Mikroprozessor

8-Bit-Prozessoren

Der 4004 wurde im Jahr 1972 durch den 8008 abgelöst, den ersten 8-Bit-Mikroprozessor der Welt. Dieser Prozessor war der Vorläufer des äußerst erfolgreichen Intel 8080 (1974) und weiterer 8-Bit-Prozessoren von Intel. Der konkurrierende Motorola 6800 war ab August 1974 erhältlich, im selben Jahr wie der 8080. Die Architektur des 6800 wurde 1975 für den MOS Technology 6502 kopiert und verbessert, der in den 1980er Jahren in der Popularität mit dem Z80 wetteiferte.

Das Entwicklerteam des 8080 gründete das Unternehmen Zilog und brachte im Jahr 1976 den Z80 heraus, eine stark verbesserte und Code-kompatible Weiterentwicklung. Dieser erlangte die größte Popularität aller 8-Bit-Prozessoren. Sowohl der Z80 als auch der 6502 wurden im Hinblick auf niedrige Gesamtkosten entwickelt. Das Gehäuse war deutlich kleiner als bei vergleichbaren Mikroprozessoren, die Ansprüche an den Bus gering und es wurden Schaltungen eingebunden, die bisher in einem separaten Chip zur Verfügung gestellt werden mussten (der Z80 verfügte z. B. über einen eigenen Refresh-Generator für dynamische RAM-Speicher DRAM). Diese Eigenschaften waren es, die dem Heimcomputermarkt zu Beginn der 1980er Jahre zum Durchbruch verhalfen und in Maschinen resultierten, die für 99 US-Dollar erhältlich waren.

Der SC/MP wurde von der National Semiconductor Corporation aus Santa Clara Mitte der 1970er Jahre vertrieben. Verschiedene Einplatinencomputer wurden als Selbstbau- und Lehrcomputer auf Basis des SC/MP bis etwa 1980 realisiert.

Western Design Center (WDC) stellte im Jahr 1982 den CMOS 65C02 vor und lizenzierte das Design an verschiedene Unternehmen. Dieser Prozessor wurde das Herz des Apple IIc und IIe und wurde in Herzschrittmachern und Defibrillatoren, Autos sowie in industriellen Geräten und auf dem Verbrauchermarkt eingesetzt. WDC bereitete so den Weg vor für das Lizenzieren von Mikroprozessor-Technologie; dieses Geschäftsmodell wurde später von ARM und anderen Herstellern in den 1990er Jahren übernommen.

Motorola übertrumpfte 1978 die gesamte 8-Bit-Welt mit der Vorstellung des Motorola 6809, eine der leistungsstärksten und saubersten 8-Bit-Architekturen und auch eine der komplexesten Mikroprozessor-Logiken, die je produziert wurden. Mikroprogrammierung ersetzte zu dieser Zeit die bisher festverdrahteten Logiken – gerade weil die Anforderungen der Designs für eine feste Verdrahtung zu komplex wurden.

Ein weiterer 8-Bit-Mikroprozessor war der Signetics 2650, der aufgrund seiner innovativen und leistungsfähigen Befehlssatz-Architektur kurzzeitig im Zentrum des allgemeinen Interesses stand.

Ein für die Raumfahrt wegweisender Mikroprozessor war der RCA1802 (alias CDP1802, RCA COSMAC; vorgestellt 1976), der in den Voyager-, Viking- und Galileo-Raumsonden eingesetzt wurde. Der CDP1802 wurde verwendet, weil er mit sehr wenig Energie betrieben werden konnte und seine Bauart (Silicon-on-Sapphire) einen wesentlich höheren Schutz gegenüber kosmischer Strahlung und elektrostatischen Entladungen bot als jeder andere Prozessor zu dieser Zeit. Der CP1802 wurde als erster strahlungsgehärteter (radiation-hardened) Prozessor bezeichnet.

16-Bit-Prozessoren

Der erste Mehrfach-Chip-16-Bit-Mikroprozessor war der IMP-16 von National Semiconductor, vorgestellt 1973. Eine 8-Bit-Version folgte ein Jahr später als IMP-8. 1975 stellte National Semiconductor den ersten Ein-Chip-16-Bit-Mikroprozessor PACE vor, dem später eine NMOS-Version folgte (INS8900).

Andere Mehrfach-Chip-16-Bit-Mikroprozessoren waren der TMS 9900 von TI, der auch mit der hauseigenen TI-990-Minicomputermodellreihe kompatibel war. Der Chip besaß ein großes 64-Pin-DIP-Gehäuse, während die meisten 8-Bit-Prozessoren in das weiter verbreitete, kleinere und billigere 40-Pin-DIP-Gehäuse aus Kunststoff eingesetzt wurden. Ein Nachfolger wurde aus dem 9900 entwickelt, der TMS 9980, der ebenfalls ein billigeres Gehäuse besaß. Er sollte ein Konkurrent zum Intel 8080 werden. Der TMS 9980 konnte 8 Datenbits zur gleichen Zeit kopieren, aber nur 16 KiB adressieren. Ein dritter Chip, der TMS 9995, wurde neu entwickelt. Diese Prozessorfamilie wurde später mit dem 99105 und 99110 erweitert.

