Verstehen Sie die Rolle der CPU für die Computerleistung

Die Zentraleinheit (CPU) ist ein wesentlicher Bestandteil jedes Computers und spielt eine zentrale Rolle bei der Verarbeitung von Daten und der Ausführung von Befehlen. Dieses Gerät führt verschiedene Aufgaben aus, von der Ausführung von Anwendungen bis hin zur Verarbeitung schwerer Spiele. Aber wie funktioniert die CPU und wie wirkt sie sich auf die Gesamtleistung des Geräts aus? In diesem Artikel gehen wir auf die Funktion der Zentraleinheit ein, wie Sie die für Ihre Anforderungen am besten geeignete Einheit auswählen und welche Bedeutung diese Einheit für die Erzielung einer optimalen Geräteleistung hat.

Die wichtigsten gelernten Punkte

• Die Zentraleinheit ist das Gehirn des Computers, sie verarbeitet Anweisungen von Programmen und Komponenten.
• Moderne CPUs nutzen Milliarden mikroskopisch kleiner Transistoren zur Interpretation binärer Signale und ermöglichen so die Ausführung komplexer Aufgaben mit hoher Geschwindigkeit.
• Die CPU ist über Sockets und Busse mit anderen Computerkomponenten verbunden.

Der wichtigste Teil eines Computers, wenn Sie sich nur für einen entscheiden müssten, ist die CPU. Es ist der Hauptknotenpunkt (oder „Gehirn“) und verarbeitet Anweisungen, die von der Software, dem Betriebssystem oder anderen Komponenten im Computer stammen.

1 und 0: Was die CPU macht

Dank leistungsstärkerer CPUs sind wir von der einfachen Möglichkeit, ein Bild auf einem Computerbildschirm anzuzeigen, zu Netflix, Video-Chats, Live-Streaming und immer realistischeren Videospielen übergegangen.

Die CPU ist ein Wunderwerk der Technik, aber im Kern basiert sie immer noch auf dem Grundkonzept der Interpretation binärer Signale (1 und 0). Der Unterschied besteht nun darin, dass moderne CPUs winzige Transistoren verwenden, um TikTok-Videos zu erstellen oder Zahlen in eine Tabellenkalkulation einzutragen, anstatt Lochkarten zu lesen oder Anweisungen mit Vakuumröhren zu verarbeiten.

CPU-Grundlagen

Die Herstellung einer CPU ist komplex. Der wichtige Punkt hierbei ist, dass jede CPU Silizium (entweder ein einzelnes Stück oder mehrere Stücke) enthält, das aus Milliarden mikroskopisch kleiner Transistoren besteht.

Wie bereits erwähnt, verwenden diese Transistoren eine Reihe elektrischer Signale (Strom „ein“ und Strom „aus“), um den Binärcode der Maschine darzustellen, der aus Einsen und Nullen besteht. Da es so viel mehr dieser Transistoren gibt, sind CPUs in der Lage, immer komplexere Aufgaben schneller als zuvor zu erledigen.

Die Anzahl der Transistoren bedeutet nicht unbedingt, dass die CPU schneller ist. Dennoch ist es immer noch ein wesentlicher Grund, warum das Telefon, das Sie in Ihrer Tasche tragen, so viel mehr Rechenleistung hat als der gesamte Planet, als wir zum ersten Mal zum Mond flogen.

Bevor wir die konzeptionelle Leiter der CPUs erklimmen, wollen wir darüber sprechen, wie die CPU Anweisungen basierend auf Maschinencode ausführt, der als „Befehlssatz“ bezeichnet wird. CPUs verschiedener Hersteller können unterschiedliche Befehlssätze haben, aber nicht immer.

Beispielsweise verwenden die meisten Windows-Computer den x86-64-Befehlssatz, unabhängig davon, ob es sich um eine Intel- oder AMD-CPU handelt. Allerdings verfügen Macs ab 2020 über ARM-basierte CPUs namens Apple Silicon, die einen anderen Befehlssatz verwenden. Es gibt auch eine kleine, aber wachsende Zahl von Windows-PCs mit ARM-Prozessoren, wie zum Beispiel das Lenovo Yoga Slim 7x.

Ein Einblick: Kerne, Cache und Grafiken

Werfen wir nun einen Blick auf das Silikon selbst. Die obige Grafik stammt aus einem 2014 veröffentlichten Intel-Whitepaper über die CPU-Architektur des Unternehmens für den Core i7-4770S. Dies ist nur ein Beispiel dafür, wie ein Prozessor aussieht – andere Prozessoren haben andere Layouts.

Wir können sehen, dass es sich um einen Quad-Core-Prozessor handelt. Es gab eine Zeit, in der eine CPU nur einen Kern hatte. Da wir jetzt mehrere Kerne haben, verarbeiten sie Anweisungen viel schneller. Kerne können auch über sogenanntes Multi-Threading oder Simultaneous Threading (SMT) verfügen, wodurch ein Kern für den PC wie zwei aussieht. Wie Sie sich vorstellen können, trägt dies dazu bei, die Bearbeitungszeiten noch weiter zu verkürzen.

