Was sind Prozessorkerne und Threads?

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Wenn man sich die Spezifikationen von Prozessoren ansieht , verliert man leicht den Überblick über die vielen Daten: Frequenz, Cache, TDP … und natürlich die berühmte Angabe zur Anzahl der Kerne und Threads . Diese Begriffe werden überall wiederholt und stiften dennoch oft Verwirrung, selbst bei erfahrenen Nutzern.

Das Verständnis von CPU-Kernen und Threads ist nicht nur eine technische Angelegenheit. Es beeinflusst direkt die tatsächliche Leistung eines Computers, die reibungslose Funktion von Multitasking und die Performance von Spielen, Videobearbeitungssoftware und virtuellen Maschinen. Während ein normaler Benutzer ohne tiefergehende Kenntnisse auskommt, ist die Beherrschung dieser Konzepte unerlässlich für alle, die programmieren, PCs zusammenbauen oder einfach fundierte Kaufentscheidungen treffen möchten.

Was sind Prozessorkerne?

Im Inneren des kleinen Chips, den wir CPU nennen, befinden sich mehrere Logikblöcke, die als völlig unabhängige Recheneinheiten fungieren . Diese Blöcke sind die Kerne. Jeder Kern kann Befehle aus dem RAM empfangen, sie synchron zum Prozessortakt verarbeiten und Ergebnisse zurückgeben – wie ein winziges Gehirn im Inneren des Hauptchips.

Ältere Prozessoren besaßen nur einen einzigen Kern, der pro Taktzyklus einen Befehl ausführen konnte . Diese Kapazität wurde in Megahertz (MHz) oder Gigahertz (GHz) gemessen: Je höher die Frequenz, desto mehr Befehle pro Sekunde konnten ausgeführt werden. Heutzutage haben die Hersteller neben der Erhöhung der Taktfrequenz auch die Anzahl der Kerne vervielfacht, um die Rechenleistung drastisch zu steigern.

Jeder Kern fungiert als physischer Subprozessor, der in dasselbe Gehäuse integriert ist . Eine Quad-Core-CPU arbeitet quasi mit vier Prozessoren parallel auf demselben Chip. Das bedeutet, dass die CPU in einem einzigen Taktzyklus vier verschiedene Befehle gleichzeitig verarbeiten kann, wodurch sich die Rechenleistung vervielfacht, sofern Betriebssystem und Programme diese Leistung nutzen können.

Es ist wichtig zu betonen, dass die Kerne physische Komponenten sind und nichts Virtuelles oder durch Software Simuliertes . Sie bestehen aus Millionen von Transistoren und Schaltkreisen, die die Recheneinheiten, Steuereinheiten, internen Register und andere Elemente implementieren, die es ermöglichen, den Befehlszyklus (Abrufen, Dekodieren, Ausführen und Schreiben des Ergebnisses) wiederholt auszuführen.

Im heutigen Consumer-Markt sind Prozessoren mit 2, 4, 6, 8 und sogar mehr als 10 Kernen üblich , während Workstations und Server typischerweise noch höhere Kernzahlen wie 16, 32 oder mehr physische Kerne bieten. Je mehr Kerne vorhanden sind, desto mehr Aufgaben können gleichzeitig verarbeitet werden. Dies ist besonders vorteilhaft für professionelle Anwendungen, Server oder Workflows mit hoher paralleler Auslastung.

Was sind Prozessorthreads und wie funktionieren sie?

Während Kernel physische Komponenten sind, stellen Threads (oder Subprozesse) logische oder virtuelle Einheiten dar, die einen Ausführungsablauf innerhalb eines Programms repräsentieren und vom Betriebssystem über einen oder mehrere Kernel hinweg geplant werden können. Ein Thread ist im Wesentlichen eine Folge von Anweisungen, die unabhängig vom Rest des Programms mit eigenen Kontextinformationen ausgeführt werden kann.

Ein Thread lässt sich als der Pfad eines Codeabschnitts durch den Prozessor betrachten . Jeder Thread verfügt über eigene Ausführungsregister, einen eigenen Stack und einen Programmzähler, der angibt, welche Anweisung zu einem bestimmten Zeitpunkt ausgeführt werden soll. Das Betriebssystem ist dafür verantwortlich, diese Threads den verfügbaren Kernen zuzuweisen und die CPU-Zeit möglichst effizient zu verteilen.

In der Programmierung unterscheidet man zwischen Single-Thread- und Multi-Thread- Anwendungen . Ein Single-Thread-Programm hat nur einen Ausführungsablauf: Die Anweisungen werden nacheinander streng sequenziell ausgeführt. Bei einer Multi-Thread-Anwendung hingegen wird die Arbeit auf mehrere Threads verteilt, die parallel laufen, Ressourcen gemeinsam nutzen und gleichzeitig ausgeführt werden.

