1.3.2. Aufbau eines Computers

Grundbausteine

Die Bausteine moderner Computer beruhen auf Halbleiterelementen, welche die CMOS-Technik (Complementary metal-oxide-semiconductor) verwenden. Aus den damit realisierten Transistoren können Spannungen (5 V bzw. 0 V) zur Schaltung von Zuständen geschaffen werden und damit logische Operationen in Form von Logikgattern gebaut werden. Die Weiterentwicklung der Fertigungstechnik ermöglicht eine kontinuierliche Verkleinerung der physikalischen Größe dieser Elemente, so dass die Dichte dieser Elemente immer weiter zunimmt.

Transistoren

Die grundlegenden Recheneinheiten zum Rechnen mit binären Zahlen sind die logischen Gatter. Sie realisieren die logischen Operationen, z.B. das logische UND, ODER und NICHT, in Form von sogenannten Logikgattern. Das dafür notwendige elektrische Bauteil ist der Transistor, welcher den allergrößten Teil des datenverarbeitenden Teils eines Computers ausmacht.

Beispielhaft ist hier der Schaltplan eines UND-Gatters als Schaltkreis mit fünf Transistoren:

Fig. 1.43 Schaltkreis eines AND-Gatters

Logikgatter

Um zwei Bits zu addieren, kann z.B. folgende einfache Verschaltung eines UND- und eines ODER-Gatters verwendet werden. Dies entspricht dem sogenannten Halbaddierer.

Fig. 1.44 UND-Gatter	Fig. 1.45 ODER-Gatter	Fig. 1.46 Halbaddierer
A B Y 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1	A B Y 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1	x y c s 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0

Die Addition und natürlich andere Operationen von längeren Zahlen werden in entsprechend komplexeren Schaltungen realisiert.

Mooresches-Gesetz

Mikrochip	Anzahl der Transistoren	Technologieknoten	Entwicklungsjahr
Intel 4004	2.300	10000 nm	1971
Intel Pentium (P5)	3.100.000	800 nm	1993
Intel Core 2 (Yorkfield) pro Die	410.000.000	45 nm	2007
Intel Itanium 2 Tukwila	2.046.000.000	65 nm	2010
AMD Tahiti XT	4.312.711.873	28 nm	2011
Nvidia Kepler GK110	7.100.000.000	28 nm	2012
AMD Epyc - 32 Kern Prozessor	19.200.000.000	14 nm	2017

Das Mooresche-Gesetzt besagt, dass sich die Anzahl der Transistoren auf integrierten Schaltkreisen in einem festen Zeitraum verdoppelt. Je nach Zählweise sind es 12, 18 oder 24 Monate.

Fig. 1.47 Entwicklung der Anzahl der Transistorzahl, Quelle: Max Roser, Moore’s Law Transistor Count 1971-2018, CC BY-SA 4.0

Computerarchitektur

Von-Neumann-Architektur

Die allgemeinste, prinzipiell immer noch eingesetzte, Computer-Architektur ist die Von-Neumann Architektur.

Fig. 1.48 Von-Neumann-Architektur, Quelle: Lukas Grossar, Von-Neumann Architektur, als gemeinfrei gekennzeichnet

• CPU: Central processing unit, zentrale Prozesseinheit

• Steuerlogik: Steuert das Abarbeiten von Instruktionen.

• Rechenwerk: Führt arithmetische Operationen aus.

• Bussystem: Erlaubt die Kommunikation der einzelnen Komponenten untereinander.

• Speicherwerk: Hat zur Aufgabe Daten und Instruktionen zu speichern.

• E/A-Werk: Das Eingabe- / Ausgabewerk stellt die Kommunikation mit externen Komponenten zur Verfügung, z.B. Monitor, Festplatte oder Tastatur.

x86 Architektur

Abgeleitet von der generellen Von-Neumann-Architektur hat sich im privaten Bereich insbesondere die x86-Architektur durchgesetzt. Sie wird seit 1978, vor allem von Intel und AMD, weiterentwickelt.

Generation	Jahr	Beispiel
1	1978	Intel 8086
1	1982	Intel 80286
…	…	…
8	2003	Athlon 64, Opteron
9	2008	Intel Core i3/i5/i7, AMD Phenom II

Andere Architekturen sind z.B. PowerPC (Apple, IBM, Motorola) oder die ARM-Architektur (ARM).

Speichermedien

• Register: extrem schneller Speicher auf dem u.A. das Rechenwerk seine Operationen ausführt.

• Cache: extrem schneller Zwischenspeicher, um die Zugriffszeit auf den Hauptspeicher zu beschleunigen.

• Arbeitsspeicher / Hauptspeicher: Hier werden die meisten Daten und Anweisungen abgespeichert.

• Massenspeicher – SSD: Etwas schneller als eine Festplatte, jedoch mit deutlich kürzeren Zugriffszeiten.

• Massenspeicher – Festplatte: Langsamster verbauter Speicher, jedoch mit einem sehr großem Volumen.

• Wechselspeicher – CD-ROM / DVD / BD: Leicht austauschbare Speicher, im allgemeinen langsam und nur lesbar nutzbar.

Nur lesbare Speicher werden oft als ROM (read only memory) bezeichnet; (beliebig) beschreibbare Speicher als RAM (random access memory).

Ob Speicherwerte Daten oder Instruktionen darstellen muss die lesende Einheit selbst entscheiden!

Hierarchie des Speichers

Optimal wäre ein möglichst schneller Speicher. Jedoch steigt der Herstellungspreis mit der Zugriffsgeschwindigkeit, so dass sich die folgende Volumenverteilung etabliert hat. Die verschiedenen Stufen versuchen die langsamen Zugriffszeiten zu puffern. Insbesondere ist für numerische Berechnungen der Cache, welcher selbst in drei Stufen, sogenannte Level, aufgeteilt ist.

Fig. 1.49 Speicherhierarchie

Beispiel AMD Zen Architektur

Welche Operation als nächstes abgearbeitet wird – und das Veranlassen dieser Operation – wird von der Steuerlogik auf der CPU (central processing unit) geregelt. Daneben befindet sich auf dem Mikrochip auch noch die arithmetische Einheit (Rechenwerk) und der Cache-Speicher, als auch andere Kontrolleinheiten. Diese werden anhand der AMD Zen Architektur exemplarisch vorgestellt.

Zen Core

• 512 kB L2-Cache

• L1 Daten und Instruktions Cache

• FPU: Floating Point Unit

• ALU: Arithmetic Logic Unit

• LSU: Load–store Unit

• BPU: Branch Prediction Unit

Fig. 1.50 Aufteilung der Bereiche an einem AMD Zen Core

Fig. 1.51 Aufteilung der Bereiche an einem AMD Zen Core mit Beschriftung, Quelle Wikichip

Zen CCX

• vier Zen Cores

• 8 MB L3-Cache

• 1 400 000 000 Transistoren

Fig. 1.52 Aufteilung der Bereiche an einem AMD Zen CCX

Fig. 1.53 Aufteilung der Bereiche an einem AMD Zen CCX mit Beschriftung, Quelle Wikichip

Zen Zeppelin

• Zwei Zen CCX

• 12 Metallschichten

• 2 km Signalwege

• 4 800 000 000 Transistoren

• 22 mm x 9.5 mm Abmessung

Fig. 1.54 Aufteilung der Bereiche an einem AMD Zen Zeppelin

Fig. 1.55 Aufteilung der Bereiche an einem AMD Zen Zeppelin mit Beschriftung, Quelle Wikichip

Zen EPYC

Fig. 1.56 Struktur eines EPYC Processors, Quelle Wikichip