Die Weiterentwicklung von Prozessoren wird wesentlich durch den stetig steigenden Bedarf der Software an immer mehr Rechenleistung getrieben. Die zusätzliche Leistung wird benötigt, um sowohl mehr Funktionen als auch eine höhere Performance des Systems zu realisieren. Seit den 70er Jahren spiegelt sich diese Entwicklung in einer Verdoppelung der Komplexität der Schaltkreise von Prozessoren alle zwei Jahre wider. Mit Hilfe einer gleichzeitig erhöhten Taktfrequenz konnte bisher auch alle zwei Jahre die Leistung eines Prozessors verdoppelt werden.

Bremser Leistungsaufnahme

Die letzten Jahre zeigen jedoch, dass die Taktfrequenz nicht weiter erhöht werden kann. Die Ursache dieser Stagnation liegt in der stark steigenden Leistungsaufnahme begründet: eine ein Prozent höhere Taktrate führt zu drei Prozent mehr Leistungsaufnahme. Zusammen mit einer weiteren Verringerung der Dicke von Leiterbahnen auf dem Schaltkreis, der so genannten Strukturbreite eines Fertigungsprozesses von Prozessoren, führt die überproportionale Erhöhung der Leistungsaufnahme mittlerweile zu Leistungsdichten, die nicht weit von denen eines Nuklearreaktors entfernt sind.

Die dabei entstehende Abwärme kann nur noch mit großem Aufwand abgeführt werden. Vor allem bei eingebetteten Systemen verbietet sich daher, wenn die Leistung noch gesteigert werden soll, eine weitere Erhöhung der Taktfrequenzen.

Die Lösung lautet Multi-Core

Angesichts dieser so genannten "Power-Wall" bietet Multi-Core eine Alternative, um eine Leistungssteigerung ohne eine Erhöhung der Taktfrequenz zu erzielen. Multi-Core bezeichnet die Integration von zwei oder mehr unabhängigen Ausführungseinheiten (Cores) auf einem Silizium-Chip, so dass mehrere Befehle parallel ausgeführt werden können. Im Gegensatz zum temporalen Multi-Threading von Single-Core-Prozessoren, ist durch Multi-Core simultanes Multi-Threading von Anwendungen möglich.

Während bereits in vielen Computern Dual- und Quad-Core-Prozessoren mit zwei beziehungsweise vier Kernen verfügbar sind, wird sich die Anzahl der Cores in einem Prozessor in den nächsten zehn Jahren voraussichtlich auf 100 bis 1000 erhöhen. Multi-Core- werden dann zu Many-Core-Prozessoren.

Während bei Multi-Core-Prozessoren noch weitgehend Techniken aus dem Bereich der Mehrprozessor-Systeme eingesetzt werden können, sind diese bei der hohen Anzahl der Kerne in Many-Core-Prozessoren (mehr als 100 Kerne) nicht länger effizient. Gebraucht werden neue Konzepte für die Softwareentwicklung. Der Trend zur Verdoppelung der Schaltkreiskomplexität alle zwei Jahre hält damit nach wie vor unvermindert an.

Die Vorteile der Multi-Core-Prozessoren

Die Parallelisierung von Anwendungen und der damit verbundene Anstieg des Durchsatzes eines Multi-Core-Prozessors ist die derzeit einzige Möglichkeit, durch Weiterentwicklung der Hardware die Leistung der Software zu steigern. Neben der Beschleunigung von bereits inhärent parallelen Anwendungsbereichen wie zum Beispiel Web-Servern, Grafik- und Videobearbeitung oder Netzwerk-Paketverarbeitung ist die Multi-Core-Technik prinzipiell auch gut geeignet, um viele bestehende Single-Core-Systeme auf wenigen Multi-Core-Maschinen zu konsolidieren.

Besonders bei der Konsolidierung von verteilten Systemen können Anwendungen von der zusätzlichen Leistung eines Multi-Core-Prozessors profitieren. Während das physikalische Netzwerk eines verteilten Systems häufig durch unzuverlässige Verbindungen sowie spürbare Latenzen in der Übertragung gekennzeichnet ist, verläuft die Kommunikation zwischen Cores auf einem Chip sehr zuverlässig und mit geringen Latenzen.

Multi-Core-Prozessoren besitzen daher das Potenzial, den Platzverbrauch eines eingebetteten Systems, dessen Gewicht sowie dessen Leistungsanforderungen spürbar zu senken. Bei gleicher Leistung zeigt ein konsolidiertes Multi-Core- im Vergleich zu einem Single-Core-System eine geringere Leistungsaufnahme, so dass auch weniger Wärme abgeführt werden muss. Multi-Core-Prozessoren tragen dazu bei, die Herstellungskosten eines eingebetteten Systems spürbar zu reduzieren und somit einen signifikanten Wettbewerbsvorteil zu erringen.

