Hardware 15.10.1999, 17:23 Uhr

Neue Ära der PC-Prozessoren: Der Ein-Chip-Supercomputer

Auf Michael Slaters Microprocessor Forum in San Jose präsentieren die Chipentwickler alljährlich ihre Zukunftskonzepte. Neue 64-bit-Designs drohen, in Zukunft den bisherigen Technologieführer Intel vom Thron zu stoßen.

Pünktlich zur Millenniumwende ist mal wieder eine neue Ära der PC und ihrer Mikroprozessoren angesagt, so die Quintessenz des Microprocessor Forums, das vergangene Woche in San Jose stattfand. Doch wenn man in der Halbleitergeschichte ein bisschen zurückblättert, dann gab es zu Anfang jeder Dekade eine solche „neue Ära“ – die ersten Chip-Prozessoren um 1970, die kundendefinierten Asics um 1980 und die in ihre Anwendung eingebetteten „Systeme auf einem Chip“ nach 1990.
Was dabei ungebrochen weiterlief, getrieben durch „Moore“s Law“, war die Mikrominiaturisierung der Chipgeometrien und der exponentielle Anstieg der Funktionalität. Das alles geht sicherlich, da stimmen auch die Pessimisten überein, noch mindestens zehn Jahre so weiter. Bis zur nächsten Ära der Chips.

Mikroprozessoren auf Supercomputer-Niveau

Doch eines wandelt sich beim Jahresstand 2000: Die Mikroprozessoren emulieren nicht mehr, wie bisher, die Mainframe-Computer, sondern die Supercomputer. Mit raffinierter Superscala-Parallelverarbeitung auf Befehls- oder Programmebene, mit Prädiktion und Prädikation von Programmverzweigungen und auch mit mehreren eng gekoppelten Prozessorkernen in einem Gehäuse. Das ist definitiv eine sprunghafte Innovation. Also doch eine neue Ära. Aber kein Ende der PC, wie vielfach beschworen.
Der Umschwung bedeutet vielmehr das Zurücktreten der Tischrechner als Leistungstreiber zugunsten neuer Anwendungen mit eingebetteten Prozessorkernen für die portable Datentechnik. John Hennessy von der Stanford University und Pionier der Risc-Computer als Vorstufe der Prozessorgenerationen der nächsten Dekade sieht das so: „Zugriff auf Informationen, Vielfalt von Information-Appliances und Web-zentrisches Rechnen.“ Das braucht neue Konzepte und neue Konfigurationen.
Bislang, so Hennessy, hat sich die Funktionsleistung der PC-Prozessoren alle zwei Jahre verdreifacht. Und damit einen Punkt erreicht, an dem wie Weiland 1975 eine neue Softwarekrise droht: Diesmal nicht in der Produktivität der Anwenderprogramme, sondern bei den Betriebssystemen und Compilern für die neuen Supercomputer auf einem Chip. Die Hardware-Entwicklung eilt der Software beträchtlich voraus.
„Wir müssen den Software-Guys helfen – sie brauchen dringend unsere Hilfe.“ Nämlich beim Entwerfen möglichst einfacher, aber effizienter Compiler, die die Quellenprogramme in Maschinenkode übersetzen und für die „Out-of-Order“-Parallelverarbeitung der neuen Prozessoren optimieren. Hilfe auch beim Training von Programmierern. Der Marktführer Intel hat dazu eigens einen 250-Mio.-Dollar-Fonds angelegt. Er soll die notwendigen Scharen von Software-Entwicklern an seine neue 64-bit-Prozessorarchitektur andocken.
Intels erster IA-64-Prozessor „Merced“ – jetzt heißt er „Itanium“ – soll nächstes Jahr starten. Sechs Jahre hat die Entwicklung gedauert, und noch immer ist sie nicht abgeschlossen. Die Anwender werden langsam ungeduldig und der Wettbewerb zunehmend schnippisch. „Mercy, Mercy, Merced“, kritisierte kürzlich eine kesse Überschrift in Slaters Microprocessor Report die Verzögerung, von der er sich später auf Drängen Intels distanzieren mußte.
Doch es ist etwas dran: Intels Itanium soll nach einjähriger Verzögerung nun im ersten Halbjahr 2000 als erster Mainstream-64-bitter am Markt erscheinen. Trotzdem gibt Intel noch keine Takt- und Leistungsdaten bekannt. Nur die Epic-Architektur (Explicitly Parallel Instruction Computing) mit der zehnstufigen Befehlsverarbeitung (Pipeline) wurde auf dem Forum dargestellt. „Mehr als zwölf Systemhersteller bauen schon Maschinen“, sagt Intel-Entwickler Sharangpani. Itanium wird zur Zeit mit sieben Betriebssystemen getestet. Die Epic-Compiler liegen laut Intel innerhalb 10 % der geforderten Spezifikationen. Trotzdem, die Industrie zögert. Die lange Zeit lineare Evolution der PC-Prozessoren ist im Moment nicht klar.

