Central Processing Unit. Mit CPU wird der zentrale Rechenprozessor eines Computers bezeichnet. Damit dieser sich auf seine Hauptaufgaben konzentrieren kann, wird er in modernen Computer-Architekturen zunehmend von  Ko-Prozessoren (z.B. FPU) entlastet.  Die Zusammenarbeit mit dem Chipsatz des Mainboards ist ein weiterer Faktor bei modernen Rechnern und ist hauptverantwortlich für die gesamte Rechenleistung des Computers.

Die wichtigsten Teile einer CPU sind:  Rechenwerk (Arithmetic Logic Unit, ALU), First-Level-Cache (L1-Cache) und Steuerwerk.

CPU/GPU Integration, FPU 
Das Zusammenwachsen der CPU mit der GPU auf einem Die ist ein weiterer Trend, der eine Performancesteigerung des Gesamtsystems zum Ziel hat, wie z.B. bei der AMD-APU.  Die FPU (Floating Point Unit) wird oft als Ko-Prozessor realisiert und unterstützt die CPU in Gleitkommaberechnungen. FPUs (oder NPU (Numeric Processing Unit)) sind Gleitkommaeinheiten mit mathematischen Funktionen  wie exakte Grundrechenarten sowie algebraische Rechenarten (Wurzel, Logarithmus, Potenz, Trigonometrie) und Matrizen-Rechnen.  FPUs können auch auf einem eigenen Chip auf dem Motherboard untergebracht sein und sind oft bei CISC-CPUs als Ko-Prozessoren im Einsatz.                                           

Hertz ist die Einheit für die Frequenz eines Signals. 1 Hz ist eine Schwingung pro Sekunde (1 Hz= 1 s hoch minus 1 = 1/s). Ein Megahertz sind 1 Million Schwingungen oder Vorgänge pro Sekunde. Mit Hertz kann man auch beliebige sich  wiederholende Vorgänge wie die Taktung eines Prozessors messen. Ein Gigahertz sind eine Milliarde Schwingungen/Vorgänge pro Sekunde. Die Bezeichnung Hertz stammt von dem deutschen Physiker Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894).                                                       

Integrated Electronics: Intel ist einer der grössten und profitabelsten Hersteller von Microelektronik, speziell von Prozessoren.  Gegründet wurde das Unternehmen 1968 von Andrew Grove, Robert Noyce und Gordon Moore (Mooresches Gesetz). Intel war stets  ein grosser Innovator im Bereich der Mikroelektronik und in letzter Zeit vor allem bei seinen Prozessoren, von den x86ern über die Pentium Familie, den Core 2 Duo bis zu Core-i5 oder Core-i7 Prozessoren. Konkurrenten sind AMD, IBM, VIA, ARM oder SUN. 

Kurzer geschichtlicher Abriss der Intel Prozessor Architekturen:
1971 Intel 4004 mit 4-Bit-breitem externen Datenbus, 640 Byte, 60000 Befehlen/sec., Core Takt 108 KHz 

1972 Intel 8008 mit 8-Bit-breitem externen Datenbus, 1 KByte Speicher, 100000 Befehlen/sec., Core Takt 200 KHz

1974 Intel 8080 mit 8-Bit-breitem externen Datenbus, 64 KByte Speicher, 290000 Befehlen/sec 

1976 AMD und Intel unterzeichnen ein Lizenzabkommen, das AMD erlaubte bestimmte Patente von Intel für die eigene Produktion zu verwenden. Damit war es AMD schliesslich möglich, mit dem 8080A in die Prozessorproduktion einzusteigen. 

1978 Intel 8086 mit 16-Bit-breitem externen Datenbus, 1 MByte Speicher, 800000 Befehlen/sec., Core-Takt 4.77 - 10 MHz

1979 Intel 8088 mit 8-Bit-breitem externen Datenbus, 16-Bit-breitem internen Datenbus, Core-Takt 4.77 - 10 MHz 

1985 Intel 80286 mit 16-Bit-breitem externen Datenbus, 16 MByte Speicher, 1.6 Mio. Befehlen/s., Core-Takt 6 - 12 MHz 

1988 Intel 80386SX mit 16-Bit-breitem externen Datenbus, 32-Bit-breitem internen Datenbus, 4 Gigabyte Speicher, 4 Mio. Befehlen/s., Core-Takt 16 - 33 MHz

1989 Intel 80486DX mit 32-Bit-breitem externen Datenbus, Core-Takt 25 - 50 MHz 

1991 Intel 80486SX mit 32-Bit-breitem externen Datenbus Core Takt 16 - 33 MHz

1992 Intel entwickelte "Peripheral Component Interconnect" (PCI), ein Standard für Hochgeschwindigkeits -Bussysteme in Personal Computern 

