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CPUs: Das müssen Sie wissen


TecChannel Compact - epaper ⋅ Ausgabe 10/2021 vom 04.10.2021

Aktuelle Prozessoren

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Bildquelle: TecChannel Compact, Ausgabe 10/2021

Endlich wieder Konkurrenz! Seit den Ryzen-CPUs sind Prozessoren von AMD eine echte Alternative zu Intels Core-Modelle. Dadurch haben Sie mehr Auswahl, wenn Sie einen Rechner kaufen oder bauen wollen. Damit Sie dabei immer die richtige Entscheidung treffen, ist es vorteilhaft, die wichtigsten Fachbegriffe rund um das Thema Prozessoren zu kennen. So können Sie echte technische Innovationen von reinen Marketing-Ideen der Hersteller unterscheiden und finden vor allem sicher genau den Prozessor, der zu Ihren Anforderungen passt.

Prozessormodelle: So erkennen Sie die CPU-Leistung sofort

Um die Leistung einer CPU einschätzen zu können, sollten Sie wissen, in welche Prozessorfamilien Intel und AMD ihre Produkte einteilen: Bei Intel sind das vor allem die Serien Core, Pentium und Celeron.

Core-CPUs finden sich in High-End- und Mittelklasse-Rechnern, Pentium ist für Einsteiger-PCs gedacht, ...

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... Celeron-CPUs stecken in den allergünstigsten Rechnern sowie auch in NAS-Systemen.

AMD verkauft seine Prozessoren unter den Markennamen Threadripper, Ryzen und Athlon: Threadripper ist für Hochleistungs-Rechner gedacht, etwa für Spiele-PCs, Ryzen für PCs und Notebooks, während Athlon den Einsteigerbereich abdeckt.

Innerhalb dieser Familien gibt es verschiedene Leistungsklassen. Besonders wichtig sind die Einteilungen innerhalb der Core- und Ryzen-Familie, da die meisten PCs und Notebooks mit diesen CPUs ausgestattet sind: Bei Intel gibt es Core i9, Core i7, Core i5 und Core i3. AMD nutzt eine ähnliche Einteilung mit Ryzen 9, Ryzen 7, Ryzen 5 und Ryzen 3, wobei bei beiden Herstellern eine größere Ziffer auf mehr Leistung hinweist. Kompliziert wird die Entscheidung für eine CPU dadurch, dass es von den jeweiligen CPU-Familien verschiedene Generationen gibt, die sich überschneiden und deshalb gleichzeitig in verschiedenen PCs und Notebooks zu finden sind. Die Leistungsklassen sind aber immer nur innerhalb einer Modellgeneration vergleichbar, sodass ein aktueller Core i5 zum Beispiel leistungsfähiger sein kann als ein Core i7 der Vorgänger-Generation. Eindeutig zuordnen lässt sich ein Prozessor deshalb nur über seine Modellnummer oder Typenbezeichnung, auch SKU (Stock Keeping Unit) genannt, etwa Core i5-1135G7 oder Ryzen 5 5600X. Welche Ausstattung sich dahinter verbirgt, erfahren Sie in den Produktdatenbanken von AMD unter www. amd.com/de/products/specifications und Intel unter ark.intel.com.

Diese Tools verraten alle CPU-Infos

CPU-Technik: Das unterschiedet die einzelnen Prozessorserien

Bei Tests und Artikeln über Prozessoren stoßen Sie oft auf den Begriff Mikroarchitektur oder Kernarchitektur. Häufig stehen daneben Codenamen wie „Comet Lake“ oder „Zen 3“: Diese verwenden Intel und AMD eigentlich für den internen Gebrauch – Sie können daran aber erkennen, um welche Prozessoren es geht. Allerdings werden die Begriffe nicht immer einheitlich verwendet: Manchmal ist damit die grundlegende Funktionsweise einer Prozessorgeneration gemeint: Die Mikroarchitektur Zen 3 zum Beispiel ist die gemeinsame Basis aktueller AMD-Prozessoren für PC, Notebook und Server, die sich wiederum über eigene Codenamen wie Vermeer, Cezanne und Milan unterscheiden lassen. Außerdem gibt es Codenamen für den eigentlichen Prozessorkern – zum Beispiel „Willow Cove“ bei den Tiger-Lake-CPUs von Intel. Wie wichtige aktuelle Codenamen lauten und wofür sie stehen, sehen Sie in den Tabellen auf den nächsten Seiten.

