Vier Rechner – ein verteiltes Stockfish-System

Die Stockfish-Leistung der vier Rechner lässt sich nicht allein anhand der Kernzahl oder der maximalen Taktfrequenz beurteilen. Der M4 Pro, der M6 und die beiden Ryzen-Systeme verfolgen deutlich unterschiedliche CPU-Konzepte. Gerade diese Unterschiede machen den Geräteverbund für Schachturniere besonders interessant: Die Rechner konkurrieren nicht nur miteinander, sondern ergänzen sich als eigenständige Analyse- und Turnierknoten.

Unterschiedliche CPU-Architekturen

Der M4 Pro besitzt 14 CPU-Kerne, aufgeteilt in zehn Performance- und vier Effizienzkerne. Seine Stärke liegt in einer gleichmäßigen Mehrkernleistung. Bei zwölf Stockfish-Threads kann macOS überwiegend die zehn leistungsfähigen Kerne einsetzen und nur einen kleineren Teil der Arbeit auf Effizienzkerne verteilen.

Der M6 verwendet erstmals drei Kernarten:

* zwei Super-Kerne mit etwa 4,79 GHz,
* vier Performance-Kerne mit etwa 4,5 GHz,
* sechs Effizienzkerne mit etwa 2,94 GHz.

Seine beiden Super-Kerne bieten eine außergewöhnlich hohe Einzelkernleistung. Die vier Performance-Kerne übernehmen anspruchsvolle parallele Berechnungen, während die sechs Effizienzkerne den Gesamtdurchsatz erhöhen. Dadurch erreicht der M6 trotz seiner zwölf Kerne beinahe die Multicore-Leistung des M4 Pro.

Die beiden Ryzen-Prozessoren verfolgen ein klassischeres Konzept. Sowohl der Ryzen 9 8945HX im Linux-PC als auch der Ryzen 9 7945HX im MSI-Notebook besitzen 16 gleichwertige Zen-4-Kerne. Durch SMT können sie 32 Threads gleichzeitig bearbeiten. Ihr Basistakt beträgt 2,5 GHz, der maximale kurzzeitige Boost 5,4 GHz. Hinzu kommen jeweils 16 MB L2- und 64 MB L3-Cache. AMD gibt eine konfigurierbare Leistungsaufnahme von 55 bis 75 Watt an. (amd.com⁠, amd.com⁠, amd.com⁠)

Rechner  CPU-Aufbau  maximale Threads  Betriebssystem
Mac mini M4 Pro  10 Performance + 4 Effizienz  14  macOS
Mac mini M6  2 Super + 4 Performance + 6 Effizienz  12  macOS
Linux-PC 8945HX  16 Zen-4-Kerne mit SMT  32  Ubuntu
MSI-Notebook 7945HX  16 Zen-4-Kerne mit SMT  32  Windows 11

Vergleich bei zwölf Threads

Bei einer Begrenzung auf zwölf Threads dürften M4 Pro und M6 nahezu gleichauf liegen. Der M4 Pro besitzt mehr klassische Performance-Kerne, während der M6 mit seinen zwei besonders schnellen Super-Kernen und der neueren Architektur gegenhält.

Die Ryzen-Rechner verwenden bei zwölf Threads zwölf vollwertige Zen-4-Kerne. Sie profitieren von AVX2, dem großen L3-Cache und – beim Linux-PC – vom geringen Betriebssystem-Overhead. Dennoch ist die Leistung eines einzelnen Apple-Kerns außergewöhnlich hoch. Daher könnten M4 Pro und M6 bei gleicher Threadzahl geringfügig vor den Ryzen-Systemen liegen.

Als vorsichtige Prognose ergibt sich:

Rechner mit zwölf Threads  Erwartbare Stockfish-Leistung
M4 Pro  etwa 28–34 Mio. Knoten/s
M6  etwa 27–32 Mio. Knoten/s
8945HX unter Linux  etwa 24–30 Mio. Knoten/s
7945HX unter Windows  etwa 23–29 Mio. Knoten/s

Diese Bereiche sind Schätzungen. Erst ein identischer Stockfish-Benchmark auf allen Geräten kann die tatsächliche Reihenfolge feststellen.

