Was ist die CPU?

Was ist die CPU: Definition, Bedeutung & Funktion

CPU – schon mal gehört aber eigentlich keine Ahnung um was es dabei geht? Was ist das genau und warum ist sie so wichtig?

Wir klären dich auf und verschaffen dir einen ersten Überblick darüber was eine CPU ist, was sie macht und worauf du beispielsweise bei einem Neuerwerb achten solltest.


Was ist CPU - Definition und Bedeutung

Die CPU ist eine wichtige Komponente eures Computers. Sie ist zusammen mit der Grafikkarte das vorrangig leistungsdefinierende Bauteil und erledigt den Löwenanteil anfallender Rechenoperationen.

Die genaue Bedeutung der Abkürzung CPU lautet Central Processing Unit. Statt der wörtlichen Übersetzung als „zentrale Verarbeitungseinheit“ ist im Deutschen viel häufiger der kürzere Begriff „Prozessor“ geläufig.

Hier wichtig: Bitte nicht mit der GPU verwechseln, dies ist ein anderer Prozessor, der für die Grafik zuständig ist.

Eine CPU hat im Grunde zwei Aufgaben. Einerseits das Rechnen und andererseits das Steuern. Sie verrechnet Aufgaben um letztendlich eine Ausgabe zu bewerkstelligen, die ihr am Ende in Form von Programmen, Ton oder Eingaben vor euch habt.

Die CPU sitzt in eurem Rechner mittig auf dem Mainboard. Das ist die große Hauptplatine in eurem Rechner auf der sich alle einzelnen Komponenten befinden.

So sieht eine Intel CPU aus

Die meisten CPUs verfügen über einen eigenen Kühler, der als kleiner Turm, bestehend aus Kühlrippen und mit einem Ventilator, aufmontiert ist. Zwischen der CPU und dem Kühlturm befindet sich wiederum stets eine dünne aber deckende Schicht Wärmeleitpaste.

Die CPU erzeugt enorme Hitze. Daher ist gerade bei Computern, die für leistungsintensive Videospiele oder andere aufwändige Arbeiten abseits von einfacher Textverarbeitung oder simplen Surfen genutzt werden, ein eigens nachgerüsteter CPU-Kühler wichtig.

Zu den bekanntesten Herstellern von PC-CPUs gehören AMD und Intel.

Tipp

Die CPU wird oft als Gehirn des Computers bezeichnet. Es ist jedoch angemessener, Software als das Gehirn und die CPU als einen sehr effizienten Rechner zu bezeichnen. Eine CPU kann zwar gut mit Zahlen umgehen, aber wenn es keine Software gäbe würde sie nicht wissen, wie man etwas anderes macht.


Wie funktioniert eine CPU?

Seitdem die ersten CPUs auf den Markt gekommen sind, wurden im Laufe der Jahre viele Verbesserungen vorgenommen. Trotzdem ist die Grundfunktion der CPU, bestehend aus drei Schritten, dieselbe geblieben:

  1. Befehle oder Daten holen
  2. Dekodieren
  3. Ausführen

Diese drei Schritte wiederholen sich in einem Zyklus, der erneut mit dem Abrufen der nächsten Anweisung durch die CPU beginnt. Die Schritte werden als Befehlszyklus der CPU bezeichnet.

Dabei gibt es in der CPU zwei Hauptkomponenten.

  • ALU (Arithmetic Logic Unit, Recheneinheit) - Führt mathematische, logische und Entscheidungsoperationen aus.
  • CU (Control-Unit, Steuereinheit) - steuert alle Prozessoroperationen.

Die Recheneinheit (ALU) enthält die elektronische Schaltung, die alle arithmetischen und logischen Operationen ausführt.

