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CPU-Fachbegriffe erklärt

19.10.2020 | 13:05 Uhr |

CPU-Tests sind aufwendig. Bevor Sie zu den entscheidenden Leistungs-Benchmarks gelangen, müssen Sie sich durch einen Dschungel von Fachbegriffen wie beispielsweise Silizium, Die (Chipfläche), Modul, IHS oder sTIM quälen. Die wichtigsten Teile eines Prozessors, die unter CPU-Enthusiasten ständig diskutiert werden, finden Sie hier nachfolgend erklärt – und zwar nicht als wissenschaftlich-technische Abhandlung, sondern eher in Form einer Einführung in die allgemeine Terminologie für angehende CPU-Freaks.

Silizium: Vor mehr als zehn Jahren hat Intel die Grundlagen für die Herstellung der hauseigenen Prozessoren allgemein veröffentlicht – vom Rohmaterial bis hin zum fertigen Produkt. Wir nehmen diesen Prozess als ein Grundgerüst, wenn wir uns die Schlüsselkomponente einer CPU ansehen: den Die (Stück eines Halbleiter-Wafers).

Das Erste, was eine CPU benötigt, ist Silizium. Dieses chemische Element kommt insbesondere in (Quartz)-Sand vor. Intel formt daraus einen Siliziumbarren und schneidet ihn in dünne Scheiben, in sogenannte Wafer. Jede dieser Scheiben poliert der Halbleiterhersteller so lange, bis die Oberfläche spiegelglatt ist. Daraufhin verwandelt sich das Silizium von einem Rohstoff in ein elektronisches Kraftwerk. Die Silizium-Wafer erhalten zunächst ein Finish aus Fotolack. Sodann werden sie mit UV-Licht bestrahlt, geätzt und mit einer weiteren Schicht Fotolack versehen. Schließlich werden sie mit Kupferionen beschossen und poliert. Darauf erfolgt der Auftrag von Metallschichten, um all die winzigen Transistoren miteinander verbinden zu können, die zu diesem Zeitpunkt bereits auf dem Wafer vorhanden sind. Natürlich gibt es noch einige zusätzliche Schritte, aber – wie eingangs schon erwähnt – wollen wir hier lediglich die Grundlagen behandeln.

Dies: Der Wafer wird auf seine Funktionalität hin getestet. Erst wenn er die Prüfung erfolgreich bestanden hat, wird er in kleine Rechtecke, die sogenannten Dies, geschnitten. Jeder Die kann mehrere Prozessorkerne sowie einen Cache (Pufferspeicher) und andere Komponenten einer CPU beinhalten. Nach dem Zuschnitt erfolgt ein erneuter Test. Erst danach geht ein Die in den Verkauf. Im Prinzip ist ein Die nichts anderes als ein kleines Stück Silizium, das mit Transistoren bestückt ist und das Herz eines jeden Prozessors bildet. Jedes andere physische Teil hilft diesem kleinen Stück Silizium eigentlich nur bei seiner Arbeit.

CPUs sind komplexe Komponenten mit nicht minder komplizierten Bestandteilen. Für die Wahl der richtigen CPU lohnt es sich, die Fachbegriffe zu verstehen.
Vergrößern CPUs sind komplexe Komponenten mit nicht minder komplizierten Bestandteilen. Für die Wahl der richtigen CPU lohnt es sich, die Fachbegriffe zu verstehen.

Der springende Punkt: Je nach Prozessor, den Sie sich kaufen, kann eine CPU entweder einen oder mehrere Silizium-Dies besitzen. Ein Die bedeutet, dass alle Komponenten des Prozessors, wie eben Kerne und Cache, auf diesem einen Stück Silizium sitzen. Bei mehreren Dies befindet sich Verbindungsmaterial dazwischen. Es gibt in der Praxis leider keine einfache Möglichkeit, zuverlässig festzustellen, ob eine bestimmte CPU einen oder mehrere Dies hat. Das liegt einzig und allein beim Hersteller. Intel ist jedoch bekannt dafür, dass es für seine Endkonsumenten-Prozessoren einen einzigen Die verwendet. Das wird als monolithisches Design bezeichnet. Der Vorteil eines monolithischen Designs ist eine höhere Leistung, da sich alles auf derselben Fläche befindet und dadurch die Kommunikation im Vergleich zu mehreren, verbundenen Dies nur minimal verzögert wird.

Eine Schwierigkeit gibt es mittlerweile allerdings: Es wird stets kniffliger, Fortschritte zu erzielen, wenn die Hersteller immer kleiner werdende Transistoren auf die gleiche Größe des Siliziums packen wollen. Gleichzeitig wird es auch immer kritischer, einzelne Dies herzustellen, die mit allen Prozessorkernen funktionieren – insbesondere dann, wenn es sich um acht oder zehn Kerne handelt.

