Hauptprozessor
aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
| Dieser Artikel oder Abschnitt bedarf einer Überarbeitung. Näheres ist auf der Diskussionsseite angegeben. Hilf bitte mit ihn zu verbessern und entferne anschließend diese Markierung. |
Der Hauptprozessor (englisch Central Processing Unit [ˈsɛntɹəl ˈpɹəʊsɛsɪŋ ˈju:nɪt], oder kurz CPU [ˌsi: pi: ˈju:]), im allgemeinen Sprachgebrauch oft auch nur als Prozessor bezeichnet, ist der zentrale Prozessor eines Computers, der alle anderen Bestandteile steuert.
Der Begriff CPU 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-Arbeitstationen angeschlossen sind. Teilweise wird der Begriff auch in Zusammenhang mit Computerspielen als Synonym für die KI verwendet ("Ein Spiel gegen die CPU").
Inhaltsverzeichnis |
[Bearbeiten] Entwicklung
CPUs wurden zuerst aus Relais aufgebaut wie z.B. bei der Zuse Z3, gefolgt von Elektronenröhren wie beim Eniac. In den 1950er Jahren wurden die unzuverlässigen Elektronenröhren von Transistoren verdrängt, die zudem den Stromverbrauch der Computer senkten. Mit der Verfügbarkeit von Integrierten Schaltungen konnten die Hauptprozessoren weiter verkleinert werden, die CPU konnte bald in einem einzelnen Schaltschrank untergebracht werden, was zum Begriff Mainframe, also "Hauptrahmen", bzw. "Hauptschrank" führte.
Die weiter steigende Integrationsdichte führte dazu, dass Anfang der 1970er Jahre erste Hauptprozessoren gebaut wurden die auf einem einzelnen Chip Platz hatten, der Microprozessor. Anfangs noch wegen ihrer vergleichsweise geringen Leistungsfähigkeit belächelt (der Legende nach soll ein IBM-Ingenieur über den ersten Microprozessor gesagt haben: "Nett, aber wozu soll das gut sein?"), haben Microprozessoren heute alle vorangegangenen Techniken für den Aufbau eines Hauptprozessors abgelöst.
[Bearbeiten] Funktionale Einheiten
Eine CPU besteht prinzipiell aus den Funktionsgruppen Register, Recheneinheit (ALU - Arithmetic Logic Unit), Befehlsdecoder und Adresseinheit.
Die Adresseinheit ist zuständig dafür Daten und Befehle aus dem Speicher zu lesen oder in diesen zu schreiben. Befehle werden vom Befehlsdecoder verarbeitet, der die anderen Einheiten entsprechend steuert. In den Registern werden Daten für die unmittelbare Verarbeitung gespeichert, gegenüber dem Speicher ist der Zugriff auf Daten in den internen Registern meist erheblich schneller.
In modernen CPUs finden sich meist sehr viel feiner unterteilte Funktionseinheiten, sowie mehrfach ausgeführte Einheiten, die das gleichzeitige Abarbeiten mehrerer Befehle erlauben.
[Bearbeiten] Verschiedene Architekturen
[Bearbeiten] Grundarchitekturen
Die beiden wesentlichen Grundarchitekturen für CPUs sind die von Neumann und die Harvard Architektur.
Bei der nach dem Mathematiker John von Neumann benannten Von-Neumann-Architektur gibt es keine Trennung zwischen dem Speicher für Daten und Programmcode. Dagegen sind bei der Harvard-Architektur Daten und Programm in strikt voneinander getrennten Speicher- und Adressräumen abgelegt.
Beide Architekturen haben ihre spezifischen Vor- und Nachteile. Die von Neumann Architektur ist aus der Sicht des Programmierers einfacher zu handhaben und die Möglichkeit auf Programmcode wie auf Daten zuzugreifen ermöglicht selbstmodifizierenden Code. Andererseits kann diese Selbstmodifikation auch durch Programmfehler zu noch größeren Fehlern führen. Durch die Trennung in zwei physikalische Speicher hat die Harvard Architektur potenziell eine höhere Leistungsfähigkeit, da Daten- und Programmzugriffe parallel erfolgen können, nachteilig ist dagegen, dass nicht benutzer Speicher in einer Klasse nicht für die andere Klasse genutzt werden kann.
