การออกแบบหน่วยประมวลผลกลาง (CPU) คือการออกแบบสิ่งสำคัญของคอมพิวเตอร์ การออกแบบมักจะดำเนินการโดยวิศวกรออกแบบคอมพิวเตอร์ที่มีความเชี่ยวชาญในซีพียู โดยทั่วไปขั้นตอนแรกของการออกแบบ CPU คือการตัดสินใจว่าลำดับความสำคัญของการออกแบบคืออะไรและเป้าหมายใดที่จะบรรลุเป้าหมายได้ด้วย CPU การออกแบบ CPU ใหม่อาจใช้เวลานานถึงห้าปีซึ่งบางครั้งอาจนานกว่านั้นและค่าใช้จ่ายโดยรวมของระยะเวลาการออกแบบอาจอยู่ในช่วงสิบล้านดอลลาร์สหรัฐ (USD) ค่าใช้จ่ายเหล่านี้จะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับประเภทของซีพียูซึ่งอาจมีตั้งแต่ประสิทธิภาพสูงจนถึงซีพียูต่ำสุดสำหรับอุปกรณ์ฝังตัวและรุ่นทั่วไป
พื้นที่ส่วนหนึ่งของการออกแบบ CPU ต้องได้รับการแก้ไขเสมอรวมถึงการรวมชุดคำสั่งที่โปรแกรมเมอร์สามารถใช้ได้ หากไม่มีชุดคำสั่งโปรแกรมเมอร์จะไม่สามารถพัฒนาโปรแกรมที่ทำงานบนคอมพิวเตอร์โดยใช้ CPU ที่กำหนด ชุดคำสั่งระบุข้อมูลพื้นฐานจำนวนมากเช่นวิธีอ่านและเขียนข้อมูลและตำแหน่งที่เฉพาะเจาะจงเช่นหน่วยความจำ
อีกส่วนหนึ่งของการออกแบบ CPU คือการออกแบบการเป็นตัวแทนทางกายภาพของฮาร์ดแวร์ เนื่องจากการออกแบบ CPU เป็นกระบวนการที่ซับซ้อนใช้เวลานานจึงจำเป็นต้องใช้เครื่องจำลองคอมพิวเตอร์เพื่อแสดงภาพฮาร์ดแวร์ต้นแบบทั้งหมด ในกรณีส่วนใหญ่ผู้ออกแบบ CPU หลายคนทำงานร่วมกันในด้านการออกแบบ CPU นี้
หนึ่งในขั้นตอนสุดท้ายของการออกแบบ CPU คือการตรวจสอบกฎการออกแบบ วัตถุประสงค์ของกระบวนการนี้คือเพื่อให้แน่ใจว่าการออกแบบ CPU เป็นไปตามกฎทางเทคนิคที่ใช้เพื่อให้แน่ใจว่าชิปนั้นผลิตอย่างมีประสิทธิภาพ การผลิตไม่ใช่กระบวนการที่สมบูรณ์แบบดังนั้นโดยทั่วไปจะมีตัวแปรและการกระทำที่ไม่ชัดเจน การออกแบบของชิปจะต้องสามารถต้านทานข้อผิดพลาดบางอย่างในระหว่างการผลิต แต่ยังคงทำงานได้อย่างถูกต้อง
เป้าหมายการออกแบบทั่วไปบางอย่างมีอยู่เมื่อออกแบบ CPU ใหม่และมักจะมีมากกว่าหนึ่งเป้าหมายสำหรับ CPU ที่กำหนด บางครั้งนักออกแบบต้องการสร้างซีพียูที่สามารถทำอะไรได้มากกว่าโดยมีน้อย เป้าหมายอาจไม่ได้ทำให้ซีพียูนั้นเร็วกว่าการออกแบบที่มีอยู่มาก แต่เพื่อสร้างมาตรฐานที่แน่นอนว่าถูกกว่าหรือประหยัดพลังงานกว่า ในกรณีอื่น ๆ เป้าหมายอาจสร้าง CPU ที่เร็วขึ้นโดยไม่คำนึงถึงต้นทุนหรือการใช้พลังงาน เป้าหมายการออกแบบอีกประเภทหนึ่งคือการสร้าง CPU ที่ทำงานได้ดีขึ้นเมื่อใช้ในการคำนวณแบบขนานหรือมีประสิทธิภาพมากขึ้นกับกระบวนการบางประเภท
