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Was in deiner CPU wirklich passiert | Vom Transistor zur KI #1

Hood Informatik26:40 51.528 Aufrufe veröffentlicht Auf YouTube

Das Wichtigste aus dem Video

Tipp auf eine Zeit – das Video springt genau dorthin.

Transkriptautomatisch erstellt · 196 Zeilen
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  1. Die meisten von uns benutzen Computer jeden Tag. Wir schreiben Code, öffnen Programme, trainieren Modelle. Aber nur selten stellen wir uns eine grundlegende
  2. Frage. Was passiert eigentlich ganz unten? Die meisten Menschen kennen irgendwelche Definitionen, die sie irgendwo mal gehört haben, wie alles ist
  3. nur 0 und 1 und der PC rechnet im Binärsystem. Aber was steckt eigentlich dahinter? Was ist ein Bit? Wie entsteht aus Strom ein Signal? Wie wird aus
  4. milliardenwinziger Schalter eine CPU? Und wie kann daraus am Ende Software entstehen? In dieser Serie bauen wir den Computer von Grund auf. Wir fangen ganz
  5. unten an bei Elektronen, Strom und Spannung und arbeiten uns Schritt für Schritt nach oben zu Transistoren, zu Logik, zu Speicher und Prozessoren. Das
  6. Ziel ist nicht jedes einzelne Bauteil im Detail auszudiskutieren, sondern ein sauberes Gesamtbild zu bekommen. Eine mentale Landkarte, die alles verbindet,
  7. vom physikalischen Signal bis zur Software, die später darauf läuft. Wenn man diese Kette einmal verstanden hat, wirkt ein Computer nicht mehr wie Magie,
  8. sondern wie eine logische Abfolge von Schritten. Und genau damit fangen wir jetzt an. Also, was ist Strom? Strom ist die gerichtete Bewegung von Elektronen
  9. in einem geschlossenen Kreis bzw. ich sage immer geschlossenen Weg. In Metallkabeln gibt es diese beweglichen Teilchen, die ich hier mit einem
  10. Minuszeichen markiert habe. Einen Moment. Zack. hier mit einem Minuszeichen markiert habe, die sich zwar bewegen, aber in der Regel
  11. durcheinander. Also nicht diesen roten Pfeil könnt ihr erstmal ignorieren. Vielleicht bewegen sich einige hierhin, einige dahin, einige bewegen sich
  12. hierhin und so weiter, aber sie haben halt keine klare Richtung. Es gibt keinen Druck in eine bestimmte Richtung, also auch keinen Strom, den wir nutzen
  13. können. Erst wenn wir ein Ungleichgewicht erzeugen, ändert sich das. Erst wenn sich auf einer Seite mehr Elektronen befinden als auf der anderen
  14. Seite, entsteht eine Kraft auf diese Elektronen. Dieses Ungleichgewicht nennen wir Spannung. Okay? Spannung ist also die Kraft, die Elektronen dazu
  15. bringt, sich in eine Richtung zu bewegen. Wenn sich diese Elektronen dann tatsächlich durch einen Leiter in eine Richtung bewegen, nennen wir das
  16. elektrischen Strom. Man kann sich das bildlich vorstellen. Wenn positive und negative Ladungen ausgeglichen sind, gibt es keinen Grund für Elektronen sich
  17. zu bewegen. Alles ist im Gleichgewicht. Wenn wir ein kleines Ungleichgewicht erzeugen, entsteht eine kleine Kraft. Einige Elektronen werden leicht zur
  18. positiven Seite gezogen. Das ist eine niedrige Spannung. Wenn das Ungleichgewicht größer wird, wird auch die Kraft stärker. Dann sprechen wir von
  19. hoher Spannung. Spannung beschreibt also, wie stark Elektronen gedrückt oder gezogen werden. Aber um dieses Ungleichgewicht zu erzeugen, müssen wir
  20. Energie aufwenden. Normalerweise sind Ladungen nämlich ausgeglich. Wenn wir sie trennen wollen, kostet das Energie. Man kann sich das wie eine
  21. zusammengedrückte Feder vorstellen. Das Zusammendrücken kostet Kraft, aber die Feder speichert diese Energie. Lässt man sie los, bewegt sie sich zurück.
