Computerhardware: Zentraleinheit

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Der erste Universalcomputer „Z3“ wurde 1941 von Konrad Zuse gebaut. „Universal“ deshalb, weil er „frei programmierbar“ war (d. h. beliebige Programme ausführen konnte). Der Computer Z3 rechnete digital mit 22 Stellen, bestand aus 2600 Relais und konnte 20 Befehle pro Sekunde ausführen.

Ohne von Zuse zu wissen, entwickelte Howard Aiken (USA) im Jahr 1944 aus 3500 Relais und 2225 Fernsprechzählern den „Mark I“. Er war in eine Schrankwand von 15 Meter Länge und 2,5 Meter Höhe eingebaut. Mark I benutzte das Dezimalsystem. Der Computer benötigte 0,3 Sekunden für eine Addition und 6 Sekunden pro Multiplikation. Gebaut wurde er vom Büromaschinenkonzern IBM in einer kleinen Serie für die US-Navy. Seine technischen Daten sollen Thomas Watson, Präsident von IBM, zu der Äußerung veranlasst haben: „Ich glaube, es gibt einen Weltmarkt für vielleicht fünf Computer.“ Nun, bei einem Stückpreis von einer halben Million Dollar und 5 Tonnen Gewicht war Mark I offensichtlich kein Kandidat für eine Massenproduktion ...

1946 ging in den USA der „ENIAC“ (electronic numerical integrator and calculator) in Betrieb. Mit seinen 18 000 Elektronenröhren war er der erste vollelektronische Computer. Er schaffte 35 Multiplikationen pro Sekunde, fast das Doppelte wie der Z3. Angeblich war der ENIAC die Hälfte der Zeit wegen Wartungsarbeiten außer Betrieb – kein Wunder bei den damals noch sehr anfälligen Elektronenröhren. Jeden Monat wurden 2000 Elektronenröhren prophylaktisch ausgewechselt.

1981 begann IBM mit der Serienproduktion des „Personal Computers“. Dessen Erfolg veranlasste zahlreiche Firmen, „kompatible“ Computer zu entwickeln. ­Hardware-kompatibel bedeutet, dass Tastaturen, Drucker, RAM, Laufwerke, Bildschirme und andere Komponenten ­verschiedener Hersteller untereinander austauschbar sind. Software-Kompatibilität bedeutet, dass ein Programm auf Computern unterschiedlicher Hersteller funktioniert, ohne dass irgendwelche Anpassungen nötig sind.

Für Wetterprognosen, Klimasimulationen, Erdbebenvorhersagen und Crashtests werden Supercomputer mit gewaltigen Rechenleistungen eingesetzt. Pharmazie, Genforschung, theoretische Chemie, Astrophysik und viele andere Forschungen kommen nicht ohne Supercomputer aus. Der IBM-Supercomputer Deep Blue mit 256 CPUs hat 1997 um die Krone des Schachweltmeisters gekämpft und mit 3,5 zu 2,5 Punkten gewonnen.

Im Jahr 2012 wurde der „JUQUEEN“ in Deutschland im Forschungszentrum Jülich in Betrieb genommen. Damals belegte er Platz 8 der „Weltbestenliste“ und war der leistungsstärkste Computer Europas. JUQUEEN bestand aus 72 Schränken mit 458 752 Prozessorkernen (28 672 Prozessoren mit je 16 Kernen) und 448 000 Gigabyte Arbeitsspeicher. Nach sechs Jahren wurde er im Mai 2018 abgeschaltet und durch den leistungsstärkeren „JUWELS“ ersetzt. Inzwischen ist der SuperMUC-NG im Leibniz-Rechenzentrum in München ist mit 6480 CPUs mit je 48 Kernen der leistungsstärkste Rechner Deutschlands und der EU.

Ein moderner Supercomputer kostet gegenwärtig eine halbe Milliarde Euro. Etwas „preiswerter“ sind Großrechner, sogenannte „Mainframes“. Sie kosten von 0,5 bis 50 Millionen Euro. Wegen ihrer bemerkenswert hohen Zuverlässigkeit werden sie in den Rechenzentren von Universitäten, Verwaltungen und Großfirmen eingesetzt, beispielsweise für Flugreservierungssysteme.

