Computerarchitekturen

Computerarchitekturen bezeichnen den Entwurf und die Organisation von Rechensystemen auf der Hardware-Ebene. Sie umfasst die Festlegung von Befehlssatz (Instruction Set Architecture, ISA), der Mikroarchitektur, dem Speichersystem und der Peripherie. Das Ziel besteht darin, Funktionalität, Leistung, Energieeffizienz und Kosten in Einklang zu bringen, wobei Softwarekompatibilität eine zentrale Rolle spielt.

Eine typische Computerarchitektur gliedert sich in Kernkomponenten: eine zentrale Recheneinheit (CPU), Speichersysteme (Register, L1/L2/L3-Cache, Hauptspeicher) sowie Eingabe-/Ausgabe-Peripherie und Interconnects. Das Speichersystem nutzt Hierarchien, um Zugriffskosten zu minimieren. On-Chip-Verbindungen wie Busse oder Netze-on-Chip (NoC) verbinden Rechenkeräte, Speichercontroller und Peripherie. Die Architektur beeinflusst maßgeblich Gesamtsystemleistung, Energieverbrauch und Reaktionsfähigkeit.

Die ISA bestimmt die sichtbare Schnittstelle zwischen Software und Hardware, einschließlich Befehlssatz, Operandenspezifikation, Adressierung und Speichermanagement. In der Praxis unterscheiden sich oft RISC- (reduzierte Befehlsmenge) und CISC- (komplexe Befehle) Konzepte; moderne Systeme verwenden häufig hybride Mikroarchitekturen, die Merkmale beider Philosophien integrieren. Die Mikroarchitektur beschreibt, wie ein ISA implementiert wird, zum Beispiel durch Pipelines, Superskalare Ausführung, Out-of-Order-Execution, Cachepolitik und spekulative Ausführung. Parallelisierung erfolgt auf mehreren Ebenen, von Anweisungslevel-Parallelismus bis zu Mehrkernprozessoren und heterogenen Beschleunigern.

Leistung ergibt sich aus Taktfrequenz, Durchsatz und Speicherbandbreite sowie aus effizientem Cache- und Speichermanagement. Zentrale Designziele sind Leistung, Energieeffizienz, Platzbedarf und Zuverlässigkeit. Aktuelle Trends umfassen heterogene Systeme mit GPUs, speziellen Beschleunigern und Domain-Specific Architectures, fortschrittliche Speichertechnologien wie nichtflüchtiger Speicher sowie verbesserte Speicherhierarchien. Sicherheitsaspekte gewinnen an Bedeutung, da architekturabhängige Angriffe wie Spectre/Meltdown neue Gegenmaßnahmen erfordern.