การออกแบบโปรเซสเซอร์เป็นสาขาย่อยของวิศวกรรมคอมพิวเตอร์และอิเล็กทรอนิกส์ที่เกี่ยวข้องกับการสร้างโปรเซสเซอร์ ซึ่งเป็นส่วนประกอบสำคัญของฮาร์ดแวร์คอมพิวเตอร์ แม้ว่าในอดีตจะเน้นที่หน่วยประมวลผลกลาง (CPU) แต่การออกแบบสมัยใหม่มักเกี่ยวข้องกับ สถาปัตยกรรม ระบบบนชิป (SoC) ^{[ 1 ]}ซึ่งรวมหน่วยประมวลผลหลายหน่วย เช่น CPU หน่วยประมวลผลกราฟิก (GPU) และหน่วยประมวลผลประสาท (NPU) ^{[ 2 ]}ไว้บนชิปเดียวหรือชุดชิปเล็ต^{[ 3 ] [ 4 ]}

กระบวนการออกแบบเกี่ยวข้องกับการเลือกชุดคำสั่งและรูปแบบการประมวลผลที่แน่นอน (เช่นVLIWหรือRISC ) และส่งผลให้ได้สถาปัตยกรรมไมโครซึ่งอาจอธิบายได้ด้วยภาษาVHDLหรือVerilogเป็นต้น สำหรับ การออกแบบ ไมโครโปรเซสเซอร์คำอธิบายนี้จะถูกนำไปผลิตโดยใช้ กระบวนการ ผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ ต่างๆ ทำให้ได้ ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ (die)ซึ่งจะถูกเชื่อมติดกับแผ่นรองรับชิป (chip carrier) จากนั้นแผ่นรองรับชิปนี้จะถูกบัดกรีหรือเสียบเข้ากับซ็อกเก็ตบนแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB)

โหมดการทำงานของโปรเซสเซอร์ใดๆ ก็คือการประมวลผลรายการคำสั่ง คำสั่งโดยทั่วไปประกอบด้วยคำสั่งในการคำนวณหรือจัดการค่าข้อมูลโดยใช้รีจิสเตอร์การเปลี่ยนแปลงหรือดึงค่าในหน่วยความจำแบบอ่าน/เขียน การทดสอบความสัมพันธ์ระหว่างค่าข้อมูล และการควบคุมการไหลของโปรแกรม

^โดยทั่วไปการออกแบบโปรเซสเซอร์จะได้รับการทดสอบและตรวจสอบความถูกต้องบน FPGA หนึ่งตัวหรือหลายตัวก่อนที่จะส่งการออกแบบโปรเซสเซอร์ไปยังโรงหล่อเพื่อการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ [ ^{5 ]}

ข้อมูลจะถูกถ่ายโอนผ่านเส้นทางข้อมูล (เช่นALUและไปป์ไลน์ ) เส้นทางข้อมูลเหล่านี้ถูกควบคุมผ่านตรรกะโดยหน่วยควบคุม ส่วนประกอบ หน่วยความจำประกอบด้วยไฟล์รีจิสเตอร์และแคชเพื่อเก็บรักษาข้อมูลหรือการกระทำบางอย่างวงจรนาฬิกาจะรักษาจังหวะและเวลาภายในผ่านไดรเวอร์นาฬิกาPLLและเครือข่ายการกระจายนาฬิกาวงจรตัวรับส่งสัญญาณแพดซึ่งช่วยให้สามารถรับและส่งสัญญาณได้ และไลบรารีเซลล์เกตตรรกะซึ่งใช้ในการใช้งานตรรกะ เกตตรรกะเป็นพื้นฐานสำหรับการออกแบบโปรเซสเซอร์ เนื่องจากใช้ในการใช้งานส่วนประกอบส่วนใหญ่ของโปรเซสเซอร์^{[ 6 ]}

