mini|Geöffneter Intel 80186 Mikroprozessor. Die Strukturgröße der Transistoren (Technologie-Nodes) lag 1982 bei 1,5 µm oder 1.500 nm. mini|Video: Zoom in einen Prozessor (erst mit einer Digitalkamera, dann mit einem Elektronenmikroskop, 3:40 min) Ein Prozessor ist eine (meist stark verkleinerte) komplexe integrierte elektronische Schaltung (IC), die gemäß übergebenen Befehlen Aktionen innerhalb eines Computers ausführt. Der Hauptprozessor bildet das „Gehirn“ und ist der Kernbestandteil eines modernen Computers, die zentrale Verarbeitungseinheit (). Prozessoren bestehen primär aus dem Halbleitermaterial Silicium (Si) und setzen sich aus Millionen bis zu Milliarden Transistoren zusammen. Sie werden aus Wafern innerhalb einer Halbleiterfabrik unter Reinraumbedingungen hergestellt.
Einleitung In einem Computersystem ist der Hauptprozessor der primäre Prozessor, der die zentrale Rechen- und Steuerungseinheit darstellt. Er führt die Befehle aus, mit denen der Computer programmiert wurde. Der Hauptprozessor führt die meisten Operationen und Berechnungen durch und koordiniert den Datenfluss zwischen verschiedenen Komponenten des Computersystems. mini|Die Evolution der Mikroelektronik bei Halbleiterprozessen (Nodes) reicht von einigen Mikrometern (ab 1970er) bis hin zu Nanometern (ab 2010er). Zum Vergleich sind im Hintergrund die Größen verschiedener natürlicher Gegenstände dargestellt. Ebenfalls sind zwei typische Wellenlängen (in nm) abgebildet. Die Gitterkonstante von Silizium beträgt etwa 0,5431 nm. Das bedeutet, dass man sich den Atomen des Materials annähert. Das Bauteil ist entscheidend für die Ausführung von Softwareanwendungen, speziell dem Betriebssystem. Seine Leistungsfähigkeit beeinflusst die Verarbeitungsgeschwindigkeit eines Computers maßgebend. Dabei spielt die Taktrate oder Schaltfrequenz (von wenigen MHz bis einstelligen GHz) eine besondere Rolle, vgl. das Leistungsmanagement eines Mikroprozessors.
Prozessoren haben sich aus der Digital- bzw. Schaltungstechnik und Halbleitertechnik zu eigenständigen Rechner- bzw. Elektronikbausteinen entwickelt und durchlaufen eigene Forschungs-, Entwicklungs-, Produktions- und Produktlebenszyklen innerhalb der Halbleiterindustrie. Mikroprozessoren dominieren die digitale Revolution und das Informationszeitalter seit den 1980er Jahren und zählen heutzutage zu den weltweiten Schlüsseltechnologien. Prozessoren werden in einer Vielzahl von Geräten eingesetzt, wie z. B. Computern, Smartphones, Tablets, Spielkonsolen und modernen Fernsehgeräten. Eine große Anzahl von Geräten in der Industrie und auch Haushaltsgeräte, wie Waschmaschinen, verwenden jedoch angepasste und kleinere Prozessoren, auch bekannt als Mikrocontroller.
Begriff Im früheren Sprachgebrauch wurde unter dem Begriff Prozessor sowohl das Bauteil verstanden (ein Halbleiter-Chip in einem Plastikgehäuse, der mit seinen Kontakten in einen Platinen-Sockel eingesteckt wird oder auf die Platine gelötet ist), als auch eine datenverarbeitende Logik-Einheit. Heutzutage besitzen jedoch viele Mikroprozessoren mehrere sogenannte Prozessorkerne, wobei jeder Kern für sich eine (weitgehend) eigenständige Logik-Einheit darstellt.
Damit wird heute unter dem Begriff Prozessor im Allgemeinen das Bauteil verstanden; ist die datenverarbeitende Logik-Einheit gemeint, wird meist nur vom Prozessor oder Prozessorkern gesprochen. Prozessoren mit mehr als einem Rechenkern sind auch als Mehrkernprozessoren bekannt.
Übertragene Bedeutungen des Begriffs CPU Der Begriff wird umgangssprachlich auch in anderem Kontext für Zentraleinheit (ZE) benutzt, hierbei kann dies für einen zentralen Hauptrechner (ein kompletter Computer) stehen, an dem einzelne Terminal-Arbeitsstationen angeschlossen sind. Teilweise wird der Begriff auch als Metapher benutzt, bei Computerspielen zum Beispiel als „Ein Spiel gegen die CPU“.