Ryzen-Systeme mit 16 und 32 Threads

Die Ryzen-Prozessoren besitzen 16 physische Kerne und können durch SMT 32 Threads ausführen. Deshalb müssen zwei Betriebsarten unterschieden werden:

* Bei 16 Threads arbeitet grundsätzlich ein Thread auf jedem physischen Kern.
* Bei 32 Threads teilen sich jeweils zwei Threads die Recheneinheiten eines Kerns.

SMT verdoppelt die Leistung nicht. Bei Stockfish ist gegenüber 16 Threads – abhängig von Stellung, Arbeitsspeicher, Kühlung und Leistungsgrenze – häufig ein zusätzlicher Durchsatz von ungefähr zehn bis 20 Prozent zu erwarten.

Rechner  Threads  Erwartbare Stockfish-Leistung  Einordnung
M6  12  ca. 27–32 Mio. N/s  maximale Auslastung
M4 Pro  12  ca. 28–34 Mio. N/s  zwei Kerne als Systemreserve
M4 Pro  14  ca. 30–35 Mio. N/s  maximale Auslastung
Linux-PC 8945HX  12  ca. 24–30 Mio. N/s  Vergleich bei gleicher Threadzahl
Linux-PC 8945HX  16  ca. 29–34 Mio. N/s  alle physischen Kerne
Linux-PC 8945HX  32  ca. 34–39 Mio. N/s  vollständige SMT-Auslastung
Notebook 7945HX/Windows  12  ca. 23–29 Mio. N/s  Vergleich bei gleicher Threadzahl
Notebook 7945HX/Windows  16  ca. 27–31 Mio. N/s  alle physischen Kerne
Notebook 7945HX/Windows  32  gemessen ca. 32,38 Mio. N/s  vollständige SMT-Auslastung

Die Werte sind – abgesehen vom gemessenen Notebook-Ergebnis – Prognosebereiche.

Der Linux-PC mit 16 und 32 Threads

Mit 16 Threads nutzt der Ryzen 9 8945HX jeden seiner physischen Kerne einmal. Das dürfte seine effizienteste Betriebsart darstellen: hohe Knotenzahl, keine SMT-Konkurrenz und ein günstiges Verhältnis zwischen Rechenleistung, Wärmeentwicklung und Stromverbrauch.

Mit 32 Threads aktiviert Stockfish zusätzlich SMT. Jeweils zwei Suchthreads teilen sich dann die Recheneinheiten eines physischen Kerns. Der Gesamtdurchsatz steigt, allerdings nicht proportional. Unter günstigen Bedingungen könnte der Linux-PC damit ungefähr 34 bis 39 Millionen Knoten pro Sekunde erreichen.

Unter nativem Linux dürfte der 8945HX seinen nahezu baugleichen 7945HX im Windows-Notebook etwas übertreffen. Ausschlaggebend sind weniger Unterschiede zwischen den Prozessoren als vielmehr:

* der geringere Betriebssystem-Overhead,
* weniger Hintergrunddienste,
* die effiziente Thread-Verteilung,
* ein optimierter AVX2-Build,
* Kühlung und Leistungsgrenze,
* Speichertakt und Speicherlatenz.

Das Windows-Notebook mit 16 und 32 Threads

Bei 16 Threads verwendet das MSI-Notebook alle physischen Kerne seines Ryzen 9 7945HX, aber noch keine zusätzlichen SMT-Threads. Eine Größenordnung von ungefähr 27 bis 31 Millionen Knoten pro Sekunde erscheint plausibel.

Mit 32 Threads liegt bereits ein konkreter Messwert vor:

Stockfish 17.1
32 Threads
32.377.000 Knoten/s

Dieser Wert zeigt, dass SMT einen zusätzlichen Leistungsgewinn bringt, der jedoch weit unter einer Verdoppelung liegt. Das Notebook erreicht bei maximaler Auslastung ungefähr M4-Pro-Niveau oder liegt leicht darüber. Dafür benötigt es mehr elektrische Leistung als die Apple-Minis und ist stärker von Kühlung und eingestelltem Leistungsprofil abhängig.

Einzelanalyse und Turnierbetrieb

Bei einer einzelnen Analyse mit maximaler CPU-Auslastung dürfte der Linux-PC wahrscheinlich führen oder zumindest auf dem Niveau der schnellsten anderen Systeme liegen. Das Notebook folgt mit seinem bereits gemessenen Wert von 32,38 Millionen Knoten pro Sekunde. M4 Pro und M6 überzeugen dagegen durch eine besonders hohe Leistung pro Thread und eine deutlich bessere Energieeffizienz.