Diese Methode der Arbeitslastverteilung ermöglicht es einem einzelnen Programm, mehrere Operationen gleichzeitig auszuführen . Beispielsweise kann ein Videoeditor einen Thread für die grafische Benutzeroberfläche, einen weiteren für das Rendering, einen dritten für den Ton usw. verwenden. Sind genügend CPU-Kerne und Threads vorhanden, laufen diese Programmteile parallel, was die Reaktionszeiten verbessert und Verzögerungen reduziert.

In der Praxis nutzen viele moderne Prozessoren Simultaneous Multithreading-Technologien wie SMT oder Hyper-Threading. Diese ermöglichen es jedem physischen Kern, zwei Ausführungsstränge gleichzeitig zu verarbeiten . Das erklärt beispielsweise die Anzahl von CPUs mit 6 Kernen und 12 Threads: Es gibt zwar sechs physische Einheiten, aber jede kann zwei verschiedene Befehlsströme gleichzeitig verarbeiten und so die internen Einheiten, die sonst ungenutzt blieben, besser ausnutzen. Intels Hyper-Threading- Technologie ist ein bekanntes Beispiel dafür.

Beziehung zwischen Programmen, Prozessen und Threads

Um die Rolle von Threads vollständig zu verstehen, ist es hilfreich, einen Schritt zurückzugehen und zu sehen, wie die Arbeit im Betriebssystem organisiert ist. Ein Programm ist im Grunde eine Reihe von Anweisungen, die im Binärformat auf der Festplatte gespeichert sind (Anwendungen, Treiber, das Betriebssystem selbst usw.) und bei Bedarf in den Arbeitsspeicher geladen werden können.

Beim Ausführen eines Programms erstellt das System mindestens einen Prozess, der in den Arbeitsspeicher (RAM) geladen wird . Dieser Prozess umfasst den ausführbaren Code, die Daten, die benötigten Ressourcen (Dateideskriptoren, reservierten Speicher usw.) sowie einen Kontext, der vom Betriebssystem sorgfältig verwaltet wird. Jeder Prozess befindet sich in einem spezifischen, von den anderen Prozessen isolierten Speicherbereich, was Stabilität und Sicherheit gewährleistet.

Ein Prozess benötigt bestimmte grundlegende Elemente, um zu funktionieren: einen Programmzähler, der die nächste auszuführende Anweisung anzeigt, eine Reihe von Registern, in denen temporäre Daten und Steuerinformationen gespeichert werden, und einen Stack, der Daten aktiver Funktionen speichert. All dies wird ständig gespeichert und wiederhergestellt, wenn das System von einem Prozess zum anderen wechselt.

Das Interessante daran ist, dass jeder Prozess unabhängig von den anderen läuft . Dank dieser Unabhängigkeit kann das System auch dann weiterlaufen, wenn eine Anwendung abstürzt. Diese Fähigkeit, mehrere Prozesse zu verwalten, ermöglicht Multitasking: gleichzeitig im Internet surfen, Musik hören, E-Mails abrufen und Dateien herunterladen.

Jeder Prozess besteht aus mehreren Ausführungssträngen (Threads). Ein Thread ist die kleinste Arbeitseinheit, die das Betriebssystem der CPU zuweisen kann . Ein Prozess kann aus einem einzelnen Thread (dem einfachsten Fall) oder aus mehreren Threads bestehen, die sich denselben Speicherplatz und dieselben Verarbeitungsressourcen teilen, aber parallel ausgeführt werden.

Ein- und Mehrdrahtverfahren

Bei einem Single-Thread-Prozess wird der gesamte Programmcode in einem einzigen Befehlsstrom ausgeführt . Das bedeutet, dass, wenn ein Teil des Programms lange dauert (z. B. eine langsame Festplattenoperation oder eine rechenintensive Operation), der Rest der Anwendung blockiert werden kann, bis diese Operation abgeschlossen ist. Dies kann zu einem Gefühl von Trägheit oder einem Einfrieren des Programms führen.

Bei einem Multithreading-Prozess wird dessen Aufgabe in mehrere kleinere Teilprozesse, sogenannte Threads, aufgeteilt . Diese Threads teilen sich Speicher und Ressourcen, verfügen aber jeweils über einen eigenen Registerstapel und Programmzähler. Dadurch können zwei oder mehr Teile des Programms gleichzeitig ausgeführt werden, was Wartezeiten reduziert und die verfügbaren Kerne besser ausnutzt.