Prozessortypen Mikroprozessoren
Moderne Prozessoren wurden im Vergleich zu den ersten programmierbaren Rechenmaschinen (damals röhrenbasierte Großrechner) stark miniaturisiert und sind deshalb auch als Mikroprozessor (µP oder uP) bekannt. Moderne Mikroprozessoren unterschreiten die µm-Größenordnung bereits und besitzen bereits Transistorstrukturgrößen im zwei- bis einstelligen Nanometerbereich (nm), vgl. auch das Gesetz von Moore. Der als zentrale Recheneinheit dienende Mikroprozessor ist auch bekannt als die Hauptrecheneinheit oder der Hauptprozessor, zur Unterscheidung von „Co-Prozessoren“. Tatsächlich bestehen viele Computersysteme aus mehr als einem Prozessor und bilden damit ein Mehrprozessorsystem. In speziellen Fällen sind auch Peripheriegeräte selbst eigenständige Computer mit einem eigenen Prozessor.
Technisch handelt es sich bei Mikroprozessoren um eine integrierte mikroelektronische Schaltungen (ICs), welche eine Prozessorarchitektur in einem einzigen Halbleiterchip aus hochreinem Silicium (Die) vereint. Er besteht aus Millionen oder sogar Milliarden von Transistoren. Ein Prozessor beinhaltet auch seinen eigenen Speicher, den sogenannten Cache. Er enthält die Recheneinheit oder Arithmetisch-logische Einheit (ALU), die Steuerungslogik und andere erforderliche Komponenten, um Daten zu verarbeiten und Befehle auszuführen. Dagegen sind Grafikprozessoren (GPU) eigenständige Recheneinheiten, welche mit ihrer eigenen Architektur andere Aufgaben als die CPU erfüllen – oder im Bestfall diese ergänzen.
Mikrocontroller
Mikrocontroller (µC oder uC) sind technisch zwar auch Mikroprozessoren, beinhalten aber neben dem Prozessorkern, Cache und Busanbindung auch weitere Komponenten als Teil des Systems oder Bausteins. Oft integrieren sie RAM als Arbeitsspeicher, ROM als Programmspeicher, und verschiedene Hardwareschnittstellen. Typische Strukturgrößen (Technologie-Nodes) sind zwischen 180 und 90 nm. Bei diesen Geräten wird somit mehr Halbleiterplatz als für andere Bausteine verwendet und sie genügen anderen technischen und wirtschaftlichen Anforderungen, z. B. an die Kosten aufgrund hoher Stückzahlen.
Weitere Prozessoren Es existieren weitere Prozessoren bzw. ICs, die als Rechenkerne ausgelegt sind, z. B. die Grafikprozessoren (GPU) oder Digitalen Signalprozessoren (DSP) uvm.
Beschreibung und Geräte Hauptbestandteile eines Prozessors sind das Rechenwerk – insbesondere die arithmetisch-logische Einheit (ALU) – sowie das Steuerwerk (inkl. Adresswerk). Darüber hinaus enthalten sie meist mehrere Register und einen Speichermanager der den Arbeitsspeicher verwaltet. Zu den zentralen Aufgaben des Prozessors gehören die Abarbeitung des Maschinenprogramms: arithmetische und logische Operationen zur Verarbeitung von Daten aus internen oder externen Quellen, beispielsweise dem Arbeitsspeicher.
Neben diesen Hauptbestandteilen, die die Grundfunktionen bereitstellen, kann es weitere Recheneinheiten geben, die spezialisierte Funktionen zur Verfügung stellen und den eigentlichen Prozessor entlasten sollen – diese Einheiten werden meist als Koprozessor bezeichnet. Beispiele hierfür sind der bis in die 1990er Jahre separate mathematische Koprozessor für Gleitkommaoperationen (die Gleitkommaeinheit) sowie Grafik- und Soundprozessoren. In diesem Zusammenhang wird der zentrale Prozessor mit seinen im vorhergehenden Absatz beschriebenen Grundfunktionen auch als Hauptprozessor bezeichnet. Weitere Synonyme sind Zentraleinheit oder Zentrale Verarbeitungseinheit (ZVE).
Die moderne Form des Prozessors ist der Mikroprozessor, der alle Bausteine des Prozessors in einem integrierten Schaltkreis (Mikrochip) vereinigt. Moderne Prozessoren für Desktop-Computer, Personal Computer (PCs) und Notebooks, aber auch für Smartphones und Tabletcomputer, sind oft Mehrkernprozessoren mit zwei, vier oder mehr Prozessorkernen. Die Prozessorkerne sind hierbei oft eigenständige „Prozessoren“ mit Steuer-/Leitwerk und Rechenwerk auf einem Chip. Beispiele hierfür sind der Intel core i9-13900k, der Ryzen 9 5950X oder der Snapdragon 8 Gen 2. Eine klare Abgrenzung der Begriffe Prozessor, Hauptprozessor, CPU und Prozessorkern ist in der Literatur nicht zu finden, siehe Abschnitt Hauptprozessor (CPU) und Mehrprozessorkerne.
