Wie funktioniert ein Prozessor? CPU, Takt und Kerne erklärt

Der Prozessor (CPU, Central Processing Unit) ist das Rechenwerk jedes Computers, Smartphones und Tablets. Er führt die Befehle der Programme aus, Milliarden Mal pro Sekunde. Moderne Prozessoren bestehen aus zig Milliarden winziger Transistoren auf einem Chip von wenigen Quadratzentimetern.

Dieser Artikel erklärt, wie ein Prozessor Befehle verarbeitet, was Takt, Kerne und Cache bedeuten, wie Transistoren rechnen, worin sich x86 und ARM unterscheiden und was GPU und NPU leisten.

Was ein Prozessor macht

Programme bestehen aus einfachen Maschinenbefehlen: Zahlen addieren, vergleichen, Daten aus dem Speicher laden, an eine andere Stelle springen. Der Prozessor arbeitet sie in einem ständig wiederholten Zyklus ab:

Fetch (Holen): den nächsten Befehl aus dem Speicher laden.
Decode (Dekodieren): herausfinden, was der Befehl bedeutet.
Execute (Ausführen): die Rechnung im Rechenwerk (ALU) durchführen.
Write-back (Zurückschreiben): das Ergebnis in ein Register oder den Speicher schreiben.

Moderne Prozessoren arbeiten mehrere Befehle gleichzeitig in einer Pipeline ab, wie an einem Fließband, und sagen sogar voraus, welcher Programmzweig als Nächstes kommt.

Vier Schritte des Befehlszyklus: Fetch holt den Befehl, Decode entschlüsselt ihn, Execute führt ihn im Rechenwerk aus, Write-back speichert das Ergebnis. — Fetch, Decode, Execute, Write-back: der Befehlszyklus.

Aus Transistoren werden Rechnungen

Ein Transistor ist ein elektronischer Schalter: Strom an oder aus, 1 oder 0. Mehrere Transistoren bilden Logikgatter (UND, ODER, NICHT), daraus entstehen Addierer, Speicherzellen und schließlich ganze Rechenwerke. Alle Daten, auch Texte, Bilder und Töne, werden als Folgen von Nullen und Einsen verarbeitet. Ein aktueller Desktop-Prozessor enthält mehrere zehn Milliarden Transistoren mit Strukturen von nur wenigen Nanometern.

Takt, Kerne und Threads

Taktfrequenz: wie viele Arbeitstakte pro Sekunde, gemessen in Gigahertz (GHz). 4 GHz bedeuten 4 Milliarden Takte pro Sekunde. Die Leistung hängt aber genauso davon ab, wie viele Befehle pro Takt erledigt werden.
Kerne: eigenständige Recheneinheiten auf einem Chip. Ein Achtkernprozessor kann acht Aufgaben wirklich gleichzeitig bearbeiten, sofern die Software das nutzt.
Threads: Mit Hyper-Threading oder SMT kann ein Kern zwei Befehlsströme gleichzeitig bearbeiten und seine Rechenwerke so besser auslasten.
Hybrid-Designs: Viele aktuelle Prozessoren kombinieren schnelle Leistungskerne mit sparsamen Effizienzkernen.

Cache: schneller Zwischenspeicher

Der Arbeitsspeicher ist für den Prozessor vergleichsweise langsam. Deshalb hat jeder Prozessor eigene, sehr schnelle Zwischenspeicher, den Cache: einen kleinen L1-Cache pro Kern, einen größeren L2- und einen gemeinsamen L3-Cache. Je öfter benötigte Daten schon im Cache liegen, desto schneller läuft ein Programm. Wie SSD und Arbeitsspeicher zusammenarbeiten, erklärt Wie funktioniert eine SSD?

Tabelle der Speicherhierarchie von Register über L1-, L2- und L3-Cache und Arbeitsspeicher bis zur SSD mit typischer Größe und Zugriffszeit. — Speicherhierarchie: je näher am Rechenwerk, desto kleiner und schneller.

x86 und ARM

x86 (Intel, AMD): die klassische Architektur der Windows-PCs und Server, mit einem umfangreichen Befehlssatz.
ARM: ein einfacherer, sehr energieeffizienter Befehlssatz. ARM-Chips stecken in praktisch allen Smartphones, in Apples Macs mit M-Prozessoren und zunehmend in Windows-Laptops und Servern.

Programme müssen für die jeweilige Architektur übersetzt sein; Emulatoren können fremden Code mit Leistungseinbußen ausführen. Welche Rolle das Betriebssystem dabei spielt, erklärt Was ist ein Betriebssystem?

GPU und NPU

GPU (Grafikprozessor): Tausende einfache Rechenkerne, die viele gleichartige Rechnungen parallel ausführen. Ideal für Grafik, Videobearbeitung und das Training künstlicher Intelligenz.
NPU (Neural Processing Unit): ein spezialisierter Baustein für KI-Berechnungen wie Bilderkennung, Hintergrundunschärfe in Videokonferenzen oder lokale Sprachmodelle, besonders stromsparend. Mehr zu KI im Artikel Wie funktioniert ein Sprachmodell?

In Smartphones und vielen Laptops sitzen CPU, GPU, NPU und Speichercontroller auf einem gemeinsamen Chip, dem System-on-a-Chip (SoC).

Drei Kacheln: CPU mit wenigen starken Kernen, GPU mit tausenden einfachen Kernen für Grafik und KI-Training, NPU für sparsame KI-Berechnungen. — CPU, GPU und NPU und wofür sie gebaut sind.

Wärme und Kühlung

Jeder Schaltvorgang erzeugt Wärme. Ein Desktop-Prozessor kann unter Last über 100 W in Wärme umsetzen, die ein Kühler abführen muss. Wird es zu heiß, senkt der Prozessor automatisch den Takt (Throttling). Staubige Lüfter in Laptops sind deshalb ein häufiger Grund für nachlassende Leistung.

Fazit

Ein Prozessor holt, dekodiert und führt Maschinenbefehle in schneller Folge aus, aufgebaut aus Milliarden Transistoren, die als Schalter für Nullen und Einsen dienen. Leistung entsteht aus Takt, Befehlen pro Takt, der Zahl der Kerne und einem großen Cache. x86 dominiert klassische PCs, ARM Smartphones und effiziente Laptops; GPUs und NPUs übernehmen Grafik- und KI-Aufgaben. Weitere Grundlagen finden Sie in der Übersicht Computer- und Software-Grundlagen.