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CPUs Der Hauptprozessor, englisch Central Processing Unit oder kurz CPU, im allgemeinen Sprachgebrauch oft auch nur als Prozessor, ist der Zentrale (haupt) Prozessor eines Computers, der alle anderen Bestandteile steuert.Der Begriff "CPU" wird umgangssprachlich auch in anderem Kontext für Zentraleinheit (ZE) benutzt, hierbei kann dies für einen zentralen Hauptrechner (ein kompletter Computer) stehen, an dem einzelne Terminal-Arbeitstationen angeschlossen sind. Variationen Im Laufe von immer höheren Integrationsdichten der Halbleiterbausteine haben die Entwickler von CPUs weitere Funktionen in der Hardware realisiert. Dadurch wurden die CPUs immer leistungsfähiger, insbesondere bekamen die meisten CPUs weitere Befehle implementiert, um umfangreiche Berechnungen zu vereinfachen. Auf der anderen Seite haben ältere CPUs und Mikrocontroller häufig nur wenige Register und einen eingeschränkten Befehlssatz (die komplexesten Operationen sind zum Teil Addition und Subtraktion). Für einfache Anwendungen (z. B. Steuerung einer einfachen Maschine) reicht diese Komplexität jedoch aus, da sich alle anderen Funktionen allein durch die Addition und Subtraktion implementieren lassen (z. B. Multiplikation durch mehrmaliges Addieren). Design und Fertigung aktueller CPUs Moderne CPUs bestehen üblicherweise aus mehreren, übereinander liegenden Schichten von dotiertem Silizium, welches Millionen von Transistoren bildet, und deren Schaltvorgänge die Rechenleistung bereitstellen. CPUs werden aufgrund ihrer unterschiedlichen Anwendungsbereiche an den jeweiligen Einsatzbereich angepasst. Beispielsweise müssen Spezialversionen für Luft- und Raumfahrt besonders hohen Temperaturen und Strahlungsexposition im laufenden Betrieb fehlerfrei Stand halten, während Mobilprozessoren eine hohe IPC-Rate, geringe Leckströme und einen niedrigen Energieverbrauch aufweisen müssen. Diesen Bedürfnissen wird auf verschiedene Arten und Weisen Rechnung getragen: So wird bereits mit der Auswahl des Befehlssatzes (CISC oder RISC) eine fundamentale Entwurfsentscheidung getroffen, deren Implikationen in den jeweiligen Spezialartikeln näher erläutert werden. Anschließend wird ein möglichst effizienter Mikrocode entwickelt, welcher optimal an Randbedingungen wie Cachegrößen, Speicherbandbreite und -latenzen sowie die internen Funktionseinheiten angepasst werden sollte. Anschließend wird der logische Entwurf des Prozessors (er liegt in einer C-ähnlichen Programmiersprache vor) an einen Hochleistungscomputer übergeben, welcher die Leiterbahnen routet, d. h. eine optimale Anordnung mit möglichst wenig Transistoren sowie minimaler Verlustleistung zu ermitteln sucht (sog. Technology Binding oder Technology Mapping). Da diese Routingprobleme NP-vollständig sind, sind nur Näherungsberechnungen möglich, die sich im Detail noch erheblich verbessern lassen. Aus diesen Bahnberechnungen werden sehr teure Masken erstellt, die unter Anwendung kurzwelligen UV-Lichts (heute 65 nm; bald: 45 nm; Zukunft EUV?) zur Belichtung von Wafern eingesetzt werden, die anschließend geätzt werden. Die Fertigung eines heutigen Mikroprozessors umfasst weit über 100 Einzelschritte, in deren Verlauf bereits ein Fehler den gesamten Prozessor unbrauchbar machen kann. In der Endkontrolle werden die Prozessoren schließlich hinsichtlich ihrer Taktfestigkeit klassifiziert, wobei anhand eines für jeden Prozessortyp individuell entwickelten Testprogramms physikalische Eigenschaften wie Signalpegel bei verschiedenen Takten überprüft werden. Hierbei wird besonders auf