Netzwelt-Wissen: Prozessor - einfach erklärt

Aufbau und Funktion im Überblick

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von Jan Kluczniok
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Egal ob PC, Smartphone oder Spielekonsole - ohne Prozessor läuft in der Welt der Unterhaltungselektronik gar nichts. Die Hersteller übertreffen sich dabei mit immer neuen Superlativen: 3 Gigahertz Taktfrequenz, Octa- statt Quad-Core - ihr versteht nur noch Bahnhof? Wir erklären euch CPUs ganz einfach, indem ihr euch einen Supermarkt vorstellt.

Der Prozessor ist das "Herzstück" vieler technischer Geräte.
Der Prozessor ist das "Herzstück" vieler technischer Geräte. (Quelle: Wavebreakmedia/depositphotos.com)

Inhaltsverzeichnis

  1. Taktfrequenz
  2. Anzahl der Rechenkerne
  3. Ist ein Octa-Core immer schneller als ein Quad-Core?
  4. Architektur
  5. ARM versus x86
  6. Strukturgröße
  7. Sonderfälle
  8. Cluster und big.Little
  9. System-on-a-Chip und Co-Prozessoren

Der Prozessor gilt als "Herzstück" von Computer, Tablet oder Smartphone. Er führt Berechnungen durch, arbeitet Befehle ab und steuert die anderen Komponenten. Statt Prozessor wird häufig auch die Abkürzung "CPU" verwendet. Diese steht für "Central Processing Unit" oder zu Deutsch: zentrale Verarbeitungseinheit.

Um die Leistungsfähigkeit eines Prozessors zu beurteilen, reichte lange Zeit ein Blick auf die Taktfrequenz. Mittlerweile versehen Chiphersteller ihre Produkte aber mit immer mehr Zusätzen. Neben der reinen Taktfrequenz findet ihr Angaben zur Anzahl der Rechenkerne oder zur Strukturgröße. Was es damit auf sich hat, erfahrt ihr nachfolgend. Um euch die Begriffe verständlicher zu machen, vergleichen wir den Prozessor mit einer Kasse im Supermarkt.

Taktfrequenz

Die Taktfrequenz gibt an, wie schnell der Prozessor arbeitet. Übertragen auf das Beispiel "Supermarkt" verrät die Taktfrequenz, wie viele Kunden ein Kassierer in einem bestimmten Zeitraum bedient. Die Taktfrequenz wird in Hertz angegeben. Aktuelle Prozessoren in Desktop-PCs und Smartphones erreichen eine Taktfrequenz von rund 3 Gigahertz oder 3.000 Megahertz.

Weist ein Prozessor eine höhere Taktfrequenz als ein anderer auf, bedeutet dies tendenziell, dass er schneller ist. Ein Kassierer, der in einer Stunde 100 Kunden abfertigt, arbeitet schließlich auch schneller als sein Kollege, der in derselben Zeit nur 80 Kunden abkassiert.

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Die Taktfrequenz ist aber nicht allein verantwortlich für die Performance eines Prozessors. Beim Vergleich der Leistungsfähigkeit spielen auch weitere Faktoren eine Rolle - etwa die Anzahl der Kerne.

Anzahl der Rechenkerne

Wie ihr euch vorstellen könnt, lässt sich die Geschwindigkeit eines Prozessors nicht ins Unermessliche steigern. Schließlich gibt es Grenzen der Leistungsfähigkeit. Würde der Kassierer in unserem fiktiven Supermarkt versuchen, noch mehr Kunden in einer Stunde abzufertigen, würde er irgendwann vor Erschöpfung zusammenbrechen.

Damit dies nicht eurem PC oder Smartphone passiert, kommen in modernen Geräten sogenannte Mehrkernprozessoren zum Einsatz. Hier sind mehrere Prozessoren miteinander verbunden und teilen sich die Arbeit. Übertragen auf unser Beispiel "Supermarkt" bedeutet dies, dass statt einer Kasse dem Kunden zwei, vier oder gar acht Kassen zum Bezahlen zur Verfügung stehen.

Ist ein Octa-Core immer schneller als ein Quad-Core?

Mehrkernprozessoren werden häufig auch gemäß der Zahl ihrer Rechenkerne als Dual-Core (zwei Kerne), Quad-Core (vier Kerne) oder Octa-Core-Prozessor (acht Kerne) bezeichnet. Je mehr Kerne ein Prozessor hat, desto schneller arbeitet er in der Regel. Allerdings muss ein Octa-Core-Prozessor nicht immer schneller sein als ein Quad-Core-Prozessor! Beim Vergleich der Prozessoren spielt nämlich auch die Architektur der einzelnen Rechenkerne eine Rolle.

