Prozessordesign

Prozessordesign ist ein Teilgebiet der Computertechnik und Elektronik, das sich mit der Entwicklung von Prozessoren, einer Schlüsselkomponente von Computerhardware, befasst. Während der Fokus historisch auf der Zentraleinheit (CPU) lag, umfassen moderne Designs häufig System-on-Chip (SoC)-Architekturen ^{[ 1 ]} , die mehrere Verarbeitungseinheiten wie CPUs, Grafikprozessoren (GPUs) und neuronale Verarbeitungseinheiten (NPUs) ^{[ 2 ]} auf einem einzigen Chip oder einer Gruppe von Chiplets integrieren. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

Der Designprozess umfasst die Auswahl eines Befehlssatzes und eines bestimmten Ausführungsparadigmas (z. B. VLIW oder RISC ) und führt zu einer Mikroarchitektur , die beispielsweise in VHDL oder Verilog beschrieben werden kann . Für das Mikroprozessor- Design wird diese Beschreibung anschließend mithilfe verschiedener Halbleiterfertigungsprozesse umgesetzt . Das Ergebnis ist ein Chip , der auf einen Chipträger geklebt wird . Dieser Chipträger wird dann auf eine Leiterplatte (PCB) gelötet oder in einen Sockel auf der Leiterplatte eingesetzt .

Die Arbeitsweise eines jeden Prozessors besteht in der Ausführung von Befehlslisten. Befehle umfassen typischerweise solche zur Berechnung oder Manipulation von Datenwerten mithilfe von Registern , zum Ändern oder Abrufen von Werten im Lese-/Schreibspeicher, zum Durchführen von Beziehungstests zwischen Datenwerten und zur Steuerung des Programmablaufs.

Prozessordesigns werden häufig auf einem oder mehreren FPGAs getestet und validiert, bevor das Prozessordesign zur Halbleiterfertigung an eine Foundry weitergeleitet wird . ^{[ 5 ]}

Informationen werden über Datenpfade (wie ALUs und Pipelines ) übertragen . Diese Datenpfade werden durch Steuereinheiten logisch gesteuert . Speicherkomponenten umfassen Registerdateien und Caches zum Speichern von Informationen oder bestimmten Aktionen. Die Taktschaltung sorgt mithilfe von Takttreibern, PLLs und Taktverteilungsnetzwerken für interne Rhythmen und Taktung . Die Sende- und Empfangsschaltung ermöglicht das Senden und Empfangen von Signalen, und eine Bibliothek von Logikgattern dient der Implementierung der Logik. Logikgatter bilden die Grundlage für das Prozessordesign, da sie zur Implementierung der meisten Prozessorkomponenten verwendet werden. ^{[ 6 ]}

Für Hochleistungsmärkte konzipierte CPUs benötigen unter Umständen kundenspezifische (optimierte oder anwendungsspezifische (siehe unten)) Designs für jede dieser Komponenten, um die angestrebten Frequenzen, die Verlustleistung und die Chipfläche zu erreichen. CPUs für Märkte mit geringerem Leistungsbedarf können den Implementierungsaufwand hingegen reduzieren, indem sie einige dieser Komponenten als geistiges Eigentum erwerben . Techniken zur Implementierung von Steuerlogik ( Logiksynthese mit CAD- Werkzeugen) können zur Implementierung von Datenpfaden, Registerdateien und Taktgebern verwendet werden. Gängige Logikstile im CPU-Design umfassen unstrukturierte Zufallslogik, endliche Automaten , Mikroprogrammierung (verbreitet von 1965 bis 1985) und programmierbare Logikarrays (verbreitet in den 1980er Jahren, heute nicht mehr üblich).