Aktuell sind fast alle verwendeten CPUs auf der von Neumann Architektur basierend, es gibt jedoch Ausnahmen besonders im Bereich der Microcontroller und es gibt Mischformen. So ist es nicht unüblich, dass eine CPU intern dem Harvard-Prinzip ähnelt um mit möglichst vielen parallelen Datenpfaden eine hohe Leistung zu erzielen, extern dann aber einen gemeinsamen Speicher nutzt.
[Bearbeiten] Einfache oder komplexe Befehle
Mit zunehmender Leistungsfähigkeit der Halbleitertechnik entstanden CPUs mit immer komplexeren Befehlssätzen. Das führte dazu, dass die Befehlseinheiten der CPUs zu einem Engpass wurden. Diese Art von Befehlssätzen werden als CISC oder "Complex Instruction Set Computing" bezeichnet. In den 1980er Jahren entstand als Reaktion darauf das RISC Konzept, bei dem die Zahl der Befehle reduziert wurde, die Befehlseinheit deutlich vereinfacht werden konnte und dadurch schneller arbeiten kann.
Bei aktuellen CPUs ist die Unterscheidung zwischen RISC und CISC kaum noch möglich. Die weit verbreitete x86 Architektur als typischer Vertreter der CISC Klasse ist intern eigentlich längst eine RISC Architektur, die die komplexeren Befehle quasi emuliert.
Eine weitere Art von Befehlen sind VLIW. Dort werden mehrere Instruktionen in einem Wort zusammengefasst. Dadurch ist von Anfang an definiert, auf welcher Einheit welche Instruktion läuft. Out of Order Ausführung, wie sie in modernen Prozessoren zu finden ist, gibt es bei dieser Art von Befehlen nicht.
[Bearbeiten] Variationen
Im Laufe von immer höheren Integrationsdichten der Halbleiterbausteine haben die Entwickler von CPUs weitere Funktionen in die Hardware integriert. Dadurch wurden die CPUs immer leistungsfähiger, insbesondere bekamen die meisten CPUs weitere Befehle implementiert, um umfangreiche Berechnungen zu vereinfachen.
Auf der anderen Seite haben ältere CPUs und Mikrocontroller häufig nur wenige Register und einen eingeschränkten Befehlssatz (die komplexesten Operationen sind zum Teil Addition und Subtraktion). Für einfache Anwendungen (z. B. Steuerung einer einfachen Maschine) reicht diese Komplexität jedoch aus, da sich alle anderen Funktionen allein durch die Addition und Subtraktion implementieren lassen (z. B. Multiplikation durch mehrmaliges Addieren).
[Bearbeiten] Design und Fertigung aktueller CPUs
Moderne CPUs bestehen üblicherweise aus mehreren, übereinander liegenden Schichten von dotiertem Silizium, welches Millionen von Transistoren bildet, und deren Schaltvorgänge die Rechenleistung bereitstellen.
CPUs werden aufgrund 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, 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 (CISC oder RISC) eine fundamentale Entwurfsentscheidung getroffen, deren Implikationen in den jeweiligen Spezialartikeln näher erläutert werden. 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 (in Entwicklung: EUV-Lithografie) 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, um Speed Paths zu verhindern.
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 zurückzuführen ist.
Im Laufe der Zeit vergrößerte sich auf Grund der immer besser werdenden Technik die Anzahl der vom Prozessor unterstützten Befehle. Heute finden sich überwiegend 32- und 64-Bit-Prozessoren, wobei die gängigsten Betriebssysteme für den Anwender maximal 64, meist aber nur 32 Bit unterstützen. Daran lässt sich schon erkennen, dass die Software im Falle der Prozessoren der Hardware hinterherhinkt. Die 386er, die in den 80er Jahren entwickelt wurden, waren die ersten 32-Bit-Prozessoren der Intel 80x86-Familie.