Prozessoren werden auch zur Steuerung von Haushaltsgeräten, Industrieanlagen, Unterhaltungselektronik usw. eingesetzt. Dabei kommen meist Microcontroller zum Einsatz. Prozessoren für eingebettete Systeme machen etwa 95 Prozent des Prozessormarkts aus, wobei davon 90 Prozent sogenannte Mikrocontroller sind, die neben dem eigentlichen Prozessor weitere Bausteine (zum Beispiel spezielle Hardwareschnittstellen oder direkt integrierte Sensoren) enthalten. Nur etwa 5 Prozent der Prozessoren (dann bezeichnet als Mikroprozessoren) werden in PCs, Workstations oder Servern eingesetzt.Helmut Herold, Bruno Lurz, Jürgen Wohlrab: Grundlagen der Informatik. Pearson Studium, München 2007, ISBN 978-3-8273-7305-2, S. 101.
In Großrechnern (englisch: ) werden meist herstellereigene Prozessorarchitekturen verwendet, wie etwa bei IBM (PowerPC, Cell-Prozessor) oder SUN (SPARC-Prozessor); heute werden teilweise angepasste Versionen der verbreiteten PC-Prozessoren (z. B. von Intel oder AMD) verwendet.
Geschichte
mini|Thomson TS68000 (entspricht dem Motorola 68000) mit 7,16 MHz aus einem Amiga mini|Motorola PowerPC 7400 „G4“
In den 1940er Jahren wurden die vormals rein mechanischen Rechenwerke durch Computer aus Relais und mechanischen Bauelementen abgelöst. Die ZUSE Z3 gilt als der erste funktionsfähige Digitalrechner weltweit und wurde im Jahr 1941 von Konrad Zuse in Zusammenarbeit mit Helmut Schreyer in Berlin gebaut. Die Z3 bestand aus 600 Relais für das Rechenwerk und 1400 Relais für das Speicherwerk. Diese ersten Computer waren also elektromechanische Rechner, die äußerst störanfällig waren. Noch in den 1940ern begannen findige Elektroingenieure damit, Computer mit Hilfe von Elektronenröhren zu bauen. Der erste funktionsfähige Rechner dieser Generation war der ENIAC. Der ENIAC verfügte über 20 elektronische Register, 3 Funktionstafeln als Festspeicher und bestand aus 18.000 Röhren sowie 1.500 Relais. Damit konnten die Rechenautomaten komplexere Berechnungen ausführen und wurden weniger störanfällig, aber von einzelnen Prozessoren im späteren Sinne konnte noch keine Rede sein. Waren diese Rechner anfangs teure Einzelprojekte, so reifte die Technik im Laufe der 1950er Jahre immer mehr aus. Röhrencomputer wurden nach und nach zu Artikeln der Serienfertigung, die für Universitäten, Forschungseinrichtungen und Unternehmen durchaus erschwinglich waren. Um dieses Ziel zu erreichen, war es notwendig, die Anzahl der benötigten Röhren auf ein Mindestmaß zu reduzieren. Aus diesem Grund setzte man Röhren nur dort ein, wo sie unabdingbar waren. So begann man damit, Hauptspeicher und CPU-Register auf einer Magnettrommel unterzubringen, Rechenoperationen seriell auszuführen und die Ablaufsteuerung mit Hilfe einer Diodenmatrix zu realisieren. Ein typischer Vertreter dieser Rechnergeneration war der LGP-30.
Aufkommen der Central Processing Unit Erste Erwähnungen des Begriffes CPU gehen in die Anfänge der 1950er Jahre zurück. So wurde in einer Broschüre von IBM zu dem 705 EDPM aus dem Jahr 1955 der Begriff „“ zuerst ausgeschrieben, später mit der Abkürzung CPU in Klammern ergänzt und danach nur noch in seiner Kurzform verwendet. Ältere IBM-Broschüren verwenden den Begriff nicht, so z. B. die Broschüre „“ von 1954, in der zwar ebenfalls die IBM 705 dargestellt wird, an den entsprechenden Stellen jedoch lediglich von „“ die Rede ist. Auch in dem Informationstext von IBM zur 704 EDPM, dem Vorgänger der 705 EDPM, aus dem Mai 1954 sucht der Leser den Begriff vergeblich.