3 CPUs

Die CPU (Central Processing Unit = Prozessor) ist die zentrale Recheneinheit deines Computers und damit auch zum größten Teil an der Geschwindigkeit beteiligt. Sie ist bei fast allen Aufgaben (mit-)entscheident für die benötigte Zeit in der diese ausgeführt werden.
PC-CPUs sind so genannte x86-CPUs. Eine CPU zählt dann als x86, wenn sie zum Intel 8086 bzw. in den meisten Fällen auch zum 80386 kompatibel ist. Dazu gehören z.B. neben Intels Pentium-Familie auch die Prozessoren von AMD, wie etwa die K6- und Athlon-Familie. Ferner die Prozessoren von VIA bzw. Cyrix, Transmeta und einigen weiteren kleinen Unternehmen.

  3.1 Taktraten - wodurch bestimmt?

Diverse Taktraten eines Rechners leiten sich häufig (nicht immer - s.u.) aus dem dem Takt des Front Side Bus ab. Der FSB ist der Datenbus zwischen Chipsatz und der CPU bei einer klassischen Bridge- oder Hub-Architektur (siehe Kapitel 2.1.3 und 2.1.4).

Der Takt des FSB ist (meist) ein ganzzahliges Vielfaches von 33MHz. Daher sind FSB-Takte von 66, 100, 133, 166 und 200MHz gebräuchlich. Höhere Taktraten, wie 266MHz sind ebenfalls möglich.

33MHz ist der Bezugstakt, da der klassische PCI Bus mit 33MHz arbeitet. Allerdings ist der FSB-Takt die Referenz für den PCI-Takt: Der PCI-Takt ist (meist) mittels eines Taktteilers an den FSB-Takt gekoppelt. Ändert man den FSB-Takt, ohne einen anderen Taktteiler zu benutzen, wird somit der PCI-Bus übertaktet. Der AGP-Takt ist stets doppelt so hoch, wie der PCI-Takt. Eine Übertaktung des FSB wirkt sich also auch auf den AGP aus. Es existieren aber Chipsätze, wo FSB-Takt und PCI-Takt nicht durch ein festes Verhälnis gekoppelt sind (z.B. nVidia nForce2). Die genauere Beschreibung der erwähnten Schnittstellen befindet sich in Kapitel 5.

Überträgt man in einem Taktschritt 2 Datenbits, so spicht man von Double Data Rate (DDR). Alle 32Bit AMD Athlons setzen dieses Verfahren beim FSB ein. Bei DDR-RAM sagt schon der Name, dass auch hier dieses Verfahren genutzt wird. Da theoretisch durch das DDR-Verfahren die doppelte Datenmenge transportiert werden kann, wird aus Marketing-Gründen oft z.B. von "effektiv 400MHz (FSB400)" gesprochen, wenn der FSB mit tatächlich 200MHz betrieben wird. Bei RAM gelten gleichartige Bezeichnungen: DDR400-RAM (auch: PC3200 siehe Kapitel 8.4.7) taktet mit 200MHz.

Werden bei einem Taktschritt gar 4 Datenbits, so spricht man von Quad Data Rate. Dieses Verfahren wird beim Pentium 4 eingesetzt. Auch hier exisiteren Marketingbezeichnungen, wie FSB533 für einen FSB mit QDR-Verfahren und 133MHz Takt.

In früheren Systemen waren FSB und CPU-Takt identisch. Das konnte aber bei höheren Taktraten nicht mehr beibehalten werden, da Signallaufzeiten auf Mainboards den PCI-Takt limitieren. Als Konsequenz darauf wurde ein Taktmultiplikator eingeführt. Er bestimmt das Verhältnis von CPU-Takt zu FSB-Takt. Beispiel: Ein Celeron 800 besitzt einen FSB-Takt von 100 MHz und somit ist der Multiplikator acht.

Der Multiplikator ist heute normalerweise "locked", d.h. in der CPU festgelegt. Er wird bei der Fertigung einmalig eingestellt. Manchmal existieren aber Möglichkeiten, diese Sperre zu umgehen, zum Beispiel bei den 32Bit Durons und Athlons von AMD: Sie lassen sich durch das Schließen der L1-Brücken (mit Graphit (ein Bleistift) oder Leitlack, näheres dazu in Kapitel 9.5) dazu "überreden" ihren normalen Multiplikator durch einen auf dem Motherboard oder im BIOS eingestellten zu ersetzen. Beim Athlon 64 FX ist der Multiplikator sogar schon mit der Auslieferung unlocked und kann -ein passendes Mainboard vorausgesetzt- frei gewählt werden. VIA-CPUs vom C3 bis zum Eden ESP ohne festen Multiplikator tragen ein "S" in der Bezeichnung. Die meisten älteren CPU bis (Super)Sockel7 sind ebenfalls nicht "locked".
Ist eine CPU nicht "unlockable" so kann sie nur übertaktet werden, wenn der Takt des FSB angehoben wird.
CPU-Takt = Multiplikator * FSBTakt