Im Jahre 2006 wurde von der Firma ARM der erste kommerzielle ungetaktete, asynchrone Prozessor vorgestellt, der ARM996HS. Da er ohne Taktung auskommt, weist ein asynchroner Prozessor eine im Hochfrequenzbereich geringere und wesentlich weniger prägnante Abstrahlung auf und verbraucht während Prozesspausen praktisch kaum nennenswert Strom.
[Bearbeiten] Kühlung
Hauptartikel: Prozessorkühler
Moderne CPUs werden – je nach Auslastung − während des Betriebs sehr heiß. Je nach Modell und Hersteller werden pro cm² – einer Fläche kleiner als ein Fingernagel – Verlustleistungen von rund 100 Watt erreicht (Pentium 4-560). Zum Vergleich: Die 18-cm-Kochplatte eines üblichen Elektroherds erreicht gerade einmal sieben bis zehn W/cm².
CPUs dürfen aber, wie alle Halbleiter, bestimmte Betriebstemperaturen nicht überschreiten, da das zunächst zu Fehlfunktionen („Abstürze“), in extremen Fällen zur Zerstörung des Chips führt. Übliche Grenztemperaturen für den Betrieb liegen zwischen 60 °C und 90 °C. Temperaturen über etwa 125 bis 135 °C führen zu irreversiblen Schäden. Prozessoren müssen also zwingend gekühlt werden, wobei ein gewisser Sicherheitsabstand zu den vom Hersteller angegebenen Höchstwerten erstrebenswert ist.
Der gängigste Weg, die Kühlung der CPU sicherzustellen, ist die Montage eines Kühlkörpers mit Lüfter. Der verrippte Kühlkörper aus Aluminium oder Kupfer (teilweise kombiniert) vergrößert die Fläche, die zur Wärmeabgabe beiträgt, um ein Vielfaches, der Lüfter soll für einen zügigen Abtransport der Verlustwärme sorgen. Die Bemessung der Kühlung erfolgt häufig nicht nach der theoretisch maximal möglichen Verlustleistung, sondern aus Kostengründen oft nach der Thermal Design Power (TDP), die deutlich niedriger liegt.
Zwischen Prozessor und Kühlkörper wird Wärmeleitpaste oder ein Wärmeleitpad eingesetzt. Durch Unebenheiten und Rauheit verbleiben zwischen Chip und Kühlkörper Lufteinschlüsse, die den Wärmetransport behindern, die Pasten oder Pads verdrängen die Luft und verbessern den Wärmeübergang erheblich.
Als Lüfter für den CPU-Kühler werden fast ausschließlich Axiallüfter mit Durchmessern zwischen 40 mm und bis zu 120 mm eingesetzt. Insbesondere kleine Exemplare erreichen bis zu 6500 U/min und können dabei eine erhebliche Geräuschkulisse erzeugen. Die Lüfter werden heute an die Hauptplatine angeschlossen, so dass die Lüfterdrehzahl überwacht und bei vielen modernen Hauptplatinen auch elektronisch geregelt werden kann.
Als Alternativen zur Luftkühlung gibt es noch die Wasserkühlung für leistungsstarke oder relativ leise Rechner, bei der Wasser inner- oder außerhalb des Rechners in einem Radiator (teilweise auch ohne Lüfter) gekühlt wird und dann mit Hilfe einer Pumpe durch das Gehäuse und an zu kühlenden Objekte wie CPU, manchmal auch zusätzlich an RAM, Chipsatz, Grafikprozessor etc. geleitet wird. Insgesamt ist eine Wasserkühlung aufwändiger, teurer und zumeist wartungsintensiver als eine Luftkühlung. Als erster Computerhersteller verbaute Apple in ihren Power Mac G5 Topmodellen eine standardisierte Wasserkühlung. Zuvor wurden Wasserkühlungen meist nur von Bastlern mit übertakteten Prozessoren in Eigeneinbau verwendet.