ซีพียูที่ออกแบบมาสำหรับตลาดประสิทธิภาพสูงอาจต้องการการออกแบบที่กำหนดเอง (ปรับให้เหมาะสมหรือเฉพาะเจาะจงสำหรับการใช้งาน (ดูด้านล่าง)) สำหรับแต่ละส่วนประกอบเหล่านี้เพื่อให้บรรลุเป้าหมายด้านความถี่การใช้พลังงานและพื้นที่ชิป ในขณะที่ซีพียูที่ออกแบบมาสำหรับตลาดประสิทธิภาพต่ำกว่าอาจลดภาระในการใช้งานลงได้โดยการซื้อส่วนประกอบเหล่านี้ในฐานะทรัพย์สินทางปัญญาเทคนิคการใช้งานตรรกะควบคุม ( การสังเคราะห์ตรรกะโดยใช้ เครื่องมือ CAD ) สามารถนำมาใช้ในการใช้งานดาต้าพาธ ไฟล์รีจิสเตอร์ และนาฬิกา รูปแบบตรรกะทั่วไปที่ใช้ในการออกแบบซีพียู ได้แก่ ตรรกะสุ่มแบบไม่มีโครงสร้างเครื่องสถานะจำกัดไมโครโปรแกรมมิ่ง (ใช้กันทั่วไปตั้งแต่ปี 1965 ถึง 1985) และอาร์เรย์ตรรกะที่ตั้งโปรแกรมได้ (ใช้กันทั่วไปในทศวรรษ 1980 ปัจจุบันไม่เป็นที่นิยมแล้ว)

การออกแบบโปรเซสเซอร์สมัยใหม่พึ่งพาการประมวลผลแบบเฮเทอโรจีนัส มากขึ้น โดย บูรณาการตัวเร่งความเร็วเฉพาะทางเข้ากับคอร์อเนกประสงค์ ส่วนเพิ่มเติมที่โดดเด่นที่สุดคือหน่วยประมวลผลประสาท (NPU)ซึ่งออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อดำเนินการคำนวณทางคณิตศาสตร์ของการเรียนรู้ของเครื่อง (การคูณเมทริกซ์) ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่า CPU มาตรฐาน ความเชี่ยวชาญนี้ทำให้ได้ประสิทธิภาพต่อวัตต์ที่ดีขึ้นอย่างมากสำหรับงาน AI ^{[ 7 ] [ 4 ]}

เทคโนโลยีอุปกรณ์ที่ใช้ในการสร้าง วงจรตรรกะ ของ CPUมีการเปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลา การใช้งานในยุคแรกๆ ใช้รีเลย์แต่ละตัว หลอดสุญญากาศ และส่วนประกอบแบบแยกชิ้น ( ทรานซิสเตอร์และไดโอด ) และต่อมาใช้ ชิป TTL แบบรวมวงจรขนาดเล็ก แต่ปัจจุบันไม่นิยมใช้ใน CPU แล้ว วงจรลอจิกแบบโปรแกรมได้ (Programmable Array Logic หรือ ACL) และอุปกรณ์ลอจิกแบบโปรแกรมได้อื่นๆ ก็ไม่นิยมใช้ใน CPU ในลักษณะนี้อีกต่อไป และวงจรเกตแบบ ECL ก็ไม่เป็นที่นิยมแล้ว วงจรเกตแบบ CMOSก็ไม่นิยมใช้ใน CPU แล้ว ในขณะที่วงจรรวมแบบ CMOS ที่ผลิตจำนวนมากนั้นคิดเป็นสัดส่วนส่วนใหญ่ของ CPU วงจรASIC แบบ CMOS ที่ผลิตขึ้นเองนั้น โดยทั่วไปแล้วใช้งานได้จริงเฉพาะในแอปพลิเคชันที่มีปริมาณมากเท่านั้น เนื่องจากต้นทุนทางวิศวกรรมที่สูง วงจรเกตแบบโปรแกรมได้ภาคสนาม (FPGA)ยังคงเป็นที่นิยมใช้ในไมโครโปรเซสเซอร์แบบซอฟต์แวร์ และมักใช้สำหรับการประมวลผลแบบปรับเปลี่ยนโครงสร้างได้

โดยทั่วไป โครงการออกแบบซีพียูจะมีภารกิจหลักดังต่อไปนี้:

