ในการคำนวณและวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์โปรเซสเซอร์หรือหน่วยประมวลผลคือส่วนประกอบทางไฟฟ้า ( วงจรดิจิทัล ) ที่ดำเนินการกับแหล่งข้อมูลภายนอก ซึ่งโดยปกติคือหน่วยความจำหรือกระแสข้อมูลอื่นๆ^{[ 1 ]}คำนี้มักใช้เพื่ออ้างถึงหน่วยประมวลผลกลาง (CPU) ซึ่งเป็นโปรเซสเซอร์หลักในระบบ นอกจากนี้ยังอาจอ้างถึงโปรเซสเซอร์เฉพาะทางอื่นๆ เช่นหน่วยประมวลผลกราฟิก (GPU) หน่วยประมวลผลควอนตัม (QPU) และตัวประมวลผลสัญญาณดิจิทัล (DSP) การออกแบบและการพัฒนาโปรเซสเซอร์มีความซับซ้อนและใช้เวลานาน เนื่องจากต้องกำหนดทั้งข้อกำหนดด้านการทำงาน (การดำเนินการที่ต้องทำ) และข้อกำหนดที่ไม่ใช่การทำงาน (ข้อจำกัดทางกายภาพและประสิทธิภาพ) ^{[ 2 ]}โดยทั่วไปจะถูกสร้างขึ้นเพื่อทำงานกับข้อมูลดิจิทัลในรูปแบบวงจรรวม โดย ใช้วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งประกอบด้วย ทรานซิสเตอร์ที่จัดเรียงเป็นเกตตรรกะและจัดเรียงเพิ่มเติมเป็นส่วนต่างๆ เช่นบล็อก IPหรือคอร์ ที่สามารถเชื่อมต่อเข้าด้วยกันได้

คำว่า "โปรเซสเซอร์" ถูกนำมาใช้กับคอมพิวเตอร์ตั้งแต่ช่วงต้นทศวรรษ 1950 เป็นอย่างน้อย^{[ 3 ]}คอมพิวเตอร์ยุคแรกใช้อาร์เรย์ที่ซับซ้อนของหลอดสุญญากาศคอมพิวเตอร์ยุคแรกเหล่านี้มีขนาดใหญ่ ราคาแพง และใช้พลังงานมาก ทำให้จำกัดการใช้งานไว้เฉพาะองค์กรขนาดใหญ่Manchester Mark 1ถือเป็นหนึ่งในโปรเซสเซอร์รุ่นแรกๆ ในความหมายสมัยใหม่ เนื่องจากเป็นคอมพิวเตอร์อเนกประสงค์เครื่องแรกที่สามารถจัดเก็บโปรแกรมได้^{[ 4 ]}

การประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์นำมาซึ่งนวัตกรรมอย่างรวดเร็วในอุตสาหกรรมคอมพิวเตอร์^{[ 5 ]}ทรานซิสเตอร์ทำให้โปรเซสเซอร์คอมพิวเตอร์มีความหนาแน่นและประหยัดพลังงานมากขึ้น ลดขนาดของคอมพิวเตอร์จากขนาดห้องให้เหลือขนาดที่วางบนโต๊ะได้ โปรเซสเซอร์เริ่มมีกำลังการประมวลผลเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าทุกปี เนื่องจากทรานซิสเตอร์มีขนาดเล็ลงและสามารถรวมเข้าไว้ในคอมพิวเตอร์เครื่องเดียวได้มากขึ้น ซึ่งเป็นสิ่งที่เรียกว่ากฎของมัวร์ทรานซิสเตอร์ตัวแรกที่ใช้ในการคำนวณมีขนาดเป็นมิลลิเมตร ปัจจุบันทรานซิสเตอร์สมัยใหม่สามารถผลิตได้ที่ขนาดเล็กกว่า 5 นาโนเมตร^{[ 6 ]}

ในที่สุดทรานซิสเตอร์ก็มีขนาดเล็กลงจนถึงจุดที่สามารถสร้างโปรเซสเซอร์ทั้งหมดได้บนวงจรรวมแบบโมโนลิธิก ( ชิป ) เพียงไม่กี่ชิ้น โปรเซสเซอร์เหล่านั้นเรียกว่าไมโครโปรเซสเซอร์ไมโครโปรเซสเซอร์แบบชิปเดี่ยวตัวแรกที่วางจำหน่ายทั่วไปคือIntel 4004ซึ่งรวมวงจรตรรกะทั้งหมดที่คอมพิวเตอร์ต้องการไว้ในชิปวงจรรวมเพียงชิ้นเดียว ทำให้สามารถใช้งานอุปกรณ์สำหรับผู้บริโภคได้หลากหลาย เช่น เครื่องคิดเลขดิจิทัลและเครื่องเล่นพินบอลIntel 8008เป็นไมโครโปรเซสเซอร์แบบชิปเดี่ยวตัวแรกที่ใช้เป็นโปรเซสเซอร์อเนกประสงค์ โปรเซสเซอร์สมัยใหม่ได้ใช้รูปแบบนั้น โดยใช้ไมโครโปรเซสเซอร์แบบชิปเดี่ยวที่บรรจุแยกชิ้นพร้อมหน่วยความจำภายนอกและอินพุต/เอาต์พุต

