Was ist eine CPU? Die CPU oder Central Processing Unit ist das zahlenverarbeitende Gehirn eines Computers. Alles, was ein Computer tut, vom Spielen von Videospielen^{(video games)} bis zum Schreiben eines Aufsatzes, ist in eine Reihe mathematischer Anweisungen unterteilt. Die CPU nimmt diese Anweisungen und führt sie aus. 

Die Einzelheiten dazu sind natürlich viel^{(much )} komplizierter als diese einfache Erklärung. Das Wichtigste, was Sie wissen müssen, ist, dass die CPU die mathematische Hauptmaschine eines Computers ist.

Die (extrem) kurze Geschichte der CPUs^{(The (Extremely) Short History Of CPUs)}

Die Geschichte der Informatik ist lang und komplex. Es geht auch weiter in die Geschichte zurück als Digitaltechnik, Elektronik oder gar Elektrizität. Ein Abakus ist eine Art Prozessor. So sind mechanische Taschenrechner. Der große Unterschied besteht darin, dass diese Maschinen nur eine oder wenige mathematische Aufgaben erledigen können. Sie sind keine Allzweckprozessoren^{(general purpose)} , wofür die moderne CPU ein Beispiel ist.

Was eine CPU zu einem Allzweck-Rechengerät macht, ist die Verwendung von Logik. 1903 patentierte Nikola Tesla elektrische Schaltungen, die als Gates und Switches bekannt sind. Mit diesen Schaltkreisen könnten Sie Geräte bauen, die logische Operationen ausführen, bei denen Sie die Maschine unter bestimmten Bedingungen reagieren lassen könnten. 

Mitte bis Ende der 1940er Jahre erfanden und patentierten William Shockley , John Bardeen und Walter Brattain während ihrer Arbeit in den ^{(Walter Brattain)}Bell Laboratories ein Gerät namens Transistor . Der Transistor ist der Grundbaustein einer CPU . Transistoren sind relativ kleine Computerkomponenten. Der Transistor ist eine so bedeutende Erfindung, dass die drei Erfinder dafür mit dem Nobelpreis ausgezeichnet^{(Nobel Prize)} wurden .

In den späten 1950er Jahren gingen Robert Noyce und Jack Kilby noch einen gewaltigen Schritt weiter und schufen den ersten funktionierenden integrierten Schaltkreis^{(integrated circuit)} . Ein integrierter Schaltkreis ist ein Satz elektronischer Schaltkreise, die in ein einzelnes Stück Halbleitermaterial integriert sind. In den meisten Fällen ist dieses Material Silizium. Das meinen die Leute, wenn sie „Mikrochip“ sagen. 

Eine CPU besteht aus einem oder mehreren Mikrochips. Dies ist eine wichtige Erfindung, da Milliarden von Transistoren in eine einzige CPU gepackt werden können . Dadurch entstehen unglaublich leistungsfähige mathematische Engines.

Durch die Erfindungen von Logikgattern, Transistoren und integrierten Schaltkreisen wurde die ganze Welt verändert. Mikrochips sind heutzutage in allem, nicht nur in Ihrem Computer. Und CPUs sind die fortschrittlichsten Allzweck-Mikrochips, die wir herstellen können.

Wie funktionieren CPUs?^{(How Do CPUs Work?)}

Das gesamte Prinzip einer CPU basiert auf Binärcode^{(binary code)} . Menschen neigen dazu, Zahlen mit einem System darzustellen, das als Basis 10^{(base 10)} oder Dezimalsystem bezeichnet wird. Die Stellenwerte jeder Ziffer einer Zahl werden um den Faktor zehn erhöht. „111“ enthält also einhundert, zehn und eins.

Computer und ihre CPUs können die Basis 10 überhaupt nicht verstehen. Transistoren arbeiten nach dem Prinzip, entweder ein- oder ausgeschaltet zu sein. Das bedeutet, dass die Logikgatter, die Sie daraus bauen, auch nur mit diesen beiden Zuständen arbeiten können. Aus diesem Grund laufen CPUs grundsätzlich mit ^(CPUs)Binärcode^{(binary code)} . Dieses Zahlensystem hat unterschiedliche Stellenwerte. Statt 1, 10, 100, 1000 usw. sind die Stellenwerte 1,2,4,8,16,32,64,128 usw. 

