Die Analyse von CPU-Leistungen ist komplex. Bevor man sich mit Leistungstests beschäftigt, muss man sich durch eine Vielzahl von Fachbegriffen wie Silizium, Die, Gehäuse, IHS und sTIM navigieren. Es ist eine Menge Fachsprache ohne ausreichende Erklärungen. Wir werden die wesentlichen Komponenten einer CPU definieren, über die PC-Enthusiasten am häufigsten diskutieren.
Bitte beachten Sie, dass dies keine detaillierte Abhandlung, sondern eine Einführung in die gängige Terminologie für angehende CPU-Experten sein soll.
Der Anfang mit Silizium
Vor mehr als zehn Jahren veröffentlichte Intel Details über die Herstellung seiner Prozessoren, vom Rohmaterial bis zum Endprodukt. Wir nutzen diesen Prozess als grundlegende Struktur, wenn wir uns die zentrale Komponente einer CPU ansehen: den Chip.
Der erste, unerlässliche Bestandteil einer CPU ist Silizium. Dieses chemische Element ist der Hauptbestandteil von Sand. Intel startet mit einem Siliziumblock und schneidet diesen in sehr dünne Scheiben, sogenannte Wafer.
Danach werden die Wafer zu einer „spiegelglatten Oberfläche“ poliert und dann beginnt der eigentliche Prozess! Das Silizium wandelt sich vom Rohstoff in eine elektronische Hochleistungsquelle.
Die Siliziumwafer erhalten eine Beschichtung aus Fotolack. Anschließend werden sie UV-Licht ausgesetzt, geätzt und mit einer weiteren Schicht Fotolack versehen. Zuletzt werden sie mit Kupferionen durchzogen und poliert. Dann werden Metallschichten hinzugefügt, um alle winzigen Transistoren zu verbinden, die sich an dieser Stelle auf dem Wafer befinden. (Wie bereits erwähnt, behandeln wir hier nur die grundlegenden Schritte).
Nun kommen wir zu dem Punkt, der für uns wichtig ist. Der Wafer wird auf seine Funktionalität getestet. Wenn er den Test besteht, wird er in kleine Rechtecke geschnitten, die als Dies bezeichnet werden. Jeder Chip kann mehrere Prozessorkerne sowie einen Cache und andere Komponenten einer CPU enthalten. Nach dem Schneiden werden die Dies erneut geprüft. Diejenigen, die die Prüfung bestehen, sind für den Verkauf bestimmt.
Der Siliziumchip für einen Intel Core Prozessor der 10. Generation.
Das ist alles, was ein Chip ist: ein kleines Siliziumstück voller Transistoren, das das Herzstück jedes Prozessors bildet. Alle anderen physischen Teile unterstützen dieses winzige Siliziumstück bei seiner Funktion.
Hier ist jedoch die Besonderheit: Abhängig vom Prozessortyp kann eine CPU entweder einen oder mehrere Siliziumchips haben. Ein einzelner Chip bedeutet, dass sich alle Komponenten des Prozessors, wie Kerne und Cache, auf einem einzigen Siliziumstück befinden. Bei mehreren Chips gibt es Verbindungsmaterial zwischen ihnen.
Es gibt keine einfache Methode, um mit Sicherheit festzustellen, ob eine spezifische CPU einen oder mehrere Dies besitzt. Dies hängt vom jeweiligen Hersteller ab.
Intel ist bekannt für die Verwendung eines einzelnen Chips für seine Consumer-Prozessoren. Dieses Design wird als monolithisches Design bezeichnet. Der Vorteil eines monolithischen Designs ist eine bessere Leistung, da sich alles auf demselben Die befindet und die Kommunikation nahezu ohne Verzögerung erfolgt.
Es ist jedoch schwieriger, technologische Fortschritte zu erzielen, wenn immer kleinere Transistoren auf die gleiche Siliziumfläche gepackt werden müssen. Ebenso ist es schwieriger, einzelne Dies zu produzieren, die alle Kerne gleichzeitig nutzen können – insbesondere wenn es um acht oder zehn Kerne geht.
