Computer

Bild: Charles Babbage, CC BY-SA 2.0, Wikimedia Commons

Kurz: Ein programmierbares elektronisches Gerät, das Daten nach den Anweisungen eines Programms verarbeitet — der Oberbegriff für PCs, Server, Laptops und viele eingebettete Geräte.

Genauer: Kernbestandteile sind Prozessor (CPU), Arbeitsspeicher (RAM), Massenspeicher und Ein-/Ausgabegeräte. Die grundlegende Architektur (Von-Neumann-Architektur: gemeinsamer Speicher für Programm und Daten) ist seit Jahrzehnten die Basis fast aller heutigen Computer.

Im Detail

Die Von-Neumann-Architektur

Die Von-Neumann-Architektur, benannt nach dem Mathematiker John von Neumann (der das Konzept 1945 beschrieb), beschreibt das grundlegende Bauprinzip fast aller heutigen Computer: Programm (Anweisungen) und Daten liegen im selben Speicher und werden über denselben Bus zur CPU transportiert. Das macht Computer extrem flexibel — dasselbe Gerät kann durch bloßen Austausch der Software völlig unterschiedliche Aufgaben übernehmen, vom Textverarbeiten bis zum Videospiel —, erzeugt aber auch einen strukturellen Engpass, den sogenannten “Von-Neumann-Flaschenhals”: Programm- und Datenzugriffe konkurrieren um dieselbe Speicheranbindung, da beide über denselben Bus laufen. Moderne CPUs mildern das durch mehrstufige Zwischenspeicher (Caches), die häufig benötigte Daten und Befehle näher am Prozessor halten, sowie durch getrennte Cache-Bereiche für Programmcode und Daten.

Alternative: Harvard-Architektur

Als Gegenmodell existiert die Harvard-Architektur, bei der Programm und Daten in physisch getrennten Speichern mit eigenen Bussen liegen — das vermeidet den Von-Neumann-Flaschenhals, ist aber unflexibler und findet sich heute vor allem in spezialisierten eingebetteten Systemen (Mikrocontroller) statt in Allzweck-Computern, wo die Flexibilität der Von-Neumann-Architektur meist überwiegt.

Das breite Spektrum an Bauformen

Der Begriff “Computer” umfasst dabei ein enormes Spektrum an Bauformen mit identischem Grundprinzip: vom Desktop-PC über Laptops, Server und Smartphones bis zu unsichtbaren eingebetteten Systemen in Autos, Waschmaschinen, Routern oder Robotern. Was einen Computer von reiner fest verdrahteter Elektronik unterscheidet, ist genau diese Programmierbarkeit: Ein Taschenrechner mit festverdrahteten Rechenoperationen ist streng genommen kein Computer im vollen Sinn, ein winziger Mikrocontroller mit austauschbarer Firmware dagegen schon, selbst wenn er nur wenige Cent kostet und keine sichtbare Benutzeroberfläche hat.

Kernkomponenten im Zusammenspiel

Ein vollständiger Computer benötigt neben Prozessor (CPU) und Arbeitsspeicher (RAM) auch dauerhaften Massenspeicher (SSD/HDD, der seinen Inhalt anders als RAM auch ohne Strom behält) sowie Ein-/Ausgabewege, um überhaupt mit der Außenwelt zu interagieren — von Tastatur/Maus bis zu Netzwerkanschlüssen. Erst das Zusammenspiel all dieser Komponenten macht ein nutzbares Gesamtsystem aus.

Turing-Vollständigkeit

Ein zentrales theoretisches Konzept dahinter ist die “Turing-Vollständigkeit” — ein System gilt als Turing-vollständig, wenn es (bei ausreichend Zeit und Speicher) jede beliebige berechenbare Funktion ausführen kann, die auch eine theoretische Turing-Maschine berechnen könnte. Fast alle modernen Programmiersprachen und damit auch die Computer, auf denen sie laufen, sind in diesem Sinne gleich mächtig — ein einfacher Mikrocontroller kann theoretisch dieselben Berechnungen durchführen wie ein Supercomputer, nur eben (unter Umständen extrem) viel langsamer und mit weniger verfügbarem Speicher. Der praktische Unterschied zwischen verschiedenen Computern liegt also nicht darin, WAS sie berechnen können, sondern WIE SCHNELL und mit welchen Ressourcen.

Vom Röhrenrechner zum Mikrochip

Historisch durchliefen Computer mehrere technologische Generationen: von raumfüllenden Röhrenrechnern (1940er, extrem störanfällig, hoher Stromverbrauch), über Transistor-basierte Systeme (ab Ende der 1950er, deutlich kleiner und zuverlässiger), integrierte Schaltkreise (1960er, mehrere Transistoren auf einem Chip) bis zu heutigen Mikroprozessoren mit Milliarden Transistoren auf wenigen Quadratmillimetern. Jede Generation ermöglichte drastisch kleinere, billigere und stromsparendere Geräte bei gleichzeitig steigender Rechenleistung — ein Trend, der lange als “Mooresches Gesetz” beschrieben wurde (ungefähre Verdopplung der Transistordichte alle zwei Jahre), sich technisch bedingt aber in den letzten Jahren spürbar verlangsamt hat.

Siehe auch: CPU, RAM, Server, Desktop-PCs