CPUs (Prozessoren)

Serverprozessoren - Skalierbare Rechenleistung für hohe Anforderungen

Als zentrale Recheneinheit von Servern und Workstations wird der Prozessor auch als CPU (central processing unit) bezeichnet. Durch die Weiterentwicklung der Chiptechnologie wurde die Leistungsfähigkeit immer weiter gesteigert, die Aufgabe dieser Komponenten blieb mit der Verarbeitung von Daten und Rechenbefehlen jedoch weitgehend unverändert.
Die beiden US-amerikanischen Hersteller Intel und AMD (Advanced Micro Devices) konkurrieren im Marktsegment der Desktop- und Serverprozessoren. Mit den Xeon CPUs für professionelle Anwendungen ist Intel dabei jedoch trotz der mittlerweile starken Konkurrenz durch AMDs EPYC Prozessoren der Marktführer in diesem Bereich. Durch ihre Skalierbarkeit ermöglichen diese CPUs häufig den Einsatz mehrerer Prozessoren in einem System, wodurch die Rechenleistung weiter erhöht werden kann.

Die Prozessorgenerationen - Leistungssteigerung durch moderne Fertigungstechnik

Je nach Modellreihe und Generation unterscheiden sich die CPUs im Aufbau des verwendeten Halbleiterchips (Die) und somit in ihrer Leistungsfähigkeit. Dabei bestimmt die vom Fertigungsprozess abhängige Strukturbreite, wie viele Transistoren und Einheiten auf einem Chip integriert werden können. Diese Größenangabe erfolgt in Nanometern (nm) und generell gilt hier, dass kleinere Strukturen eine höhere Rechenleistung und Energieeffizienz ermöglichen. Da mit moderneren Fertigungstechniken meist auch größere Datenströme verarbeitet werden können, unterstützen neuere Prozessorgenerationen etwa schnelleren Arbeitsspeicher und stellen eine größere Anzahl PCIe-Lanes (PCI-Express) zur Anbindung von Grafikkarten und NVMe-SSDs (Non-Volatile Memory Express) mit hoher Bandbreite zur Verfügung.

Wie unterscheiden sich die Sockel zum Einbau der Prozessoren?

Zur Installation der Chips im System dient eine Trägerplatine, die durch elektrische Kontakte an der Unterseite die Verbindung zwischen Prozessor und Mainboard herstellt. Bei der technischen Umsetzung dieser Kontakte unterscheidet man im Bereich von Servern, Workstations und PCs zwei gängige Bauarten von Prozessorsockeln:

• PGA Sockel (Pin Grid Array)

Bei CPUs für Sockel des Typs PGA sind die Kontakte auf der Unterseite des Prozessors als Kontaktstifte, auch Pins genannt, ausgeführt. Das Motherboard verfügt im Gegenzug über eine Aufnahme mit Kontaktflächen in entsprechend angeordneten Löchern. Da die Pins leicht verbogen werden können, sind PGA CPUs tendenziell anfälliger für Beschädigungen, der Sockel der Hauptplatine ist dagegen vergleichsweise unempfindlich. Um die Installation zu erleichtern und Schäden vorzubeugen, sind häufig sowohl Prozessor als auch Sockel mit entsprechenden Markierungen versehen, mit denen die korrekte Ausrichtung angezeigt wird.

• LGA Sockel (Land Grid Array)

Im Fall des Sockeltyps LGA verhält es sich gegensätzlich. Der Prozessor verfügt über die Kontaktflächen und die Pins zur Herstellung der elektrischen Verbindung befinden sich in der Aufnahme des Mainboards. Somit verlagert sich die Anfälligkeit für Beschädigungen von der CPU auf den Sockel. Der Vorteil dieser Variante ist allerdings, dass die Kontaktstifte kleiner ausgeführt werden können und somit auf der gleichen Fläche eine größere Anzahl Kontaktstellen möglich wird. Bei den für Serversysteme relevanten Sockeln 3647 und 4189 für Intel Xeon Scalable Prozessoren sowie dem Sockel SP3 für AMD EPYC CPUs handelt es sich jeweils um LGA Sockel.

Die verschiedenen Prozessorgenerationen der Hersteller unterscheiden sich häufig in der Anzahl und Anordnung der Kontakte, was bei einem CPU-Upgrade auf eine neue Generation oft den Austausch des gesamten Mainboards erforderlich macht. Daher ist es vor einem Prozessorwechsel essenziell wichtig, die Kompatibilität der Hardware zu überprüfen. Unter Umständen kann es sinnvoller sein, die vorhandene CPU durch ein leistungsstärkeres Modell der gleichen Generation zu ersetzen, und damit hohe Kosten durch den Wechsel der Plattform zu vermeiden.