  22. Spannung ist im Grunde wie eine gespannte Feder, aber für Elektronen. Wir haben Energie hineingesteckt, Ladungen zu trennen und damit eine Kraft
  23. erzeugt, die alles wieder ausgleichen möchte. Machen wir mal ein kurzes Beispiel. Stellen wir uns mal vor, wir haben hier in so einem, ich mache jetzt
  24. einfach mal so ein kleinen Kasten rein. Okay, wir haben jetzt in diesen Kasten ein paar positive und ein paar negative geladene Teilchen. Okay, aber ihr seht,
  25. es ist sehr, sehr ausgeglichen. Wir haben nicht irgendwie mehr positive oder mehr negative Teilchen. Jetzt sorgen wir aber mal dafür, dass wir diese Ladungen
  26. trennen. Okay, wir trennen diese Ladung jetzt. Dafür müssen wir natürlich auch erstmal Energie aufwenden, aber wir trennen diese Ladung jetzt und haben
  27. jetzt hier auf der einen Seite positive Teilchen, okay? Und auf der anderen Seite negative Teilchen. Wir haben also auf der linken Seite, also ein Moment,
  28. also hier ein Elektronenmangel und hier ein Elektronenüberfluss. Wenn es jetzt einen Weg gäbe zwischen denen sagen wir mal, wir hätten jetzt
  29. hier einen Leiter zwischen denen, dann würden diese Elektronen versuchen diesen Unterschied an Elektronenmangel und
  30. Elektronüberfluss auszugleichen. Diese Elektronen würden also durch diesen Leiter hier rüber wandern. Okay? Das heißt, hier werde der würde dann sagen
  31. mal hier kommen und so weiter. So, aber in dem Moment haben wir durch diesen Leiter hier einen Strom, weil sich alle Elektronen in eine gerichtete Richtung
  32. sozusagen bewegen, ne? Also, sie bewegen sich gerichtet. Alle bewegen sich durch diesen Leiter rüber. Bei einer Batterie passiert im Grunde nichts anderes, ne?
  33. Ähm, die Batterie sorgt dann nur dafür, dass quasi dauerhaft Elektronen wieder von der einen Seite auf die anderen Seite wandern. Also durch eine chemische
  34. Reaktion, aber darauf gehen wir nicht mehr ein. Aber genau das ist der Grund, warum quasi Elektronen die ganze Zeit hier in dem Kreis quasi durchwandern.
  35. Okay, es gibt auch eine coole Seite, da könnt ihr das selber mal aufmalen. Ich kann jetzt hier z.B. so ein Draht nehmen und den einfach mal langziehen. Ich
  36. zieh, nimm noch ein Draht, bau den mal hier unten ein. Nehmen mal noch ein Draht. So, jetzt nehmen wir hier mal eine Batterie.
  37. Machen wir am besten hier noch irgendwo eine Glühbirne mit dran. So. und ziehen noch ein Draht jetzt hier weiter zur Batterie. Jetzt seht ihr, dass die
  38. Glühbirne leuchtet. So, wenn ich die Verbindung aber an einer Stelle kappe, leuchtet sie nicht mehr, weil wir keinen geschlossenen Weg haben. Also, offener
  39. Schalter bedeutet Lampe leuchtet nicht. Geschlossener Schalter bedeutet, Lampe leuchtet. Ihr könnt euch das mit dem Schalter auch hier reinmalen, ne? Ich
  40. kann jetzt hier z.B. Schalter reinbauen und den dann schließen, öffnen. Schließen, öffnen. Ihr könnt damit ein bisschen rumexerimentieren. Wir wissen
  41. also jetzt, was Strom ist, aber wenn wir den Stromfluss kontrollieren wollen, brauchen wir eine Möglichkeit, ihn ein und auszuschalten. Im Grunde haben wir
  42. hier bei 1.3 schon erfahren, wie wir das machen können und zwar mit Schaltern. Ist der Schalter offen, fließt kein Strom. Ist der Schalter geschlossen,
  43. können sich Elektronen bewegen. Damit haben wir zwei klare Zustände. Strom fließt oder Strom fließt nicht. Und genau diese zwei Zustände werden später
  44. zur Grundlage für alles, was ein Computer tut. Wenn wir jetzt nämlich viele solcher Schalter miteinander kombinieren, können wir Strom nämlich
  45. nicht mehr nur an und ausschalten, sondern wir können rechnen, wir können vergleichen und Entscheidungen treffen. Und genau hier beginnt das, was wir
  46. Logik nennen. Aber was genau meine ich damit? Stell dir vor, eine Lampe soll nur angehen, wenn zwei Bedingungen erfüllt sind. Z.B. Schalter A ist an und
  47. Schalter B ist an. Schauen wir uns das mal an, wie wir das hier machen würden. So, wir haben jetzt einen Schalter hier und wir haben einen Schalter da. Okay,
  48. jetzt verbinden wir die beiden mit Draht und wir verbinden hier hinten das an die Lampe noch mal mit Draht und wahrscheinlich können wir die einfach so
  49. aneinander ziehen. Genau. So, was macht das Ding jetzt? Wir haben jetzt hier schon eine sehr sehr simple Logik. Wenn ich den Schalter anmache, funktioniert
  50. es trotzdem nicht. Es müssen beide Schalter an sein. Okay, das ist schon mal eine erste kleine Logik, die wir hier bauen. Und zwar nur, wenn beide
  51. Schalter an sind, soll die Lampe leuchten bzw. Strom fließen. Und genauso funktioniert ein Computer im Kern, nur dass ihre Schalter nicht groß und
  52. mechanisch sind, sondern winzig klein und elektronisch. Man nennt sie Transistoren. Der Transistor ist der wichtigste Baustein moderner Computer.
