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CPU - Hirn oder Herz eines Computers?

Die Central Processing Unit (CPU), zu deutsch der Hauptprozessor, ist das Kernelement eines Computers schlechthin. 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. Dabei handelt es sich um 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 erforderlich.

Anzahl der Kerne - Gruppenarbeit und Arbeitsteilung

Durch mehrere Kerne können entsprechend viele Befehle parallel und damit schneller verarbeitet werden. Dadurch 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.

Die Taktrate

Die mögliche Taktrate eines Prozessors hängt vom Design und vom Herstellungsprozess ab. 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. Allerdings ist das 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 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 schnell 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 gemessen. Seitdem jedoch Mobilität, Multimedia- und Multitasking-Fähigkeiten zu wesentlichen Anforderungen für die Auswahl eines PCs 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 vier 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 (2, 6 oder 12 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.

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