Rechneraufbau im Prinzip Was ist eine Rechnerarchitektur?

Jeder Rechnertyp ist hinsichtlich Hardware, essentiellen Softwarebestandteilen und deren Zusammenwirken anders aufgebaut. Hier spricht man von Rechnerarchitektur. Diese Architekturen können sich erheblich unterscheiden.

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Die Rechnerarchitektur, auch als Systemarchitektur bezeichnet, beschreibt in abstrahierter Form den prinzipiellen Aufbau eines Computers. Dabei ist es egal, ob es sich um einen Desktop, einen Server, ein Smartphone, einen Mainframe, Spezialsysteme, etwa für KI-Analysen, oder Embedded-Rechner handelt, die in Maschinen, Anlagen oder Fahrzeuge eingebaut sind. Eine Architektur haben sie alle.

Zu unterscheiden ist die Rechnerarchitektur von der Prozessor-, Speicher- oder Netzwerkarchitektur, bei der es lediglich um den Aufbau der spezifischen Komponente geht. Nach oben grenzt man Rechnerarchitekturen von ganzen Umgebungsarchitekturen, beispielsweise von geclusterten Systemen oder einer Cloud, ab. Sie umfassen mehrere Rechner und weitere Komponenten, die selbst Systeme sind.

Die erste Rechnerarchitektur beschreibt einen IBM-Mainframe

Der Begriff Rechnerarchitektur entstand 1964, als es darum ging, das IBM-System „360 “zu beschreiben. Die Architektur enthielt am Ende jede Komponente, die ein Maschinensprachen-, also Assembler-Entwickler durch seine Software ansprechen kann.

Die Idee der Rechnerarchitektur ist praktisch; denn sie erleichtert, Komponenten oder auch Software zwischen Rechnern gleicher oder verwandter Architektur auszutauschen.

Der Klassiker: Von-Neumann-Architektur

Die derzeit bekannteste Rechnerarchitektur ist die Von-Neumann-Architektur, benannt nach dem ungarischen Computerwissenschaftler John von Neumann. Sie besteht aus Rechenwerk, Speicherwerk, Leit- beziehungsweise Steuerwerk und einem Ein- und Ausgabewerk. Von-Neumann-Architekturen liegen den meisten modernen Rechnertypen zugrunde.

Die Rechnerarchitektur beschreibt also die Konstruktion und Verbindung der Komponenten (Mikroarchitektur). Hierher gehören zum Beispiel Zahl und Art der Prozessoren, die verwendeten Speichertypen und -mengen, die intern genutzten Busse, ihre Zugriffsstrukturen und Bandbreiten. Dazu kommen die Verbindungen nach außen (physische Ports) mit Netzwerktyp und Bandbreite.

Spezialarchitekturen brauchen Spezialkomponenten

Je nach Einsatzzweck können Rechnerarchitekturen diverse Spezialkomponenten enthalten. Bei Embedded-Rechnern beispielsweise Komponenten, die echtzeitnah Daten verarbeiten und weiterleiten oder aber Reaktionsanweisungen an Aktoren im System ermitteln und dorthin weitergeben können, sowie spezielle Bus- und Betriebssysteme.

Bei Datenanalyse-Systemen werden dagegen höchst leistungsfähige Spezialprozessoren verwendet, die auf spezielle Aufgaben aus diesem Sektor zugeschnitten sind. Ein Beispiel sind die „Tensorcores“ in den KI-Beschleunigern von Nvidia.

Zu jeder Rechnerarchitektur gehört außerdem die Befehlsstruktur. Sie ermöglicht die Kommunikation zwischen Hard- und Software. Dazu gehört die mit dem System als Bestandteil grundlegender Komponenten gelieferte Software. Man bezeichnet sie als Firmware. Einige Beispiele sind das BIOS (Basic Input-Output-System) oder die Protokolle der verwendeten Bussysteme.

Rechnerarchitektur und Hardware-Architektur

Rechner mit einer sehr ähnlichen Mikroarchitektur können im Detail durchaus differieren. So haben die Rechnerserien der großen Hersteller innerhalb der Serie meistens eine grundlegend gleiche oder jedenfalls sehr ähnliche System- oder Rechnerarchitektur. Sie nutzen beispielsweise dieselbe Prozessorserie.

Die einzelnen Rechner einer Serie haben aber unterschiedlich leistungsfähige Prozessoren desselben Prozessortyps, unterschiedliche Mengen Arbeitsspeicher oder unterschiedlich viele Netzwerkschnittstellen mit verschiedener Technologie/Geschwindigkeit.

Die Beschreibung dieser Feinheiten heißt Hardware-Architektur. Auch sie zählt zur Rechnerarchitektur.

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