1992 Intel 80486DX2 mit 32-Bit-breitem externen Datenbus Core Takt 33 - 80 MHz

1994 Intel 80486DX4 mit 32-Bit-breitem externen Datenbus, Core-Takt 75 - 100 MHz 

1995 Pentium Pro (P6) mit 64-Bit-breitem externen Datenbus, Core-Takt 150/166/180/20

1997 Pentium II (Klamath) mit 64-Bit-breitem externen Datenbus, Core-Takt 200/233/266/300/333/400/450 

2000 Der Pentium 4 Prozessor (Codename: Willamette) wird von Intel eingeführt. Er verfügt über die NetBurst Architektur und 42 Millionen Transistoren

2005 Intel bringt Desktop-CPUs mit Vanderpooltechnologie auf den Markt.  Die ersten Dual Core Prozessoren (Pentium D (Smithfield, 2006: Presler) und XEON (Dempsey, Woodcrest) kommen auf den Markt

2006 Intel stellt den Prozessor Core 2 Duo (Conroe/Desktop, Merom/Mobil) vor. 

2008

45 Nanometer Technologie: Penryn und Nehalem
Der Penryn, der auf 45 Nanometer-Technologie gefertigt wird, erscheint: um Leckströme zu verhindern wird als High-k-Dielektrikum  erstmals das Element Hafnium eingesetzt. Das Gate wird nicht mehr aus Polysilicium sein, sondern aus einem noch nicht bekanntgegebenen Metall (High-K-Material). Beim Penryn wird SSE 4.1 mit der 'Super Shuffle Engine' eingeführt. Die Super Shuffle Engine  unterstützt den Verarbeitungsprozess beim Formatieren von Daten bei SSE-Befehlen (z.B. Packing/Unpacking, Shifts). Da Super Shuffle mit 128-Bit Operationen in einem Taktzyklus arbeitet, können die SSE-Schiebebefehle doppelt so schnell ausgeführt werden.  Der Penryn ist auch stromsparender und leistungsfähiger als der Conroe. Der L2-Cache wurde vergrössert und verfügt über 4 bzw. 6 MB.  Der Nachfolger des Penryn, der Nehalem, hat bis zu 8 Kerne und die erste dynamisch skalierbare Mikroarchitektur: er ist so konzipiert, dass man spezialisierte Chips, z. B. für Notebooks oder  Server-Varianten ohne grossen Aufwand nach Bedarf kombinieren kann. Die Kerne haben direkte Verbindungen untereinander, so dass sie nicht umständlich über ein Bussystem Daten  austauschen.

Kein FSB, QuickPath Interconnect
Es gibt keinen Front Side Bus mehr. Um den Prozessorkern mit dem Chipsatz zu verbinden wird eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung (QuickPath Interconnect) eingesetzt.  Der Nehalem ist mit einem seriellen Protokoll CSI (Common System Interface) ausgestattet. Der Arbeitsspeicher wird über einen integrierten Speichercontroller angebunden. Dadurch verringern sich die Latenzzeiten. Der  Datendurchsatz wird durch das neue Punkt-zu-Punkt-Konzept verbessert, da es keinen FSB als Engpass mehr gibt. Es werden jedoch neue Sockel erforderlich.


Der Pentium 4 und die Folgen
Der Intel Pentium 4 mit der NetBurst Architektur stellte  im Jahr 2000 einen neuen Standard dar. Doch Intel hatte den Stromverbrauch unterschätzt. Die Entwicklung des Pentium 4 mit 4 GHz wurde 2005 abgesagt.

XEON, VLIW
Intel fertigt auch Server- und Workstation CPUs: den XEON und den 64-Bit VLIW Itanium. 