Architektur

Was müssen wir uns unter dem Begriff Architektur vorstellen? Die Architektur beschreibt den Aufbau des Rechenkerns. Ein Prozessor mit moderner Architektur kann trotz weniger Kerne deutlich schneller sein, als ältere Chips mit Mehrkernen. Um dies zu verstehen, stellt euch zwei Supermärkte vor. Der eine hat acht Kassen, der andere vier. Man sollte meinen, dass die Kunden den ersten Supermarkt wieder deutlich schneller verlassen können, da es mehr Kassen gibt und sie somit nicht so lange warten müssen wie im zweiten Supermarkt.

Doch dies ist ein Trugschluss. Stellt euch vor, der erste Supermarkt hat zwar acht Kassen, jedoch sind die Kassensysteme so alt, dass die Kassierer jedes Produkt an der Kasse durch Eingabe eines Zahlencodes erfassen müssen. Im anderen Supermarkt gibt es dagegen nur vier Kassen, diese sind jedoch alle mit Barcodescannern ausgerüstet, sodass die Kassierer die Produkte viel schneller erfassen können.

ARM versus x86

Nachdem nun klar ist, wieso die Architektur bei der Performance eine Rolle spielt, werfen wir einen Blick auf den Markt. Aktuell herrschen hier vor allem zwei Architekturen vor: die des britischen Unternehmens ARM und die sogenannte x86-Architektur. Letztere kommt in den Prozessoren von Intel und AMD zum Einsatz. ARM-Chips finden sich dagegen vornehmlich in Smartphones und Tablets. Tendenziell sind x86-Chips leistungsfähiger, ARM-Chips arbeiten dafür stromsparender, deshalb werden sie auch vornehmlich in mobilen Geräten verwendet.

ARM und x86 sind jedoch nur Sammelbegriffe für eine Vielzahl unterschiedlicher leistungsfähiger Architekturen. So klassifiziert Intel seine Chips mittlerweile in die Klassen Celeron, Core i3, i5, i7 und Xenon. Die aktuelle Generation an AMD-Prozessoren hört auf den Namen AMD Ryzen. Noch zersplitterter ist der Markt im Bereich der Mobilgeräte. Denn ARM stellt selbst keine Chipsätze her, sondern liefert nur entsprechende Architekturen, die andere Hersteller lizenzieren und abändern können.

Der Markt wird hier aktuell von den Snapdragon-Prozessoren des US-Herstellers Qualcomm dominiert. Weitere wichtige auf ARM-basierende Chips sind die Kirin-Prozessoren von Huawei, die Exynos-Chips von Samsung und Apples A-Serie. Im Smartphone-Sektor gelten die Apple-Prozessoren derzeit als Maß aller Dinge. Die Chips von Samsung, Huawei und Qualcomm liegen dahinter und sind in etwa gleich auf.

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Jede Architektur bringt auch eine "eigene Sprache" mit, die der Prozessor zur Kommunikation mit dem System verwendet. In Fachkreisen spricht man hier auch von "Befehlssatz". Diese unterschiedlichen Sprachen sind auch der Grund, warum ihr nicht einfach ein Windows-Programm vom PC auf dem Smartphone installieren könnt, selbst wenn auf diesem Windows Phone läuft.

Strukturgröße

Auch die Größe spielt bei der Bewertung der Leistungsfähigkeit von Prozessoren eine Rolle.
Auch die Größe spielt bei der Bewertung der Leistungsfähigkeit von Prozessoren eine Rolle. (Quelle: netzwelt)

Neben der Architektur spielt auch die Strukturgröße bei der Bewertung der Leistungsfähigkeit eines Prozessors eine Rolle. Vereinfacht gesagt, gibt diese an, wie groß ein Prozessor ist. Kleinere Chips arbeiten hier tendenziell schneller als größere. Um dies zu verstehen, bemühen wir noch mal das Supermarkt-Beispiel. Stellt euch vor, ihr kommt mit eurem Einkaufswagen an der Kasse an. Ihr legt eure Waren auf das Laufband der Kasse und der Kassierer lässt dieses anfahren, damit es die Produkte zu ihm bringt und er sie scannen kann.

