Arten von Zentralen Recheneinheiten (CPUs)

Die zentrale Recheneinheit (CPU) ist das Gehirn des Computers. Sie übernimmt die Zuweisung und Verarbeitung von Aufgaben und verwaltet Betriebsfunktionen, die alle Arten von Computern verwenden.

CPU-Typen werden nach der Art des Chips benannt, den sie zur Datenverarbeitung verwenden. Die Auswahl an Prozessoren und Mikroprozessoren ist groß, und es werden ständig neue leistungsstarke Prozessoren entwickelt. Die Verarbeitungsleistung von CPUs ermöglicht Computern die Durchführung von Multitasking-Aktivitäten. Vor der Erörterung der verfügbaren CPU-Typen gilt es, einige grundlegende Begriffe zu klären, die für das Verständnis der CPU-Typen entscheidend sind.

Es gibt zahlreiche Komponenten innerhalb einer CPU. Die folgenden Aspekte sind jedoch besonders wichtig für den Betrieb der CPU und unser Verständnis ihrer Funktionsweise:

• Cache: Wenn es um das Abrufen von Informationen geht, sind Speicher-Caches unverzichtbar. Caches sind Speicherbereiche, deren Lokalität es Benutzern ermöglicht, schnell auf Daten zuzugreifen, die kürzlich verwendet wurden. Caches speichern Daten in Bereichen des Speichers, die in den Prozessorchip einer CPU integriert sind, um so Datenabrufgeschwindigkeiten zu erreichen, die schneller sind als die von Random-Access Memory (RAM). Caches können als Software- oder Hardwarestruktur ausgebildet sein.

• Taktfrequenz: Alle Computer sind mit einer internen Uhr ausgestattet, die die Geschwindigkeit und Häufigkeit der Computeroperationen regelt. Der Taktgeber steuert die Schaltkreise der CPU durch Übertragung elektrischer Impulse. Die Übertragungsrate dieser Impulse wird als Taktfrequenz bezeichnet und in Hertz (Hz) oder Megahertz (MHz) gemessen. Traditionell besteht eine Möglichkeit, die Verarbeitungsgeschwindigkeit zu erhöhen, darin, die Uhr so einzustellen, dass sie schneller als normal läuft.

• Kern: Kerne fungieren als der Prozessor im Prozessor. Sie sind Verarbeitungseinheiten, die verschiedene Programmanweisungen lesen und ausführen. Prozessoren werden danach klassifiziert, wie viele Kerne in sie eingebettet sind. CPUs mit mehreren Kernen können Anweisungen wesentlich schneller verarbeiten als Single-Core-Prozessoren. (Hinweis: Der Begriff „Intel Core“ wird kommerziell zur Vermarktung der Multi-Core-CPUs von Intel verwendet.)

• Threads: Threads sind die kürzesten Sequenzen programmierbarer Anweisungen, die der Scheduler eines Betriebssystems unabhängig voneinander verwalten und zur Verarbeitung an die CPU senden kann. Durch Multithreading können gleichzeitig mehrere Threads innerhalb eines Computerprozesses ausgeführt werden. Hyper-Threading bezeichnet Intels proprietäre Form des Multithreadings zur Parallelisierung von Berechnungen.

Weitere Komponenten der CPU

Zusätzlich zu den oben genannten Komponenten enthalten moderne CPUs in der Regel Folgendes:

• Arithmetisch-logische Einheit (ALU): Führt alle arithmetischen und logischen Operationen aus, einschließlich mathematischer Gleichungen und logikbasierter Vergleiche. Beide Typen sind an bestimmte Computeraktionen gebunden.
• Busse: Gewährleisten die ordnungsgemäße Datenübertragung und den Datenfluss zwischen den Komponenten eines Computersystems.
• Steuereinheit: Enthält eine intensive Schalttechnik, die das Computersystem durch die Ausgabe eines Systems elektrischer Impulse steuert und das System anweist, hochrangige Computerbefehle auszuführen.
• Befehlsregister und -zeiger: Zeigt den Speicherort des nächsten Befehlssatzes an, der von der CPU ausgeführt werden soll.
• Speichereinheit: Verwaltet die Speichernutzung und den Datenfluss zwischen RAM und CPU. Außerdem überwacht die Speichereinheit die Handhabung des Cache-Speichers.
• Register: Bietet einen integrierten permanenten Speicher für konstante, wiederholte Datenanforderungen, die regelmäßig und sofort bearbeitet werden müssen.