Die Steuereinheit (CU) der CPU enthält eine Schaltung die elektrische Signale verwendet, um das gesamte Computersystem anzuweisen, gespeicherte Programmanweisungen auszuführen. Dabei führt die Steuereinheit selbst keine Programmanweisungen aus, sondern weist vielmehr andere Teile des Systems an, dies zu tun. Die Steuereinheit muss sowohl mit der Arithmetik / Logik-Einheit als auch mit dem Speicher kommunizieren.

Gehen wir im Folgenden noch kurz auf die einzelnen Schritte ein.

1. Befehle oder Daten abrufen

Logisch: Bevor die CPU etwas Abrufen kann, wird eine Anweisung oder ein Befehl benötigt. Die Anweisung wird als eine Reihe von Zahlen dargestellt (Einsen und Nullen) und vom RAM an die CPU weitergeleitet. Jeder Befehl ist nur ein kleiner Teil einer Operation, daher muss die CPU wissen, welcher Befehl als nächstes kommt. 

Die aktuelle Befehlsadresse wird von einem Programmzähler gespeichert. Der Zähler und die Anweisungen werden dann in ein Anweisungsregister gestellt. Die Zähler-Länge wird dann erhöht, um auf die Adresse des nächsten Befehls zu verweisen.

2. Dekodieren

Sobald ein Befehl abgerufen und im Register gespeichert wurde, leitet die CPU den Befehl an eine Schaltung weiter, die als Befehlsdecoder bezeichnet wird. Dadurch wird der Befehl in Signale umgewandelt, die zur Ausführung an andere Teile der CPU weitergeleitet werden.

3. Ausführen

Im letzten Schritt werden die decodierten Anweisungen an die relevanten Teile der CPU gesendet, um vervollständigt zu werden. Die Ergebnisse werden normalerweise in ein CPU-Register geschrieben, in dem sie durch spätere Anweisungen referenziert werden können. Stellen euch das wie die Speicherfunktion eures Taschenrechners vor.


Welche Relevanz hat die CPU in einem Gaming PC?

Könnte euer PC überhaupt ohne CPU funktionieren? Nein, alle Computer brauchen irgendeine Art von CPU.

Für den Gaming PC ist die CPU eine der beiden wichtigsten Kernkomponenten. Die CPU und die GPU (Grafikkarte) definieren grundsätzlich die Leistungsfähigkeit eures Rechners.

Für die visuelle Darstellung ist zwar vorrangig die Grafikkarte zuständig, jedoch ist euer System nicht in der Lage diese Stärke auszuspielen, wenn eure CPU deren Leistung erheblich hinterher hinkt.

Könnte dann eine GPU anstelle einer CPU verwendet werden?

Nein. Obwohl GPUs Daten verarbeiten und viele der gleichen Aufgaben wie eine CPU ausführen können fehlt ihnen die Fähigkeit, viele der Funktionen auszuführen, die für typische Betriebssysteme und Software erforderlich sind.

Zudem ist eine CPU wichtig, wenn ihr neben dem Gaming noch viele weitere Programme laufen habt. Solltet ihr beim Spielen zusätzlich streamen oder Videos aufzeichnen, benötigt ihr eine starke CPU.

Allerdings gilt der Hinweis einer ausgewogenen Hardwarezusammenstellung für euer gesamtes System. Nur eine starke CPU und GPU reichen nicht aus. Für eine gute Leistung sind schnelle Festplatten und ausreichend sowie schneller RAM Pflicht.

Solltet ihr Leistungsprobleme haben, gibt es diverse Tools um die Auslastung eurer Komponenten auszulesen oder während dem Spielen einblenden zu lassen. So könnt ihr euch einen Überblick verschaffen, welche Komponente tatsächlich an ihrem Leistungsmaximum agiert.

Falls eure CPU zu heiß wird (oder ihr es denkt), dann schaut in unseren Artikel zum Thema CPU Temperaturen.

Tipp

Wenn ihr die besten Gaming CPUs sucht und Leistungswerte sowie Benchmarks vergleichen wollt, dann schaut in unsere aktuelle CPU Rangliste.


