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Computer


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Computer: Was ist das?

Computer (auch Rechner genannt) sind technische Geräte, die mithilfe programmierbarer Rechenvorschriften (spezielle Algorithmen oder Software) Daten verarbeiten und speichern können. Den ersten funktionsfähigen Digitalcomputer entwickelte Konrad Zuse mit dem Z3 im Jahr 1941 [1]. Die damals noch raumfüllende Rechenmaschine hatte den Zweck, innerhalb weniger Sekunden komplexe mathematische Berechnungen durchzuführen.

Heutige Computer sind um ein Vielfaches kompakter und leistungsfähiger und erfüllen eine Vielzahl von Aufgaben. Sie dienen in Form von PC (Personal Computer), Smartphone oder Tablet als Arbeitsgerät und zur Unterhaltung und sind unverzichtbar für zum Beispiel die Steuerung technischer Anlagen oder medizinischem Equipment. An dem grundsätzlichen Funktionsprinzip von Computern hat sich bis heute nichts geändert: Eingegebene Daten werden innerhalb des Rechners in Zahlen umgewandelt und in dieser Form weiterverarbeitet.

Aufbau eines Computers

Computer setzen sich grundlegend aus zwei Einheiten zusammen: dem eigentlichen Rechner und der Peripherie. Moderne Rechner bestehen in der Regel aus einem Prozessor (CPU), dem Arbeitsspeicher (RAM), einer Grafikkarte, einem Bussystem und einem Mother- bzw. Mainboard. Hinzu kommen Komponenten zur Stromversorgung und diverse Anschlüsse. All diese Bestandteile werden auch als Hardware bezeichnet. Sie schließt die Peripherie mit ein, zu der unter anderem Ausgabegeräte wie Monitore und Drucker, Eingabegeräte wie Mäuse, Tastaturen und Scanner sowie Geräte, die eine Ein- und Ausgabe von Daten ermöglichen (z. B. Festplatten oder Netzwerkkarten) gehören.

Um all diese Komponenten einfach und sinnvoll miteinander nutzen zu können, bedarf es passender Software. Allen voran ist ein BIOS notwendig, das bei jedem Start des Computers überprüft, ob alle wichtigen Hardware-Komponenten vorhanden sind und einwandfrei funktionieren. Weitere Software können Betriebssysteme wie Microsoft Windows, MacOS oder Linux sein, die die Ressourcen des Computers verwalten und eine meist grafische Benutzeroberfläche bereitstellen. Hinzu kommen spezialisierte Programme, die den Rechner auf unterschiedliche Weise nutzbar machen.

Übrigens: Ganz gleich, ob es sich um einen Heim-PC, ein Smartphone, einen Einplatinen-Computer wie den Raspberry-Pi oder einen Großrechner handelt – Computer sind immer nach demselben Prinzip aufgebaut, das schon 1946 von John von Neumann beschrieben wurde [2]. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die früher separaten Komponenten wie das Rechen- und Steuerwerk in modernen Rechnern in der CPU zusammengefasst sind.

Aufgaben und Funktionen der einzelnen Computer-Komponenten

Motherboard oder Mainboard: Das Mainboard oder auch Motherboard ist die Hauptplatine des Computers. Auf ihr sind sämtliche Komponenten des Rechners wie der Prozessor oder der Arbeitsspeicher platzsparend montiert und über den sogenannten Bus miteinander verbunden. Das Motherboard enthält in der Regel zusätzliche Steckplätze, über die Grafik-, Sound- oder Netzwerkkarten in den PC eingebaut werden können. Festplatten und andere Peripheriegeräte werden, damit diese funktionieren, ebenfalls über Kabel mit dem Motherboard verbunden.

CPU / Prozessor: Die CPU (Abkürzung für “Central Processing Unit”) ist das eigentliche Herzstück eines jeden Computer-Systems und enthält das Rechen- und Steuerwerk. Aufgabe des Prozessors ist es, Rechenoperationen durchzuführen und gleichzeitig die Komponenten des Computers zu steuern. Jeder Prozessor arbeitet mit einer bestimmten Taktfrequenz, die in Hertz angegeben wird. Je höher die Taktfrequenz ist, desto schneller kann die CPU Berechnungen durchführen. Mit der Höhe der Taktfrequenz steigt auch die Temperatur, die der Prozessor entwickelt. CPUs besitzen deshalb eine eigene Kühlung, die für eine konstant optimale Arbeitstemperatur sorgt.

