Digitaltechnik

Grundidee der Digitaltechnik

Digitaltechnik umfasst in technischer Informatik und Elektronik digitale Schaltungen. Sie verarbeiten Signale, die zeitdiskret und wertediskret sind: Ein Signal wird also sowohl zu bestimmten Zeitpunkten abgetastet als auch auf feste Werte quantisiert. Sie ist das Gegenstück zur Analogtechnik, bei der Größen kontinuierlich, also stufenlos, verlaufen.

Grundlage ist meist das binäre Zahlensystem (Dualsystem) mit den Ziffern 0 und 1. Binärcodes nutzen zwei gegensätzliche Zustände und ermöglichen dadurch einfache Schaltungen. Beim Digitalisieren gehen kleine Nuancen eines ursprünglichen Signals verloren. Dafür lassen sich Signale leichter verarbeiten und übertragen; geringe Störungen führen nicht unbedingt dazu, dass ein Wert oder Zeitpunkt das vorgegebene Raster verlässt. Dadurch können Übertragungsfehler vollständig eliminiert werden.

Für die Nutzung in der realen Welt ist oft eine Rückumwandlung nötig, zum Beispiel: Mikrofon mit Analog-Digital-Umsetzer → Speicherung → Lautsprecher mit Digital-Analog-Umsetzer. Eine Rampe und eine Treppe veranschaulichen den Unterschied: Die Rampe ist kontinuierlich, die Treppe hat Stufen. Kleinere Stufen können den Unterschied immer weniger sichtbar machen.

Bits, Wörter und Datenübertragung

Ein Bit ist die kleinste digitale Informationseinheit. Elektronisch besitzt es zwei Zustände: Ein/Aus beziehungsweise High/Low, 1/0 oder Wahr/Falsch. Ein QuantenBit hat letztendlich ebenfalls zwei Messzustände; die Wahrscheinlichkeit des Messwerts wird durch den Zustand vor der Messung bestimmt. Bei DNA-Sequenzen sind für jeden Einzelzustand zwei Basenpaare möglich, während Peptide aus 20 Bausteinen bestehen.

Mehrere Bits werden durch Kaskadierung zu einem Wort zusammengefasst. Bei elektronischen Wörtern gelten unter anderem diese Bereiche:

• 4 Bit: dezimal 0–15, hexadezimal 0–F; ein Nibble oder Halbbyte.
• 8 Bit: dezimal 0–255, hexadezimal 0–FF; ein Byte, zur Codierung von ASCII-Textzeichen.
• 16 Bit: dezimal 0–65535, hexadezimal 0–FFFF; zur Codierung von Unicode-Textzeichen.
• 32, 64, 80 oder 128 Bits: Formate für Integer- oder Gleitkommazahlen.

DNA-Sequenzen können fast unbegrenzte Längen erreichen; bei QuantenBits begrenzt derzeit der technologische Aufwand die Bit-Anzahl. Ein Wortfeld kann außerdem mehrere Bitgruppen unterschiedlicher Länge und Bedeutung enthalten, etwa Opcodes von Mikroprozessoren.

Bei paralleler Übertragung werden mehrere Bits gleichzeitig über mehrere Leitungen eines Datenbusses gesendet. Bei serieller Übertragung läuft ein Bit nach dem anderen über eine Leitung; Protokolle regeln den zeitlichen Ablauf. Mischformen übertragen Teile eines Wortes über mehrere Leitungen parallel; die Übertragungsdauer dividiert sich um die Anzahl der Leitungen.

Wichtige Bauteile

Zu den verwendeten Teilen gehören Analog-Digital- und Digital-Analog-Umsetzer, Sensoren und Transistoren. Die eigentlichen digitalen Funktionen werden unter anderem durch Logikgatter, FlipFlops, Register und Treiber aufgebaut.

Weitere wichtige Bestandteile sind integrierte Schaltkreise, Mikroprozessoren und Speicher wie ROM, RAM und Flash. Daten können auf Festplatten, Solidstatememory sowie Wechseldatenträgern wie USB-Sticks und CD-Roms gespeichert werden. Anzeigen, Displays und Schnittstellen verbinden Geräte mit externen Geräten, Diagnosen oder dem Internet.