  53. Mit einem kleinen elektrischen Signal kann er ein größeres Signal an oder ausschalten. Oder noch einfacher gesagt, ein kleiner Strom kann entscheiden, ob
  54. ein größerer Strom fließen kann. Ich zeige euch jetzt ein kleines Beispiel, um es einfach nur vom Konzept her zu verstehen. Das ist aber nicht die Art
  55. von Transistor, die üblicherweise genutzt wird, aber ich glaube, es ist gut fürs Verständnis. Hier seht ihr, dass der große Strom fließt, wenn hier
  56. bei der Basis ein gewisser Strom reinkommt. Ihr seht, weil hier Strom reinkommt, wird quasi diese Flagge getriggert und diese Flagge durch die
  57. Drehung sorgt dafür, dass auch diese Flagge sich anhebt. Das heißt, ein kleiner Strom sorgt dafür, dass ein großer Strom fließen kann. Das ist im
  58. Grunde alles, was ihr dafür wissen müsst. Also ein kleines Signal steuert, ob ein größerer Strom fließen kann. Und das Ganze passiert rein elektrisch. Und
  59. hier gibt es mehrere Zustände. Einmal leitend, das wäre in dem Fall, wenn es durchfließt und einmal sperrend, in dem Fall, wo es nicht durchfließt. Okay, das
  60. heißt, wir können dadurch digitale Zustände kontrollieren. Jetzt kommt eine spannende Frage. Wer entscheidet eigentlich, ob an diesem Steuereingang
  61. eine ein oder eine Null anliegt? Also z.B. hier. Wer entscheidet, ob da jetzt was ankommt oder nicht? Die kurze Antwort ist andere Transistoren. In
  62. einem Computer sitzt kein Mensch, der jeden einzelnen Transistor steuert. Stattdessen sind Milliarden von Transistoren miteinander verbunden. Der
  63. Ausgang eines Transistors wird zum Eingang eines anderen. So entsteht ein riesiges Netzwerk aus Schaltern, die sich gegenseitig beeinflussen. Man kann
  64. sich das wie eine gigantische Kette vorstellen. Ein Schalter beeinflusst den nächsten, dieser wieder den nächsten. Und aus vielen kleinen An und
  65. Ausentscheidungen entstehen so komplexe Abläufe. Jede Berechnung, jedes Programm und jede Bewegung auf deinem Bildschirm entsteht letztlich dadurch, dass
  66. Transistoren sich gegenseitig ein und ausschalten. Doch ein einzelner Transistor allein reicht noch nicht, um einen Computer zu bauen. In der echten
  67. Welt sind Spannungen nämlich nie perfekt. Es gibt immer kleine Schwankungen, Rauschen und Störungen. Wenn wir einfach nur sagen, hier liegt
  68. etwa Spannung an, dann könnte ein Signal irgendwo dazwischen landen, weder klar an noch klar aus. Für einen Computer wäre das fatal, denn er muss zuverlässig
  69. unterscheiden können, ob etwas eine 1 oder eine null ist. Und genau hier kommt ein wichtiges Prinzip moderner Chips ins Spiel CMOS. Ich möchte hier nicht zu
  70. tief in die Elektrotechnik einsteigen, sondern nur den zentralen Gedanken vermitteln. Spannungswerte sind in der Realität nie perfekt. Es gibt nicht
  71. exakt die eine 1 oder die eine 0, sondern immer Spannungsbereiche, die als 0 oder 1 gelten. CMOS sorgt dafür, dass ein Signal am Ende eindeutig in eine
  72. dieser Bereiche gezogen wird, also klar als null oder klar als eins interpretiert werden kann. Das ist wichtig, weil es in echten Schaltungen
  73. immer Störung, Rauschen und kleine Schwankungen gibt. Ohne diese Stabilisierung wären digitale Signale nicht zuverlässig genug für Computer.
