Der Prozessor - Grundlagen

Kategorie: Verarbeitung Erstellt: Mittwoch, 01. Februar 2012 Zuletzt aktualisiert: Freitag, 05. Juli 2013

Einer der wohl bekanntesten und auch am meisten beworbenen Bestandteile eines Computers ist der Prozessor (engl. CPU = Central Processing Unit). Auf diesem kleinen Silizium-Chip finden fast alle Berechnungen im Computer statt (auf Ausnahmen kommen wir später zu sprechen). CPUs gibt es in allen möglichen Preis- und Leistungsklassen. Die billigsten liegen bei etwa 50 Euro, die Grenzen nach oben sind eigentlich offen. Zum Preis-Leistungsverhältnis kann man nur sagen, dass Computer ihre Leistung alle 18 Monate verdoppeln und den Preis halbieren. Das zeigt wieder einmal, wie rasant die Produktzyklen in der PC-Branche sind.

prozessoren1 klUnterschiedliche Evolutionsstufen von Prozessoren (v.l.n.r.): Intel 386, Intel 486 DX2, AMD Duron, Intel Pentium IV

Die Leistungsbestimmenden Faktoren eines Prozessors sind die Zahl der auf dem Chip befindlichen Transistoren, die Taktfrequenz und nicht zuletzt der Grundaufbau.

Einige Entwicklungsstufen von Intel-kompatiblen Mikroprozessoren:

CPU Jahr Frequenz (typisch) Transistoren Leistung in MIPS ansprechbarer RAM
8086 1978 4,77 MHz 5000 5 1 MB
286 1982 10 MHz 150 000 25 16 MB
386 1986 25 MHz 500 000 50 4096 MB
486 1989 66 MHz 2 Mio. 100 4096 MB
Pentium 1993 133 MHz >3 Mio. 200 4096 MB
Pentium III 1998 800 MHz 7,5 Mio. 300 64 GB
AMD Athlon 1999 1000 MHz 22 Mio. 400 64 GB
Pentium IV 2001 2,4 GHz 42 Mio 2950 64 GB
Pent. IV (Prescott) 2004 3,2 GHz ~60 Mio ? 5250  64 GB
Athlon 64 2003 1,8 GHz 106 Mio. 15470  1024 GB
Intel Core 2 Duo 2006 2,8 GHz 291 Mio.   64 GB
AMD Bulldozer 2011 3,6 GHz 1,2 Mrd.    
Intel Core i7 "Ivy Bridge" 2012 3,2 GHz 2,3 Mrd.   64 GB

Die Daten dieser Tabelle sind aus verschiedenen Quellen zusammen gesucht. Da es von aktuellen Prozessoren viele verschiedene Varianten gibt, kann man auch teilweise deutlich abweichende Daten finden. Diese Übersicht soll nur eine Idee vom Fortschritt und der Leistungssteigerung geben.

Prozessoren aktuell - Licht ins Dunkel

Bis vor der Jahrtausendwende war die Prozessorwelt noch einigermaßen übersichtlich: Die CPUs wurden je nach Leistung durchnummeriert und bekamen dann noch ihre Taktfrequenz in die Bezeichnung. Jeder wusste, was ein Pentium mit 90 MHz war. Doch mit den Jahren und vielen unterschiedlichen Anbietern wurde das ganze komplizierter. Ist jetzt der AMD FX mit acht Kernen und 3,1 GHz oder der Core i7 mit sechs Kernen und 3,3 GHz schneller? Eine Frage, die man leider nicht eindeutig beantworten kann, denn beide CPUs haben ihre Stärken und Schwächen. Aber auch innerhalb einer Prozessorfamilie kann es so viele unterschiedliche Modelle geben, dass man leicht den Überblick verliert. Um das ganze zu erschweren, haben sich Marketing-Strategen auch noch nette andere Dinge ausgedacht, die ich in den einzelnen Abschnitten zu Intel und AMD erläutern werde.

Eine weitere Veränderung, die seit ezwa 2009 zu beobachten ist, ist die Integration von Grafik-Verarbeitungsfunktionen, die sonst auf einer Grafikkarte zu finden waren, in die CPU. Durch die Fusion mit dem Grafikkartenhersteller ATI hat AMD hier einen leichten Vorteil, Intel holt aber kräftig auf. Durch diese CPU/GPU-Kombinationen (Graphics Processing Unit) werden zumindest für Büro-PCs und einfache Notebooks separate Grafikkarten überflüssig. Für PCs, die auch zum Spielen von grafisch anspruchsvollen Spielen oder zur Bildbearbeitung benutzt werden sollen braucht man aber nach wie vor spezielle Grafikkarten.

