Bewertung: 5 / 5

Stern aktivStern aktivStern aktivStern aktivStern aktiv
 

 Was ist eine CPU?

Das "Herz" eines jeden Computers nennt man CPU "Central Processing Unit". Bei uns hat sich dafür auch die Bezeichnung "Prozessor" oder "Mikroprozessor" durchgesetzt. Ohne eine CPU würde kein Computer funktionieren. Die CPU übernimmt in einem Computer die wichtigsten Rechenaufgaben.

Jedes Programm, welches in einem Computer ausgeführt wird, besteht aus Nullen und Einsen, dem so genannten Maschinencode. Dieser für die CPU lesbare Code wird entsprechend den programmierten Aufgaben von der CPU ausgeführt und umgesetzt. Dafür besitzt eine CPU heute Millionen von Schaltkreisen (Transistoren). Gesteuert wird alles über den internen Microcode. In ihm sind komplexe Befehle hinterlegt die entsprechende Aufgaben ausführen, sobald der Befehl von einem Programm an den Prozessor übergeben wird.
Der Prozessor hat eine direkte Anbindung zur Speicherverwaltung und zum Chipsatz der Hauptplatine.

CPUs gibt es aber nicht nur in Computern. Für alle erdenklichen Aufgaben werden CPUs hergestellt. Ob in digitalen Uhren, in Waschmaschinen, in Mobiltelefonen bzw. im Smartphone, in Fernsehern, in SAT-Receivern oder in der Industrie. Heute sind viele Maschinen und Geräte "Computergesteuert" und in allen diesen arbeitet eine CPU, die speziell für das entsprechende Gerät hergestellt wurde.

In der Computerwelt spricht man bei den so genannten "IBM kompatiblen Computern" von der x86-Architektur. Diese Bezeichnung ist abgeleitet von den ersten Intel Prozessoren für Personal Computer den 8086, 80286, 80386 und 80486 CPUs. In diesem Segment gibt es heute zwei große Prozessorhersteller AMD und Intel. Beide Firmen arbeiten ständig an neuen, besseren und schnelleren CPUs.

 Die Entwicklung der CPUs

Der Hauptbestandteil einer CPU sind "Schalter". Um bestimmte Rechenschritte durchzuführen, werden mehrere "Schalter" benötigt. Bevor es die Mikroelektronik gab, baute man solche Prozessoreinheiten mit Relais. Ein Relais ist ein elektronischer Schalter der über eine Spule ein magnetisches Feld erzeugt und damit einen Kontakt umschaltet. Relais sind recht groß und machen beim schalten klackernde Geräusche. Durch die Mechanik sind Relais auch störanfällig. Solche "Urprozessoren" waren demnach groß und laut und konnten meist nur einfaches addieren und subtrahieren bzw. multiplizieren und dividieren. Diese "Prozessoren" konnten leicht die Größe eines ganzen Raumes einnehmen. Konrad Zuse baute aus einem solchen Prozessor 1941 den als ersten Computer bekannten Z3. Dieser war bereits in der Lage Zahlen mit "binärer Gleitkommaarithmetik" zu berechnen.

Später wurde die Elektronenröhre entwickelt. Diese schaltete zwar schon geräuschlos und waren auch nicht mehr so störanfällig, da es keine mechanischen Teile mehr gab. An der Baugröße hat sich allerdings nichts verändert. Darüber hinaus mussten Elektronenröhren aufgeheizt werden, wodurch diese viel Strom brauchten und viel Wärme erzeugten. Der bekannteste Computer mit einem Prozessor aus Elektronenröhren war der ENIAC. Diese Prozessoren wurden immer weiter entwickelt und waren in den 1950er Jahren schon weit verbreitet.

In den 1950er Jahren entwickelte man dann den Transistor, der zu einem Durchbruch in der Computertechnik führte. Ein Transistor war viel kleiner als eine Röhre, brauchte viel weniger Strom zum schalten und war deutlich schneller. Mit Transistoren konnten Computer schon viel kleiner hergestellt werden. Allerdings brauchte man noch sehr viele dieser Transistoren um die Berechnungen durchzuführen. Man begann damit in "Integrierte Schaltkreise (ICs)" eine Vielzahl dieser Prozessoren in verkleinerter Form unterzubringen. Man forschte unaufhaltsam weiter und es gelang im laufe der Zeit die größe der Prozessoren immer weiter zu verkleinern und dementsprechend immer mehr Rechenleistung in diese ICs in Form von weiteren Transistoren einzubauen.

