Desain unit pemrosesan pusat (CPU) adalah desain aspek penting dari komputer. Desain biasanya dilakukan oleh seorang insinyur desain komputer yang berspesialisasi dalam CPU. Secara umum, langkah pertama desain CPU adalah memutuskan apa prioritas desain dan tujuan apa yang ingin dicapai dengan CPU. Merancang CPU baru dapat memakan waktu hingga lima tahun, terkadang lebih lama, dan total biaya periode desain dapat mencapai puluhan juta Dolar Amerika Serikat (USD). Biaya ini bervariasi tergantung pada jenis CPU, yang dapat berkisar dari kinerja tinggi hingga CPU kelas bawah untuk perangkat yang disematkan dan model tujuan umum.
Beberapa area desain CPU harus selalu diperhatikan, termasuk integrasi set instruksi yang dapat digunakan oleh programmer. Tanpa set instruksi, pemrogram tidak dapat mengembangkan program yang berjalan di komputer menggunakan CPU yang diberikan. Set instruksi menentukan banyak informasi dasar, seperti cara membaca dan menulis data dan di mana hal-hal tertentu seperti memori berada.
Bagian integral lain dari desain CPU adalah merancang representasi fisik perangkat keras. Karena merancang CPU adalah proses yang rumit dan memakan waktu, biasanya perlu menggunakan simulator komputer untuk memvisualisasikan semua perangkat keras prototipe. Dalam kebanyakan kasus, banyak desainer CPU bekerja sama dalam aspek desain CPU ini.
Salah satu langkah terakhir dari desain CPU disebut pengecekan aturan desain. Tujuan dari proses ini adalah untuk memastikan bahwa desain CPU memenuhi aturan teknis yang digunakan untuk memastikan chip diproduksi secara efektif. Manufaktur bukanlah proses yang sempurna, jadi biasanya ada variabel dan tindakan yang tidak tepat. Desain sebuah chip harus mampu menahan beberapa kesalahan selama pembuatan tetapi tetap beroperasi dengan baik.
Beberapa tujuan desain umum ada saat mendesain CPU baru, dan seringkali ada lebih dari satu tujuan untuk CPU tertentu. Terkadang seorang desainer ingin membuat CPU yang dapat melakukan lebih banyak dengan lebih sedikit. Tujuannya mungkin bukan untuk membuat CPU yang jauh lebih cepat dari desain yang ada, tetapi untuk menghasilkan standar tertentu yang lebih murah atau lebih hemat energi. Dalam kasus lain, tujuannya mungkin memang untuk membangun CPU yang lebih cepat tanpa memperhatikan biaya atau penggunaan daya. Jenis tujuan desain lainnya mungkin untuk membangun CPU yang bekerja lebih baik bila digunakan dalam komputasi paralel atau lebih efisien dengan jenis proses tertentu.