Aktuelle Intel-kompatible Mikroprozessoren (Auswahl):

CPU AMD A4/A6/A8 AMD FX Intel Core i5 Intel Core i7
Kerne 4 / 2 8 /4 4 6
Taktfrequenzen 3,2 - 3,8 GHz 2,8 - 3,6 GHz 2,4 - 3,5 GHz 3,6 GHz
Transistoren 1,3 Mrd. 1,2 Mrd. 1,4 Mrd. 1,27 Mrd.
Die-Größe 246 mm2 315 mm2 160 mm2 294 mm²
Strukturbreite 32 nm 32 nm 22 nm 32 nm
Level-3-Cache 4 MB 8 MB 6 MB 10 MB

Intel-Prozessoren - Die aktuelle Marktlage

Grundsätzlich kann ich hier nur einen groben Überblick bieten. Intel scheint Heerscharen von Marketing-Experten zu beschäftigen, deren Auftrag es ist, so gut wie möglich Kundenverwirrung zu stiften, indem es unzählige Prozessoren mit sechsstelligen alphanumerischen Bezeichnungen gibt, die sich jeweils in einzelnen Features unterscheiden.

Core i5 (Sockel 1155, 1150)

Die aktuelle Prozessor-Mittelklasse aus dem Hause Intel bildet die Core i5-Produktfamilie. Die CPUs besitzen jeweils 4 Kerne, die bei erhöhter Last einzeln auf höhere Frequenzen hochgetaktet werden, solange nicht alle Kerne der CPU ausgelastet sind (Turbo Boost, gilt auch für i3 und i7).

Core i3, Celeron (Sockel 1155)

In den Einstiegsbaureihen kommen zwei Kerne auf einem Prozessor unter, die Taktfrequenzen sind ähnlich denen aus der i5-Baureihe, die Größe der Caches ist mit zur Zeit 3 MB geringer.

Core i7 (Sockel 1150, 1155, 2011)

Die High-End-Prozessoren bilden die Core i7-Baureihe. Hier sind vier oder sechs Kerne auf einem Prozessor vereint, zusätzlich gibt es auch noch Hyperthreading, das die Zahl der Kerne virtuell verdoppelt und damit durch eine Bessere Auslastung der "echten" Kerne die maximale Leistung steigert. Die Caches sind mit bis zu 15 MB größer als bei den Core i5-CPUs.

Mobilprozessoren

Von allen Core-Baureiehen gibt es auch Versionen für den mobilen Einsatz. Dazu werden die Taktfrequenzen und die Betriebsspannung gesenkt, um so den Energiebedarf zu verringern und damit die Laufzeit der Geräte zu erhöhen. Die Bezeichnungen der Prozessoren ähneln den Desktop-Modellen, sie sind aber im Schnitt etwas weniger leistungsfähig.

Atom

Der Atom ist Intels Chip für alle mobilen Geräte, bei denen es auf maximale Energieersparnis ankommt, so z.B. Netbooks und Tablet PCs.

AMD-Prozessoren - Die aktuelle Marktlage

AMDs Mehrkernprozessoren sind aus einem oder mehreren Modulen zusammen gesetzt, die jeweils zwei Integer- und eine Gleitkomma-Einhait besitzen. Die Marketing-Strategen machen so aus einem Prozessor, der aus zwei dieser Module besteht einen Vierkernprozessor. Hinzu kommt bei einigen Prozessoren noch eine GPU aus der Radeon-Reihe, so dass man mit einer ordentlichen Grafikleistung rechnen kann.

Die AMD-Oberklasse stellen aktuell die FX-Prozessoren mit Bulldozer/Piledriver-Kern dar. Sie enthalten keine GPU. Als Server-CPU kommen Bulldozer-CPUs unter dem Opteron-Label auf den Markt. Für die Mittelklasse sind die CPUs der A-Serie zuständig. Sie enthalten einen relativ Leistungsfähigen Grafikkern und sind mit zwei oder vier Modulen (s.o.) erhältlich. Für mobile Anwendungen gibt es schließlich noch die E-Serie. Diese CPUs enthalten ebenfalls einen Grafikprozessor, sind aber mit Rücksicht auf Energieersparnis nicht ganz so leistungsfähig wie die Desktop-Prozessoren.