Das Layout für einen AMD Threadripper Prozessor mit mehreren CCXs.
Dies steht im Gegensatz zu AMD. Das Unternehmen produziert einige monolithische Prozessoren, aber seine Ryzen 3000 Desktop-Serie verwendet kleinere Silizium-Chiplets, die aktuell vier Kerne auf dem Silizium haben. Diese Chiplets werden als Core Complex oder CCX bezeichnet. Sie werden zusammengepackt, um einen größeren Core Complex Die (CCD) zu bilden. Dieser CCD ist das, was bei AMD als Die gilt. Es sind mehrere kleine Silizium-Chiplets, die zu einer funktionsfähigen CPU verbunden sind.
AMD-Prozessoren haben auch einen von den CCDs getrennten Silizium-Die, der als I/O-Die bezeichnet wird. Wir werden hier nicht ins Detail gehen, aber Sie können mehr darüber in einem Artikel vom Juni 2019 von TechPowerUp nachlesen.
Angesichts der Komplexität, funktionierende Silizium-Dies zu entwickeln, ist es offensichtlich einfacher, eine kleinere Einheit mit vier Kernen zu erzeugen, als einen einzelnen Die mit zehn Kernen.
Das CPU-Paket
Sobald der Die fertiggestellt ist, benötigt er Unterstützung, um mit dem restlichen Computersystem zu kommunizieren. Dies beginnt in der Regel mit einer kleinen, grünen Platine, die oft als Substrat bezeichnet wird.
Wenn man eine fertige CPU umdreht, befinden sich auf der Unterseite der grünen Platine goldene Kontakte (oder Pins, je nach Hersteller). Diese Kontakte oder Pins passen in den Sockel eines Motherboards und ermöglichen der CPU, mit den anderen Komponenten des Systems zu kommunizieren.
Wenn wir zu unserem Prozessor zurückkehren, haben wir den Siliziumchip noch nicht abgedeckt. Die Hauptkomponente hier ist das Wärmeleitmaterial oder TIM. Das TIM verbessert die Wärmeleitfähigkeit (was für die CPU-Kühlung entscheidend ist). Es existiert normalerweise in einer von zwei Formen: Wärmeleitpaste oder sTIM (gelötetes Wärmeleitmaterial).
Das TIM-Material kann zwischen verschiedenen CPU-Generationen desselben Herstellers variieren. Es ist nicht immer vorhersehbar, was eine bestimmte CPU verwendet, es sei denn, man liest CPU-Nachrichten oder öffnet („delid“) einen fertigen Prozessor. Intel verwendete beispielsweise von 2012 bis ’18 Wärmeleitpaste, begann aber dann mit sTIM bei seinen Top-Core-Prozessoren der neunten Generation.
Zusammenfassend bestehen die Teile des Gehäuses aus: dem Chip, dem Substrat und dem TIM.
Eine Darstellung einer AMD Ryzen CPU. Der Markenname ist auf dem IHS aufgedruckt.
Abschließend befindet sich oben auf dem Paket ein integrierter Heatspreader oder IHS. Der IHS verteilt die Wärme von der CPU über eine größere Oberfläche, um die CPU-Temperatur zu senken. Der CPU-Lüfter oder die Flüssigkeitskühlung führt dann die Wärme ab, die auf dem IHS entsteht. Der IHS besteht in der Regel aus vernickeltem Kupfer. Der Name der CPU ist darauf gedruckt, wie oben gezeigt.
Damit ist unsere Erläuterung der CPU abgeschlossen. Nochmals: Der Chip ist das Siliziumstück, das die Prozessorkerne, Caches usw. enthält. Das Paket enthält den Chip, die Platine und das TIM. Und schließlich gibt es noch den IHS.
Es steckt noch viel mehr dahinter, aber dies sind die wichtigsten Punkte, auf die sich CPU-Nachrichten und -Tests konzentrieren.