Was ist eine CPU (Central Processing Unit)?

Was bedeutet CPU?

CPU steht für Central Processing Unit, zu Deutsch: Zentrale Recheneinheit oder Hauptprozessor. Die CPU ist die zentrale Komponente eines jeden Computers und wird oft als das "Gehirn" des Systems bezeichnet. Sie ist verantwortlich für die Ausführung von Programmbefehlen und die Durchführung von Berechnungen.

Die Geschichte der CPU reicht zurück bis in die 1970er Jahre, als Intel 1971 den ersten kommerziellen Mikroprozessor, den Intel 4004, auf den Markt brachte. Seitdem hat sich die Technologie rasant entwickelt: Von einfachen Prozessoren mit wenigen tausend Transistoren zu modernen CPUs mit mehreren Milliarden Transistoren auf einem einzigen Chip.

Eine CPU besteht aus mehreren Hauptkomponenten, die eng zusammenarbeiten:

Führt alle arithmetischen Operationen wie Addition und Subtraktion sowie logische Vergleiche durch.

Koordiniert den Ablauf aller Operationen und steuert den Datenfluss zwischen den verschiedenen Einheiten. Die Steuereinheit interpretiert Anweisungen und sorgt dafür, dass diese korrekt an die entsprechenden Verarbeitungseinheiten weitergeleitet werden.

Extrem schnelle Speicherzellen direkt in der CPU, die zur kurzfristigen Speicherung von Daten und Befehlen dienen.

Fungiert als Zwischenspeicher zwischen CPU und Arbeitsspeicher. Er ist in mehrere Ebenen unterteilt: L1-Cache ist der kleinste, aber schnellste, gefolgt von L2 und L3, die größer, aber langsamer sind.

Moderne CPUs sind als Mehrkernprozessoren konzipiert und verfügen über mehrere Prozessorkerne, die jeweils als eigenständige Verarbeitungseinheiten fungieren. Jeder Kern kann durch Threading einen oder mehrere Threads gleichzeitig verarbeiten, was die parallele Ausführung von Aufgaben ermöglicht. Durch diese Architektur kann die Arbeitslast auf mehrere Kerne verteilt werden, was die Gesamtgeschwindigkeit bei entsprechenden Anwendungen erheblich steigert.

Die Funktionsweise einer CPU basiert auf dem Fetch-Decode-Execute-Zyklus, einem kontinuierlichen Ablauf von drei Schritten:

Der Fetch-Decode-Execute-Zyklus

Fetch (Laden): Die CPU holt den nächsten Befehl aus dem Arbeitsspeicher.

Decode (Dekodieren): Der Befehl wird interpretiert, das heißt, die CPU ermittelt, welche Operation durchgeführt werden soll.

Execute (Ausführen): Die CPU führt den Befehl aus und speichert das Ergebnis.

Dieser Zyklus wiederholt sich Milliarden Mal pro Sekunde und verarbeitet dabei kontinuierlich Anweisungen zur Datenverarbeitung. Die Geschwindigkeit, mit der diese Anweisungen abgearbeitet werden, hängt von der Taktrate (auch Taktfrequenz genannt) und der Effizienz der CPU-Architektur ab. Die CPU arbeitet dabei eng mit anderen Komponenten zusammen: Der Arbeitsspeicher (RAM) liefert Daten und Programme, das Mainboard verbindet alle Komponenten miteinander, und der Chipsatz koordiniert die Kommunikation zwischen CPU und anderen Hardware-Elementen.

Die wichtigsten technischen Kennzahlen einer CPU lassen sich folgendermaßen zusammenfassen:

Die Taktfrequenz oder Taktrate wird in Gigahertz (GHz) gemessen und gibt an, wie viele Rechenschritte eine CPU pro Sekunde ausführen kann. Sie bestimmt maßgeblich die Geschwindigkeit der Datenverarbeitung. Eine CPU mit 3,5 GHz führt 3,5 Milliarden Taktzyklen pro Sekunde durch. Allerdings ist eine höhere Taktfrequenz nicht automatisch gleichbedeutend mit besserer Leistung, da auch andere Faktoren eine Rolle spielen.

