Was ist eine CPU?

Die CPU ist das Herzstück Ihres Computers. In ihr verbirgt sich vor allem die Rechenleistung, die für die Aufgaben, die Ihr PC tagtäglich bewältigen muss, unerlässlich ist.

Mit der Abkürzung CPU wird die Central Processing Unit Ihres Computers bezeichnet. Im Deutschen spricht man häufig auch einfach vom Prozessor. Der Prozessor ist die zentrale Hardware-Komponente und damit das Herz Ihres PCs. Ohne ihn kann ein Computer nämlich überhaupt nicht funktionieren. Das liegt vor allem daran, dass die CPU für alle Berechnungen verantwortlich ist, die für den Betrieb des PCs notwendig sind.

Um die Wichtigkeit der CPU nachzuvollziehen, ist es erforderlich, die grundlegende Funktionsweise eines Computers zu verstehen. Die Berechnungen des Computers werden durch sogenannte Maschinenbefehle ausgeführt, die Sie sich als Anweisungen an den Prozessor vorstellen können. Alle Maschinenbefehle kann man als Folgen von Einsen und Nullen, also im sogenannten Binärsystem, darstellen. Dies passiert auch in Ihrem Rechner, denn die CPU kann nur binäre Anweisungen verarbeiten.

Es gibt nicht den einen Prozessor, sondern eine ganze Reihe verschiedener CPUs. Diesen kann man vor allem anhand der Anzahl der sogenannten Prozessorkerne unterscheiden. Doch auch das Einsatzgebiet von CPUs erlaubt die Unterscheidung verschiedener Prozessortypen. Natürlich variieren auch die Hersteller. Der Markt wird dabei insbesondere von zwei Unternehmen, Intel und AMD, dominiert.

Single Core CPUs haben nur einen einzigen Prozessorkern. Das bedeutet, dass sie jeweils nur eine Aufgabe gleichzeitig bearbeiten können. Sie sind die ältesten CPUs und werden mittlerweile nur noch selten eingesetzt, da Parallelisierung bei vielen modernen Anwendungen eine zentrale Rolle spielt.

Das Gegenstück zu Einkernprozessoren sind Multi Core CPUs. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass sie mehrere Kerne besitzen. Häufig haben sie zwei oder vier Prozessorkerne (Dual bzw. Quad Core), doch auch eine größere Anzahl an Kernen ist keine Seltenheit. Insbesondere beim Betrieb von Servern werden Prozessoren mit sehr vielen Kernen eingesetzt. Der Vorteil von Mehrkernprozessoren ist offensichtlich: Aufgrund der verschiedenen, unabhängigen Einheiten sind sie fähig, mehrere Tasks parallel zu durchzuführen, und ermöglichen so ein flüssigeres und schnelleres Arbeiten.

Wenn Sie mit einem herkömmlichen Stand-PC arbeiten, sind Sie im Besitz einer sogenannten Desktop-CPU. Hierbei handelt es sich um die Prozessoren, die in PCs verbaut sind. Viele moderne Desktop-Prozessoren beinhalten außerdem eine integrierte Grafikkarte, die für die Standardanwendungen ausreicht.

Im Grunde genommen gibt es zwischen Desktop- und Mobil-Prozessoren keine großen Unterschiede. Sie unterscheiden sich in den meisten Fällen vor allem im Stromverbrauch. Im Allgemeinen gelten Desktop-CPUs aber als leistungsfähiger als die in mobilen Geräten wie Notebooks verbauten Pendants.

Prozessoren, die innerhalb von Servern eingesetzt werden, unterscheiden sich von den CPUs in Laptops und PCs: Sie haben eine wesentlich höhere Anzahl an Kernen, um viele gleichzeitige Operationen effizient ausführen zu können. Außerdem laufen Server meistens rund um die Uhr, sodass die hohe Last mit der Anzahl an Kernen kompensiert werden kann.

