Mikroprozessor

Grundbegriff und Bedeutung

Ein Mikroprozessor (µP oder uP) ist ein Computerprozessor, der als integrierter Schaltkreis (IC) ausgeführt ist. Typische Beispiele sind die Hauptprozessoren, also Central Processing Units (CPU), moderner Computer und Personal Computer. Mikroprozessoren prägen seit den 1980er Jahren das Informationszeitalter und die digitale Revolution. Seit den 2010er Jahren sind sie auch zentral für mobile Geräte wie Smartphones; viele moderne CPUs sind Mehrkernprozessoren.

Ein typischer Mikroprozessor ist ein getakteter, registerbasierter, digitaler integrierter Schaltkreis in CMOS- beziehungsweise MOSFET-Technik. Er verarbeitet Binärdaten nach Anweisungen, die im Arbeitsspeicher liegen, und gibt Ergebnisse wieder binär aus. Wichtige Bestandteile sind Register, also schnelle kleine Speicherplätze im Prozessor, und die Arithmetic Logic Unit (ALU), das Rechen- und Logikwerk. Prozessoren folgen bestimmten Mikroarchitekturen oder Prozessorarchitekturen, zum Beispiel CISC, RISC, RISC-V, MIPS oder POWER.

Gegenüber frühen Rechnern aus Röhren- oder Relaistechnik ist ein mikroprozessorbasierter Computer stark verkleinert und hochintegriert. Die Herstellung erfolgt aus Halbleitermaterial auf einem Die oder Chip, unter anderem durch fotolithografische Prozesse auf einem Wafer. Diese sehr hohe Integrationsdichte wird als Very Large Scale Integration (VLSI) bezeichnet. Durch weitere Miniaturisierung konnten zusätzlich zum Prozessor auch Speicher, Schnittstellen und andere Peripherie auf einem Chip integriert werden. Daraus entstanden Mikrocontroller (µC oder uC), Microcontroller Units (MCU) und später System-on-a-Chip (SoC).

Technologie, Herstellung und Größenordnungen

Der Begriff „Mikroprozessor“ verweist ursprünglich auf sehr kleine Strukturgrößen: 1 Mikro oder 1 µ entspricht 1 µm = 10^−6 m. Die Strukturgrößen entwickelten sich von wenigen Mikrometern in den 1980er Jahren bis in den ein- bis zweistelligen Nanometerbereich. Halbleiterprozesse werden in Technologieknoten eingeteilt: ≥ 65 nm, 20–64 nm, 11–19 nm und < 11 nm. Viele ICs in Elektrogeräten entstehen weiterhin in Bereichen wie 45 bis 130 nm; moderne Hochleistungs-CPUs und SoCs, auch für Smartphones, nutzen Prozesse unter 14 nm auf großen 300-mm-Wafern. Bei solchen Strukturgrößen spricht man von Nanoelektronik.

Die Herstellung eines Mikroprozessors umfasst weltweit verteilte Forschung und Entwicklung, den Entwurf der integrierten Schaltung und die Fertigung in spezialisierten Halbleiterfabriken. Beim Design werden Hardwarebeschreibungssprachen und CAE- beziehungsweise EDA-Werkzeuge genutzt. Ein Hochleistungsrechner „routet“ die Leiterbahnen, also sucht eine Anordnung mit möglichst wenig Transistoren und geringer Verlustleistung. Solche Routingprobleme sind NP-vollständig, daher entstehen meist Näherungslösungen.

Aus dem Layout werden Fotomasken erstellt. Mit Fotolithografie werden Wafer belichtet und anschließend geätzt. Die Fertigung heutiger Mikroprozessoren umfasst weit über 100 Prozessschritte; schon ein Fehler kann einen Prozessor unbrauchbar machen. In der Endkontrolle werden Prozessoren nach Taktfestigkeit klassifiziert. Testprogramme prüfen unter anderem Signalpegel bei verschiedenen Takten und laufzeitkritische Signalwege, um Speed Paths, also Fehler durch Signalverzögerungen, zu vermeiden. Seit den 1990er Jahren findet die Halbleiterfertigung verstärkt im asiatisch-pazifischen Raum statt. Störungen der Lieferketten führten ab 2020 zu einem Chipmangel, der etwa die Automobilindustrie beeinträchtigte.