Die hohe Leistung der Serverprozessoren erfordert eine angemessene Kühlung

Um eine konstant hohe Leistung sicherzustellen und Schäden durch Überhitzung zu verhindern, muss die im Betrieb entstehende Temperatur der Chips zuverlässig abgeleitet werden. Dazu verfügen die meisten Prozessoren über ein Kühlblech (IHS: integrated heat spreader) als Abdeckung, das sowohl vor mechanischen Beschädigungen schützt als auch für einen guten Wärmeübergang zum darüber montierten CPU-Kühler sorgt. Dabei kann der Heatspreader entweder auf der Trägerplatine verklebt, oder mit dem Chip verlötet sein. Der Vorteil einer festen Verbindung mit Lot besteht in der dauerhaft gleichbleibenden Leitfähigkeit, da sich keine Wärmeleitpaste zwischen Chip und IHS befindet, die unter Umständen altern kann.

Die erforderliche Kühlung einer CPU ist immer abhängig von ihrer Leistungsfähigkeit, daher geben Prozessorhersteller zu den verschiedenen Modellen die thermische Verlustleistung (TDP: Thermal Design Power) in Watt an. Dieser Wert findet sich ebenfalls in den technischen Daten von CPU-Kühlern und erleichtert die Auswahl einer geeigneten Kühllösung für den jeweiligen Prozessor. Wenn die Kühlung nicht ausreichend dimensioniert ist und eine CPU somit ihre vorgesehene höchste Betriebstemperatur überschreitet, greifen die integrierten Schutzmechanismen ein und reduzieren die Leistung zur Senkung der Temperatur. Damit werden Schäden durch Überhitzung verhindert, die Performance eines Systems lässt jedoch spürbar nach. Außerdem kann sich eine dauerhaft zu hohe Temperatur negativ auf die Lebensdauer auswirken. Daher ist die Kühlung ein entscheidender Faktor für den zuverlässigen und effizienten Betrieb von Servern und Workstations.

Welche Vorteile bieten Prozessoren mit einer hohen Anzahl an Kernen?

Bei allen modernen CPUs handelt es sich um Mehrkernprozessoren (Multicore), die mehrere Rechenkerne (Cores) in einem Halbleiterchip vereinen. Da jeder Kern eine weitgehend unabhängige Recheneinheit darstellt, kann mit steigender Anzahl Cores die Arbeitslast (Workload) eines Systems besser verteilt und parallel verarbeitet werden. Des Weiteren unterstützen die Modelle der höheren Leistungsklassen häufig Multithreading, sie verfügen somit über zusätzliche virtuelle Kerne. Diese Threads teilen sich die vorhandenen Einheiten des Chips mit den echten Cores, wodurch die Leistungssteigerung im direkten Vergleich etwas geringer ausfällt. Besonders bei Anwendungen, die von einer großen Anzahl an Rechenkernen profitieren, etwa im Bereich Virtualisierung, stellt diese Funktion jedoch einen beachtlichen Mehrwert dar. Die leistungsstärksten Intel Xeon Scalable Prozessoren besitzen bis zu 40 Kerne und 80 Threads, der Konkurrent AMD erreicht mit den Top-Modellen der EPYC CPUs sogar bis zu 64 Kerne und 128 Threads. Durch verfeinerte Fertigungsprozesse werden die Hersteller bei den kommenden Prozessorgenerationen die Anzahl der Kerne noch weiter erhöhen.

Welchen Einfluss hat die Taktfrequenz auf die Prozessorleistung?

Ein weiteres wichtiges Merkmal ist die Taktfrequenz. Mit diesem Wert, meist in der Einheit Gigahertz (GHz), wird die Anzahl der Taktzyklen angegeben, die ein Prozessor pro Sekunde ausführen kann. Bei einer Taktrate von 2,5 GHz werden beispielsweise 2,5 Milliarden Taktzyklen ausgeführt. Somit können Rechenbefehle grundsätzlich schneller verarbeitet werden, je höher die Taktfrequenz der CPU ausfällt. Als technische Grundlage dient hier der vom Mainboard definierte Grundtakt des Systems, der mittels eines Multiplikators vervielfacht wird und so die effektive Frequenz des Prozessors ergibt. In den meisten Fällen verhält es sich so, dass CPUs, die über eine geringere Anzahl Cores verfügen, mit einer höheren Taktrate arbeiten als Modelle mit sehr vielen Rechenkernen. Wenn Anwendungen also mehr von der schnelleren Verarbeitung der Befehle als von der Verteilung der Last auf viele Kerne profitieren, bieten Modelle mit einer höheren Taktfrequenz dabei oft die bessere Performance.

