und Videodateien für Anwender heute eine immer zentralere Rolle. In diesen Bereichen können APUs dazu beitragen, Prozesse stark zu vereinfachen und das System erheblich zu beschleunigen.


APUs für Bauformen: Mehr Leistung, kompakteres Design

Durch die anhaltende große Nachfrage nach kleineren PCs müssen diese heute wesentlich mehr Funktionen integrieren und in einem weitaus kompakteren Design erscheinen. Wenn der verfügbare Raum eng wird, müssen Entwickler nicht nur die Anzahl der Komponenten reduzieren, sondern gleichzeitig auch höchsten Leistungsanforderungen gerecht werden. Zumal für viele Benutzer ihr einziger Computer ein Notebook oder ein anderes mobiles Gerät ist.

Durch die Vereinigung von CPU, GPU und anderen spezialisierten Prozessoren auf einem Chip können APUs den Raumbedarf erheblich verringern, was zu ungeahnten Möglichkeiten in puncto Funktionalität und Bauform führt. In den nächsten Monaten werden Sie neue AMD APU-basierte ultradünne Notebooks, Netbooks, Tablets und Slates sehen – sowohl in bekannten, als auch in noch heute unbekannten innovativen Designs.


APUs für zukünftige Benutzeroberflächen

Seit jeher besteht ein großes Interesse an Benutzeroberflächen, die lediglich einen Blick, ein Wort oder eine Geste benötigen, um die Wünsche des Benutzers zu erkennen und zu erfüllen.

Stellen Sie sich vor, wie mehrere Sensoren verschiedene Arten von Informationen sammeln: wie der Benutzer seine Hände bewegt, ob er sitzt oder steht, was er sagt. Schon heute befindet sich neue Software in der Entwicklung, die diese Informationen kontextspezifisch interpretieren kann. Im Zeitalter der APUs rückt die Marktreife solcher Benutzeroberflächen einen entscheidenden Schritt näher.


Hin zu einer ausgewogeneren Computing-Architektur

Heterogene Computersysteme eröffnen ganz neue Möglichkeiten – von praktisch fehlerfreien HD-Videokonferenzen bis hin zu einer bisher unvorstellbaren Darstellungsqualität und der Sprachübersetzung in Echtzeit.

Heterogene Computersysteme verbinden die positiven Eigenschaften von CPUs und GPUs – bei immer niedrigerem Energiebedarf für immer kompaktere Modelle mit immer längeren Akkulaufzeiten – ein entscheidender Faktor für ein optimiertes Benutzererlebnis.

Und genau aus diesem Grund ist das Potenzial von APUs, skalar- und vektorverarbeitende Prozessorkerne in einer optimalen Einheit zu vereinigen sowohl für Endbenutzer wie auch für Hard- und Softwareentwickler von großer Bedeutung.


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Fußnoten

1 CEA Market Research Report – Amassing Digital Fortunes: A Digital Storage Study, Mai 2008

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