Bei Kassen mit langen Bändern kann dies einige Sekunden dauern. Ist das Band kürzer, geht es dagegen deutlich schneller. So ist es auch bei einem Prozessor. Kürzere Wege zwischen den Einheiten bedeuten schnelleres und effizienteres Arbeiten. Allerdings können Prozessoren nicht unendlich klein werden. Hier gibt es ebenso wie bei der Taktfrequenz physikalische Grenzen.

Die Strukturgröße wird übrigens in Nanometern angegeben. Aktuell kommen in Desktop-PCs 14 Nanometer große Prozessoren zum Einsatz, bei Smartphones setzen die Hersteller auf das 10-Nanometer-Verfahren.

Sonderfälle

Nicht außer acht lassen solltet ihr bei der Beurteilung der Leistungsfähigkeit eines Prozessors auch Sonderfälle. Hier seien zunächst Cluster und das big.Little-Prinzip erwähnt. Beides kommt vor allem bei Mehrkernprozessoren zum Einsatz.

Cluster und big.Little

So teilen sich Octa-Core-Prozessoren häufig in zwei Cluster, aus je vier CPU-Kernen. Beide Cluster unterscheiden sich in ihrer Architektur. Ein Cluster weist in der Regel Kerne mit modernster Architektur auf. Diese sind auf maximale Leistung optimiert. Das andere Cluster besteht dagegen aus Kernen mit einer älteren Architektur, die jedoch sehr stromsparend arbeitet. So ein Aufbau wird in Fachkreisen auch als big.Little-Prinzip bezeichnet. Es kommt häufig in Prozessoren für mobile Geräte zum Einsatz.

Die Idee dahinter: Nicht immer benötigt der Nutzer die volle Leistungsfähigkeit des Prozessors. Um Strom zu sparen und die Akkulaufzeit tragbarer Geräte zu verlängern, wird in solchen Fällen das CPU-Cluster mit den Hochleistungskernen abgeschaltet, und nur bei Bedarf wieder aktiviert. In der Zwischenzeit arbeitet das Gerät mit dem auf Effizienz optimierten Cluster.

Auf unser Beispiel "Supermarkt" ließe sich dies wie folgt übertragen. Stellt euch einen Supermarkt mit acht Kassen vor. Bei vier handelt es sich um hochmoderne Bezahlterminals, die jeweils mit erfahrenen und schnell arbeitenden Kassierern besetzt sind. Die anderen vier sind Selbstbedienungskassen, an denen die Kunden ihre Waren selber einscannen müssen. Der Bezahlvorgang dauert in der Regel an den Selbstbedienungskassen länger, weil die Kunden noch nicht mit dem System vertraut sind.

In Zeiten, in denen wenig Andrang herrscht, ist es dennoch sinnvoller für den Supermarkt, nur die Selbstbedienungskassen zu öffnen. Denn statt vier Kassierern, die bezahlt werden müssen und nur wenig zu tun haben, muss für die Selbstbedienungskassen nur ein Kassierer abgestellt werden, der überwacht, dass die Kunden ihre Waren abkassieren und bei Fragen und Problemen hilft. Der Supermarkt spart also Personalkosten. Zu Stoßzeiten können dann die übrigen Kassen geöffnet werden, um den Kundenansturm zu bewältigen.

System-on-a-Chip und Co-Prozessoren

Wenn wir heute von Prozessoren sprechen, meinen wir in der Regel ein System-on-a-Chip oder kurz SoC. Der Begriff beschreibt, dass in dem Prozessor weitere Komponenten integriert wurden, die früher unabhängig waren. Bei Smartphones und Tablets sind in der Regel Modem, Grafikeinheit und CPU auf einem Chip verschmolzen.

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Hinzu kommen eine Reihe von Co-Prozessoren. Hierbei handelt es sich um Prozessoren, die auf bestimmte Aufgaben spezialisiert sind, und so den Hauptprozessor entlasten. So verfügt das iPhone X etwa über Co-Prozessoren, die die Bewegungssensoren des Smartphones überwachen, steuern und auswerten. Das Huawei Mate 10 Pro bietet einen zusätzlichen Chip, der vornehmlich der Bilderkennung dient. Solche Co-Prozessoren können die Leistungsfähigkeit einer CPU in bestimmten Situationen deutlich erhöhen.

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Informationen zum Artikel

Dieser Artikel wurde mit den Schlagworten Computer, Mobile, Netzwelt-Wissen und Smartphone versehen.

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