Einer der wohl bekanntesten und auch am meisten beworbenen Bestandteile eines Computers ist der Prozessor (engl. CPU = Central Processing Unit). Auf diesem kleinen Silizium-Chip finden fast alle Berechnungen im Computer statt (auf Ausnahmen kommen wir später zu sprechen). CPUs gibt es in allen möglichen Preis- und Leistungsklassen. Die billigsten liegen bei etwa 150 Mark, die Grenzen nach oben sind eigentlich offen. Zum Preis-Leistungsverhältnis kann man nur sagen, dass Computer ihre Leistung alle 18 Monate verdoppeln und den Preis halbieren. Das zeigt wieder einmal, wie rasant die Produktzyklen in der PC-Branche sind.

Die Leistungsbestimmenden Faktoren eines Prozessors sind die Zahl der auf dem Chip befindlichen Transistoren, die Taktfrequenz und nicht zuletzt der Grundaufbau

RISC und CISC
Es gibt zwei Grundfunktions-Prinzipien bei Prozessoren: Einmal die CISC-Technologie (Complex Instruction ... Code) und zum Zweiten die RISC-Technologie (Reduced Instruction ... Code). Die Unterschiede im Kurzen: Bei der CISC-Technik stellt der Prozessor zur Datenverarbeitung sehr viele Befehle zur Verfügung. Das hat den Vorteil, dass viele Programmbestandteile "ihren" Prozessorbefehl haben (Das ist so nicht ganz richtig, aber das genau zu erörtern, würde den Rahmen sprengen). Allerdings bestehen die Programme dann aus sehr vielen Befehlen, die es für Prozessorhersteller und Hersteller von Programmierumgebungen sehr schwer machen, noch alles "im Auge" zu behalten, außerdem sind CISC-Prozessoren eher "träge". Zu der Gruppe der CISC-Prozessoren zählen alle Chips von Intel und dazu kompatible sowie einige andere, die hier nicht weiter erwähnt werden. Da Intel-Prozessoren einen Quasi-Standard darstellen, sind CISC-CPUs sehr verbreitet.

Im Gegensatz dazu kommen RISC-Prozessoren mit wesentlich weniger Befehlen aus. Sie sind dadurch einfacher strukturiert und man kann mit ihnen theoretisch eine höhere Leistung als mit CISC-Prozessoren erreichen. Zu den RISC-CPUs zählen viele neue Rechner von Apple sowie leistungsfähige Server.

Der wohl bekannteste Prozessor: der Intel Pentium. Mittlerweile geht die Familie bis zum Pentium IV

Eigentlich sollten auf Grund der Fakten weit mehr RISC als CISC-Prozessoren verwendet werden. Da diese Technik aber erst in den letzten Jahren "entdeckt" wurde, haben sich mittlerweile Intel-kompatible CPUs etabliert. Da mit einem Wechsel der Prozessortechnik sowohl der Wechsel einiger Hardware-Komponenten als auch der Austausch sämtlicher Software verbunden ist, haben sich RISC-Rechner nur im High-End-Bereich durchgesetzt. Außerdem forcieren Intel und AMD durch Einführung neuer Prozessorbefehle wie MMX und 3D-Now die CISC-Technologie, in den letzten Jahren ist dies sogar sehr erfolgreich: CISC-CPUs sind verbreiteter denn je und ein Umschwenken ist nicht zu erkennen.

Leistung und Taktfrequenz eines Prozessor sind direkt proportional zueinander. Das heißt, wenn man die Taktfrequenz verdoppelt, verdoppelt sich auch die Leistung. Das gilt allerdings nicht für ein Komplettsystem (doppelte Taktfrequenz bedeutet nicht, dass der Computer doppelt so schnell ist, da die Leistung eines Systems auch noch von der Größe des Arbeitsspeichers, der Geschwindigkeit der Festplatte und vielen anderen Faktoren abhängt). Die ersten CPUs liefen mit wenigen Kilohertz, heute ist man zum Teil schon in Bereichen über 1200 Megahertz angelangt und in Labors kratzt man schon an der 2 Gigahertz-Grenze (=2 000 000 000 Hertz). Auch die Anzahl der Transistoren auf einem Chip beeinflusst selbstverständlich die Leistung. Natürlich heißt es hier nicht nur "viel hilft viel", sondern es kommt auch auf die Anordnung und Verknüpfung der Schaltkreise an.