Moderne Prozessorarchitekturen setzen zunehmend auf heterogenes Computing und integrieren spezialisierte Beschleuniger neben Allzweckkernen. Die wichtigste Neuerung ist die Neural Processing Unit (NPU) , die speziell für die effizientere Ausführung von Berechnungen im Bereich des maschinellen Lernens (Matrixmultiplikation) im Vergleich zu einer Standard-CPU entwickelt wurde. Diese Spezialisierung ermöglicht signifikante Leistungssteigerungen pro Watt bei KI-Anwendungen. ^{[ 7 ] [ 4 ]}

Die zur Implementierung der CPU- Logik verwendeten Gerätetechnologien haben sich im Laufe der Zeit verändert. Frühe Implementierungen nutzten einzelne Relais, Elektronenröhren und diskrete Bauelemente ( Transistoren und Dioden ), später kamen TTL- Chips mit geringer Integration zum Einsatz , die jedoch heute nicht mehr für CPUs verwendet werden. Auch programmierbare Array-Logik und andere programmierbare Logikbausteine ​​werden in dieser Funktion nicht mehr für CPUs verwendet, und ECL-Gate-Arrays sind heute unüblich. CMOS- Gate-Arrays werden nicht mehr für CPUs eingesetzt, während in Massenproduktion hergestellte CMOS-integrierte Schaltungen den Großteil der CPUs ausmachen. Kundenspezifische CMOS- ASICs sind aufgrund der Entwicklungskosten in der Regel nur für Anwendungen mit hohem Volumen wirtschaftlich. Feldprogrammierbare Gate-Arrays (FPGAs) sind weiterhin gängig für Soft-Mikroprozessoren und werden häufig für rekonfigurierbares Rechnen verwendet.

Ein CPU-Designprojekt umfasst im Allgemeinen folgende Hauptaufgaben:

• Programmierersichtbare Befehlssatzarchitektur , die durch eine Vielzahl von Mikroarchitekturen implementiert werden kann.
• Architekturstudie und Leistungsmodellierung in ANSI C / C++ oder SystemC
• Implementierung auf höherer Ebene (HLS) oder auf Registertransferebene (RTL, z. B. Logik)
• RTL -Verifizierung
• Schaltungsentwurf von geschwindigkeitskritischen Komponenten (Caches, Register, ALUs)
• Logiksynthese oder Logikgatter-Level-Design
• Zeitanalyse zur Bestätigung, dass alle Logik und Schaltungen mit der spezifizierten Betriebsfrequenz laufen.
• Physisches Design einschließlich Grundrissplanung , Platzierung und Leitungsführung von Logikgattern
• Überprüfung der Äquivalenz von RTL-, Gatterebenen-, Transistorebenen- und physikalischen Ebenendarstellungen.
• Überprüfung der Signalintegrität und der Herstellbarkeit des Chips

Die Neugestaltung eines CPU-Kerns auf kleinerer Chipfläche ermöglicht eine Miniaturisierung aller Komponenten (eine Art „ Photomasken- Shrink“), wodurch die gleiche Anzahl an Transistoren auf einem kleineren Chip untergebracht werden kann. Dies verbessert die Leistung (kleinere Transistoren schalten schneller), reduziert den Stromverbrauch (kleinere Leiterbahnen weisen eine geringere parasitäre Kapazität auf ) und senkt die Kosten (mehr CPUs passen auf denselben Siliziumwafer). Die Entwicklung einer CPU auf Chipgröße gleicher Größe, aber mit kleinerem CPU-Kern, hält die Kosten in etwa gleich, ermöglicht aber eine höhere Integration in einem VLSI- Chip (zusätzlicher Cache, mehrere CPUs oder andere Komponenten), was die Leistung verbessert und die Gesamtsystemkosten senkt.

Wie bei den meisten komplexen Elektronikdesigns dominiert bei der Entwicklung einer CPU mittlerweile der Aufwand für die Logikverifikation (der Nachweis, dass das Design keine Fehler enthält) den Projektzeitplan.

Zu den wichtigsten architektonischen Innovationen von CPUs gehören Akkumulator , Indexregister , Allzweckregister , Cache , virtueller Speicher , Befehlspipelining , Superskalar , CISC , RISC , virtuelle Maschine , Emulatoren , Mikroprogramm und Stack .