CPUs verwenden eine Art sich wiederholenden Befehlszyklus, der von der Steuerungseinheit in Verbindung mit der Computeruhr verwaltet wird, die die Synchronisierung unterstützt.

Die Arbeit, die eine CPU leistet, erfolgt nach einem festgelegten Zyklus (dem sogenannten CPU-Befehlszyklus). Der CPU-Befehlszyklus legt eine bestimmte Anzahl von Wiederholungen fest. Dies ist die Anzahl der Wiederholungen der grundlegenden Rechenanweisungen, sofern die Verarbeitungsleistung des entsprechenden Computers es zulässt.

Die drei grundlegenden Rechenanweisungen lauten wie folgt:

• Abrufe: Abrufe erfolgen immer dann, wenn Daten aus dem Speicher abgerufen werden.
• Decodieren: Der Decoder der CPU übersetzt binäre Befehle in elektrische Signale, die andere Teile der CPU ansprechen.
• Ausführen: Eine Ausführung erfolgt, wenn Computer die Anweisungen eines Computerprogramms interpretieren und ausführen.

Grundlegende Versuche, schnellere Verarbeitungsgeschwindigkeiten zu erreichen, haben einige Computerbesitzer dazu veranlasst, auf die üblichen Schritte zur Erzielung von Hochgeschwindigkeitsleistungen zu verzichten, die normalerweise den Einsatz von mehr Speicherkernen erfordern. Stattdessen passen diese Benutzer die Computeruhr so an, dass sie auf ihren Geräten schneller läuft. Der Prozess des „Übertaktens“ ist analog zum „Jailbreaking“ von Smartphones und verändert die jeweilige Leistung. Leider können solche Basteleien dem Gerät schaden und werden von den Computerherstellern rundweg abgelehnt.

CPUs werden durch den Prozessor oder Mikroprozessor definiert, der sie steuert:

• Single-Core-Prozessor: Ein Single-Core-Prozessor ist ein Mikroprozessor mit einer CPU auf seinem Die (dem siliziumbasierten Material, an dem Chips und Mikrochips befestigt sind). Single-Core-Prozessoren laufen in der Regel langsamer als Multi-Core-Prozessoren, arbeiten mit einem einzelnen Thread und führen die Befehlszyklussequenz jeweils nur einmal aus. Sie eignen sich am besten für allgemeine Computeranwendungen.
• Multi-Core-Prozessor: Ein Multi-Core-Prozessor ist in zwei oder mehr Abschnitte aufgeteilt, wobei jeder Kern Befehle ausführt, als ob es sich um völlig unterschiedliche Computer handeln würde, obwohl sich die Abschnitte technisch gesehen zusammen auf einem einzigen Chip befinden. Für viele Computerprogramme bietet ein Multi-Core-Prozessor eine überragende, hohe Leistung.
• Eingebetteter Prozessor: Ein eingebetteter Prozessor ist ein Mikroprozessor, der speziell für die Verwendung in eingebetteten Systemen entwickelt wurde. Eingebettete Systeme sind klein und auf einen geringen Stromverbrauch ausgelegt. Sie sind im Prozessor untergebracht und ermöglichen den sofortigen Zugriff auf Daten. Zu den eingebetteten Prozessoren gehören Mikroprozessoren und Mikrocontroller.
• Dual-Core-Prozessor: Ein Dual-Core-Prozessor ist ein Multi-Core-Prozessor, der aus zwei Mikroprozessoren besteht, die unabhängig voneinander agieren.
• Quad-Core-Prozessor: Ein Quad-Core-Prozessor ist ein Mehrkernprozessor, der über vier unabhängig voneinander arbeitende Mikroprozessoren verfügt.
• Octa-Core: Ein Octa-Core-Prozessor ist ein Mehrkernprozessor, der über acht unabhängig voneinander arbeitende Mikroprozessoren verfügt.
• Deca-Core-Prozessor: Ein Deca-Core-Prozessor ist ein integrierter Schaltkreis mit 10 Kernen auf einem Die oder pro Gehäuse.

