Die Welt wird heute von zwei großen Familien von Prozessorarchitekturen dominiert, die sich nicht nur in ihren Befehlssätzen und ihrer Designphilosophie unterscheiden, sondern auch unterschiedliche Anwendungsbereiche haben. Wer sich fragt „Was ist CPU?“ oder „Was ist ein Prozessor?“, stößt dabei schnell auf die verschiedenen Prozessorarchitekturen, die bestimmen, wie eine CPU Befehle verarbeitet. Daneben gibt es eine ganze Reihe weiterer Architekturen; einige sind experimentell, andere leben in Mikrocontrollern weiter, da sie sich bewährt haben und in ihren Bereichen nach wie vor nützlich sind.
Einen wirklich breiten Erfolg haben jedoch zwei Architekturfamilien erzielt. Die erste und für Computerbesitzer bekanntere ist x86, deren Entwicklung Intel im Jahr 1978 begann. An ihrer Weiterentwicklung war auch AMD maßgeblich beteiligt, das 2003 die Erweiterung x86-64 einführte, die wir bis heute nutzen. Die zweite sehr erfolgreiche Familie ist ARM, die 1985 von der Firma Acorn Computers entwickelt wurde. In beiden Fällen verlief die Entwicklung von 16-Bit-Prozessoren über 32-Bit- bis hin zu modernen 64-Bit-Prozessoren – und die Anzahl ihrer Befehle stieg stetig an. Ein CPU Vergleich oder Prozessor Vergleich berücksichtigt deshalb nicht nur Leistung und Taktfrequenz, sondern auch die zugrunde liegende Architektur des jeweiligen Prozessors.
Heute verfügt x86 über eine riesige Menge an Befehlen, da diese Architektur zu CISC (Complex Instruction Set Computer) gehört. Da die Anzahl der Befehle und ihrer Varianten wuchs, erreichte sie unglaubliche Zahlen. Laut einer Untersuchung der University of Nebraska beträgt die Anzahl der einzelnen Befehlsvarianten von x86-64 bis zu 3684. Diese Zahl umfasst nicht nur die Befehle selbst, sondern auch deren Varianten, beispielsweise verschiedene Operationen mit anderen Registerpaaren. Viele Befehle, die den Umgang mit dem Speicher verändern, werden heute nicht mehr verwendet, aber die Prozessoren unterstützen sie aus Gründen der Abwärtskompatibilität weiterhin.
Prozessoren der ARM-Familie gehören zu den RISC-Architekturen (Reduced Instruction Set Computer) und verfügen laut technischen Handbüchern derzeit über 232 Befehle, was deutlich weniger ist als bei x86. Diese Zahl schließt jedoch keine erweiterten Befehle ein, die einzelne Hersteller, wie beispielsweise Apple, dem Prozessordesign hinzufügen. Welcher Prozessor für ein bestimmtes Gerät geeignet ist, hängt daher stark vom jeweiligen Einsatzgebiet ab.
Technisch gesehen funktionieren auch moderne x86-Prozessoren nach dem RISC-Prinzip (sie werden als x86-RISC bezeichnet). Aus Sicht des Compilers wirken sie zwar wie CISC, aber im Inneren des Prozessors werden die Befehle mithilfe von Mikrocode in Mikrobefehle übersetzt, die wie in einer RISC-Architektur verarbeitet werden. Diese Lösung ermöglicht es, die Abwärtskompatibilität aufrechtzuerhalten, ohne dass Compiler oder Programmierer den Unterschied bemerken. Moderne x86-Prozessoren erreichen somit eine ähnliche Effizienz wie RISC-Prozessoren, wenn auch mit einer gewissen Einbuße durch die komplexe Steuerungslogik, die für die Übersetzung in Mikrobefehle erforderlich ist.
Der grundlegende Unterschied zwischen RISC- und CISC-Architekturen besteht darin, dass RISC großen Wert auf die Optimierung auf Seiten des Compilers legt, was oft ein Problem darstellt. Compiler aus höheren Programmiersprachen haben eine Reihe von Einschränkungen; sie sind beispielsweise nicht in der Lage abzuschätzen, ob der Prozessor zu einem bestimmten Zeitpunkt über die benötigten Daten verfügen wird. Dieser Mangel hat viele ambitionierte Architekturen wie Intel Itanium zerstört. Heute scheint die Strategie, bei der die CPU die Ausführung von Befehlen selbst optimiert, in der Windows-Welt besser zu funktionieren.
Damit RISC wirklich effizient funktioniert, müssen das gesamte Betriebssystem und die Anwendungen im Hinblick auf die Fähigkeiten von Prozessoren mit RISC-Architektur geschrieben sein, wie es beispielsweise Apple mit macOS für die Apple-Silicon-Chips getan hat. Bei Systemen, die auf altem Code basieren, wie Windows, dominieren weiterhin x86-Prozessoren, da sie selbst eine Reihe von Optimierungen durchführen und so eine gute Leistung sicherstellen können. Intel und AMD überwachen kontinuierlich wichtige Programme und untersuchen, wie diese die einzelnen Befehle ihrer Prozessoren nutzen, um neue Architekturen „abzustimmen“ und die Leistung ihrer Prozessoren zu optimieren.
Michal Rybka
Michal Rybka ist Publizist und Enthusiast mit 20 Jahren Erfahrung in den Bereichen IT und Gaming. Er ist Kurator des AlzaMuseums und des YouTube-Kanals AlzaTech. Er hat mehrere Fantasy- und Science-Fiction-Kurzgeschichten verfasst, die in Buchform erschienen sind, und berichtet regelmäßig freitags für das Online-Magazin PCTuning.