• สถาปัตยกรรมชุดคำสั่งที่โปรแกรมเมอร์มองเห็นได้ซึ่งสามารถนำไปใช้ได้กับสถาปัตยกรรมไมโคร หลายแบบ
• การศึกษาด้านสถาปัตยกรรมและการสร้างแบบจำลองประสิทธิภาพในภาษา ANSI C / C++หรือSystemC
• การสังเคราะห์ระดับสูง (HLS) หรือ การใช้งาน ระดับการถ่ายโอนรีจิสเตอร์ (RTL เช่น ตรรกะ)
• การตรวจสอบRTL
• การออกแบบวงจรของส่วนประกอบที่ต้องการความเร็วสูง (แคช, รีจิสเตอร์, หน่วยประมวลผลคำนวณและตรรกะ)
• การสังเคราะห์ตรรกะหรือการออกแบบระดับเกตตรรกะ
• การวิเคราะห์เวลาเพื่อยืนยันว่าวงจรและตรรกะทั้งหมดจะทำงานที่ความถี่การทำงานที่กำหนดไว้
• การออกแบบทางกายภาพ รวมถึงการวางผังพื้นที่ การจัดวาง และการกำหนดเส้นทางของเกตตรรกะ
• ตรวจสอบว่าการแสดงผลในระดับ RTL, ระดับเกต, ระดับทรานซิสเตอร์ และระดับทางกายภาพนั้นเทียบเท่ากัน
• ตรวจสอบความสมบูรณ์ของสัญญาณและความสามารถในการผลิตชิป

การออกแบบแกน CPU ใหม่ให้มีพื้นที่บนแผ่นชิปเล็กลง ช่วยลดขนาดของทุกอย่าง (คล้ายกับการ " ย่อขนาด ด้วยโฟโตมาสก์ ") ส่งผลให้จำนวนทรานซิสเตอร์เท่าเดิมอยู่บนแผ่นชิปที่เล็กลง ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพ (ทรานซิสเตอร์ขนาดเล็กสลับการทำงานได้เร็วขึ้น) ลดการใช้พลังงาน (สายไฟขนาดเล็กมี ค่า ความจุแฝง น้อยลง ) และลดต้นทุน (สามารถวาง CPU ได้มากขึ้นบนแผ่นซิลิคอนแผ่นเดียวกัน) การผลิต CPU บนแผ่นชิปขนาดเท่าเดิม แต่มีแกน CPU เล็กลง จะช่วยรักษาต้นทุนให้ใกล้เคียงเดิม แต่ช่วยให้สามารถรวมส่วนประกอบต่างๆ ได้มากขึ้นภายใน ชิป แบบรวมวงจรขนาดใหญ่ (VLSI ) (เช่น แคชเพิ่มเติม CPU หลายตัว หรือส่วนประกอบอื่นๆ) ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและลดต้นทุนโดยรวมของระบบ

เช่นเดียวกับการออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อนส่วนใหญ่ ความพยายาม ในการตรวจสอบตรรกะ (การพิสูจน์ว่าการออกแบบไม่มีข้อผิดพลาด) ในปัจจุบันเป็นส่วนสำคัญของตารางเวลาโครงการของซีพียู

นวัตกรรมทางสถาปัตยกรรม CPU ที่สำคัญ ได้แก่ตัวสะสม (accumulator) , รีจิสเตอร์ดัชนี (index register) , รีจิ สเตอร์อเนกประสงค์ (general-purpose register) , แคช (cache) , หน่วยความจำเสมือน (virtual memory ), การประมวลผล แบบไปป์ไลน์ (instruction pipelining) , ซูเปอร์สเกลาร์ (superscalar) , CISC , RISC , เครื่องเสมือน (virtual machine) , อีมูเลเตอร์ (emulators) , ไมโครโปรแกรม (microprogram ) และสแต็ก (stack )

มีการเสนอแนวคิดการออกแบบ CPU ใหม่ๆหลากหลายรูปแบบ รวมถึง ตรรกะที่ปรับเปลี่ยนได้CPU ที่ไม่มีสัญญาณนาฬิกา หน่วยความจำRAM สำหรับการคำนวณและ การ คำนวณ ด้วยแสง