In den 1970er Jahren baute der Hersteller Intel dann schon einen 4-Bit-Prozessor, der mit ca. 100 kHz getaktet wurde. Zu dieser Zeit hatten die Prozessoren zwar schon einiges an Leistung, aber für spezielle mathematische Berechnungen verwendete man einen zweiten Prozessor, den so genannten mathematischen Coprozessor.

Mitte der 1970er Jahre kamen 8-Bit (Intel 8080 und 8085) und dann 1978 16 Bit (Intel 8086) Prozessoren auf den Markt. Mit diesen 16-Bit-Prozessoren wurde dann auch die noch heute verwendete x86 (abgeleitet vom Prozessor 8086) Architektur eingeführt. Neben Intel bauten zu dieser Zeit noch einige andere Hersteller x86-kompatible CPUs unter anderem auch AMD, IBM, NEC und Cyrix (heute VIA Technologies). Diese Prozessoren arbeiteten mit dem so genannten "Complex Instruction Set Computer" (CISC) Befehlssatz.

1982 kam dann der 16-Bit-Prozessor 80286 auf den Markt. Mit diesem Prozessor begann dann auch der Durchbruch bei den Computern. Es wurden immer mehr Computer gebaut, die immer leistungsfähiger wurden.

Intel CPU 80386 und Coprozessor

1985 wurde der erste 32-Bit-Prozessor 80386 entwickelt. 1989 dann der 80486 Prozessor. Inzwischen war man bei der Entwicklung so weit, dass man den mathematischen Coprozessor in den Hauptprozessor integrieren konnte. Es gab aus Kostengründen zu diser Zeit den 80486 Prozessor noch mit und ohne mathematischen Coprozessor. Zum Vergleich: Zu dieser Zeit baute Intel die CPUs in der 1000 nm bis 600 nm Fertigung, heute bereits in der 22 nm Fertigung!

32-Bit-Prozessoren waren bis 2003 Stand der Technik. Zwar kamen bereits Mitte der 1990er Jahre erste 64-Bit-Prozessoren heraus, die wurden allerdings nur im professionellen Bereich eingesetzt.  Erst 2003 brachte AMD den ersten 64-Bit-Prozessor für den Massenmarkt heraus. Allerdings noch mit mäßigem Erfolg. Auch diese Prozessoren liefen noch im 32-Bit-Modus, da die für Heim- und Büroanwender verkauften Windows Versionen nur mit 32-Bit liefen.

Erst mit Microsoft Windows Vista gab es ab 2007 auch 64-Bit-Versionen für Heimanwender. Aber selbst diese Versionen wurden noch nicht viel gekauft. Die meisten blieben auch wegen fehlender Treiber oft bei den 32-Bit-Versionen. Erst im Jahr 2009 stellten viele Anwender mit Microsoft Windows 7 auch im Heimbereich auf 64-Bit-Systeme um. Heute sind 64-Bit-Computer fast schon Standard.

Intel Pentium 3 CPUBis etwa Ende des 2000er Jahres rüsteten die Hersteller immer weiter mit den Taktraten auf. Arbeitete der 80486 Prozessor 1989 noch mit maximal 100 MHz, war man 10 Jahre später 1999 mit dem Pentium III bereits bei 1.400 MHz und weitere 10 Jahre später im Jahr 2009 mit dem Intel Core I7 bereits bei 3,6 GHz, also 3.600 MHz. Allerdings hat dieses Tempo auch mehrere gravierende Nachteile: zum einen benötigt eine solche Leistung eine große Energiemenge (Strom), die bei einem Prozessor zum größten Teil in Verlustleistung, also Wärme umgesetzt wird. Zum anderen liegen Taktgeschwindigkeiten von fast 4 GHz im Hochfrequenzbereich und können Störungen verursachen. Gerade die Wärmeentwicklung bei einer CPU ist heute schon beachtlich. Es fallen zwischen 75 bis über 100 Watt thermische Verlustleistung an und das auf einer kleinen Fläche des "Die" also dem eigentlichen Prozessorkern. Würde man eine CPU nicht ausreichend kühlen und gegen thermische Überhitzung schützen, würde dieser in weniger als einer Sekunde zerstört werden. Die ersten Prozessoren hatten noch keinen thermischen Schutz. Da ist es in der Tat häufiger mal passiert, dass ein Prozessor einfach "verbrannt" ist. Heute überwachen interne Temperatursensoren die CPU. Wird eine bestimmte Temperatur erreicht, schaltet der Prozessor und damit der PC ab.