  3.2 Historie der Sockel/Slots

OD = Overdrive

[1] Der schnellste 486er für den Sockel 2 war der DX/2 mit 66 MHz; der Pentium Overdrive mit 63 (für Systeme mit 25 MHz Boardtakt) und 83 MHz (für solche mit 33 MHz Boardtakt) wurde erst später vorgestellt.

Sockel A

Obwohl der Sockel A die gemeinsame Basis für eine Vielzahl von Prozessoren der AMD Athlon-Familie (32 Bit) bildet, sind im Laufe der Zeit wesentliche Änderungen bei der Spannungsversorgung und beim FSB-Takt vollzogen worden. Der FSB erreichte Taktraten von 100 MHz (DDR200), 133MHz (DDR266), 166MHz (DDR333) und 200MHz (DDR400). Somit kann bei weitem nicht jede Sockel A CPU auf jedem Sockel A Mainboard betrieben werden. Letztendlich hilft nur ein Blick in die Kompatibilitätsliste der Mainboardhersteller.

Sockel 8

Dem Pentium Pro (Bauform: Sockel 8) war im Desktop-Markt kein großer Erfolg beschieden, da er nur 32-Bit-Code schnell ausführen konnte (das ging aufgrund der veränderten Architektur deutlich schneller als beim Pentium); 16-Bit-Code, wie er 1996 noch häufig vorkam, bremste den Prozessor dagegen aus, so dass er dort nicht einmal so schnell war wie ein Gleichgetakteter Pentium.
Dem im Pentium Pro verwendete P6-Kern war später dann doch Erfolg beschieden: Leicht verändert fand er sich im Pentium II wieder. Bis zum Pentium 4 (der komplett neu entwickelt wurde) basieren sämtliche Intel-Prozessoren auf dem Pentium Pro-Kern.

Sockel 370 PPGA, FC-PGA und FC-PGA2

Das PPGA, FC-PGA und FC-PGA2 alle den gleichen Sockel 370 nutzen, heißt leider nicht, das eine CPU in allen Boards mit dem Sockel370 funktioniert. Grundsätzlich gelten diese Regeln:

• S370-PPGA-Boards unterstützen nur PPGA-CPUs.
• S370-FC-PGA-Boards unterstützen oft PPGA- und immer FC-PGA-CPUs. FC-PGA2-CPUs (solche mit Tualatin-Kern und Heatspreader) sind nur mit Spezialadaptern oder "dirty hacks" (Tualatin-Mod bei Boards mit Intel-Chipsatz) nutzbar, da sie eine geringfügig abweichende Pinbelegung aufweisen und die Spannung auf dem GTL+-Bus von 1.5 auf 1.25 V abgesenkt wurde (bei Überspannung startet die CPU nicht). Ähnliches gilt für Slot1-Boards.
  Achtung: Auch einige Prozessoren mit Coppermine-Kern wurden mit Heatspreader ausgestattet, der Aufdruck ermöglicht jedoch die eindeutige Identifikation etwa über die Kernspannung.
• S370-FC-PGA2-Boards unterstützen selten PPGA- und immer FC-PGA(2)-CPUs. Allerdings abhängig von verschiedenen Faktoren auch nicht alle, bei den CPUs mit 1400MHz gibt es manchmal Probleme.
• VIA nennt die zum Sockel370 kompatiblen CPUs EBGA (Enhanced Ball Grid Array).

Genaue Informationen zu diesen Fragen findet man zumeist beim Hersteller des Motherboards (Kapitel 7.4 und Kapitel 13.2 geben weiteren Aufschluß über Hersteller des Boards und seine Webseite).

Sockel 423

Der Sockel 423 wird und wurde ein Flop durch die Ankündigungen des nächsten Sockels vor dem Erscheinens des Pentium 4. Der neue Sockel 478 hat im Herbst 2001 den Sockel 423 abgelöst, neue Pentium 4-CPUs erscheinen nicht mehr für den Sockel 423. Eine Nutzung neuerer So478-CPUs (mit einem FSB von 100 MHZ) ist aber teilweise mit Hilfe von Adaptern möglich.