ในการออกแบบโปรเซสเซอร์ จำเป็นต้องกำหนดข้อกำหนดที่ไม่ใช่ฟังก์ชันและข้อกำหนดด้านฟังก์ชันก่อนที่จะนำการออกแบบไปใช้กับระบบฮาร์ดแวร์หรือซอฟต์แวร์ ข้อกำหนดด้านฟังก์ชันหลายอย่างถูกเลือกมาจากชุดคำสั่งพื้นฐานหรืออัลกอริธึม ทั่วไป ที่ใช้ในชิปประมวลผล แม้ว่าจะมีการใช้เครื่องมือหลากหลายชนิดเพื่อช่วยในการพัฒนาโปรเซสเซอร์ แต่กระบวนการออกแบบโดยรวมยังคงใช้เวลานานเนื่องจากความซับซ้อนมากมายที่เกี่ยวข้อง

ข้อกำหนดที่ไม่ใช่ฟังก์ชันการทำงานของโปรเซสเซอร์หมายถึงส่วนประกอบทางวัตถุ ตัวอย่างเช่น พื้นที่ซิลิคอนของโปรเซสเซอร์ จำนวนพิน และการใช้พลังงานและกำลังไฟฟ้า ล้วนส่งผลต่อการออกแบบ ต้นทุนการผลิตโปรเซสเซอร์และราคาขายปลีกก็ส่งผลต่อส่วนประกอบเหล่านั้นเช่นกัน^{[ 2 ]}

ข้อกำหนดการทำงานของโปรเซสเซอร์คือการทำงานและสภาพแวดล้อมการทำงาน การทำงานคือชุดคำสั่งที่โปรเซสเซอร์ปฏิบัติตามเพื่อดำเนินการฟังก์ชันหลัก การทำงานถูกเขียนโดยใช้ชุดอัลกอริธึมที่แตกต่างกัน โดยมีตัวดำเนินการ ที่แตกต่างกัน เวลาที่โปรเซสเซอร์ใช้ในการทำงาน ประเภทของระบบหน่วยความจำที่เชื่อมต่อกับโปรเซสเซอร์ และอินพุต/เอาต์พุต (I/O) ล้วนเป็นตัวอย่างของสภาพแวดล้อมการทำงาน สภาพแวดล้อมเหล่านี้ส่งผลกระทบต่อวิธีการเขียนการทำงานภายในข้อกำหนดการทำงาน^{[ 2 ]}

อัลกอริทึมการสร้างโปรไฟล์ช่วยในการกำหนดรายละเอียดที่สำคัญภายในอัลกอริทึมที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพสูงสุด การสร้างโปรไฟล์ระหว่างโค้ดต้นแบบและการออกแบบโปรเซสเซอร์ที่มีอยู่ช่วยให้เข้าใจการใช้งานอัลกอริทึมได้ดียิ่งขึ้น อัลกอริทึมภายในโปรเซสเซอร์ที่มีอยู่มักถูกสร้างขึ้นเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพฟังก์ชันหลักที่แตกต่างกันเล็กน้อย ดังนั้นการดำเนินการทั้งหมดที่ใช้ในข้อมูลอ้างอิงนี้อาจไม่จำเป็นในการออกแบบต้นแบบ หากนักพัฒนาอาศัยข้อมูลอ้างอิงเพียงอย่างเดียว โค้ดการทำงานขั้นสุดท้ายอาจไม่มีประสิทธิภาพ^{[ 2 ]}

สถาปัตยกรรมเชิงองค์กรของโปรเซสเซอร์หมายถึงชุดคำสั่งพื้นฐานที่เรียงลำดับซึ่งช่วยให้โปรเซสเซอร์สามารถทำงานให้เสร็จสมบูรณ์ได้ มีหลายวิธีในการจัดเรียงคำสั่งเพื่อให้บรรลุเป้าหมายที่กำหนด แต่ประสิทธิภาพของโค้ดจะแตกต่างกันไป การใช้การดำเนินการเคอร์เนล ตัวประเมินประสิทธิภาพอัตโนมัติ หรือตัวสร้างโปรแกรมจำลองสามารถช่วยให้นักพัฒนาสามารถกำหนดสถาปัตยกรรมเชิงองค์กรที่มีประสิทธิภาพที่สุดสำหรับโปรเซสเซอร์ได้^{[ 2 ]}

เมื่อสร้างต้นแบบสุดท้ายของโปรเซสเซอร์แล้ว จะมีการนำไปใช้ในฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ต่างๆ การนำไปใช้ในฮาร์ดแวร์ต้องใช้การสร้างแบบจำลองระดับสูง เช่น การแปลงบล็อกฟังก์ชันให้เป็นภาษาคำอธิบายฮาร์ดแวร์และการจัดเรียงบล็อกฟังก์ชันบนชิปโปรเซสเซอร์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและลดพื้นที่ การนำไปใช้ในซอฟต์แวร์เป็นส่วนที่ยากที่สุดของกระบวนการออกแบบ กระบวนการนี้ต้องแก้ไขปัญหาฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ที่ขัดขวางไม่ให้โปรเซสเซอร์ทำงานได้อย่างสอดคล้องกันภายในซอฟต์แวร์^{[ 2 ]}