Es wurden verschiedene neue CPU-Designideen vorgeschlagen, darunter rekonfigurierbare Logik , taktlose CPUs , Computational RAM und optisches Rechnen .

Benchmarking ist eine Methode zur Überprüfung der CPU-Geschwindigkeit. Beispiele hierfür sind SPECint und SPECfp , entwickelt von der Standard Performance Evaluation Corporation , sowie ConsumerMark, entwickelt vom Embedded Microprocessor Benchmark Consortium (EEMBC) .

Zu den häufig verwendeten Kennzahlen gehören:

• Befehle pro Sekunde – Die meisten Verbraucher wählen eine Computerarchitektur (normalerweise die Intel IA32 -Architektur), um eine große Anzahl vorkompilierter Software ausführen zu können. Da sie sich mit Computer-Benchmarks oft nicht auskennen, wählen einige von ihnen eine bestimmte CPU anhand ihrer Taktfrequenz (siehe Megahertz-Mythos ).
• FLOPS – Die Anzahl der Gleitkommaoperationen pro Sekunde ist oft ein wichtiges Kriterium bei der Auswahl von Computern für wissenschaftliche Berechnungen.
• Leistung pro Watt – Systementwickler , die Parallelrechner wie Google bauen , wählen CPUs anhand ihrer Leistung pro Watt aus, da die Kosten für die Stromversorgung der CPU die Kosten der CPU selbst übersteigen. ^{[ 8 ] [ 9 ]}
• Manche Systementwickler, die Parallelrechner bauen, wählen CPUs nach dem Preis-Leistungs-Verhältnis aus.
• Systementwickler, die Echtzeit-Computersysteme erstellen , wollen die Reaktionsfähigkeit im ungünstigsten Fall gewährleisten. Dies ist einfacher zu erreichen, wenn die CPU eine geringe Interrupt-Latenz und ein deterministisches Verhalten aufweist. ( DSP )
• Computerprogrammierer, die direkt in Assemblersprache programmieren, benötigen eine CPU, die einen vollständigen Befehlssatz unterstützt .
• Niedriger Stromverbrauch – Für Systeme mit begrenzten Energiequellen (z. B. Solarenergie, Batterien, menschliche Arbeitskraft).
• Kleine Abmessungen oder geringes Gewicht – für tragbare eingebettete Systeme, Systeme für Raumfahrzeuge.
• Umweltauswirkungen – Minimierung der Umweltauswirkungen von Computern während der Herstellung und des Recyclings sowie während der Nutzung. Reduzierung von Abfall und gefährlichen Stoffen. (siehe Green Computing ).

Bei der Optimierung einiger dieser Kennzahlen können Zielkonflikte auftreten. Insbesondere verschlechtern viele Designtechniken, die eine höhere CPU-Geschwindigkeit bewirken, die „Leistung pro Watt“, das „Preis-Leistungs-Verhältnis“ und die „deterministische Reaktionsfähigkeit“ erheblich, und umgekehrt.

Es gibt verschiedene Märkte, in denen CPUs eingesetzt werden. Da sich die Anforderungen an CPUs in diesen Märkten unterscheiden, sind die für einen Markt entwickelten Geräte in den meisten Fällen für die anderen Märkte ungeeignet.

Im Markt für Allzweck-Computer (Desktop-PCs, Laptops und Server) sind Prozessoren mit der x86-64-Befehlssatzarchitektur weiterhin weit verbreitet, wobei Intel und AMD die Hauptanbieter sind. Mercury Research schätzte, dass Intel im dritten Quartal 2025 einen Marktanteil von 74,4 % und AMD von 25,6 % bei den x86-CPU-Auslieferungen halten würde. ^{[ 10 ]} ARM-basierte Prozessoren dominieren Smartphones und werden auch in einigen PCs und Servern eingesetzt. ABI Research prognostizierte, dass ARM-basierte PCs im Jahr 2025 etwa 13 % aller PC-Auslieferungen ausmachen würden, während IDC schätzte, dass Server mit ARM-Architektur im Jahr 2025 21,1 % aller Serverauslieferungen erreichen würden. ^{[ 11 ]} RISC-V findet ebenfalls zunehmend Anwendung in eingebetteten Systemen, und einige Hersteller haben RISC-V-basierte Mikrocontroller-Familien für Automobilanwendungen angekündigt. ^{[ 12 ]}