AMD bezeichnet bestimmte Prozessoren als APU (Accelerated Processing Unit): Dabei handelt es sich um CPUs, die eine Grafikeinheit mitbringen und deshalb keine zusätzliche Grafikkarte benötigen. Bei Intel sind fast alle CPUs so aufgebaut, hier erkennen Sie CPUs ohne Grafikeinheit am Buchstaben F im Modellnamen.

Kerne und Threads: Wann diese Angaben wichtig sind

Ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal aktueller Prozessoren ist die Anzahl ihrer Kerne (Cores): Aktuelle PC-Prozessoren haben davon zwischen zwei und 16. Eigentlich ist jeder Kern eine CPU (Central Processing Unit), die Hardware für Rechenoperationen sowie eigenen Cache (Zwischenspeicher) umfasst. Je mehr Kerne ein Prozessor besitzt, desto mehr Programmbefehle kann er gleichzeitig bearbeiten und damit das Rechentempo erhöhen.

Viele Prozessoren beherrschen außerdem Simultaneous Multithreading (SMT). Intel nennt diese Technik bei seinen CPUs Hyper-Threading. Bei gängigen Programmabläufen hat nicht jede Recheneinheit einer CPU immer etwas zu tun: Manchmal muss der Prozessor auf das Ergebnis einer anderen Berechnung warten oder die nächsten Daten oder Befehle aus dem Arbeitsspeicher holen. Mit SMT kann das Betriebssystem die Prozessorhardware besser auslasten, indem es freien Bereichen weitere Threads, also Programmabläufe, zum Bearbeiten zuweist.

Üblicherweise stellen Prozessoren von AMD und Intel dem System pro echtem Prozessorkern zwei logische Kerne zur Verfügung. Deshalb taucht zum Beispiel im Windows Gerätemanager eine Vierkern-CPU mit SMT achtmal auf. Wie viel Hardware-Kerne und logische Prozessoren die CPU in Ihrem Rechner mitbringt, zeigt der Windows Task-Manager unter „Leistung –› CPU“.

Welchen Vorteil viele CPU-Kerne oder Techniken wie SMT bringen, hängt aber vor allem davon ab, wie die Software programmiert ist, die Sie verwenden: Viele Multimedia-Programme zum Rendern oder Umwandeln von Formaten nutzen so viele Kerne wie möglich, während Office-Software meist nicht mehr als vier Kerne benötigt.

AMD: Prozessorserien und Codenamen

Taktrate: So schnell kann eine CPU arbeiten

Für viele Nutzer ist die Taktrate des Prozessors das wichtigste Leistungkriterium. Doch hier sorgen aktuelle CPUs für Verwirrung: In den technischen Daten vieler PCs und Notebooks finden Sie zur Taktrate nur noch die Angabe „bis zu...“. Das der Prozessor diesen Takt in der Praxis nur selten oder gar nicht erreicht, erfahren Sie nicht.

Zwar geben AMD und Intel für ihre Prozessoren üblicherweise einen Standard- oder Basistakt an. Diesen sollte die CPU immer erreichen und dabei innerhalb ihrer erlaubten Leistungsaufnahme bleiben. Allerdings passen Prozessoren Taktrate und Spannung permanent stufenweise an: Welchen dieser P-States (Performance States, Leistungszustände) eine CPU einnimmt, hängt von ihrer aktuellen Auslastung ab. Intel nennt diesen Vorgang Speed Shift, wobei die CPU ihren P-State wählt. Frühere CPU-Generationen arbeiteten mit Speed Step, bei dem Windows abhängig von der Systemlast den P-State bestimmte.