Um die Leitung zu optimieren führte zuerst Intel, später aber auch AMD, eigene Erweiterungen des Prozessorbefehlssatzes ein. Die erste dieser Erweiterungen, MMX (Multi Media eXtension) wurde ab 1997 von Intel in die Pentium-CPUs integriert, AMD unterstützte im K6 und allen darauf folgenden CPUs diese Technik. Der K6-III von AMD kam mit der 3Dnow!-Technologie, die ebenfalls Multimedia-Anwendungen und Spiele beschleunigen sollte. Selbstverständlich übernahm Intel 3Dnow! nicht. Im Pentium-III kam SSE (s.. streaming extension) dazu, was besonders Internet-Anwendungen beschleunigen sollte (SSE ist übrigens auch der einzige Unterschied zwischen der Architektur von Pentium-II und III.). AMD hingegen hat für den Athlon 3Dnow! erweitert, etwas komplett neues haben sie zum Glück nicht eingebaut. Stattdessen wurde die CPU soweit optimiert, dass der Athlon wesentlich schneller ist, als ein Pentium-III.

Unterm Strich sind bei diesen "Anbauten" durchaus sinnvolle, leistungssteigernde Effekte zustande gekommen.

Vom Sand zum Chip

Wie ja allgemein bekannt ist, bestehen Computer-Chips zum größten Teil aus Silizium. Silizium ist ein Halbleiter, deshalb kann man daraus elektrische Bauteile wie Transistoren herstellen. Nun gibt es zwar mehr als genug Silizium auf der Erde, allerdings nicht in reiner Form, sondern als Siliziumdioxid (SiO2 oder auch einfach Sand). Der Prozess der Gewinnung von absolut reinem (schon kleinste Verunreinigungen machen einen Chip unbrauchbar) Silizium ist extrem zeit- und energieaufwändig und somit auch recht teuer. Ist das dann aber schließlich doch geschafft, haben die Techniker Silizium-Walzen mit 15 bis 35 cm Durchmesser vor sich. Diese werden dann mit hochpräzisen Sägen in Scheiben geschnitten. Diese Scheiben werden Wafer genannt. Mithilfe diverser Chemikalien und Bestrahlung werden die Schaltelemente ins Silizium geätzt. Somit entstehen auf einer dieser Silizium-Scheiben viele einzelne Dies (=CPU-Kerne). In diesem Zusammenhang ist es auch noch wichtig zu erwähnen, dass moderne CPUs nicht mehr nur aus Silizium bestehen. Einige Bauteile, die nur zum Strom-Transport da sind, bestehen aus Kupfer, das den Strom wesentlich besser leitet.

Übertakten - Wenn's nicht schnell genug sein kann...

Zwischen den einzelnen Chips auf dem Wafer gibt es Qualitätsunterschiede: Die qualitativ hochwertigen Chips dürfen mit einer hohen Taktfrequenz arbeiten, die weniger guten müssen langsamer laufen. Nun gibt es viele, denen ihr Rechner nicht schnell genug ist, die aber auch kein Geld für einen schnelleren ausgeben wollen. Hier eröffnet sich die Möglichkeit, seinen Prozessor schneller zu betreiben, als vom Hersteller vorgesehen, in der Hoffnung, dass die Qualität des Chips besser ist, als in der Fabrik festgestellt. Dazu kann man die Taktfrequenz, mit der der Prozessor betrieben wird auf seinem Board erhöhen.

Die erste Möglichkeit: Der Takt wird erhöht, der Rechner ist schneller und arbeitet stabil. Herzlichen Glückwunsch, du hast Schwein gehabt. Die Zweite: Der Computer arbeitet instabil und stürzt ständig unmotiviert ab bzw. gibt irgendwelche Fehlermeldungen von sich, die direkt nichts mit der Übertaktung zu tun haben. Wenn du die CPU nicht bald wieder runtertaktest, wird der Rechner in kurzer Zeit seinen Geist aufgeben. Ditte Möglichkeit: Deine CPU bzw. dein Board war überhaupt nicht zum Übertakten geeignet, daher brennt die CPU durch und reißt das Board samt Peripherie mit in den Abgrund. In diesem Fall: Pech gehabt, mit Garantieansprüchen ist jetzt nix mehr!

Im übrigen gibt es zwei Möglichkeiten der Übertaktung: Einmal wird nur der Interne Takt der CPU erhöht, womit sich auch nur die Lebensdauer der CPU verkürzt. Andererseits kann man auch den externen Takt erhöhen. Hiermit werden sämtliche Einsteckkarten sowie alle Komponenten des Motherboards (RAM, Festplattencontroller) übertaktet. Besonders empfindlich reagieren hier die meisten SCSI-Controller und viele Grafikkarten.

