Hardwarestrukturen

Hardwarestrukturen bezeichnet die Anordnung und Organisation der physikalischen Bauelemente eines Computers oder eines anderen digitalen Systems. Sie umfasst die Komponenten, die Daten verarbeiten, speichern und übertragen, wie CPU-Kerne, Speichersysteme, Steuerwerke, Busse und Peripheriegeräte. Hardwarestrukturen spiegeln die Entscheidungen wider, wie Aufgaben in Schaltkreise umgesetzt, parallele Verarbeitung genutzt und Energieverbrauch gesteuert wird.

Auf abstrakter Ebene gibt es logische Strukturen, Mikroarchitektur und physische Umsetzung. Die logische Struktur befasst sich mit Funktionen und Datenpfaden, während die Mikroarchitektur die konkrete Umsetzung in Registern, ALUs, Pipelines und Cache steuert. Die physische Struktur beschreibt Transistor-, Leiterplatten- und Packaging-Realisation.

Typische Architekturansätze sind Von-Neumann, mit gemeinsamem Speicher für Programme und Daten, und Harvard, mit getrennten Speichern und Pfaden für Instruktionen und Daten. Speicherhierarchien nutzen L1/L2/L3-Caches, Hauptspeicher und Speichergeräte, oft verbunden durch Busse oder NoC (Netzwerk-on-Chip).

Moderne Hardwarestrukturen umfassen Mikroprozessorarchitekturen, FPGAs, ASICs und SoCs. Unterscheidung nach Anwendung: general-purpose CPUs, spezialisierte Beschleuniger (GPUs, TPUs), embedded Systeme. Interconnect-Architekturen wie skalierbare NoC, On-Chip-Netze und horizontale/vertikale Busse.

Bei der Gestaltung spielen Pipelining, Parallelität, Speicherkohärenz, Energieeffizienz und Sicherheit eine Rolle. Hardwarebeschreibungssprachen (HDL) wie VHDL oder Verilog dienen der Modellierung und Verifikation. Prototyping erfolgt oft auf FPGAs; endgültige Produkte sind ASICs oder SoCs.

In Forschung und Praxis beeinflussen Hardwarestrukturen Leistung, Kosten und Zuverlässigkeit von Computersystemen. Trends umfassen heterogene Rechenplattformen, 3D-ICs, Chiplets und spezialisierte Beschleuniger zur Optimierung von Anwendungen in Bereichen wie KI, Simulation oder Mobilität.