Computerhardware: Prozessor

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Intel Pentium II-Prozessor

Die „Central Processing Unit“ (CPU), deutsch: Zentrale Verarbeitungseinheit, kurz: Prozessor, ist die oberste Steuerung für den PC. Die Gimp-icon-vergrössern-verkleinern.png CPU führt Berechnungen aus und steuert alle Komponenten des PC. Keine Mausbewegung, keine Tastenbetätigung, kein Byte, das aus dem Internet eintrifft - nichts darf der CPU entgehen. Leistung und Qualität der CPU sind daher entscheidend für die zuverlässige Funktion des ganzen Computersystems.

Im Laufe der Jahrzehnte gab es zahlreiche Hersteller von CPUs: Intel, AMD, Motorola, Cyrix, IBM, IDT, NEC, SiS, UMC, VIA, ARM, Rockwell und andere. Die Firma Intel ist der Marktführer und bestimmt seit Jahrzehnten entscheidend die technologische Entwicklung. Die Firma AMD mit ihrem Gimp-icon-vergrössern-verkleinern.png Athlon-Prozessor ist für Intel der wichtigste Konkurrent.

Jede Prozessorfamilie hat im Vergleich zur vorhergehenden Generation neue, erweiterte Eigenschaften und zusätzliche Befehle. Ein wichtiges Designkriterium ist die „Kompatibilität“: Jeder Prozessorhersteller achtet sorgfältig darauf, dass auf jeder neuen CPU alle Befehle ebenso funktionieren wie auf der Vorgänger-CPU. Dadurch läuft Ihre vertraute Gimp-icon-vergrössern-verkleinern.png Software auf jedem neuen Prozessor. Allerdings braucht man für eine neue Generation von CPUs fast ausnahmslos eine neue Generation von Gimp-icon-vergrössern-verkleinern.png Hauptplatinen.

Im Jahr 2016 ist der Core i7-6950X das „Flaggschiff“ von Intel. Es ist ein Zehn-Kern-Prozessor mit einem Takt von 3,0 GHz und vier Speicherkanälen. Er kostet 1500 Dollar. Einfachere Modelle aus der Core i3 Serie gibt es bereits ab 50 Euro.

In der nachfolgenden Tabelle sind wichtige historische Prozessorfamilien des Herstellers Intel, deren Taktfrequenzen und deren Bezeichnungen als Beispiel dafür aufgeführt, in welchen Schritten sich die Prozessortechnik entwickelt hat. Auf einen Vergleich konkreter aktueller Prozessoren von Intel, AMD und anderen Herstellern wird hier verzichtet, da die Entwicklung sehr schnell fortschreitet. Der Intel-Ingenieur Gordon Moore prognostizierte schon 1965, dass die Transistoranzahl in integrierten Schaltkreisen alle zwei Jahre verdoppelt werden kann. Die Presse nannte diese Regelmäßigkeit dann das Mooresche Gesetz. Es handelt sich dabei allerdings nicht um ein wissenschaftliches Naturgesetz, sondern um eine durch empirische Beobachtung begründete Faustregel, die auf langfristigen Planungen der Halbleiterindustrie beruht und die bis heute zutrifft.

In der Wikipedia gibt es eine vollständige  Liste der Mikroprozessoren von Intel und auch eine Liste für alle Prozessorhersteller:  Liste von Mikroprozessoren.
1978 i8086 4,77 MHz PC/XT 29000 Transistoren
1982 i80286 6 – 16 MHz 286er 120000 Transistoren
1985 i80386 16 – 33 MHz 386er 275000 Transistoren
1991 i80486 33 – 100 MHz 486er 1,2 Mio. Transistoren
1993 Pentium 66 – 200 MHz Pentium I 3,1 Mio. Transistoren
1997 Pentium MMX 166 – 233 MHz Pentium MMX 4,5 Mio. Transistoren
1997 Pentium II 233 – 450 MHz Pentium II 7,5 Mio. Transistoren
1999 Pentium III 333 – 1400 MHz Pentium III 24 Mio. Transistoren
2000 Pentium 4 1400 – 3500 MHz Pentium 4 42 Mio. Transistoren
2006 Core Duo 1660 – 2160 MHz Core Duo 151 Mio. Transistoren
2006 Core 2 Duo 1667 – 2333 MHz Core 2 Duo 291 Mio. Transistoren
2007 Core i3, i5, i7 1000 - 3200 MHz Core i3, i5, i7 bis 1170 Mio. Transistoren