Die Kerne in diesem Diagramm teilen sich einen sogenannten L3-Cache. Dies ist eine Form von Speicher, der in die CPU integriert ist. CPUs verfügen außerdem über L1- und L2-Caches in jedem Kern sowie über Register, die eine Form von Low-Level-Speicher darstellen. Wenn Sie die Unterschiede zwischen Registern, Caches und System-RAM verstehen möchten, lesen Sie diese Antwort auf StackExchange.

Der oben gezeigte Prozessor enthält auch den Systemagenten, den Speichercontroller und andere Teile des Siliziums, die ein- und ausgehende Informationen von der CPU verwalten.

Schließlich gibt es noch die integrierte Grafik des Prozessors, die all die coolen Bilder erzeugt, die Sie auf Ihrem Bildschirm sehen. Nicht alle CPUs verfügen über eigene Grafikfunktionen. Beispielsweise erfordern AMD Zen-Desktop-CPUs eine separate Grafikkarte, um etwas auf dem Bildschirm anzuzeigen. Einige Intel Core Desktop-CPUs verfügen außerdem nicht über eine integrierte Grafik.

CPU auf dem Motherboard

Nachdem wir uns nun angeschaut haben, was unter der Haube der CPU vor sich geht, werfen wir einen Blick darauf, wie sie sich in den Rest Ihres Computers integriert. Die CPU befindet sich in einem sogenannten Sockel auf der Hauptplatine Ihres Computers.

Sobald sie im Sockel platziert sind, können andere Teile des Computers über sogenannte „Busse“ mit der CPU kommunizieren. RAM ist beispielsweise über einen eigenen Bus mit der CPU verbunden, während viele Computerkomponenten einen bestimmten Bustyp namens „PCIe“ verwenden.

Jede CPU verfügt über eine Reihe von „PCIe-Lanes“, die sie nutzen kann. Beispielsweise verfügen die Zen 5-CPUs von AMD über 28 Threads, die direkt mit der CPU verbunden sind. Diese Pfade werden dann von den Motherboard-Herstellern unter Anleitung von AMD aufgeteilt.

Beispielsweise werden für einen x16-Grafikkartensteckplatz typischerweise 16 Lanes verwendet. Dann gibt es acht Speicherspuren, beispielsweise ein schnelles Speichergerät, beispielsweise eine M.2-SSD. Alternativ können diese acht Pfade auch geteilt werden. Zwei Lanes können für eine M.2-SSD verwendet werden, zwei Lanes für ein langsameres SATA-Laufwerk, beispielsweise eine Festplatte oder eine 2.5-Zoll-SSD usw.

Das bedeutet 24 Lanes, wobei die anderen vier dem Chipsatz zugeordnet sind, der als Kommunikationszentrale und Verkehrssteuerung für das Motherboard fungiert. Der Chipsatz verfügt dann über einen eigenen Satz an Busverbindungen, sodass weitere Komponenten zum Computer hinzugefügt werden können. Wie zu erwarten ist, haben leistungsstärkere Komponenten eine direktere Verbindung zur CPU.

Sie sehen, die CPU übernimmt den Großteil der Befehlsverarbeitung und manchmal sogar die Grafik (sofern sie dafür ausgelegt ist). Allerdings ist die CPU nicht die einzige Möglichkeit, Anweisungen zu verarbeiten. Andere Komponenten, wie zum Beispiel die Grafikkarte, haben eigene Rechenkapazitäten an Bord. Die GPU nutzt ihre Verarbeitungskapazitäten auch, um mit der CPU zusammenzuarbeiten, Spiele auszuführen oder andere grafikintensive Aufgaben auszuführen.

Der große Unterschied besteht darin, dass Komponentenprozessoren speziell für bestimmte Aufgaben entwickelt werden. Eine CPU ist jedoch ein Allzweckgerät, das jede Rechenaufgabe ausführen kann, die von ihr verlangt wird. Aus diesem Grund nimmt die CPU einen herausragenden Platz in Ihrem Computer ein und der Rest des Systems ist für ihre Funktion auf sie angewiesen.

Wählen Sie die richtige CPU für Sie

Wenn Sie einen Computer bauen, insbesondere einen Gaming-Computer, möchten Sie sicherstellen, dass Sie einen schnellen, zukunftssicheren Prozessor wählen. Schauen Sie sich zum Einstieg unseren Leitfaden zu den besten CPUs auf dem Markt an. Überprüfen Sie unbedingt Ihre Maße, bevor Sie andere Teile bestellen.

Wenn Sie verstehen, wie eine CPU funktioniert und welche Bedeutung sie für die Computerleistung hat, können Sie beim Kauf oder der Aufrüstung Ihres Computers fundierte Entscheidungen treffen. Bei der Auswahl der richtigen CPU sollten Ihre persönlichen Bedürfnisse berücksichtigt werden, da diese die Effizienz und Geschwindigkeit des Geräts stark beeinflussen können. Wenn Sie Zeit investieren, um sich mit dieser Einheit vertraut zu machen, kann dies für Ihre tägliche Erfahrung von großem Nutzen sein.