การทดสอบประสิทธิภาพ (Benchmarking)เป็นวิธีการทดสอบความเร็วของซีพียู ตัวอย่างเช่น SPECint และSPECfpซึ่งพัฒนาโดยStandard Performance Evaluation Corporationและ ConsumerMark ซึ่งพัฒนาโดย Embedded Microprocessor Benchmark Consortium (EEMBC )

ตัวชี้วัดที่ใช้กันทั่วไปบางส่วน ได้แก่:

• จำนวนคำสั่งต่อวินาที - ผู้บริโภคส่วนใหญ่เลือกสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ (โดยปกติคือ สถาปัตยกรรม Intel IA32 ) เพื่อให้สามารถใช้งานซอฟต์แวร์ที่คอมไพล์ไว้ล่วงหน้าจำนวนมากได้ เนื่องจากขาดความรู้เกี่ยวกับเกณฑ์มาตรฐานของคอมพิวเตอร์ บางคนจึงเลือก CPU ตัวใดตัวหนึ่งโดยพิจารณาจากความถี่ในการทำงานเป็นหลัก (ดูเรื่องเมกะเฮิร์ตซ์ มายด์ )
• FLOPS - จำนวนการคำนวณเลขทศลอยต่อวินาที มักเป็นปัจจัยสำคัญในการเลือกคอมพิวเตอร์สำหรับการคำนวณทางวิทยาศาสตร์
• ประสิทธิภาพต่อวัตต์ - นักออกแบบระบบที่สร้างคอมพิวเตอร์แบบขนานเช่นGoogleเลือก CPU โดยพิจารณาจากความเร็วต่อวัตต์ของพลังงาน เนื่องจากต้นทุนในการจ่ายพลังงานให้กับ CPU สูงกว่าต้นทุนของ CPU เอง^{[ 8 ] [ 9 ]}
• นักออกแบบระบบบางรายที่สร้างคอมพิวเตอร์แบบขนาน เลือกใช้ซีพียูโดยพิจารณาจากความเร็วต่อราคา
• นักออกแบบระบบที่สร้าง ระบบ ประมวลผลแบบเรียลไทม์ต้องการรับประกันการตอบสนองในกรณีที่เลวร้ายที่สุด ซึ่งทำได้ง่ายกว่าเมื่อ CPU มีความหน่วงในการขัดจังหวะ ต่ำ และมีการตอบสนองที่แน่นอน ( DSP )
• โปรแกรมเมอร์คอมพิวเตอร์ที่เขียนโปรแกรมโดยตรงด้วยภาษาแอสเซมบลีต้องการซีพียูที่รองรับชุดคำสั่ง ที่มีคุณสมบัติ ครบถ้วน
• พลังงานต่ำ - สำหรับระบบที่มีแหล่งพลังงานจำกัด (เช่น พลังงานแสงอาทิตย์ แบตเตอรี่ พลังงานจากมนุษย์)
• ขนาดเล็กหรือน้ำหนักเบา - เหมาะสำหรับระบบฝังตัวแบบพกพา ระบบสำหรับยานอวกาศ
• ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม - ลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของคอมพิวเตอร์ทั้งในระหว่างการผลิต การรีไซเคิล และการใช้งาน ลดของเสีย ลดวัสดุอันตราย (ดูการประมวลผลที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม )

การปรับปรุงตัวชี้วัดบางอย่างอาจมีข้อแลกเปลี่ยน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เทคนิคการออกแบบหลายอย่างที่ทำให้ซีพียูทำงานเร็วขึ้น อาจทำให้ "ประสิทธิภาพต่อวัตต์" "ประสิทธิภาพต่อดอลลาร์" และ "การตอบสนองที่แน่นอน" แย่ลง และในทางกลับกัน

มีตลาดหลายแห่งที่ใช้ซีพียู เนื่องจากแต่ละตลาดมีความต้องการซีพียูที่แตกต่างกัน อุปกรณ์ที่ออกแบบมาสำหรับตลาดหนึ่งจึงมักไม่เหมาะสมสำหรับตลาดอื่นในกรณีส่วนใหญ่