Die Bestandteile der CPU[Bearbeiten]

  • Das Rechenwerk (Arithmetic Logic Unit, ALU) führt die Berechnungen aus,
  • Die Steuereinheit (Control Unit, CU) entschlüsselt die Befehle,
  • Der Speichermanager (Memory Management Unit, MMU) verwaltet den Arbeitsspeicher,
  • Der mathematische Coprozessor (Float Point Unit, FPU) führt  Gleitkommaberechnungen aus,
  • Der CPU-Cache speichert häufig benötigte Daten.

Die Taktfrequenz[Bearbeiten]

Gesetzliche Maßeinheiten
1 s = 1000 ms (Millisekunden)
1 ms = 1000 μs (Mikrosekunden)
1 μs = 1000 ns (Nanosekunden)
1 ns = 1000 ps (Pikosekunden)

Alle Vorgänge in einem Prozessor laufen getaktet, also synchron ab. Die Taktfrequenz gibt an, wie oft die Taktsignale erfolgen. Der erste IBM-PC mit dem Prozessor „i8088“ aus dem Jahr 1981 hatte eine Taktfrequenz von knapp 5 MHz (MHz = Megahertz = Millionen Takte pro Sekunde). Jeder Takt dauert also 200 ns (Nanosekunden). Jede einzelne Schaltung des i8088 war so entworfen, dass sie niemals länger als 200 ns für einen einfachen Befehl braucht. Anders ausgedrückt: Ein Prozessortakt ist die Zeit für die Ausführung eines einfachen Befehls, zum Beispiel einer Addition. Auch ein Speicherzugriff dauerte damals genau einen Takt. Heutige PCs haben Taktfrequenzen von drei bis vier Gigahertz (drei bis vier Milliarden Takte pro Sekunde).

Das ist allerdings eine vereinfachte Darstellung. Einige Befehle sind komplizierter auszuführen als andere und ihre Ausführung dauert deutlich länger. Nehmen wir als Beispiel die Division. Einerseits ist sie viel aufwändiger als eine Addition, andererseits kommt sie sehr selten vor. Um nicht wegen einiger selten benutzter Befehle den Takt für alle Befehle reduzieren zu müssen, hatten die Entwickler eine andere Idee: Einige Befehle bekommen als „Fristverlängerung“ einen zweiten, dritten oder weitere Takte genehmigt.

Es ist logisch, dass eine CPU mit einer höheren Taktfrequenz mehr Befehle pro Zeiteinheit ausführen kann. Deshalb wurde im Laufe der Jahre die Taktfrequenz der CPU schrittweise erhöht. Die Taktfrequenzen stiegen von anfangs 4,77 MHz (1981) auf 6, 8, 10 und 12 MHz. Immer neue CPUs wurden entwickelt. Es entbrannten regelrechte „Megahertz-Schlachten“ zwischen den Konkurrenten: Wer hat den schnellsten Prozessor? Etwa 1993 erreichten die Prozessoren eine Taktfrequenz von 100 MHz, was 10 ns pro Takt entspricht: Eine Steigerung auf das zwanzigfache in zwölf Jahren! Im Jahr 2002 waren 3000 MHz erreicht. Eine weitere Steigerung schien fast unmöglich, denn es wurde immer schwieriger, die CPUs ausreichend zu kühlen.

Einer der Auswege war das Gimp-icon-vergrössern-verkleinern.png Hyper-Threading-Verfahren (HT), das im Jahr 2002 von Intel auf den Markt gebracht wurde. Ein „Thread“, übersetzt „Programmfaden“, ist ein kleiner Programmabschnitt, der unabhängig von anderen Threads ausgeführt werden kann. Wenn Sie z. B. von einem Rechteck die Fläche f = a × b und den Umfang u = 2 (a + b) berechnen müssen, hat es keinen Einfluss auf die Ergebnisse, in welcher Reihenfolge die Berechnungen ausgeführt werden. Wenn die CPU einen Programmfaden nicht weiter ausführen kann (z. B. weil das Heranschaffen von Daten aus dem Arbeitsspeicher noch ein Weilchen dauert), wechselt eine Hyper-Threading-fähige CPU einfach zur Abarbeitung eines anderen Programmfadens. Theoretisch verdoppelt sich die Leistung der CPU durch HT, realistisch ist ein Leistungszuwachs bis zu 33%.