WDC machte seinen 65C02 16-Bit-tauglich und stellte diesen Prozessor 1984 als CMOS 65816 vor. Der 65816 stellte den Kern des Apple IIgs und später des Super Nintendo dar, was ihn zu einem der beliebtesten 16-Bit-Designs machte.

Intel verfolgte die Strategie, keine Minicomputer zu emulieren, und „vergrößerte“ stattdessen sein 8080-Design auf 16 Bit. Daraus entstand der Intel 8086, das erste Mitglied der x86-Familie, die heute in den meisten PCs zu finden ist. Der 8086 und sein „kleiner Bruder“, der 8088 boten die Möglichkeit, Software von der 8080-Linie zu portieren, womit Intel gute Geschäfte machte. Nachfolger des 8086 wurde der 80186, der 80286 und 1985 der 32-Bit-Prozessor 80386, die alle rückwärtskompatibel waren und so die Marktvorherrschaft von Intel entscheidend stärkten.

32-Bit-Prozessoren

Der erste 32-Bit-Mikroprozessor in einem eigenen Gehäuse war der BELLMAC-32A von AT&T Bell Labs, von dem erste Stücke 1980 erhältlich waren, und der 1982 in Masse produziert wurde. Nach der Zerschlagung von AT&T 1984 wurde er in WE 32000 umbenannt (WE für Western Electric) und hatte zwei Nachfolger: Den WE 32100 und WE 32200. Diese Mikroprozessoren wurden in den folgenden Minicomputern von AT&T eingesetzt: 3B2, 3B5, 3B15, „Companion“ und „Alexander“.

Einer der bemerkenswertesten 32-Bit-Mikroprozessoren ist der MC68000 von Motorola, der 1979 vorgestellt wurde. Er wurde häufig auch als 68K bezeichnet und verfügte über 32-Bit-Register, verwendete aber 16 Bit breite interne Busleitungen und einen ebenso breiten externen Datenbus, um die Anzahl benötigter Pins zu verringern. Motorola bezeichnete diesen Prozessor im Allgemeinen als 16-Bit-Prozessor, obwohl er intern über eine 32-Bit-Architektur verfügte. Die Kombination aus einem schnellen und großen Speicheradressraum (16 Megabyte) und geringen Kosten machten ihn zum beliebtesten Prozessor seiner Klasse. Der Apple Lisa und die Macintosh-Reihe verwendeten den 68K; Mitte der 1980er Jahre wurde dieser Prozessor auch im Atari ST und Commodore Amiga eingesetzt.

Intels erster 32-Bit-Mikroprozessor war der 1981 vorgestellte iAPX 432. Obwohl er über eine fortgeschrittene, objektorientierte Architektur verfügte, war ihm kein kommerzieller Erfolg beschieden – nicht zuletzt weil er in der Leistung gegenüber konkurrierenden Architekturen schlechter abschnitt.

Motorolas Erfolg mit dem 68K führte zur Vorstellung des MC68010, der die Technik der virtuellen Speicheradressierung unterstützte. Der MC68020 schließlich verfügte über 32 Bit breite interne und externe Busse. Dieser Prozessor wurde im Unix-Supermicrocomputer äußerst beliebt, und viele kleinere Unternehmen stellten Desktop-Systeme mit diesem Prozessor her. Der MC68030 integrierte die MMU in den Chip. Die meisten Computer, die nicht auf DOS liefen, setzten nun einen Chip der 68K-Familie ein. Dieser anhaltende Erfolg führte zum MC68040, der auch die FPU in den Chip integrierte und so die Geschwindigkeit arithmetischer Operationen erhöhte. Ein geplanter MC68050 erreichte nicht die erwünschten Verbesserungen und wurde nicht produziert, der MC68060 wurde auf ein Marktsegment geworfen, das bereits mit viel schnelleren RISC-Designs gesättigt war.

Der 68020 und seine Nachfolger wurden häufig in eingebetteten Systemen eingesetzt.

Während dieser Zeit (Anfang bis Mitte 1980) stellte National Semiconductor ähnlich wie Motorola einen 32-Bit-Prozessor mit einem 16-Bit-Pinout her, den NS 16032 (später umbenannt zu NS 32016). Die Version mit einem ebenfalls 32 Bit breiten Bus war der NS 32032. Sequent stellte basierend auf diesem Mikroprozessor Mitte der 1980er Jahre das erste Symmetrische Multiprozessorsystem (SMP) vor.

Andere Systeme setzten den Zilog Z80000 ein, der aber zu spät im Markt ankam und bald wieder verschwand.

64-Bit-Prozessoren

Während 64-Bit-Prozessoren in verschiedenen Märkten schon seit den frühen 1990er Jahren im Einsatz waren, wurden sie erst nach 2000 auch auf dem PC-Markt eingesetzt. Im Juli 2003 stellte Apple auf der Entwicklerkonferenz (WWDC) den Power Mac G5 vor, Apples ersten 64-Bit-Desktop-Computer. Vorher hatte es bereits von Sun Microsystems und anderen Herstellern 64-Bit-Rechner gegeben, die allerdings üblicherweise als Workstations und nicht als Desktop-Rechner bezeichnet werden, auch wenn kein technisches Merkmal diese Unterscheidung rechtfertigt.