Ein Webbrowser könnte beispielsweise einen Thread für die Benutzeroberfläche, einen weiteren zum Laden von Seiten, einen weiteren zur Ausführung von JavaScript-Code und einen weiteren zur Videowiedergabe nutzen. Bei mehreren CPU-Kernen und Threads können all diese Threads gleichzeitig ausgeführt werden , was zu einer deutlich flüssigeren Benutzererfahrung führt.

Der entscheidende Punkt ist, dass mit mehr Threads das Volumen der gleichzeitig durchgeführten Berechnungen deutlich zunimmt . Das bedeutet nicht, dass die CPU selbst schneller wird, sondern dass sie ihre internen Einheiten mit mehr parallelen Aufgaben auslasten kann. Dies führt zu einer besseren Hardwareauslastung, insbesondere bei Programmen, die speziell für die Arbeit mit vielen Threads entwickelt wurden.

Bei Prozessoren mit Multithreading-Technologie führt ein Dual-Thread-Kern zwar nicht buchstäblich zwei Befehle im selben Taktzyklus mit 100%iger Effizienz aus, aber er kann so schnell zwischen zwei Threads wechseln , dass es sich anfühlt, als würden sie parallel arbeiten. Das Betriebssystem weist jedem Thread kleine „CPU-Zeitabschnitte“ zu, und der Wechsel zwischen ihnen erfolgt in Sekundenbruchteilen und ist für den Benutzer nicht wahrnehmbar.

Grundlegende Unterschiede zwischen Kernen und Strängen

Der entscheidende Unterschied besteht darin, dass Kerne physische Verarbeitungseinheiten sind , während Threads logische Einheiten darstellen, die Aufgaben oder Unterprozesse repräsentieren, die auf diesen Kernen ausgeführt werden. Ein Kern kann ohne zusätzliche SMT-Threads existieren (und lediglich einen einzelnen Befehlsstrom ausführen), aber ein Thread, selbst wenn er virtuell ist, benötigt zur Ausführung immer einen physischen Kern.

Bei der Betrachtung von CPU-Spezifikationen stößt man auf Kombinationen wie „4 Kerne / 8 Threads“ oder „6 Kerne / 12 Threads“. Dies bedeutet, dass jeder physische Kern zwei Ausführungs-Threads gleichzeitig verarbeiten kann . Bei einem Prozessor mit 6 Kernen und 12 Threads sieht das Betriebssystem 12 logische Einheiten, auf denen Aufgaben geplant werden können, obwohl auf Siliziumebene nur 6 vollständige Ausführungsblöcke vorhanden sind.

Praktisch gesehen bestimmen die Kerne, wie viele unabhängige Aufgaben die CPU gleichzeitig ausführen kann , während Threads die Auslastung dieser Kerne optimieren, Leerlaufzeiten minimieren und mehr parallele Threads ermöglichen. Daher wird behauptet, dass Threads die Effizienz steigern, der entscheidende Leistungszuwachs wird jedoch stets durch das Hinzufügen weiterer physischer Kerne erzielt.

Kurz gesagt: Die Kerne liefern die Rechenleistung, während die Threads die Arbeit besser organisieren . Ein gutes Gleichgewicht zwischen beiden macht den entscheidenden Unterschied in der Gesamtleistung des Systems aus, insbesondere bei intensivem Multitasking oder anspruchsvoller professioneller Software.

Kerne oder Stränge: Was ist je nach Verwendungszweck wichtiger?

Die typische Frage beim Kauf einer CPU ist, ob man mehr physische Kerne oder mehr logische Threads priorisieren sollte . Die Antwort hängt maßgeblich davon ab, wie Sie den Computer nutzen möchten und wie die von Ihnen üblicherweise verwendeten Anwendungen programmiert sind.

Bei hardwareintensiven Aufgaben wie anspruchsvollen Spielen, komplexer Videobearbeitung, 3D-Rendering oder dem Betrieb virtueller Maschinen ist eine große Anzahl physischer Kerne in der Regel von Vorteil . Diese Workloads profitieren davon, große Aufgaben auf mehrere physische Kerne verteilen zu können, anstatt sich ausschließlich auf logische Threads auf wenigen Kernen zu verlassen.

Für alltägliche Anwendungen wie Surfen, Bearbeiten von Dokumenten, gleichzeitiges Nutzen mehrerer ressourcenschonender Programme oder den Konsum von Multimedia-Inhalten kann ein effizientes Thread-Management einen deutlichen Unterschied machen . Selbst bei wenigen Kernen sorgt eine CPU, die mehrere Threads pro Kern unterstützt und vom System optimal verteilt, für ein flüssiges und reaktionsschnelles Nutzungserlebnis.

