mini|hochkant=1.4|Mikroprozessor i486DX2 von Intel: Das geöffnete Gehäuse des ICs zeigt das 76 mm² große Halbleiterplättchen mit 1,2 Millionen Transistoren. Der zentrale rechteckige Bereich ist die eigentliche elektronische Schaltung, an deren Seiten die Anschlussleitungen zur Verdrahtung zu den Pins des Gehäuses angeordnet sind. Durch unterschiedliche Helligkeiten sind Funktionseinheiten wie Rechenwerk und Cache der CPU zu erkennen. (1992) mini|hochkant=1.4|Ungeöffneter Intel-Prozessor Baustein: Unten dem Gehäuse ist ein Teil der 168 Pins zu sehen, die im Betrieb im Prozessorsockel auf der Hauptplatine eines PCs stecken. (1989)
Ein Mikroprozessor (µP oder uP) ist ein als integrierter Schaltkreis (IC) ausgeführter Computerprozessor. Typische Beispiele von Mikroprozessoren sind die Hauptprozessoren oder Central Processing Unit (CPU) moderner Computer oder Personal Computer (PC), welche mitunter mit dem Begriff Mikroprozessor gleichgesetzt werden.
Mikroprozessoren sind eine Halbleitertechnologie, die seit den 1980er Jahren das Informationszeitalter bzw. digitale Revolution prägt. Seit den 2010er Jahren sind Mikroprozessoren in mobilen Computergeräten wie Smartphones verbaut und viele moderne CPUs sind Mehrkernprozessoren.
Die Erforschung und Entwicklung (F&E) von Mikroprozessoren findet im Rahmen einer interdisziplinären Ingenieurwissenschaft statt, und als der Entwurf mikroelektronischer Schaltungen oder Computer Aided Engineering (CEA) bekannt wurde, da Computer und Software zur Konstruktion neuer Schaltungen bis heute genutzt wird. Die F&E wird weltweit betrieben und vereint die Fachgebiete Computerwissenschaften, Elektrotechnik, Mikroelektronik, Halbleitertechnik u. a.
Einleitung Ein mikroprozessorbasierter Computer ist im Vergleich zu einem historischen Röhrentechnikmaschinen (z. B. das „Manchester Baby“ oder Colossus) eine stark verkleinerte und hochintegrierte Rechnerarchitektur auf einem Die oder Chip. Physikalisch und in der Produktion geschieht dies u. a. durch fotolithographische Prozesse, welche den Mikroprozessor aus einem Wafer herstellen. Diese Halbleitertechnologie, welche Mikroprozessoren ermöglicht, ist auch als Very Lage Scale Integration (VLSI) bekannt. Im Zuge fortschreitender Miniaturisierung war es möglich, neben dem reinen Mikroprozessor auch zusätzliche Peripherie auf einem Chip zu integrieren. Damit war der Mikrocontroller (µC oder uC) und später das System-on-a-Chip (SoC) geboren. Man spricht auch von einer Microcontroller Unit (MCU). Dabei werden verschiedene Prozessortypen und andere integrierte Schaltkreise auf einer Platine gruppiert oder vernetzt. Man spricht dann auch von einem Chipsatz.
Ein typischer Mikroprozessor ist ein getakteter, Register-basierter, digitaler integrierter Schaltkreis (IC) in CMOS- bzw. MOSFET-Technik, der Binärdaten entsprechend der in seinem Arbeitsspeicher enthaltenen Anweisungen verarbeitet und in binärer Form wieder ausgibt. Ein Mikroprozessor besteht aus weiteren Unterbausteinen, speziell der Arithmetic Logic Unit (ALU). Prozessoren besitzen eine eigene Mikroarchitekturen bzw. Prozessorarchitekturen, wie beispielsweise die CISC-, RISC-, RISC-V, MIPS-, oder POWER-Architektur.
In der Vergangenheit benötigte eine röhrenbasierte Rechenmaschine meist einen ganzen Raum, mit mehreren Schaltschränken, wohingegen ein Mikroprozessor als Baustein auf einer Hauptplatine unterkommt. Nur moderne Mainframes und Supercomputer sind heutzutage weiterhin große Rechenmaschinen, jedoch halbleiterbasiert. Der erste Mikroprozessor wurde Anfang der 1970er Jahre von dem Unternehmen Texas Instruments auf der Basis der IC-Technik bzw. Halbleitertechnik entwickelt. Der erste kommerzielle Mikroprozessor war der Intel 4004.
Neben den Mikroprozessoren gibt es zahlreiche spezialisierte Mikroprozessoren, z. B. Netzwerk-, Grafik- und Soundprozessoren. Außerdem existieren spezielle Geräte, Complex Programmable Logic Device (CPLD), Field Programmable Gate Arrays (FPGA) oder Application Specific Integrated Circuits (ASIC), welche als Mikroprozessor ausgelegt werden können.
