CPU 是一个工程奇迹，但就其核心而言，它仍然依赖于解释二进制信号（1 和 0）的基本概念。CPU或中央处理单元是计算机系统中最强大和最重要的组件。CPU是集成电路：从手机和笔记本电脑到 PC 甚至数据中心服务器等各种设备中的固态组件。
CPU经常被比作大脑，因为CPU的工作是处理在系统中移动的不同负载数据流。
在计算机中，CPU是多面手，用于处理最广泛的数据。尽管有点简化的风险，但CPU擅长同时做许多不同的事情（读取、写入、获取、数学和逻辑），而GPU更擅长对许多不同的数据点执行相同的操作（例如转换）。
CPU执行复杂的动作，包括必须及时协调的分支预测和推测执行等任务。这使得CPU能够处理与其指令集架构兼容的几乎任何代码。
从物理上讲，CPU是一片晶体硅。它经过激光蚀刻，具有特殊的功能设计，然后密封在金属外壳内，保护晶条并帮助其散发多余的热量。
在PC中，CPU插入主板，而在笔记本电脑或移动设备中，它可能被焊接到位。
每家半导体公司都有自己的旗舰设计，但该行业已经经历了一些趋同的演变。在任何给定的CPU中，您都会发现相同的几个常见部件的版本。
控制单元的工作是引导CPU和其他元件内部和之间的信息流。它对从内存接收到的信息进行解码，将数据流转换为适合其指令集的操作。
随着所有数据在任何给定时间通过CPU移动，处理器需要一种快速且易于访问的数据暂存方式。为了将关键信息放在手边，CPU使用一种称为寄存器的内存。
寄存器是由其大小定义的物理内存（以8位、16位、32位等宽度给出）。对于AVX-512等专用指令，CPU使用512位宽的寄存器。
CPU将数据保存在各种类型的内存中，如缓冲区、缓存和寄存器。内存管理单元有助于获取、协调和传递CPU需要的数据。
CPU核心就像反应堆内核：它是完成工作的地方。如今，大多数CPU都有两到八个内核，它们以赫兹为单位工作（赫兹——一赫兹是每秒一个周期，一兆赫是每秒一百万个周期，千兆赫是十亿个周期，以此类推）。每个核心负责一个或多个称为线程的数据流。
CPU内核由多个子单元组成，包括ALU（算术逻辑单元）和FPU（浮点单元）。
ALU的工作是处理算术和简单的布尔逻辑（即and、NOT和OR运算）。ALU从寄存器接收信息，根据控制器的指令对其进行处理，然后将其存储在输出缓冲区中。ALU是许多类型处理器的基本构建块，包括CPU和GPU。
和ALU相比，浮点单元或FPU处理更复杂的运算，主要是十进制数学运算。浮点运算对于精确工作非常重要，因此它们将自己的名字赋予了计算吞吐量的一个单位：gigaflop和teraflop等单词的词根是缩写FLOPS，代表每秒浮点运算。
4.时钟
如果控制元件引导信息的进程，那么时钟就决定了它的节奏。与汽车中的定时链不同，整个CPU根据时钟进行自我协调。无论发动机运行得多快，正时链都能使所有东西保持物理同步。同样，CPU的时钟速度可以变化，但无论时钟设置为什么，系统都会以该频率运行。
从前，为ENIAC和UNIVAC等房间大小的计算机处理单元是由人类技术人员用电线和电阻器等宏观材料建造的。随着晶体管的缩小，人类完全不可能手工完成精细生产的工作。
现代芯片是使用高能紫外线束在一种称为光刻的过程中制成的。
要制造CPU，首先需要一大块单晶硅，称为铸锭或晶锭。晶球在洁净室中通过气相沉积生长，并激光切割成称为晶片的圆盘。然后，每个晶圆都会得到一种称为掩模的模板，这是一种物理图案，只允许光线到达某些区域。
对于某些CPU，硅上的特征非常微小，以至于晶片必须浸入一层液体中才能正确聚焦光线。但由于硅中的单原子缺陷也会破坏芯片上的纳米级特征，制造商通常会选择在基板上生长晶锭：一块完美无瑕的人造蓝宝石。
蚀刻后，大多数晶圆会受到不同的激光照射，该激光将晶圆切割成许多单独的单元，然后封装在金属外壳中。硅、外壳和任何引脚或电触点共同构成了 CPU 的封装，通常简称为芯片。
硅是大多数 CPU 的首选材料，因为它具有理想的电气特性。硅是一种半导体：既不是绝缘体（如惰性气体），也不是像铜线那样成熟的导体。电子在硅中快速移动，但以我们可以控制的方式移动。
与碳一样，硅具有四个价电子，当暴露于电流时，其行为是可预测的。在硅蒸气中添加三价或五价原子会改变所得晶体的电特性，当两个这样的区域以条状并排放置时，它们就会形成金属氧化物半导体场效应晶体管 （MOSFET） 的材料基础。
从广义上讲，消费类CPU主要有两类，按其指令集架构（ISA）分为x86和ARM。英特尔的酷睿i5、i7、i9及其同类产品都是x86 CPU，AMD的Ryzen CPU也是如此。ARM CPU用于智能手机，但在数据中心和超级计算中的应用有限。
几年前，Apple 的台式机和笔记本电脑明显转向了 ARM 处理器。高通公司的目标是效仿其用于某些 Windows PC 的 Snapdragon X Elite 处理器。还有一个开源 ISA，称为 RISC-V。RISC-V 是许多嵌入式项目的首选新兴平台，尤其是那些希望利用开源 CPU ISA 的项目。
一些半导体公司设计CPU，并在自己的代工厂内部制造。在航空时代，在早期计算的鼎盛时期，除了熟悉的英特尔和三星等公司外，还有数量惊人的不同代工厂，如IBM、富士通和东芝。今天，基本上是三星和英特尔。
CPU代工厂的建造和运营成本异常高昂。因此，要想盈利，公司必须拥有雄厚的财力和有基本保障的订单。一个铸造厂可以消耗和一个小型城市一样多的电力。制造CPU所需的工业机器是由其他更严格的机器（后者基本上由两家公司生产，应用材料公司和ASML）制造的精密仪器。因此，地球上只有几十个这样的设施。
AMD、苹果、高通和英伟达等半导体公司被称为“无晶圆厂”公司，因为它们设计CPU但不制造。无晶圆厂公司可能会与所谓的“纯粹”代工厂合作，这些代工厂只为其他客户生产芯片。纯粹的代工厂不生产任何自己的设计，也不与客户进行直接的市场竞争。
许多无晶圆厂半导体公司的CPU都是在同一个巨大的代工厂制造的，即台湾半导体制造公司（简称台积电）。台积电生产了如此多的世界领先半导体产品，以至于其运营已成为一个地缘政治问题。然而，在美国，除了台积电在亚利桑那州的代工厂外，英特尔在西部各地都有晶圆厂。英特尔在爱尔兰（Leixlip）和以色列（Kiryat Gat）也有工厂。2009年，AMD将其制造部门剥离出来，成立了GlobalFoundries，该公司在德累斯顿有一家晶圆厂，在马耳他有另一家大型晶圆厂。