laufzeitkritische Signalwege auf dem CPU-Die geachtet. Wenn ein Signal über einen bestimmten Signalweg nicht schnell genug läuft, um die logischen Anforderungen des CPU-Designs zu erfüllen, spricht man von einem Speed Path. Vereinfacht gesagt heißt das, dass das Signal bei weiterer Steigerung der Taktfrequenz nicht mehr rechtzeitig dort ankommen würde, wo es gebraucht wird. Solche Speed Paths begrenzen die Taktfrequenz aller komplexen Logikbausteine, wie auch eine CPU einer ist. Bleibt ein solcher Speed Path unentdeckt, kann das fatale Folgen haben: So zeigten verschiedene Revisionen des K6 aufgrund von Streuungen in der Fertigungsqualität einen durch einen übersehenen Speed Path verursachten Fehler in der MMX-Einheit, was die übertragenen Daten korrumpieren und beispielsweise beim Entpacken von JPEG-Bildern zu Datenmüll führen konnte Details. Auch die Firma Intel hatte schon ähnliche Probleme. So musste im Jahr 2001 der gerade erst vorgestellte Pentium III mit der Taktfrequenz von 1.13 GHz zurückgerufen werden, weil Intel einen Speed Path übersehen hatte. Allgemein lässt sich feststellen, dass der Validierungsaufwand moderner Prozessoren gewaltige Ausmaße angenommen hat, und trotz aller Anstrengungen nicht alle Fehlersituationen vor der Auslieferung überprüft werden können. Der letzte in allen Funktionen (und Fehlern!) vollständig verifizierte x86-Prozessor war der 80286. Daher liefern alle Hersteller so genannte Errata-Listen, in denen Fehler aufgelistet werden. So musste beispielsweise Intel den berühmten FDIV-Bug in frühen Pentium-CPUs eingestehen, welcher auf eine kleine Auslassung beim Füllen einer im Prozessor hartverdrahteten Matrix für die FPU zurückzuführen ist. Im Laufe der Zeit vergrößerte sich auf Grund der immer besser werdenden Technik die Anzahl der vom Prozessor unterstützten Befehle. Heute finden sich überwiegend 32- und 64-Bit-Prozessoren, wobei die gängigsten Betriebssysteme für den Anwender maximal 64, meist aber nur 32 Bit unterstützen. Daran lässt sich schon erkennen, dass die Software im Falle der Prozessoren der Hardware hinterherhinkt. Die 386er, die in den 80er Jahren entwickelt wurden, waren die ersten 32-Bit-Prozessoren der Intel 80x86-Familie. Kühlung Moderne CPUs werden – je nach Auslastung – während des Betriebs sehr heiß. Je nach Modell und Hersteller werden pro cm² – einer Fläche kleiner als ein Fingernagel – Verlustleistungen von rund 100 Watt erreicht (Pentium 4-560). Zum Vergleich: Die 18-cm-Kochplatte eines üblichen Elektroherds erreicht gerade einmal sieben bis zehn W/cm². CPUs dürfen aber, wie alle Halbleiter, bestimmte Betriebstemperaturen nicht überschreiten, da das zunächst zu Fehlfunktionen („Abstürze“), in extremen Fällen zur Zerstörung des Chips führt. Übliche Grenztemperaturen für den Betrieb liegen zwischen 60 °C und 90 °C. Temperaturen über etwa 125 bis 135 °C führen zu irreversiblen Schäden. Prozessoren müssen also zwingend gekühlt werden, wobei ein gewisser Sicherheitsabstand zu den vom Hersteller angegebenen Höchstwerten erstrebenswert ist. Der gängigste Weg, die Kühlung der CPU sicherzustellen, ist die Montage eines Kühlkörpers mit Lüfter. Der verrippte Kühlkörper aus Aluminium oder Kupfer (teilweise kombiniert) vergrößert die Fläche, die zur Wärmeabgabe beiträgt, um ein Vielfaches, der Lüfter soll für einen zügigen Abtransport der Verlustwärme sorgen. Die Bemessung der Kühlung erfolgt häufig nicht nach der theoretisch maximal möglichen Verlustleistung, sondern aus Kostengründen oft nach der Thermal Design Power (TDP), die deutlich niedriger liegt. Zwischen Prozessor und Kühlkörper