Der Prozessor

Einer der wohl am meisten beworbenen Bestandteile eines Computers ist der Prozessor (engl. CPU = Central Processing Unit). Auf diesem kleinen Silizium-Chip finden fast alle Berechnungen im Computer statt. Als Erfinder des Mikroprozessors gilt die Firma Texas Instruments, die sich diese Idee auch patentieren ließ. Im Jahr 1971 stellte Intel mit dem 4004 die erste CPU auf einem Chip vor.

Um Ihnen einen Überblick über die Entwicklung der Prozessoren zu geben und Sie auf dem neuesten Stand der Entwicklung zu halten, führen wir am Ende unseres Artikels alle bisher entwickelten und aktuellen Prozessormodelle der Firmen Intel und AMD auf.

 

Auflistung aller AMD-Prozessoren

Auflistung aller Intel-Prozessoren

 

Das Verhalten der CPU wird dabei von einem Programm in Form von Maschinencode bestimmt. Zu den zentralen Aufgaben der CPU gehören arithmetische Operationen, das Lesen und Schreiben von Daten im Arbeitsspeicher, sowie das Ausführen von Sprüngen im Programm. Die moderne Form der CPU ist der Mikroprozessor, der alle Bausteine der CPU auf einem Mikrochip vereinigt.

Ein Prozessor besteht aus Millionen Transistoren. Ein Transistor ist Schalter mit den Beiden Zuständen "an" bzw. "aus" und stellt den Grundbaustein integrierter Schaltungen da. Ohne die Erfindung des Transistors wären komplexe logische Schaltungen wie die eines Prozessors undenkbar. Transistoren sind klein, benötigen wenig Strom und sind im Vergleich zu den früher verwendeten Röhren nicht so störanfällig.

Als Core (Kern) bezeichnet man das eigentliche Rechenwerk des Prozessors, um das herum weitere Komponenten, wie Cache und MMU angeordnet sind.

Ein Prozessor kann aus mehreren Kernen bestehen, diese Prozessoren werden allgemein als Multi-Core-Prozessoren (Mehrkernprozessoren) bezeichnet. Im Speziellen werden Mikroprozessoren mit nur einem Prozessorkern als Single-Core-Prozessoren (Einzelkernprozessoren) bezeichnet, mit zwei Prozessorkernen als Dual-Core-Prozessoren (Doppelkernprozessoren) und mit vier Prozessorkernen als Quad-Core-Prozessoren.

Prozessoren mit mehreren Kernen können sehr unterschiedlich realisiert werden, so kann beispielsweise nur ein Cache für alle Kerne vorhanden sein, es kann aber auch jeder Kern einen eigenen Cache aufweisen. Wenn man z.B. mit dem Quad-Core-Prozessoren vier Programme gleichzeitig abspielen lässt, kann der PC problemlos damit zurecht kommen.

Moderne CPUs bestehen üblicherweise aus mehreren, übereinander liegenden Schichten von dotiertem Silizium, welches dann die Millionen von Transistoren bildet, deren Schaltvorgänge die Rechenleistung bereitstellen.

CPUs werden auf Grund ihrer unterschiedlichen Anwendungsbereiche an den jeweiligen Einsatzbereich angepasst. Beispielsweise müssen Spezialversionen für Luft- und Raumfahrt besonders hohen Temperaturen und Strahlungsexposition im laufenden Betrieb fehlerfrei Stand halten, während Mobilprozessoren eine hohe IPC-Rate (Instruction per Cycle), geringe Leckströme und einen niedrigen Energieverbrauch aufweisen müssen. Diesen Bedürfnissen wird auf verschiedene Arten und Weisen Rechnung getragen: So wird bereits mit der Auswahl des Befehlssatzes. Anschließend wird ein möglichst effizienter Mikrocode entwickelt, welcher optimal an Randbedingungen wie Cachegrößen, Speicherbandbreite und -latenzen sowie die internen Funktionseinheiten angepasst werden sollte.

Anschließend wird der logische Entwurf des Prozessors (er liegt in einer C-ähnlichen Programmiersprache vor) an einen Hochleistungscomputer übergeben, welcher die Leiterbahnen routet, d. h. eine optimale Anordnung mit möglichst wenig Transistoren sowie minimaler Verlustleistung zu ermitteln sucht (sog. Technology Binding oder Technology Mapping). Da diese Routingprobleme NP-vollständig sind, sind nur Näherungsberechnungen möglich, die sich im Detail noch erheblich verbessern lassen. Aus diesen Bahnberechnungen werden sehr teure Masken erstellt, die unter Anwendung kurzwelligen UV-Lichts (heute 193 nm) zur Belichtung von Wafern eingesetzt werden, die anschließend geätzt werden. Die Fertigung eines heutigen Mikroprozessors umfasst weit über 100 Einzelschritte, in deren Verlauf bereits ein Fehler den gesamten Prozessor unbrauchbar machen kann.

