Hauptplatine

Aufbau und Bedeutung

Die Hauptplatine, englisch Mainboard oder Motherboard, ist die zentrale Platine eines Personal Computers. Im Apple-Umfeld heißt sie Logicboard. Sie trägt und verbindet wichtige Bauteile: den Prozessorsockel für die CPU, Steckplätze für den Arbeitsspeicher (RAM), den BIOS-Chip mit integrierter Firmware, Schnittstellen-Bausteine sowie Steckplätze für Erweiterungskarten. Leiterbahnen auf mehreren Lagen (Layern) stellen die elektrischen Verbindungen her.

Ihre Aufgabe ist es, die Kommunikation und Stromversorgung der Komponenten zu ermöglichen. Der Begriff Hauptplatine wird auch für Platinen in moderner Unterhaltungselektronik und mobilen Geräten wie Smartphones oder Tablet-Computern verwendet; der Artikel behandelt jedoch ausschließlich PCs.

Komponenten und Anschlüsse

Auf der Hauptplatine befinden sich Anschlüsse für CPU, Speicher, Erweiterungskarten und Laufwerke. Früher teilten sich Northbridge und Southbridge diese Aufgaben: Die Northbridge band Arbeitsspeicher und Grafikkarte mit hoher Leistung an, die Southbridge unter anderem Festplatten, PCI-Steckplätze und Peripheriegeräte. Heute ist etwa der Speichercontroller in die CPU integriert. Deshalb ist ein Zwei-Chip-Design meist nicht mehr nötig; faktisch gibt es nur noch einen zentralen Baustein auf der Hauptplatine, auch wenn weiterhin von Southbridge oder Chipsatz gesprochen wird.

Viele Funktionen sind onboard, also fest auf dem Mainboard eingebaut. Sound- und Netzwerkkarten sind praktisch immer Standard. Seit dem ATX-Format sind übliche externe Anschlüsse auf der Hauptplatine vorhanden: mehrere USB-Buchsen, Audio- und Netzwerkanschlüsse sowie je nach Board Video-, eSATA- und andere Ports. PS/2-Anschlüsse für Maus und Tastatur sind seltener geworden und oft nur noch als Kombianschluss vorhanden. Selten genutzte Anschlüsse können auf Slotblenden ausgelagert werden. Die frühere Vielfalt externer Anschlüsse wurde weitgehend durch USB ersetzt.

Für Laufwerke gibt es interne Serial-ATA-Anschlüsse (SATA), den Standard für Festplatten und optische Laufwerke. Bei SSDs wird SATA inzwischen von M.2/NVMe abgelöst. PATA/IDE ist, wenn überhaupt, meist nur noch einmal vorhanden; früher waren zwei Anschlüsse für bis zu vier Laufwerke üblich. Anschlüsse für Floppy-Laufwerke fehlen heute. Integrierte Grafik war bei Desktop-PCs eher selten, obwohl sie für Bürorechner genügte. Um 2010 wurde sie zusammen mit der Northbridge in den Prozessor verlagert und gewann mit kleinen Bürorechnern wie NUCs wieder an Bedeutung.

Erweiterungskarten

Die Steckplätze für Erweiterungskarten entwickelten sich vom XT-, ISA-, EISA- und PCI-Bus zum PCI-Express-Bus (PCIe). Im Consumer-Bereich war PCIe 2010 aktuell; im Serverbereich war PCI-X noch vorhanden, wurde aber ebenfalls durch PCIe abgelöst. MCA, VLB und AGP waren weitere beziehungsweise speziell für Grafikkarten gedachte Steckplatzsysteme und sind inzwischen vollständig durch PCIe ersetzt. Bis 2021 erschienen vereinzelt Mainboards mit PCI-Anschlüssen zusätzlich zu PCIe.

Steckkarten werden heute vor allem eingesetzt, wenn onboard Komponenten nicht genügend Leistung bieten oder wenn besondere Funktionen nachgerüstet werden sollen. Sie besitzen eigene Prozessoren, entlasten damit die CPU und sind auf ihren Einsatzzweck optimiert. Onboard-Komponenten lassen Berechnungen dagegen durch die CPU ausführen; unter hoher Belastung kann ihre Leistung einbrechen.

Typische Steckkarten sind Grafikkarten, Netzwerk- und Soundkarten sowie Festplattencontroller. Professionelle RAID-Controller können RAID-Funktionen für bis zu 28 SAS- oder SATA-Festplatten bereitstellen. Sie sind bei einem Defekt ohne Datenverlust austauschbar, anders als Onboard-RAID, und besitzen eigene XOR-Einheiten zur Paritätsberechnung. Für alte Anschlüsse wie RS-232 oder Parallelport reicht PCI aus; USB-3.0-Erweiterungskarten benötigen dagegen die hohe Datenrate von PCI-Express x1 oder höher. Bei externen Anschlüssen, WLAN und früher auch Modems konkurrieren Steckkarten häufig mit USB-Lösungen.

Formate und Beispiel einer ATX-Platine

Die Größe und Anordnung einer Hauptplatine werden durch ihren Formfaktor festgelegt. Das AT-Format wurde 1984 mit dem IBM PC AT eingeführt. Seit 1995 ist ATX aktuell und löste AT ab; dadurch änderten sich auch Gehäuse und Netzteile. Varianten wie Baby-AT, µATX, Mini-ITX, Flex-ATX und Micro-ATX ermöglichen kompaktere Geräte. Mini-ITX, Flex-ATX und Micro-ATX passen in ATX-Gehäuse. Steckplätze, Schrauben und die Öffnung für das I/O-Shield liegen dabei an einheitlichen oder gleichen Positionen.

BTX sollte ATX ab 2003 ersetzen, war aber inkompatibel und verschwand 2007 vom Markt. Bei ATX befinden sich die Steckkarten auf der anderen Seite der Hauptplatine als bei BTX; bei senkrecht eingebauten Platinen beeinflusst dies die Lage von Kühlkörpern auf Steckkarten. AMD kündigte Anfang September 2007 DTX an: ein kleineres, größtenteils ATX-kompatibles Format für sparsame Benutzer.

Eine Asus-ATX-Hauptplatine von 2017 mit Intel-Z390-Chipsatz zeigt typische Bauteile: einen Land-Grid-Array-Sockel 1151 für einen Intel-Core-i-Prozessor, DDR4-RAM-Steckplätze sowie drei lange PCIe-x16- und drei kurze PCIe-x1-Steckplätze. PCIe-x16 kann für eine oder mehrere Grafikkarten genutzt werden, die per SLI oder Crossfire kombiniert werden können. Weitere Bestandteile sind Jumper zum Aktivieren, Deaktivieren oder Zurücksetzen von Einstellungen, Anschlüsse für die Frontblende des Gehäuses, ein 24-poliger ATX-Stromanschluss für die Hauptplatine und ein 8-poliger Anschluss für die CPU.

Am Back Panel liegen die externen Anschlüsse, die über das I/O-Shield zum Gehäuse passen. Interne USB-Anschlüsse verbinden etwa Front-USB oder einen Kartenleser; der AAFP-Soundanschluss verbindet Audioein- und -ausgänge des Frontpanels. M.2-Anschlüsse dienen Erweiterungskarten und besonders schnellen M.2-SSDs; diese erreichen Lese- und Schreibgeschwindigkeiten von 2–10 GiB/s.