Die Zahl der Unternehmen, die Produkte herstellen oder Software entwickeln, die CPUs unterstützen, ist in den letzten Jahren auf nur noch wenige große Unternehmen zurückgegangen.

Die beiden größten Unternehmen in diesem Bereich sind Intel und Advanced Micro Devices (AMD). Sie verwenden unterschiedliche Befehlssatzarchitekturen (ISA): Intel-Prozessoren verwenden eine CISC-Architektur (Complex Instruction Set Computer), AMD-Prozessoren eine RISC-Architektur (Reduction Instruction Set Computer).

• Intel: Intel bietet vier Produktlinien für Prozessoren und Mikroprozessoren. Seine Premium-High-End-Produktlinie ist Intel Core. Die Xeon-Prozessoren von Intel sind auf Büros und Unternehmen ausgerichtet. Die Produktlinien Celeron und Intel Pentium gelten als langsamer und weniger leistungsstark als die Produktlinie Core.

• Advanced Micro Devices (AMD): AMD verkauft Prozessoren und Mikroprozessoren in zwei Produkttypen: CPUs und APUs (Accelerated Processing Units). APUs sind CPUs, die mit den proprietären Radeon-Grafikkarten ausgestattet sind. Ryzen-Prozessoren von AMD sind Hochgeschwindigkeits- und Hochleistungs-Mikroprozessoren, die für den Videospielmarkt bestimmt sind. Athlon-Prozessoren galten früher als die High-End-Reihe, heute werden sie jedoch von AMD als Alternative zu Basiscomputern verwendet.

• Arm: Obwohl Arm selbst keine Geräte herstellt, vermietet es hochwertige Prozessordesigns und/oder andere proprietäre Technologien an andere Unternehmen, die Geräte herstellen. Apple beispielsweise verwendet keine Intel-Chips mehr in Mac-CPUs, sondern stellt seine eigenen benutzerdefinierten Prozessoren auf Grundlage der Arm-Designs her. Andere Unternehmen folgen diesem Beispiel.

Grafikprozessoren (GPUs)

Der Begriff „Graphics Processing Unit (Grafikverarbeitungseinheit)“ enthält zwar das Wort „Grafik“, aber erfasst nicht wirklich, worum es bei GPUs geht, nämlich Geschwindigkeit. Die höhere Geschwindigkeit ist die Ursache für die Beschleunigung der Computergrafik.

Die GPU ist eine Art elektronischer Schaltkreis mit unmittelbaren Anwendungen für PCs, Smartphones und Videospielkonsolen, was ihr ursprünglicher Verwendungszweck war. Heute werden GPUs auch in Bereichen verwendet, die nichts mit Grafikbeschleunigung zu tun haben, etwa beim Mining von Kryptowährungen oder dem Training neuronaler Netze.

Mikroprozessoren

Das Streben nach Miniaturisierung von Computern setzte sich fort, als die Computerwissenschaft eine CPU entwickelte, die so klein war, dass sie in einem kleinen integrierten Schaltkreis, dem sogenannten Mikroprozessor, untergebracht werden konnte. Mikroprozessoren werden nach der Anzahl der von ihnen unterstützten Kerne bezeichnet.