Etwa gleichzeitig mit AMDs Einführung der ersten 64-Bit-Architektur x64 (bzw. „AMD64“ oder auch x86-64, zu IA-32 rückwärtskompatibel) im September 2000 begann die Ära der 64-Bit-Architekturen auch bei x86-Rechnern. AMD wurde bald gefolgt von Intel, die schon zuvor IA-64-CPUs herstellten (Itanium und Itanium 2), die aufgrund der fehlenden Abwärtskompatibilität am Consumer-Markt aber scheiterten. Nun wendete sich Intel der AMD64-Architektur zu und produziert seit dem Pentium-4-Kern Prescott 2M (Release: Februar 2005) eigene zu AMD64 kompatible Intel-64-Prozessoren. Beide x86-Prozessoren können die bisherige 32-Bit-Software wie auch die neue 64-Bit-Software ausführen. Mit 64-Bit-Windows-XP und -Linux bewegte sich die Software nun auf die neue Architektur hin und nutzte das volle Potenzial dieser Prozessoren. Wurden mit Windows Vista noch viele 32-Bit-Betriebssystem-Versionen vorinstalliert ausgeliefert, so gingen die meisten OEM-Hersteller mit der Veröffentlichung von Windows 7 zur 64-Bit-Version über, gerade auch da um 2010 die magische 4-GB-RAM-Grenze der 32-Bit-Systeme bei handelsüblichen Computern erreicht war.

Bei den PowerPC (PPC)-Architekturen wurde der Wechsel auf 64-Bit schon in den frühen 1990er Jahren vorgenommen (tatsächlich ist die PowerPC-Architektur von vornherein als 64-Bit-Architektur konzipiert, mit einer 32-Bit-Teilmenge für 32-Bit-Prozessoren^[18]). So wurden zwar die Registergrößen und internen Busse beim Wechsel auf 64-Bit vergrößert, aber die arithmetischen und vektoriellen Recheneinheiten arbeiteten bereits vor dem Wechsel seit mehreren Jahren mit 64 oder mehr Bits (das ist auch bei IA-32 der Fall). Bei IA-32 (32-Bit-x86, i386 bzw. x86-32) ist der Wechsel zu 64-Bit (x64 bzw. x86-64: AMD64 oder Intel 64) mehr als nur die Erhöhung der Registerbreite, da auch die Anzahl der Register erhöht wurde, was die x86-Architektur insgesamt modernisierte. Als messbares Ergebnis zeigt sich dieser Umstand beispielsweise daran, dass Programme bei der Nutzung von nur 32 Bit breiten Adressen unter 64-Bit-x86 (x64 – z. B. unter Linux zur Unterscheidung mit „x32“ bezeichnet) fast immer schneller ablaufen als noch im nativen Betriebsmodus der 32-Bit-x86-Architektur (IA-32, i386, x86-32) mit nur halb so vielen Registern, oder umgekehrt, dass 32-Bit-Programme auf Architekturen wie beispielsweise PowerPC oder MIPS, die nicht von einer erhöhten Registerzahl im 64-Bit- gegenüber dem 32-Bit-Betrieb profitieren, oft zumindest gleichauf und manchmal sogar schneller sind als dieselben Programme als 64-Bit-Version.^[19][20]

RISC-Prozessoren

Mitte der 1980er bis in die frühen 1990er Jahre erschienen neue RISC-Mikroarchitekturen, die anfänglich in spezialisierten Computern und UNIX-Workstations eingesetzt wurden. Seither ist RISC in einer große Anzahl von Geräte zu finden, für verschiedene Anwendungen; auch eine Mischarchitektur RISC-CISC (oder umgekehrt) ist möglich. Mischarchitekturen, wie sie beispielsweise bei SoCs auftreten, werden auch heterogene System genannt. Anderenfalls spricht man von homogenen Systemen. So können beispielsweise eine RISC-CPU und eine CISC-CPU auf einem Chip integriert sein.

Die erste kommerzielle RISC-Architektur stammte von MIPS Technologies, der R2000 (der R1000 wurde nicht verkauft). Der R3000 machte die Architektur erst anwendbar, der R4000 schließlich stellte die erste 64-Bit-RISC-Architektur der Welt dar. Konkurrierende Projekte brachten die IBM-Power- und Sun-SPARC-Systeme hervor. Bald hatte jeder größere Hersteller ein RISC-Design im Angebot, z. B. den AT&T CRISP, AMD Am29000, Motorola 88000, DEC Alpha und den HP PA-RISC. Auch Intel, welches viele seiner CPUs in CISC-Architektur auslegt, hatten RISC-Prozessoren: Intel i860 und Intel i960

Der Wettbewerb ließ bald die meisten dieser Prozessoren verschwinden, wobei POWER und der davon abgeleitete PowerPC und Sun SPARC (nur in Suns eigenen Systemen) auch heute noch verfügbar sind. MIPS bietet weiterhin SGI-Systeme an, die Architektur wird aber meist als eingebettetes Design verwendet, z. B. in den Routern von Cisco.

