Die sieben wichtigsten Anwendungsfälle von zentralen Recheneinheiten (CPU)

Die zentrale Recheneinheit (CPU) ist das Gehirn des Computers, das Aufgaben zuweist und verarbeitet und wesentliche Betriebsfunktionen verwaltet.

Computer wurden so nahtlos in das moderne Leben integriert, dass wir uns mitunter gar nicht bewusst sind, wie viele CPUs weltweit im Einsatz sind. Es ist eine erstaunliche Menge – so viele CPUs, dass eine aussagekräftige Zahl nur ungefähr geschätzt werden kann.

Schätzungen zufolge gibt es heute bis zu 200 Milliarden CPU-Kerne (oder mehr). Ein Beispiel für die Bedeutung dieser gewaltigen Zahl aus einer anderen Perspektive: Der Chiphersteller Arm (Link außerhalb von ibm.com) gab an, in einem einzigen Quartal im Jahr 2020 7,3 Milliarden Chips ausgeliefert zu haben, was etwa 900 CPUs pro Sekunde in diesem Quartal entspricht. (In 3 Monaten sind es ungefähr 7,8 Millionen Sekunden.)

Das führt zu einem verblüffenden Vergleich. Nach Hochrechnungen des United States Census Bureau leben im Jahr 2024 rund 8 Milliarden Menschen auf der Erde. Würden die derzeit existierenden 200 Milliarden CPUs gleichmäßig auf alle Menschen verteilt – und keine davon wäre für geschäftliche, staatliche oder wissenschaftliche Anwendungen bestimmt – dann kämen auf jedes menschliche Gehirn auf der Erde genau 25 CPUs, die als Gehirn des Computers dienen.

Daraus ergibt sich eine wichtige Frage: Bei so vielen CPUs in Betrieb, wie werden sie alle genutzt?

Bei den CPUs handelt es sich um einen sehr kleinen Prozessorchip. Und doch gibt es nur sehr wenig, was dieser kleine Chip nicht leisten kann. Eine kurze Umfrage zeigt, welche Branchen am stärksten auf CPUs angewiesen sind:

Unterhaltungselektronik

Viele der rentabelsten Unternehmen der Welt, wie Apple, stellen Geräte für die Unterhaltungselektronikbranche her. Die enorme Nachfrage nach Personal-Computing-Plattformen (wie Smartphones, Laptops und Spielekonsolen) hat zu einer massiven und kontinuierlichen Zunahme der CPU-Auslastung geführt. Darüber hinaus bedeuten Haushaltsgeräte, die mit der IoT-Technologie (Internet der Dinge) ausgestattet sind, dass CPUs jetzt in Kühlschränke, Thermostate, Sicherheitssysteme und mehr eingebaut werden.

Datenanalyse

Das Ziel der Datenanalyse ist die Aufbereitung von Rohdaten zu einer verständlichen Darstellung, die den Unternehmenszielen entspricht. Der erste Teil dieses Prozesses ist die Zusammenstellung und Bereinigung der Daten. CPUs sind für diese Aktivitäten von entscheidender Bedeutung, da sie als primäre Computerverarbeitungseinheiten dienen. Darüber hinaus sind die CPUs aufgrund ihrer hohen Taktraten perfekt für die Art des schnellen Scannens und Abrufens von Informationen geeignet, die Datenanalyse erfordert.

Verteidigung und Weltraums

Die CPU ist das wahre Rückgrat moderner Verteidigungssysteme. Jedes Land, das eine Weltmacht sein will, muss über moderne Computer als Teil seines Sicherheitsarsenals verfügen. Auch die Errungenschaften der Menschheit bei der Erforschung des Weltraums wären ohne die CPU, die die enormen rechnerischen Herausforderungen bei der Berechnung von Entfernungen und Strecken von Weltraumflügen bewältigt, niemals möglich gewesen. Der Weltraum stellt eine besondere Herausforderung für Computer dar, die strahlungsgehärtet sein müssen, um starken Sonnenstrahlen standzuhalten.

