Der Computer ist für viele Menschen ein komplexes und schwer verständliches Gerät. Dieser Artikel soll dazu beitragen, das Innenleben eines Computers und die Funktionen seiner wichtigsten Komponenten zu beleuchten.
Einblick in das Innere eines Computers
Beim Öffnen eines Computers fällt der Blick zunächst auf das Mainboard (oder Motherboard), die Hauptplatine und das Herzstück eines jeden Rechners. Ob Notebook, Tower-PC oder All-in-One-Gerät, ohne Mainboard ist kein Computer funktionsfähig. Es verbindet alle angeschlossenen Komponenten und Geräte direkt miteinander und beherbergt Steckplätze, Schnittstellen und Sockel. Um die Kompatibilität zwischen Mainboard und Gehäuse zu gewährleisten, sind beide nach dem ATX-Format genormt, das Abmessungen und Befestigungsmöglichkeiten standardisiert.
Der Prozessor (CPU): Das Gehirn des Computers
Die CPU (Central Processing Unit), oder auf Deutsch der Prozessor, ist der Teil des Computers, der alle Berechnungen durchführt. Wenn das Mainboard das Herz des PCs ist, dann ist der Prozessor das Gehirn. Die bekanntesten Hersteller von Prozessoren im PC-Bereich sind Intel und AMD.
AMD-Prozessoren sind in der Regel günstiger als vergleichbare Intel-CPUs, während letztere vor allem in Bezug auf Stromverbrauch und Wärmeabgabe (TDP) meist besser abschneiden. In High-End-Systemen sind daher in der Regel eher Intel-Prozessoren zu finden, während AMD hauptsächlich im niedrigeren Preissektor zu Hause ist. Moderne CPUs bestehen heutzutage aus mehreren Prozessorkernen.
Unabhängig von Marke und Leistungsfähigkeit des Prozessors besitzt jede Prozessorgeneration einen speziellen Sockel. Diese sind fest mit dem Mainboard verbunden und in der Regel nicht zueinander kompatibel. Willst du deinen Computer also mit einem neuen Prozessor versehen, dann musst du unbedingt darauf achten, dass dieser auch in den Sockel deines Mainboards passt.
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Beim Betrieb des Computers werden im Prozessorkern durch den Stromfluss relativ hohe Temperaturen von bis zu 100°C erreicht. Um diese Temperaturen im für den Prozessor unschädlichen Normalbereich zu halten, ist eine aktive Kühlung des Prozessors mittlerweile zwingend notwendig. Die gängigste Bauweise von CPU-Kühlern ist der sogenannte Top-Blower. Die maximale Kühlleistung eines Top-Blowers ist aber aufgrund der kleinen Bauform begrenzt, weswegen in High-End-Systemen und Workstations vorwiegend Tower-Kühler eingesetzt werden. Diese werden seitlich an den Prozessor angebaut, so dass sich der Luftstrom quer zu diesem bewegen kann, was eine deutlich größere Bauform und damit eine effektivere und leisere Kühlung ermöglicht.
Die Rolle des Prozessors im Detail
Technisch gesehen ist der Prozessor in Form eines Mikrochips (Mikroprozessor) auf dem Mainboard integriert. Zwischen ihm und dem Speicher finden alle Prozesse statt, die einen Computer ausmachen. Die Operationen im Rechenwerk werden der Arithmetik und Logik zugeordnet. Das Leitwerk (Control Unit / CU) ist der Steuerungsmechanismus des Prozessors, der die Ausführung von Anweisungen und den Ablauf der Befehlsverarbeitung kontrolliert.
Die CPU koordiniert die Kommunikation zwischen allen anderen Komponenten im Computer. Moderne Prozessoren unterscheiden sich stark in ihrer Architektur und ihrem Einsatzzweck.
Komponenten einer CPU
Es gibt zahlreiche Komponenten innerhalb einer CPU. Die folgenden Aspekte sind jedoch besonders wichtig für den Betrieb der CPU und unser Verständnis ihrer Funktionsweise:
- Cache: Speicher-Caches sind unverzichtbar, um schnell auf Daten zuzugreifen, die kürzlich verwendet wurden. Caches speichern Daten in Bereichen des Speichers, die in den Prozessorchip einer CPU integriert sind, um so Datenabrufgeschwindigkeiten zu erreichen, die schneller sind als die von Random-Access Memory (RAM).