Arbeitsspeicher: Der RAM (Abkürzung für “Random Access Memory”) ist ein Speicher auf dem Mainboard des Computers. Er wird genutzt, um Daten, die während der Laufzeit von Programmen entstehen, auszulagern. Da es sich um einen “flüchtigen Speicher” handelt, werden Daten nur für kurze Zeit (meist bis zum Schließen eines Programms oder dem Neustart des Computers) darin zwischengespeichert. Ein RAM setzt sich aus vielen Speicherzellen zusammen, von denen jede ein Byte (ein Zeichen) aufnehmen kann. Sind die Speicherzellen alle belegt, ist der Arbeitsspeicher voll ausgelastet und Rechenprozesse können nicht mehr ausgeführt werden. Dies bemerken Nutzer zum Beispiel daran, dass der Computer nicht mehr so flüssig auf Eingaben antwortet oder im ungünstigsten Fall abstürzt. Bei der regelmäßigen Arbeit mit großen Datenmengen oder beim Gaming ist deshalb ein möglichst großer Arbeitsspeicher von Vorteil.

Grafikkarte: Aufgabe der Grafikkarte ist es, die Daten des Prozessors in Pixel (Bildpunkte) umzuwandeln und sie an das Ausgabegerät (zum Beispiel Monitor oder Projektor) weiterzuleiten. Meist sitzt der Grafikchip “onboard”, das heißt, er ist mit dem Prozessor auf dem Motherboard installiert. Für die Darstellung aufwendiger 3D-Grafiken reicht jedoch eine Onboard-Grafikkarte oft nicht aus. In diesem Fall bieten viele Computer die Möglichkeit, eine Grafikkarte mit einem leistungsstarken Grafikprozessor (auch GPU, Abkürzung für “Graphics Processing Unit”) zu installieren.

Festplatte / SSD: Um das Betriebssystem und Benutzerdaten dauerhaft speichern zu können, benötigt ein Computer einen Speicher in Form einer klassischen Festplatte oder einer modernen SSD (Abkürzung für “Solid State Drive”). Während bei Festplatten Daten mithilfe eines Schreibkopfs und Magnetismus auf rotierende Platten geschrieben werden, nutzen SSDs elektronische Schreibvorgänge, was das Schreiben und Zugreifen auf Daten erheblich beschleunigt. Die Größe des Speicherplatzes einer Festplatte oder eines SSD-Speichers wird meist in Gigabyte oder Terabyte angegeben. Bei den meisten Rechnern ist es auch möglich, mehrere Speicher parallel zu nutzen.

Welche Komponenten ein Computer darüber hinaus noch besitzt, hängt von seiner Art bzw. Bauform ab.

Verschiedene Arten von Computern

Mit dem rasanten technologischen Fortschritt der vergangenen 50 bis 70 Jahre haben sich auch Computer stark verändert und sind heute vom leistungsstarken Supercomputer über den vielseitigen Desktop-PC für zu Hause bis hin zum Laptop für unterwegs in vielen verschiedenen Formen und Größen erhältlich.

Supercomputer: Hinter Namen wie “Titan”, “Sequoia”, “Stampede” oder “Tianhe-2” verbergen sich die leistungsstärksten Computer der Welt. Sie füllen – ähnlich wie ihre Urahnen – ganze Räume aus, bestehen im Gegensatz zu diesen jedoch aus Millionen von Prozessorkernen, die komplexe wissenschaftliche Berechnungen durchführen können. Typische Anwendungsgebiete für Supercomputer sind Simulationen von Klima und Wetter. Auch in der Astrophysik, bei Waffentests und in der Medizin wird auf die gigantische Rechenleistung von Supercomputern zurückgegriffen [3].

Großrechner: In Unternehmen, Banken sowie in öffentlichen Verwaltungen kommen häufig Großrechner zum Einsatz. Diese sind weniger leistungsfähig als Supercomputer und haben den Zweck, ihre Rechen- und Speicherkapazität den oftmals mehreren Hundert angeschlossenen Clients zur Verfügung zu stellen. Ein wichtiges Merkmal von Großrechnern ist ihre hohe Ausfallsicherheit. Um diese zu gewährleisten, sind in Großcomputern sehr robuste und hochgradig redundante Hardware-Komponenten verbaut.

Desktop-PC: Der Personal Computer (kurz PC genannt) ist die heute verbreitetste Form des Rechners. Das Gerät besteht in der Regel aus einem kompakten Tower, der das Mainboard inklusive Prozessor, Arbeitsspeicher, etc. sowie Anschlüsse für Peripherie-Geräte und ggf. optische Laufwerke enthält. Komplettiert wird der Desktop-PC durch Eingabegeräte wie Maus und Tastatur und ein Ausgabegerät in Form eines Monitors. PCs gibt es in unterschiedlichen Leistungsklassen. Für den Heim- und Office-Gebrauch reichen meist einfache Konfigurationen aus, während für Gaming und Arbeiten mit großen Datenmengen leistungsstarke PCs und Workstations die nötige Rechenleistung zur Verfügung stellen.

Laptop/Notebook: Mit der Entwicklung des Laptops/Notebooks in den 1980er-Jahren ist der Computer mobil geworden. Bei dem Gerät handelt es sich um einen voll ausgestatteten und funktionsfähigen PC, der mit einem Klappbildschirm und einer integrierten Tastatur ausgestattet ist. Dadurch lässt sich das Notebook platzsparend verstauen und praktisch überall hin mitnehmen. Laptops stellen in der Regel die gleichen Anschlüsse bereit wie Home-PCs, sodass sich Peripheriegeräte verbinden und nutzen lassen.