Im Binärsystem wäre „111“ also 7 in Dezimalzahlen, da Sie 1, 2 und 4 zusammenzählen. Wenn eine der Zahlen eine Null ist, überspringst du sie einfach und addierst den Stellenwert der nächsten 1. Auf diese Weise kannst du jeden Dezimalwert ausdrücken. Beachten Sie nur^(Just) , dass Binärzahlen oft von rechts nach links gelesen werden, sodass der Stellenwert „1“ ganz rechts wäre.

Lassen Sie es uns in eine Tabelle stellen, um es glasklar zu machen:

Binary Place Values	1	2	4	8	16	32	64	128	256
The decimal number 7 in binary	1	1	1	0	0	0	0	0	0

Kannst du sehen, warum es die Dezimalzahl 7 ergibt? Machen wir die Nummer 23:

Binary Place Values	1	2	4	8	16	32	64	128	256
The decimal number 7 in binary	1	1	1	0	1	0	0	0	0

111 ist also „7“, aber „11101“ ist 23, weil der fünfte Stellenwert im Binärsystem 16 ist . Ziemlich^(Pretty) cool, oder? Auf diese Weise können Sie jede mögliche Zahl ausdrücken, die sich dezimal schreiben lässt. Das bedeutet, dass Computer aus Transistoren auch mit beliebigen Zahlen arbeiten können.

Wie werden CPUs hergestellt?

Auch der Produktionsprozess moderner CPUs ist erwartungsgemäß ziemlich komplex. Der grundlegende Prozess besteht darin, große Zylinder aus Siliziumkristall zu züchten. Seine Halbleitereigenschaften machen es ideal für den Aufbau einer binären integrierten Schaltung.

Diese großen Kristalle werden in dünne Scheiben geschnitten. Die Wafer werden dann mit einer anderen Chemikalie „dotiert“, um ihre Eigenschaften fein abzustimmen. Die Schaltkreise im Nanomaßstab werden dann mit Licht unter Verwendung eines als Fotolithografie^{(photolithography)} bekannten Prozesses in die Waferoberfläche geätzt .

CPU-Design und Leistung

CPUs sind nicht alle gleich. Der erste richtige Vorfahr der modernen CPU , der Intel 8086 , hatte etwa 29.000 Transistoren in seinem integrierten Schaltkreis. Heute hat ein Prozessor wie der Intel i99900K etwas mehr als 1,7 Milliarden^(billion) Transistoren. Je dichter die Logikschaltungen einer CPU sind, desto komplexer und höher ist die Anzahl der Befehle, die sie pro Taktzyklus ausführen kann. 

Warte mal, „ Uhrzyklus^(Hang) “? Ja, das ist die andere wichtige Komponente der CPU - Leistung. Eine CPU läuft mit einer bestimmten Frequenz, mit jedem Impuls des CPU -Taktes wird ein Zyklus von Berechnungen durchgeführt. Wenn Sie dieselbe CPU nehmen und ihre Taktrate verdoppeln, sollte sie (theoretisch) doppelt so schnell arbeiten. 

Dieser Intel 8086^{(Intel 8086)} von 1978 lief bei seiner Markteinführung mit 5 MHz. Das sind fünf Millionen Taktzyklen pro Sekunde. Der Intel i9-9900K? Es beginnt^{(starts )} bei 3,6 GHz. Diese 3600 MHz ^{(Ghz.That 3600)} ,^(Mhz) mit der Option, die Dinge nach Möglichkeit auf 5000 MHz zu erhöhen .

Um der CPU^(CPU) -Leistung eine weitere Schwäche hinzuzufügen , enthalten moderne CPUs tatsächlich mehrere „Kerne“. Jeder Kern ist eigentlich selbst eine unabhängige CPU . Heutzutage ist es üblich, mindestens vier solcher Kerne zu haben, aber in letzter Zeit ist es für Mainstream-Computer üblich, sechs oder acht Kerne zu haben. Professionelle High-End-Computer können im Bereich von 100 CPU - Kernen liegen. 