Finanzdienstleistungen

Wie bei der Datenanalyse sind auch Fintech-Unternehmen auf CPUs angewiesen, um die schnelle und effiziente Verarbeitung riesiger Mengen an finanzbasierten Informationen zu ermöglichen. Durch die Durchführung fortschrittlicher Analysen mit solchen Daten und die anschließende Anwendung einer Reihe verschiedener Szenarien auf diese Daten können Risikomanagementsysteme, die CPUs ermöglichen, Finanzinstituten bei der Verringerung von Verlusten unterstützen. CPUs unterstützen diese Bemühungen auch auf eine weitere wichtige Weise: Sie unterstützen bei der Aufdeckung von Unregelmäßigkeiten und Betrugsfällen.

Gesundheitswesen

Nahezu jede Branche profitiert von den hohen Geschwindigkeiten, die CPUs erreichen. Doch keine ist so wichtig wie das Gesundheitswesen, bei dem buchstäblich Menschenleben auf dem Spiel stehen und das Timing eine entscheidende Rolle spielt. Neben der Möglichkeit, wichtige Patienteninformationen schnell zwischen Anbietern zu übertragen, können CPUs auch zur Automatisierung der Bestellung und Nachverfolgung von Rezepten und anderen Verbrauchsmaterialien genutzt werden. Computer können sowohl präoperative 3D-Modelle von Organen erstellen als auch Pathologen bei der Untersuchung von Krankheiten unterstützen.

Herstellung

Der Einsatz von Halbleitern hat die Fertigung radikal verändert, den Einsatz von Materialien synchronisiert und die Qualitätskontrolle verbessert. Die Fertigung wird auch durch die rechnerunterstützte Fertigung (CAM) revolutioniert, bei der CPU-gesteuerte Computersysteme den industriellen Produktionsbetrieb unterstützen. CAM nutzt direkte oder indirekte Verbindungen zwischen der CPU und den Produktionsabläufen, um die Fertigungsaktivitäten zu planen, zu kontrollieren und zu verwalten.

Telekommunikation

Die Telekommunikationsbranche bietet ihre eigenen Standardprodukte wie Kommunikationstechnologie-Geräte an, unterstützt aber auch andere Branchen auf wichtige Weise. Zu diesen Anwendungsfällen gehören die Ermöglichung digitaler Transaktionen (für die Finanzdienstleistungsbranche) und die Unterstützung des Gesundheitswesens durch die Unterstützung von Roboteroperationen mit Präzisionsfunktionen und Datenaktualisierungen. Darüber hinaus sind CPUs für den Betrieb autonomer Fahrzeuge unerlässlich, die für die Navigation auf Telekommunikationssignale angewiesen sind.

Moderne CPUs enthalten in der Regel folgende Komponenten:

• Arithmetisch-logische Einheit (ALU): Berechnet arithmetische und logische Funktionen, einschließlich mathematischer Gleichungen und logikbasierter Vergleiche.
• Busse: Steuern die korrekte Datenübertragung und den Datenfluss zwischen den Komponenten innerhalb eines Computersystems.
• Steuereinheit: Verwendet intensive Schalttechnik, die das Computersystem durch die Ausgabe eines Systems elektrischer Impulse steuert und das System anweist, Computerbefehle auf hoher Ebene auszuführen.
• Befehlsregister und -zeiger: Zeigt die Position des nächsten Befehlssatzes an, der von der CPU ausgeführt werden soll.
• Speichereinheit: Verwaltet den Speicherverbrauch und den Datenfluss zwischen RAM und CPU. Die Hauptspeichereinheit überwacht den Umgang mit dem Cache-Speicher.
• Register: Bietet einen integrierten permanenten Speicher für konstante, wiederholte Datenanforderungen, die regelmäßig und ohne Ausnahme verwaltet werden müssen.

Die folgenden Konzepte sind hilfreich, um sich mit der CPU-Terminologie vertraut zu machen:

Cache: Speicherbereiche, deren Lage den Benutzern einen schnellen Zugriff auf kürzlich verwendete Daten ermöglicht. Cache-Speicher speichern Daten in Bereichen, die in den Prozessorchip einer CPU integriert sind, um eine noch schnellere Datenabrufgeschwindigkeit als Arbeitsspeicher (RAM) zu erreichen.

Taktfrequenz: Die Aktivitätsrate pro Computertaktzyklus. Der interne Taktgeber in Computern regelt die Geschwindigkeit und Frequenz von Computerprozessen. Der Taktgeber steuert die Schaltkreise der CPU durch die Übertragung elektrischer Impulse. Die Rate, mit der die Impulse abgegeben werden, wird als „Taktfrequenz“ bezeichnet.