Seit 2006 gibt es CPUs mit zwei Prozessorkernen in einem gemeinsamen Gehäuse. Der Intel Core 2 Quad mit vier Kernen ist seit Anfang 2007 erhältlich und die neuesten Intel Core i7 enthalten sechs, acht oder zehn Prozessorkerne. Einerseits kann mit der Mehrkerntechnologie der Energiebedarf der CPU und damit die Wärmeentwicklung drastisch reduziert werden, indem z. B. ungenutzte Funktionseinheiten und auch ganze Kerne zeitweilig abgeschaltet werden.

Andererseits steigt die Rechenleistung drastisch an. Eine Sechs-Kern-CPU mit 3 GHz Takt, wobei jeder Kern Hyper-Threading beherrscht, kann (rein theoretisch) 6 × 3 × 2 = 36 Milliarden Befehle pro Sekunde ausführen! In der Liga der Hochleistungscomputer sind CPUs mit 12, 16 oder 57 Kernen weit verbreitet.

Der RAM (Arbeitsspeicher) enthält die Daten und Befehle für die CPU. Seine Geschwindigkeit ist wichtig für die Leistung des Computers. Pro Befehl müssen durchschnittlich ein bis vier Datenbyte aus dem RAM gelesen werden, der Befehl selbst ist weitere ein bis vier Byte lang. Die RAM-Zugriffszeiten hatten sich von 120 ns (1981) auf 12 ns (1990) verringert. Während die Geschwindigkeit der CPUs auf das 20-fache stieg, wurde RAM „nur“ 10-mal schneller. Der RAM wurde zunehmend zur Bremse. Je schneller die CPUs wurden, desto öfter mussten sie für einige Takte pausieren (sogenannte Wartetakte einlegen, engl: „Waitstate“), um auf das Eintreffen der angeforderten Daten aus dem RAM zu warten. Was nun?

Es gibt zwei Lösungsmöglichkeiten, um den RAM-Engpass zu entschärfen: Parallelisierung und Cache-Speicher.

  • Der erste PC mit der i8088-CPU holte sich jedes Byte einzeln aus dem Speicher. Die i8086-CPU konnte bereits 16 Bit = 2 Byte parallel (d.h. gleichzeitig, in einem Lesevorgang) aus dem Speicher lesen. Die 286er und 386er Prozessoren arbeiteten mit 32 parallelen Bits (4 Byte), während die Pentium-CPUs 64 Bit = 8 Byte in einem Speichertakt lesen bzw. schreiben können.
  • Den Speicherbus noch weiter auf 16 Byte zu verbreitern wäre eine Möglichkeit, doch es lohnte sich nicht. Die CPU greift im ständigen Wechsel auf mindestens zwei Speicherbereiche zu: Daten und Programmcode. Es ist zu selten, dass die CPU mehr als acht unmittelbar aufeinanderfolgende Byte benötigt. Deshalb arbeiten moderne CPUs mit der Dual-, Triple- oder Quad-Channel-Technologie: Aus der CPU führen zwei, drei oder vier Speicherbusse zu den RAM-Steckplätzen. Während ein Speicherkanal noch mit Lesen oder Schreiben beschäftigt ist, kann die CPU weitere Anforderungen an die anderen Speicherkanäle richten. Der Hardware-Aufwand ist freilich groß. Für jeden Speicherbus müssen mehr als hundert Kontakte aus der CPU herausgeführt werden. Deshalb haben die Vier-Kanal-CPUs von Intel 2011 Pins („Beinchen“).
  • Die dritte Möglichkeit ist die Verwendung eines „Cache“-Speichers, sprich „Kesch“ oder „Käsch“. Der Prozessorcache ist ein kleiner schneller Speicher, der sich das Prozessorgehäuse mit der CPU teilt und die Arbeit der CPU wesentlich beschleunigt.