Kleinere Fertigungsprozesse ermöglichen mehr Transistoren auf gleicher Fläche, höhere Leistung und geringeren Stromverbrauch. Die TDP (Thermal Design Power) ist besonders wichtig für die Auswahl des passenden Kühlsystems.

Die CPU-Landschaft lässt sich in verschiedene Kategorien einteilen:

Im Desktop-Bereich dominieren Intel und AMD den Markt. Intel bietet seine Core-Prozessoren in verschiedenen Leistungsklassen an, während AMD mit der Ryzen-Serie konkurriert. Beide Hersteller bieten Prozessoren vom Einsteigerbereich bis zur High-End-Gaming- und Workstation-Nutzung.

Mobile CPUs für Laptops, Tablets und Smartphones unterscheiden sich durch ihren Fokus auf Energieeffizienz. ARM-Prozessoren dominieren den Smartphone-Markt und finden zunehmend auch in Laptops Verwendung. Apple hat mit seinem Apple Silicon (M1, M2, M3, M4) eigene ARM-basierte Prozessoren entwickelt, die Leistung und Effizienz vereinen.

Server-CPUs sind für den Dauerbetrieb und hohe Zuverlässigkeit optimiert. Diese Prozessoren verfügen über besonders viele Kerne, große Cache-Speicher und ECC-RAM Unterstützung, um Speicherfehler zu erkennen und zu korrigieren.

Im High Performance Computing (HPC) kommen CPUs unter extremen Anforderungen zum Einsatz. HPC-Systeme, auch Supercomputer genannt, werden für wissenschaftliche Simulationen, Klimamodellierung, Genomforschung und komplexe Berechnungen eingesetzt, die enorme Rechenleistung erfordern. Die Anforderungen unterscheiden sich deutlich von Consumer- oder Standard-Server-Anwendungen.

Parallelverarbeitung und Skalierbarkeit sind zentrale Aspekte im HPC-Bereich. Ein einzelner Supercomputer kann aus Tausenden von CPUs bestehen, die gleichzeitig an Teilproblemen arbeiten. Die Fähigkeit, Aufgaben effizient auf viele Prozessoren zu verteilen und die Ergebnisse zu koordinieren, ist entscheidend für die Gesamtleistung des Systems. Moderne HPC-CPUs wie AMD EPYC oder Intel Xeon Scalable Processors bieten bis zu 96 oder mehr Kerne pro CPU und sind speziell für diese parallele Verarbeitung optimiert.

Im HPC-Umfeld arbeiten CPUs häufig mit Beschleunigern zusammen. GPUs (Graphics Processing Units) werden für massiv parallele Berechnungen eingesetzt, während FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) für spezialisierte Aufgaben konfiguriert werden können. Die CPU übernimmt dabei oft die Rolle des Koordinators, der die Aufgaben verteilt und die Kommunikation zwischen den verschiedenen Recheneinheiten steuert.

Eine GPU (Graphics Processing Unit) ist auf die parallele Verarbeitung spezialisiert und verfügt über Tausende einfacher Rechenkerne. Während CPUs wenige, aber komplexe Kerne für sequentielle Aufgaben haben, sind GPUs ideal für Grafikberechnungen und maschinelles Lernen. Eine CPU kann unterschiedliche Aufgaben flexibel bearbeiten, eine GPU ist hochspezialisiert auf parallele Rechenoperationen.

Ein SoC (System on a Chip) integriert CPU, GPU, Speicher-Controller und weitere Komponenten auf einem einzigen Chip. Dies ist typisch für Smartphones und moderne Laptops. Apple M-Prozessoren und Qualcomm Snapdragon sind Beispiele für SoCs. Der Vorteil liegt in der kompakten Bauweise und hohen Energieeffizienz, während klassische Desktop-CPUs auf maximale Rechenleistung ausgelegt sind.

Die CPU bleibt trotz spezialisierter Prozessoren das zentrale Element eines Computers, da sie die Gesamtkoordination übernimmt und für die meisten allgemeinen Rechenaufgaben zuständig ist. Moderne Systeme nutzen zunehmend heterogene Architekturen, in denen CPU, GPU und andere Beschleuniger ihre jeweiligen Stärken ausspielen.