ในตลาดคอมพิวเตอร์ใช้งานทั่วไป (เดสก์ท็อป แล็ปท็อป และเซิร์ฟเวอร์) โปรเซสเซอร์ที่ใช้สถาปัตยกรรมชุดคำสั่ง x86-64 ยังคงมีการใช้งานอย่างแพร่หลาย โดยมี Intel และ AMD เป็นผู้ผลิตหลัก ในตลาด CPU x86 นั้น Mercury Research ประมาณการว่า Intel ครองส่วนแบ่ง 74.4% และ AMD 25.6% ของการจัดส่งหน่วยในไตรมาสที่ 3 ปี 2025 ^{[ 10 ]}โปรเซสเซอร์ที่ใช้สถาปัตยกรรม Arm ครองตลาดสมาร์ทโฟนและยังใช้ในพีซีและเซิร์ฟเวอร์บางรุ่นด้วย ABI Research คาดการณ์ว่าพีซีที่ใช้สถาปัตยกรรม Arm จะคิดเป็นประมาณ 13% ของการจัดส่งพีซีทั้งหมดในปี 2025 ในขณะที่ IDC ประมาณการว่าเซิร์ฟเวอร์ที่ใช้สถาปัตยกรรม Arm จะคิดเป็น 21.1% ของการจัดส่งเซิร์ฟเวอร์ทั้งหมดในปี 2025 ^{[ 11 ]} RISC-V ยังได้รับการยอมรับเพิ่มขึ้นในระบบฝังตัว และผู้จำหน่ายบางรายได้ประกาศตระกูลไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ใช้ RISC-V สำหรับการใช้งานในยานยนต์^{[ 12 ]}

เนื่องจากอุปกรณ์เหล่านี้ใช้ในการรันโปรแกรมหลากหลายประเภท การออกแบบซีพียูเหล่านี้จึงไม่ได้มุ่งเป้าไปที่แอปพลิเคชันหรือฟังก์ชันใดฟังก์ชันหนึ่งโดยเฉพาะ ความต้องการที่จะสามารถรันโปรแกรมหลากหลายประเภทได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้การออกแบบซีพียูเหล่านี้มีความก้าวหน้าทางเทคนิคมากขึ้น พร้อมกับข้อเสียบางประการ เช่น ราคาค่อนข้างสูง และการใช้พลังงานสูง

การคำนวณทางวิทยาศาสตร์เป็นตลาดเฉพาะกลุ่มที่เล็กกว่ามาก (ทั้งในแง่ของรายได้และจำนวนหน่วยที่จัดส่ง) โดยมีการใช้งานในห้องปฏิบัติการวิจัยของรัฐบาลและมหาวิทยาลัย ก่อนปี 1990 การออกแบบซีพียูมักทำขึ้นเพื่อตลาดนี้ แต่ซีพียูสำหรับตลาดมวลชนที่จัดเรียงเป็นกลุ่มขนาดใหญ่ได้พิสูจน์แล้วว่ามีราคาที่ถูกกว่า พื้นที่หลักที่ยังคงมีการออกแบบและวิจัยฮาร์ดแวร์อย่างต่อเนื่องสำหรับการคำนวณทางวิทยาศาสตร์คือระบบส่งข้อมูลความเร็วสูงเพื่อเชื่อมต่อซีพียูสำหรับตลาดมวลชน

เมื่อวัดจากจำนวนหน่วยที่จัดส่ง ซีพียูส่วนใหญ่จะถูกฝังอยู่ในเครื่องจักรอื่นๆ เช่น โทรศัพท์ นาฬิกา เครื่องใช้ไฟฟ้า ยานพาหนะ และโครงสร้างพื้นฐาน โปรเซสเซอร์แบบฝังตัวมียอดขายหลายพันล้านหน่วยต่อปี โดยส่วนใหญ่มีราคาต่ำกว่าโปรเซสเซอร์อเนกประสงค์ทั่วไปมาก

อุปกรณ์ที่มีฟังก์ชันเดียวเหล่านี้แตกต่างจากซีพียูอเนกประสงค์ที่เราคุ้นเคยในหลายด้าน:

