Computer

Definition, Bedeutung und Einsatz

Ein Computer oder Rechner ist ein Gerät, das Daten mithilfe programmierbarer Rechenvorschriften verarbeitet. Moderne Computer können neben Zahlen auch Buchstaben, Bilder und Töne bearbeiten. Intern werden diese Daten jedoch in Zahlen umgewandelt und als solche verarbeitet.

Computer kommen heute in fast allen Lebensbereichen vor. Eingebettete Systeme sind spezialisierte Kleinstcomputer, die beispielsweise Waschmaschinen, Fernseher, Warenautomaten oder Funktionen in Autos steuern. Universell einsetzbare Computer stecken unter anderem in Smartphones, Spielkonsolen und Personal Computern (PCs). PCs dienen Privatpersonen, Unternehmen und Behörden zur Informationsverarbeitung. Supercomputer führen besonders aufwendige Berechnungen und Simulationen durch, etwa in der Klimaforschung oder Medizin.

Typische Anwendungen sind Bild- und Textverarbeitung, Verwaltung und Archivierung, Maschinensteuerung, wissenschaftliche Berechnungen, Medienwiedergabe, Computerspiele, Lernsoftware, Kommunikation über Chat, E-Mail und soziale Netzwerke sowie die Entwicklung neuer Software.

Grundprinzipien von Hardware und Software

Nach ihrer Arbeitsweise werden Analog-, Digital- und Hybridrechner unterschieden. Ein Digitalrechner verarbeitet digitale Daten wie Zahlen und Textzeichen. Ein Analogrechner arbeitet dagegen mit kontinuierlich verlaufenden physikalischen Größen, beispielsweise elektrischer Spannung oder Strom. Hybridrechner verbinden beide Prinzipien. Heute werden fast ausschließlich Digitalrechner eingesetzt; Analogrechner dienten früher vor allem zur Simulation von Regelvorgängen.

Ein Digitalcomputer besteht aus Hardware und Software. Hardware bezeichnet seine elektronischen, körperlich vorhandenen Teile. Dazu gehören insbesondere Speicher und Rechenwerk. Im Speicher liegen Daten in adressierbaren Bereichen, sodass der Computer sie gezielt abrufen kann. Die grundlegenden Operationen des Rechenwerks sind Berechnung, Vergleich und bedingter Sprung. So kann der Rechner beispielsweise zwei Zahlen addieren, das Ergebnis mit einer dritten Zahl vergleichen und abhängig davon an unterschiedlichen Stellen des Programms fortfahren.

Software legt fest, wie diese Grundoperationen angeordnet und wiederholt werden. Eine solche Abfolge heißt Programm. Das Programm wird selbst als Daten im Speicher abgelegt, von der Hardware gelesen und Schritt für Schritt ausgeführt. Dieses Grundprinzip hat sich seit der Mitte des 20. Jahrhunderts nicht wesentlich verändert, obwohl die Technik erheblich leistungsfähiger geworden ist.

Ob ein Gerät als universell programmierbarer Computer gilt, hängt wesentlich von seiner Turing-Vollständigkeit ab. Der Begriff geht auf die Turingmaschine zurück, ein 1936 von Alan Turing eingeführtes logisches Modell. Sie beschreibt grundlegende Überlegungen dazu, welche Aufgaben überhaupt berechenbar sind.

Aufbau und Programmausführung

Die 1946 von John von Neumann beschriebene Von-Neumann-Architektur gliedert einen Computer in fünf Hauptkomponenten: Rechenwerk, Steuerwerk, Buseinheit, Speicherwerk sowie Ein- und Ausgabewerke. Das Rechenwerk enthält im Wesentlichen die arithmetisch-logische Einheit (ALU). In heutigen Rechnern bilden ALU und Steuerwerk meistens gemeinsam die CPU, also den zentralen Prozessor.

Der Speicher besteht aus nummerierten und damit adressierbaren Zellen. Jede Zelle nimmt Information als Binärzahl auf, also als Folge von Einsen und Nullen. Das Steuerwerk verwaltet Lese- und Schreibzugriffe. Es liefert der ALU Werte aus dem Speicher. Die ALU verrechnet oder vergleicht diese Werte und gibt das Ergebnis zurück, damit es weiterverwendet oder gespeichert werden kann. Eingabe- und Ausgabeeinheiten bringen Programme und Daten in den Computer und stellen Ergebnisse für die Benutzer bereit.

Bei der Von-Neumann-Architektur teilen sich Programme und Daten denselben Speicher. In der Harvard-Architektur besitzen sie dagegen physisch getrennte Speicherbereiche. Dadurch sind parallele Zugriffe und damit Geschwindigkeitsvorteile möglich. Außerdem können Schreibvorgänge für Daten dort keine Programme überschreiben. Digitale Signalprozessoren werden deshalb häufig in Harvard-Architektur ausgeführt.

