Accelerated Processing Unit

Begriff und Grundidee

Eine Accelerated Processing Unit (APU, englisch „beschleunigte Verarbeitungseinheit“; auch Advanced Processing Unit) bezeichnet einen Hauptprozessor, in den zusätzliche Koprozessoren integriert sind. Die Bezeichnung wird fast ausschließlich von AMD verwendet und ist an die Abkürzungen CPU und GPU angelehnt.

Die CPU wird durch einen oder mehrere Koprozessoren bei Aufgaben beschleunigt, für die diese besser geeignet sind. Ein Koprozessor kann etwa ein Grafikprozessor (GPU), Vektorprozessor oder Streamprozessor sein. Nicht gemeint ist eine Gleitkommaeinheit (FPU): Sie war bereits lange vor der Definition des APU-Begriffs im Hauptprozessor integriert und gehört damit zum Prozessor selbst.

Entwicklung und Verwendung

AMD prägte den Begriff für Hauptprozessoren mit integrierter Grafikeinheit. Der Codename AMD Fusion steht für ein Prozessorkonzept, das CPU, GPU sowie Video- und andere Hardwarebeschleuniger auf einem Die vereint.

Nach der Übernahme von ATI durch AMD gab es 2006 erste Ankündigungen, einen Grafikprozessorkern in einen Hauptprozessor zu integrieren. Ab Mai 2010 erhielten erste Kunden Prototypen. Auf der Computex im Frühjahr 2010 wurde angekündigt, dass Llano und Ontario im ersten Halbjahr 2011 erscheinen sollten. Vor der CES 2011 wurde zudem die Auslieferung erster Tablet-PCs und -Computer mit Zacate- und Ontario-APUs im ersten Quartal 2011 bekannt.

Auch Intel liefert seit 2012 mit der Core-I-Serie Prozessoren mit integrierter Grafikeinheit, verwendet dafür aber nicht den Begriff APU. Die GPU in Ivy-Bridge-Prozessoren kann beispielsweise durch OpenCL und Direct Compute auch universelle Berechnungen ausführen. Andere Wettbewerber verwenden den Begriff ebenfalls nicht.

Heterogenes Rechnen und Anforderungen

Ein Chip sollte für die Bezeichnung APU einen oder mehrere CPU-Kerne und mindestens einen zusätzlichen Koprozessor für Spezialaufgaben enthalten; meist ist dies eine GPU. Ziel ist es, die Stärken unterschiedlicher Prozessorarchitekturen zu verbinden. Dies heißt heterogenes Rechnen (heterogeneous computing), weil verschiedene Prozessortypen in einem System zusammenarbeiten.

CPUs sind besonders für sequentielle Aufgaben optimiert, also für Arbeitsschritte, die nacheinander ausgeführt werden. Moderne GPUs sind dagegen weitgehend frei programmierbar und können insbesondere datenparallele Aufgaben sehr schnell bearbeiten: Dabei wird dieselbe Art von Berechnung gleichzeitig auf viele Daten angewandt. Daher können GPUs CPUs sinnvoll ergänzen. Da ein PC ohnehin einen Grafikprozessor benötigt, bleibt die GPU auch dann nützlich, wenn Software zur Nutzung als Koprozessor noch fehlt.

Entscheidend ist nicht allein, dass eine GPU im Hauptprozessor integriert ist. Sie muss auch universelle Aufgaben außerhalb reiner Grafikberechnungen ausführen können. Frühe GPGPU-Nutzung war zwar möglich, die Programmierung lag jedoch sehr nahe an der Hardware und war kaum auf andere GPUs übertragbar. Herstellerübergreifende Standards wie OpenCL sowie der Quasistandard Direct Compute in der DirectX-11-API erleichtern die Verbreitung solcher Programme und Tools.

Fest verdrahtete Beschleuniger

Neben programmierbaren Teilen besitzt eine GPU fest verdrahtete Einheiten (Fixed Function Units). Videodecodiereinheiten wie UVD oder Nvidias Videoprozessor können bestimmte Codecs decodieren und dadurch die CPU entlasten. In Intels integrierten GPUs der Sandy-Bridge-CPUs gibt es zusätzlich fest verdrahtete Einheiten zum Encodieren von Videos mit bestimmten Codecs.

Solche Encoder und Decoder sind auf bestimmte Codecs begrenzt und nicht frei programmierbar. Bei einer engen APU-Definition gelten entsprechende Chips deshalb weiterhin als „CPUs mit IGP und Zusatzbeschleunigungsfunktionen“ statt als APUs: Es werden nicht mehrere Prozessorarchitekturen mit unterschiedlichen Vorteilen verbunden, sondern eine Architektur wird durch feste Einheiten für einzelne Aufgaben spezialisiert.