Andere Anbieter konzentrieren sich auf Nischenmärkte, allen voran ARM (oder Arm), welches 1989 aus Acorn ausgegliedert wurde. Acorn war ein Hersteller von RISC-Computern, der mit den auf der ARM-Architektur basierenden Modellserien Acorn Archimedes und Acorn Risc PC als einer der ersten auch auf den Heimcomputermarkt abzielte. ARM konzentriert sich ab den 2000er Jahren auf die Lizenzierung (vgl. Intellectual Property (IP)) ihrer für eingebettete Architekturen und Mikrosysteme. ARM ist den 2010er Jahren der führende Anbieter für mobile Geräte, speziell Smartphones. ARM liefert auch die Architektur bzw. IP für Mikroprozessoren für Mikrocontroller, z. B. die Cortex-M-Reihe.^[21]

Weiterer Prozessortypen

Um neben dem allgemeinen Hauptprozessor spezifischere Bereiche zu berechnen, wurden neben der CPU weitere Prozessoreinheiten wie die historischen mathematischen Koprozessoren, aber auch dedizierte Grafikprozessoren (GPUs) und spezielle Data Processing Units (DPUs) konzipiert.

Übliche PC-Grafikprozessoren bzw. -Schaltkreise für die Bildschirmausgabe waren in den 1970ern und 1980ern sehr schlicht gestaltet, da eine dreidimensionale Repräsentation von Grafikinhalten quasi erst ab den 1990ern eine Rolle spielte. Darüber hinaus waren damals auch monochrome Displays üblich, die nicht mal die Berechnung von Farben verlangen mussten. Ab der zweiten Hälfte der 1980er kam der VGA-Standard vermehrt zum Einsatz, der mit entsprechenden Grafikkarten und ihren GPUs und (späteren) Zusatzkomponenten wie eigenen Video-RAM einherging. Bis zur Jahrtausendwende erhöhte sich die gängige Bittiefe und damit die Anzahl möglicher darstellbarer Farben deutlich und auch 3D-Inhalte wie etwa in Spielen wurden populär.^[22] Um hierfür nötige Berechnungen optimiert durchführen zu können, bekamen GPUs Untereinheiten. So enthielt bereits eine der ersten GPUs von NVIDIA namens NV10 die „Texture Mapping Units“, die sich um Texturberechnungen kümmern^[23]. Schnittstellen wie DirectX und OpenCL werden ebenfalls ein De-Facto-Standard für grafische Schnittstellen. Wie auch die CPU selbst wurde die GPU als solche stets komplexer – nicht nur alleine wegen der höheren Transistorenzahl, sondern auch wegen der Ergänzung von spezialisierteren Rechenschaltkreisen. So können heutige GPUs über 1000 „Kerne“ (meist Shader-Units genannt) aufweisen. Dazu gibt es üblicherweise ROPs (Render Output Units), SMs (Streaming Multiprocessors), VRAM, Cache und Tensor-Kerne (vermehrt ab Mitte der 2010er), die KI-relevante Berechnungen übernehmen, oder RT-Kerne (vermehrt ab 2018), die das eigentlich sehr rechenintensive Berechnen von (Licht-)Strahlen schneller abarbeiten können. GPUs, die in Grafikkarten verbaut sind und die bereits genannten Komponenten enthalten oder ansteuern, nennt man „dGPUs“ oder dedizierte GPUs und in die CPU integrierte Grafikprozessoren „iGPUs“ (integrierte GPUs). Letztere müssen meist auf den konventionellen RAM zugreifen und haben deutlich weniger Rechenkerne und -einheiten.^[24]

Quantencomputer und KI-unterstützende Mikroprozessoren

Seit dem frühen 21. Jahrhundert wird aktiv an Quantenprozessoren mit befehlbaren Quantenzuständen (vgl. auch Quantenzahlen), den Qubits (QPUs)^[25], und neuronalen Prozessoren (NPUs)^[26] geforscht. Hierbei ist zu beachten, dass QPUs einen grundlegend anderen physikalischen und technologischen Aufbau haben. Sie werden mit halbleitertechnischen Prozessen hergestellt, haben aber eine andere Funktionsweise als Binärrechner oder gewöhnliche Mikroprozessoren.

Quantencomputer mit neuartigen Quantenprozessoren sind seit den 2010er Jahren in Entwicklung und gelten als Schlüsseltechnologie. Seit den 2020er Jahren werden einzelne CPUs mittels spezieller KI-optimierten Co-Prozessoren oder Recheneinheiten für moderne KI-Anwendungen ausgestattet, um diese Anwendungen zu unterstützen. Fachleute schätzen, dass KI-Anwendungen den Halbleitermarkt auf einen Gesamtumsatz von über einer Billion Dollar bringen werden.^[27] Siehe auch die „KI-Ära“.

Design

Der in einer Hardwarebeschreibungssprache vorliegende logische Entwurf des Mikroprozessors wird an einen eigenen Hochleistungsrechner übergeben, der die Leiterbahnen „routet“, d. h., eine optimale Anordnung mit möglichst wenig Transistoren sowie minimaler Verlustleistung zu ermitteln sucht (auch bekannt als: Technology Binding oder Technology Mapping). Da diese Routingprobleme NP-vollständig sind, werden meist nur Näherungslösungen gefunden, die sich im Detail noch erheblich verbessern lassen.

Zu den Standardarchitekturen einer CPU zählen der CISC- oder RISC-Befehlssatz. Im ersteren Falle ist ein Mikroprogrammsteuerwerk notwendig, welches Mikrocode ausführt. Dieser Mikrocode wird von Herstellern (meist optimal) an Randbedingungen wie Cachegrößen, Speicherbandbreite und -latenzen sowie die internen Funktionseinheiten angepasst werden. Endbenutzer können den Mikrocode in der Regeln nicht verändern.

