Merkezi işlem birimi (CPU) tasarımı, bilgisayarın önemli bir yönünün tasarımıdır. Tasarım genellikle CPU'larda uzmanlaşmış bir bilgisayar tasarım mühendisi tarafından yapılır. Genel olarak, CPU tasarımının ilk adımı, tasarım önceliklerinin ne olduğuna ve CPU ile hangi hedeflere ulaşılacağına karar vermektir. Yeni bir CPU tasarımı, bazen daha uzun, beş yıl kadar sürebilir ve tasarım sürecinin toplam maliyeti, on milyonlarca ABD Doları (USD) arasında değişebilir. Bu maliyetler, gömülü aygıtlar ve genel amaçlı modeller için yüksek performanstan düşük uçlu CPU'lara kadar değişebilen CPU türüne bağlı olarak değişir.
Programcıların kullanabileceği bir komut setinin entegrasyonu da dahil olmak üzere, CPU tasarım alanlarının her zaman daima ele alınması gerekir. Bir komut seti olmadan, programcılar belirli bir CPU kullanarak bilgisayarda çalışan programlar geliştiremezler. Talimat seti, verilerin nasıl okunup yazılacağı ve hafıza gibi belirli şeylerin bulunduğu yerler gibi birçok temel bilgiyi belirtir.
CPU tasarımının bir başka ayrılmaz parçası da donanımın fiziksel temsilini tasarlamaktır. Bir CPU tasarımı karmaşık ve zaman alıcı bir işlem olduğundan, prototipli donanımın tamamını görüntülemek için bir bilgisayar simülatörü kullanmak gerekir. Çoğu durumda, birçok CPU tasarımcısı CPU tasarımının bu yönü üzerinde birlikte çalışır.
CPU tasarımının son adımlarından birine tasarım kuralı kontrolü denir. Bu işlemin amacı, CPU tasarımının, yonganın etkin bir şekilde üretildiğinden emin olmak için kullanılan teknik kuralları yerine getirmesini sağlamaktır. Üretim mükemmel bir işlem değildir, bu nedenle tipik olarak değişkenler ve kesin olmayan eylemler vardır. Bir çipin tasarımı, üretim sırasında bazı hatalara dayanabilmeli ancak yine de düzgün çalışmalıdır.
Yeni bir CPU tasarlarken bazı ortak tasarım hedefleri vardır ve belirli bir CPU için genellikle birden fazla hedef vardır. Bazen bir tasarımcı daha azıyla daha fazlasını yapabilen bir işlemci yapmak ister. Amaç, mevcut tasarımlardan çok daha hızlı bir CPU yapmak değil, daha ucuz veya daha enerji verimli olan belirli bir standart üretmek olabilir. Diğer durumlarda amaç, maliyet veya güç kullanımı ile ilgili olmaksızın daha hızlı bir CPU oluşturmak olabilir. Başka bir tasarım amacı türü, paralel hesaplamada kullanıldığında daha iyi çalışan veya belirli işlem türleriyle daha verimli çalışan bir CPU oluşturmak olabilir.