wird Wärmeleitpaste oder ein Wärmeleitpad eingesetzt. Durch Unebenheiten und Rauheit verbleiben zwischen Chip und Kühlkörper Lufteinschlüsse, die den Wärmetransport extrem behindern, die Pasten oder Pads verdrängen die Luft und verbessern den Wärmeübergang erheblich. Als Lüfter für den CPU-Kühler werden fast ausschließlich Axiallüfter mit Durchmessern zwischen 40 mm und bis zu 120 mm eingesetzt. Insbesondere kleine Exemplare erreichen bis zu 6500 U/min und können dabei eine erhebliche Geräuschkulisse erzeugen. Die Lüfter werden heute an das Mainboard angeschlossen, so dass die Lüfterdrehzahl überwacht und bei vielen modernen Mainboards auch elektronisch geregelt werden kann. Als Alternativen zur Luftkühlung gibt es noch die Wasserkühlung für extrem leistungsstarke oder relativ leise Rechner, bei der Wasser inner- oder außerhalb des Rechners in einem Radiator (teilweise auch ohne Lüfter) gekühlt wird und dann mit Hilfe einer Pumpe durch das Gehäuse und an zu kühlenden Objekte wie CPU, manchmal auch zusätzlichan RAM, Chipsatz, Grafikprozessor etc. geleitet wird. Insgesamt ist eine Wasserkühlung aufwendiger, teurer und zumeist wartungsaufwändiger als eine Luftkühlung. Als erster Computerhersteller verbaute Apple in ihren Power Mac G5 Topmodellen eine standardisierte Wasserkühlung. Zuvor wurden Wasserkühlung meist nur von Bastlern mit übertakteten Prozessoren in Eigeneinbau verwendet. In der Industrie gibt es noch die Flüssigstickstoffkühlung, die allerdings extrem aufwendig ist. Um flüssig zu sein, muss der Stickstoff auf -196 °C gekühlt werden, was riesige Kühlaggregate erfordert. Wegen der sehr niedrigen Temperatur im Rechner müssen Mainboard und andere Objekte wieder von der Rückseite erwärmt werden, damit sie ordnungsgemäß funktionieren. Diese Technik ist nahezu nicht realisierbar, da die Betriebs- und Instandhaltungskosten mehr kosten, als wenn man mehrere einzelne Dualprozessoren nebeneinander betriebe. Allgemein gilt es als nicht sinnvoll, die CPU auf weniger als +10 °C herunterzukühlen, da sonst die Kosten zu hoch werden. Auch haben alle elektronischen Bauteile auch eine Mindestbetriebstemperatur und an zu stark gekühlten Bauteilen könnte sich Kondenswasser niederschlagen, was unbedingt vermieden werden sollte. Doch verwenden einzelne kleine Hersteller auch Kompressorkühlungen. Diese funktionieren ähnlich wie ein Kühlschrank. Ein Kühlmittel wird stark unter Druck gesetzt, und dann beim Ausgleich auf Normaldruck kühlt es stark ab und kühlt so auch seine Umgebung, sprich Prozessor oder andere Geräte. Diese Lösung wird vor allem bei übertakteten Workstations verwendet, hat aber den Nachteil, auch die Geräuschkulisse eines Kühlschranks zu erzeugen. Eine weitere Möglichkeit zur Zwangskühlung der CPU bietet das Peltier-Element. Aber auch hier ist die Gefahr der Bildung von Kondenswasser gegeben und darüber hinaus sollte bzw. muss die "warme" Seite auch noch per Kühlkörper und eventuell zusätzlich per Lüfter gekühlt werden. Auch kann durch den Einsatz von Ölkühlung die Wärme abgeführt werden, im PC-Bereich wird dies allerdings bisher nur im experimentalen Umfeld durchgeführt. Anwendungsbereich Im Bereich der Personalcomputer ist die historisch gewachsene x86-Architektur weit verbreitet, wobei für eine genauere Diskussion dieser Thematik der entsprechende Artikel empfohlen wird. Interessanter und weniger bekannt ist der Einsatz von Embedded-Prozessoren und Microcontrollern beispielsweise in Motorsteuergeräten, Uhren, Druckern sowie einer Vielzahl elektronisch gesteuerter Geräte. |
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