Hardwarearchitectuur

Hardwarearchitectuur is het vakgebied dat de structuur, onderlinge relaties en het gedrag van de fysieke componenten van een computersysteem vastlegt. Het omvat de organisatie van CPU’s en hun microarchitectuur, geheugenhiërarchieën, invoer/uitvoer-systemen en de onderliggende interconnects, evenals de algehele layout en fabricageontwerpen. Doel is een systeemontwerp dat software efficiënt kan uitvoeren, met aandacht voor prestaties, energieverbruik, warmteafvoer, kostenefficiëntie en betrouwbaarheid.

Belangrijke bouwstenen zijn de centrale verwerkingseenheid (CPU) en haar microarchitectuur, het geheugen met caches en main memory, en de I/O-subsystemen met opslag en netwerken. Interconnects zoals bussen en switch fabrics maken de componenten met elkaar verbind. Moderne systemen gebruiken gespecialiseerde accelerators (GPU’s, AI-cores) en System-on-Chip (SoC) integraties die meerdere functies op een chip combineren.

Hardwarearchitectuur kent meerdere abstractieniveaus. Op hoog niveau bepaalt de hardwarearchitectuur wat er beschikbaar is; software werkt met de ISA (instruction set architecture) als interface. De microarchitectuur beschrijft hoe de ISA wordt uitgevoerd in schakelingen, beïnvloedt prestaties en energiegebruik, en bepaalt de uitbreidbaarheid en betrouwbaarheid van het ontwerp.

Ontwerpen draaien om afwegingen zoals snelheid, verwerkingsvermogen, energieverbruik en warmteontwikkeling, chipoppervlakte en kosten, betrouwbaarheid en testbaarheid. Amdahl’s wet schetst hoe veel winst parallelisme oplevert. Ontwerpen richten zich op het benutten van parallelisme, pipelining, caching en coherentie, en op toenemende heterogeniteit met accelerators en NoC-interconnects.

Trends in hardwarearchitectuur zijn onder meer meerkernige systemen, systeem-on-chip integratie en open hardware-initiatieven zoals RISC-V. Architectuurkeuzes worden beïnvloed door toepassingseisen, stroomlimieten en productie-economies, en bepalen hoe een systeem de juiste balans vindt tussen prestaties, energie en kosten.