Für Engine-Turniere ist die maximale Knotenzahl eines einzelnen Rechners jedoch nicht das einzige Kriterium. Mindestens ebenso wichtig ist die Zahl unabhängiger Partien, die gleichzeitig ohne gegenseitige Beeinflussung laufen können.

Eine sinnvolle Rollenverteilung wäre:

* Der M4 Pro steuert mit Cutechess-cli das Turnier und stellt zwölf Engine-Threads bereit. Zwei weitere Kerne bleiben für macOS und die Turnierverwaltung frei.
* Der M6 arbeitet als zweiter, annähernd gleichwertiger Zwölf-Thread-Knoten.
* Der Linux-PC übernimmt entweder eine Engine mit zwölf bis 16 physischen Kernen oder zwei gleichzeitig laufende Partien mit jeweils ungefähr sieben Kernen pro Engine.
* Das Windows-Notebook steht als zusätzlicher Turnier- oder Analysecomputer mit bis zu 32 Threads zur Verfügung.

Damit verfügen die vier Systeme zusammen über 58 physische CPU-Kerne. Die beiden Ryzen-Rechner bieten zusätzlich SMT. Jeder Rechner besitzt eigene Caches, eigenen Arbeitsspeicher und eine eigene Kühlung. Anders als auf einem einzelnen Großrechner beeinträchtigen sich die Prozesse daher kaum gegenseitig.

Für direkte Engine-Matches sollten Farben und Rechner regelmäßig getauscht werden. So wird verhindert, dass ein kleiner Hardwarevorteil dauerhaft einer bestimmten Engine zugutekommt.

Einheitliche Messmethode

Für einen belastbaren Vergleich sollte auf allen Rechnern derselbe Stockfish-Quellstand mit demselben NNUE-Netz und dem jeweils optimalen Architektur-Build verwendet werden. ARM64- und x86-64-Binärdateien sind technisch verschieden, müssen aber aus derselben Stockfish-Version stammen.

Der gemeinsame Zwölf-Thread-Test lautet:

stockfish bench 1024 12 26 default depth

Zusätzlich sollten ausgeführt werden:

M4 Pro:       12 und 14 Threads
M6:           12 Threads
Linux-PC:     12, 16 und 32 Threads
Windows:      12, 16 und 32 Threads

Hash-Größe, Tiefe, Stockfish-Version und Hintergrundbelastung müssen identisch sein. Für präzise Messungen empfiehlt Stockfish mehrere Durchgänge und geschlossene Hintergrundprogramme. Verschiedene Stockfish-Versionen dürfen nicht anhand ihrer Knotenzahlen verglichen werden, weil Änderungen am NNUE-Netz die Zahl der bearbeiteten Knoten verändern können. (official-stockfish.github.io⁠)

Gesamturteil

M4 Pro und M6 dürften bei zwölf Threads nahezu gleichwertige Stockfish-Rechner sein. Der Linux-PC erreicht mit zwölf physischen Kernen wahrscheinlich eine ähnliche Größenordnung und kann bei Nutzung aller 16 Kerne beziehungsweise 32 Threads an ihnen vorbeiziehen. Das Windows-Notebook liegt aufgrund des Betriebssystems möglicherweise etwas hinter dem Linux-PC, bietet bei vollständiger Auslastung aber ebenfalls eine hohe Gesamtleistung.

Die Stärke des Geräteparks liegt daher weniger in einem einzelnen Spitzenrechner als in der Verteilung:

Die beiden Apple-Minis liefern eine hohe Leistung pro Kern und ausgezeichnete Energieeffizienz. Der Linux-PC stellt die höchste parallele CPU-Kapazität bereit. Das Windows-Notebook erweitert das System um einen weiteren leistungsfähigen Turnier- und Analyseknoten.

Für Stockfish-Turniere ist dieser Verbund flexibler und beim Gesamtdurchsatz leistungsfähiger als ein einzelner zentraler Rechner. Er verbindet schnelle Einzelknoten mit einer verteilten Struktur, in der mehrere Engines, Analysen und Turnierpartien gleichzeitig arbeiten können.