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Basiswissen Videoproduktion : Prozessor-Caches und Speicheranbindung

von rudi Sa, 16.Januar 2010

Schauen wir uns einmal an einem stark vereinfachten Beispiel an, was der Prozessor im Bereich Videobearbeitung leisten muss...

Angenommen, wir haben auf der Festplatte einige Videoclips gespeichert, die wir in einem Schnittprogramm mit Effekten versehen wollen. Um die Effekte zu berechnen werden die Clips erst einmal als Einzelbilder von der Festplatte in den Hauptspeicher (RAM) transferiert. Dort kann der Prozessor direkt auf die Clips zugreifen. Da das RAM jedoch die Daten nicht so schnell bereitstellen kann, wie der Prozessor diese verarbeiten könnte, besitzt der Prozessor einen sogenannten Cache. Der Cache ist eigentlich nichts anderes als sehr viel schnelleres RAM, welches direkt im Prozessor sitzt. Dieser Cache ist jedoch weitaus kleiner als der Hauptspeicher (aktuell zwischen 512 KB und 6 MByte pro Prozessor-Kern). Damit die ganze Konstruktion Sinn macht, bedient man sich des spekulativen Lesens. Hierbei versucht der PC, selbständig die Daten in den Cache zu schreiben, die der Prozessor für seine nächsten Rechenschritte vermutlich benötigen wird. Hat sich die "Spekulation" als richtig herausgestellt, so kann der Prozessor alle Daten aus seinem Cache lesen und diese ohne Verzögerungen bearbeiten. Benötigt der Prozessor allerdings "unvorhergesehenerweise" andere Daten, als die in seinem Cache, so müssen diese erst aus dem Hauptspeicher wieder in Cache kopiert werden, während der Prozessor untätig auf diese wartet und nicht weiterarbeiten kann. Je größer der Cache ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass sich die benötigten Daten darin befinden und desto seltener kommt es zu derartigen Wartezeiten. Daher bestimmt die Cache-Größe eines Prozessors entscheidend dessen Leistungsfähigkeit.

Da der Prozessor nur auf den Cache in voller Geschwindigkeit zugreifen kann, bestimmt die Cache-Größe entscheidend die Leistungsfähigkeit eines Computers.

Leider arbeiten wir in der Videobearbeitung mit sehr großen Datenmengen, die der Prozessor nicht auf einmal in seinem Cache halten kann. Ein einzelnes HD-Bild benötigt unkomprimiert bereits 1920 x 1080 Pixel x 3 Bytes (für Rot, Grün und Blau), was ungefähr 6 MB entspricht. Da im Cache auch noch andere Daten vorgehalten werden, müssen diese Caches bei HD-Bearbeitung ständig neu aus dem RAM gefüllt werden, was seine Zeit dauert. Aus diesem Grund sind für die Leistungsfähigkeit eines Rechners im Videobereich der RAM-Typ und die Speichernabindung von entscheidender Bedeutung. Eine entscheidende Maßzahl ist hierfür der Front Side Bus (FSB). Dieser wird wie die Prozessorgeschwindigkeit in MHz angegeben und bestimmt unter anderem wie schnell das RAM angesprochen werden kann. Bei neueren Prozessoren sitzt der Speicherkontroller direkt in der CPU und der Frontside-Bus entfällt. In diesem Fall sieht man am besten auf die Hypertransport-Geschwindigkeit (AMD), bzw. die Datenrate der QPI oder DMI-Anbindung (Intel).

Läuft ein Prozessor beispielsweise mit 1,3 GHz und besitzt einen FSB mit 133 MHz so ist der Prozessor zehn mal schneller als das RAM. Hätte der Prozessor keinen Cache, so müsste er beim direkten Zugriff auf den Hauptspeicher 10 mal länger auf seine Daten warten, als er sie selbst verarbeiten könnte. Diese Zahl spiegelt sich im sogenannten Muliplikator wieder. Je geringer der Multiplikator ist, desto besser ist dies für die Bearbeitung großer Datenberge, wie sie in der Videobearbeitung anfallen. Und eben aus diesem Grund ist es wichtig, dass das RAM möglichst schnell an den Prozessor angekoppelt ist.