Neben dem Standardtakt des Prozessors wird häufig noch ein zweiter Wert angegeben, die Turbo-Taktfrequenz. Zur Verarbeitung anspruchsvoller Workloads können viele CPUs ihre Frequenz dynamisch erhöhen, um eine höhere Rechenleistung zu ermöglichen. Neben den thermischen Grenzen des Prozessors wird hierbei zum Erreichen der höchstmöglichen sicheren Taktrate außerdem berücksichtigt, wie viele Kerne ausgelastet werden. Der Leistungszuwachs fällt somit aufgrund der höheren Temperaturentwicklung geringer aus, je mehr Cores aktiv sind.
Die Beurteilung eines Prozessors anhand der Taktrate ist generell jedoch nur innerhalb der gleichen Produktgeneration der jeweiligen Hersteller sinnvoll. Durch die Weiterentwicklung der Chiptechnologie und die damit meist steigende Effizienz können neuere Modelle trotz einer niedrigeren Taktfrequenz häufig die höher getaktete Vorgängergeneration übertreffen. Die effektive Leistung einer CPU ist insgesamt davon abhängig, wie viele Befehle in einem Taktzyklus verarbeitet werden können. Dieser Wert wird als IPC (Instructions per Cycle) bezeichnet und fällt in der Regel bei neueren Mikroarchitekturen höher aus.

Der Cache als Pufferspeicher - Schneller Datenzugriff für den Prozessor

Damit eine performante Verarbeitung überhaupt möglich wird, müssen Daten und Befehle für den Prozessor schnell zugänglich sein. Dazu verfügen CPUs über Cache als Pufferspeicher in mehreren Stufen, die sich in Größe und Leistung unterscheiden. Hier werden Befehle aus dem Arbeitsspeicher zwischengespeichert, da der Zugriff auf den Cache deutlich schneller erfolgen kann und somit keine Wartezeiten entstehen. Die Entfernung zwischen Cache und Rechenkern bestimmt dabei die Geschwindigkeit. Je kürzer diese Entfernung ist, umso schneller jedoch auch kleiner ist der Cache. Bei den meisten Prozessoren wird der Pufferspeicher in drei Stufen unterteilt:

• L1-Cache (First-Level-Cache)

Der L1-Cache dient zur Zwischenspeicherung der am häufigsten verwendeten Daten und Befehle. Er wird mit dem Prozessortakt betrieben und befindet sich im Prozessorkern. Damit ist er der schnellste Cache-Level, mit seiner Größe im Kilobyte (KB) Bereich allerdings auch der kleinste.

• L2-Cache (Second-Level-Cache)

Zur Zwischenspeicherung von Daten aus dem Arbeitsspeicher wird der L2-Cache verwendet. Durch seine Position außerhalb des Prozessorkerns kann er mit Größen im einstelligen Megabyte (MB) Bereich deutlich größer ausfallen, arbeitet jedoch aufgrund der größeren Entfernung zum Kern auch langsamer.

• L3-Cache (Third-Level-Cache)

Auf den L3-Cache können alle Kerne des Prozessors zugreifen und so vereinfacht sich der Datenaustausch zwischen den Cores. Zudem wird er zum Datenabgleich zwischen den Caches der einzelnen Kerne verwendet. Mit einer Größe im zweistelligen Megabyte Bereich ist der dritte Cache-Level der größte und im Vergleich langsamste Pufferspeicher.

Des Weiteren werden bei Mehrkernprozessoren verschiedene Cache-Hierarchien unterschieden. Inklusiv-Cache bietet den Vorteil, dass Daten des L1-Cache ebenfalls im L2- und L3-Cache abgelegt werden. Diese belegen dort zwar zusätzlich Speicherplatz, allerdings wird der Austausch und Abgleich der Daten erleichtert. Im Fall von Exklusiv-Cache stehen die Daten des First-Level-Cache nur dem jeweiligen Prozessorkern zur Verfügung, was für mehr Speicherplatz in den weiteren Stufen sorgt. Dadurch können Cores diese Daten jedoch nur über Umwege untereinander austauschen.

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Die Weiterentwicklung der Halbleitertechnologie hat die Leistungsfähigkeit von Prozessoren immer weiter gesteigert, gleichzeitig aber auch zu teilweise astronomischen Preisen für Modelle der neusten Generationen geführt. Im Gegensatz dazu haben sich die Anforderungen an Server in vielen Bereichen jedoch kaum verändert. Somit können Prozessoren der Vorgängergenerationen, die als sorgfältig geprüfte Gebrauchtware zu erschwinglichen Preisen erhältlich sind, die Anforderungen Ihrer Anwendung oft voll erfüllen. Wir sind mit über 10 Jahren Erfahrung Ihr zuverlässiger Partner für professionell aufbereitete gebrauchte Server, Storagelösungen und Netzwerktechnik. Sie finden in unserem Onlineshop neben vorkonfigurierten Systemen außerdem eine große Auswahl an leistungsstarken Prozessoren und hochwertigen Komponenten, um Ihre IT-Infrastruktur individuell anzupassen. Durch den schnellen Versand aus unserem umfangreichen Lagerbestand erhalten Sie Ihre Bestellung mit möglichst kurzen Lieferzeiten. Bei Fragen zu Produkten und Ihrer Bestellung unterstützt Sie unser kompetentes und freundliches Support-Team, kontaktieren Sie uns - wir kümmern uns um Ihr Anliegen!