CPU

Prozessor (CPU – Central Processing Unit)

Die CPU ist das Rechenzentrum des Computers. Sie führt Befehle aus, verarbeitet Daten und steuert den gesamten Ablauf von Programmen. Oft wird sie auch als das „Gehirn des Computers“ bezeichnet.

Vergleich: Aufgaben und Eigenschaften einer CPU

Bereich	Beschreibung	Beispiele
Rechenleistung	führt arithmetische und logische Operationen aus	Addieren, Vergleichen, Schieben
Steuerung	koordiniert Befehlsabfolge und Datenfluss	Programmzähler, Steuerwerk
Parallelität	arbeitet mit mehreren Kernen gleichzeitig	4, 6, 8, 12, 16 Kerne …
Cache-Speicher	extrem schnelle Zwischenspeicher	L1, L2, L3
Energieverwaltung	passt Taktfrequenz und Spannung an	Boost, Turbo, Energiesparmodi

CISC und RISC

Prozessoren folgen unterschiedlichen Befehlssatz-Architekturen. Die zwei wichtigsten sind CISC und RISC:

CISC (Complex Instruction Set Computer)

• viele komplexe Befehle
• einzelne Befehle können sehr viel Arbeit auf einmal erledigen
• Beispiel: x86-Prozessoren (Intel, AMD)

RISC (Reduced Instruction Set Computer)

• kleiner, einfacher Befehlssatz
• dafür sehr schnelle und effiziente Ausführung
• Beispiel: ARM-Prozessoren (Smartphones, Tablets, Apple M-Chips)

Kurz gesagt: CISC setzt auf komplexe Befehle, RISC auf einfache, schnelle Befehle. Beide verfolgen unterschiedliche Wege zur hohen CPU-Leistung.

Aufbau einer CPU

Eine moderne CPU besteht aus mehreren Funktionsblöcken:

• Rechenwerk (ALU) – führt Rechenoperationen aus
• Gleitkommaeinheit (FPU) – für mathematisch komplexe Berechnungen
• Steuerwerk (Control Unit) – holt, dekodiert und steuert Befehle
• Register – extrem schnelle, kleine Speicherbereiche
• Cache (L1, L2, L3) – Zwischenspeicher für Daten und Befehle
• Mehrere Kerne – parallel arbeitende Verarbeitungseinheiten
• Threading-Technologie – z. B. Intel Hyper-Threading oder AMD SMT

Sockeltypen

Der CPU-Sockel bestimmt, welche Prozessoren auf einem Mainboard funktionieren.

Hersteller	Sockel	Beispiele
Intel	LGA 1151, LGA 1200, LGA 1700	Core i5, i7, i9
AMD	AM4, AM5	Ryzen 5, 7, 9

Hinweis: Eine CPU passt nur in den dafür vorgesehenen Sockel – Kompatibilität ist zwingend.

Taktfrequenz, Kerne und Kerne und Threads

• Taktfrequenz (GHz) → bestimmt, wie viele Operationen pro Sekunde ausgeführt werden
• Kerne → mehrere unabhängige Verarbeitungseinheiten
• Threads → logische Aufgabenströme pro Kern

Beispiel: Ein Ryzen 7 (8 Kerne / 16 Threads) kann 16 Aufgaben gleichzeitig bearbeiten.

Fertigungsverfahren (Nanometer)

Die oft genannten Angaben wie 14 nm, 7 nm oder 5 nm beziehen sich auf das Fertigungsverfahren eines Prozessors. Es beschreibt die Größe der kleinsten Strukturen (insbesondere Transistoren), die während der Chipproduktion hergestellt werden können.

Kleinere Fertigungsprozesse bedeuten in der Regel:

• geringerer Stromverbrauch
• höhere Energieeffizienz
• mehr Transistoren pro Fläche (höhere Leistungspotenziale)
• weniger Wärmeentwicklung

Cache-Speicher (L1, L2, L3)

Cache ist ein extrem schneller Speicher direkt in der CPU.

Cache	Größe	Geschwindigkeit	Aufgabe
L1	sehr klein (32–128 KB)	extrem schnell	Daten/Instruktionen pro Kern
L2	mittelgroß (256 KB – 1 MB)	sehr schnell	Zwischendaten pro Kern
L3	groß (8–64 MB)	langsamer, aber viel Speicher	geteilt zwischen allen Kernen

CPU-interne Bussysteme

CPU-interne Bussysteme sorgen dafür, dass Daten, Adressen und Steuersignale schnell zwischen den internen Einheiten wie Register, ALU, Cache und Steuerwerk ausgetauscht werden. Sie verbinden alle Funktionsblöcke innerhalb des Prozessors und ermöglichen dessen Ablauf und Rechenoperationen.

Kühlung der CPU

Eine CPU erzeugt Wärme und benötigt eine geeignete Kühlung:

• Luftkühler – Tower-Kühler, Radiallüfter
• Wasserkühlung (AIO) – 120/240/360 mm Radiatoren
• Wärmeleitpaste – verbessert die Wärmeübertragung zur Kühlung

Hinweis: Eine Erwärmung über ~90°C kann die CPU drosseln (Thermal Throttling).

Wichtige Leistungsbegriffe

• TDP (Thermal Design Power) - Wärmeabgabe unter typischer Last (keine maximale Stromaufnahme!)
• Boost-/Turbo-Takt - kurzfristig erhöhter Takt für mehr Leistung
• IPC (Instructions per Cycle) - wie viele Befehle pro Takt ausgeführt werden können

Virtualisierung

Die Virtualisierung ermöglicht es, mehrere Betriebssysteme oder Rechnerumgebungen gleichzeitig auf derselben Hardware auszuführen. Die CPU stellt dafür spezielle Funktionen bereit, um virtuelle Maschinen effizient und sicher zu betreiben.

Zusammenfassung

• Die CPU ist die zentrale Recheneinheit des Computers.
• Kerne und Threads bestimmen, wie viele Aufgaben gleichzeitig verarbeitet werden können.
• Cache-Speicher verbessert die Geschwindigkeit erheblich.
• Der Sockel legt fest, welche CPU auf welches Mainboard passt.
• Prozessorkühlung ist entscheidend für Leistung und Lebensdauer.
• Taktfrequenz allein ist nicht aussagekräftig. Architektur und IPC sind ebenso wichtig.