- Taktfrequenz: Die Taktfrequenz, gemessen in Hertz (Hz) oder Megahertz (MHz), regelt die Geschwindigkeit und Häufigkeit der Computeroperationen.
- Kern: Kerne sind Verarbeitungseinheiten, die verschiedene Programmanweisungen lesen und ausführen. CPUs mit mehreren Kernen können Anweisungen wesentlich schneller verarbeiten als Single-Core-Prozessoren.
- Threads: Threads sind die kürzesten Sequenzen programmierbarer Anweisungen, die der Scheduler eines Betriebssystems unabhängig voneinander verwalten und zur Verarbeitung an die CPU senden kann.
Zusätzlich zu den oben genannten Komponenten enthalten moderne CPUs in der Regel Folgendes:
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- Arithmetisch-logische Einheit (ALU): Führt alle arithmetischen und logischen Operationen aus.
- Busse: Gewährleisten die ordnungsgemäße Datenübertragung und den Datenfluss zwischen den Komponenten eines Computersystems.
- Steuereinheit: Steuert das Computersystem durch die Ausgabe eines Systems elektrischer Impulse und weist das System an, hochrangige Computerbefehle auszuführen.
- Befehlsregister und -zeiger: Zeigt den Speicherort des nächsten Befehlssatzes an, der von der CPU ausgeführt werden soll.
- Speichereinheit: Verwaltet die Speichernutzung und den Datenfluss zwischen RAM und CPU.
Die Arbeit, die eine CPU leistet, erfolgt nach einem festgelegten Zyklus (dem sogenannten CPU-Befehlszyklus). Der CPU-Befehlszyklus legt eine bestimmte Anzahl von Wiederholungen fest. Dies ist die Anzahl der Wiederholungen der grundlegenden Rechenanweisungen, sofern die Verarbeitungsleistung des entsprechenden Computers es zulässt.
Die drei grundlegenden Rechenanweisungen lauten wie folgt:
- Abrufe: Abrufe erfolgen immer dann, wenn Daten aus dem Speicher abgerufen werden.
- Decodieren: Der Decoder der CPU übersetzt binäre Befehle in elektrische Signale, die andere Teile der CPU ansprechen.
- Ausführen: Eine Ausführung erfolgt, wenn Computer die Anweisungen eines Computerprogramms interpretieren und ausführen.
CPU-Typen
CPUs werden durch den Prozessor oder Mikroprozessor definiert, der sie steuert:
- Single-Core-Prozessor: Ein Single-Core-Prozessor ist ein Mikroprozessor mit einer CPU auf seinem Die. Single-Core-Prozessoren laufen in der Regel langsamer als Multi-Core-Prozessoren, arbeiten mit einem einzelnen Thread und führen die Befehlszyklussequenz jeweils nur einmal aus. Sie eignen sich am besten für allgemeine Computeranwendungen.
- Multi-Core-Prozessor: Ein Multi-Core-Prozessor ist in zwei oder mehr Abschnitte aufgeteilt, wobei jeder Kern Befehle ausführt, als ob es sich um völlig unterschiedliche Computer handeln würde, obwohl sich die Abschnitte technisch gesehen zusammen auf einem einzigen Chip befinden. Für viele Computerprogramme bietet ein Multi-Core-Prozessor eine überragende, hohe Leistung.
- Eingebetteter Prozessor: Ein eingebetteter Prozessor ist ein Mikroprozessor, der speziell für die Verwendung in eingebetteten Systemen entwickelt wurde. Eingebettete Systeme sind klein und auf einen geringen Stromverbrauch ausgelegt. Sie sind im Prozessor untergebracht und ermöglichen den sofortigen Zugriff auf Daten.
CPU-Hersteller
Die Zahl der Unternehmen, die Produkte herstellen oder Software entwickeln, die CPUs unterstützen, ist in den letzten Jahren auf nur noch wenige große Unternehmen zurückgegangen.