Was bedeutet die Anzahl an Kernen?

Heutige CPUs verfügen zumeist über mehrere Kerne. Die Anzahl der Kerne definiert wie viele Aufgaben eine CPU verarbeiten kann.

Der Vorteil von einer höheren Anzahl Kerne liegt darin, dass die Last des Systems aufgeteilt wird. Das bedeutet in der Regel eine Leistungssteigerung.

Die ist jedoch abhängig vom jeweiligen ausgeführten Programm. Nicht jedes Programm ist auf diese Verwendung abgestimmt.

In der Folge kann es durchaus vorkommen, dass eine CPU mit weniger Kernen eine Aufgabe schneller löst als ein Prozessor mit höherer Anzahl an Kernen. Somit sollte je nach voraussichtlichem Verwendungszweck abgewogen werden, ob noch mehr Kerne oder eher weniger Kerne dafür mit höherer Taktrate besser für die Aufgabe geeignet sind.

Mehr Einblick hierzu findest du am Ende des Artikels im Bereich „Hyperthreading“.


Unterschiede: 32-Bit & 64-Bit?

Wer schon einmal einen Blick in die eigenen Systemeinstellungen geworfen hat, dem ist einer der beiden Werte womöglich vertraut. Das Windows Betriebssystem lässt sich beispielsweise als 32-Bit und 64-Bit System erwerben.

Für euren Prozessor bedeutet das folgendes: Es gibt Prozessoren für beide Systemtypen.

Heutzutage solltet ihr in der Regel jedoch auf ein 64-Bit-Betriebssystem und einen 64-Bit Prozessor setzen. Ein solches System kann weitaus mehr Arbeitsspeicher verwenden, während ein 32-Bit System hierbei limitiert ist. Folglich ist ein 64-Bit Betriebssystem und Prozessor immer schneller.

Der Nachteil von 64-Bit: Viele ältere Programme können hier womöglich nicht genutzt werden. Das betrifft euch in der Regel jedoch nicht. Die Kompatibilität mit bereits sehr alter Software wiegt den limitierten Arbeitsspeicher der 32-Bit Version nur in den aller seltensten Fällen auf.

Ein 64-Bit System ist wiederum darauf angewiesen, dass entsprechende 64-Bit Treiber existieren. Für aktuelle sowie Software der jüngeren Vergangenheit, stellt das jedoch kein Problem dar.

Zudem laufen aktuelle 32-Bit Anwendungen auch auf 64-Bit Systemen. Ein 32-Bit System kann zumeist auch mit einem 64-Bit Prozessor funktionieren.

Somit ist eine gewisse Abwärtskompatibilität vorhanden, auch wenn es eigentlich kaum Gründe gibt diese bei einer Neuanschaffung nutzen zu wollen.


Kühlung

Wie einleitend bereits angesprochen, muss eine CPU gekühlt werden. Hierfür gibt es mehrere Möglichkeiten, weshalb ihr Prozessoren als „boxed“ oder „tray“ Versionen erwerben könnt.

Die „boxed“ Versionen werden in einer kleinen Box geliefert, die neben dem eigentlichen Prozessor auch weitere, zum Betrieb notwendige Teile, beinhaltet. Gemeint sind hier ein kleiner Kühler und die zwischen CPU und Kühlplatte anzubringende Wärmeleitpaste.

Bei der Wärmeleitpaste solltet ihr unbedingt darauf achten, dass sie die CPU an der Kontaktseite zum aufgesetzten Kühler komplett bedeckt. Bei der Dicke der aufzutragenden Schicht ist weniger jedoch mehr!

Der Lieferumfang sogenannter „tray“ Versionen beinhaltet lediglich die CPU selbst. Wenn ihr also ohnehin plant einen erheblich besseren CPU Kühler zu erwerben, macht eine „tray“ Version mehr Sinn.

