CPU - Hirn oder Herz eines Computers?
Die Central Processing Unit (CPU), zu deutsch der Hauptprozessor, ist Kernelement eines Computers. Die CPU gibt den Takt vor, steuert die anderen Baugruppen und führt
selbst einen Großteil der Berechnungen aus. Insofern ist die CPU sowohl Hirn als auch Herz eines Computers.
Die CPU benötigt allerdings für die Kommunikation mit den anderen PC-Komponenten noch einen Chipsatz, der aus mehreren Mikrocontrollern besteht.
Dieser Chipsatz ist auf die CPU beziehungsweise auf eine Familie gleichartiger CPUs abgestimmt. Die CPU und der Chipsatz befinden sich zusammen mit den Schnittstellen
und Onboard-Modulen auf der Hauptplatine des Computers, dem Mainboard. Für die Initialisierung der grundlegenden Systemfunktionen
benötigt dieses Mainboard ein so genanntes BIOS. Dies ist eine Software, die es dem installierten Betriebssystem ermöglicht, auf die
Hardware zuzugreifen. Dieses BIOS muss ebenfalls mit der CPU kompatibel sein und deren Features unterstützen.
Wesentliche Merkmale von CPUs
Der Sockel, Steckplatz für Hundertfüßler
Die CPU wird auf einen Sockel auf dem Mainboard gesteckt. Dieser Sockel sichert den mechanischen Halt und elektrischen Kontakt der vielen Anschlussstellen.
Je nach Prozessorfamilie und Hersteller kommen verschiedene Sockel zum Einsatz.
Busbreiten - Platz für den Datenverkehr
Bei den Personal-Computern (PC) kommen CPUs mit 32 und 64 Bit Busbreite zum Einsatz. Diese CPUs können Daten und Adressen mit 32 bzw. 64 Bit Länge in einem
Taktschritt verarbeiten. Unterstützt das eingesetzte Betriebssystem die 64-Bit-Verarbeitung ist eine deutliche Leistungssteigerung durch 64-Bit-Prozessoren möglich.
Da diese CPUs mehr Kontaktstellen benötigen, sind dafür aber auch veränderte Sockel nötig.
Anzahl der Kerne - Gruppenarbeit und Arbeitsteilung
Durch mehrere Kerne können entsprechend viele Befehle parallel und damit schneller verarbeitet werden. Allerdings entsteht ein höherer Aufwand für die Befehlsverwaltung
und das Speichermanagement. Sind auf dem Rechner jedoch mehrere Anwendungen gleichzeitig aktiv oder die Anwendung
auf parallele Prozessverarbeitung (Multithreading) optimiert, laufen diese mit Doppelkern-Prozessoren deutlich flüssiger als bei Singlekernprozessoren. Prozessoren mit 4
oder mehr Kernen sind bisher den Servern und Spezialanwendungen vorbehalten, bei denen viele parallel laufende Prozesse
verwaltet werden müssen.
Die Taktrate
Die mögliche Taktrate eines Prozessors ist vom Design und vom Herstellungsprozess abhängig. Die produzierten CPUs werden durch eine nachgeordnete Qualitätsprüfung
verschiedenen Gruppen mit maximaler Taktrate zugeordnet. Ob die mögliche Taktrate des Prozessors ausgenutzt wird, hängt vom Bustakt des eingesetzten
Mainboard ab. Mitunter werden CPUs auch bewusst übertaktet um höhere Leistungen zu erzielen. Dies ist jedoch mit höherem Aufwand für die
Kühlung und einem hohen Ausfallrisiko verbunden.
Energieverbrauch und Kühlung
Für hohe Rechenleistung wird viel Energie benötigt. Unter Volllast verbraucht eine Standard-CPU bis zu 100 Watt. Je nach CPU-Design wird aus einem erheblichen Teil dieser
Energie unerwünschte Wärme erzeugt, die eine Überhitzung der CPU nach sich ziehen könnte. Eine Überhitzung führt zum Leistungseinbruch oder zur Beschädigung der CPU.
Daher muss diese Wärme möglichst zügig abgeführt werden. Dafür kommen CPU-Kühler zum Einsatz, die direkt auf der CPU montiert werden.