Prozessoren aktuell - Licht ins Dunkel

Bis vor einigen Jahren war die Prozessorwelt noch übersichtlich: Die CPUs wurden je nach Leistung durchnummeriert und bekamen dann noch ihre Taktfrequenz in die Bezeichnung. Jeder wusste, was ein 386er mit 40 MHz war. Doch mit den Jahren und vielen unterschiedlichen Anbietern wurde das ganze komplizierter. Ist jetzt der Athlon oder der Pentium-III mit 1000 MHz schneller? Eine Frage, die man leider nicht eindeutig beantworten kann, denn beide CPUs haben ihre Stärken und Schwächen. Aber auch innerhalb einer Prozessorfamilie kann es so viele unterschiedliche Modelle geben, dass man leicht den Überblick verliert. Besonders gerne treibt Intel das Verwirrspiel mit den Kunden. Daher versuche ich im Folgenden etwas Licht in die dunkle Materie zu bringen.

Die Pentium-III-Prozessoren
Die ersten Pentium-III-CPUs hatten eine Systembus-Frequenz von 100 MHz, der eigentliche Chip befand sich zusammen mit dem Chip des 2nd-Level-Caches auf einer Platine, die in den sogenannten "Slot 1" gesteckt wurde. Aus dieser Ausgangsposition heraus gab es mit der Zeit einige Veränderungen und Ergänzungen.

Da wäre als erstes der 2nd-Level-Cache: Während er bei den ersten Modellen auf einem extra Chip saß, ist er jetzt direkt auf dem Die (das Stück Silizium, das die eigentliche CPU darstellt) integriert. Das führt dazu, dass der Cache jetzt wesentlich schneller arbeitet und die Herstellungskosten sinken. Ermöglicht wird diese Verbesserung durch eine noch weiter fortgeschrittene Miniaturisierung, d.h. die Leitungsdicke liegt mittlerweile nur noch bei 0,18 µm und wird sich in Zukunft auch noch weiter verringern. Diesen auf dem Chip integrierten Cache nennt Intel ATC (Advanced Transfer Cache). Mit diesem Feature ausgestattete CPUs sind durch ein "E" gekennzeichnet (z.B.: 550E), allerdings ist das auch nicht konsequent durchgezogen worden, CPUs mit ATC, von denen es keine Variante mit normalem Cache gab, erhalten kein "E" - echt genial. Um die Verwirrung zu komplettieren gibt es auch noch unterschiedliche Cache-Größen, einmal 256 kB und einmal 512 kB. Bei allen neuen CPUs ab 600 MHz handelt es sich aber um Modelle mit 256 kB Cache, der auf dem Die sitzt und mit voller Chipfrequenz betrieben wird.

Durch die Verkleinerung der Strukturgröße ist es Intel auch möglich geworden, vom Slot 1 wieder hin zu einem Sockel zu kommen (der aber selbstverständlich inkompatibel zu allem bisher da gewesenen ist...). Somit gibt es zwei mechanisch komplett verschiedene Pentium-III-CPUs: Erstens die steckkartenähnlichen Slot-CPUs im SECC-2-Gehäuse (Single Edge Contact Cardridge), zweitens die CPUs für den 370-poligen Sockel, in FC-PGA-Verpackung (Flip Chip - Pin Grid Array). Mittlerweile gibt es Slot-CPUs nur noch als Restbestände, der Normalfall sind wieder Sockel-CPUs.

Ein weiteres wichtiges Unterscheidungsmerkmal für CPUs ist selbstverständlich auch noch die Taktfrequenz. Bei der angegebenen Zahl handelt es sich aber immer um die interne Taktfrequenz eines Prozessors. Diese liegt bei Pentium-III-CPUs z. Zt. zwischen 600 und 1133 MHz. Wichtig ist aber auch die Systembus-Frequenz, also die Geschwindigkeit, mit der nach außen kommuniziert wird. Hier gibt es beim Pentium-III einerseits Modelle mit 100 MHz und andererseits Modelle mit 133 MHz Systembus. Die 133er sind durch ein "B" im Namen gekennzeichnet. (Doch auch hier gilt wieder die Ausnahme: CPUs, die es nur mit 133er Takt gibt und gab, haben kein "B" im Namen.)

