Keskusyksikön (CPU) suunnittelu on tietokoneen tärkeä osa. Suunnittelun suorittaa yleensä suorittimiin erikoistunut tietokoneen suunnittelija. Yleensä CPU -suunnittelun ensimmäinen askel on päättää, mitkä suunnitteluprioriteetit ovat ja mitkä tavoitteet CPU: lla saavutetaan. Uuden suorittimen suunnittelu voi kestää jopa viisi vuotta, joskus kauemmin, ja suunnittelukauden kokonaiskustannukset voivat vaihdella kymmeniin miljooniin Yhdysvaltain dollareihin (USD). Nämä kustannukset vaihtelevat suorittimen tyypin mukaan, joka voi vaihdella sulautettujen laitteiden ja yleiskäyttöisten mallien korkean suorituskyvyn ja huonolaatuisten suorittimien välillä.
Joitakin CPU -suunnittelun alueita on aina käsiteltävä, mukaan lukien ohjelmoijien käyttämien käskyjoukkojen integrointi. Ilman käskyjoukkoa ohjelmoijat eivät voi kehittää ohjelmia, jotka toimivat tietokoneella tietyn suorittimen avulla. Ohjekirja määrittää paljon perustietoja, kuten tietojen lukemisen ja kirjoittamisen sekä tiettyjen asioiden, kuten muistin, sijainnin.
Toinen kiinteä osa suorittimen suunnittelua on laitteiston fyysisen esityksen suunnittelu. Koska CPU: n suunnittelu on monimutkainen ja aikaa vievä prosessi, on tyypillisesti tarpeen käyttää tietokonesimulaattoria visualisoimaan kaikki prototyyppiset laitteistot. Useimmissa tapauksissa monet CPU -suunnittelijat työskentelevät yhdessä tämän CPU -suunnittelun puolen kanssa.
Yksi suorittimen suunnittelun viimeisistä vaiheista on nimeltään suunnittelusääntöjen tarkistus. Tämän prosessin tarkoituksena on varmistaa, että suorittimen rakenne täyttää tekniset säännöt, joita käytetään varmistamaan sirun tehokas valmistus. Valmistus ei ole täydellinen prosessi, joten tyypillisesti on muuttujia ja epätarkkoja toimia. Sirun suunnittelun on kestettävä valmistuksen aikana esiintyvät virheet, mutta sen on silti toimittava kunnolla.
Joitakin yhteisiä suunnittelutavoitteita on olemassa uuden CPU: n suunnittelussa, ja tietylle suorittimelle on usein useampi kuin yksi tavoite. Joskus suunnittelija haluaa tehdä suorittimen, joka pystyy tekemään enemmän vähemmällä. Tavoitteena ei ehkä ole tehdä CPU: ta, joka on paljon nopeampi kuin olemassa olevat mallit, vaan tuottaa tietty standardi, joka on halvempi tai energiatehokkaampi. Muissa tapauksissa tavoite voi todellakin olla nopeamman suorittimen rakentaminen ilman kustannuksia tai virrankulutusta. Toinen suunnittelutyyppi voisi olla rakentaa suoritin, joka toimii paremmin, kun sitä käytetään rinnakkaislaskennassa tai tehokkaammin tietyntyyppisten prosessien kanssa.