Turbo-Modus, Speedstep und die Wärmeentwicklung[Bearbeiten]

Solange sich ein Computerschaltkreis im Zustand „0“ oder „1“ befindet, verbraucht er fast keinen Strom. Während des Umschaltens zwischen den Zuständen steigt der Strombedarf steil an. Je öfter die Umschaltung erfolgt (also je höher der Takt), desto höher ist die Wärmeentwicklung. Die leistungsschwache CPU „Pentium Dual-Core E2140“ beispielsweise braucht 42 Watt im Betrieb und nur 11 Watt im Leerlauf. Wenn sie von ihrer Nominalfrequenz von 1,6 GHz auf 3,4 GHz übertaktet wird (d. h. mit überhöhter Geschwindigkeit betrieben wird), steigt der Energiebedarf auf 83 Watt. Also doppelte Frequenz bei fast verdoppelter Verlustleistung. Leistungsstarke CPUs, z. B. der „Pentium Dual Core D 840“ mit 2 x 3,2 GHz verwandelt 140 Watt in Wärme, der „Athlon 64 X2 6400+“ 124 Watt. Wie kann die Geschwindigkeit noch weiter gesteigert werden?

Eine Kochplatte mit 18 cm Durchmesser hat eine Fläche von etwa 250 cm2. Bei einer Leistung von 750 Watt ergibt das 3 W/cm2. Auf 70 W/cm2 (140 W auf 2 cm2 Fläche des Prozessors) kommt der Pentium Dual Core D840. Ich hoffe, es ist jetzt verständlich, wie wichtig eine gute Kühlung ist. Eine weitere Erhöhung der Frequenz um 20% hätte 19% mehr Wärme erzeugt. Es wurde faktisch unmöglich, durch Erhöhung der Taktfrequenz mehr Leistung zu erreichen. Intel und AMD mussten deshalb das Wettrennen um die meisten Gigahertz etwa gleichzeitig im Jahr 2004 beenden und nach neuen Wegen zur Leistungssteigerung suchen. Eine der Möglichkeiten ist die Verkleinerung der Strukturen. Stark vereinfacht gesagt: Dünnere Leiter enthalten weniger Atome, deshalb müssen weniger Elektronen in Bewegung gesetzt werden, damit ein Strom fließt. Eine weitere Möglichkeit sind Mehrkernprozessoren: Die am höchsten belasteten Baugruppen in der CPU wie z. B. das Rechenwerk sind mehrfach vorhanden. Sie teilen die Arbeit untereinander auf und werden deshalb weniger heiß.

„Turbo Modus“ ist die Fähigkeit der CPU, abhängig von der Auslastung der Kerne und der CPU-Temperatur den Takt kurzzeitig zu erhöhen, sogar zu verdoppeln. Wenn z. B. einer der Kerne wenig zu tun hat, darf dafür der andere schneller arbeiten. Das geht so lange, bis die CPU zu heiß wird.

„Speedstep“ ist eine Fähigkeit der CPU, bei geringer Belastung den Takt automatisch zu verringern. Die CPU kühlt dadurch ein wenig ab. Wenn die Belastung steigt, kann sie den Turbomodus etwas länger durchhalten.

Intel und AMD[Bearbeiten]

Unter den Prozessorherstellern ist die Firma Intel der Marktführer mit einem Marktanteil von mehr als 80%. AMD ist der zweitgrößte Hersteller. AMD konnte 2005 mit der Prozessorfamilie „Athlon“ Intel eine Zeit lang in der Leistung überflügeln. Im Jahr 2005 hatte AMD ein höheres Wachstum als Intel. Im Jahr 2006 gelangte Intel mit den Core-Prozessoren wieder an die Spitze. Prozessoren zu entwickeln ist aufwändig. Intel gibt an, dass die Kosten für die Entwicklung des ersten Pentium höher waren als der Kaufpreis eines komplett ausgerüsteten Flugzeugträgers. Nur noch wenige Firmen können sich die hohen Entwicklungskosten leisten.

Marktanteile zu erringen ist nicht einfach. Ein Hersteller kann seine Prozessoren nur verkaufen, wenn sie „befehlskompatibel“ zu Intel-Prozessoren sind. Befehlskompatibel bedeutet, dass alle Befehle das gleiche Resultat liefern müssen wie das Intel-Original. Für einen nicht kompatiblen Prozessor würde es keine Software geben, der Hersteller müsste ein eigenes Windows und alle Anwendungsprogramme selbst entwickeln. Jeder Hersteller kann natürlich zusätzliche Befehle einbauen und darauf hoffen, dass die Softwarehersteller diese auch benutzen werden.