Dieser Artikel beschreibt vornehmlich Zentralmikroprozessoren oder CPUs. Für die Technologie der Grafikprozessoren (GPU), siehe dort. Beide Geräte sind Mikroprozessoren, jedoch unterschiedlicher Architektur für unterschiedliche Zwecke. Gleiches gilt auch für andere spezialisierte Mikroprozessoren.
Begriff und Technologie-Nodes
Der Präfix des Begriffs Mikroprozessor stammt von und geht auf die physikalische und metrische Längeneinheit 1 Mikro oder 1 μ = 1 um = 10−6 m zurück, was auf die geringen Strukturgrößen der Transistoren hindeutet. Man spricht auch von microns für Mikrometer.
Die Strukturgrößen haben sich im Laufe der Jahrzehnte (vgl. die Tabelle) von wenigen Mikrometern (c. 1980er) in den zwei- bis einstelligen Nanometerbereich entwickelt, wobei der Begriff „Mikroprozessor“ erhalten blieb. Man teilt die Herstellung von Halbleiterschaltungen bzw. Mikroprozessoren in Technologieknoten ein:
≥ 65 nm 20–64 nm 11–19 nm < 11 nm
So werden beispielsweise viele Halbleiterprodukte (ICs), die in Elektrogeräten allgegenwärtig sind, in einem Node-Bereich von 45 bis 130 nm hergestellt. Halbleiterschaltungen mit analogen Anteilen im ≥ 45 nm Bereich spielen in einer großen Anzahl von Geräten weiterhin eine wichtige Rolle. Für moderne Hochleistungs-CPUs (Multikerne) und SoCs, auch für Smartphones, kommen < 14 nm Prozesse bei großen 300-mm-Wafern zum Einsatz. Bei diesen Strukturgrößen spricht man von Nanoelektronik.
Halbleiterfabriken planen ihre Produktion daher für diese Größenkategorien nach Bedarf. Eine aufwendige Anpassung der Produktion oder andere Störungen der Lieferketten führten ab 2020 zu einem Chipmangel, der wiederum folgende Produktionsstörungen verursachte, beispielsweise in der Automobilindustrie.
Geschichte
+ Entwicklung der Transistoranzahl bei Mikroprozessoren (Auswahl)BilderHer-stellerModellTechnologieknotenTransistor-anzahlJahr60pxTITMS1000 8.000197160pxIntel4004 2.300197160pxIntel800810 μm 3.500197260pxIntel8080 4.500197460pxMOS6502 5.000197560pxTITMS9900 8.000197660pxZilogZ80 8.500197660pxIntel808629k197860pxIntel808829k197960pxMotorola6800068k197960pxIntel80286134k198260pxIntel803861 μm275k198560pxIntel804861,2 Mio.198960pxIntelPentium0,8–0,25 µm3,1 Mio.199360pxMotorola680602,5 Mio.199460pxIntelPentium Pro5,5 Mio.199560pxAMDK54,3 Mio.199660pxIntelPentium II350 nm7,5 Mio.199760pxAMDK68,8 Mio.199760pxIntelPentium III250–130 nm9,5 Mio.199960pxAMDK6-III21,3 Mio.199960pxAMDK722 Mio.199960pxIntelPentium 4180–65 nm42 Mio.200060pxIntelItanium25 Mio.200160pxAMDBarton54 Mio.200360pxIntelPentium M130–90 nm77 Mio.200360pxAMDK8106 Mio.200360pxIntel, HPItanium 2220 Mio.2003IntelItanium 2592 Mio.200460pxSony/IBM/ToshibaCell241 Mio.200660pxIntelCore 2 Duo65 nm291 Mio.200660pxIntelCore 2 Quad582 Mio.2006IntelμCoreItanium 2 1,7 Mrd.2006IBMPower665 nm 789 Mio.200760pxIntelCore i745–10 nm 731 Mio.2008AMDK10 758 Mio.200960pxIntelCore i7 2600K 0,9 Mrd.201060pxAMDBulldozer32 nm 1,2 Mrd.201160pxIntelCore i7 3930K32 nm 2,3 Mrd.2011IntelCore i7 4770K 1,4 Mrd.2013AMDKaveri 2,4 Mrd.2014IntelE5-2699 v322 nm 5,6 Mrd.2014IntelE7-8890 v414 nm 7,2 Mrd.201660pxAMDRyzen Thread-ripper 1950X14 nm 9,6 Mrd.2017AppleM2 Ultra5 nm134 Mrd.2023AppleM3 Ultra3 nm184 Mrd.2025
Die ZUSE Z3 gilt als der erste funktionsfähige speicherprogrammierbare 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. Dieser Rechner markiert den Beginn der in der Literatur oft als Generation 0 bezeichneten Epoche, der auf elektromagnetischer Relaistechnik basierenden Rechenautomaten. Im Jahr 1946 wurde der ENIAC (Electronical Numerical Integrator and Computer) unter der Leitung von John Eckert und John Mauchly entwickelt und an der Moore School of Electrical Engineering der Universität von Pennsylvania gebaut. Der ENIAC verfügte über 20 elektronische Register, 3 Funktionstafeln als Festspeicher und bestand aus 18.000 Röhren sowie 1.500 Relais. Der ENIAC gilt als der erste vollelektronische digitale Universalrechner. Bei diesen Rechenautomaten konnte noch keine Rede von einzelnen Prozessoren im späteren Sinne sein.