Auch beim Itanium arbeitet AMD an einer Alternative

Da setzt der zähe Intel-Herausforderer AMD (dessen „Athlon“ ist im Moment mit 700 MHz schneller als Intels „Coppermine“ Pentium III) mal wieder und noch einmal alles auf eine Karte: Ein eigener 64-bit-Prozessor namens „SledgeHammer“ soll mit wuchtigen Schlägen endlich Intels Vorherrschaft brechen und eine willkommene Alternative bilden, falls Itanium sein Gewicht nicht auf die Waage bringt.
Der Clou: AMDs SledgeHammer ist zu Intels Itanium inkompatibel. Er erweitert einfach den von Intel bewusst als Systembruch abgelegten Befehlssatz der klassischen 32-bit-Familie X86 zum „X86-64“. Und erleichtert damit – vielleicht – den künftigen Programmierern das Leben.
Vor allem aber: Mit SledgeHammer würde AMD vom ewigen Intel-Klonierer endlich zum echten alternativen Anbieter. Wenn es klappt. Denn SledgeHammer ist ein gerade anlaufendes Projekt. Er kann frühestens 2001 fertig sein – wenn Intel seine zweite, verbesserte IA-64-Generation „McKinley“ ins Rampenlicht stellt
Auch der geduldige Intel-Anwender IBM – zumindest in der PC-Arena – setzt sich mit einem gewaltigen Befreiungsschlag neu in Szene: mit dem „Power4“ aus der Ahnengalerie des PowerPC. Ein wahrer Monsterchip ist dieser Power4: 170 Mio. Transistoren, zwei Prozessorkerne und dreifacher Cache-Speicher, 1 GHz Takt, Speicher-Interface mit 10 GByte/s. Je vier dieser Power4-Chips sitzen in einem Modulgehäuse. Der Leistungsverbrauch erreicht gewaltige 0,5 kW. Erste Muster sollen Mitte 2000 verfügbar sein – allerdings nur zum internen Gebrauch von IBM.
Auch Compaq macht mit dem Alpha EV-8 nochmals einen gewaltigen Anlauf ins Post-PC-Millennium. Der EV-8 enthält 250 Mio. Transistoren und einen achtfachen Multiprozessor mit vierfachem Multithreading. Auch hier der Haken: frühestens lieferbar 2002.
Motorola verfolgt bewusst das Gegenteil der Monsterchip-Strategie. Der neue G4+, rascher Nachfolgetyp des G4, kommt selbst mit großem 256 kByte L2-Cache „nur“ auf 33 Mio. Transistoren. Außerdem ist er mit 10 W sehr sparsam in der Leistung – und damit prädestiniert für portable Internet-Applikationen.
Sun Microsystems schließlich, mit dem Risc-Konzept Sparc lange Zeit im Highend-Bereich zu Hause, navigiert zweigleisig in die Zukunft der portablen Java-Applikationen. Neben dem neuen Server-Prozessor Sparc64 V, mit 1 Gigahertz Takt und 65 Mio. Transistoren (lieferbar Ende 2000) kommt der erste MAJC 5200 mit zwei Prozessoren und einer Leistung von 6,16 Gigaflops mit einfacher Präzision.

Parallele Verarbeitung nach Art des jeweiligen Herstellers

Das heißt, die Anwender müssen sich entscheiden zwischen etlichen Alternativen der parallelen Verarbeitung. Jeder Hersteller probiert sein eigenes Konzept: Parallelität auf der Ebene der Befehlsverarbeitung (instruction-level parallelism, ILP), wie bei Intel gepflegt. Oder „Thread-level“-Parallelität (TLP) in zwei Varianten: mit multiplen Prozessoren auf einem Chip (CMP, wie bei IBM) oder mit paralleler Verarbeitung mehrerer Tasks (oder Threads) wie Suns MAJC oder Compaqs EV-8. Andere Hersteller versuchen höhere Taktfrequenzen und Speicher-Bandbreiten. Erst nach zwei, drei Generationen, meint Analyst Lin Gwennap von MicroDesign Resources, werden die Prozessoren ILP und TLP kombinieren und zum Mainstream zusammenfinden.
WERNER SCHULZ
Entthronter Spitzenreiter: Der Pentium III soll schon Anfang nächsten Jahres vom neuen Itanium abgelöst werden. Doch viel mehr verrät Intel nicht.
Schneller als Intel: AMD ruht sich nicht auf Athlon-Lorbeeren aus, sondern arbeitet bereits am SledgeHammer.

Von Werner Schulz
Von Werner Schulz

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