Kern: Der Prozessor im Prozessor. Kerne sind Verarbeitungseinheiten, die verschiedene Programmanweisungen lesen und ausführen. Prozessoren werden danach eingeteilt, wie viele Kerne in ihnen verbaut sind; Single-Core-, Dual-Core- und Quad-Core-Prozessoren sind einige der Beispiele. (Der Begriff „Intel Core“ wird kommerziell verwendet, um die Produktlinie der Multi-Core-CPUs von Intel zu vermarkten).

Threads: Die kürzesten Sequenzen programmierbarer Anweisungen, die der Scheduler eines Betriebssystems verwalten und zur Verarbeitung an eine CPU senden kann. Durch Multithreading, die Verwendung mehrerer gleichzeitig laufender Threads, können verschiedene Computerprozesse zur Unterstützung von Multitasking gleichzeitig ausgeführt werden. („Hyper-Threading“ ist der geschützte Begriff von Intel für seine Form des Multithreading).

Die beiden großen Unternehmen, die um die Kontrolle über diesen extrem lukrativen Markt kämpfen, sind Intel und Advanced Micro Devices (AMD):

Intel

Vermarktet Prozessoren und Mikroprozessoren über vier Produktlinien: Intel Core (High-End-Premium-Produktlinie), Intel Xeon (Büro- und Geschäftsnutzung), Intel Pentium (PCs und Laptops) und Intel Celeron (Low-End- und preisgünstige PCs).

Offensichtlich sind verschiedene Chips für bestimmte Anwendungen am besten geeignet. Der Intel Core i5-13400F ist ein guter Desktop-Prozessor mit 10 Kernen. Bei rechenintensiven Anwendungen wie der Videobearbeitung entscheiden sich viele Anwender jedoch für die Intel Core i7 14700KF CPU mit 20 Kernen und 28 Threads.

Advanced Micro Devices (AMD)

Verkauft zwei Arten von Prozessoren und Mikroprozessoren: CPUs und APUs (Accelerated Processing Units). APUs sind mit proprietären Radeon-Grafikkarten ausgestattete CPUs. AMD stellt schnelle und leistungsstarke Ryzen-Prozessoren für den Videospielmarkt her. Der AMD Ryzen 7 5800X3D zum Beispiel verfügt über eine 3D-V-Cache-Technologie, mit der die Spielegrafik auf ein neues Niveau gebracht wird.

Athlon-Prozessoren galten früher als die High-End-Reihe, heute werden sie jedoch von AMD als Alternative zu Basiscomputern verwendet.

Arm

Arm stellt selbst keine Geräte her, sondern vermietet seine bewährten Prozessordesigns und/oder andere proprietäre Technologien an andere Unternehmen, die Geräte herstellen.

Die meisten AMD Ryzen- oder Intel Core-Prozessoren sind für allgemeine Computeranwendungen, wie die Ausführung eines Betriebssystems wie Windows und die Nutzung von Multimedia-Programmen, geeignet und können die entsprechenden Workloads bewältigen.

In den kommenden Jahren werden mehrere tangierende Themen die CPU-Entwicklung und die Anwendungsfälle, für die sie eingesetzt werden, weiter beeinflussen:

Verstärkte Nutzung von GPUs: Grafikprozessoren (GPUs) sind elektronische Schaltungen, die zunächst für den Einsatz in Smartphones und Videospielkonsolen entwickelt wurden. Bei ihrer Verwendung geht um die Erhöhung der Verarbeitungsgeschwindigkeit. Zusätzlich zur Beschleunigung von Grafikkarten werden GPUs für rechenintensive Aktivitäten wie das Krypto-Mining und das Training von Neural Networks eingesetzt.

Das Streben nach Miniaturisierung: Die Geschichte der Computerhardware ist von der Suche nach immer kleineren Computerprozessoren geprägt. Frühe Computer benötigten viel Platz und Vakuumröhren. Dann wurden CPUs durch die Einführung von Transistoren kleiner und effizienter. Später entwickelten Informatiker eine CPU, den sogenannten Mikroprozessor, der in einem kleinen integrierten Schaltkreis untergebracht werden konnte. Der Trend zur Verkleinerung von Prozessoren wird unvermindert anhalten, solange sich Verbraucher und Unternehmen mehr Rechenleistung und höhere Geschwindigkeiten wünschen.