INTEL: Prozessorserien und Codenamen

Wenn wenig zu tun ist, arbeitet die CPU im Low-Frequency-Mode mit der niedrigsten Taktrate und Spannung, um den Stromverbrauch zu reduzieren. Bei aufwendigen Berechnungen geht sie über den Standardtakt hinaus und arbeitet mit Burst-Takt oder Turbo-Frequenz. Dieses automatische Übertakten nennt Intel Turbo Boost, bei AMD heißt es Precision Boost – der dabei maximal mögliche Takt steht in den Datenblättern hinter der Angabe „bis zu…“.

Diese Taktrate erreicht der Prozessor nur, wenn bestimmte Voraussetzungen erfüllt sind: Zum Beispiel dürfen seine Leistungs- und Stromaufnahme sowie seine Temperatur bestimmte Vorgaben nicht übersteigen. Außerdem hängt der maximal mögliche Takt von der Anzahl der aktiven CPU-Kerne ab: Daher gilt der höchste Boost-Takt meist nur für einen aktiven Kern; werden mehrere Kerne automatisch übertaktet, fällt das Tempoplus geringer aus. CPU- und System-Tools wie etwa HWinfo 64 zeigen Ihnen die unterschiedlichen Turbotaktraten: Im Eintrag für die CPU sehen Sie unter „Operating Points“ bei „CPU HFM (Base)“ den Standardtakt, bei „CPU-Turbo Max“ den höchsten Turbotakt. Darunter stehen bei „Turbo Ratio Limits“ die Multiplikatoren für die einzelnen aktiven Kerne: Hier ist der Wert größer, je kleiner die Anzahl der aktiven Kerne ist – zum Beispiel 48x bei 1C-2C (ein oder zwei aktive Kerne) und 43x bei 3C-4C (drei oder vier aktive Kerne).

Der Multiplikator vervielfacht dabei für die CPU-Kerne den Basistakt (BCLK, Base Clock Speed, auch Bus Speed): Dieser gilt für alle Bereiche des Prozessors, zum Beispiel auch Speicher- und PCI-Express, die ihren eigenen Takt davon ableiten.

Turbotakt: Wie AMD und Intel ihre CPUs beschleunigen

Der intensive Wettbewerb zwischen Intel und AMD führt dazu, dass beide Firmen mit jeder neuen CPU-Generation verbesserte Übertaktungsfunktionen einführen: Bei Intel zum Beispiel heißen sie Turbo Boost 3, Thermal Velocity Boost und Adaptive Boost, AMD nennt sie XFR (Extreme Frequency Range) und Precision Boost 2. Allerdings kommen sie nicht bei allen Prozessormodellen zum Einsatz, sondern meist nur bei den teuersten Varianten.

Häufig zielen sie darauf ab, durch eine niedrigere Temperatur dem Prozessor Spielraum bei der Leistungsaufnahme und damit eine höhere Taktrate zu ermöglichen: Je besser die Kühlung im PC, desto schneller kann die CPU dann rechnen.

Als Orientierung gilt die TDP (Thermal Design Power): Sie gibt die maximale Leistungsaufnahme eines Prozessors im Praxisbetrieb an. So wissen PC- und Notebookhersteller, welche Kühllösung sie für ihre Systeme benötigen. Bei manchen CPUs können die Hersteller die TDP anpassen, um den Prozessor zum Beispiel in ein sehr flaches Notebook einzubauen, in das keine aufwendige Kühllösung passt. Da AMD und Intel die TDPs ihrer CPUs unterschiedlich berechnen, sind die angegebenen Werte kaum vergleichbar und unterscheiden sich auch häufig von Testergebnissen.

