CPU vs. GPU vs. DSP - Der große technische Vergleich
In der Welt der Prozessoren gibt es viele verschiedene Spezialisten. Drei der wichtigsten Kategorien sind die CPU (Central Processing Unit), die GPU (Graphics Processing Unit) und der DSP (Digital Signal Processor). Jede dieser Einheiten hat eine eigene Architektur, Pipeline-Struktur und Kernanzahl, die sie für bestimmte Aufgaben besonders geeignet macht.
Direkter technischer Vergleich
| Bereich | CPU | GPU | DSP |
|---|---|---|---|
| Kernanzahl | Wenige (typisch 4-16 bei Consumer-CPUs, Server bis 128) | Hunderte bis Tausende | Meist wenige, aber hochoptimierte Recheneinheiten (oft 1-8 spezialisierte Kerne) |
| Befehlssatz (ISA) | Universell (x86, ARM, RISC-V) | SIMD/VLIW für Parallelismus | Sehr spezialisiert (oft proprietäre DSP-ISAs, wie TI C6000, SHARC, etc.) |
| Rechenmodell | Single Instruction Multiple Data (SIMD) & Out-of-Order | Massive SIMD (oft SIMT = Single Instruction Multiple Threads) | Stream Processing mit extrem schneller Multiply-Accumulate (MAC) Pipeline |
| Pipeline-Tiefe | Mittel bis tief (10-30 Stufen typisch bei CPUs) | Oft flachere Pipelines (für hohe Parallelität optimiert) | Sehr flach (für extrem niedrige Latenzen) |
| Cache-Hierarchie | L1, L2, L3 Cache (mehrstufig) | Sehr kleiner L1 pro Kern, Shared L2 | Oft nur einfacher, sehr schneller SRAM |
| Speicheranbindung | Fokus auf niedrige Latenz | Fokus auf hohe Bandbreite | Extrem geringe Latenz bei festen Datenströmen |
| Befehlssatz-Erweiterungen | SSE, AVX, NEON | CUDA, OpenCL, Vulkan Compute | FFT, FIR, IIR, MAC-Optimierungen |
| Task-Typ | Viele verschiedene, dynamische Tasks | Große Datenblöcke mit identischen Operationen | Kontinuierliche Signalströme mit festem Pattern |
| Steuerlogik | Komplex (Sprünge, Verzweigungen, Branch Prediction) | Sehr einfach (meist keine komplexe Branch Prediction) | Kaum Sprünge – fast immer lineare Verarbeitung |
| Zugriff auf Speicher | Cache-optimiert für zufällige Zugriffe | Stream-optimiert (koaleszierter Zugriff auf große Datenblöcke) | Meist fester Zugriffsrhythmus (z. B. FIFO-Streams) |
| Instruktionsformate | Variable Länge, viele Modi | Meist festes Format, optimiert für Parallelität | Fixe DSP-spezifische Instruktionen (oft MAC + Adressupdate in 1 Zyklus) |
| Flexibilität | Höchst flexibel | Flexibel für SIMD/Matrix, schlecht für allgemeinere Aufgaben | Extrem spezialisiert (fast nur Signalverarbeitung) |
| Typische Recheneinheit | ALU, FPU, SIMD-Unit | Tausende SIMD-Kerne (oft Vec4 oder Vec8) | Spezial-MAC mit extrem kurzer Latenz |
| Parallele Verarbeitung | Bis zu 16 Kerne (Consumer) | Tausende Threads gleichzeitig | 1-4 parallele Datenströme |
| Thread-Management | Hardware & Software gemischt (Scheduler) | Fast vollständig in Hardware | Meist keine echte Threadverwaltung, da Stream-orientiert |
Zusammenfassung
- Die CPU ist der Alleskönner, der für Flexibilität und Vielseitigkeit gebaut ist.
- Die GPU ist der Parallel-Profi, perfekt für große Datenmengen und gleiche Rechenmuster.
- Der DSP ist der Stream-Meister, wenn es auf konstante Verarbeitung und minimale Latenz ankommt.
Moderne Systeme kombinieren diese Prozessoren oft, um die Stärken jeder Einheit optimal auszunutzen.