Verbreitung von Peripheriegeräten: Peripheriegeräte helfen bei der Optimierung und Erweiterung der Funktionalität von Computern. Peripheriegeräte können außerhalb eines Computers angebracht werden und umfassen Geräte wie Tastaturen, Maus, Scanner und Drucker. Als Reaktion auf die anhaltende Kundennachfrage werden noch weitere Peripheriegeräte entwickelt.

Fragen der Nachhaltigkeit: In Zukunft wird die Frage des Stromverbrauchs immer wichtiger werden. Unternehmen werden sich bei steigenden Energiekosten stärker auf energieeffiziente Lösungen konzentrieren. Die steigende CPU-Auslastung im großen Maßstab – wie in Hyperscale-Rechenzentren, in denen Tausende von verbundenen Computern rund um die Uhr arbeiten, wird die verbrauchte Energie oft in Gigahertz (GHz) gemessen – ist mit dem gesamten Energieverbrauch von Dörfern oder Kleinstädten vergleichbar.

Die Analystengruppe Yole Intelligence hat in ihrem Forecasting über die Umsatzprognose für Prozessoren 2022–2028 ein Gesamtvolumen von 154 Mrd. USD für den Prozessormarkt im Jahr 2022 errechnet. In dieser Gesamtzahl sind die folgenden Prozessorsegmente und ihre jeweiligen Werte enthalten:

• Zentrale Recheneinheiten (CPUs): 65 Milliarden USD
• Anwendungsverarbeitungseinheiten (APUs): 61 Milliarden USD
• Grafikprozessoren (GPUs): 22 Milliarden USD
• SoC FPGA: 2,6 Milliarden USD (SoC FPGA steht für „System-on-Chip Field Programmable Gate Array“, bei dem es sich um halbleiterbasierte Geräte handelt, die programmierbare Logik in die Prozessorkerne integrieren.)
• KI ASICs: 1,5 Milliarden USD (AI-ASICs stehen für „anwendungsspezifische integrierte Schaltungen“, insbesondere solche, die mit künstlicher Intelligenz zu tun haben.)
• Datenverarbeitungseinheiten (DPUs): 0,6 Milliarden USD

In den Prognosen für 2028 sehen Sie, wie die Experten von Yole bestimmte Segmente wie KI und DPUs wachsen sehen. Yole geht von einem jährlichen Gesamtwachstum von 8 % aus, sodass für das Jahr 2028 ein Gesamtwert von 242 Mrd. USD auf Grundlage dieser Zahlen erwartet wird:

1. CPUs: 97 Milliarden USD
2. APUs: 65 Milliarden USD
3. GPUs: 55 Milliarden USD
4. KI ASICs: 11 Milliarden USD
5. DPUs: 8,1 Milliarden USD
6. SoC FPGAs: 5,2 Milliarden USD

Neben einem deutlichen Marktwachstum bei KI ASICs und DPUs zeigt das Forecasting von Yole Intelligence ein nahezu identisches Wachstum für CPUs und GPUs im gleichen Zeitraum, mit Wachstumsprognosen von 32 Mrd. USD bzw. 33 Mrd. USD. Diese Prognosen zeigen auch die anhaltende zentrale Bedeutung der CPUs, da diese Kategorie laut Yole Intelligence jetzt alle anderen Categories anführt und dies auch in Zukunft tun wird.

Mit über 200 Milliarden derzeit in Betrieb befindlichen CPUs liegt der Schluss nahe, dass CPUs auch in Zukunft ein fester Bestandteil der Menschheit sein werden. Sicher ist jedoch auch, dass die CPU weiter entwickelt und verbessert werden wird, um ihren Nutzen für Hochleistungssysteme und die neuen, grafikintensiven Computerprogramme, die sie ausführen, zu maximieren.

Aus diesem Grund ist es ratsam, bei der Anschaffung der für die Erreichung der Rechenziele erforderlichen Ausrüstung mit Bedacht zu investieren. Daher ist Hardware wichtig, die mit modernen CPUs mithalten kann. IBM Server sind nicht nur leistungsstark, sondern auch flexibel. So erhalten Sie die Rechenleistung, die Sie jetzt benötigen, und haben gleichzeitig die Möglichkeit, in Zukunft zu wachsen.