Mehrere Kerne zu haben bedeutet, dass die CPU mehrere Befehlssätze parallel ausführen kann. Das bedeutet, dass unsere Computer ohne Probleme viele Dinge gleichzeitig erledigen können. Einige CPUs haben „Multithreaded“-Kerne. Diese Kerne können selbst jeweils zwei getrennte Aufgaben erledigen. Bei Intel-CPUs wird dies als „ Hyperthreading “ bezeichnet.

Die Gesamtleistung einer CPU ergibt sich also aus einer Kombination von:

• Es ist die Gesamtzahl der Transistoren und wie fortschrittlich das Design seiner Logikschaltungen ist
• Die Taktfrequenz^{(clock frequency)}
• Die Anzahl der Kerne^{(number of cores)}
• Die Anzahl der Fäden

Es steckt natürlich mehr dahinter als diese vier Hauptpunkte. Dies sind jedoch die vier Hauptüberlegungen für eine gute Leistung einer CPU .

Die Rolle^(Role) der CPU in Ihrem Computer^{(Your Computer)}

Das Letzte, was wir behandeln müssen, ist, welche Aufgabe die CPU in Ihrem Computer spielt. Es ist schließlich nicht der einzige integrierte Schaltkreis-Mikrochip in Ihrem Computer. Zum Beispiel sind GPUs (Graphics Processing Units) oft noch transistorreicher als eine CPU .

Sie benötigen eine eigene Kühlung und Stromversorgung sowie Speicher. Es ist wie ein kleiner zusätzlicher Computer! Dasselbe gilt für die Chips, die Ihren Sound-, USB- und Festplattenverkehr steuern. Warum ist die CPU etwas^(CPU) Besonderes? Dies sind die Hauptgründe:

• Es kann JEDE^(ANY) Anweisung verarbeiten, eine GPU führt nur bestimmte Verarbeitungsarten aus
• Es verbindet alle anderen Komponenten miteinander und pusht und zieht Daten, damit Ihr Computer funktioniert
• Die CPU ist bis zu einem gewissen Grad an allen Arbeiten beteiligt, die der Computer ausführen muss

Kurz gesagt, die CPU ist die wichtigste Allzweck-Leistungskomponente in Ihrem Computer. Nehmen^(Don) Sie es nicht als selbstverständlich hin!

What Is a CPU & What Does It Do?

What is a CPU? The CPU or Central Processing Unit is the number-crunching brain of a computer. Everything a computer does, from playing video games to helping you write an essay, is broken down into a set of mathematical instructions. The CPU takes those instructions and executes them. 

The details of how it does this is, of course, much more complicated than that simple explanation. The most important thing you need to know is that the CPU is the main mathematical engine of a computer.

The (Extremely) Short History Of CPUs

The history of computing is long and complex. It also goes further back into history than digital technology, electronics or even electricity. An abacus is a sort of processor. So are mechanical calculators. The big difference is that these machines can only do one or a few mathematical tasks. They aren’t general purpose processors, which the modern CPU is an example of.

What makes a CPU a general purpose calculation device is the use of logic. In 1903 Nikola Tesla patented electrical circuits known as gates and switches. Using these circuits, you could build devices that perform logical operations, where you could have the machine act on certain conditions. 

In the mid- to late- 1940s William Shockley, John Bardeen and Walter Brattain invented and patented a device called a transistor, while working at Bell Laboratories. The transistor is the basic building block of a CPU. Transistors are relatively tiny computer components. The transistor is such an important invention that the three inventors were awarded a Nobel Prize for it.

In the late 1950s, Robert Noyce and Jack Kilby went one massive step further and created the first working integrated circuit. An integrated circuit is a set of electronic circuits integrated into a single piece of semiconductor material. In most cases, that material is silicon. This is what people mean when they say “microchip”. 

A CPU consists of one or more microchips. This is an important invention because billions of transistors can be packed into a single CPU. This creates incredibly powerful mathematical engines.

Using the inventions of logic gates, transistors and integrated circuits, the entire world has been changed. Microchips are in everything these days, not just your computer. And CPUs are the most advanced general-purpose microchips we can make.

How Do CPUs Work?