Da diese Geräte unzählige verschiedene Programmtypen ausführen, sind diese CPU-Designs nicht speziell auf eine bestimmte Anwendung oder Funktion ausgelegt. Die Anforderung, ein breites Spektrum an Programmen effizient ausführen zu können, hat diese CPU-Designs zu den technisch fortschrittlichsten gemacht, allerdings mit einigen Nachteilen wie relativ hohen Kosten und hohem Stromverbrauch.

Wissenschaftliches Rechnen ist ein deutlich kleinerer Nischenmarkt (gemessen an Umsatz und Stückzahlen). Es wird in staatlichen Forschungslaboren und Universitäten eingesetzt. Vor 1990 wurde die CPU-Entwicklung häufig für diesen Markt durchgeführt, doch Massenmarkt-CPUs, die in großen Clustern organisiert sind, haben sich als kostengünstiger erwiesen. Der verbleibende Schwerpunkt der aktiven Hardwareentwicklung und -forschung für wissenschaftliches Rechnen liegt auf Hochgeschwindigkeits-Datenübertragungssystemen zur Verbindung von Massenmarkt-CPUs.

Gemessen an den ausgelieferten Einheiten sind die meisten CPUs in andere Geräte wie Telefone, Uhren, Haushaltsgeräte, Fahrzeuge und Infrastruktur eingebettet. Eingebettete Prozessoren werden jedoch in Milliardenhöhe pro Jahr verkauft, meist zu deutlich niedrigeren Preisen als Allzweckprozessoren.

Diese Geräte mit nur einer Funktion unterscheiden sich in mehrfacher Hinsicht von den bekannteren Allzweck-CPUs:

• Niedrige Kosten sind von großer Bedeutung.
• Es ist wichtig, eine geringe Verlustleistung zu gewährleisten, da eingebettete Geräte oft nur eine begrenzte Batterielebensdauer haben und der Einbau von Lüftern oft unpraktisch ist.
• Um die Systemkosten zu senken, werden die Peripheriegeräte zusammen mit dem Prozessor auf demselben Siliziumchip integriert.
• Durch die Integration von Peripheriegeräten auf dem Chip wird auch der Stromverbrauch reduziert, da externe GPIO-Ports in der Regel eine Pufferung benötigen, um die relativ hohen Stromlasten zu liefern oder aufzunehmen, die erforderlich sind, um ein starkes Signal außerhalb des Chips aufrechtzuerhalten.
  • Bei vielen eingebetteten Anwendungen steht nur begrenzt Platz für Schaltkreise zur Verfügung; durch die Integration von Peripheriegeräten auf dem Chip wird der Platzbedarf auf der Leiterplatte reduziert.
  • Programm- und Datenspeicher sind oft auf demselben Chip integriert. Wenn als Programmspeicher ausschließlich ROM zulässig ist , spricht man von einem Mikrocontroller .
• Bei vielen eingebetteten Anwendungen ist die Interrupt-Latenz kritischer als bei manchen Allzweckprozessoren.

Die Embedded-CPU-Familie mit den meisten ausgelieferten Einheiten ist die 8051 mit durchschnittlich fast einer Milliarde Einheiten pro Jahr. ^{[ 13 ]} Die 8051 ist aufgrund ihrer geringen Kosten weit verbreitet. Der Entwicklungsaufwand ist praktisch null, da sie als kommerzielles geistiges Eigentum weit verbreitet ist. Sie wird heute häufig als kleiner Bestandteil eines größeren Systems auf einem Chip integriert. Die Siliziumkosten einer 8051 liegen mittlerweile bei nur noch 0,001 US-Dollar, da einige Implementierungen lediglich 2.200 Logikgatter benötigen und nur 0,4730 Quadratmillimeter Silizium beanspruchen. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