  74. Wenn man solche Transistoren jetzt miteinander kombiniert, kann man die einfachste logische Schaltung bauen, die es gibt, den Inverter. Wir nennen das
  75. Ganze auch Notgutter. Was das genau ist, dazu kommen wir gleich. Im Grunde macht dieser Inverter nichts anderes als den Eingang zu nehmen und das Signal zu
  76. kippen. Das heißt, von aus einer Null wird eine 1 und aus einer 1 wird eine 0. Wir kippen das Signal. So sieht ein Inverter im Grunde aus. Also das, was
  77. wir hier unten sehen, ist die tatsächliche Transistorschaltung. Sie besteht aus zwei verschiedenen Typen von Transistoren. Der obere Transistor
  78. leitet nur, wenn keine Spannung anliegt und der untere Transistor leitet, wenn eine Spannung anliegt. Sagen wir mal, hier liegt jetzt eine Spannung an. Das
  79. heißt, wir haben hier eine als A. Das heißt, wie gesagt, nur der untere leitet. Wir verbinden in dem Moment also out mit Ground, weil wir hier einen
  80. geschlossenen Weg haben. Der der Weg ist also passierbar sozusagen. Sagen wir mal, wir hätten jetzt hier eine Null am Eingang, dann würde diese Null sozusagen
  81. diesen diesen Transistor hier triggern und wie gesagt, dieser Transistor leitet nur, wenn eine Null anliegt. Das bedeutet, die ein von da oben, also der
  82. Strom kann fließen, weil der Weg jetzt sozusagen geöffnet wird und sich mit out verbindet. Das heißt, wir haben genau die Logik. Wenn wir am Eingang eine 0
  83. haben, kommt am Ausgang eine 1 raus. Und wenn am Eingang eine 1 reinkommt, kommt am Ausgang eine 0 raus. Okay, was ist das hier oben? Dieses Dreieck und dieser
  84. Kreis. Im Grunde ist das einfach nur eine Abstraktion. Jedes Mal, wenn wir ein Dreieck und diesen Kreis dahinter malen, meinen wir im Grunde das hier
  85. unten. Damit wir nicht jedes Mal sagen müssen, wir brauchen drei, vier Transistoren, die so und so verschachtelt sind, malen wir einfach
  86. das hier auf. Das hier ist also jetzt der Standard für das hier. Und es gibt nicht nur den Inverter für Not, sondern es gibt auch ganz viel andere
  87. Logikgatter und zwar z.B. and, or, nor, Nant und so weiter. Keine Sorge, die sind auch alle super einfach. Im Grunde beschreiben sie auch wieder eine
  88. Verschachtelung von Transistoren. Das heißt, hier ist zwar so ein End aufgezeichnet, aber im hinter diesem End stecken z.B. sechs Transistoren, die so
  89. und so verschachtelt sind. Die Transistoren sind jetzt so verschachtelt, dass wir hierdurch Logik bauen können und zwar hier z.B. eine
  90. Endverschachtelung. Das heißt nur wenn beide Eingänge eine ein sind, kommt am Ende eine ein bei raus. Ein einfaches Beispiel war das mit den Schaltern hier.
  91. Nur wenn beide Schalter an sind, fließt der Strom. Sobald einer nicht mehr fließt. Wenn ich jetzt z.B. sage 1 und 0, fließt am Ende nichts. Also es ist
  92. eine 0. Genauso wie hier 1 und 0 ist eine 0. Genauso andersrum auch eine 0 und 1, da würde kein Strom fließen. Und bei einer 0 und 0 sowieso nicht. Das
  93. heißt nur wenn beide zu sind, fließt es das. beschreibt quasi end. So, dasselbe haben wir z.B. hier für OR. Bei OR fließt der Strom nur, wenn mindestens
  94. einer eine ein ist. Das heißt, bei 0 und 1 fließt Strom, bei 1 und 0 fließt, bei 1 und 1 fließt, bei 0 und 0 nicht. So, jetzt können wir diese End und
  95. Ohrschalter auch kombinieren mit einem Not. Das Not haben wir ja schon kennengelernt. Wenn ich jetzt ein End nehme und dahinter ein Not einfüge, ihr
  96. seht das hier auch schon an den Symbolen, ne? Wir haben jetzt hier das End Symbol und wir haben den Kreis vom Not. So, dann nehmen wir alles, was hier