Fertigung

Aus diesen Leitbahnberechnungen werden Fotomasken erstellt, die mittels Fotolithografie zur Belichtung von Wafern eingesetzt werden, die anschließend geätzt werden. Die Fertigung eines heutigen Mikroprozessors umfasst weit über 100 Prozessschritte, in deren Verlauf bereits ein einziger Fehler den gesamten Prozessor unbrauchbar machen kann. Dabei kommt der halbleitertechnischen Fotolithografie eine Schlüsselrolle zu, vgl. auch die EUV-Technologie.

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, um sogenannte Speed Paths (Fehler durch Signalverzögerungen) zu verhindern.

Seit den 1990er Jahren findet die Fertigung von Halbleitern verstärkt im asiatisch-pazifischen Raum statt, wobei Auftragsfertiger oder Fertigungsdienstleister zum Einsatz kommen. Teilweise wird auch die Entwicklung ausgelagert bzw. es wird mit Entwicklungsstandorten in anderen Zeitzonen und auf anderen Kontinenten zusammengearbeitet.

Geräte und Anwendungsfälle

Moderne Mikroprozessoren werden aufgrund ihrer unterschiedlichen Anwendungsbereiche für einen jeweiligen Einsatzbereich entwickelt. Beispielsweise müssen industrielle Mikroprozessoren (meist in Gestalt von Mikrocontrollern) für Luft-, Raumfahrt und Wehrtechnik besonders hohen Temperaturen und Strahlungsexposition im laufenden Betrieb fehlerfrei standhalten. Diese Prozessoren werden auch Strahlungsgehärtet („radiation hardened“) gebaut. Siehe auch Kosmische Strahlung, ionisierende Strahlung und elektromagnetischer Impuls (EMP).

Mikrocontroller haben im Vergleich zu Mikroprozessoren hingegen häufig nur wenige Register und einen eingeschränkten Befehlssatz. Ein kleiner Mikroprozessor ist jedoch Teil eines Mikrocontrollers und für einfache Anwendungen, wie die Steuerung einer Maschine, reicht diese Funktionalität jedoch häufig aus. Auch lassen sich höhere Funktionen durch wenige Basisoperationen implementieren, beispielsweise Multiplikation durch Verschieben und Addieren (siehe Russische Bauernmultiplikation). Dafür integrieren Mikrocontroller vielfältige für Steuerungs- und Kommunikationszwecke erforderliche Peripheriefunktionen, Programm-, Daten- und Arbeitsspeicher mit auf dem Chip. Sie werden daher für industrielle Anwendungen eingesetzt, z. B. auch in Fahrzeugen.

Im Laufe der Zeit vergrößerte sich aufgrund der immer besser werdenden Halbleitertechnik die Anzahl der vom Prozessor unterstützten Befehle. Die in den 1980er Jahren entwickelten 386er CPUs waren die ersten 32-Bit-Prozessoren der Intel 80x86-Familie. 32-Bit-CPUs für PC-Anwender sind jedoch aufgrund der mittlerweile ungenügenden Adressierung von maximal 4 GiB Arbeitsspeicher (RAM) obsolet. Heutzutage stellen 64-Bit-Prozessoren mit großem Abstand den größten CPU-Anteil. Softwareentwickler haben außerdem das Programmieren von 32-Bit-Varianten ihrer Applikationen in vielen Fällen eingestellt. Im Jahr 2005 hat Microsoft mit Windows XP x64 ein Betriebssystem für 64-Bit-Systeme auf den Markt gebracht. Betriebssysteme für Anwender, wie Windows 11, gibt es ausschließlich mit 64-Bit-Architektur.^[28]

Evolution der Rechenleistung

Technisch versucht man seit den 1980er Jahren, die Rechenleistung einer CPU zu erhöhen und gleichzeitig die Stromaufnahme und Wärmeverluste zu minimieren. Dabei spielen kleinere Strukturgrößen eine wichtige Rolle, da die Schaltspannungen sinken. Das Mooresche Gesetz neigt sich jedoch seit den 2000er Jahren dem Ende zu.^[30][31] Die Entwicklung der Mikroelektronik und Halbleitertechnologie wurde bisher von der International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) begleitet. Heute übernimmt diese Funktion der Nachfolger International Roadmap for Devices and Systems (IRDS).

Es werden zwar immer noch mehr Transistoren dank FinFET und Gate-All-Around FET (GAAFET)-Technologie^[32][33] und mit EUV-Lithographie in Hochleistungs-CPUs integriert, jedoch führte eine steigende Leistungsdichte aufgrund thermischer Grenzen zu einem Plateau des Stromverbrauchs, was wiederum dazu führte, dass die Taktraten (englisch cycle rate oder englisch clock rate in Hz) stagnierten. Beispielsweise kann die Technologieverkleinerung nicht mehr so einfach die gestiegenen Leckströme und den damit verbundenen höheren Stromverbrauch ausgleichen.^[34]

Intel bezeichnet den Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Energieverbrauch als „Grundsatz der Mehrkernprozessoren“ und entwickelt und produziert seit einigen Jahren schon Multiprozessoren.^[35] Die Rechenleistung eines modernen Mikroprozessors (CPU) ist seitdem nicht mehr nur anhand der Taktfrequenz, sondern besser anhand der Instruktionen pro Sekunde (IPS) mess- oder vergleichbar.