Mit durchdachter Luftführung oder Wasserkühlung im Rechner kann die Kühlung optimiert
werden. Wird dazu noch der Energieverbrauch der CPU durch Senkung der Taktrate und Kernspannung an den Leistungsbedarf optimal angepasst, ist auch ein
lüfterloser Betrieb möglich. Optimierte Prozessoren kommen mit weniger als 20 Watt unter Volllast aus.
Im häufigen Ruhezustand verbrauchen diese Stromspar-CPUs sogar nur wenige Watt. Insbesondere für mobile Geräte ist diese Energieeffizienz wichtiger als der
Gigahertz-Wettbewerb mit hochgetakteten, heißlaufenden Prozessoren.
Der Cache - Blitzmerker für den Augenblick
Die aktuellsten Daten puffert die CPU in ihrem eigenen Cache-Speicher. Dies ist ein schneller Zwischenspeicher, der in die CPU integriert ist und die Anzahl der
Zugriffe auf den deutlich langsameren Hauptspeicher (RAM) reduziert. Die Pufferung erfolgt meist in 2 Stufen - ein kleiner, sehr schneller L1-Cache (Layer 1) und ein größerer
L2-Cache (Layer 2) der wiederum den L1-Cache puffert. Größere und schnellere Caches sorgen dafür, dass die CPU schnell die benötigten Daten erhält und der Systembus
entlastet wird. In künftigen Prozessoren kommt auch noch ein L3-Cache zum Einsatz.
Leistungswerte und Vergleichsmöglichkeiten anhand von Benchmarks und Ausstattung
Lange Zeit wurde die Leistungsfähigkeit der gebräuchlichsten CPUs fast ausschließlich an der unterstützten Taktrate festgemacht. Seitdem jedoch Mobilität,
Multimedia- und Multitasking-Fähigkeiten zu wesentlichen Anforderungen für die Auswahl eines Computers gehören, sind Energieverbrauch,
Multitasking-Fähigkeiten und effiziente Befehlsausführung mehr in den Vordergrund getreten. Während früher von der CPU zu einem bestimmten Zeitpunkt immer nur ein
Befehl bearbeitet werden konnte, sind bei aktuellen CPUs bis zu 4 Prozessorkerne parallel im Einsatz und können gleichzeitig verschiedene Befehle bearbeiten.
Mit dieser Multithreading genannten Parallelverarbeitung sind die Mehrkernprozessoren den Singlekernprozessoren trotz niedrigerer Taktrate deutlich überlegen.
Benchmarks
Um die angebotenen Prozessoren zu vergleichen, werden die Leistungswerte in klar definierten Tests ermittelt. Diese Benchmarks decken die ganze Bandbreite
möglicher Anforderungen ab, wie sie durch reale Anwendungen gestellt werden. Ein typischer Vergleichswert ist die Angabe der MIPS (Million Instructions Per Second),
also der Anzahl der ausgeführten Anweisungen in einer Sekunde als Mittelwert. Neben diesen absoluten Leistungswerten, sind zunehmend auch die Energieeffizienz und
Mobilität Teil der Vergleiche.
Ausstattung
Anhand der Ausstattung ist ein Vergleich zwischen verschiedenen Prozessoren und die Einordnung in Leistungsklassen möglich.
- Anzahl Kerne (1, 2 oder 4 Kerne)
- Verarbeitungsbreite (32 oder 64 Bit)
- Taktrate von Prozessor und Bus
- Cachegröße
- Speicherunterstützung (Größe und Typ)
- Energieoptimierung
- Multimedia-Unterstützung
Upgrade von CPU
Das Austauschen der CPU durch ein aktuelleres und leistungsstärkeres Exemplar (Upgrade) ist eine Möglichkeit einen betagteren Rechner für neue Anforderungen fit zu machen.
Die neue CPU muss jedoch vom Mainboard unterstützt werden, insbesondere vom Chipsatz.
Durch Upgrade-Kits können auf älteren Mainboards mitunter Prozessoren mit verändertem Sockel eingesetzt und das BIOS durch ein BIOS-Update aktualisiert werden.
Ist die sonstige Ausstattung des Computers leistungsfähig, kann durch ein CPU-Upgrade ein deutlicher Leistungsgewinn erzielt werden.
Weitere Links zum Thema
Mit diesem Thema in Beziehung stehen auch die Suchbegriffe Mainboard, Lüfter und
PC Netzteil aus unserer Kategorie PC-Komponenten.