Der technologische Sprung von der Röhren- zur Transistortechnik hatte einen geringeren Platzbedarf, eine geringere Temperaturentwicklung, eine höhere Verarbeitungsgeschwindigkeit, eine niedrigere Ausfallquote sowie einen geringeren Stromverbrauch von nur einigen 100 Watt zur Folge. Die Taktfrequenz stieg auf etwa 1 MHz. Durch die fortschreitende Verkleinerung der Transistoren war es bald möglich, immer mehr Transistoren auf integrierten Schaltungen (ICs) unterzubringen. Waren es zunächst nur einzelne Gatter, integrierte man immer häufiger auch ganze Register und Funktionseinheiten wie Addierer und Zähler, schließlich sogar Registerbänke und Rechenwerke auf einem Chip. Diese zunehmende Integration von immer mehr Transistor- und Gatterfunktionen auf einem Chip führte bald zum Mikroprozessor.
Patentiert wurde der Mikroprozessor von Mitarbeitern des US-amerikanischen Unternehmens Texas Instruments (TI), die im Jahr 1971 den TMS1000 genannten Schaltkreis vorstellten. Diese Entwicklung gilt als Meilenstein für den Eintritt in die 4. Generation der Computertechnik. Der TMS1000 enthielt neben einem Hauptprozessor ein 1 KiB großes ROM, ein 64×4-Bit-RAM und weitere Funktionen wie Zähler und Timer sowie Schnittstellen für Eingabe und Ausgabe. Damit gehört der TMS1000 zur Familie der Mikrocontroller.
Im selben Jahr wie TI präsentierte das ebenfalls in den USA ansässige Unternehmen Intel mit dem 4004 den „Mikroprozessor“ (englisch , MPU), der als erster Hauptprozessor (CPU) auf einem Chip angesehen wird, da TI den TMS1000 erst ab dem Jahr 1974 als eigenständiges Produkt vermarktete. Mit nur 4 Bit breiten Registern und einer Taktfrequenz von bis zu 740 kHz war der 4004 nicht sehr leistungsfähig. Seine im Vergleich mit den klassischen CPUs äußerst kompakte Bauform verhalf dem Mikroprozessor schließlich trotzdem zum Durchbruch. Ursprünglich war der 4004 eine Auftragsentwicklung für den japanischen Tischrechnerhersteller Busicom. Intels Mitarbeiter Ted Hoff formulierte 1969 die architektonische Idee, das Herz dieses Tischrechners in Form eines programmierbaren Bausteins zu realisieren. Im Jahr 1970 entwickelte Federico Faggin eine Schaltkreisintegration auf Grundlage von Transistoren mit einer Gate-Elektrode aus Silizium für die Umsetzung des 4004 und führte das Projekt zu seinem erfolgreichen Debüt auf dem Markt im Jahr 1971. Dass daraus die erste universell einsetzbare Einchip-CPU der Welt resultierte, war eigentlich nicht beabsichtigt. Da Busicom damals in finanziellen Schwierigkeiten steckte, bot man Intel den Rückkauf des 4004-Designs an, woraufhin Intel mit der Vermarktung des 4004 begann. Der 4004 wurde zum ersten kommerziellen Mikroprozessor der Welt.
Eine weitere bemerkenswerte Entwicklung wurde im Jahr 1998 nach der Freigabe militärischer Unterlagen bekannt. Demnach hat Garrett AiResearch (u. a. mit den Mitarbeitern Steve Geller und Ray Holt) bereits zwischen 1968 und 1970 einen Chipsatz (aus mehreren ICs bestehendes System, incl. CPU) für militärische Zwecke entwickelt.Manuel Jiménez: Introduction to Embedded Systems. Springer Science & Business Media, 2013, ISBN 978-1-4614-3143-5, S. 3 (). Der als MP944 bezeichnete Chipsatz war Bestandteil des Central Air Data Computer (CADC), des Flugkontrollsystems der neuen F-14 Tomcat (US Navy).