Benchmarking

Das Benchmarking, also die Messung der Rechenleistung eines Mikroprozessors ist seit einigen Jahrzehnten eine eigene Fachwissenschaft. Das Unternehmen Standard Performance Evaluation Corporation (SPEC) ist dabei einer der Herausgeber verschiedener Benchmarking Software, z. B. SPECint. Weitere bekannte Instrumente sind Coremark und Dhrystone. Gängige Werkzeuge für Endanwender sind CPU-Z oder Geekbench. Im Bereich des Supercomputing kommen noch weitere Messtechniken, z. B. LINPACK, zum Einsatz. Die Ergebnisse finden sich z. B. in der TOP500-Liste. Weitere bekannte Software, welche zum Benchmarking von Computern oder auch CPUs genutzt werden, sind die Tools PCMark, Cinebench und AIDA64.

Taktraten

Die Schalt- oder Taktfrequenz der Geräte ist je nach Modell heutzutage variable geregelt, besitzt jedoch einen halbleiterprozess-vorgegebenen Höchstwert. Taktraten im einstelligen GHz-Bereich sind seit vielen Jahren der Standard, wobei übliche Mikroprozessoren für PCs im Bereich von (pauschal) 1 GHz bis 5 GHz arbeiten. Mikroprozessoren als Teil von Mikrocontrollern takten dagegen etwa zwischen (pauschal) 32 und 800 MHz.

Wird durch einen Eingriff des Benutzers die Taktrate eines Prozessors absichtlich verändert oder beeinflusst, kann sich der Stromverbrauch stark verändern. Wird die Schaltfrequenz erhöht, spricht man von einem Übertakten. Auch ein reduzieren der Taktrate ist möglich durch ein sogenanntes Undervolting.^[36] Siehe auch Clock-Gating. Dabei wird die Spannung für die CPU reduziert und der Erhitzungsprozess verzögert sich bzw. wird permanent begrenzt. Laut Intel kann die Hälfte des Stromverbrauchs eingespart werden, wenn die Taktfrequenz eines einzelnen Kerns um 20 % reduziert wird. Dabei nimmt die Gesamtleistung des Systems nur um 13 % ab.^[35] In beiden Fällen (Über- und Untertakten) sind diese Einstellungen innerhalb eines BIOS teilweise möglich. Diese Eingriffe gefährden jedoch die Garantieansprüche, wenn das Gerät neu ist.

Mehrkernprozessoren

Mehrkernprozessoren, auch genannt Multiprozessoren, haben seit Mitte der 2000er Jahre weite Verbreitung gefunden. Der kleinste Mehrkernprozessor hatte zwei Kerne. Man spricht auch von einer Dual-CPU (vgl. Intel Core 2 ab 2006), Quadcore-CPU usw. hat aber physikalisch nur einen CPU-Baustein.

Bei den modernen Mehrkern-CPUs unterscheidet man außerdem zwischen echten und logischen Kernen. Moderne CPUs besitzen ab den 2020er Jahren zwischen 10 und 20 logischen Kernen.^[30] Somit stehen einem Anwender mehrere einzelne (jedoch zusammengeschaltete) Prozessoren in einem Gerät (einer CPU) zur Verfügung. Die Anzahl der Kerne ist jedoch nicht immer symmetrisch. Beispielsweise können 16 echte Kerne in 6+8+2 optimierte Einzelkerne aufgeteilt sein zur Leistungsanfragen, hohe Effizienz, oder für Verwendung bei begrenzter Energieverfügbarkeit. Für diese echten Kerne stehen 22 logische Kerne (Hardware Threads) bereit. Die Mehrkerne werden vom einem CPU-Managementsystem automatisch von einer Basisfrequenz heruntergetaktet (geregelt oder verwaltet), um weniger Strom zu verbrauchen, falls keine intensiven Anwendungen laufen.^[37][38]

Seit den 2010er Jahren spielt zudem die vertikale Integration von Mehrkernsystemen eine überragende Rolle.^[39] Modernste Mehrkern-CPUs versucht man mittels Chiplets und 3D Packaging-Technologie weiter auf einem Chip bzw. in einem Gehäuse zu integrieren.^[40][41] Dafür wurde auch der Universal Chiplet Interconnect express (UCIe) Standard geschaffen, um die einzelnen Bausteine zu verbinden.^[42]

Spezielle Mehrkernsysteme

Nur in Spezialfällen existieren Systeme mit physikalischen Mehrkernen oder CPUs auf einer Hauptplatine. Siehe auch die Parallelrechner, welche z. B. CPUs und GPUs ansteuern. Ein weiterer Spezialfall sind Mehrkernprozessoren die isoliert arbeiten, d. h. eine Redundanz ermöglichen.^[43] Diese sicherheitsoptimierten Prozessorsysteme spielen für sicherheitskritische Anwendungen eine entscheidende Rolle. Ein Beispiel sind Steuergeräte zur Motorsteuerung, z. B. der Infineon TriCore Mikrocontroller/Mikroprozessor. Siehe auch die Themen Fehlertolerantes Regelsystem, Lockstep und Funktionale Sicherheit.

