Auch genannt: CPU, Central Processing Unit, Mikroprozessor
Ein Prozessor ist die zentrale Recheneinheit eines Computers. Er führt die Anweisungen von Programmen aus, verarbeitet dafür Daten und steuert dabei den Ablauf vieler Arbeitsschritte im System. In PCs, Smartphones, Servern und eingebetteten Geräten heißt er meist CPU (Central Processing Unit). Ein Prozessor ist wichtig, aber nicht mit dem gesamten Computer gleichzusetzen: Ohne Arbeitsspeicher, Massenspeicher, Ein- und Ausgabegeräte sowie Software kann er keine sinnvolle Aufgabe erledigen.
Wenn ein Browser eine Webseite darstellt oder eine App eine Eingabe verarbeitet, besteht die Aufgabe aus vielen kleinen maschinenlesbaren Anweisungen. Der Prozessor arbeitet diese Anweisungen nacheinander oder, bei mehreren Kernen, teilweise gleichzeitig ab. Er entscheidet nicht selbst, welches Ziel ein Programm haben soll. Er führt die Schritte aus, die Betriebssystem und Programme ihm in ihrer jeweiligen Maschinenform bereitstellen.
Die Bezeichnung „Gehirn des Computers“ kann als Bild beim Einstieg helfen, bleibt aber unvollständig. Ein Prozessor speichert weder dauerhaft alle Dateien noch ersetzt er die anderen Komponenten. Programme und Daten liegen zunächst etwa auf einem Laufwerk; zum Ausführen werden benötigte Teile in den schnellen Hauptspeicher geladen. Der Prozessor greift auf diese Anweisungen und Daten zu und erzeugt Ergebnisse. OpenStax beschreibt diesen Zusammenhang als Zusammenspiel von Hardware und Software: Hardware führt Programme aus, die mit Daten arbeiten.
Der grundlegende Ablauf wird häufig als Fetch-Decode-Execute-Zyklus beschrieben:
Für Rechen- und Vergleichsoperationen ist typischerweise die arithmetisch-logische Einheit (ALU) zuständig. Register halten Werte bereit, die unmittelbar gebraucht werden. Zwischen Register und Arbeitsspeicher liegt meist ein Cache: ein kleiner, schneller Speicher nahe am Rechenkern. Die Steuereinheit koordiniert den Ablauf, und ein Takt synchronisiert die Vorgänge. Die konkrete Architektur ist je nach Prozessor unterschiedlich; die drei Schritte sind daher ein nützliches Grundmodell, keine vollständige Beschreibung jedes einzelnen Taktzyklus.
Aktuelle Prozessoren enthalten häufig mehrere Kerne. Jeder Kern kann Anweisungen bearbeiten; das Betriebssystem verteilt ausführbare Aufgaben auf die verfügbaren Rechenressourcen. Das bedeutet nicht, dass jede Anwendung automatisch proportional schneller wird: Ob zusätzliche Kerne helfen, hängt davon ab, ob das Programm Arbeit sinnvoll parallelisieren kann und ob Speicher, Ein- und Ausgabe oder andere Komponenten zum Engpass werden.
Beim Öffnen eines Textdokuments lädt das Betriebssystem Programmcode und benötigte Daten vom Laufwerk in den Arbeitsspeicher. Der Prozessor führt dann die Anweisungen des Textprogramms aus: Zeichen eingeben, Formatierungen anwenden, Eingaben prüfen und die Anzeige vorbereiten. Wird gespeichert, veranlasst die Software, dass die geänderten Daten wieder auf ein dauerhaftes Speichermedium geschrieben werden.
Für die Anwenderin oder den Anwender wirkt das als eine Handlung. Technisch greifen aber Prozessor, Speicher, Betriebssystem und Ein-/Ausgabe zusammen. Ist der Arbeitsspeicher knapp oder das Laufwerk langsam, kann das Erlebnis träge sein, obwohl der Prozessor selbst leistungsfähig ist.
Die CPU-Auslastung zeigt nur, wie stark die Rechenkerne gerade beansprucht werden. Sie beantwortet nicht allein, warum ein System langsam reagiert. Wartet ein Programm auf Daten vom Laufwerk, auf eine Netzwerkantwort oder auf freien Arbeitsspeicher, können die Kerne zeitweise wenig zu tun haben. Umgekehrt kann eine hohe Auslastung bei einer aufwendigen Berechnung normal sein. Für eine sinnvolle Diagnose muss deshalb die konkrete Aufgabe betrachtet werden.
Auch Produktbezeichnungen helfen nur begrenzt bei der Einordnung. Eine Generation, die Zahl der Kerne, Energiegrenzen des Geräts und die Kühlung gehören zum Gesamtbild. Besonders bei dünnen Notebooks kann derselbe Prozessortyp unter längerer Last anders arbeiten als in einem größeren Gerät mit mehr Kühlung. Verlässliche Vergleiche beziehen sich daher auf nachvollziehbare Tests derselben Aufgabe und nicht nur auf einen einzelnen Datenblattwert.
Prozessoren finden sich nicht nur in Desktop-PCs. Smartphones, Router, Spielekonsolen, Fahrzeuge, Messgeräte und Server verwenden Recheneinheiten, die Programme ausführen. Die Anforderungen unterscheiden sich: Ein Server kann viele gleichzeitige Anfragen verarbeiten, ein Mobilgerät muss zusätzlich mit wenig Energie auskommen, und ein eingebettetes Gerät soll oft eine eng abgegrenzte Aufgabe zuverlässig erfüllen.
In einigen modernen Notebooks ergänzt eine NPU (Neural Processing Unit) die CPU für bestimmte KI-Rechenaufgaben. Der von Digital-Magazin erläuterte Kaufkontext für KI-Notebooks unterscheidet deshalb CPU, GPU, NPU, Arbeitsspeicher und SSD als Komponenten mit unterschiedlichen Rollen. Daraus folgt nicht, dass eine NPU den Prozessorbegriff ersetzt: Sie ist ein spezialisierter Beschleuniger für bestimmte Arbeitslasten, während die CPU die allgemeine Programmausführung übernimmt.
Eine hohe Taktfrequenz allein beschreibt die Geschwindigkeit eines Systems nicht zuverlässig. Architektur, Kernzahl, Cache, Speicheranbindung, Kühlung, Energiegrenzen und die konkrete Software beeinflussen das Ergebnis. Zwei Prozessoren mit ähnlicher Gigahertz-Angabe können deshalb bei derselben Aufgabe unterschiedlich schnell sein.
Ebenso irreführend ist die Aussage, ein Mehrkernprozessor führe beliebig viele Aufgaben gleichzeitig aus. Mehr Kerne schaffen zusätzliche Rechenkapazität, aber Programme benötigen passende Parallelisierung; manche Schritte bleiben zwangsläufig nacheinander. Auch eine CPU ist nicht automatisch für alle Spezialaufgaben optimal. Grafikprozessoren (GPUs) oder andere Beschleuniger können bei darauf zugeschnittenen Berechnungen geeigneter sein.
Ein Prozessor ist nicht dasselbe wie der Arbeitsspeicher: RAM hält Programme und Daten kurzfristig bereit, die CPU verarbeitet Anweisungen und Werte. Er ist auch nicht das Betriebssystem. Das Betriebssystem ist Software, die unter anderem Programme, Hardware und Ressourcen koordiniert. Eine GPU ist schließlich kein anderer Name für die CPU, sondern eine für Grafik und stark parallele Rechenaufgaben ausgelegte Recheneinheit.