Über viele Jahre nutzten Prozessorhersteller die Taktrate, um potenzielle Kunden von der Leistungsfähigkeit ihrer Produkte zu überzeugen. Dieser Wert hat in den letzten beiden Jahrzehnten zunehmend an Bedeutung verloren, da Taktraten zwar eine große Relevanz für die Leistung behalten, diese aber nicht mehr durchweg einheitlich sind. In Apple Silicon beispielsweise haben Prozessorgruppen innerhalb desselben Chips unterschiedliche Frequenzen. Wie stark die Taktrate in den Leistungskernen variiert, und nach welchen Regeln, hat Blogger und unabhängiger Mac-Forscher Howard Oakley untersucht. Seine Messungen offenbaren interessante Mechanismen, wie Berechnungen bei steigenden Anforderungen verteilt werden.


Apple unterteilt die Rechenkerne in zwei Kategorien: Leistung (Performance, P) und Effizienz (E). Bei M-Prozessoren in der Pro-, Max- und Ultra-Klasse sind P-Kerne in Gruppen (Bins) unterteilt, die mit jeweils einer einheitlichen Taktrate betrieben werden. Oakley untersuchte mit gezielten Tests, wie sein Mac mini M4 Pro Rechenlasten aus ein, zwei oder drei Threads in den P-Kernen verteilt. Eine entscheidende Erkenntnis: Bei drei oder mehr Threads in demselben P-Kern-Bin reduziert macOS die Taktrate auf 87 Prozent des Maximums.

Test-Algorithmen in 1–3 Threads
Für seine Untersuchungen nutzte er spezielle Algorithmen, welche mathematische Berechnungen ausführten, um einen Prozessorkern gezielt und vergleichbar zu beschäftigen. Zunächst startete er eine Berechnung, um dann eine gleichförmige Aufgabe in einem zweiten und schließlich dritten Thread zu starten. Anschließend reduzierte er seinen Testlauf wieder auf zwei und schließlich einen Thread. Allzu lange forderte er die Leistung der Prozessoren nicht: Nach 6,3 Sekunden waren die Testberechnungen beendet.

Protokoll mit Powermetrics
Mithilfe des Kommandozeilenprogramms Powermetrics beobachtete er dabei im Detail, in welchen Prozessorkernen und mit welcher Taktrate die Einzelaufgaben abgearbeitet wurden. Er beobachtete, dass seine drei Test-Threads stets gleichzeitig in einem der beiden Bins verortet waren. Wenn drei Threads liefen, reduzierten die P-Kerne ihre Frequenz auf etwa 3,9 GHz, während bei einer Auslastung von jeweils einem oder zwei Kernen eine hohe Frequenz von rund 4,5 GHz erreicht wurde.

Taktrate in P-Kernen im Vergleich

Aktive P-Kerne	M1	M3	M4
1	3,228 GHz	3,624 GHz	4511 GHz
2	3,132 GHz	3,576 GHz	4415 GHz
3 – 6	3,036 GHz	3,576 GHz	3924 GHz

(Quelle: Howard Oakley, eclecticlight.co)

Änderung zu Vorgängern
Bei älteren Apple-Silicon-Generationen stellte Howard Oakley ebenfalls Differenzen in P-Kern-Frequenzen bei zunehmender Auslastung fest. Beim M4 erscheint ihm die Reduktion der Taktrate deutlicher auszufallen als im M1 und M3. Den Grund vermutet er darin, dass macOS damit eine Überhitzung der P-Kern-Gruppe vermeiden will. Sein Blog-Beitrag enthält umfangreiche Beobachtungen und Details zu den unterschiedlichen Messreihen, die er durchgeführt hat. Vor kurzem analysierte Oakley bereits Unterschiede in Frequenz und Energieverbrauch zwischen P- und E-Kernen.