• ต้นทุนต่ำเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง
• การรักษาการใช้พลังงานให้อยู่ในระดับต่ำเป็นสิ่งสำคัญ เนื่องจากอุปกรณ์ฝังตัวมักมีอายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่จำกัด และการติดตั้งพัดลมระบายความร้อนมักทำได้ไม่สะดวกในทางปฏิบัติ
• เพื่อลดต้นทุนของระบบ อุปกรณ์ต่อพ่วงจึงถูกรวมเข้ากับโปรเซสเซอร์บนชิปซิลิคอนเดียวกัน
• การเก็บอุปกรณ์ต่อพ่วงไว้ภายในชิปยังช่วยลดการใช้พลังงานด้วย เนื่องจากพอร์ต GPIO ภายนอกมักต้องการบัฟเฟอร์เพื่อให้สามารถจ่ายหรือรับกระแสไฟฟ้าสูงที่จำเป็นต่อการรักษาความแรงของสัญญาณภายนอกชิปได้
  • แอปพลิเคชันฝังตัวจำนวนมากมีพื้นที่ทางกายภาพสำหรับวงจรจำกัด การรวมอุปกรณ์ต่อพ่วงไว้บนชิปจะช่วยลดพื้นที่ที่จำเป็นสำหรับแผงวงจร
  • หน่วยความจำโปรแกรมและหน่วยความจำข้อมูลมักจะรวมอยู่ในชิปเดียวกัน เมื่ออนุญาตให้ใช้หน่วยความจำโปรแกรมได้เฉพาะROM เท่านั้น อุปกรณ์นั้นจะเรียกว่าไมโครคอนโทรลเลอร์
• สำหรับแอปพลิเคชันฝังตัวหลายๆ แอปพลิเคชัน ความหน่วงในการขัดจังหวะจะมีความสำคัญมากกว่าในโปรเซสเซอร์เอนกประสงค์บางประเภท

ตระกูล CPU แบบฝังตัวที่มีจำนวนหน่วยที่จัดส่งมากที่สุดคือ8051โดยเฉลี่ยเกือบหนึ่งพันล้านหน่วยต่อปี^{[ 13 ]} 8051 ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเนื่องจากมีราคาไม่แพงมาก เวลาในการออกแบบแทบจะเป็นศูนย์ เนื่องจากมีจำหน่ายอย่างแพร่หลายในฐานะทรัพย์สินทางปัญญาเชิงพาณิชย์ ปัจจุบันมักจะถูกฝังเป็นส่วนเล็ก ๆ ของระบบขนาดใหญ่บนชิป ต้นทุนซิลิคอนของ 8051 ในปัจจุบันต่ำถึง 0.001 ดอลลาร์สหรัฐ เนื่องจากบางการใช้งานใช้เกตตรรกะเพียง 2,200 ตัวและใช้ซิลิคอนเพียง 0.4730 ตารางมิลลิเมตร^{[ 14 ] [ 15 ]}

สถาปัตยกรรม ARM ครองตลาดการจัดส่งโปรเซสเซอร์ฝังตัวและมือถือทั่วโลก ณ ปี 2024 โปรเซสเซอร์ที่ใช้ ARM คิดเป็นสัดส่วนส่วนใหญ่ของหน่วยประมวลผลทั้งหมดที่จัดส่งในแต่ละปี โดยได้รับแรงผลักดันจากการนำไปใช้อย่างแพร่หลายในสมาร์ทโฟน อุปกรณ์ IoT และไมโครคอนโทรลเลอร์ สถาปัตยกรรม ARM ดั้งเดิมและชิป ARM ตัวแรกได้รับการออกแบบในเวลาประมาณหนึ่งปีครึ่งด้วยความพยายามของมนุษย์ 5 ปี^{[ 16 ]}

สถาปัตยกรรมไมโครคอนโทรลเลอร์ Parallax Propeller 32 บิตและชิปตัวแรกได้รับการออกแบบโดยคนสองคนในเวลาทำงานประมาณ 10 ปี^{[ 17 ]}

สถาปัตยกรรม AVR 8 บิตและไมโครคอนโทรลเลอร์ AVR ตัวแรกนั้นได้รับการคิดค้นและออกแบบโดยนักศึกษา 2 คนจากสถาบันเทคโนโลยีแห่งนอร์เวย์