In der Industrie gibt es noch die Flüssigstickstoffkühlung, die allerdings extrem aufwändig ist. Um flüssig zu sein, muss der Stickstoff auf -196 °C gekühlt werden, was riesige Kühlaggregate erfordert. Wegen der sehr niedrigen Temperatur im Rechner müssen Hauptplatine und andere Objekte wieder von der Rückseite erwärmt werden, damit sie ordnungsgemäß funktionieren. Diese Technik ist nahezu nicht realisierbar, da die Betriebs- und Instandhaltungskosten mehr kosten, als wenn man mehrere einzelne Dualprozessoren nebeneinander betriebe. Allgemein gilt es als nicht sinnvoll, die CPU auf weniger als +10 °C herunterzukühlen, da sonst die Kosten zu hoch werden. Auch haben alle elektronischen Bauteile eine Mindestbetriebstemperatur und an zu stark gekühlten Bauteilen könnte sich Kondenswasser niederschlagen, was unbedingt vermieden werden sollte.
Flüssigstickstoffkühlung ist jedoch als kurzfristige Lösung zur Aufstellung von neuen Taktfrequenz- und Benchmarkrekorden sinnvoll. Dafür sind auch keine Kühlaggregate notwendig, der Stickstoff wird einfach aus der Flasche nachgefüllt und verdampft. In diesem Fall ist auch keine Erwärmung der Rückseite notwendig, weil die Komponenten die kurze Zeit, die für einen Rekordversuch notwendig ist meistens auch ohne derartige Maßnahmen funktionsfähig bleiben.
Doch verwenden einzelne kleine Hersteller auch Kompressionskältemaschinen. Diese funktionieren ähnlich wie ein Kühlschrank. Ein Kühlmittel wird stark unter Druck gesetzt, und dann beim Ausgleich auf Normaldruck kühlt es stark ab und kühlt so auch seine Umgebung, sprich Prozessor oder andere Geräte. Diese Lösung wird vor allem bei übertakteten Workstations verwendet, hat aber den Nachteil, auch die Geräuschkulisse eines Kühlschranks zu erzeugen.
Eine weitere Möglichkeit zur Zwangskühlung der CPU bietet das Peltier-Element. Auch hier ist die Gefahr der Bildung von Kondenswasser gegeben. Zudem erzeugt ein Peltier-Element wegen des geringen Wirkungsgrads mindestens noch einmal die gleiche Verlustleistung wie der Prozessor selbst, die zusätzlich abgeführt werden muss. Die „warme“ Seite muss also auch hier per Wasserkühlung oder Kühlkörper mit Lüfter gekühlt werden.
Auch kann durch den Einsatz von Ölkühlung die Wärme abgeführt werden, im PC-Bereich wird dies allerdings bisher nur im experimentalen Umfeld durchgeführt.
[Bearbeiten] Anwendungsbereich
Im Bereich der Personal Computer ist die historisch gewachsene x86-Architektur weit verbreitet, wobei für eine genauere Diskussion dieser Thematik der entsprechende Artikel empfohlen wird.
Interessanter und weniger bekannt ist der Einsatz von Embedded-Prozessoren und Microcontrollern beispielsweise in Motorsteuergeräten, Uhren, Druckern sowie einer Vielzahl elektronisch gesteuerter Geräte.
[Bearbeiten] Siehe auch
[Bearbeiten] Weblinks
- CPU Überblick und Grundlagen
- cpu-collection.de - CPUs mit detaillierten Bildern und Beschreibungen
- FAQ der Usenet-Hierarchie de.comp.hardware.cpu+mainboard.*
- CPU Stromverbrauchslisten aller x86-Typen (englisch)
- cpu-museum.de Bebildertes CPU-Museum (englisch)
- www.pc-erfahrung.de: CPU Übersichtstabelle mit technischen Daten, x86 & Itanium