  97. beim End rauskam und flippen das Signal. Wir haben ja gesagt, ein not kippt das Signal. Also hier war z.B. eine Null, dann kommt hier eine ein bei rum. Hier
  98. war auch eine Null, dann kommt hier eine ein bei rum. Hier war eine Null, da kommt eine ein bei rum und hier war eine 1, also wird daraus eine Null. Dasselbe
  99. natürlich bei Nor. Das bedeutet, ein Nentgatter sagt auf einmal, wenn beide eine ein sind, nur dann. Wenn beide Signale eine ein sind, dann möchte ich
  100. eine Null ausgeben. Noch mal wichtig, diese Gatha sind keine Bauteile, die in eurem Rechner stecken. Die Bauteile, die in eurem Rechner stecken, sind die
  101. Transistoren. Durch diese Gatter beschreiben wir aber die Verschachtelung von den Transistoren. Genauso wie wir es hier unten gemacht haben, beschreibt ja
  102. dieses Dreieck diese Verschachtelung an Transistoren. Diese Transistoren sind tatsächlich dann eingebaut in eurem Rechner. Sehr sehr wichtig und
  103. eigentlich auch super interessant zu wissen, aus einem Nentgatter bzw. aus mehreren Nentgattern, also aus diesem hier, lassen sich alle anderen Logiken
  104. erstellen, alle anderen. Ein Transistor kennt nur zwei Zustände. Deshalb arbeitet ein Computer mit einem Zahlensystem, das ebenfalls nur zwei
  105. Zustände kennt, bzw. es macht einfach logisch Sinn und zwar 0 oder 1. Also einfach nur eine reine 0 oder 1 nennen wir ein Bit. Ein Bit kann also eine 0
  106. oder eine ein sein. Aber wie wandeln wir binär z.B. in unser Zahlensystem um in Dezimal. Und wie wandeln wir dezimal wieder in Binär um? Das Ganze schauen
  107. wir uns jetzt relativ kurz und knackig an. Ich mache mal hier unten ein bisschen Platz. Huch, Moment, wir sind ein bisschen zu weit runter. Machen wir
  108. mal hier einfach so. Unser aktuelles Zahlensystem sieht wie folgt aus. Sagen wir mal, wir haben die Zahl 14. Okay, was bedeutet die Zahl 14 eigentlich in
  109. unserem aktuellen Zahlensystem? Wir haben das Zahlensystem mit der Basis 10, deswegen nennen wir das Dezimal. Okay. 14 bedeutet nichts anderes als das hier
  110. steht ja an der ersten Position und das hier an der zweiten. Das ist 10. Ich mache mal hier kurz etwas, ich mal kurz was auf. 10 hoch 0 und 10 hoch 1. So, im
  111. Grunde bedeutet das nichts anderes als wir wollen einmal 10 hoch 1 + 4 x 10 hoch 0. Das ist das, was unser jetziges Zahlensystem aussagt. Okay, also einmal
  112. 10 hoch, ich mach's noch noch mal runter. 10 hoch 1 ist nämlich 10 und 10 hoch 0. Also hätten wir 4 x 1. So, wenn wir das jetzt addieren, kommen wir
  113. natürlich auf die 14. Das ist das im Grunde, was wir was unser jetziges Zahlensystem aussagt. Das heißt, wir haben die einzelnen Stellen im System
  114. sind immer Zeh mit einer Zehner Basis. Das heißt, wir fangen an mit 10 hoch 0, 10 hoch 1, 10 hoch 2, 10 hoch 3 und so weiter. Okay, wenn ich
  115. jetzt irgendeine Zahl darstellen möchte, egal welches ist, z.B. 115 115, dann habe ich im Grunde das hier 10 hoch 2 ist ja nichts anderes als 100.
  116. Das ist 10, das ist 1 und das ist 1000. Okay, so. 115 bedeutet also, ich nehme einmal einen von den Hundtern, ich nehme einmal einen von den Zehnern und ich
  117. nehme fünf mal ein von den fünf mal von den einer. Wie stellen wir jetzt aber die Zahl 14 z.B. im Binärsystem da? Im Grunde ist das super einfach. Wir haben
  118. davor mit einer Zehner Basis gearbeitet. Jetzt machen wir das mit einer zweier Basis. Das heißt, wir sagen 2 hoch 0, 2 hoch 1, 2 hoch 2, 2 hoch 3 und so
  119. weiter. Okay? 2 hoch 0 ergibt 1, 2 hoch 2 hoch 1 ergibt 2, 2 hoch 2 ergibt 4 und 2 hoch 3 ergibt 8 und dann machen wir noch mal 2 hoch 4 ergibt 16. Okay, so im