Des Weiteren sind Grafikprozessoren (GPUs) zu erwähnen, die architektonisch deutlich mehr, jedoch kleinere Rechenkerne auf einem Die bieten als CPUs. Aus diesem und anderen Gründen sind die Geräte seit den 2010er Jahren für Fließkommaberechnungen (siehe auch IEEE 754) und andere Anwendungen aus dem Supercomputinge wichtig geworden. Moderne GPUs werden als Schlüsseltechnologie für KI-basierte Technologien benötigt. Es existieren auch Einzelanfertigungen von Mehrkernsystemen, wie z. B. die Tensor Processing Unit (TPU).

Mobile Mikroprozessoren

Bei mobilen Geräten, z. B. Smartphones oder Tabletcomputern (vgl. auch Neue Medien) ist noch geringer Stromverbrauch eine entscheidende Charakteristik, da die Geräte (im freien Einsatz, also ohne Netzstrom) ihre Energie aus Lithium-Ionen-Batterien beziehen. Für diese Geräte kommt meist nur eine RISC-Architektur und optimiert Taktraten im unteren GHz-Bereich in Frage. Im Jahre 2006 wurde von der Firma ARM der erste kommerzielle ungetaktete, asynchrone Prozessor vorgestellt, der ARM996HS. Da er ohne Taktung auskommt, weist ein asynchroner Prozessor eine im Hochfrequenzbereich geringere und wesentlich weniger prägnante Abstrahlung auf und verbraucht während Prozesspausen keinen nennenswerten Strom.

Die weiterentwickelten ARM-Architekturen sind seit den 2010er Jahren auf einer Vielzahl moderner, mobiler Geräte verwendet. Intel CPUs sind typischerweise nicht in Smartphones zu finden. ARM liefert das Intellectual Property (IP), also die lizenzierbare Architektur für Mikroprozessoren und Mikrocontroller, stellt die Prozessoren jedoch selbst nicht her im Sinne des Fabless-Modells.

Praktische Wärmeabfuhrverfahren oder CPU-Kühlung

Der gängigste Weg, die Kühlung einer CPU sicherzustellen, ist die Montage eines Kühlkörpers mit Lüfter, auch bekannt als Prozessorkühler. Der verrippte Kühlkörper aus wärmleitfähigem Aluminium oder Kupfer (vgl. das Wiedemann-Franzsches Gesetz) vergrößert dabei die Fläche, die zur Wärmeabgabe beiträgt, um ein Vielfaches. Dabei spielt die Technologie der Wärmerohre eine entscheidende Rolle. Der Lüfter soll für einen zügigen Abtransport der Verlustwärme sorgen. Zwischen Prozessor und Kühlkörper wird zusätzlich Wärmeleitpaste oder ein Wärmeleitpad eingesetzt. Diese Mittel helfen, den Wärmeübergang zu verbessern, da Unebenheiten oder Oberflächenrauheit zwischen dem Gehäuse des CPU-Chips und der Kontaktfläche des Kühlkörpers kleine Lufteinschlüsse hinterlassen (Luft ist ein schlechter Leiter oder Isolator), welche den Wärmetransport verringern.

Die Bemessung der Kühlung erfolgt häufig nicht nach der theoretisch maximal möglichen Verlustleistung, sondern aus Kostengründen nach der Thermal Design Power (TDP), die deutlich niedriger liegt und eine praktische Angabe des CPU-Herstellers ist. Prozessoren werden mit dieser thermischen Leistungsangabe, der TPD, angeboten, welche z. B. zwischen 60 und 160 Watt (thermisch) liegt.

Wasserkühlung

Als Alternativen zur Luftkühlung gibt es noch die Kühlung mittels gewöhnlichem Wassers. Dieses Verfahren ist beliebt für CPUs mit hohen Leistungsanforderungen oder für einen leisen Betrieb des Computers, falls die benötigte Pump leiser ist als ein geregelter CPU-Luftkühler. Als erster Computerhersteller verbaute Apple in ihren Power Mac G5-Computern eine standardisierte Wasserkühlung.

Moderne Wasserkühlsysteme können teilweise auch den Arbeitsspeicher, die Grafikkarte mit Grafikprozessor (GPU) oder andere Komponenten auf der Hauptplatine kühlen. Man unterscheidet außerdem:

• All-in-one-Wasserkühlung, heute als Komplettsystem für Endverbraucht (PC-Wasserkühlung)
• Custom-Wasserkühlung (Abstimmung durch „Hard Tubing“)
• Sonderlösungen (andere Fluide), beispielsweise in der Industrie oder Gaming-PCs

Ob eine Wasserkühlung in Frage kommt, sollte nach den Anforderungen des PC-Benutzers erörtert werden.

Engineering Samples / Customer Samples

Die ersten von einem Hersteller produzierten CPUs werden, ähnlich einem Prototyp, als „Engineering Sample“ oder „Confidential CPU“ an ausgewählte Firmen oder Tester verteilt. Es handelt sich grundsätzlich um voll funktionsfähige Prozessoren, die dem späteren Endprodukt meist in nichts nachstehen. Solche CPUs sind üblicherweise im Handel nicht erhältlich. Erkennbar sind solche CPU-Versionen am Kürzel „ES“ oder dem Aufdruck „Confidential“.

Zudem wurden, zumindest in der Vergangenheit von Intel, Prozessoren und ganze Chip-Sätze in „University-Kits“ abgegeben. Die dort enthaltenen Chips hatten den Aufdruck „CS“ und waren in der Regel am Keramikgehäuse beschädigt, vielfach war der Aufdruck schlecht (verrutscht, verschmiert, doubliert). Zu beachten ist, dass die Buchstabenkombination ES oder CS nicht immer Engineering oder Customer Sample bedeuten muss, oftmals ist es auch der Batch-Code oder eine Revisionsbezeichnung.