Beim 386er hatte IBM Bedenken, von einem einzigen Prozessorhersteller abhängig zu sein. Intel wurde genötigt, der Firma AMD die Fertigungsunterlagen zu überlassen. Damals konnte jeder Kunde frei wählen, ob er auf seine Hauptplatine einen Intel- oder AMD-Prozessor stecken will. Diese Vereinbarung ist längst ausgelaufen.

Heute muss jeder Prozessorhersteller die interne Schaltung und die Anschlüsse seiner CPU anders aufbauen als die Konkurrenz, um nicht wegen Patentverletzung verklagt zu werden. Deshalb gibt es zunehmende Unterschiede in der internen Architektur der Prozessoren verschiedener Hersteller. Das bedeutet leider auch, dass die Hauptplatinen für Intel- und AMD-CPUs unterschiedlich sind. Sie können nicht probeweise eine AMD-CPU durch eine Intel-CPU ersetzen.

Unterschiede im Design[Bearbeiten]

Intel favorisiert ein Design, bei dem die Recheneinheiten des Prozessors pro Takt etwas weniger leisten (und deshalb weniger warm werden), wodurch man den Prozessor etwas höher takten kann. Bei anderen Architekturen ist der Fall eher umgekehrt: bei mobilen CPUs und der sog. Core-Architektur (die Nachfolger des Pentium 4) wird mit geringer Taktfrequenz viel Leistung erreicht.

AMD hat sich für ein Design entschieden, bei dem die Recheneinheiten pro Takt mehr leisten. Außerdem steckt ein Teil vom Chipsatz im Gehäuse der CPU. Dadurch wird die CPU heißer und darf nicht so schnell getaktet werden. (Der Chipsatz ist der Daten-Rangierbahnhof zwischen CPU, Speicher und schnellen Peripherieeinheiten.)

Das macht es nicht einfach, die Leistung konkurrierender Prozessoren zu vergleichen. AMD verwendet deshalb einen Umrechnungsfaktor: Der Prozessor ... hat etwa die gleiche Leistung wie ein Prozessor mit xxx MHz sie hätte, aber er schafft diese Leistung mit einer kleineren Taktfrequenz von nur yyy MHz. Das wird "P-Rating" genannt und vergleicht die Leistung mit einem imaginären Athlon Thunderbird.

Welcher Prozessor ist besser – Intel oder AMD? (oder vielleicht sogar ARM?)[Bearbeiten]

Weil und solange die übergroße Mehrheit aller Programmentwickler einen Intel-Prozessor in ihren Test-PCs hat (oder gar ein Mehrprozessorsystem), werden Programme auf Intel-Prozessoren gründlicher getestet und haben deshalb weniger Fehler. Für professionelle Anwendungen, wo Sicherheit und Minimierung des Absturzrisikos extrem wichtig sind, ist eine Intel-CPU mit einem Intel-Chipsatz („Alles aus einer Hand“) die beste Paarung. Ein Athlon mit nVidia-Chipsatz dürfte die zweitbeste Paarung sein. Wenn das Preis-Leistungs-Verhältnis wichtig ist, liegt meist AMD vorn. Außer den genannten Prozessoren, sind erste Desktop und Netbook Rechner mit ARM CPU erhältlich. Zur Zeit werden sie häufig mit dem Betriebssystem Android von Google ausgeliefert und zeichnen sich durch besonders geringe Anschaffungskosten und minimalen Stromverbrauch aus. Auch ihre Rechenleistung ist nicht zu unterschätzen. Ein Beispiel für Prozessoren dieser Familie ist der NVIDIA Tegra 2. Das Betriebssystem Windows ist zur Zeit nicht für Geräte dieser Art verfügbar, auch wenn der Hersteller verlauten lässt, daran zu arbeiten. Für Benutzer, die sich durch ihr Smartphone bereits an Android gewöhnt haben, können diese Geräte jedoch eine echte Alternative darstellen.