  120. Grunde genau dasselbe, was wir den mit den Zehner Reihen davor gemacht haben, aber jetzt mit zweier Reihen, weil wir nur zwei Zustände haben wollen. Okay,
  121. unsere Basis ist also 0 oder 1. Ähm, deswegen schreiben wir hier zwei hin. So, ausgerechnet ist das 1 2 4 8 und 16. Jetzt sagen wir mal, wir wollen die Zahl
  122. 14 darstellen. Gucken wir mal uns mal an, wie oft passt, wie oft brauchen wir also die 16? Nullm. Wie oft brauchen wir die 8? Einmal. Wir nehmen also den
  123. nächst größeren, der reinpasst. Okay, wir haben also die acht schon abgefrühstückt. Das heißt, wir haben noch sechs über. Okay, weil 14 - 8 sind
  124. 6. Das heißt, wir nehmen einen Vierer noch mit rein, ein Zweier noch mit rein und dann hier einen null. So, das heißt, wir gehen immer von hier los und suchen
  125. den höchsten Wert, der reinpasst, dann den nächst höchsten, der reinpasst, dann den nächsthöchsten, bis wir die Zahl dargestellt haben. Das heißt, wir haben
  126. jetzt hier 8 + 4 ergibt 12, 12 + 2 ergibt 14. Das heißt, unsere Binärzahl ist 0 1 100 1 10 100. Eine Zahl davon nennen wir Bit und das ist unsere
  127. gesamte Zahl 14 in binär umgewandelt. Okay. So im Grunde und wenn wir jetzt, sagen wir mal irgendeine Binärzahl haben, z.B. sagen wir mal, wir haben die
  128. Zahl 1 1 1 1 1 wie wandel ich das jetzt wieder in eine normale Zahl um? Im Grunde kann ich mir merken, wir fangen ganz rechts immer an. Ganz rechts steht
  129. eine 2 hoch 0 drüber, dann eine 2 hoch 1, dann eine 2 hoch 2, dann eine 2 hoch 3. Okay, jetzt sagen wir also wir haben 1 x 2 hoch 3
  130. + 1 x 2 hoch 2 + 1 x 2 hoch 1 + 1 x 2 hoch 0 2 hoch 0 huch, da habe ich das einmal vergessen, aber ist egal, weil einmal 2 hoch 1 ist,
  131. das passt schon so. Ähm, also 2 hoch 3 8. Das heißt, wir können sagen 8 1* 8 + 1* 4 + 1* 2 + 1* 1. Also haben wir 8. Gehen wir weiter runter, haben wir 8 + 4
  132. + 2 + 1. Das heißt, wir haben 15. Diese Zahl stellt also 15 da. Ihr seht jetzt auch schon, dass die höchste Zahl, die wir mit vier Bits darstellen können,
  133. 15 ist. Es ist ja schon alles auf einer ein. Wenn ich also eine höhere Zahl darstellen möchte, brauche ich mehr Bits. Das reicht aber jetzt erstmal fürs
  134. Verständnis. Ich will da jetzt nicht zu tief reingehen. Wichtig ist jetzt aber, dass wir durch diese Binärzahlen alles darstellen können. Zahlen werden im
  135. Binärsystem gespeichert, z.B. wird aus einer 5, 101, aus einer 8, 100 und so weiter. Auch negative Zahlen und Kommazahlen haben spezielle
  136. Binärdarstellung. Im Kern gilt aber Zahlen sind gleich Bits. Wir können auch Text als Zahlen speichern. Dabei geben wir jedem Buchstaben eine Zahl und die
  137. Umrechnung passiert dann je nach Standard, ne? Das heißt, wenn wir z.B. nach ASKI codieren, können wir z.B. sagen, ein A ist die Zahl 65, B ist die
  138. Zahl 66 und so weiter. Wichtig ist, dass ein kleines A seine eigene Zahl bekommt. Natürlich gibt es immens viele Standards. Z.B. gibt es im Chinesischen
  139. ja auch Schriftzeichen und so weiter. Also je nach Standard gibt's eine unterschiedliche Umwandlung. Aber auch diese Zahlen werden am Ende in binär
  140. umgewandelt. Z.B. wird die 65 zu dem hier, die 66 zu dem hier, die 67 zu dem hier und so weiter. Text ist also auch nur Zahlen und die sind wiederum nur
  141. Bits. Auch Bilder bestehen aus Pixeln und jedes Pixel hat Farbe und Helligkeit. Diese Werte werden auch als Zahlen gespeichert und Audio ist z.B.
  142. eine Wellenform. Diese Welle wird gemessen und auch als Zahl gespeichert. Musik ist also Zahlen bzw. Bits. Der Computer unterscheidet selbst nicht
  143. zwischen Bild, Text, Audio oder sonst was. Für ihn ist alles nur eine Folge von Bits im Speicher.