In der Softwareentwicklung ist ein umfassendes Verständnis der Kern- und Threadverwaltung unerlässlich. Ein schlecht parallelisiertes Programm kann die Vorteile eines Prozessors mit vielen Threads oder Kernen nicht nutzen , während eine gut konzipierte Anwendung mit zunehmender Anzahl verfügbarer Kerne sehr gut skaliert. Manche Software ist für viele logische Threads optimiert, während andere nur wenige, aber sehr leistungsstarke Kerne optimal ausnutzen kann.

Vereinfacht gesagt bietet für die meisten Heimanwender eine CPU mit 4 bis 6 Kernen und einer guten Anzahl an Threads in der Regel ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis . Für Content-Ersteller, ambitionierte Gamer oder professionelle Anwender, die anspruchsvolle Programme nutzen, ist ein Upgrade auf 8, 10 oder mehr Kerne deutlich sinnvoller, insbesondere wenn die Anwendungen Multithreading unterstützen.

So finden Sie heraus, wie viele Kerne und Threads Ihre CPU hat

Wenn Sie überprüfen möchten, wie viele Kerne und Threads Ihr Computer besitzt, bietet das Betriebssystem selbst sehr einfache Tools dafür, ohne dass zusätzliche Software installiert werden muss . Dies ist nützlich, um festzustellen, ob Ihre Hardware die Anforderungen eines bestimmten Programms oder Spiels erfüllt oder um zu beurteilen, ob sich ein Prozessor-Upgrade tatsächlich lohnt.

Unter Windows 10 oder 11 können Sie das Kontextmenü der Startschaltfläche öffnen und im Bereich „System“ das installierte Prozessormodell einsehen . Mit dieser Information können Sie auf der Website des Herstellers nachsehen, wie viele Kerne und Threads der Prozessor unterstützt. Zusätzlich zeigt der Task-Manager auf der Registerkarte „Leistung“ Diagramme pro logischer CPU an, die Ihnen einen Überblick über die Anzahl der vom System verwendeten Threads geben.

Für detailliertere Informationen bietet der Task-Manager einen Link zum Ressourcenmonitor . Dort finden Sie eine Aufschlüsselung der Prozesse und Threads sowie deren CPU-Auslastung. Jeder Eintrag „Thread“ entspricht einem vom System verwalteten Ausführungs-Thread.

Unter macOS finden Sie grundlegende CPU-Informationen im Apple-Menü unter „Über diesen Mac“ und dann „Systembericht “. Dort wird der Name des Prozessors angezeigt, und anhand der offiziellen Spezifikationen können Sie die Anzahl der physischen Kerne und Threads ermitteln. Die Aktivitätsanzeige zeigt außerdem die Anzahl der Threads jeder geöffneten Anwendung an.

Mit diesen Tools erhalten Sie einen klaren Überblick darüber, wie viel parallele Rechenleistung Ihnen tatsächlich zur Verfügung steht und ob Ihre Programme die Kerne voll auslasten oder nur einen oder zwei Kerne nutzen, während die übrigen fast ungenutzt bleiben.

Wie viele CPU-Kerne sollten Sie je nach Ihren Nutzungsanforderungen wählen?

Die ideale Anzahl an Kernen ist nicht für jeden gleich. Sie hängt von den täglich ausgeführten Aufgaben ab und davon, ob Ihre bevorzugten Anwendungen für die Nutzung mehrerer Kerne und Threads optimiert sind . Mehr ist nicht immer besser, aber es ist wichtig, den richtigen Bereich zu finden.

Für sehr einfache Anwendungen (Browsen, einfache Büroarbeiten, E-Mail, Videos ansehen) reichen in der Regel 2 physische Kerne aus , obwohl heutzutage eher 4 Kerne empfehlenswert sind, um Spielraum für zukünftige Software-Updates und etwas intensiveres Multitasking zu haben.

Wenn Sie üblicherweise weniger anspruchsvolle Spiele spielen, einfache Foto- oder Videobearbeitungen durchführen und mehrere Anwendungen gleichzeitig geöffnet haben, ist ein Quad-Core-Prozessor mit Multithreading-Unterstützung die sinnvollste Wahl. Die Verbesserung gegenüber einem Dual-Core-Prozessor ist hinsichtlich der allgemeinen Leistungsfähigkeit, der Ladezeiten und der Fähigkeit, mehrere Programme gleichzeitig auszuführen, deutlich spürbar.