Ein CPU-Kern ist „das Gehirn im Gehirn“ und dient als physische Verarbeitungseinheit innerhalb einer CPU. Mikroprozessoren können mehrere Prozessoren enthalten. Ein physischer Kern ist eine in einen Chip eingebaute CPU, der aber nur einen Speicherplatz belegt, wodurch andere physische Kerne denselben Rechenbereich nutzen können.

Ausgabegeräte

Ohne Ausgabegeräte zur Ausführung der CPU-Befehlssätze wäre die Arbeit mit Computern stark eingeschränkt. Zu diesen Geräten gehören Peripheriegeräte, die an der Außenseite eines Computers angebracht werden und dessen Funktionalität erheblich erweitern.

Peripheriegeräte bieten Benutzern die Möglichkeit, mit dem Computer zu interagieren und ihn dazu zu bringen, ihre Anweisungen zu verarbeiten. Dazu gehören essentielle Geräte wie Tastatur, Maus, Scanner und Drucker.

Peripheriegeräte sind nicht die einzigen Ergänzungen, die ein moderner Computer benötigt. Darüber hinaus gibt es weit verbreitete Eingabe-/Ausgabegeräte, die Informationen empfangen und übermitteln, etwa Videokameras und Mikrofone.

Stromverbrauch

Der Stromverbrauch wirkt sich auf mehrere Aspekte aus. Einer davon ist die Wärmemenge, die von Multicore-Prozessoren erzeugt wird, und die Frage, wie die überschüssige Wärme von diesem Gerät abgeführt werden kann, damit der Computerprozessor thermisch geschützt bleibt. Aus diesem Grund sind Hyperscale-Rechenzentren (die Tausende von Servern beherbergen und nutzen) mit umfangreichen Klima- und Kühlsystemen ausgestattet.

Auch die Nachhaltigkeit ist ein Thema, selbst wenn es sich nicht um ein paar Tausend, sondern nur um ein paar wenige Computer handelt. Je leistungsfähiger der Computer und seine CPUs sind, desto mehr Energie wird für seinen Betrieb benötigt – und in einigen Fällen im Makrobereich kann das Rechenleistung im Gigahertz-Bereich (GHz) bedeuten.

Spezialisierte Chips

Künstliche Intelligenz (KI ) ist die tiefgreifendste Entwicklung in der Informatik seit ihren Anfängen und wirkt sich nun auf die meisten, wenn nicht sogar auf alle Computerumgebungen aus. Eine Entwicklung, die wir im CPU-Bereich beobachten, ist die Entwicklung von Spezialprozessoren, die speziell für die Verarbeitung von großen und komplexen Arbeitslasten im Zusammenhang mit KI (oder anderen Spezialzwecken) entwickelt wurden:

• Dazu gehört der Tensor Streaming Processor (TSP), der neben KI-Anwendungen auch Aufgaben des maschinellen Lernens (ML) verarbeitet. Andere Produkte, die sich ebenso für die KI-Arbeit eignen, sind der AMD Ryzen Threadraffer 3990X 64-Core-Prozessor und der Intel Core i9-13900KS Desktop-Prozessor, der 24 Kerne verwendet.
• Für eine Anwendung wie die Videobearbeitung entscheiden sich viele Benutzer für die Intel Core i7 14700KF CPU mit 20 Kernen und 28 Threads. Wieder andere entscheiden sich für den Ryzen 9 7900X, der als AMDs beste CPU für Videobearbeitungszwecke gilt.
• Bei den Videospielprozessoren verfügt der AMD Ryzen 7 5800X3D über eine 3D-V-Cache-Technologie, mit der er die Spielegrafik verbessern und beschleunigen kann.
• Allgemeine Computeranwendungen, etwa das Ausführen eines Betriebssystems wie Windows oder das Durchsuchen von Multimedia-Websites, sollte jeder aktuelle AMD- oder Intel-Prozessor problemlos bewältigen.