• 
  Intel Mobile Pentium 4 mit dem Aufdruck Confidential
• 
  Intel Pentium MMX 166 MHz mit dem Aufdruck ES (sSpec: Q019)
• 
  AMD Turion 64 X2 mit dem Aufdruck AMD ENG SAMPLE
• 
  AMD Mobile Athlon XP mit dem Aufdruck Engineering Sample
• 
  IDT WinChip (Marketing Sample)

„CPU Mutanten“

Neben verifizierten CPU-Modellen vom Originalherstellern gibt es auch Prozessoren, die der Profi „Mutanten“ nennt. Hierbei wird ein Mikroprozessor für eine andere Plattform modifiziert. Da Mobilgeräte und Desktop-PCs verschiedene Sockeltypen und Spezifikationen verwenden, müssen bspw. Mobil-CPUs an Desktop-PCs angepasst werden. Um Inkompatibilitäten abzubauen, zu optimieren, und mögliche Restriktionen aufzuheben, kann auf ein geflashtes BIOS oder speziell angefertigte Mainboards zurückgegriffen werden, die dementsprechende Einstellungsmöglichkeiten bieten. Derartige Eingriffe können bei nicht fachgerechter Behandlung zu Computerfehlern oder im Extremfall zu Hardwareschäden führen, die nicht von Herstellergarantien gedeckt sind.^[47]

Fehler und Sicherheitslücken

Neben den astronomischen Kosten für die Entwicklung bzw. dem Design, haben die Aufwände für den Test, Verifizierung und Validierung von moderner Prozessoren gewaltige Ausmaße angenommen. Trotz erheblicher Anstrengungen können nicht alle Fehlersituationen vor der Auslieferung überprüft oder gefunden werden. Der letzte in allen Funktionen (und Fehlern) vollständig verifizierte x86-Prozessor war der Intel 80286.

CPU-Hersteller liefern daher sogenannte Errata-Listen, in denen entdeckte Fehler verzeichnet werden. So musste beispielsweise Intel den berühmt-berüchtigten FDIV-Bug in frühen Pentium-CPUs eingestehen, der auf mehrere fehlende Einträge in einer internen Lookup-Tabelle der FPU zurückzuführen ist. Weitere Probleme betreffen die Sicherheit, z. B. die Sicherheitslücken Spectre oder Meltdown, welche 2017 entdeckt wurden. CPUs werden durch Spezialisten auch in Teilen Reverse Engineered.

Allgemein

• Ian L. Sayers, Adrian P. Robson, Alan E. Adams, E. Graeme Chester: Principles of Microprocessors. CRC Press, Boca Raton, FL 1991, ISBN 0-8493-8622-5 (englisch).
• Thomas Beierlein, Olaf Hagenbruch (Hrsg.): Taschenbuch Mikroprozessortechnik. 3. Auflage. Fachbuchverl. Leipzig im Carl-Hanser-Verl, München 2004, ISBN 3-446-22072-0.
• John D. Crisp (Hrsg.): Introduction to Microprocessors and Microcontrollers. 2nd Auflage. Elsevier/Newnes, Amsterdam Boston 2004, ISBN 0-7506-5989-0 (englisch, archive.org).
• Viktor V. Korneev, Andrew Kiselev: Modern Microprocessors. 3rd Auflage. Charles River Media, Hingham, MA 2004, ISBN 1-58450-368-8 (englisch, archive.org).
• Thomas Flik: Mikroprozessortechnik und Rechnerstrukturen. Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg 2005, ISBN 3-540-22270-7, doi:10.1007/b137981.
• Wai-Kai Chen (Hrsg.): The VLSI Handbook (= The Electrical Engineering Handbook Series). 2nd Auflage. CRC/Taylor & Francis, Boca Raton, FL 2007, ISBN 978-0-8493-4199-1 (englisch).
• Klaus Wüst: Mikroprozessortechnik. Vieweg+Teubner, Wiesbaden 2011, ISBN 978-3-8348-0906-3, doi:10.1007/978-3-8348-9881-4.
• Antonio González, Fernando Latorre, Grigorios Magklis: Processor Microarchitecture: An Implementation Perspective (= Synthesis Lectures on Computer Architecture). Springer International Publishing, Cham 2011, ISBN 978-3-03100601-2, doi:10.1007/978-3-031-01729-2 (englisch).
• Jan Friso Groote, Rolf Morel, Julien Schmaltz, Adam Watkins: Logic Gates, Circuits, Processors, Compilers and Computers. Springer International Publishing, Cham 2021, ISBN 978-3-03068552-2, doi:10.1007/978-3-030-68553-9 (englisch).

Spezifisch (RISC, CISC etc.)

• Barry B. Brey: The Intel Microprocessors: 8086/8088, 80186, 80286, 80386, and 80486. Architecture, Programming, and Interfacing. 3rd Auflage. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ 1994, ISBN 0-02-314250-2 (englisch, archive.org).
• Sivarama P. Dandamudi: Guide to RISC Processors. Springer-Verlag, New York 2005, ISBN 0-387-21017-2, doi:10.1007/b139084 (englisch).