  3.3 CPUs im Detail

In diesem Kapitel sollen technische Daten aufgeführt werden, es ist aber auch ganz gut als "Historie der CPUs" zu gebrauchen.

  3.3.1 Allgemeine Daten

AMD

(...)* = L2-Cache auf der Platine

HT = Kein FSB mehr, Anbindung an den Chipsatz und andere CPUs funktioniert über HyperTransport. Die Anbindung überträgt bidirektional 3.2 GB/s (800MHz) bzw. 4 GB/s (1GHz).

3DNow! Pro enthält Intels SSE1-Befehle.

Centaur

Intel

(...)* = L2-Cache auf der Platine

L-TDP** = Low Thermal Design Power: "Intel Pentium 4 Processor with 512 KB L2 Cache on .13 Micron Process (intended for sub-45W TDP designs" [aus: intel Datasheet #298639-001, January 2002]

[1] Hyperthreading-CPUs sind alle P4 Northwood und Prescott ab 2400MHz mit FSB800, der P4 3066 mit FSB533, alle Xeon mit Foster MP-, Prestonia-, Gallatin- und Nocona-Kern, der P4 EE 840 sowie der Mobile Pentium 4 mit FSB533.
Die Nutzung von Hyperthreading (HT) erfordert einen HT-fähigen Chipsatz sowie ein OS, welches diese Technologie unterstützt.
Weiterführende Infos siehe auch Kapitel 2.2.2 und unter:
http://www.intel.com/deutsch/hyperthreading/index.htm

[2] Pentium 4 6xx und EE 2.73GHz sowie P4 EE Pentium D und teilweise Celeron D mit EM64T

NexGen

Rise

Transmeta

VIA-Cyrix

Joshua** = Kam in Europa und den USA nie auf den Markt, in Asien möglicherweise in Komplett-Systemen.

  3.3.2 Elektrische Daten

Aufgelistet sind die zur Zeit am häufigsten verbauten CPUs, unterteilt nach ihrer Verwendung für Desktops, Mobilcomputer und Server/Workstations. Geordnet sind die CPUs nach Hersteller, dann nach CPU-Generationen, dann nach Taktrate. Der Verbrauch ist in Watt angegeben, die Maximal-Temperatur in Grad Celsius. Das PR ist, so vorhanden, das vom Hersteller genannte "Performance-Rating".

3.3.2.1 Desktop-CPUs

AMD

• Beim Athlon XP Thoroughbred wird zusätzlich die CPUID angegeben, um die erste und zweite Version (Thoroughbred a und b) voneinander zu unterscheiden.

Intel

Pentium4 Willamette * = Diese Pentium 4s sind im Sockel 478, durch weitere Strom-/Masseleitungen ist der Stromverbrauch leicht gestiegen.

* FSB 133MHz, kein Hyper Threading

# Dual-Core-CPU

+ EM64T + Execute Disable Bit

[1] Xeon Gallatin-Core

[2] Mit dem nachgestellten "E" in der Produktbezeichung der So478-Version (z.B. Pentium 4 3,40E GHz) unterscheiden sich die Prescotts vom Pentium4 3,4GHz mit dem Northwood-Kern. Das nachgestellte "A" steht für FSB-133MHz-CPUs.

[3] Kernspannung zwischen 1,01 und 1,35V; bei Überhitzung durch Thermal Monitor 2 Multiplikatoränderung und Senkung der Kernspannung möglich

[4] Enhanced Speedstep (EIST), Heruntertaktung bis auf 2800MHz und variable Kernspannung von 1,25 bis 1,4V

VIA-Cyrix

[1] Samuel2-Core
[2] Nehemia-Core 3.3.2.2 Mobil-CPUs

AMD

[1] Thoroughbred-Kern
[2] Barton-Kern

Intel

Es existieren verschiedene CPUs mit 1.475, 1,5, 1,525 und 1,55V V_Core.

Transmeta

VIA-Cyrix

 3.3.2.3 Server-/Workstation-CPUs

AMD

Intel

  3.3.3 Cacheable Area: Tabelle der Prozessoren

AMD

Intel

Anmerkungen:
(1) Pentium II "Deschutes" ab Stepping dA1 ab 350MHz und alle Modelle mit den folgenden S-Nummern:
266 MHz: SL33D, SL2W7
300 MHz: SL35V, SL2VY, SL2YK, SL2W8
333 MHz: SL2QH, SL2S5, SL2WY, SL2TV, SL2ZP
haben alle eine cacheable Area von 4 GB (Aus welchem Stepping ein Prozessor stammt, kann man unter http://developer.intel.com/design/pentiumII/qit nachsehen)

Transmeta

VIA-Cyrix

Quelle: Hersteller der CPUs (siehe Kap. 13.4) sowie http://users.erols.com/chare und http://www.sandpile.org

  3.4 Welche CPU habe ich?

Um den verwendeten CPU-Typ und genauere Eigenschaften über diesen zu erfahren gibt es mehrere Möglichkeiten.