Die beiden größten Unternehmen in diesem Bereich sind Intel und Advanced Micro Devices (AMD). Seine Premium-High-End-Produktlinie ist Intel Core. Die Xeon-Prozessoren von Intel sind auf Büros und Unternehmen ausgerichtet. Die Produktlinien Celeron und Intel Pentium gelten als langsamer und weniger leistungsstark als die Produktlinie Core.
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Advanced Micro Devices (AMD): AMD verkauft Prozessoren und Mikroprozessoren in zwei Produkttypen: CPUs und APUs (Accelerated Processing Units). APUs sind CPUs, die mit den proprietären Radeon-Grafikkarten ausgestattet sind. Ryzen-Prozessoren von AMD sind Hochgeschwindigkeits- und Hochleistungs-Mikroprozessoren, die für den Videospielmarkt bestimmt sind. Athlon-Prozessoren galten früher als die High-End-Reihe, heute werden sie jedoch von AMD als Alternative zu Basiscomputern verwendet.
Arm: Obwohl Arm selbst keine Geräte herstellt, vermietet es hochwertige Prozessordesigns und/oder andere proprietäre Technologien an andere Unternehmen, die Geräte herstellen. Apple beispielsweise verwendet keine Intel-Chips mehr in Mac-CPUs, sondern stellt seine eigenen benutzerdefinierten Prozessoren auf Grundlage der Arm-Designs her.
Grafikprozessoren (GPUs)
Der Begriff „Graphics Processing Unit (Grafikverarbeitungseinheit)“ enthält zwar das Wort „Grafik“, aber erfasst nicht wirklich, worum es bei GPUs geht, nämlich Geschwindigkeit. Die höhere Geschwindigkeit ist die Ursache für die Beschleunigung der Computergrafik.
Die GPU ist eine Art elektronischer Schaltkreis mit unmittelbaren Anwendungen für PCs, Smartphones und Videospielkonsolen, was ihr ursprünglicher Verwendungszweck war. Heute werden GPUs auch in Bereichen verwendet, die nichts mit Grafikbeschleunigung zu tun haben, etwa beim Mining von Kryptowährungen oder dem Training neuronaler Netze.
Mikroprozessoren
Das Streben nach Miniaturisierung von Computern setzte sich fort, als die Computerwissenschaft eine CPU entwickelte, die so klein war, dass sie in einem kleinen integrierten Schaltkreis, dem sogenannten Mikroprozessor, untergebracht werden konnte. Mikroprozessoren werden nach der Anzahl der von ihnen unterstützten Kerne bezeichnet.
Ein CPU-Kern ist „das Gehirn im Gehirn“ und dient als physische Verarbeitungseinheit innerhalb einer CPU. Mikroprozessoren können mehrere Prozessoren enthalten. Ein physischer Kern ist eine in einen Chip eingebaute CPU, der aber nur einen Speicherplatz belegt, wodurch andere physische Kerne denselben Rechenbereich nutzen können.
Ausgabegeräte
Ohne Ausgabegeräte zur Ausführung der CPU-Befehlssätze wäre die Arbeit mit Computern stark eingeschränkt. Zu diesen Geräten gehören Peripheriegeräte, die an der Außenseite eines Computers angebracht werden und dessen Funktionalität erheblich erweitern.
Peripheriegeräte bieten Benutzern die Möglichkeit, mit dem Computer zu interagieren und ihn dazu zu bringen, ihre Anweisungen zu verarbeiten. Dazu gehören essentielle Geräte wie Tastatur, Maus, Scanner und Drucker.
Peripheriegeräte sind nicht die einzigen Ergänzungen, die ein moderner Computer benötigt. Darüber hinaus gibt es weit verbreitete Eingabe-/Ausgabegeräte, die Informationen empfangen und übermitteln, etwa Videokameras und Mikrofone.