Heute hat dieses Tempo "Wettrüsten" ein Ende. Die Hersteller haben erkannt, dass bei ca. 4 GHz die machbare Grenze erreicht ist. Die immer kleiner werdende Fertigungstechnik hat heute eine andere "Wettrüstung" ausgelöst. Die Prozessorhersteller packen immer mehr in ihre CPUs. 1989 wurde zuerst der mathematische Coprozessor integriert, 1997 dann der Level 2 Cache Speicher. Ab etwa Mitte der 2000er Jahre packte man gleich mehrere CPUs (Cors) in einen Prozessor. Heute gibt es Prozessoren mit bis zu 8 Cors (Kernen). Ab ende der 2000er Jahre integrierte man dann auch gleich einen Grafikprozessor (GPU) mit in die CPU. Bis dahin musste man immer eine externe Grafikkarte in einen Computer einbauen. Mitte der 2000er Jahre "baute" man den Grafikprozessor zuerst in den Chipsatz auf der Hauptplatine und dann in die CPU. Die eigentliche CPU wird dadurch aber nicht größer. Zuletzt integrierte man dann sogar die so genannte "Northbridge", also einen Teil des Chipsatzes in den Prozessor.

Intel CeleronAllerdings brachten und bringen die Hersteller INTEL und AMD nicht nur Hochleistungsprozessoren auf den Markt. Zwischen 1998 und 2002 suchte man auch im "Niedrigpreis-Segment" Kunden. Die Hochleistungsprozessoren Intel Pentium II und später Pentium III bzw. AMD K6 und später K7 kosteten natürlich zu dieser Zeit viel Geld. So brachte man erstmals auch günstige Prozessoren auf den Markt, damit die Hersteller auch günstigere Computer anbieten konnten. Diese "abgespeckten" Prozessoren hatten oft weniger Cache Speicher oder wurden nicht so hoch getacktet. Oft verwendete man dafür Prozessoren aus der "großen" Fertigung, bei denen durch die Herstellung Fehler aufgetreten sind. So konnten die Prozessorhersteller z.B. Teile des Cache deaktivieren und diese Prozessoren dann im "Niedrigpreis-Segment" noch verkaufen. Das kann man gut am "Niedrigpreis" Prozessor Intel Celeron rechts auf dem Bild sehen. Dieser sieht optisch wie der oben gezeigte Prozessor Intel Pentium III aus. Intel nennt seine Niedrigpreis CPUs "Celeron" und AMD früher "Duron" und heute "Sempron".
Aber nicht nur für das "Niedrigpreis-Segment" werden abgespeckte Prozessoren herausgebracht. Gerade sogenannte Ultrabooks und neuerdings auch teilweise Tablets mit vollwertigem Windows benötigen Prozessoren, die nicht aufwendig gekühlt werden müssen und energiesparend arbeiten. Auch hier werden dann solche Prozessoren eingesetzt.

 Die Fertigungstechnik der Prozessorhersteller hat sich wie folgt entwickelt:

1985 kam der Prozessor 80386 auf den Markt dieser wurde mit der Fertigungstechnik 1500 nm bis 1000 nm hergestellt. 1989 der 80486 bereits mit 1000 nm bis 600 nm. Hier konnte man schon den Coprozessor integrieren. 10 Jahre später baute man den Pentium III Prozessor bereits in der Fertigungstechnik 250 nm bis 130 nm. 2008, also fast weitere 10 Jahre später, war man beim Intel Core I7 bereits bei der Fertigungstechnik 45 nm angelangt. In der Herstellungsphase des Core I7 verkleinerte man die Fertigung dann bis heute sogar auf 32 nm und jetzt aktuell auf 22 nm. Derzeit forscht man daran, die Fertigung auf 10 nm zu verringern. Auch der zweite große CPU Hersteller AMD liegt bei ähnlichen Fertigungsgrößen.
"nm" steht für die Maßeinheit "Nanometer", also 10-9 Meter. 1 nm ist etwa 70.000-mal dünner als ein menschliches Haar!

 Wie wird eine CPU hergestellt?

Der eigentliche Prozessorkern "Die" wird in sogenannten Reinräumen, also Herstellungsräumen, in denen es keine Luftverschmutzungen wie Staub gibt, hergestellt. Wenn man bedenkt, dass z.B. auf dem Intel Core I7 Prozessor (Sandy Bridge) die "Die", also der eigentliche Prozessorkern, gerade mal 216 mm² groß ist und 1,16 Milliarden Transistoren (inklusive GPU-Kern und integrierter Northbridge) enthält, kann man sich vorstellen, dass ein Staubkorn in der Fertigung den ganzen Prozessor unbrauchbar machen würde. Ganz oben rechts auf dem Foto ist der eigentliche Prozessorkern ("Die") gut zu erkennen. Es ist die kleine, Quadratische, silberfarbene Fläche in der Mitte. Sie hat bei diesem abgebildeten AMD-Prozessor gerade mal eine Fläche von 129,26 mm². Die braune Trägerplatte dient nur zur Verdrahtung mit den 462 Anschlussstiften auf der Prozessor Rückseite.