Der Prozessor übernimmt die wesentlichen Aufgaben Ihres Computers. Man kann im Groben zwischen drei Hauptaufgaben einer CPU unterscheiden:

1. Verarbeitung von Anweisungen. Die Recheneinheit ist dafür verantwortlich, die entgegengenommenen Befehle zu verarbeiten und entsprechende Ergebnisse zurückzugeben.
2. Kommunikation mit den Ein- und Ausgabegeräten bzw. der Peripherie. Hierfür ist die Steuereinheit verantwortlich. Diese kümmert sich außerdem um die Interaktion einzelner Prozessorbestandteile untereinander.
3. Datenaustausch. Ein herkömmlicher PC besteht aus vielen Komponenten, z. B. verschiedenen Typen von Speichern oder der Grafikkarte. Mit seinem Bussystem stellt ein Prozessor sicher, dass Daten zwischen den Komponenten hin- und hergeschickt werden können.

Die die meisten modernen CPUs setzen sich aus mehreren identischen Kernen zusammen. Innerhalb dieser Kerne befinden sich verschiedene Komponenten; mindestens umfasst ein Kern aber eine Recheneinheit, Register, ein Steuerwerk und ein Bussystem.

• Recheneinheit: Die Recheneinheit, die auch als Arithmetic Logic Unit oder kurz ALU bekannt ist, sorgt für die Berechnung arithmetischer und logischer Funktionen.
• Register: Register sind Speicher, auf die wegen ihrer Nähe zur Recheneinheit besonders schnell zugegriffen werden kann.
• Steuerwerk: Das Steuerwerk wird auch Control Unit genannt und kümmert sich im Wesentlichen um den Ablauf der Befehlsverarbeitung.
• Bussystem: Das Bussystem besteht aus Datenleitungen, die die Komponenten eines PCs miteinander verbinden.

Zusätzlich zu diesen zentralen Bestandteilen können CPUs weitere Komponenten beinhalten, die aus modernen Prozessoren kaum mehr wegzudenken sind:

• Memory Management Unit: Mit der Memory Management Unit, kurz MMU, wird der Zugriff auf den Arbeitsspeicher bzw. RAM des Computers verwaltet, indem virtuelle Speicheradressen in physische übersetzt werden.
• Cache: Der Cache ist ein oft mehrstufiger, schneller Zwischenspeicher.
• Gleitkommaeinheit: Die Gleitkommaeinheit ist eine spezialisierte Recheneinheit, die für den Umgang mit Kommazahlen verantwortlich ist.

Die Verarbeitung von einzelnen Instruktionen innerhalb der CPU geschieht unglaublich schnell. Wenn Sie beispielsweise eine Taste Ihrer Tastatur betätigen, sehen Sie im Normalfall ohne Verzögerung den entsprechenden Buchstaben auf Ihrem Monitor. Dennoch sind im Hintergrund viele Schritte nötig, damit die Verarbeitung von Befehlen reibungslos verläuft. Den grundlegenden Ablauf der Befehlsverarbeitung kann man in vier wesentliche Phasen einteilen:

1. Fetch: Zunächst wird die Adresse des nächsten Maschinenbefehls aus dem Arbeitsspeicher Ihres Computers gelesen.
2. Decode: Dann wird der Befehl entschlüsselt und die entsprechenden Schaltungen werden geladen.
3. Fetch Operands: Im Anschluss werden alle für den Befehl erforderlichen Parameter in die Register geladen. Die Werte, die in die Register geschrieben werden, findet man entweder im Hauptspeicher, im Arbeitsspeicher oder im Cache.
4. Execute: Zuletzt erfolgt die Ausführung des Befehls.

Dieser vier Phasen werden praktisch in Dauerschleife wiederholt: Sobald ein Befehl abgeschlossen wurde, wird der nächste Befehl ausgewählt und ebenfalls vom Prozessor verarbeitet. Die Reihenfolge, in der die Befehle ausgeführt werden, hängt von sogenannten Scheduling-Verfahren ab. Diese sorgen durch entsprechende Planung dafür, dass sich das System ausgewogen verhält.

