Was ist eine CPU und was macht sie?


Was ist eine CPU? Die CPU oder Zentraleinheitist das Gehirn eines Computers, das Zahlen berechnet. Alles, was ein Computer tut, vom Spielen von Videospiele bis zum Schreiben eines Aufsatzes, ist in eine Reihe mathematischer Anweisungen unterteilt. Die CPU nimmt diese Anweisungen entgegen und führt sie aus.

Die Details dazu sind natürlich vielkomplizierter 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

Die Geschichte des Rechnens ist lang und komplex. Es geht auch weiter zurück in die Geschichte als digitale Technologie, Elektronik oder sogar Elektrizität. Ein Abakus ist eine Art Prozessor. Mechanische Taschenrechner auch. Der große Unterschied besteht darin, dass diese Maschinen nur eine oder wenige mathematische Aufgaben ausführen können. Sie sind keine Allzweckprozessoren, wofür die moderne CPU ein Beispiel ist.

Was eine CPU zu einem Allzweck-Berechnungsgerät macht, ist die Verwendung von Logik. Im Jahr 1903 patentierte Nikola Tesla elektrische Schaltkreise, die als Tore und Schalter bekannt sind. Mit diesen Schaltkreisen können Sie Geräte erstellen, die logische Operationen ausführen, bei denen die Maschine unter bestimmten Bedingungen arbeiten kann.

Mitte bis Ende der 1940er Jahre erfanden und patentierten William Shockley, John Bardeen und Walter Brattain während ihrer Arbeit bei Bell Laboratories ein Gerät namens Transistor. Der Transistor ist der Grundbaustein einer CPU. Transistoren sind relativ kleine Computerkomponenten. Der Transistor ist eine so wichtige Erfindung, dass die drei Erfinder dafür einen Nobelpreis erhalten haben.

In den späten 1950er Jahren gingen Robert Noyce und Jack Kilby einen großen Schritt weiter und schufen die erste funktionierende integrierte Schaltung. Eine integrierte Schaltung ist ein Satz elektronischer Schaltungen, die in ein einzelnes Stück Halbleitermaterial integriert sind. In den meisten Fällen ist dieses Material Silizium. Das meinen die Leute, wenn sie „Mikrochip“ sagen.

In_content_1 all: [300x250] / dfp: [640x360]->

Eine CPU besteht aus einem oder mehreren Mikrochips. Dies ist eine wichtige Erfindung, da Milliarden von Transistoren in eine einzelne CPU gepackt werden können. Dies schafft unglaublich leistungsfähige mathematische Motoren.

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

Wie funktionieren CPUs?

Das gesamte Prinzip einer CPU basiert auf Binärcode. Menschen neigen dazu, Zahlen unter Verwendung eines Systems darzustellen, das Basis 10oder des Dezimalsystems genannt wird. Die Stellenwerte jeder Ziffer in einer Zahl werden um den Faktor zehn erhöht. "111" enthält also einhundertzehn und eins.

Computer und ihre CPUs können Base 10 überhaupt nicht verstehen. Transistoren arbeiten nach dem Prinzip, entweder ein- oder ausgeschaltet zu sein. Das heißt, die Logikgatter, die Sie daraus erstellen, können auch nur mit diesen beiden Zuständen arbeiten. Aus diesem Grund werden CPUs grundsätzlich mit Binärcodeausgeführt. Dieses Zahlensystem hat unterschiedliche Stellenwerte. Wenn stattdessen 1, 10, 100, 1000 usw. sind, sind die Ortswerte 1,2,4,8,16,32,64,128 und so weiter.

In der Binärdatei wäre „111“ also 7 in Dezimalzahlen, da Sie 1,2 und 4 addieren. Wenn eine der Zahlen eine Null ist, überspringen Sie sie einfach und addieren den Stellenwert der nächsten 1. Auf diese Weise können Sie einen beliebigen Dezimalwert ausdrücken. Beachten Sie nur, dass Binärzahlen häufig von rechts nach links gelesen werden, sodass der Stellenwert „1“ ganz rechts liegt.

Lassen Sie uns ihn in eine Tabelle einfügen, um ihn kristallklar zu machen:

Können Sie sehen, warum sich die Zahl 7 dezimal summiert? Machen wir die Nummer 23:

111 ist also "7", aber "11101" 23, weil der fünfte Platz in binär 16 ist. Ziemlich cool, oder? Auf diese Weise können Sie jede mögliche Zahl ausdrücken, die dezimal geschrieben werden kann. Dies bedeutet, dass Computer, die aus Transistoren aufgebaut sind, auch mit beliebigen Zahlen arbeiten können.