Stromverbrauch
Der Stromverbrauch wirkt sich auf mehrere Aspekte aus. Einer davon ist die Wärmemenge, die von Multicore-Prozessoren erzeugt wird, und die Frage, wie die überschüssige Wärme von diesem Gerät abgeführt werden kann, damit der Computerprozessor thermisch geschützt bleibt. Aus diesem Grund sind Hyperscale-Rechenzentren (die Tausende von Servern beherbergen und nutzen) mit umfangreichen Klima- und Kühlsystemen ausgestattet.
Auch die Nachhaltigkeit ist ein Thema, selbst wenn es sich nicht um ein paar Tausend, sondern nur um ein paar wenige Computer handelt. Je leistungsfähiger der Computer und seine CPUs sind, desto mehr Energie wird für seinen Betrieb benötigt - und in einigen Fällen im Makrobereich kann das Rechenleistung im Gigahertz-Bereich (GHz) bedeuten.
Spezialisierte Chips
Künstliche Intelligenz (KI) ist die tiefgreifendste Entwicklung in der Informatik seit ihren Anfängen und wirkt sich nun auf die meisten, wenn nicht sogar auf alle Computerumgebungen aus. Eine Entwicklung, die wir im CPU-Bereich beobachten, ist die Entwicklung von Spezialprozessoren, die speziell für die Verarbeitung von großen und komplexen Arbeitslasten im Zusammenhang mit KI (oder anderen Spezialzwecken) entwickelt wurden:
Dazu gehört der Tensor Streaming Processor (TSP), der neben KI-Anwendungen auch Aufgaben des maschinellen Lernens (ML) verarbeitet. Andere Produkte, die sich ebenso für die KI-Arbeit eignen, sind der AMD Ryzen Threadraffer 3990X 64-Core-Prozessor und der Intel Core i9-13900KS Desktop-Prozessor, der 24 Kerne verwendet.
Für eine Anwendung wie die Videobearbeitung entscheiden sich viele Benutzer für die Intel Core i7 14700KF CPU mit 20 Kernen und 28 Threads. Der Begriff ist ein Kofferwort des englischen „transfer resistor“ und bezieht sich in der Regel auf eine Komponente aus Halbleitern, die zur Begrenzung und/oder Kontrolle der durch einen Stromkreis fließenden Strommenge verwendet wird.
Auch in der Informatik sind Transistoren elementar. Der Transistor ist die grundlegende Baueinheit für die Entwicklung aller Mikrochips. Informatiker arbeiten ständig an der Erhöhung der Leistung und Funktionalität von CPUs.
Zukünftige Entwicklungen bei CPUs
Hier sind einige Prognosen über zukünftige CPUs:
- Neue Chipmaterialien: Die neue Prozessorwelle wird von neuen Chipmaterialien profitieren, die eine höhere Leistung bieten. Zu diesen gehören Kohlenstoffnanoröhren, Graphen und spintronische Komponenten.
- Quanten statt binär: Die aktuellen CPUs basieren auf der Verwendung einer Binärsprache. Dies wird sich jedoch durch Quantencomputing ändern.
- KI überall: Da sich die künstliche Intelligenz immer mehr durchsetzt, wird sie einen direkten Einfluss auf das CPU-Design haben. In Zukunft ist mit einer zunehmenden Integration von KI-Funktionen direkt in Computerhardware zu rechnen.
Arbeitsspeicher (RAM): Das Kurzzeitgedächtnis
Der Arbeitsspeicher, engl. Random Access Memory, kurz RAM, ist das superschnelle Kurzzeitgedächtnis deines Computers. Im Arbeitsspeicher werden alle aktuell auszuführenden Programme sowie deren Daten zwischengespeichert. Der Prozessor greift direkt auf den Arbeitsspeicher zu und legt dort permanent Daten ab oder liest sie wieder aus. Sobald der Computer ausgeschaltet wird, gehen diese Daten wieder verloren. Die Größe und Leistungsfähigkeit des Arbeitsspeichers ist daher in wesentlichem Maße für die Leistungsfähigkeit des gesamten Computer-Systems ausschlaggebend.