Wie leistungsfähig ein Prozessor ist, hängt von mehreren Faktoren ab. Zum einen ist die sogenannte Wortbreite relevant. Mit ihr wird angegeben, wie lang ein Maschinenwort sein kann. So wird beispielsweise bestimmt, wie viele Bits gleichzeitig aus dem Arbeitsspeicher gelesen werden oder in welchem Bereich Ganz- oder Gleitkommazahlen verarbeiten werden können. Die meisten gängigen Computer haben eine Wortbreite von 32 oder 64 Bit.

Auch die Anzahl der CPU-Kerne spielt eine entscheidende Rolle, wenn Sie die Leistungsfähigkeit eines Prozessors beurteilen möchten: Je mehr Kerne ein Prozessor hat, desto mehr Aufgaben können parallel bearbeitet werden. Auch die Lastenverteilung innerhalb Ihres Systems funktioniert mit steigender Kernanzahl besser.

Doch nicht nur auf die Anzahl der Kerne kommt es an. Mindestens genauso wichtig für die Leistung einer CPU ist die Taktfrequenz, mit der die einzelnen Kerne arbeiten. Die Taktfrequenz wird in Hertz bzw. Gigahertz angegeben. Im Grunde gilt: Je höher die Taktfrequenz, desto mehr Maschinenbefehle können pro Sekunde von der CPU verarbeitet werden.

Allerdings spielt für die Taktfrequenz auch der Grundtakt des Mainboards eine Rolle, den man bei einigen Mainboards manuell im BIOS einstellen kann. Darüber hinaus kann die Taktfrequenz nicht beliebig erhöht werden, sondern ist immer durch die CPU-Temperatur limitiert. Wenn diese zu stark ansteigt, kann der Prozessor unter Umständen Schaden nehmen. Nicht zuletzt deshalb erfordert das Übertakten von CPUs auch einiges an Know-how.

Was ist für die Leistung einer CPU nun ausschlaggebender: die Anzahl der ihrer Kerne oder die Taktfrequenz? Leider gibt es hierauf keine eindeutige Antwort. Es kommt nicht nur auf den Anwendungszweck an, sondern auch noch auf den Prozessor an sich.

Moderne Prozessoren sind häufig effizienter in der Verarbeitung von Befehlen und können daher auch mit einer geringeren Taktfrequenz dieselbe Leistung erbringen wie ältere Prozessoren mit höherer Taktfrequenz. Außerdem bieten moderne Prozessoren häufig die Möglichkeit für Multithreading bzw. Hyperthreading, sodass auf einem Kern mehrere Threads parallel ausgeführt werden können.

Wenn Sie auf Ihrem Computer Anwendungen laufen lassen, die von mehreren Kernen und Parallelisierung profitieren, dann lohnt es sich, auf eine entsprechend hohe Anzahl an Prozessorkernen zurückzugreifen, um die CPU-Auslastung bestmöglich zu verteilen. Solche Anwendungen sind beispielsweise der Einsatz virtueller Maschinen oder Rendering. Das liegt daran, dass die Arbeitslast solcher Programme sehr gut verteilt werden kann.

Benutzen Sie Ihren PC hauptsächlich für Anwendungen, die ihre Arbeitslast nicht so gut verteilen können, beispielsweise Computerspiele, dann ist die Taktfrequenz eher der ausschlaggebende Punkt.

Moderne Prozessoren verfügen häufig über eine intelligente Verteilung der Arbeitslast auf die CPU-Kerne. Wenn die aktuelle Arbeitslast effizient auf mehrere Kerne verteilt werden kann, wird genau das getan, und alle zur Verfügung stehenden Kerne werden genutzt. Die einzelnen Kerne laufen dann mit geringerer Taktfrequenz. Ist der Einsatz mehrerer Kerne allerdings nicht sinnvoll oder erforderlich, dann wird die Taktfrequenz der benutzten Kerne erhöht.