Transistoren

Transistoren sind für die Elektronik im Allgemeinen und für die Computertechnik im Besonderen von enormer Bedeutung. Der Begriff ist ein Kofferwort des englischen „transfer resistor“ und bezieht sich in der Regel auf eine Komponente aus Halbleitern, die zur Begrenzung und/oder Kontrolle der durch einen Stromkreis fließenden Strommenge verwendet wird.

Auch in der Informatik sind Transistoren elementar. Der Transistor ist die grundlegende Baueinheit für die Entwicklung aller Mikrochips. Transistoren bilden einen wesentlichen Bestandteil der CPU sowie die binäre Sprache aus Nullen und Einsen, die Computer zur Interpretation der Booleschen Logik verwenden.

Informatiker arbeiten ständig an der Erhöhung der Leistung und Funktionalität von CPUs. Hier sind einige Prognosen über zukünftige CPUs:

• Neue Chipmaterialien: Der Siliziumchip ist seit langem die tragende Säule der Computerbranche und anderer Elektronikbranchen. Die neue Prozessorwelle (Link führt zu einer Seite außerhalb von ibm.com) wird von neuen Chipmaterialien profitieren, die eine höhere Leistung bieten. Zu diesen gehören Kohlenstoffnanoröhren (die eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit durch Röhren auf Kohlenstoffbasis aufweisen, die etwa 100.000 Mal kleiner sind als die Breite eines menschlichen Haares), Graphen (eine Substanz, die hervorragende thermische und elektrische Eigenschaften besitzt) und spintronische Komponenten (die auf der Untersuchung der Art und Weise beruhen, wie sich Elektronen drehen, und aus denen schließlich ein Spin-Transistor entstehen könnte).
• Quanten statt binär: Die aktuellen CPUs basieren auf der Verwendung einer Binärsprache. Dies wird sich jedoch durch Quantencomputing ändern. Anstelle der binären Sprache bezieht sich das Quantencomputing auf seine Kernprinzipien aus der Quantenmechanik, einer Disziplin, die das Studium der Physik revolutioniert hat. Im Quantencomputing können Binärziffern (1 und 0) in mehreren Umgebungen vorkommen (statt derzeit in zwei Umgebungen). Und da diese Daten an mehr als einem Ort gespeichert werden, wird der Abruf einfacher und schneller. Für Benutzer bedeutet dies eine deutliche Steigerung der Rechengeschwindigkeit und eine allgemeine Steigerung der Verarbeitungsleistung.

• KI überall: Da sich die künstliche Intelligenz immer mehr durchsetzt – sowohl in der Computerindustrie als auch in unserem täglichen Leben – wird sie einen direkten Einfluss auf das CPU-Design haben. In Zukunft ist mit einer zunehmenden Integration von KI-Funktionen direkt in Computerhardware zu rechnen. Wenn das passiert, werden wir eine KI-Verarbeitung erleben, die deutlich effizienter ist. Benutzer werden feststellen, dass die Verarbeitungsgeschwindigkeit höher ist und dass Geräte in der Lage sind, selbstständig Entscheidungen in Echtzeit zu treffen. Während wir auf diese Hardware-Implementierung warten, hat der Chip-Hersteller Cerebras bereits einen Prozessor vorgestellt, der der „schnellste KI-Chip der Welt„ (Link befindet sich außerhalb von ibm.com) sein soll. Der WSE-3-Chip kann KI-Modelle mit bis zu 24 Billionen Parametern trainieren. Dieser Mega-Chip enthält vier Billionen Transistoren und 900.000 Kerne.

Unternehmen erwarten viel von den Computern, in die sie investieren. Diese Computer wiederum sind auf CPUs mit ausreichender Rechenleistung angewiesen, um die anspruchsvollen Workloads in der heutigen datenintensiven Geschäftsumgebung zu bewältigen.

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