WaferZuerst werden die Prozessoren digital von Ingenieuren entworfen. Diese Entwürfe werden dann nach vielen simulierten Tests an spezielle Hochleistungscomputer übergeben. Diese Computer berechnen die Verlegung der Leiterbahnen auf engstem Raum, ohne Kreuzungen und so, dass möglichst wenig Transistoren eingesetzt werden müssen, um die geforderten Aufgaben zu erledigen. Diese Berechnung nennt man auch "routen". Das Ergebnis wird dann  von Ingenieuren nachgearbeitet und verbessert. Es werden wieder viele Tests gemacht, bis alles so funktioniert wie geplant.
Aus diesen Vorlagen werden dann Masken erstellt, aus denen dann so genannte "Wafer" belichtet und anschließend geätzt werden. Auf einem "Wafer" aus Silizium (siehe Bild rechts) werden viele dieser Prozessorkerne "Dies" aufgebracht. Mit Lasern werden die "Dies" dann "ausgeschnitten" und auf die Prozessorträgerplatte aufgebracht. Auf dieser Trägerplatte sind heute je nach Prozessortype bis zu 2011 Anschlussstifte, über die der Prozessor später mit der Hauptplatine verbunden wird. Ein Roboter verdrahtet den Prozessorkern mit den Anschlussstiften. Zum Schluss wird der Prozessor noch vergossen. Früher war der Kern danach nicht mehr sichtbar. Heute entsteht aber so eine hohe Temperatur im Prozessor, das der Kern auf der Oberfläche sichtbar bleiben muss (siehe Bilder oben) um diesen richtig kühlen zu können. Intel und auch AMD setzen heute oft oben auf die gesamte Flache noch eine Metallplatte. Das vergrößert zum einen die Auflagefläche für den Kühlkörper und schützt zum anderen den empfindlichen Silizium-Kern vor Beschädigung. Für die Herstellung eines Prozessors sind über 100 Arbeitsschritte notwendig!

 Was steckt in einer CPU?

Damit eine CPU überhaupt funktioniert, werden verschiedene Einheiten benötigt. Grob gesagt besteht eine CPU aus folgenden Einheiten: Registern, dem eigentlichen Rechenwerk, der sogenannten Arithmetic Logic Unit (ALU), einem Steuerwerk sowie dem Datenleitungen, um mit den anderen Komponenten und der HauptplatineChipsatz zu kommunizieren. Des weiteren besitzen die CPUs heute noch eine Speicherverwaltung (Memory Management Unit) sowie einen meist mehrstufigen Cache-Speicher. Dieser Cache-Speicher dient zum Zwischenspeichern der Rechenergebnisse, um diese dann intern schneller weiterverarbeiten zu können.

Die Register können entweder Daten (Datenregister) oder Adressen (Adressregister) aufnehmen. Mit den Werten in den Registern kann der Prozessor direkt rechnen. Im Prinzip sind die Register somit die erste Speicherebene noch vor dem Cache.
Die Arithmetic Logic Unit (ALU) führt die eigentlichen Berechnungen mit den Werten in den Registern durch. Diese kann neben den Grundrechenarten auch logische Operationen (z.B. OR, AND, NOT) durchführen.
Wofür das Steuerwerk ist, sagt bereits das Wort. Das Steuerwerk koordiniert die Abläufe im Prozessor.
Die Datenleitungen (Bus) kann man grob in drei Bereiche gliedern: Dem Datenbus um die Daten zwischen dem Prozessor und dem Arbeitsspeicher auszutauschen, dem Adressbus der für die richtige Adressierung der Speicheradressen sorgt und dem Steuerbus, der den eigentlichen Bus steuert und z.B. die Datenleitungen bestimmt welche in Leserichtung und welche in Schreibrichtung arbeiteten.

 Wie ist der Cache-Speicher in der CPU aufgebaut?