Über takten: Taktrate und Spannung anpassen

Neben dem automatischen Übertakten lassen sich viele Prozessoren auch manuell jenseits ihrer Spezifikationen betreiben. Dazu können Sie den CPU-Multiplikator anheben oder die Prozessorspannung, die Core Voltage (VCore), verändern. Die Spannung lässt sich anheben (Overvolting), damit der Prozessor bei höheren Taktraten stabil arbeitet. Andererseits bringt eine reduzierte Spannung (Undervolting) eine niedrigere Betriebstemperatur: Das führt zu einem leiseren Rechner, weil der Lüfter weniger drehen muss. Oder Sie nutzen die geringere Wärmeentwicklung, um der CPU eine höhere Taktrate zu entlocken. AMD und Intel stellen dafür Tools wie Ryzen Master und Power Maximizer zur Verfügung. Auch über Einstellungen im Uefi-Bios lässt sich ein Prozessor übertakten: Die Mainboard-Hersteller bieten dafür unterschiedliche Profile, die meist auf Vorgaben der CPU-Hersteller beruhen und die sich zum Beispiel bei AMD-CPUs mithilfe von Agesa (AMD Generic Encapsulated Software Architecture), einem vorbereiteten Softwarepaket für Bios-Programmierer, schnell übernehmen lassen. So können Sie eine AMD-CPU per Precision Boost Overdrive anweisen, die Taktrate abhängig von den Leistungsreserven, die die Hautplatine bietet, zu erhöhen. Allerdings verfällt dann die Herstellergarantie für den Prozessor. Mit der Version 2 lässt sich das auch für einzelne CPU-Kerne einstellen.

Ob das Übertakten gelingt, hängt von der konkreten CPU in Ihrem Rechner ab: AMD und Intel ordnen die Prozessoren nach der Fertigung anhand von Vorgaben wie mögliche Taktrate und Leistungsaufnahme in die einzelnen Modellreihen ein (Binning). Damit es in jeder Serie genug CPUs abhängig von der erwarteten Nachfrage gibt, werden zum Beispiel einzelne Prozessoren als Ryzen 7 verkauft, obwohl sie die Vorgaben für einen Ryzen 9 erfüllen – so ein Einzelstück lässt sich dann besonders weit übertakten.

Fer tigung und Sockel: Auf diese Unterschiede sollten Sie achten

Besonders bei Berichten über neue CPU-Generationen steht der Fertigungsprozess im Mittelpunkt: Zum Beispiel das 7-Nanometer-Verfahren, in dem aktuelle AMD-CPUs produziert werden, bei Intel-Prozessoren sind es 10 oder 14 Nanometer. Bei CPU-Z steht diese Information im Feld „Technology“. Schon seit einiger Zeit beziehen sich die Nanometer aber nicht mehr auf die Transistorgröße einer CPU, sondern auf das Fertigungsverfahren (Node) des Halbleiterfabrikanten. Neue, feinere Verfahren erlauben es zum Beispiel, mehr Transistoren auf der gleichen Chipfläche (Die) aufzubringen, zum Beispiel mehr CPU-Kerne oder einen Grafiklogik (GPU) zusammen mit der CPU. Zugleich arbeiten feinere Transistoren stromsparender, sodass Prozessoren trotz hoher Leistung keine oder nur geringe Kühlung benötigen und sich auch in Smartphones, Tablets oder sehr flachen Notebooks verwenden lassen.

AMD und Intel optimieren permanent die Baupläne auch für veröffentlichte CPU-Serien, zum Beispiel um Fehler auszubügeln. Daher haben Prozessoren aus gleicher Serie oft ein unterschiedliches Stepping oder eine andere Revision-Nummer.

Eine CPU bauen Sie im PC ein, indem Sie sie in den Sockel auf der Hautplatine stecken. Manchmal ändert sich die Anzahl der Verbindungskontakte (Pins) von CPU-Generation zu CPU-Generation, was einen neuen Sockel und damit den Austausch der Hautplatine erfordert. AMD nutzt für seine PC-Prozessoren den Sockel AM4 mit PGA (Pin Grid Array): Hier sitzen die Pins an der CPU, die in die entsprechenden Vertiefungen des Sockel-Steckplatzes kommen. Intel nutzt für viele CPUs den Sockel LGA 1151: Beim Land Grid Array sitzen die Pins im Sockel und passende Kontaktflächen (Lands) unten an der CPU. In den meisten Notebooks ist der Prozessor auf die Hautplatine aufgelötet und lässt sich nicht tauschen: Bei diesem BGA (Ball Grid Array), stellen Lötperlen (Balls) den Kontakt her.

Thomas Rau

Thomas Rau ist stellvertretender Chefredakteur PC-WELT Print bei IT-Media.