Smartphone/Tablet: Moderne Mobiltelefone und Tablets sind ebenfalls vollwertige Computer, die sich jedoch bei der Bedienung grundlegend von einem klassischen PC unterscheiden. Denn statt klassischen Eingabegeräten wie Maus und Tastatur sind Smartphones und Tablets in der Regel mit einem Touchscreen ausgerüstet, der eine komfortable Steuerung über den Bildschirm ermöglicht.

Übrigens: Unabhängig von Art und Bauweise des Computers/PCs funktionieren alle Geräte nach dem sogenannten EVA-Prinzip [4].

Ein Beispiel:

  1. Eingabe: Der Nutzer möchte ein Foto auf seinem Computer öffnen und klickt es dazu mit der Maus oder einem Finger auf dem Touchscreen an.
  2. Verarbeitung: Der Computer wertet die Eingabe mithilfe des Prozessors aus und startet die zum Betrachten der Bilddatei notwendige Software.
  3. Ausgabe: Das vom Nutzer angeklickte Foto wird auf dem zur Verfügung stehenden Ausgabegerät (z. B. Monitor, Beamer) angezeigt.

Entwicklung des Computers

Die Vorgänger moderner Computer in Form von Rechenmaschinen wie dem Abakus entstanden bereits mehr als 1.000 Jahre vor Christus. Die rasante Entwicklung vom raumfüllenden Röhrencomputer bis hin zum leistungsstarken Rechner für die Hosentasche hat der Computer aber erst in den vergangenen 80 bis 100 Jahren durchgemacht. Ein Meilenstein auf diesem Weg war die Entwicklung der Rechenmaschine “Zuse 3” [5], die Konrad Zuse 1941 in einer kleinen Werkstatt in Berlin baute. Der tonnenschwere Rechner war der erste digitale Computer, der wie die heutigen Vertreter seiner Art auf dem binären Zahlensystem basierte. Als Eingabegerät des kurz “Z3” genannten Rechners diente eine Tastatur, für die Ausgabe eine Anzeigetafel mit Lämpchen. Leider wurde Zuses Erfindung im Zweiten Weltkrieg zerstört, sie ebnete jedoch den Weg für die rasante Weiterentwicklung des Computers in den folgenden Jahrzehnten.

Ein wichtiger Schritt für die Entwicklung alltagstauglicher Computer war die Erfindung von Transistoren gegen Ende der 1940er-Jahre. Sie ersetzten die bis dahin gängigen Röhren als Bit-Träger. Zu Beginn konnten zwei Transistoren auf einem Chip verbaut werden, der unter anderem in Taschenrechnern zum Einsatz kam. Heute passen auf einen etwa fingernagelgroßen Chip 50 Milliarden und mehr Transistoren [6]. Der Chip machte Computer leistungsfähiger und ermöglichte eine viel kompaktere Bauweise. Dennoch waren Rechner noch zu groß für den Heimgebrauch und deshalb lange Zeit nur für den professionellen Einsatz in Firmen geeignet. Das sollte sich jedoch im Jahr 1975 ändern, als die Zeitschrift “Popular Electronics” einen Bausatz für einen Personal Computer (PC) herausbrachte [7]. Für 397 US-Dollar konnten sich Hobby-Elektroniker den “Altair 8800” nach Hause holen und in Eigenregie zusammenbauen. Tausende Leser des Magazins nutzten diese Möglichkeit und ließen so eine neue Tüftler-Szene entstehen, die Garagenfirmen wie Apple hervorbrachte.

Ab diesem Punkt ging es mit der Entwicklung des Computers rasant weiter. Rund um die Tüftler-Szene entstand eine ganze Computer-Industrie, die sich auf die Entwicklung von Personal Computern konzentrierte. Einer der ersten großen Hersteller von Computern für den Heimgebrauch war Commodore. Das US-Unternehmen brachte 1977 mit dem “PET 2001” seinen ersten PC auf den Markt [8], der auch hierzulande über ein großes Versandhaus angeboten wurde. Es folgten Computer von Apple wie der “Apple II” und der “TRS-80” von RadioShack. Den ersten massentauglichen PC mit Monitor, Maus und Tastatur sowie dem Microsoft-Betriebssystem “DOS”, das sich später als Standard durchsetzen sollte, brachte aber erst IBM 1981 mit dem “PC 5150” auf den Markt [9]. Das Gerät war technisch keinesfalls bahnbrechend, dafür aber sehr offen gestaltet und sollte den Markt für Home- und Office-Computer komplett umkrempeln. Denn schnell gründeten sich Hersteller wie Compaq oder Dell, die IBMs PC nachbauten und so für einen lebendigen Markt sorgten. Auch wenn er kaum technische Innovationen mit sich brachte, gilt IBMs PC 5150 heute als Ur-PC.

Top500-Liste der schnellsten Supercomputer

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