In der Endkontrolle werden die Prozessoren schließlich hinsichtlich ihrer Taktfestigkeit klassifiziert, wobei anhand eines für jeden Prozessortyp individuell entwickelten Testprogramms physikalische Eigenschaften wie Signalpegel bei verschiedenen Takten überprüft werden. Hierbei wird besonders auf laufzeitkritische Signalwege auf dem CPU-Die geachtet. Wenn ein Signal über einen bestimmten Signalweg nicht schnell genug läuft, um die logischen Anforderungen des CPU-Designs zu erfüllen, spricht man von einem Speed Path. Solche Speed Paths begrenzen die Taktfrequenz aller komplexen Logikbausteine. Bleibt ein solcher Speed Path unentdeckt, kann das fatale Folgen haben: So zeigten verschiedene Revisionen des K6 aufgrund von Streuungen in der Fertigungsqualität einen durch einen Speed Path verursachten Fehler in der MMX-Einheit, was beispielsweise beim Entpacken von JPEG-Bildern zu zerstörten Dateien führen konnte. Auch die Firma Intel musste im Jahr 2001 der gerade erst vorgestellte Pentium III mit der Taktfrequenz von 1.13 GHz zurückgerufen, weil ein Speed Path übersehen wurde.

Allgemein lässt sich feststellen, dass der Validierungsaufwand moderner Prozessoren gewaltige Ausmaße angenommen hat, und trotz aller Anstrengungen nicht alle Fehlersituationen vor der Auslieferung überprüft werden können. Der letzte in allen Funktionen (und Fehlern!) vollständig verifizierte x86-Prozessor war der 80286. Daher liefern alle Hersteller so genannte Errata-Listen, in denen Fehler aufgelistet werden. So musste beispielsweise Intel den berühmten FDIV-Bug in frühen Pentium-CPUs eingestehen, welcher auf eine kleine Auslassung beim Füllen einer im Prozessor hartverdrahteten Matrix für die FPU (Floating Point Processing Unit) zurückzuführen ist.

Im Laufe der Zeit vergrößerte sich auf Grund der immer besser werdenden Technik die Anzahl der vom Prozessor unterstützten Befehle. Der Befehlssatz bezeichnet die Menge der Maschinenbefehle eines Prozessors. Der Umfang des Befehlssatzes variiert je nach Prozessortyp beträchtlich. Nach dem Befehlssatz kann man zwischen RISC und CISC Prozessor-Architekturen unterscheiden:

Ein RISC-Befehlssatz verzichtet zugunsten einer hohen Ausführungsgeschwindigkeit und eines niedrigeren Decodierungsaufwands auf Seiten der CPU konsequent auf komplexe Befehle, wodurch die Ausführung schneller als bei einem CISC-Befehlssatz ist.

Ein CISC-Befehlssatz zeichnet sich durch verhältnismäßig leistungsfähige Einzelbefehle aus, die komplexe Operationen durchführen können, aber dafür langsamer als RISC Befehle sind.

 

Die 386er, die in den 80er Jahren entwickelt wurden, waren die ersten 32-Bit-Prozessoren der Intel 80x86-Familie. War bis vor einigen Jahren der 32-Bit Prozessor Standard, haben sich heute 64-Bit-Prozessoren auf ganzer Linie durchgesetzt. Vereinfacht dargestellt bedeutet 64-Bit, dass die Prozessoren durch ihre ALU-Bauart (die Arithmetic Logical Unit ( arithmetisch-logische Einheit) berechnet arithmetische und logische Funktionen) so ausgelegt sind, dass 64 Bit (also 8 Byte) gleichzeitig bzw. während eines Taktes verarbeitet werden können. Das schließt die externe und interne Gestaltung von Datenbus und Adressbus, die Breite des Registersatzes mit ein. Auch der Befehlssatz könnte durchgängig auf 64-Bit ausgelegt werden, allerdings sind bei den meisten heutigen 64-Bit Prozessoren von AMD und Intel noch abwärtskompatiblen Altlasten der x86-Architektur vorhanden.

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Dieser Artikel:

Einleitung
RISC und CISC
Der Prozessorcache
Leistung und Taktfrequenz
Erweiterungen des Prozessorbefehlssatzes
Hyperthreading
Leistung und Kühlung
Sockeltypen
Desktop-, Server und Mobil-Prozessoren

Intel-Prozessoren
AMD-Prozessoren

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