Celeron, Duran und Sempron[Bearbeiten]

Normale Büroluft enthält einige hunderttausend feinster Staubteilchen pro Liter. CPUs werden in Reinsträumen produziert, in denen pro Liter Luft maximal ein Staubkorn vorkommen darf. Prozessoren sind nur wenige Quadratmillimeter groß, und nicht jedes Staubkorn fällt auf einen Prozessor. Wenn es trifft, verursacht es verheerende Schäden. Ist nur einer von Millionen Transistoren defekt, ist der Chip unbrauchbar. Es gibt allerdings eine Ausnahme: Wenn der Schaden nur eine Hälfte des internen Cache betrifft und die andere Hälfte des Cache fehlerfrei ist, wird die defekte Hälfte des Cache abgeschaltet. Das kommt nicht selten vor, denn der interne Cache belegt etwa die Hälfte der Schaltkreisfläche und ist von Fehlern relativ oft betroffen. Der Chip wird mit halbem Cache unter dem Markennamen Celeron (intel) oder Duron (AMD) zu einem deutlich geringeren Preis verkauft. Diese Prozessoren schaffen noch etwa 80% der Leistung des vollständigen Prozessors und sind ansonsten voll kompatibel und fehlerfrei. Für viele Büro- und Heim-PC reicht das aus.

AMD produziert anstelle des Duran jetzt den "Sempron", Intel bietet immer noch den "Celeron" an. Wenn die Nachfrage nach CPUs im unteren Leistungssegment sehr groß ist, werden auch schon mal vollständig intakte CPUs durch Verkleinern des internen Cache, das Abschalten einiger Kerne oder andere Maßnahmen „abgespeckt“. So können die Prozessorhersteller relativ schnelle, moderne Prozessoren im unteren Preissegment anbieten, ohne die Preise für die „vollständigen“ Prozessoren zu senken.

Benchmarks[Bearbeiten]

Um die Leistung heutiger CPUs zu vergleichen, reicht ein Blick auf die Taktfrequenz nicht aus. Größe und Organisation des Cache-Speichers, die Qualität der Vorschaulogik, die interne Arbeitsteilung zwischen den CPU-Baugruppen und Designunterschiede haben entscheidende Bedeutung. Heute beurteilt und vergleicht man die Leistung von CPUs mit speziellen Testprogrammen, sogenannten „Benchmarks“. Diese Testprogramme lassen den PC ein Sortiment vorgegebener Aufgaben aus einem bestimmten Themengebiet lösen (z. B. die Konvertierung eines Videos). Die dafür benötigte Zeit wird gestoppt und mit der Konkurrenz verglichen. Fachzeitschriften sind voll mit solchen Tests.

Was taugen die Benchmarks?[Bearbeiten]

Leider kann man keinen der vielen Benchmarks als den besten empfehlen. Das Problem ist: Je nachdem, wofür Sie Ihren PC nutzen, sind unterschiedliche Kriterien wichtig. Betrachten wir zwei Beispiele.

  • Nicht nur die Server von Google haben große Datenmengen zu speichern. In Servern werden viele Festplatten parallelgeschaltet, die gewaltige Datenströme liefern können. Die Leistung eines Servers wird vor allem danach beurteilt, wie schnell er Daten von den Festplatten zu den Netzwerkkarten und umgekehrt transportieren kann. Der Arbeitsspeicher kann gar nicht groß genug sein. Die Leistung der Grafikkarte ist irrelevant. Die Rechenleistung der CPU spielt oft eine untergeordnete Rolle.
  • Ein PC, der die neuesten Spiele bewältigen soll, braucht vor allem eine hervorragende Grafikkarte und einen guten Prozessor. Die Leistung der Festplatte ist etwas weniger wichtig.

Es gibt also keinen Allround-Benchmark, sondern man braucht für jede Benutzergruppe andere.

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Tipp: Welcher Prozessor steckt in Ihrem PC?

Wenn Sie mit Windows arbeiten, klicken Sie mit der rechten Maustaste auf „Arbeitsplatz“, dann mit der linken Taste auf „Eigenschaften“. Dort finden Sie Angaben zu Ihrer CPU.

Wenn Sie mit Linux arbeiten, können Sie sich auf der Shell die Daten der CPU ihres Systems mit folgenden Befehl anschauen:  cat /proc/cpuinfo

Wenn Sie mit MacOS arbeiten, klicken Sie im Apfel-Menü mit der linken Taste auf „Über diesen Mac“. Dort finden Sie die Angaben zu Ihrer CPU.