CPU

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Kurz: Die “Central Processing Unit” — der zentrale Prozessor eines Computers, der Programmbefehle ausführt und Berechnungen durchführt.

Genauer: Moderne CPUs enthalten mehrere Rechenkerne (Cores), die jeweils mehrere Threads gleichzeitig verarbeiten können. Die Taktrate (in GHz) gibt an, wie viele Rechenzyklen pro Sekunde ausgeführt werden — aber Architektur und Kernanzahl beeinflussen die reale Leistung mindestens genauso stark wie der reine Takt.

Im Detail

Funktionsweise: Fetch-Decode-Execute

Der grundlegende Arbeitszyklus einer CPU folgt dem sogenannten “Fetch-Decode-Execute”-Prinzip: Ein Befehl wird aus dem Speicher geladen (Fetch), in seine Bestandteile zerlegt und interpretiert (Decode), und schließlich ausgeführt (Execute) — dieser Zyklus wiederholt sich milliardenfach pro Sekunde. Moderne CPUs erweitern das um “Pipelining” (mehrere Befehle gleichzeitig in verschiedenen Zyklusphasen bearbeiten, wie ein Fließband) und “Out-of-Order Execution” (Befehle notfalls in anderer Reihenfolge ausführen, wenn ein früherer Befehl gerade auf Daten wartet), um die Auslastung der Recheneinheiten zu maximieren. Die Taktrate in GHz gibt an, wie oft der Grundzyklus pro Sekunde durchlaufen wird, sagt aber allein wenig über die tatsächliche Leistung aus: Eine CPU mit effizienterer Architektur kann bei niedrigerem Takt mehr Arbeit pro Zyklus erledigen (höhere “Instructions per Clock”, IPC) als eine ältere, höher getaktete CPU — ein Vergleich rein nach GHz zwischen unterschiedlichen CPU-Generationen oder -Herstellern ist deshalb irreführend.

Kerne, Threads und Cache

Moderne CPUs bestehen aus mehreren Kernen, die jeweils unabhängig Befehlsfolgen abarbeiten können, sowie oft mehreren logischen Threads pro physischem Kern (z. B. über Hyper-Threading/SMT, wodurch ein Kern zwei Befehlsströme gleichzeitig verwaltet, um Wartezeiten besser auszunutzen — bringt aber typischerweise nur 15-30% Mehrleistung pro Kern, nicht die vollen 100% eines echten zweiten Kerns). Dazu kommen mehrstufige Zwischenspeicher direkt auf dem Chip: L1-Cache (winzig, oft nur 32-64 KB pro Kern, aber extrem schnell), L2-Cache (mehrere hundert KB bis wenige MB pro Kern) und L3-Cache (mehrere MB bis über 100 MB, von allen Kernen gemeinsam genutzt) — jede Stufe ist größer, aber spürbar langsamer als die vorherige. Diese Cache-Hierarchie überbrückt den riesigen Geschwindigkeitsunterschied zwischen CPU und Hauptspeicher (RAM): Ein L1-Cache-Zugriff dauert wenige Taktzyklen, ein RAM-Zugriff dagegen hunderte. Dazu kommt meist eine spezielle Recheneinheit für Gleitkommazahlen (FPU) für Berechnungen mit Kommazahlen wie double.

Historische Entwicklung

Bis Mitte der 2000er-Jahre wurde CPU-Leistung fast ausschließlich über höhere Taktraten gesteigert (“Megahertz-Rennen”) — das stieß irgendwann an physikalische Grenzen: Höherer Takt bedeutet exponentiell mehr Wärmeentwicklung und Stromverbrauch. Seitdem verlagerte sich der Fokus auf Mehrkern-Architekturen (die ersten Dual-Core-CPUs für Endverbraucher kamen 2005), effizientere Fertigungsprozesse (kleinere Strukturbreiten, gemessen in Nanometern — moderne CPUs liegen bei 3-5 nm, verglichen mit z. B. 90 nm Anfang der 2000er) und spezialisierte Recheneinheiten für bestimmte Aufgaben (z. B. für KI-Berechnungen oder Videokodierung), statt reine Taktrate weiter zu steigern.

x86 vs. ARM

Ein wichtiger architektonischer Unterschied besteht zwischen x86-CPUs (Intel, AMD — dominant bei Desktop-PCs und den meisten Laptops) und ARM-CPUs (dominant bei Smartphones und Tablets, zunehmend auch bei Laptops wie Apples M-Serie-Chips). x86 nutzt einen “CISC”-Befehlssatz (Complex Instruction Set Computing) mit vielen, teils komplexen Einzelbefehlen; ARM setzt auf “RISC” (Reduced Instruction Set Computing) mit wenigen, einfachen Befehlen, die dafür sehr energieeffizient ausgeführt werden. Dieser Effizienzvorteil ist der Hauptgrund, warum ARM lange bei mobilen, akkubetriebenen Geräten dominierte und inzwischen auch bei Laptops und sogar Servern an Boden gewinnt.

Kaufkriterien

Bei der CPU-Auswahl zählen neben Kernanzahl und Takt vor allem: die Sockel-Kompatibilität zum Mainboard (siehe CPU-Sockel), die TDP (Thermal Design Power, gibt die zu erwartende Abwärme und damit Kühlungsanforderungen an), und der tatsächliche Anwendungsfall — für reines Büro-/Web-Arbeiten ist eine CPU mit wenigen, schnellen Kernen oft sinnvoller als eine mit vielen, aber schwächeren Kernen, während stark parallelisierbare Aufgaben (Videoschnitt, Kompilieren großer Softwareprojekte) von vielen Kernen deutlich profitieren.

Siehe auch: CPU-Sockel, Cores, Threads, Takt (GHz), Chipsätze, Motherboard/Mainboard