Was ist Hyperthreading?

Die Grundidee des Hyperthreading ist es, mit einem Mikroprozessor gleichzeitig mehrere Threads bearbeiten zu können. Ließ sich früher nur ein Thread pro Prozessor verwalten, so ermöglicht das Hyperthreading von Intel nun, einen Prozessor in zwei logische, virtuelle Kerne zu teilen, die Hyper-Threads simultan abarbeiten. Wie Hyperthreading die CPU-Leistung verbessern kann, erfahren Sie hier.

Was nach Science-Fiction klingen mag, ist im Grunde nichts anderes als die alte Weisheit, dass vier Hände mehr schaffen als zwei: Hyperthreading. Intels Hyperthreading-Verfahren entstammt dem Serverbereich, in dem üblicherweise mehrere physische Prozessoren gleichzeitig zum Einsatz kommen, um Rechnerleistungen zu erhöhen. Beim Hyperthreading wiederum gibt es nur einen physischen Prozessor, der sich jedoch wie zwei Prozessoren verhält. Möglich ist dies, indem der Prozessor sich in zwei virtuelle Kerne – auch Kernel – teilt, welche Threads parallel bearbeiten. So lassen sich mehrere Befehlsschlangen gleichzeitig als Hyperthread bearbeiten, Prozesse zwischen den virtuellen Kernen aufteilen und die CPU-Auslastung verbessern.

Die Hyperthread-Technologie (HT) ist dem Prozessor- und CPU-Hersteller Intel zu verdanken. Befand sich HT im Entwicklerbereich bereits im Einsatz, so kamen seit dem 14. November 2002 auch heimische Computernutzer in den Genuss des Hyperthreading von Intel. Mit dem Pentium-4 inklusive Northwood-B-Kern brachte Intel die Hyperthreading-Technologie schließlich offiziell auf den Markt. Bereits mit den Nachfolgemodellen, Pentium D und Core-2-Duo, zog Intel das Hyperthreading wieder zurück und nutzte stattdessen Dual-Core-Hauptprozessoren.

Was funktioniert, setzt sich jedoch langfristig durch und so fand Hyperthreading in Intels Atom-Mikroprozessoren und der Core-i-Serie erneut Anwendung. Hyperthreading ist eine Technologie, die in dieser Form ausschließlich bei Intel-Prozessoren zum Einsatz kommt.

Wer zum ersten Mal von Hyperthreading hört, denkt zu Recht, dass jeder Prozessor über diese Technologie verfügen sollte. Glücklicherweise ist das Hyperthreading standardmäßig in CPU-Kernen aktiv, sofern diese HT unterstützen. Nichts destotrotz lässt sich Hyperthreading im BIOS unter „Hyper-Threading-Technology“ über „Enable“ und „Disable“ an- und ausschalten. Bei Prozessoren, die Hyperthreading nicht unterstützen, verarbeitet ein physischer Kern mehrere logische Prozesse nur sequenziell, also nacheinander. Ob Hyperthreading aktiv ist bzw. unterstützt wird, können Sie im Geräte-Manager überprüfen. Wenn Sie zum Beispiel einen Rechner mit zwei CPU-Kernen haben, jedoch unter „Prozessoren“ vier Prozessoren sehen, so ist Hyperthreading aktiv.

Der wohl größte Vorteil des Hyperthreading ist, dass die Umsetzung der Hyperthreading-Technologie in Mikroprozessoren kostengünstiger ist als zwei physische Mikroprozessoren. Da heute die meisten Rechner bereits über Mehrkernprozessoren verfügen, lässt sich dieser Vorteil jedoch nur nutzen, wenn CPUs mit Hyperthreading über die gleiche Anzahl an physischen Prozessoren verfügen wie Maschinen, die Hyperthreading nicht unterstützen.

Der eigentliche Vorteil des Hyperthreading ist die effiziente Auslastung der Ressourcen. Zwei virtuelle Kerne in einem physischen Kern bedeutet zwar nicht, dass alle Aufgaben in doppelter Geschwindigkeit ablaufen. Dafür lässt sich jedoch die Rechenlast für mehrere Prozesse nicht nur sequenziell, sondern simultan zwischen den virtuellen Kernen verteilen. So können unnötige Leerläufe vermieden und Prozesse lückenlos abgearbeitet werden. Threads müssen somit nicht darauf warten, bis ein rechenintensiver Thread verarbeitet wurde, sondern laufen einfach über den zweiten Kern.

Der Vorteil an Mehrkernprozessoren ist in jedem Fall, dass ein physischer Kern seine Ressourcen nicht aufteilen muss. CPUs mit zum Beispiel zehn physischen Kernen wären gegenüber fünf physischen Kernen mit Hyperthreading grundsätzlich im Vorteil, da jeder Kern alle verfügbaren Ressourcen zur Verarbeitung von Prozessen nutzen kann. Virtuelle Kerne wiederum nutzen dieselbe Rechenleistung der physischen Kerne, um parallele Registersätze zu verwalten. Heutzutage ist es in jedem Fall sinnvoll, mit CPUs mit mindestens zwei oder mehr physischen Kernen zu arbeiten.

Multithreading und Hyperthreading sind sich auf den ersten Blick sehr ähnlich: Beide haben die Aufgabe, Threads in CPU-Kernen effizient zu verteilen und abzuarbeiten. Hyperthreading ist jedoch eine Unterkategorie des Multithreading-Verfahrens und nennt sich auch Simultaneous-Multithreading (SMT). Um Multithreading zu verstehen, ist es wichtig zu wissen, dass Threads Befehlsschlangen sind, die je nach Hardware und Software verschieden verarbeitet werden.

Multithreading bedeutet, dass mehrere Befehlsschlangen gleichzeitig verwaltet werden. Während bei Multithread-Verfahren wie Switch-on-Event-Multithreading und Time-Slice-Multithreading jedoch von Pseudo-Gleichzeitigkeit die Rede ist, da Threads nicht simultan laufen, steht Simultaneous-Multithreading, also Hyperthreading, für echte Gleichzeitigkeit in der Verarbeitung. Zudem ist Hyperthreading eine hardwareseitig unterstützte SMT-Technologie, während Multithreading auch ausschließlich von Programmen und Software unterstützt werden kann.

Beim Thema Hyperthreading stellt sich häufig die Frage, ob die Funktion im Vergleich zu Mehrkernprozessoren ohne Hyperthreading wirklich Vorteile bringt. Die Antwort lautet: Es kommt darauf an. Es ist beispielsweise entscheidend, welche Hardware vorhanden ist und wofür diese zum Einsatz kommen soll. Dass Hyperthreading die Verarbeitung von Threads durch getrennte Pipelines und parallele Registersätze optimieren kann, steht außer Frage. So ist zum Beispiel der Supercomputer Cray MTA in der Lage, beeindruckende 128 Threads mit nur einem CPU-Kernel zu verwalten.

Vor allem Gaming wird in der Praxis oft im Zusammenhang mit SMT bzw. Hyperthreading genannt. Gerade bei Gamern ist viel Rechenleistung gefragt, wenn Spiele, Musik und vielleicht sogar eine Twitch-Stream-Aufzeichnung parallel laufen. Ob Hyperthreading tatsächlich die Performance beim Gaming verbessert, ist umstritten. Einige Gamer geben an, dass Hyperthreading die CPU-Leistung sogar ausbremst, während andere sagen, dass Hyperthreading durchaus sinnvoll sein kann, wenn Spiele vier oder mehr Kerne unterstützen