Wie werden CPUs hergestellt?

Der Produktionsprozess moderner CPUs ist erwartungsgemäß auch ziemlich komplex . Der grundlegende Prozess beinhaltet das Züchten großer Zylinder aus Siliziumkristall. Aufgrund seiner Halbleitereigenschaften eignet es sich ideal zum Aufbau einer binären integrierten Schaltung.

Diese großen Kristalle werden in dünne Wafer geschnitten. Die Wafer werden dann mit einer anderen Chemikalie "dotiert", um ihre Eigenschaften fein abzustimmen. Die Schaltung im Nanomaßstab wird dann unter Verwendung von Licht unter Verwendung eines als Fotolithografie bekannten Prozesses in die Waferoberfläche geätzt.

CPU-Design und -Leistung

CPUs sind nicht alle gleich gemacht. Der erste richtige Vorfahr der modernen CPU, der Intel 8086, hatte ungefähr 29 000 Transistoren in seiner integrierten Schaltung. Heute verfügt ein Prozessor wie der Intel i99900K über etwas mehr als 1,7 Milliarden Transistoren. Je dichter die Logikschaltungen einer CPU sind, desto komplexer und höher ist die Anzahl der Befehle, die sie pro Taktzyklus ausführen kann.

Moment mal, "Taktzyklus"? Ja, das ist die andere Hauptkomponente der CPU-Leistung. Eine CPU läuft mit einer bestimmten Frequenz, wobei mit jedem Impuls des CPU-Takts ein Berechnungszyklus durchgeführt wird. Wenn Sie dieselbe CPU verwenden und die Taktrate verdoppeln, sollte sie (theoretisch) doppelt so schnell arbeiten.

Der 1978er Intel 8086 lief beim Start mit 5 MHz. Das sind fünf Millionen Taktzyklen pro Sekunde. Der Intel i9-9900K? Es startetbei 3,6 GHz. Das sind 3600 MHz, mit der Option, die Dinge nach Möglichkeit auf 5000 MHz hochzufahren.

Um der CPU-Leistung noch eine weitere Falte hinzuzufügen, Moderne CPUs enthalten tatsächlich mehrere „Kerne“. Jeder Kern ist selbst eine unabhängige CPU. Es ist heutzutage typisch, mindestens vier solcher Kerne zu haben, aber in letzter Zeit war es üblich, dass Mainstream-Computer sechs oder acht Kerne haben. Professionelle High-End-Computer verfügen möglicherweise über 100 CPU-Kerne.

Wenn mehrere Kerne vorhanden sind, kann die CPU mehrere Befehlssätze parallel ausführen. Das heißt, unsere Computer können viele Dinge gleichzeitig ohne Probleme erledigen. Einige CPUs verfügen über Multithread-Kerne. Diese Kerne können selbst zwei separate Aufgaben ausführen. In Intel-CPUs wird dies als "Hyperthreading " bezeichnet.

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

  • Es ist Gesamttransistoranzahl und wie fortgeschritten das Design seiner Logikschaltungen ist
  • Die Taktfrequenz
  • Die Zahl der Kerne
  • Die Anzahl der Threads
  • Es steckt natürlich mehr dahinter als diese vier Hauptpunkte. Dies sind jedoch die vier wichtigsten Überlegungen für eine gute CPU-Leistung.

    Die Rolle der CPU in Ihrem Computer

    Das Letzte, was wir behandeln müssen, ist was Job, den die CPU in Ihrem Computer spielt. Es ist schließlich nicht der einzige Mikrochip für integrierte Schaltkreise in Ihrem Computer. Beispielsweise sind GPUs (Grafikprozessoren) häufig noch transistordichter als eine CPU.

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

    • Es kann JEDEN Befehl verarbeiten, eine GPU führt nur bestimmte Verarbeitungsarten aus.
    • Alle anderen Komponenten werden miteinander verbunden, Daten werden übertragen und abgerufen Damit Ihr Computer funktioniert
    • Die CPU ist in gewissem Maße an allen Arbeiten beteiligt, die der Computer ausführen soll.
    • Kurz gesagt, die CPU ist der wichtigste allgemeine Zweck Leistungskomponente in Ihrem Computer. Nicht für selbstverständlich halten!

      Related posts:


      5.05.2020