Historische Entwicklung und Architekturen

Vor dem Mikroprozessor standen große Rechenanlagen: Die ZUSE Z3 von 1941 gilt als erster funktionsfähiger speicherprogrammierbarer Digitalrechner und bestand aus 600 Relais für das Rechenwerk und 1400 Relais für das Speicherwerk. Der ENIAC von 1946 enthielt 18.000 Röhren und 1.500 Relais und gilt als erster vollelektronischer digitaler Universalrechner. Einzelne Prozessoren im späteren Sinn gab es dabei noch nicht. Der Übergang zur Transistortechnik verringerte Platzbedarf, Wärmeentwicklung, Ausfallquote und Stromverbrauch und erhöhte die Geschwindigkeit; die Taktfrequenz stieg auf etwa 1 MHz.

1971 stellte Texas Instruments den TMS1000 vor, einen Schaltkreis mit Hauptprozessor, 1 KiB ROM, 64×4-Bit-RAM, Zählern, Timern sowie Ein- und Ausgabe-Schnittstellen. Er gehört zur Familie der Mikrocontroller. Im selben Jahr präsentierte Intel den 4004, der als erster Hauptprozessor auf einem Chip und erster kommerzieller Mikroprozessor gilt. Er hatte 4 Bit breite Register und eine Taktfrequenz von bis zu 740 kHz. Der 4004 entstand ursprünglich für den japanischen Tischrechnerhersteller Busicom; wichtige Namen im Projekt waren Ted Hoff und Federico Faggin.

Die Wortbreite stieg später meist in Verdopplungsschritten. Der Intel 8008 von 1972 war der erste 8-Bit-Mikroprozessor; ihm folgten unter anderem Intel 8080, Motorola 6800, MOS Technology 6502 und Zilog Z80. Z80 und 6502 trugen durch niedrige Kosten zum Heimcomputermarkt der frühen 1980er Jahre bei. Bei 16-Bit-Prozessoren waren unter anderem National Semiconductors IMP-16 und PACE, der TMS 9900 und Intels 8086 wichtig. Der 8086 wurde zum ersten Mitglied der x86-Familie, die in vielen PCs verbreitet ist.

Bei 32-Bit-Prozessoren nennt der Artikel den BELLMAC-32A von AT&T Bell Labs und besonders Motorolas MC68000, der intern 32-Bit-Register nutzte, aber 16-Bit-Busse verwendete und unter anderem im Apple Lisa, Macintosh, Atari ST und Commodore Amiga eingesetzt wurde. Intels 80386 von 1985 stärkte durch Rückwärtskompatibilität die x86-Linie. 64-Bit-Prozessoren gab es in manchen Märkten schon seit den frühen 1990er Jahren; im PC-Markt wurden sie nach 2000 wichtig. AMD führte mit x64 beziehungsweise AMD64 eine zu IA-32 rückwärtskompatible 64-Bit-Architektur ein, Intel folgte mit Intel 64.

RISC-Prozessoren, also Prozessoren mit reduziertem Befehlssatz, entstanden ab Mitte der 1980er Jahre für Spezialcomputer und UNIX-Workstations. Wichtige RISC-Architekturen waren MIPS, IBM POWER, Sun SPARC, DEC Alpha und HP PA-RISC. ARM konzentrierte sich ab den 2000er Jahren auf die Lizenzierung seiner Architektur und wurde in den 2010er Jahren führend bei mobilen Geräten, besonders Smartphones.

Bauformen, Spezialprozessoren und Anwendungen

Mikroprozessoren treten nicht nur als allgemeine CPU auf. Es gibt spezialisierte Prozessoren wie Netzwerk-, Grafik- und Soundprozessoren sowie Schaltungen wie CPLD, FPGA oder ASIC, die als Mikroprozessor ausgelegt werden können. Grafikprozessoren (GPUs) entwickelten sich von einfachen Schaltkreisen für Bildschirmausgabe zu sehr komplexen Recheneinheiten. Moderne GPUs können über 1000 Kerne, meist Shader-Units genannt, enthalten. Dazu kommen zum Beispiel ROPs, Streaming Multiprocessors, VRAM, Cache, Tensor-Kerne für KI-relevante Berechnungen und RT-Kerne für Strahlenberechnungen. Dedizierte GPUs sitzen auf Grafikkarten; integrierte GPUs sind Teil der CPU und nutzen meist den normalen Arbeitsspeicher.

