CPU-Aufbau: Rechenwerke und Cache

Kurz: Eine moderne CPU besteht aus mehreren Kernen, die jeweils Steuerwerk, Rechenwerke (ALU, FPU), Register und eigenen Cache enthalten, dazu einem gemeinsamen Cache, einem Speichercontroller und Verbindungen zu den restlichen Komponenten.

Genauer: Die CPU führt Befehle aus: holen, entschlüsseln, ausführen, Ergebnis zurückschreiben. Damit das schnell geht, sind die Bausteine in mehreren Ebenen aufgebaut, vom winzigen, superschnellen Register bis zum großen, langsameren L3-Cache.

Im Detail

Bestandteile eines Kerns:

• Steuerwerk (Control Unit): Holt Befehle, dekodiert sie und steuert den Ablauf. Dazu gehören Sprungvorhersage, Befehlswarteschlangen und Planer.
• Rechenwerke:
  • ALU (Arithmetic Logic Unit): Ganzzahlrechnen, Vergleiche, Logik (Addition, UND, Schieben).
  • FPU (Floating Point Unit): Kommazahlen.
  • Vektoreinheiten (SSE, AVX, NEON): viele Werte gleichzeitig (SIMD), wichtig für Bild, Ton, KI.
  • Lade-/Speichereinheiten: Zugriff auf den Speicher.
• Register: Kleinste, schnellste Speicher direkt in der Recheneinheit (einige Dutzend bis Hundert, je 64 Bit). Sie halten Zahlen, mit denen gerade gerechnet wird.
• L1- und L2-Cache: Je Kern, sehr klein und schnell.

Gemeinsame Teile (Uncore):

• L3-Cache: Gemeinsam für alle Kerne.
• Speichercontroller: Verbindet die CPU mit dem Arbeitsspeicher (DDR).
• PCIe-Controller: Direkt für Grafikkarte und SSD.
• Interne Verbindung (Ring, Mesh, Infinity Fabric) zwischen den Kernen.
• Integrierte Grafik (iGPU) und Medien-Engines (bei vielen Modellen).
• Sicherheits- und Energieverwaltung: Takt, Spannung, Temperatur.

Speicherhierarchie (typisch):

Ebene	Größe	Zugriffszeit
Register	< 1 KB	< 1 ns
L1-Cache	32 – 64 KB je Kern	~1 ns
L2-Cache	0,5 – 2 MB je Kern	~4 ns
L3-Cache	16 – 128 MB gemeinsam	~10 ns
Arbeitsspeicher	8 – 128 GB	~80 ns
SSD	Terabyte	~50.000 ns

Takt und Leistung: Der Takt (GHz) gibt die Zyklen pro Sekunde an. Wirklich zählen Takt × Befehle pro Takt (IPC) × Kernzahl.

Fertigung: Milliarden Transistoren in 3 bis 10 nm-Technik auf einem Siliziumplättchen (Die). Hitze (TDP) wird über Kühler abgeführt.

Siehe auch: CPU, L1-, L2- und L3-Cache, CPU-Pipeline