Die direkt eingebauten Speicherriegel des Arbeitsspeichers werden als physischer Speicher bezeichnet. Modernere Prozessoren und Betriebssysteme können aber durch virtuelle Speicherverwaltung mehr Arbeitsspeicher bereitstellen, als physischer Speicher vorhanden ist (etwa mit einer Auslagerungsdatei auf der Festplatte). Dieser zusätzliche Speicher wird virtueller Speicher genannt.
Wie schon bei den Prozessoren, gibt es auch beim Arbeitsspeicher unterschiedliche Bauformen, die jeweils einen speziellen Sockel auf dem Mainboard benötigen. Heutzutage ist DDR3-RAM noch die gängigste Bauform, dieser wird aber zunehmend von DDR4 ersetzt. Außerdem gibt es verschiedene Taktfrequenzen, in denen der Arbeitsspeicher jeweils angesprochen wird (u.a. 1333 MHz, 1600 MHz oder 1866 MHz). Beides - Sockel und Taktfrequenz - muss jeweils zum Mainboard passen, damit eine fehlerfreie Funktion des Arbeitsspeichers sichergestellt ist. Die maximal mögliche Größe des Arbeitsspeichers wird ebenso vom Mainboard vorgegeben.
Festplatte (HDD) und Solid State Disk (SSD): Das Langzeitgedächtnis
Die Festplatte ist der Speicher, auf dem sich alle Daten und das Betriebssystem befinden. Im Gegensatz zum Arbeitsspeicher werden die Daten auf der Festplatte bei einem Ausschalten des Rechners nicht gelöscht, sondern bleiben erhalten. Die HDD (Hard Disk Drive)- Festplatten, welche am häufigsten verwendet werden, haben im Gehäuse eine Metallscheibe, die magnetisiert wird. Über einen Schreib-/Lesekopf, der berührungsfrei über der Scheibe schwebt, werden die Daten gespeichert und abgefragt. Dies ist vom Prinzip her mit einem Plattenspieler vergleichbar, nur dass zwischen Lesekopf und Magnetscheibe keine Berührung stattfindet. Die Scheibe dreht sich dabei mit einer Geschwindigkeit von 5400, 5900, 7200, oder 10000 U/min. Je höher die Umdrehungszahl, desto mehr Daten können pro Zeiteinheit abgefragt werden.
Um diese Probleme zu umgehen, und da die Grenzen der Datenübertragung nahezu erreicht sind, gibt es SSD-Festplatten (Solid State Disk). Diese haben keine bewegten Teile mehr und arbeiten ähnlich wie ein Speicherstick. Dabei sind sie - neben einer deutlich höheren Geschwindigkeit - auch unempfindlich gegenüber Erschütterungen.
Sowohl SSD-, als auch HDD-Festplatten des Computers werden heutzutage über S-ATA Schnittstellen angeschlossen. Auf jedem modernen Mainboard sind hierzu mindestens 4 Stück vorhanden. Der Anschluss auf dem Mainboard dient hier allerdings nur der Datenübertragung. Den nötigen Strom bekommt die Festplatte über ein zweites Kabel, welches direkt vom Netzteil deines Computers zur Festplatte führt. Die Anschlüsse dafür sehen ähnlich aus, wie die S-ATA Anschlüsse, nur breiter. Es ist selbstverständlich möglich, in einem modernen PC mehrere Festplatten gleichzeitig einzubauen und anzuschließen. Gängige Praxis ist es mittlerweile, eine SSD-Festplatte für das Betriebssystem und eine weit größere HDD-Festplatte für alle Daten einzubauen.
Grafikkarte: Die visuelle Darstellung
Die Grafikkarte im Computer erstellt aus den berechneten Daten ein Bild, welches dein Monitor anschließend anzeigt. Alle Mainboards enthalten auch einen integrierten Grafikchip, welcher diese Aufgabe erfüllt (man spricht dann von Onboard-Grafik). Für höhere und rechenintensivere Grafikleistungen, wie sie zum Beispiel bei Spielen oder CAD-Anwendungen vorausgesetzt werden, ist eine Onboard-Grafik allerdings nur noch bedingt ausreichend.