Seit dem frühen 21. Jahrhundert wird auch an Quantenprozessoren mit Qubits und neuronalen Prozessoren (NPUs) geforscht. Quantenprozessoren werden zwar mit halbleitertechnischen Prozessen hergestellt, funktionieren aber grundlegend anders als binäre Mikroprozessoren. Seit den 2020er Jahren werden CPUs zunehmend mit KI-optimierten Co-Prozessoren oder Recheneinheiten ergänzt. Fachleute schätzen, dass KI-Anwendungen den Halbleitermarkt auf über eine Billion Dollar Gesamtumsatz bringen werden.

Mit steigender Integrationsdichte wurden früher getrennte Bausteine in CPUs eingebaut: Memory Management Unit (MMU) für Speicherverwaltung, numerische Coprozessoren für Gleitkommazahlen, Vektoreinheiten wie MMX, SSE oder AltiVec, Cache-Speicher der Level 1 bis 3, Teile des Chipsatzes, Grafikchips, mehrere Prozessorkerne, mehrere Dies auf einem Substrat und Neural Processing Units. Mikrocontroller unterscheiden sich dadurch, dass sie mindestens eine CPU und weitere Bausteine wie Speicher und Peripherie auf einem Chip besitzen.

Die Einsatzbereiche bestimmen das Design. Industrielle Mikroprozessoren und Mikrocontroller für Luftfahrt, Raumfahrt und Wehrtechnik müssen oft hohen Temperaturen und Strahlung standhalten und werden strahlungsgehärtet gebaut. Mikrocontroller besitzen häufig weniger Register und einen eingeschränkten Befehlssatz, reichen aber für Steuerungen in Maschinen oder Fahrzeugen aus. Moderne Anwendersysteme verwenden überwiegend 64-Bit-Prozessoren; 32-Bit-CPUs sind für viele PC-Anwendungen wegen der maximalen Adressierung von 4 GiB RAM überholt. Windows 11 gibt es ausschließlich mit 64-Bit-Architektur.

Leistung, Energie und Kühlung

Seit den 1980er Jahren versucht man, die Rechenleistung von CPUs zu erhöhen und gleichzeitig Stromaufnahme und Wärmeverluste zu senken. Kleinere Strukturgrößen senken Schaltspannungen, doch das Mooresche Gesetz neigt sich laut Artikel seit den 2000er Jahren dem Ende zu. Trotz FinFET, Gate-All-Around FET (GAAFET) und EUV-Lithografie führten thermische Grenzen zu einem Plateau beim Stromverbrauch und zu stagnierenden Taktraten. Deshalb wird Leistung heute nicht mehr nur über die Taktfrequenz bewertet, sondern auch über Instruktionen pro Sekunde (IPS). Weitere Kennwerte sind Instruktionen pro Befehl (IPC) und Gleitkommaoperationen pro Sekunde (FLOPS).

Benchmarking ist die Messung der Rechenleistung. Bekannte Werkzeuge und Standards sind SPECint der Standard Performance Evaluation Corporation (SPEC), Coremark, Dhrystone, CPU-Z, Geekbench, LINPACK für Supercomputer, die TOP500-Liste sowie PCMark, Cinebench und AIDA64. Taktraten moderner PC-Mikroprozessoren liegen pauschal etwa zwischen 1 GHz und 5 GHz; Mikroprozessoren in Mikrocontrollern takten etwa zwischen 32 und 800 MHz. Übertakten erhöht die Schaltfrequenz und kann den Stromverbrauch stark verändern. Undervolting senkt die Spannung; laut Intel kann eine Reduzierung der Taktfrequenz eines einzelnen Kerns um 20 % die Hälfte des Stromverbrauchs einsparen, während die Gesamtleistung nur um 13 % abnimmt.