Zudem gibt es die Möglichkeit die Prozessortemperatur mit einer eigenen CPU-Wasserkühlung zu regulieren. Das kostet in der Regel mehr und ist je nach Modell in etwa ebenbürtig mit der regulären Luftkühlung durch Kühlrippen und Ventilator.

Weitere Ausführungen zu den Vor- und Nachteilen von Öl-, Wasser- & Luftkühlungen bzw. Teil- und Komplettsystemen bei den flüssigkeitsbasierten Kühlkreisläufen würden an dieser Stelle zu weit führen.


Wichtige Begriffe kurz erklärt

​Sockel

Der Sockel ist jener Bereich auf eurem Mainboard, auf dem der Prozessor montiert wird. Dieser Sockel fixiert den Prozessor in der Regel über eine Klemmverbindung.

Folglich könntet ihr bei Bedarf jederzeit den Prozessor austauschen. Durch die vorhandenen Pins ist eine falsche Montage ausgeschlossen.

Ihr solltet jedoch unbedingt darauf achten, dass die kleinen Pins vorsichtig und korrekt in die dafür vorgesehenen Aussparungen gesteckt werden. Jede noch so kleine Beschädigung kann die Hardware andernfalls unbrauchbar machen.

Sockel und CPU müssen hierfür miteinander kompatibel sein. Diese Kompatibilität richtet sich nach einzelnen Subtypen von Prozessoren.

Dementsprechend ist es nicht ungewöhnlich, dass selbst eine neue CPU-Generation des gleichen Herstellers auf eurem bis dahin verwendeten Sockel keinen Platz findet. Um hierfür gewappnet zu sein, bieten die Hersteller betreffender Hardware Kompatibilitätslisten an und verweisen auf den jeweiligen Sockeltyp von Mainboard bzw. CPU.

​TDP

Die Abkürzung TDP, kurz für Thermal Design Power, gibt an wie viel Energie in Form von Wärme von eurem Prozessor abgegeben wird. Die Angabe erfolgt in Watt.

Sie eignet sich einerseits als grober Richtwert für den Stromverbrauch, denn eine höhere TDP bedeutet auch gleichzeitig mehr Verbrauch. Viel besser lässt sich anhand der TDP jedoch erkennen, welche Form der Kühlung nötig wird.

Jedoch definieren die einzelnen Hersteller, die TDP ihrer Produkte unterschiedlich. Das geht so weit, dass einzelne Prozessorgenerationen eigene Herangehensweisen zu Grunde liegen haben.

Wird unter Last zu viel Wärme erzeugt, kann dies die Hardware nachhaltig schädigen. Daher verfügen CPUs über sogenanntes „Thermal throttling“.

Somit wird die Leistung, aber in der Folge auch die Hitze, zeitweilig als Schutzmechanismus reduziert. Mit ausreichender Kühlung kann dieser Situation jedoch vorgegriffen werden.

​L2/L3 Cache

Eine CPU besitzt gleich drei verschiedene Caches: L1, L2 und L3. Hier werden, kurz zusammengefasst, Daten und Befehle zwischengespeichert, um schnell auf sie zurückgreifen zu können.

Der Vorteil liegt darin, dass der Cache diese häufig benötigten Daten deutlich schneller wieder zur Verfügung stellen kann als der Arbeitsspeicher eures PCs. Der Prozessor kann somit deutlich effizienter arbeiten.

Während der L1 Speicher sehr klein ist, dient der L2 Cache als eine Art Zwischenspeicher von Prozessor und RAM. Seine Bedeutung hat in der Vergangenheit abgenommen.

Grob zusammengefasst ist ein L2 größerer Speicher dann interessant, wenn mehrere Programme parallel agieren. Dennoch kann hierüber die Arbeitsgeschwindigkeit deutlich besser gesteigert werden als mit einer angehobenen Taktrate.