Für anspruchsvolle Spiele, die Erstellung umfangreicherer Inhalte (hochauflösende Videobearbeitung, häufiges 3D-Rendering) oder die Nutzung virtueller Maschinen bietet der Wechsel zu 6–8 Kernen einen enormen Leistungssprung. Viele moderne Titel können 6 oder 8 Kerne sehr effizient nutzen, und Bearbeitungs- und Rendering-Programme skalieren in der Regel mit jedem zusätzlichen Kern sehr gut.

Ab 10 Kernen sprechen wir von Systemen für sehr anspruchsvolle Anwendungsfälle: High-End-Gaming mit gleichzeitigem Streaming , professionelles 3D-Rendering und Animation, komplexe Simulationen oder Workstations und Server, die viele Aufgaben parallel ausführen. In diesen Fällen gilt: Je mehr Kerne und Threads vorhanden sind (vorausgesetzt, sie werden von der Software optimal genutzt), desto besser ist die Fähigkeit, massive Arbeitslasten zu verarbeiten.

Einfluss der Kern- und Threadanzahl auf die Leistung

Mehr Kerne und Threads verändern das Systemverhalten unter Last deutlich. Eine CPU mit mehreren Kernen kann viele Aufgaben gleichzeitig bearbeiten, ohne dass diese sich gegenseitig blockieren . Das Ergebnis sind schnellere Reaktionszeiten, weniger Ruckler und eine höhere Stabilität, wenn der PC voll ausgelastet ist.

Multitasking ist einer der Bereiche, in denen dies besonders deutlich wird. Dank mehrerer Kerne und Threads kann das Betriebssystem Anwendungen auf verschiedene logische CPUs verteilen . Während eine CPU beispielsweise eine rechenintensive Aufgabe ausführt, können andere weiterhin auf Benutzeranfragen reagieren. Dadurch ist es beispielsweise möglich, ein Spiel zu spielen, während im Hintergrund etwas gerendert oder ein Gameplay-Video aufgenommen wird.

In Videospielen skalieren die meisten modernen Titel in der Regel gut mit 4 oder 6 Kernen, und einige High-End-Spiele nutzen sogar 8 physische Kerne . In diesen Fällen muss der Prozessor neben der Grafikkarte auch Physikberechnungen, künstliche Intelligenz, Spiellogik, Netzwerkfunktionen usw. verarbeiten. Die Verteilung dieser Aufgaben auf mehrere Kerne und Threads trägt zu stabileren Bildraten bei, insbesondere in sehr anspruchsvollen Szenen.

Bei der Content-Erstellung, beispielsweise bei professioneller Videobearbeitung, 3D-Rendering oder umfangreicher Fotoverarbeitung, spielt die Anzahl der Kerne eine entscheidende Rolle. Viele Rendering-Engines, Video-Encoder und professionelle Tools sind so konzipiert, dass sie mit jedem zusätzlichen Kern nahezu linear skalieren . So kann der Wechsel von 4 auf 8 Kerne die Exportzeiten unter bestimmten Arbeitslasten halbieren.

In Server- und Workstation-Umgebungen erfordert die Verwaltung von Dutzenden von Benutzern, virtuellen Maschinen oder gleichzeitig laufenden Diensten eine sehr hohe Anzahl an Kernen , oft 16 oder mehr. Jeder Dienst oder jede Maschine kann mehrere Kerne und Threads reservieren und dennoch Kapazität für neue Aufgaben haben, wodurch die Gesamtkapazität des Systems deutlich erhöht wird.

Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass nicht alle Programme zusätzliche Kerne voll ausnutzen . Viele Programme sind nach wie vor stark auf einen einzigen Hauptthread angewiesen, weshalb die Geschwindigkeit jedes Kerns (Frequenz und Leistung pro Taktzyklus) weiterhin entscheidend ist. Idealerweise sollte man eine sinnvolle Anzahl von Kernen mit einer guten Frequenz kombinieren und sich dabei nicht allein von Marketingversprechen zur Threadanzahl blenden lassen.

Vor diesem Hintergrund wird deutlich, dass Kerne und Threads zusammenarbeiten, um das tatsächliche Verhalten der CPU zu bestimmen : Kerne legen fest, wie viele unabhängige Aufgaben parallel verarbeitet werden können, und Threads ermöglichen die Aufteilung dieser Aufgaben in kleinere, besser koordinierte Teile. Das Verständnis des Zusammenspiels der einzelnen Komponenten hilft Ihnen bei der Auswahl des richtigen Prozessors und der Beurteilung, ob sich ein Upgrade angesichts Ihrer täglichen Aufgaben tatsächlich lohnt.