Anfangs hatten die Prozessoren nur einen kleinen Level 1 Cache. Der 80486 Prozessor z.B. hatte einen L1 Cache von 8 kB bis später 16 kB. Ab dem Pentium II im Jahr 1997 kam denn schon ein zusätzlicher Level 2 Cache dazu, der mit 256 kB bis 512 kB bereits größer war, aber nicht so schnell angesprochen werden konnte wie der L1 Cache.
Aktuelle Prozessoren haben sogar einen Level 3 Cache, der noch größer dimensioniert ist. Wobei natürlich alle drei interne Speicher deutlich schneller angesprochen werden können, wie der externe RAM-Speicher auf der Hauptplatine. Alle drei internen Cache Speicher arbeiten mit unterschiedlichen Zugriffsgeschwindigkeiten. Der schnellste, aber auch kleinste L1-Speicher hat beim Intel Core I7 (Ivy Bridge) z.B. 32 kB und arbeitet mit vollem Prozessortakt. Der von der Lage etwas langsamere, dafür aber auch mit 256 kB größere L2 Cache, arbeitet auch im vollen Prozessortakt. Diese beiden Cache Speicher besitzen alle Prozessorkerne unabhängig voneinander, also jeder Kern hat seinen eigenen L1 und L2 Cache. Darüber hinaus ist in dieser CPU noch ein L3-Cache Speicher in der Größe zwischen 6 MB bis 10 MB (je nach Ausführung) integriert. Auf diesen L3-Cache haben dann aber alle Kerne Zugriff. Einen Level 3 Cache haben aber nicht alle Prozessoren, meist nur die schnelleren aus dem oberen Preissegment.

 Die Kühlung der CPU

Wie oben bereits geschrieben, sind aktuelle Prozessoren zwar blitzschnell, allerdings auch meist kleine Heizkraftwerke. Bei aktuellen Prozessoren fallen bis zu 125 Watt thermische Verlustleistung, umgerechnet auf einen cm² an. Vergleicht man dieses z.B. mit einer Herdplatte des heimischen Elektroherdes in der Küche, kann man schnell erkennen, dass eine CPU sehr heiß werden kann. Eine Herdplatte kommt nämlich gerade mal auf etwa10 Watt umgerechnet auf einen cm².

Das war natürlich nicht immer so. Die ersten Prozessoren, wie z.B. der 80386 Prozessor, brauchten noch gar keine Kühlung. Heute ist eine teilweise sehr aufwendige Kühlung unabdingbar. Es reichen weniger als eine Sekunde ungekühlter Betrieb, um eine CPU abzuschalten. Die ersten Hochleistungsprozessoren hatten noch keine interne Thermoschutzschaltung, sodass diese bei einem ungekühlten Betrieb direkt verbrannt sind. Heute würde eine interne Schutzschaltung die CPU sofort außer Betrieb nehmen.

Es müssen heute somit ausreichend dimensionierte Kühlkörper mit einer entsprechenden Wärmeableitung installiert werden. Dafür gibt es verschiedene Möglichkeiten. Entweder wird ein Kühlkörper direkt auf die CPU aufgebracht und die Wärmeableitung übernimmt ein Lüfter. Alternativ gibt es riesige Kühlkörper mit sehr großen Flächen ohne Lüfter, oder aber sogenannte Headpipes, also "Metallstreben" die die Wärme vom Prozessor zu einem Kühler weiterleiten. Zum Lüfter gibt es noch die Wasserkühlung als Alternative. Hier wird Wasser durch spezielle Rohre durch den Kühlkörper geleitet. Das Wasser nimmt die Wärme auf, die dann zu einem außerhalb angebrachten Wärmetauscher geleitet wird.

Den Kühlkörper einfach so auf den Prozessor aufzusetzen reicht auch nicht aus. Zwischen den beiden Flächen würde ein feiner Luftspalt bleiben, der die Wärmeübertragung stark behindern würde. Man sollte daher immer eine sogenannte Wärmeleitpaste oder Wärmeleitpads verwenden. Diese bestehen aus einem sehr gut Wärme leitenden Material, das Unebenheiten und Luftspalte zwischen Prozessor und Kühlkörper füllt und so eine gute Wärmeübertragung gewährleistet.

Eine gute und ausreichend dimensionierte Kühlung der CPU ist sehr wichtig für einen stabilen Betrieb des Computers.

 Haben alle CPUs den gleichen Anschluss?

CPU SockelDiese Frage kann mit einem klaren NEIN beantwortet werden. Die Hauptplatinen müssen unbedingt zum gewünschten Prozessor passen, oder umgekehrt. Jede Prozessorgeneration verlangt eine andere Anbindung zur Hauptplatine. Unter anderem benötigen die Prozessoren auch spezielle, auf diese abgestimmte Chipsätze.
Wie in diesem Artikel bereits geschrieben, verändern die Hersteller auch immer wieder die Funktionen einer CPU. So integrieren einige z.B. auch einen Teil des Chipsatzes in den Prozessor. Die Hersteller ändern oft sogar innerhalb einer Generation den Anschluss zur Hauptplatine. Man muss daher bei geplanten Aufrüstungen unbedingt auf den richtigen Anschlusssockel achten, zumal sich einige Anschlüsse sehr ähnlich sehen. Auf dem Bild rechts ist z.B. der AM2 Sockel zu sehen, unten ein AMD Athlon 64 X2 mit dem Anschluss für einen Sockel 939.