  3.4.1 Tools der Hersteller

 3.4.1.1 Intel

Ist der CPU-Typ bekannt (oder Teile der Bezeichnung) können folgende Seiten zur vollständigen Identifikation weiterhelfen:

http://processorfinder.intel.com/scripts/default.asp

Hier genügt es, die 'sSpec Number' (5stellige Buchstaben-/ Zahlenkombination) einzugeben um an detaillierte Informationen über die CPU zu kommen. Schrittweise über CPU-Typ, Sockel etc. ist dies auch möglich.

Ein unter DOS bootfähiges Programm von Intel namens 'Processor Frequency ID Utility' lässt sich unter http://support.intel.com/support/processors/tools/frequencyid herunterladen.

 3.4.1.2 AMD

Bei AMD lässt sich ein DOS-Programm namens 'cpuinfo.exe' unter http://www.amd.com/de-de/Processors/ComputingSolutions/0,,30_288_809_965%5E871%5E2364~4563,00.html herunterladen. Die Informationen über die (derzeit) verwendete CPU entsprechen in etwa denen von 'WCPUID'.
Sehr hilfreich für nähere Information über die verwendete CPU könnte auch die AMD-eigene Seite http://www.amdcompare.com/ sein.

  3.4.2. Tools von Drittanbietern

Den verwendeten CPU-Typ kann man unter Windows z.B. mit "WCPUID" feststellen, offizielle Homepage: http://www.h-oda.com. Falls der Download dort zu langsam ist reicht das Suchen nach WCPUID bei jeder Suchmaschine um genügende Ergebnisse hervorzubringen. Alternativ kann man das ähnliche CPU-Z verwenden, die Herstellerhomepage lautet http://www.cpuid.com.

Eine weitere Freeware wäre CPUInfo von http://www.pcanalyser.de/deu/index.html

Für DOS ist Dr. Hardware geeignet. Man kann es auf der offiziellen Seite http://www.drhardware.de erhalten.
Unter Linux ist (falls vorhanden) 'cat /proc/cpuinfo' möglich, bei vielen Distributionen gibt es auch das Paket cpuid (Für Debian: apt-get install cpuid; Andere Distributionen bieten ähnliche Pakete an).

  3.5 Mobiler Einsatz - spezielle Anforderungen und Anpassungen

Mit der wachsenden Beliebtheit von tragbaren Rechnern (Notebooks, Subnotebooks, Tablet-PCs) rücken auch die dort verbauten Prozessoren stärker in den Blickpunkt. Generell kann man mehrere Typen von Prozessoren unterscheiden:

  3.5.1 Desktop-CPUs

Insbesondere der Pentium 4 gehört in diese Kategorie. Diese Prozessoren sind ganz gewöhnliche Exemplare, wie sie auch in Desktop-Rechnern zum Einsatz kommen, mit hoher Verlustleistung, keinerlei Stromsparfunktionen (von Throttling einmal abgesehen, siehe 4.5.4) und eher niedriger zulässiger Maximaltemperatur, damit hohem Kühlbedarf. Ständiges Lüfterrauschen und/oder starke Erwärmung der eher klobigen Geräte sind an der Tagesordnung, zudem bedingt der hohe Energieverbrauch meist wenig überzeugende Akkulaufzeiten trotz hoher Akkukapazitäten. Desktop-CPUs werden typischerweise in sehr billigen Notebooks oder Desktop-Replacements (also eher großen Geräten mit einer Ausstattung, die der von stationären Rechnern Konkurrenz macht) verbaut.

  3.5.2 Mobile-CPUs mit höherer Verlustleistung

Hierzu zählen vor allem Mobile Pentium 4-M (kurz mP4-M) und Mobile Athlon XP (kurz mA-XP [mit DECs Alphas hat der nichts zu tun, daher nicht mAXP]). Diese bieten alle Stromsparfunktionen, die man so braucht (dazu später mehr), verbraten aber dennoch maximal bis zu 30-40 W und sind aufgrund der dafür nötigen Kühlsysteme für sehr dünne Notebooks kaum geeignet. Zwischen mP4-M und Desktop-P4 ist der Mobile Pentium 4 angesiedelt, der die Stromsparfunktionen des mP4-M bietet, bei vollem Takt aber mit Kernspannungen vergleichbar denen von Desktop-Exemplaren läuft und dann auch ähnliche Verlustleistungen aufweist. Die Prozessoren dieser Kategorie sind ausnahmslos von Desktop-CPUs abgeleitete Designs (siehe 3.5.3.1).