Entwicklung und heutige Verwendung

Gottfried Wilhelm Leibniz entwickelte Ende des 17. Jahrhunderts ein binäres Zahlensystem. Der Morsecode erfüllte 1837 als erstes Signal die Anforderungen an eine digitale serielle Datenübertragung. Ab 1938 entstanden die ersten Rechner von Konrad Zuse mit Relais oder elektronischen Röhren. John Presper Eckert und John W. Mauchly zählen zu den Pionieren der Röhrencomputer. Alan Turing legte mit logischen Modellen und der Turingmaschine theoretische Grundlagen für den Begriff der Berechenbarkeit.

Nach der Erfindung des Transistors 1925 ersetzte dieser langsam die Röhren. Zunächst wurde er analog eingesetzt, später zunehmend für digitale Aufgaben. Dies beschleunigte die Entwicklung integrierter Schaltkreise und des Mikroprozessors. Bis etwa 1970 wurden Schaltpläne von Hand entworfen; heute werden sie am Computer erstellt und simuliert. Hardwarebeschreibungssprachen wie VHDL können Netzliste und Bauteilliste compilieren und die Daten auch zur Erzeugung des Leiterbahn-Layouts auf der Platine nutzen.

Seit 1950 zeigt sich der Fortschritt besonders am Leistungsumfang von Mikroprozessoren; dazu wird das Mooresche Gesetz genannt. Im Jahr 2020 war „digital“ ein Sammelbegriff für viele elektronische Geräte und Vorgänge, etwa digitale Währungen wie Bitcoin, digital geführte Konten sowie Anwendungen mit Smartphone und Internet.

Vorteile digitaler Verarbeitung

Digitale Signalverarbeitung kann wegen hoher Integrationsdichte günstigere Bauteile und eine vereinfachte Entwicklung ermöglichen. Sie ist flexibel: Mit Signalprozessoren oder Computern lassen sich Funktionen als Software oder in programmierbarer Hardware (PLDs) umsetzen und leichter an neue Anforderungen anpassen. Auch komplexe Algorithmen sind möglich, die analog nur mit hohem Aufwand oder gar nicht realisierbar wären.

Die Verkleinerung der Bauelemente machte Geräte kleiner und kompakter. Digitaltechnik ist robuster gegenüber Temperatureinflüssen, Alterung, Schwankungen der Spannungsversorgung und elektromechanischen Störungen. Ein geringer Strombedarf ermöglicht langen Batteriebetrieb.

Mit der Musik-CD (1980) wurde diskutiert, ob digital gespeicherte Musik die hörbare Qualität der analogen Schallplatte erreicht. Die Musikindustrie befürchtete Raubkopien; mit MP3 verstärkte sich diese Sorge. Seit 2020 übertrifft die Schallplatte die CD wieder deutlich, während MP3 das meistgenutzte Musikformat ist.

Nachteile und gesellschaftliche Kritik

Schneller technischer Fortschritt kann Produkte rasch überholen lassen. Das erhöht den Ressourcenbedarf der vergleichsweise aufwändigen Herstellung und die Menge an Elektronikschrott. Für Geräte und ihre Infrastruktur wird fortwährend Strom benötigt; dies verursacht Emissionen und erfordert verschiedene Kraftwerke, darunter Kernkraftwerke und Kohlekraftwerke.

Digitaltechnik kann Menschen ausschließen, insbesondere ältere Menschen, die neue Anwendungen nicht schnell erlernen konnten oder wollten. Auch Datenschutzbedenken führen zu einer kritischen Haltung. Deutsche Bahn, DHL und Banken wurden dafür kritisiert, Leistungen nur digital anzubieten.

Digitalcourage begann im Mai 2024 eine Unterschriftenaktion gegen Digitalzwang mit dem Ziel einer Petition an den Bundestag. Auch die Wissenschaftlichen Dienste des Deutschen Bundestages befassten sich mit dem Thema. Zu den Forderern eines Rechts auf analoges Leben gehört unter anderem Heribert Prantl.