Dual Core mit Pentium D und Core 2 Duo Konzept
Der Nachfolger des Pentium 4, der Pentium D, hatte erstmals 2 Kerne. Seit Juli 2006 ist der Core 2 Duo auf  dem Markt. Dieser schlägt den AMD 64 X2. Der Core 2 Duo wurde aus den Mobilprozessoren entwickelt; er verbraucht weniger Strom bei mehr Leistung. Er ist ein "Spaghetti-Code-Optimierer": die Assembler Befehle werden nicht linear abgearbeitet, sondern  die Befehle ("Macro-Ops") werden in kleinere Einheiten ("Micro-Ops") übersetzt, welche in einer anderen Reihenfolge abgearbeitet werden. Diese Reihenfolge wird optimiert nach spekulativen Kriterien. Stellt sich die Vorausberechnung als falsch  heraus, wird neu gerechnet. Der Core 2 Duo kann 4 dieser Assembler Befehle gleichzeitig verarbeiten: vierfach Skalar, im Gegensatz zum Pentium 4 der dreifach Skalar ausgelegt ist. Die Pipeline wurde von 31 auf 14 Stufen verkürzt.  Die lange Pipeline war beim Pentium 4 dafür verantwortlich, dass die erhöhte Taktzahl kaum Leistungsgewinn erbrachte. Weitere Neuerungen sind Micro-Ops-Fusion, Macro-Ops-Fusion,  Busbreite des Rechenwerkes: 128 Bit. In Zukunft werden die Prozessoren 8-40 Kerne oder mehr haben.

2008-2011

Es erscheinen die Core-i-Prozessoren, die Plattformen Pine Trail und Cedar Trail (Atom Prozessoren) und die Sandy Bridge Plattform.

Register sind spezielle Speicherzellen innerhalb eines Prozessors. Dort werden Speicheradressen, Befehle und Rechenoperanden gepuffert. Daten, die in den CPU-Registern stehen, können am schnellsten bearbeitet werden.  Der Zugriff auf diese Daten ist unabhängig vom Daten- und Adressbus. Register sind meist durch FlipFlops oder DRAM-Zellen realisiert. Man unterscheidet Adressregister, Stackregister, Datenregister oder Akkumulator,  frei verwendbare Register und Spezialregister. 

Zu den Spezialregistern gehören:
1. Das Befehlszählregister (Befehlzähler, Programmzähler): 16 Bit (Instruction Pointer) oder 32 Bit (Extended Instruction Pointer (EIP) oder Programcounter). Es enthält die Speicheradresse des aktuell  abzuarbeitenden Befehls und des darauf folgenden Befehls. Es kann durch einen Sprungbefehl direkt gesetzt werden. 
2. Das Befehlsregister (Instruction Register): das Befehlsregister speichert den aktuellen Befehl.
3. Das Statusregister (Condition Code Register (CCR) oder Processor Status Word (PSW)):  das Statusregister speichert bestimmte Zustände nach Ausführung eines Befehls (z. B. Vorzeichen-Flag, Zero-Flag). Es können auch bestimmte Flags vor Arithmetischen Operationen gesetzt werden. 
4. Das Interrupt-Steuerregister (Interrupt Control Register (ICR)): hier kann Interrupt-Steuerung betrieben werden: wie soll auf Interrupts reagiert werden und mit welcher Priorität.  Auslesen des Interrupt Steuerregisters: Welcher Interrupt liegt vor?  Sperrungen von Interrupts sind möglich.
5. Das Basisregister: kann z. B. eine Basisvektortabelle enthalten. Das Basisregister kann von einer Anwendung gesetzt werden.                                       

IC = Integrated Circuit, integrierter Schaltkreis. Es handelt sich um elektronische Halbleiterbausteine. Auf diesen sind sehr viele Bauelemente zu einer funktionalen Einheit integriert. ICs bestehen aus einem Halbleitermaterial  (Silicium, Gallium-Arsenid und andere), in dem durch eine Kombination von vielen Einzelschritten die Bauelemente des IC erzeugt werden. Mit dieser Methode lassen sich Transistoren, resistive  (ohmsche Widerstände) und kapazitive (Kondensatoren) Elemente herstellen. Heutige Herstellungsmethoden und Miniaturisierungsverfahren stossen an ihre physikalischen Grenzen.  Doch das Mooresche Gesetz hat noch Bestand. Um weiterhin Fortschritte zu erzielen wird EUV-Lithographie (Extrem Ultraviolette Strahlung: Fotolithographie-Verfahren, das Licht mit Wellenlängen im Bereich von 13,5 Nanometer nutzt),  High-k-Materialien (High-k-Dielektrikum erhöht die Isolatorschicht der Transistoren um Leckströme einzudämmen) und gestrecktes Silicium eingesetzt. Durch gestrecktes Silicium kann die Elektronenbeweglichkeit etwa bis zum Doppelten verbessert werden.  Um weitere Verbesserungen zu erzielen, kann Silicium mit besseren Halbleiterelementen ergänzt werden: Gallium bzw. Gallium-Arsenid hat sich als teuer erwiesen, Indium bzw. Indiumantimonid gilt als neuer Hoffnungsträger.  Jedoch lassen sich daraus keine Wafer formen. Deshalb müssen die neuen Elemente auf ein Siliciumsubstrat aufgebracht werden.