Der L3 Cache übernimmt eher die Aufgabe eines Vermittlers. Die Kerne einer CPU werden dort miteinander abgestimmt, sodass Aufgaben schnell und effizient durchgeführt werden können.

​Taktung

Die Taktrate einer CPU wird heute im GHz Bereich angegeben. Diese Taktrate gibt an, wie viele Aufgaben eine CPU pro Sekunde abarbeiten kann. Daher gilt grob gesagt: Je höher die Taktrate einer CPU, desto leistungsstärker ist sie.

Entsprechend bietet sich für Tüftler die Möglichkeit mit einer Übertaktung der CPU mehr Leistung aus dem Gerät heraus zu kitzeln. Dies eignet sich vor allem dann, wenn die Taktung des Auslieferungszustandes beispielsweise nicht mehr für neue Spiele ausreicht und ihr euch jedoch noch keine neue CPU kaufen wollt.

Wichtig ist allerdings, dass ihr an der CPU keine Veränderungen vornehmt, wenn ihr beim Übertakten über keinerlei Erfahrung verfügt. Bei falscher Anwendung kann eure CPU irreparabel beschädigt werden. Beachtet außerdem, dass die Garantie erlischt sobald ihr eure CPU übertaktet.

Intel CPUs die vom Nutzer besonders einfach übertaktet werden können, sind beispielsweise hinter der Typenbezeichnung zusätzlich mit einem „K“ versehen. Sowohl der  Takt bei Auslieferung als auch der Preis dieser Modelle ist leicht erhöht. Im Gegenzug könnt ihr dort auf entsprechende Leistungsreserven zurückgreifen.

Natürlich ist eine Übertaktung aber auch mit Nachteilen verbunden. Beispielsweise steigt die Leistung der CPU nicht liniear mit der Taktrate, weshalb dieser Technik zur Leistungssteigerung gewissermaßen ein Limit gesetzt ist.

Außerdem wird eine CPU nach der Übertaktung heißer als zuvor, folglich ist eine bessere Kühlleistung von Nöten, die in der Regel ein höheres Lärmaufkommen zur Folge hat. Zusätzlich verbraucht eine übertaktete CPU mehr Strom und die Lebensdauer des Prozessors kann drastisch sinken.

​Hyperthreading

Durch das Hyperthreading lässt sich die Berechnungszeit einzelner Prozesse erheblich verringern. Statt Aufgaben nach und nach zu erledigen, können hierdurch mehrere Threads, also Programmteile, auf einmal bearbeitet werden.

Kern dieser Technik ist die virtuelle Aufteilung des physischen Prozessors. Der physische Prozessor ist somit in der Lage Aufgaben parallel auszuführen indem er sich in virtuelle Prozessoren aufteilt.

Das Wichtige dabei ist, dass die zur Verfügung stehenden Ressourcen eines Prozessors  variabel auf die virtuellen Kerne aufgeteilt werden können. Somit steht für den Berechnungsprozess immer die bestmögliche Rechenkapazität zur Verfügung.

Ob Hyperthreading bei einer Anwendung genutzt bzw. sinnvoll eingesetzt werden kann, ist einerseits abhängig von den Programmierern der entsprechenden Software. Bezogen auf den Bereich Gaming ist der Nutzen von Hyperthreading unterschiedlich zu bewerten.

Hier kann es vorkommen, dass das Hyperthreading bei Spielen, die lediglich 4 Kerne unterstützen, sogar zu einem Leistungsverlust führt. Eine höhere Anzahl echter Kerne ist bei Spielen überwiegend zu bevorzugen.

Allgemeiner gefasst kann jedoch auch euer Nutzerverhalten herangezogen werden, um zu beurteilen, ob Hyperthreading für euch sinnvoll ist. Wer viele Anwendungen parallel laufen hat, sich im Bereich Videoediting, 3D Rendern oder Streaming viel bewegt, wird durch Hyperthreading einen Leistungszuwachs erhalten.


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