  144. Ich kann z.B. eine Bilddatei, die nur aus Nullen und Einsen besteht, auch mit Microsoft Word öffnen. Nur sieht das dann komplett bullshitmäßig aus, weil
  145. Microsoft Word diese Zahlen nämlich anders interpretiert als mein Bildprogramm. Aber genug vom Binärsystem. Wir wissen also jetzt, was
  146. Strom ist und dass wir ihn mit Transistoren gezielt steuern können. Ein Transistor entscheidet, ob ein Stromfahrt offen ist oder nicht. Wenn
  147. wir mehrere dieser Transistoren miteinander verschachteln, entsteht daraus logische Entscheidung. Signale werden geleitet, blockiert oder
  148. kombiniert. Aus solchen Verschachtelungen entstehen Logikgatter und aus vielen Logikgattern lassen sich komplexe Schaltungen bauen. Ein
  149. klassisches Beispiel dafür ist der logische Adierer, also eine Schaltung, die zwei Binärzahlen zusammenrechnen kann. Wir werden jetzt nicht im Detail
  150. auf diesen logischen Adierer eingehen. Ich meine, ihr erkennt schon, dass es hier aus Nentgattern besteht. Das heißt, wir haben eine einen Adierer, der nur
  151. aus diesen Nentgattern besteht und so verschachtelt ist, dass er binär rechnen kann. Ein Computer soll aber nicht nur addieren, er soll vergleichen,
  152. Entscheidungen treffen und Programme ausführen. Dafür brauchen wir mehr als nur einen einzelnen Adierer. Hier kommt die nächste wichtige Einheit ins Spiel,
  153. die Alu. Die arithmetisch logische Einheit. Sie ist die Recheneinheit eines Prozessors. In ihr sitzen viele Logikgatter und Adira. Also, wir stellen
  154. eine Alu zwar so da, aber hinter einer Alu sind immens viele Adira und Logikgatter. Das heißt ganz viele davon und ganz viele davon. So, das bedeutet
  155. aber im Grunde einfach nur, dass dahinter immens viele Transistoren stecken, die miteinander verschachtelt sind. Diese Alu bekommt Zahlen rein,
  156. führt Operation aus und liefert ein Ergebnis zurück. Z.B. addiere diese beiden Zahlen, die hier reinkommen, vergleiche sie oder prüfe sie, ob sie
  157. gleich sind. Die Zahlen, mit denen gerechnet wird, liegen in kleinen extrem schnellen Speichern innerhalb der CPU. Diese nennt man Register. Ein Register
  158. ist im Grunde nur ein winziger Speicherplatz für eine Zahl. Die Alu holt sich die Werte aus Registern, rechnet und schreibt das Ergebnis wieder
  159. zurück in ein Register. Register sind also der unmittelbare Arbeitsplatz der CPU, aber Register sind sehr klein, ein komplettes Programm oder große
  160. Datenmengen passen dort nicht hinein. Deshalb gibt es eine Zwischenschicht, den Cash. Der Cash ist ebenfalls sehr schnell und sitzt sehr nahe an der CPU.
  161. Er speichert Daten, die wahrscheinlich gleich wieder gebraucht werden. Statt jedes Mal auf den langsameren Hauptspeicher zuzugreifen, schaut die
  162. CPU zuerst im Cash nach. Das spart Zeit und erhöht die Effizienz. Wenn Daten nicht im Cash liegen, greift die CPU oft auf den Arbeitsspeicher zu, den
  163. sogenannten RAM. Im RAM werden Programme und Daten als elektrische Zustände gespeichert. Milliarden winziger Speicherzellen halten fest, welche Bits
  164. gerade ein oder null sind. Der RAM ist deutlich größer als der Cash oder Register, aber auch langsamer. Und hier kommen wir zum interessanten Part. Um
  165. ein Bit zu speichern, braucht man eine Schaltung, die einen dieser Zustände festhalten kann und dafür nutzen wir Transistoren. Ein Bit im RAM ist
  166. letztlich ein elektrischer Zustand, z.B. geladen oder nicht geladen. Die meisten modernen Speicher sind der, also Dynamic Random Access Memory. Eine Deramzelle
  167. besteht aus einem Transistor und einem Kondensator. Der Kondensator speichert eine kleine elektrische Ladung. Diese Ladung repräsentiert das Bit. Problem,
  168. die Ladung bleibt nicht für immer, sie läuft langsam aus. Deshalb muss der Speicher ständig aufgefrischt werden. Das ist aber auch der Grund, warum der
  169. Rahmen flüchtig ist. Wenn ihr euren PC ausschaltet, dann kann diese elektrische Ladung nicht mehr gehalten werden und dementsprechend geht die Information
  170. über 0 oder ein verloren. Damit alle Schaltungen im Prozessor aber zusammenarbeiten können, brauchen Sie einen gemeinsamen Rhythmus. Dieser
  171. Rhythmus heißt Takt oder Klock. Bei jedem Tick passieren bestimmte Dinge, wie z.B. Werte lesen, berechnen, speichern und dann der nächste Schritt.