Ein Onboard-Grafikchip hat neben der geringeren Leistungsfähigkeit an sich vor allem noch einen anderen entscheidenden Nachteil. Die Berechnungen selbst werden zwar im Grafikchip ausgeführt, alle Speichervorgänge greifen aber über den Weg des Prozessors direkt auf den Arbeitsspeicher des Computers zu. Eine separate Grafikkarte schafft hier gekonnt Abhilfe, denn sie besitzt sowohl einen eigenen Prozessor (GPU), als auch einen eigenen Arbeitsspeicher. Beide sind für nichts anderes als Grafikberechnungen reserviert und sorgen daher für eine erhebliche Entlastung des Prozessors und des „normalen“ Arbeitsspeichers. Nachteilig hierbei ist die Größe und der hohe Preis, sowie der beträchtliche Stromverbrauch moderner Grafikkarten.
Angeschlossen werden moderne Grafikkarten heutzutage ausschließlich über den PCIe-Steckplatz des Mainboards. Außerdem benötigen sie einen separaten Stromanschluss direkt vom Netzteil. Je nach Leistungsbedarf erfolgt dies über einen 4-, 6-, 8- oder gar 12-poligen speziellen Stecker.
Vergleich mit dem menschlichen Gehirn
Das menschliche Gehirn wird oft mit einem Computer verglichen, aber es gibt grundlegende Unterschiede. Während ein Computer binäre Daten verarbeitet und auf Algorithmen basiert, ist das Gehirn ein komplexes Netzwerk von Neuronen, das sich selbst organisiert und anpasst.
Der Vergleich des Gehirns mit einem Computer ist ein beliebtes Konzept, aber es ist wichtig zu verstehen, dass es sich nur um eine Metapher handelt. Das Gehirn ist viel komplexer und flexibler als jeder Computer, den wir bisher gebaut haben.
Unterschiede in der Funktionsweise
Das Gehirn funktioniert nicht wie ein klassischer Digitalcomputer, in dem alle Verarbeitungsschritte nacheinander ablaufen. Im Gehirn laufen stets sehr viele Prozesse parallel und die sind weit über das ganze Gehirn verteilt.
Ein weiterer Unterschied: Das Gehirn ist immer aktiv, der Cortex befasst sich zum größten Teil mit selbstgenerierter Aktivität, nicht etwa nur mit Signalen, die aus den Sinnesorganen kommen. Der Computer hingegen verknüpft Input mit Output, und wenn kein Input kommt, tut er gar nichts.
Dennoch kommt ein Gehirn mit einer Leistung von etwa 20 Watt aus. Der derzeit schnellste Supercomputer braucht dagegen 18 Millionen Watt. Und für einen Supercomputer, der die Arbeit des menschlichen Gehirns simulieren kann, wird man ein eigenes Kraftwerk bauen müssen.
Neuronale Netze
Um die Computer zu verbessern, versuchen Forscher heute, einzelne Aspekte der Funktionsweise des Gehirns im Rechner nachzubauen. Etwa in Form künstlicher neuronaler Netze. Das sind Programme, die im Computer ablaufen und deren Struktur der Verknüpfung der Neuronen des Gehirns abgeschaut ist. Sie werden nicht programmiert, sondern an Beispielen trainiert, wobei sich die Gewichtung der Verknüpfungen zwischen den Komponenten verändert, ähnlich wie sich die Verbindungen zwischen Neuronen verändern.
Künstliche neuronale Netze können lernen und mit unvollständiger Information umgehen, also etwa ein Gesicht erkennen, das zum Teil verdeckt ist. Zudem sind sie robuster als die klassischen Computerprogramme, sie fallen nicht gleich ganz aus, wenn eine Komponente defekt ist.
Die Bedeutung des Körpers
Aber das wichtigste ist: Ein Gehirn für sich funktioniert gar nicht. Es ist ein Organ des Körpers, mit dem es eng und vielfältig vernetzt ist. Und alles, was wir denken, planen, erkennen, wird von Emotionen begleitet. Während man Bewertungen in Ansätzen auch in Computern realisieren kann, ist noch gar nicht verstanden, wie aus neuronaler Aktivität Bewusstsein entstehen kann.