The entire principle of a CPU is based on binary code. Human beings tend to represent numbers using a system called base 10 or the decimal system. The place values of each digit in a number go up by a factor of ten. So “111” contains one hundred, ten and one.

Computers and their CPUs can’t understand base 10 at all. Transistors work on the principle of either being on or off. Which means the logic gates you build from them can also only work with these two states. This is why, fundamentally, CPUs run on binary code. This number system has different place values. Instead if 1, 10, 100, 1000 and so on, the place values are 1,2,4,8,16,32,64,128 and so on. 

So in binary “111” would be 7 in decimal numbers Since you add 1,2, and 4 together. If any of the numbers are a zero, you simply skip it and add the place value of the next 1. This way you can express any decimal value. Just note that binary numbers are often read from right to left, so the “1” place value would be at the far right.

Let’s put it in a table to make it crystal clear:

Binary Place Values	1	2	4	8	16	32	64	128	256
The decimal number 7 in binary	1	1	1	0	0	0	0	0	0

Can you see why it adds up to the number 7 in decimal? Let’s do the number 23:

Binary Place Values	1	2	4	8	16	32	64	128	256
The decimal number 7 in binary	1	1	1	0	1	0	0	0	0

So 111 is “7”, but “11101” is 23 because the fifth place value in binary is 16. Pretty cool, right? You can express any possible number that can be written in decimal this way. Which means computers built from transistors can work with any numbers as well.

How Are CPUs Made?

The production process of modern CPUs is also, as you’d expect, pretty complex. The basic process involves growing large cylinders of silicon crystal. Its semiconductor properties make it ideal for building a binary integrated circuit.

These large crystals are sliced into thin wafers. The wafers are then “doped” with another chemical to fine tune its properties. The nano-scale circuitry is then etched into the wafer surface using light using a process known as photolithography.

CPU Design and Performance

CPUs are not all made equal. The first proper ancestor of the modern CPU, the Intel 8086, had about 29 000 transistors in its integrated circuit. Today, a processor like the Intel i99900K has just over 1.7 billion transistors. The denser the logic circuits of a CPU, the more complex and higher the number of instructions it can perform per clock cycle. 

Hang on, “clock cycle”? Yes, that’s the other major component of CPU performance. A CPU runs at a particular frequency, with each pulse of the CPU clock a cycle of calculations are done. If you take the same CPU and double it’s clock speed then (in theory) it should perform twice as fast. 

That 1978 Intel 8086 ran at 5Mhz when it was launched. That’s five million clock cycles per second. The Intel i9-9900K? It starts at 3.6 Ghz.That 3600 Mhz, with the option to ramp things up to 5000 Mhz when possible.

To add yet another wrinkle to CPU performance, modern CPUs actually contain multiple “cores”. Each core is actually an independent CPU itself. It’s typical to have at least four such cores these days, but lately the norm has been for mainstream computers to have six or eight cores. High end professional computers may have in the region of a 100 CPU cores. 

Having multiple cores means that the CPU can perform multiple sets of instructions in parallel. Which means our computers can do many things at once without issue. Some CPUs have “multithreaded” cores. These cores can themselves handle two separate tasks each. In Intel CPUs this is branded as “hyperthreading”.

So the total performance of a CPU comes down to a combination of:

• It’s total transistor count and how advanced the design of its logic circuits are
• The clock frequency
• The number of cores
• The number of threads

There is, of course, more to it than these four main points. However, those are the four main considerations for making a CPU perform well.

The Role of the CPU in Your Computer

The last thing we have to cover is what job the CPU plays in your computer. It is, after all, not the only integrated circuit microchip in your computer. For example, GPUs (graphics processing units) are often even more transistor-dense than a CPU.

They need their own cooling and power supply, as well as memory. It’s like a small extra computer! The same can be said for the chips that control your sound, USB and hard drive traffic. So why is the CPU special? These are the main reasons:

• It can process ANY instruction, a GPU only does certain types of processing
• It ties all the other components together, pushing and pulling data to make your computer work
• The CPU is involved with all work the computer is asked to do to some extent

In short, the CPU is the most important general-purpose performance component in your computer. Don’t take it for granted!

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