Mehrkernprozessoren sind seit Mitte der 2000er Jahre weit verbreitet. Sie besitzen mehrere Kerne in einem CPU-Baustein, etwa Dual-Core oder Quad-Core. Moderne CPUs unterscheiden echte und logische Kerne; ab den 2020er Jahren nennt der Artikel 10 bis 20 logische Kerne als typisch. Kerne können unterschiedlich auf Leistung, Effizienz oder begrenzte Energieverfügbarkeit ausgelegt sein. Seit den 2010er Jahren werden Chiplets und 3D Packaging wichtiger; der Standard Universal Chiplet Interconnect express (UCIe) verbindet solche Bausteine.

Mikroprozessoren benötigen Kühlung, weil hohe Taktraten Verlustwärme erzeugen. Moderne CPUs können pro Quadratzentimeter über 100 Watt thermische Verlustleistung erreichen; übliche Grenztemperaturen liegen zwischen 60 und 90 °C, Temperaturen über etwa 125 bis 135 °C führen zu irreversiblen Schäden. Standard ist ein Kühlkörper aus Aluminium oder Kupfer mit Lüfter, Wärmeleitpaste oder Wärmeleitpad. Luftkühlung nutzt meist Axiallüfter von 40 bis 140 mm. Wasserkühlung wird bei hoher Leistung oder leisem Betrieb eingesetzt; Apple verbaute sie standardisiert im Power Mac G5. Flüssigstickstoffkühlung bei −196 °C ist sehr aufwendig und vor allem für kurzfristige Übertaktungsrekorde interessant. Weitere experimentelle Verfahren sind Kompressionskältemaschinen, Peltier-Elemente und Ölkühlung.

Fehler, Muster und Kontroversen

Die Entwicklung moderner Prozessoren ist extrem teuer, und Test, Verifizierung und Validierung sind sehr aufwendig. Trotzdem können nicht alle Fehler vor der Auslieferung gefunden werden. Der Artikel nennt als letzten in allen Funktionen und Fehlern vollständig verifizierten x86-Prozessor den Intel 80286. Hersteller veröffentlichen Errata-Listen, in denen bekannte Fehler dokumentiert werden. Ein bekanntes Beispiel ist der FDIV-Bug früher Pentium-CPUs, der auf fehlende Einträge in einer internen Lookup-Tabelle der FPU zurückging. Auch Sicherheitslücken wie Spectre und Meltdown, entdeckt 2017, betreffen CPUs.

Frühe Prozessoren eines Herstellers können als „Engineering Sample“ oder „Confidential CPU“ an ausgewählte Firmen oder Tester gehen. Sie sind grundsätzlich voll funktionsfähig und meist nicht im Handel erhältlich; Hinweise können Kürzel wie „ES“ oder Aufdrucke wie „Confidential“ sein. In der Vergangenheit gab es auch „Customer Samples“ oder „University-Kits“, etwa mit „CS“-Aufdruck. Der Artikel warnt aber, dass ES oder CS nicht immer Engineering oder Customer Sample bedeuten muss, sondern auch Batch-Code oder Revisionsbezeichnung sein kann.

Als „CPU-Mutanten“ werden umgangssprachlich Prozessoren bezeichnet, die für eine andere Plattform modifiziert wurden, etwa Mobil-CPUs für Desktop-PCs. Dafür können geflashtes BIOS oder speziell angefertigte Mainboards verwendet werden. Solche Eingriffe können bei falscher Behandlung zu Computerfehlern oder Hardwareschäden führen und sind nicht von Herstellergarantien gedeckt.

Mikroprozessoren gelten als Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts. Der Halbleitermarkt ist durch Fusionen, Akquisitionen und starken Preis-Leistungs-Wettbewerb geprägt. Moderne Halbleiterfabriken müssen bei hoher Auslastung eine hohe Ausbeute in hoher Qualität erreichen; Investitionen in moderne Fabs liegen im Milliardenbereich. Weil viele Produktionskapazitäten im asiatisch-pazifischen Raum liegen und Mikroprozessoren für Endkunden, Industrie, Rechenzentren, KI-Anwendungen und Sicherheit wichtig sind, haben Krisen seit spätestens den Anschlägen am 11. September 2001 verstärkt sicherheitsrelevante Fragen aufgeworfen. Der Artikel nennt als Zuspitzung eine „Chipkrise“ im Jahr 2023 und Entwicklungen bis zur KI-Ära mit leistungsstarken GPUs.