Die ARM-Architektur dominiert weltweit den Markt für eingebettete und mobile Prozessoren. Ab 2024 werden ARM-basierte Prozessoren den Großteil aller jährlich ausgelieferten Prozessoreinheiten ausmachen, was auf die weitverbreitete Nutzung in Smartphones, IoT-Geräten und Mikrocontrollern zurückzuführen ist. Die ursprüngliche ARM-Architektur und der erste ARM-Chip wurden in etwa anderthalb Jahren mit einem Arbeitsaufwand von fünf Personenjahren entwickelt. ^{[ 16 ]}

Die 32-Bit- Mikrocontrollerarchitektur Parallax Propeller und der erste Chip wurden von zwei Personen in etwa 10 Menschenjahren Arbeitszeit entwickelt. ^{[ 17 ]}

Die 8-Bit -AVR-Architektur und der erste AVR-Mikrocontroller wurden von zwei Studenten am Norwegischen Institut für Technologie konzipiert und entwickelt.

Die 8-Bit-Architektur 6502 und der erste MOS Technology 6502 -Chip wurden innerhalb von 13 Monaten von einer Gruppe von etwa 9 Personen entwickelt. ^{[ 18 ]}

Die 32-Bit -Prozessoren Berkeley RISC I und RISC II wurden größtenteils von einer Gruppe Studenten im Rahmen eines viersemestrigen Graduiertenkurses entwickelt. ^{[ 19 ]} Diese Entwicklung bildete die Grundlage für die kommerzielle SPARC- Prozessorentwicklung.

Etwa ein Jahrzehnt lang war jeder Student, der den Kurs 6.004 am MIT belegte, Teil eines Teams. Jedes Team hatte ein Semester Zeit, um eine einfache 8-Bit-CPU aus integrierten Schaltkreisen der 7400er-Serie zu entwerfen und zu bauen . Ein Team von vier Studenten entwarf und baute in diesem Semester eine einfache 32-Bit-CPU. ^{[ 20 ]}

Einige Bachelorstudiengänge verlangen von einem Team aus 2 bis 5 Studierenden, dass sie innerhalb eines 15-wöchigen Semesters eine einfache CPU in einem FPGA entwerfen, implementieren und testen. ^{[ 21 ]}

Die Entwicklung der MultiTitan-CPU erforderte 2,5 Mannjahre Entwicklungsarbeit, was damals als „vergleichsweise geringer Entwicklungsaufwand“ galt. ^{[ 22 ]} 24 Personen wirkten an dem 3,5-jährigen MultiTitan-Forschungsprojekt mit, das unter anderem die Entwicklung und den Bau eines CPU-Prototyps umfasste. ^{[ 23 ]}

Bei eingebetteten Systemen sind höchste Leistungsniveaus aufgrund des Stromverbrauchs oft weder erforderlich noch erwünscht. Dies ermöglicht den Einsatz von Prozessoren, die vollständig mittels Logiksynthese realisiert werden können . Diese synthetisierten Prozessoren lassen sich deutlich schneller implementieren, was eine kürzere Markteinführungszeit ermöglicht .

• Amdahlsches Gesetz
• Zentrale Verarbeitungseinheit
• Vergleich der Befehlssatzarchitekturen
• Computer mit komplexem Befehlssatz
• CPU-Cache
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• Heterogenes Rechnen
• Hochstufige Synthese
• Geschichte der Allzweck-CPUs
• Design integrierter Schaltungen
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• Mooresches Gesetz
• Reduzierter Befehlssatzcomputer
• System auf einem Chip
• Netzwerk auf einem Chip
• Prozessdesign-Kit – ein Satz von Dokumenten, die für einen Halbleitergeräte-Produktionsprozess erstellt oder gesammelt wurden

• Hwang, Enoch (2006). Digitale Logik und Mikroprozessor-Design mit VHDL . Thomson. ISBN 0-534-46593-5Die
• Prozessor-Design: Eine Einführung