  3.5.3 Echte Mobile-CPUs

Hierzu zählen vor allem der Pentium-M (Banias- und Dothan-Kern), der Mobile Pentium III-M (kurz mPIII-M), die Low-Voltage-Versionen des Mobile Athlon XP und der Transmeta Crusoe. Diese eignen sich auch für den Einsatz in Subnotebooks, die typischerweise aufgrund der geringen Akkukapazitäten sehr stromsparend sein müssen und keinen Platz für ein großzügig dimensioniertes Kühlsystem bieten. Sie sind (mal abgesehen vom Crusoe) oftmals auch in Low-Voltage- und Ultra-Low-Voltage-Versionen mit weiter reduzierten Kernspannungen verfügbar, die z.B. in Subnotebooks, Mini-Notebooks und Tablet-PCs zum Einsatz kommen. Man kann in dieser Kategorie nochmals zwei Arten von Prozessoren unterscheiden:

 3.5.3.1 Von Desktop-Prozessoren abgeleitete Designs

Dies ist der klassische Ansatz. Hierhin gehören der mPIII-M, der mA-XP und der mP4-M. Die Vertreter dieser Gattung sind im wesentlichen Desktop-Prozessoren mit diversen Stromsparfunktionen (u.a. Reduktion von Takt und Kernspannung in einer oder mehreren Stufen [Intel: SpeedStep, AMD: PowerNow] und "Tiefschlaf-Modi" mit weiter reduzierter Stromaufnahme gegenüber normalem Leerlauf [d.h. Einsatz des HLT-Befehls]).

 3.5.3.2 Eigene Mobil-Designs

Diese Prozessoren wurden speziell für den Einsatz als Mobilprozessoren entworfen und haben sonst keine Entsprechung. Hierunter fallen insbesondere Intels Pentium-M und Transmetas Crusoe.

Der Pentium-M ist in gewissem Sinne ein "klassischer" x86er - auf den ersten Blick erkennt man einige Elemente des P6-Designs (also PPro/PII/PIII/Celeron abzüglich P4-Celeron), was wenig verwundert, hatten doch die Entwickler vorher am "Timna" gearbeitet, der eine Art Celeron mit integriertem Grafikcore und Speichercontroller werden sollte; der Prozessorbus ist eine Variante des Pentium-4-Busses mit niedrigerer Spannung. Daneben finden sich aber auch jede Menge Dinge, die implementiert wurden, um die Effizienz des Prozessors zu erhöhen und den Stromverbrauch zu reduzieren: Eine verbesserte Sprungvorhersage, die Abschaltung und lediglich gezielte Aktivierung von einzelnen Segmenten des großen L2-Caches, die Möglichkeit zum separaten Abschalten von vielerlei Prozessorteilen, deutlich reduzierte Leckströme (ab 0.13µ ein ernstzunehmendes Problem) sowie endlich auch Speedstep mit mehr Taktstufen. In der Summe handelt es sich um einen Prozessor, der bezüglich Rechen- und Verlustleistung den mP4-M das Fürchten lehrt und hinsichtlich der Mobiltauglichkeit endlich wieder an den mPIII-M anschließt.

Der Transmeta Crusoe ist gänzlich anders konzipiert: Dieser VLIW-Prozessor (Very Long Instruction Word, die Datenworte sind 128 bzw. 256 Bit lang) führt sämtlichen x86-Code mittels seiner Code-Morphing-Software in einer Art Emulation aus (womit er eigentlich nicht auf x86 beschränkt ist, sondern auch ganz andere Architekturen emulieren könnte), wobei zusätzlich der Programmablauf im Laufe der Zeit weiter optimiert wird. Der Stromspartrick besteht darin, daß der eigentliche Prozessorkern weitaus einfacher (und # damit: weniger stromhungrig) gehalten werden kann als es für die Realisierung von x86-Kompatibilität ganz in Hardware vonnöten wäre. Der große Durchbruch blieb dem innovativen Konzept bisher verwehrt, waren doch die erzielten Rechenleistungen eher moderat.

Weiterführende Literatur:
c't 7/03, S. 122f