Frühe Computer mussten unmittelbar durch Zahlenfolgen für Befehle und Speicheradressen programmiert werden. Programmiersprachen vereinfachen dies, indem sie verständliche Textbefehle wie GOTO automatisch in die vom Rechner benötigten Zahlen übersetzen. Wiederkehrende Aufgaben werden in Bibliotheken gesammelt. Mehrere Ebenen solcher Programme und Bibliotheken bauen aufeinander auf; die unterste Ebene bleibt der Maschinencode, also die Zahlenfolge, welche die Hardware tatsächlich steuert.

Ein Computersystem kann unterschiedliche Dinge bezeichnen: einen Verbund mehrerer Computer mit gemeinsam verwendeten Daten und Geräten, die Gesamtheit aus Hardware, Software und Peripheriegeräten eines funktionsfähigen Rechners oder ein Programmsystem zur Steuerung und Überwachung von Computern.

Entwicklung und Computerarten

Charles Babbage entwarf 1837 die mechanische Analytical Engine; er und Ada Lovelace gelten damit als Vordenker des modernen universell programmierbaren Computers. Zu den ersten funktionsfähigen Geräten gehörten Konrad Zuses Z3 von 1941 mit 2000 Relais und seine Z4 von 1945 sowie der von John Presper Eckert und John William Mauchly gebaute ENIAC von 1946 mit Elektronenröhren. Spätere Beispiele der Entwicklung sind der DEC PDP-7 von 1965 mit hybriden integrierten Schaltkreisen, der Apple II von 1977, der IBM PC von 1981, das MacBook von 2006 sowie die Supercomputer IBM Blue Gene von 2007 und Summit von 2018.

Nach Größe und Einsatzgebiet gibt es zahlreiche Arten. Smartphones, Tablets, Laptops beziehungsweise Notebooks und Desktop-PCs sind für den persönlichen Gebrauch gedacht. Personal Digital Assistants (PDAs) waren Vorläufer der Smartphones; Heimcomputer waren Vorläufer der PCs, und Netbooks sind kleine Notebooks. Spielkonsolen und Smart-TVs sind auf bestimmte Anwendungen ausgerichtet.

Einplatinencomputer wie der Raspberry Pi sind sehr kleine und günstige Rechner, die häufig als eingebettete Systeme verwendet werden. Server oder Hostrechner stellen in einem Netzwerk Dienste bereit und besitzen meist keinen eigenen Bildschirm oder keine eigene Tastatur. Thin Clients funktionieren erst in Zusammenarbeit mit einem größeren Rechner, meistens einem Server. Mainframes oder Großrechner bewältigen umfangreiche zentrale Aufgaben. Supercomputer sind jeweils die schnellsten Rechner ihrer Zeit; laut Artikel können sie den Platz einer Turnhalle und die Energie einer Kleinstadt benötigen und sind sehr teuer. Bezeichnungen wie Minicomputer, Superminicomputer und Mikrocomputer gelten als veraltet.

Markt und Zukunftsperspektiven

Die im Artikel enthaltenen Gartner-Marktdaten zählen Verkäufe von Desktop-Computern, Notebooks und Netbooks an Endkunden, jedoch keine Tabletcomputer. Für 2017 werden weltweit 262.676.000 verkaufte Geräte angegeben. Hewlett-Packard lag mit 55.179.000 Geräten und 21,0 % knapp vor Lenovo mit 54.669.000 und 20,8 %. Danach folgten Dell mit 39.793.000 und 15,1 %, Apple mit 18.963.000 und 7,2 %, Asus mit 17.952.000 und 6,8 % sowie die Acer-Gruppe mit 17.087.000 und 6,5 %. Sonstige Hersteller erreichten zusammen 59.034.000 Geräte beziehungsweise 22,5 %. Der Artikel kennzeichnet diese Marktübersicht ausdrücklich als seit 2018 möglicherweise nicht mehr aktuell.

Als mögliche künftige Entwicklungen nennt der Artikel Biocomputer, stärkere Verbindungen zwischen biologischer und technischer Informationsverarbeitung, optische Signalverarbeitung und Quantencomputer. Weitere genannte Trends sind Autonomic, Grid, Cloud, Pervasive, ubiquitäres und Wearable Computing; viele davon hätten noch den Charakter von Schlagwörtern oder Hypes.

Ein besonderer Entwicklungsschwerpunkt war laut dem Stand von 2017 die künstliche Intelligenz. Dabei werden Vorgänge des menschlichen Gehirns nachgebildet und selbstlernende Systeme mit Daten trainiert, anstatt jeden Verarbeitungsschritt unmittelbar zu programmieren. Den angenommenen Zeitpunkt, an dem künstliche Intelligenz die menschliche Intelligenz übertrifft, nennt man technologische Singularität. Die Schätzungen zur Rechenleistung des Gehirns unterscheiden sich stark: Hans Moravec nannte 100 Teraflops, Raymond Kurzweil 10.000 Teraflops. Der Artikel stellt fest, dass Supercomputer diese Werte bereits deutlich überschritten hätten. Als Vergleich werden 10 Teraflops für eine 800 Euro teure Grafikkarte im Mai 2016 genannt; im Dezember 2020 hätten Videospielkonsolen für etwa 500 Euro eine vergleichbare Leistung erreicht.