สถาปัตยกรรม 8 บิต 6502 และ ชิป MOS Technology 6502 ตัวแรก ได้รับการออกแบบภายใน 13 เดือนโดยกลุ่มคนประมาณ 9 คน^{[ 18 ]}

โปรเซสเซอร์ Berkeley RISC I และ RISC II ขนาด 32 บิตส่วนใหญ่ได้รับการออกแบบโดยนักศึกษาหลายคนซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของหลักสูตรระดับบัณฑิตศึกษาสี่ภาคเรียน^{[ 19 ]} การออกแบบนี้กลายเป็นพื้นฐานของการออกแบบโปรเซสเซอร์ SPARC เชิงพาณิชย์

เป็นเวลาประมาณหนึ่งทศวรรษที่นักเรียนทุกคนที่เรียนวิชา 6.004 ที่ MIT เป็นส่วนหนึ่งของทีม โดยแต่ละทีมมีเวลาหนึ่งภาคการศึกษาในการออกแบบและสร้าง CPU 8 บิตแบบง่ายๆ จากวงจรรวมซีรีส์ 7400 ทีมหนึ่งซึ่งประกอบด้วยนักเรียน 4 คนได้ออกแบบและสร้าง CPU 32 บิตแบบง่ายๆ ในระหว่างภาคการศึกษานั้น^{[ 20 ]}

หลักสูตรระดับปริญญาตรีบางหลักสูตรกำหนดให้ทีมที่มีนักศึกษา 2 ถึง 5 คนออกแบบ ดำเนินการ และทดสอบ CPU อย่างง่ายใน FPGA ภายในภาคการศึกษาเดียวที่มีระยะเวลา 15 สัปดาห์^{[ 21 ]}

CPU MultiTitan ได้รับการออกแบบด้วยความพยายามของคน 2.5 ปี ซึ่งถือว่า "ใช้ความพยายามในการออกแบบค่อนข้างน้อย" ในขณะนั้น^{[ 22 ]} มีผู้คน 24 คนร่วมสนับสนุนโครงการวิจัย MultiTitan ที่ใช้เวลา 3.5 ปี ซึ่งรวมถึงการออกแบบและสร้าง CPU ต้นแบบ^{[ 23 ]}

สำหรับระบบฝังตัว ประสิทธิภาพระดับสูงสุดมักไม่จำเป็นหรือเป็นที่ต้องการ เนื่องจากข้อจำกัดด้านการใช้พลังงาน จึงสามารถใช้โปรเซสเซอร์ที่สามารถสร้างขึ้นได้ทั้งหมดโดยใช้ เทคนิค การสังเคราะห์ตรรกะโปรเซสเซอร์ที่สังเคราะห์ขึ้นเหล่านี้สามารถนำไปใช้งานได้ในระยะเวลาที่สั้นกว่ามาก ทำให้สามารถนำผลิตภัณฑ์ออกสู่ตลาด ได้ เร็ว ขึ้น

เว็บไซต์ Wikibooks มีหนังสือเกี่ยวกับหัวข้อ: การออกแบบไมโครโปรเซสเซอร์

• กฎของแอมดาห์ล
• หน่วยประมวลผลกลาง
• การเปรียบเทียบสถาปัตยกรรมชุดคำสั่ง
• คอมพิวเตอร์ชุดคำสั่งที่ซับซ้อน
• แคช CPU
• ระบบอัตโนมัติการออกแบบอิเล็กทรอนิกส์
• การประมวลผลแบบไม่เป็นเนื้อเดียวกัน
• การสังเคราะห์ระดับสูง
• ประวัติความเป็นมาของซีพียูอเนกประสงค์
• การออกแบบวงจรรวม
• สถาปัตยกรรมไมโคร
• ไมโครโปรเซสเซอร์
• คอมพิวเตอร์ชุดคำสั่งขั้นต่ำ
• กฎของมัวร์
• คอมพิวเตอร์ชุดคำสั่งลดรูป
• ระบบบนชิป
• เครือข่ายบนชิป
• ชุดเอกสารออกแบบกระบวนการ – ชุดเอกสารที่จัดทำหรือรวบรวมไว้สำหรับกระบวนการผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์