Herausforderungen für die Softwareentwicklung

Typischerweise ist die Software im Bereich eingebetteter Systeme sequenziell aufgebaut. Der dabei implementierte Algorithmus arbeitet eine Menge einzelner Schritte in einer definierten Reihenfolge ab, um die Systemfunktion zu erfüllen. Bevor es Multi-Core-Prozessoren gab, profitierte Software automatisch von einer höheren Leistung des Prozessors. Eine Steigerung der Taktfrequenz um 30 Prozent führte in der Regel auch zu einer um etwa 30 Prozent schnelleren Ausführung der Anwendung. Durch die "Power-Wall", die eine weitere Erhöhung der Taktfrequenz verhindert, kann klassische, sequenzielle Software jedoch nicht mehr automatisch von der zusätzlichen Leistung der neuen Prozessoren profitieren. Um weiterhin wettbewerbsfähig zu bleiben, müssen die bestehenden Anwendungen parallelisiert oder komplett neue, parallele Anwendungen entwickelt werden.

Softwareentwickler auf die Schulbank

Der Wechsel von der sequenziellen zur parallelen Programmierung ist mit neuen Herausforderungen für die Softwareentwicklung verbunden. Er wird daher nicht mehr nur in der Forschung als Paradigmenwechsel wahrgenommen, sondern auch in der Industrie als eine der wesentlichen Herausforderungen der Informatik für die nächsten Jahre gesehen. David Patterson, Professor für Computer Science in Berkeley, drückte dies prägnant im Rahmen einer Panel-Diskussion aus: "No one knows how to design a 15 GHz processor, so the other option is to re-train all the software developers” - keiner wisse, wie das Design eines mit 15 GHz getakteten Prozessors aussehe. Also bleibe nichts anderes übrig, als alle Softwareentwickler neu auszubilden.

Die Herausforderungen der parallelen Programmierung liegen in der stark ansteigenden Komplexität der Systeme begründet. Während bereits die sequenzielle Programmierung hohe Anforderungen an die Entwickler stellt, um fehlerfreien, effizienten und leicht wartbaren Code zu erhalten, fügt die parallele Programmierung eine neue Ebene der Komplexität hinzu. Zusätzlich können nun Systemverklemmungen wie Deadlocks oder Livelocks, Dateninkonsistenzen durch einen ungeschützten Zugriff oder ein nichtdeterministisches Verhalten durch fehlende Synchronisationsmechanismen (Race-Conditions) zum Versagen eines eingebetteten Systems führen.

Entscheidender Faktor: Granularität

Die Tatsache, dass nun mehrere Programmstränge parallel ausgeführt werden können, erfordert Synchronisationstechniken, um den Zugriff auf gemeinsam genutzte Speicherbereiche und andere Ressourcen zu kontrollieren. Die Wahl der "richtigen" Granularität dieser Synchronisationsverfahren wirkt sich wesentlich auf die Performance der Anwendung aus. Sie erfordert Erfahrung sowie den Einsatz adäquater Tools, um die Softwarequalität zu gewährleisten. Gleichzeitig muss das Softwaredesign aber auch auf Skalierbarkeit ausgelegt sein, um zukünftig neben Dual- oder Quad-Core- auch Multi-Core-Prozessoren mit 100 oder 1000 Kernen nutzen zu können. Erst dann kann Software wieder automatisch von den Weiterentwicklungen im Hardwarebereich profitieren.

Neben der stark ansteigenden Komplexität und ihren Auswirkungen auf die Softwarequalität und Skalierbarkeit führt die parallele Programmierung auch zu anderen Herausforderungen, die besonders für eingebettete Systeme im sicherheitskritischen Bereich relevant sind: Echtzeitfähigkeit und Zertifizierung.

Im sicherheitskritischen Bereich wird unter Echtzeitfähigkeit die zeitliche Vorhersagbarkeit des Systemverhaltens verstanden. Während dies bei Single-Core-Prozessoren weitgehend realisiert ist, stellen die gemeinsam genutzten Ressourcen eines Multi-Core-Prozessors, wie zum Beispiel Caches, Kommunikationsbusse oder I/O-Anschlüsse, bei der parallelen Ausführung eine Hürde zur zertifizierbaren Echtzeitfähigkeit dar. Die Wartezeit bei paralleler Ressourcennutzung ist in der Regel nichtdeterministisch, so dass keine präzisen Aussagen über das zeitliche Verhalten mehr möglich sind.

Früher konnte das Echtzeitverhalten durch prioritätsbasierende Verfahren zur Laufzeit sichergestellt werden. Dabei bekommen Applikationen mit der aktuell höchsten Priorität auch alle benötigten Ressourcen exklusiv zugewiesen, um so das spezifizierte zeitliche Verhalten zu erreichen. Bei Multi-Core-Prozessoren werden Applikationen trotz unterschiedlicher Prioritätsstufen parallel abgearbeitet, so dass auch die dafür verwendeten, gemeinsam genutzten Ressourcen geteilt werden müssen. Im Vergleich zu einem Single-Core-System kann sich damit ein komplett anderes, nicht deterministisches Systemverhalten ergeben. Zukünftig werden hier daher vermehrt statische Verfahren zum Einsatz kommen müssen, um den Ressourcenzugriff mit Hilfe eines festen Schemas deterministisch zu gestalten und damit eine Zertifizierung zu ermöglichen. (jm)