Doch AMD hat hier wohl einen Lösungsansatz gefunden. Das Unternehmen stellt zwar auch einige monolithische Prozessormodelle her, die Desktop-Serie Ryzen 3000 verwendet jedoch kleinere, sogenannte Silizium-Chiplets, die derzeit vier Kerne auf dem Silizium vereinen. Diese Chiplets bezeichnet das Unternehmen als „Core Complex“ oder CCX. Mehrere CCX werden zu einem größeren „Core Complex Die“ (CCD) zusammengefasst. Dieses CCD ist das, was im Jargon von AMD als ein einzelner Die zählt. Es handelt sich dabei aber eigentlich um mehrere kleine Silizium-Chiplets, die zu einer funktionierenden CPU verbunden sind.

AMD-Prozessoren haben allerdings auch einen von den CCDs getrennten Silizium-Die, den sogenannten I/O-Die, der sich insbesondere um die Kommunikation mit den restlichen Komponenten kümmert. Angesichts der Tatsache, dass es sehr aufwendig ist, funktionsfähige Silizium-Chips herzustellen, ist dieser Lösungsansatz tatsächlich wesentlich einfacher. Denn hier erhalten Sie eine kleinere Einheit mit vier Kernen, nicht einen einzigen Die mit zehn Kernen.

Ein AMD-Ryzen-Prozessor ohne IHS mit direktem Blick auf den Silizium-Die. IHS ist nur einer der Fachbegriffe rund um CPUs, die Sie kennen sollten.
Vergrößern Ein AMD-Ryzen-Prozessor ohne IHS mit direktem Blick auf den Silizium-Die. IHS ist nur einer der Fachbegriffe rund um CPUs, die Sie kennen sollten.

Sobald der Die fertig ist, sind natürlich noch weitere Komponenten notwendig, um mit dem Rest eines Computersystems zu kommunizieren. Grundlegend ist eine kleine, grüne Platine, die in der Regel als Substrat bezeichnet wird. Wenn Sie eine fertige CPU umdrehen, hat die Unterseite der grünen Platine Goldkontakte (abhängig vom jeweiligen Hersteller auch Pins). Diese Kontakte oder Pins passen in den Sockel einer Hauptplatine und ermöglichen es der CPU, mit dem Rest des Systems zu interagieren.

TIM: Nun aber wieder zurück ins Innere des Prozessors, denn wir haben den Silizium-Die immer noch nicht abgedeckt. Die Hauptkomponente ist hier das thermische Schnittstellenmaterial, auch TIM genannt. Dieses Kürzel steht für „Thermal Interface Material“. Im allgemeinen Sprachgebrauch begegnet Ihnen eher der Begriff „Wärmeleitpaste“. TIM verbessert die Wärmeleitfähigkeit und spielt damit eine zentrale Rolle bei der Kühlung einer CPU. In der Praxis ist dieses wärmeleitende Material in zwei Formen erhältlich: Wie bereits erwähnt als Paste oder als sTIM, also gelötetes, thermisches Schnittstellenmaterial.

Tatsächlich kann das TIM selbst bei verschiedenen Generationen von CPUs desselben Herstellers variieren. Daher können Sie nie absolut sicher sein, welches Material bei Ihrem Prozessor gerade eingesetzt wird. Aus diesem Dilemma gibt es zwei Auswege: Entweder verfolgen Sie aufmerksam die Nachrichten zu neuen CPUs. Oder Sie öffnen („delidded“) einen fertigen Prozessor einfach selbst. So verwendete beispielsweise Intel von 2012 bis 2018 Wärmeleitpaste, begann danach aber damit, sTIM für die Core-Prozessoren der neunten Generation der Oberklasse einzusetzen.

IHS: Neben den Komponenten Die, Substrat und TIM, aus denen sich ein CPU-Modul zusammensetzt, erhält das Modul auch noch einen integrierten Heatspreader, den IHS. Er verteilt die CPU-Wärme auf eine größere Oberfläche, um die Temperatur des Prozessors zu senken. Der CPU-Lüfter oder Flüssigkühler leitet dann die Wärme ab, die sich auf dem IHS aufbaut. Der IHS besteht normalerweise aus vernickeltem Kupfer. Außerdem hat sich eingebürgert, dass die Bezeichnung des Prozessormodells darauf zu finden ist.

Zusammengefasst ist der Die das Stück Silizium, auf dem die Prozessorkerne, Caches sowie weitere Bestandteile sitzen. Das Modul enthält den Chip, das Substrat und das TIM. Und zum Schluss kommt darüber ein IHS. Natürlich gibt es noch weitere als die erklärten Punkte. Wenn Sie diese aber schon einmal verstehen, dann haben Sie bereits den ersten Schritt zum CPU-Profi gemacht.

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