Des weiteren gab es in der einschlägigen Fachpresse immer wieder Artikel, in denen Code-Namen wie Deschutes, Klamath und Coppermine fielen. Hierbei handelt es sich um die Bezeichnungen für die verschiedenen Prozessorkerne, die sich durch Strukturdichte und Cache unterscheiden.

Die Celeron-Prozessoren

Bei dieser CPU-Baureihe handelt es sich um eine Art "Pentium-III light". Die wesentlichen Unterschiede zum großen Bruder: Die Systembus-Frequenz der alten Modelle liegt bei nur 66 MHz, erst Celerons ab 800 MHz haben einen FSB-Takt von 100 MHz und der 2nd-Level-Cache ist nur 128 kB groß (einige alte Modelle haben gar keinen L2-Cache). Allerdings wird der L2-Cache mit voller Taktfrequenz betrieben, was einen Vorteil darstellt.

Auch die Celeron-Prozessoren gibt (gab) es für den Slot 1 (S.E.P. Package - Single Edge Processor Package) und für den Sockel 370 (PPGA Package - Plastic Pin Grid Array). Da die Prozessor-Kerne von Pentium-III und Celeron identisch sind, ist auch die Leistung der beiden CPUs ähnlich. Die dem Celeron zuteil gewordene "Verkrüppelung" in Form des 66/100 MHz langsamen System-Busses lässt sich leicht durch Übertaktung in einen Vorteil umwandeln, da dabei auch der Prozessorkern mit übertaktet wird. Obwohl ich Übertaktung eigentlich nicht für gut heiße, scheint es beim Celeron eher selten Probleme zu geben. Trotzdem gilt auch hier: Alles auf eigene Gefahr!

Bei AMD ist das ganze mittlerweile fast genauso verwirrend, wie bei Intel. Auch bei AMD gibt es die "Profi-CPU", den Athlon, und eine Light-Version davon, den Duron. Außerdem ist auch der Athlon mit 100 und mit 133 MHz FSB-Takt erhältlich, ersteres sowohl als Slot als auch als Sockel-Version.

Der Athlon-Prozessor

Während der Pentium-III eigentlich ein ziemlich alter Hut ist (Er basiert auf dem Pentium-II, der aus dem Pentium Pro und dem Pentium MMX hervorgegangen ist.), wurde das Design des Athlon vollkommen neu entwickelt. Daher besitzt der Athlon im Gegensatz zu seinem Konkurrenten ein wesentlich größeres Potenzial was die Leistungssteigerung in der näheren Zukunft angeht. Während der P-III eigentlich schon längst zu Gunsten eines neuen Wunderwerkes eingemottet werden sollte, trauen Experten der Athlon-Architektur durchaus eine Taktfrequenz von weit über 1,5 Giga-Hertz zu. Des weiteren schleppt der Athlon nicht so viel Ballast mit sich herum, so dass die Signalführung und Verarbeitung optimaler vonstatten geht. Durch die immer weiter fort schreitende Verkleinerung der Strukturen konnte auch der Athlon wieder als Sockel-Prozessor auftreten. Der dafür benötigte Sockel A ist natürlich inkompatibel zu den von Intel verwendeten Sockeln.

Ein weiterer wichtiger Unterschied zu den Intel-Prozessoren ist, dass der Frontside-Bus der AMD-CPUs bei gleicher Taktfrequenz doppelt soviel Daten Transportieren kann, wie der der Pentium-IIIs. Das liegt daran, dass die Daten sowohl auf der steigenden, als auch auf der fallenden Flanke des Taktsignals übertragen werden. Deshalb spricht das Marketing bei AMD auch oft vom 200 bzw. 266-MHz-FSB. Dies ist zwar eigentlich falsch, von der Konkreten Leistung her stimmt es aber.

Der Duron-Prozessor

Mit dem Duron hat AMD eine direkte Konkurrenz zu Intels Celeron auf den Markt gebracht. Der Duron unterscheidet sich in nur wenigen Punkten vom Athlon. Da wäre als erstes der kleinere 2nd-Level-Cache, er ist nur 64 kB groß. Außerdem ist nur ein FSB-Takt von 100 MHz vorgesehen und auch die internen Taktfrequenzen sind wesentlich niedriger als die des Athlons. Ansonsten sind sich die CPUs wie gesagt sehr ähnlich, darum bemühen sich auch viele Übertakter, den Duron wie einen Athlon zu betreiben. Meist sogar mit Erfolg.