CPU (Hauptprozessor)

Die Abkürzung CPU steht im Englischen für Central Processing Unit (dt.: Hauptprozessor) und bezeichnet die zentrale Verarbeitungseinheit eines Computers. Moderne CPUs setzen sich aus Millionen von Schaltkreisen (aus Transistoren) zusammen und führen anhand binärer Schaltzustände die Software-Programme bzw. deren Berechnungen aus. Die Schaltkreise der CPU setzen sich aus Schichten dotierten Siliziums zusammen, die wenige Atome dünn sind.

Die Aufgaben einer CPU lassen sich in unterschiedliche Bereiche einteilen: Die Adresseinheit ist für die Lese- und Schreibvorgänge zum Speicher hin zuständig und versorgt Befehlsdecoder und Recheneinheit mit Daten. Die Registereinheit speichert Daten, die für die unmittelbare Verarbeitung bereitgehalten werden – der Zugriff auf die Daten des internen Registers ist wesentlich schneller als der Zugriff auf den Arbeitsspeicher. In vielen modernen CPUs sind weitere Funktionseinheiten zu finden, die auf das Abarbeiten spezieller Befehle optimiert sind. Diese sind z.B.:

• Cache-Speicher
• Grafikchip
• numerische Koprozessoren für Rechenoperationen
• Speicherverwaltung (Memory Management Unit)

Die Leistungsfähigkeit einer CPU ist maßgeblich von drei Faktoren ab:

• von der Transistorendichte bzw. der Anzahl der Transistoren; dem mooreschen Gesetz zufolge verdoppelt sich die Anzahl integrierter Schaltkreise auf Mikroprozessoren alle 18 bis 24 Monate,
• der Taktgeschwindigkeit, also der Frequenz, in der die Schaltvorgänge passieren,
• und der Prozessor-Architektur, die auf bestimmte Rechenoperationen optimiert sein kann oder über mehrere Prozessorkerne verfügt.

Nach dem Erscheinen der ersten Prozessoren mit über 500 MHz Taktfrequenz, nutzte z.B. Intel die Taktgeschwindigkeit als ein zentrales Marketinginstrument. Apple setzte dem eine Werbekampagne entgegen, die die G4-Prozessoren mit der besonders schnellen Verarbeitung von Gleitkommaoperationen (FLOPS) bewarb. Für diese waren die CPUs mit einer spezialisierten Einheit (Altivec) ausgestattet. Moderne Prozessoren verfügen meist über mehrere Prozessorkerne, einen integrierten Level-2- und Level-3-Cache sowie über einen Ringbus als Verbindung zum Arbeitsspeicher.

Trotz fortschreitender Miniaturisierung (siehe folgender Absatz), verminderter Betriebsspannung und geringerer Stromstärken, erzeugen CPUs Verlustwärme, die abgeführt werden muss, um ein Überhitzen des Prozessors zu verhindern. Folgende Varianten der CPU-Kühlung kommen in Frage:

Ein auf der CPU angebrachter Kühlkörper aus Aluminium oder Kupfer sorgt in Kombination mit einem Axiallüfter für den notwendigen Wärmetausch. Luftbrücken zwischen Prozessor und Kühlkörper werden durch Wärmeleitpaste geschlossen. Ein Kühlkörper aus Metall sorgt für die notwendige Wärmeableitung ohne CPU-Lüfter. Vorraussetzung für eine passive Kühlung sind spezielle, Energie sparende Prozessoren wie sie in Notebooks, Tablets oder auch als integrierte Prozessoren in Fernsehern Verwendung finden. Während Notebooks über Lüfter verfügen, die durch mindestens einen Lüftungskanal und entsprechende, Wärme leitende Komponenten Prozessor, Grafikkarte, Festplatte und Mainboard kühlen, genügt bei Tablets die Wärmeabstrahlung nach außen und bei Fernsehern der Kamin-Effekt im Gehäuse.

Die Wasserkühlung eines PCs besteht aus wärmetauschenden Elementen an CPU und Grafikkarte, einem Leitungssystem mit Pumpe und Ausgleichsbehälter sowie einem aktiven oder passiven Kühlkörper, der die Wärme nach außen abgibt. Wassergekühlte Systeme kommen dann zum Einsatz, wenn besondere Leistungen (z.B. durch Übertaktung) erzielt werden sollen oder der Computer besonders leise sein soll. Stickstoffbasierte Kühlkonfigurationen kommen im Privat-Segment selten vor. Jedoch wird durch die Stickstoffkühlung die kurzzeitige und vielfache Übertaktung des ursprünglichen Prozessortakts, wie sie bei den sog. Overclocking-Wettbewerben praktiziert wird, erst möglich.

Nach dem Mooreschen Gesetz verdoppelt sich die Komplexität integrierter Schaltkreise alle 18-24 Monate. Dabei geht das Mooresche Gesetz davon aus, dass in diesem Zyklus der Preis für die jeweilige Weiterentwicklung für den Endkunden stabil bleibt. Die Miniaturisierung der Schaltkreise bringt dabei zwei elementare Vorteile: Die Anzahl der Schaltkreise auf gleichem Raum nimmt zu (Integrationsdichte) und damit auch die Leistungsfähigkeit der CPU; die Energieeffizienz der Recheneinheit steigt durch die niedrigeren Stromstärken.