AMD Athlon 64 DualCore CPU

Somit gibt es nur zwei Möglichkeiten: Man wählt seinen Wunschprozessor und sucht anschließend bei den verschiedenen Herstellern eine passende Hauptplatine, oder man wählt / hat eine Hauptplatine mit den gewünschten Anschlüssen / CPU Sockel und kauft dazu dann die passende CPU.

Diese Änderungen am CPU Sockel haben leider auch zur Folge, dass man nach wenigen Jahren meist keine passende CPU mehr für die eingebaute Hauptplatine bekommt. Geht also ein Bauteil (Hauptplatine oder CPU) kaputt, ist oft ein Neukauf beider Komponenten erforderlich. Wenn zu viel Zeit verstrichen ist, muss man dazu auch den Speicher neu kaufen, da auch hier immer wieder Änderungen gemacht werden und der Fortschritt auch hier nicht stehen bleibt.

CPU Anschlsse

Intel Pentium 3 Slot vorne mitNoch eine kurze Information zum CPU-Anschluss: Die Anschlüsse haben sich im laufe der Jahre deutlich verändert (siehe Bild oben). Hatte eine 80386 CPU 1985 noch 132 Kontakte (Bild oben links), hatte ein AMD Athlon 64 aus dem Jahr 2003 bereits 754 Kontakte (Bild unten rechts). Heute haben Prozessoren oft zwischen 1155 und 2011 Kontakte. Zwischen 1997 und 1999 baute sowohl Intel als auch AMD die Prozessoren auf Zwischenplatinen, die dann einen entsprechenden Steckplatz (Slot 1 (Intel) bzw. Slot A (AMD)) auf der Hauptplatine benötigte (siehe Bild rechts). Schaut man sich diese Prozessoren an, findet man auch den Grund für diese Zwischenplatinen (Bild unten). Die Fertigungstechnik war zu dieser Zeit noch nicht in der Lage, größeren Cache Speicher direkt in die CPU zu integrieren. So setzte man einfach Speicherbausteine zusätzlich zum Prozessor auf diesen Platinen ein.

Intel Pentium 3 Slot hinten

 Welche Hersteller gibt es bei den CPUs?

Zur Pionierzeit gab es viele Hersteller die CPUs produzierten. So bauten z.B. 80386 Prozessoren unter anderem Intel, AMD, IBM, Siemens und Fujitsu. Die 80486 CPU bauten zusätzlich auch Texas Instruments, Cyrix und SGS-Thomson. Motorola versuchte ab 1979 mit dem 68000 Prozessor Fuß zu fassen. CPUs aus dieser Baureihe wurde z.B. bei den ersten Homecomputern wie dem Apple Macintosh, dem Commodore AMIGA oder dem Atari ST eingesetzt. Aber auch in Spielkonsolen und sogar in Taschenrechnern wurde dieser Prozessor verwendet.

Intel Pentium CPUMit dem Nachfolger zum 80486, dem "Pentium", gelang es 1993 Intel dann schnell Abstand zu den Mitbewerbern zu bekommen. Dazu beigetragen hat auch die1986 ausgesprochene Kündigung eines seit 1979 bestehenden Lizenzabkommen zwischen Intel und AMD.
Der Pentium Prozessor wurde ein großer Erfolg für Intel. Erst 1996, also fast 3 Jahre nach Intel brachten die Hersteller AMD und Cyrix dann vergleichbare Prozessoren in Eigenentwicklung auf den Markt. Für Cyrix war es der letzte "echte" eigene Prozessor. Die anderen Hersteller verabschiedeten sich auch nach und nach alle aus der CPU-Herstellung. Es war einfach zu kostenintensiv eigene Prozessoren zu entwickeln, zumal Intel meist immer zwei Schritte voraus war und ein quasi Monopol aufgebaut hat. Teilweise erreichte Intel einen Marktanteil von über 85% bei den PC Prozessoren. AMD ist der einzige Hersteller, der halbwegs Anschluss an Intel halten konnte. Zwar lag auch AMD meist 1-2 Schritte hinter Intel, dafür waren AMD Prozessoren meist immer deutlich preiswerter als vergleichbare Intel Prozessoren.
2003 gelang es dann aber AMD, an Intel kurzzeitig vorbei zu ziehen. AMD brachte mit dem K8 (Athlon 64) den ersten 64-Bit-Prozessor auf den Markt. Erst Anfang 2004 brachte dann auch Intel mit dem Pentium 4 (Preskott Kern) einen 64-Bit-Prozessor heraus. Kurz darauf konnte Intel dann AMD wieder überholen. Dieser "Zweierkampf" wird bis heute bei den PC Prozessoren fortgeführt. Beide Hersteller bringen in regelmäßigen Abständen neue, bessere Prozessoren auf den Markt.