  172. Die Geschwindigkeit von diesem Rhythmus nennt man Taktfrequenz. Sie wird in Herz gemessen. Das ist das, was ihr meistens auch immer bei diesen ganzen CPU-Werten
  173. seht, ne? Z.B. 3 GaHerz. Das bedeutet nichts anderes als 3 Milliarden Ticks pro Sekunde. Das heißt 3 Milliarden mal pro Sekunde werden Werte gelesen,
  174. berechnet, gespeichert und so weiter. Also bei jedem Takt wird elektrische Ladung geladen und entladen. Und das ganze kostet Energie. Das heißt, der
  175. Prozessor wird warm und deswegen brauchen wir die berühmt berüchtigte Kühlung. Eine CPU besteht ja aus Milliarden solcher Transistoren und
  176. jeder dieser Transistoren schaltet ständig zwischen zwei Zuständen, leitend oder nicht leitend. Wärme entsteht also vor allem beim Umschalten, nicht wenn
  177. ein Transistor einfach stabil auf null oder ein steht. Deshalb steigt der Energieverbrauch mit höherem Takt, mehr Transistoren und mehr Aktivität. Das ist
  178. auch der Grund, warum moderne CPUs nicht einfach beliebig schneller getaktet werden können. Irgendwann wird die entstehende Wärme zum limitierenden
  179. Faktor. Okay, kommen wir zum nächsten Punkt und zwar zum Steuerwerk. Der Control Unit. Die CPU muss wissen, wann sie rechnen soll und was sie rechnen
  180. soll. Das Steuerwerk liest dabei die Befehle, entscheidet, was passiert, sagt der Alu, welche Operation sie ausführen soll und bewegt die Daten zwischen den
  181. Registern. Die CPU besteht im Grunde also aus Alu, also dieser Recheneinheit, dem Steuerwerk, also der Steuerung von welches Befehl soll als nächstes kommen
  182. und so weiter und den Registern, wo die ganzen Daten abgespeichert werden. Die CPU arbeitet typischerweise nach dem Fetch decode Execute Zyklus. Das heißt,
  183. Fetch, Befehl aus dem Speicher holen, dann decode, verstehen, was der Befehl bedeutet und dann Execute, also Alu oder Register, arbeiten lassen. Der Zyklus
  184. wiederholt sich milliardenfach pro Sekunde. Wenn die CPU Daten aus dem RAM braucht, muss sie diese über Verbindungsleitungen anfordern und
  185. empfangen. Dafür gibt es sogenannte Busse. Busse sind Bündel von elektrischen Leitungen, über die Information zwischen CPU und Speicher
  186. ausgetauscht werden. Über diese Leitungen werden gleichzeitig Adressen, Daten und Steuersignale übertragen. Also, welche Speicherstelle gemeint ist,
  187. welche Bits dort liegen und ob gerade gelesen oder geschrieben werden soll. So können CPU und RAM ständig miteinander kommunizieren und Daten hin und her
  188. bewegen. Wenn ich sagen könnte, dass ihr eine Sache aus diesem Video mitnehmen sollt, dann ist es diese alles basiert am Ende auf Transistoren. Das heißt,
  189. egal wie komplex etwas ist, am Ende sind es nur Transistoren. Die CPU selbst kann nur sehr einfache Dinge. Sie kann z.B. Zahlen addieren, Werte vergleichen und
  190. zu einer anderen Stelle im Programm springen. Mehr nicht. Alles was wir als komplexe Software wahrnehmen, basiert am Ende auf diesen wenigen simplen
  191. Operationen. Wenn wir jetzt einen Schritt zurücktreten, sehen wir was wir aufgebaut haben. Transistoren bilden Logik. Logik bildet Rechenschaltung.
  192. Rechenschaltung bilden die Alu, Register Cash und RAM speichern Daten. Das Steuerwerk koordiniert alles im Takt und Busse verbinden die einzelnen
  193. Komponenten. Wir haben also eine Maschine, die rechnen kann, aber sie weiß noch nicht, was sie rechnen soll. Sie führt nur Befehle aus und genau hier
  194. beginnt der nächste große Schritt. Im zweiten Teil geht es darum, wo diese Befehle herkommen, wie aus einer Folge von Bitz ein Programm wird und wie
  195. Software diese Hardware überhaupt nutzbar macht. Lasst ein Like da und schreibt mir gerne eure Wünsche und Anmerkungen in die Kommentare. Ich
  196. möchte wissen, was schon gut lief, was nicht so gut lief und ob euch solche Videos helfen. Und ansonsten stay safe und bis zum nächsten

Zum Nachlesen

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