EDV-Anlagen der „mittleren Datentechnik“ werden von mittelständischen Unternehmen und großen Konstruktionsbüros eingesetzt. Der bedeutendste Anbieter ist IBM mit dem System „AS/400“. Dieses System ist „skalierbar“, d. h. man kann zunächst ein 5-Benutzer-System mit zwei „Power-PC-Prozessoren“ kaufen und es schrittweise bis zu einem System mit dutzenden CPUs für tausend Benutzer erweitern, wenn die Firma wächst.

Bei der AS/400 sind Hard- und Software durch eine „Isolationsschicht“ getrennt. Diese Isolationsschicht ermöglicht es den Anwendern seit zwanzig Jahren, die Hardware zu modernisieren oder auszuwechseln, ohne dass irgendeine Änderung an der Software nötig ist – und umgekehrt. Auf einer AS/400-Anlage können gleichzeitig Windows (in verschiedenen Versionen), Linux, Unix und andere Programme laufen. Die Zuverlässigkeit ist beeindruckend. Allerdings kostet so ein System etwa ein- bis dreihunderttausend Euro.

„Workstations“ sind im Leistungsbereich zwischen der mittleren Datentechnik und einem „gewöhnlichen“ PC angesiedelt. Oft sind mehrere Prozessoren eingebaut, jeder mit mehreren Prozessorkernen. Workstations werden vorzugsweise für CAD-Systeme und für wissenschaftlich-technische Berechnungen eingesetzt. Die Zuverlässigkeit der Hardware übertrifft einen PC um Größenordnungen. Als Betriebssystem werden vorzugsweise Unix- und Linuxsysteme eingesetzt. Die Bedeutung von Workstations hat im letzten Jahrzehnt abgenommen, weil sehr gut ausgestattete PC sich der Leistung von Workstations annähern.

In diesem Buch geht es nur um einen einzigen Typ von Computern, der normalerweise nur einen einzigen Prozessor enthält: Um den Personal Computer, abgekürzt „PC“. Von allen bezahlbaren Computern ist es der Typ mit den vielseitigsten Verwendungsmöglichkeiten. Der „PC“ wird volkstümlich meist als Computer bezeichnet, auch in diesem Buch.

Ende 2008 gab es immerhin schon eine Milliarde PCs. Dazu kommen die 300 000 Server von Microsoft, 100 000 Server der Firma Intel und die 70 000, die der Internet-Provider 1&1 betreibt. Es wird geschätzt, dass Google eine Million Server benutzt und dass jedes Quartal 100 000 dazukommen. Wenn man noch die Playstations von Sony, die Wii von Nitendo und die X-Box von Microsoft dazurechnet (das sind Spielcomputer mit einer ähnlichen Leistung wie ein PC) sowie „Embedded Computer“ (eingebettete, integrierte Computer, die in Handys, Waschmaschinen, Autos und Werkzeugmaschinen stecken), gab es schon gegen Ende des letzten Jahrhunderts viel mehr Computer als Menschen. Seitdem sind Milliarden Smartphones und Tablets dazugekommen. Wikimedia betreibt insgesamt 378 Server (2012).

Hauptkomponenten eines PC

Der wichtigste und meist auch teuerste Teil eines PC-Systems ist die mit Systemkomponenten ausgestattete graue Kiste, die als Systemeinheit oder Grundgerät bezeichnet wird. Auf dem Foto „Hauptkomponenten eines PC“ sehen Sie, welche Teile unbedingt zu einem PC gehören:

• Das Gehäuse mit Netzteil und Zusatzlüftern,
• die Hauptplatine mit Prozessor und RAM-Speicher sowie vielen Anschlüssen innen und außen für weitere Hardware,
• die Festplatte,
• früher oft ein Diskettenlaufwerk,
• ein DVD-Laufwerk und
• weitere Komponenten, zum Beispiel Soundkarte, Fernsehkarte und Netzwerkkarte.

Im Bild rechts oben sind einige dieser Teile in ein Gehäuse gezwängt, das durch die „herumhängenden“ Kabel recht unübersichtlich aussieht. Unterhalb des Netzteils, links neben dem RAM-Modul sehen Sie einen großen Lüfter. Darunter ist der Prozessor versteckt.

An die Systemeinheit werden Peripherie-Geräte angesteckt, meist an der Rückseite.

• Zu den Eingabegeräten zählen unter anderem Tastatur, Maus und Scanner.
• Zu den Ausgabegeräten zählen unter anderem Bildschirm, Drucker und Plotter.
• Zu den Speichergeräten zählen unter anderem externe Festplatten, Brenner, Kamera-Speicherkarten und USB-Sticks.

Quellen