AMD Athlon 64 CPUBis 2007 war die Welt so auch in Ordnung. Dann kam mit dem iPhone von Apple ein Smartphone heraus, das eine neue Gerätegeneration einläutete. Die Verkaufszahlen explodierten und es kamen in den nächsten Jahren von allen Herstellern viele neue Smartphones und später auch Tablet Computer auf den Markt. Für diese mobilen Geräte werden spezielle CPUs benötigt, die auf lange Akkulaufzeiten also geringem Energieverbrauch und geringer Wärmeentwicklung ausgelegt sind. Dafür werden Prozessoren benötigt, die nach dem "Reduced Instruction Set Computer (RISC) Befehlssatz" arbeiten. Hier haben sich ganz andere Hersteller etabliert. "ARM Limited" ist hier der größte Hersteller, der allerdings die Prozessoren nicht selber baut, sondern lediglich das Design entwirft.
Da mobile Prozessoren inzwischen ein lukratives Geschäft geworden sind, hat jetzt auch Intel einen entsprechenden Prozessor entwickelt und AMD wird 2013 ebenfalls mit einem solchen Prozessor nachziehen. Ob in diesem Segment diese Hersteller allerdings richtig Fuß fassen werden, bleibt abzuwarten, da hier z.B. ARM bereits Marktführer ist und fast alle Hersteller hinter sich stehen hat.

 Was sind SoCs?

Die Abkürzung "SoC" steht für "Systems on a Chip“ oder auf deutsch "System auf einem Chip". Speziell für mobile Endgeräte konnten die Hersteller, auch dank der heute verfügbaren verkleinerten Fertigungstechnik, fast alle Komponenten für ein mobiles Gerät in nur einen Chip packen. Hier werden neben dem eigentlichen Prozessor auch fast alle anderen Bauteile wie die Grafikeinheit (GPU), Audio-Prozessor, Arbeitsspeicher in einem Chip integriert. Im Prinzip würde ein solcher Chip reichen, um die meisten Funktionen eines mobilen Gerätes auszuführen. Es werden meist nur noch wenige externe Baugruppen, wie den Displaytreiber, einen Bluetooth und WLan Chip hinzugefügt und ein mobiles Gerät ist fertig. Diese SoCs sind heute auch schon technisch auf neustem Stand. Es gibt SoCs mit QuadCore (CPU mit 4 Kernen) Technik und HD Grafik. Die Absatzzahlen der SoCs nimmt stetig zu. Es werden immer mehr Smartphones und Tablets verkauft für die solche kleinen Bauteile besonders wichtig sind.

 Was ist der Unterschied zwischen dem CISC und RISC Befehlssatz?

Die ersten Prozessoren arbeiteten mit der so genannten "Mikroprogrammierung". Als "Mikroprogrammierung" bezeichnet man eine Art Steuersprache für Schalter, also den internen Transistoren in einem Prozessor. Da die Steuerbefehle mit der Prozessorleistung auch weiter steigen mussten, hat Intel 1978 mit dem 8086 den CISC (Complex Instruction Set Computer) Befehlssatz eingeführt. Übersetzt heißt das etwa "Computer mit komplexem Befehlssatz". Genau das bietet auch der CISC-Befehlssatz, sehr komplexe Einzelbefehle. Das hat allerdings Vor- aber auch Nachteile. Prozessoren, die mit dem CISC-Befehlssatz arbeiten, laden erst alle Komponenten, bevor sie diese abarbeiten. Das kostet neben viel Rechenkraft auch viel Energie. Bei Hochleistungsprozessoren für Desktop- und Laptop-Computer ist das auch in Ordnung. Für mobile Geräte eher weniger.

