Hardwarearchitekturen

HardwareArchitekturen bezeichnet die Gesamtheit der Strukturen und Prinzipien, nach denen Computerhardware organisiert und betrieben wird. Sie umfasst die Abbildung von Befehlen auf Hardware, die Anordnung von Rechenwerken, Speicherhierarchien, Datenpfaden und Steuereinheiten sowie die Schnittstellen zu Peripherie. In der Informatik unterscheidet man typischerweise zwischen der architektonischen Sicht (ISA) und der mikroarchitektonischen Umsetzung, die konkrete Schaltlogik, Pipelines und Speichermanagement umfasst.

Zu den grundlegenden Architekturtypen gehören die Von-Neumann-Architektur, bei der Programm- und Datenspeicher denselben Bus nutzen, sowie Harvard-Architekturen, die getrennte Speichersysteme für Instruktionen und Daten verwenden. Moderne Systeme kombinieren oft Merkmale beider Ansätze. Der Befehlssatz unterscheidet CISC von RISC; in der Praxis arbeiten Hersteller mit hybriden Ansätzen. Gängige Beispiele sind x86- bzw. x86-64-Architekturen, ARM-Architekturen und der offene Standard RISC-V, jeweils mit eigener Mikroarchitektur wie Pipelines, Out-of-Order-Verarbeitung oder Speculative Execution.

Typische Bausteine sind Rechenwerk (ALU), Steuerwerk, Registerdateien, Cache-Hierarchie und Speichercontroller. Die Leistungsfähigkeit ergibt sich neben der Taktfrequenz aus Parallelität: Superskalare Ausführung, Mehrkernprozessoren, GPU-Architekturen für hohe Datenparallelität sowie heterogene SoCs, die CPU, GPU und spezialisierte Beschleuniger in einem Chip integrieren. Die Speicherhierarchie (L1/L2/L3) sowie Energiemanagement sind zentrale Entwurfsziele.

Historisch führten Fortschritte in HardwareArchitekturen zu wesentlichen Leistungssteigerungen durch höhere Kernzahlen, fortgeschrittene Pipelines und neue Speichersysteme. Gegenwärtige Trends umfassen heterogene Architekturen, spezialisierte Beschleuniger, offene ISAs wie RISC-V und wachsende Bedeutung von Sicherheit, Speicherkohärenz und Energieeffizienz in Mehrkernsystemen.

Anwendungsbereiche reichen von Desktop- und Serverprozessoren über mobile SoCs bis hin zu eingebetteten Systemen und Hochleistungsrechnern. Die Architekturwahl beeinflusst Kompatibilität, Leistung, Energieverbrauch sowie Kosten.