Hier nutzt man in den CPUs den sogenannten RISC (Reduced Instruction Set Computer) Befehlssatz, oder auf deutsch "Computer mit reduziertem Befehlssatz". RISC-Prozessoren sind deutlich älter als welche mit CISC-Befehlssatz. Bereits seit Ende der 1960er Jahre verwendete man den RISC-Befehlssatz. Von 1974 bis etwa 1991 war die Blütezeit der RISC-Prozessoren im professionellen Bereich wie Servern und Workstations. RISC-Prozessoren laden und bearbeiten immer nur das war gerade benötigt wird. Dadurch sind diese bei weniger Energieverbrach und geringeren Taktraten dennoch so schnell wie CISC-Prozessoren. Allerdings benötigen diese CPUs auch spezielle Programme. Ein RISC-Prozessor kann daher z.B. keine Standard Programme wie Windows oder Office verarbeiten. Die Workstations mit RISC-Prozessoren arbeiteten meist mit dem UNIX-Betriebssystem.

Seit etwa 1995 vereinte Intel dann diese beiden Techniken. Vor den eigentlichen RISC-Befehlssatz schaltete Intel einen CISC-Befehlssatz, der die anfallenden "Aufgaben" einfach für den RISC-Befehlssatz "übersetzte". Nach diesem Prinzip arbeiten auch heute noch alle Desktop x86 Prozessoren. So können Programme mit dem CISC-Befehlssatz ausgeführt, die dann aber intern mit dem schnellen RISC-Befehlssatz verarbeitet werden.

Anfang der 1990er Jahre verloren die Prozessoren mit dem RISC-Befehlssatz nach und nach an Bedeutung. Die meisten Hersteller stellten ihre Systeme auch auf x86 Prozessoren um. Lediglich eine Architektur hielt noch etwas länger durch, der PowerPC Prozessor. Dieser von Apple, IBM und Motorola (AIM) entwickelte Prozessor wurde noch länger von diesen drei Firmen in speziellen Computern eingesetzt. Apple z.B. baute den PowerPC Prozessor mit RISC-Befehlssatz noch bis etwa 2006 in seine "Macintosh" Computer ein, stellte dann aber auch auf x86 Prozessoren von Intel um.

2007 kam dann wieder eine (andere) Wende für CPUs mit dem RISC-Befehlssatz. Das erste Smartphone von Apple kam auf den Markt. Genau für diese kleinen Geräte, bei denen zwar die Leistung stimmen muss, aber auch der Energieverbrauch und die Wärmeentwicklung nicht hoch sein dürfen, sind Prozessoren mit dem RISC-Befehlssatz ideal geeignet. Hier wird auch ein eigenes "neues" Betriebssystem verwendet, dass man leicht für diese Prozessoren anpassen konnte. Man musste also nicht auf bereits bestehende "Standards" achten. So werden heute fast ausschließlich RISC-Prozessoren in den SoCs für mobile Systeme eingesetzt.

Inzwischen hat auch Microsoft mit Windows RT, ein Windows Betriebssystem für RISC-Prozessoren entwickelt, um natürlich auch eine Scheibe vom immer lukrativer werdenden mobilen Markt abzubekommen.

 Wie geht die Entwicklung weiter?

Die Fertigungstechnik kann sicher in den nächsten Jahren noch etwas weiter verkleinert werden. Dann passen noch mehr Kerne und weitere Komponenten in einen Prozessor.

Allerdings zeichnet sich ein weiterer Trend ab: der Weg zu mobilen Endgeräten. In den letzten Jahren stieg der Absatz von Smartphones und Tablets drastisch an. Dagegen sind die Absatzzahlen der klassischen Computer und Laptops gesunken. Somit werden wir sicher in den nächsten Monaten und Jahren noch einiges auf dem Gebiet der SoCs mit RISC-Prozessoren erwarten können. An diesem Trend werden auch INTEL und AMD als die größten Hersteller klassischer CPUs nicht vorbei kommen.

[Zurück zur Übersicht]

Joomla Toplist

Besucher heute

® Auf im Beitrag genannte Namen und Bezeichnungen, sowie auf Logos können Markenrechte von Firmen im In- und Ausland liegen

www.CompTech-Info.de wird gehostet von:

ALL-INKL.COM - Webhosting Server Hosting Domain Provider

Wer ist online

Aktuell sind 76 Gäste und keine Mitglieder online

Beiträge:

Deine Daten

IP

Kleine Spende

Hier bitte ich Dich um eine kleine Spende für meine Webseite "www.CompTech-Info.de".
Weitere Infos dazu habe ich hier für Dich zusammengestellt.
Vielen Dank!
 

Ziel, mindestens: 119,40 €
Gespendet 2017:  28,37 €
Letzte Aktualisierung: 25.02.2017
Zum Seitenanfang