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2026-03-30T19:59:45Z

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[[Datei:ABasicComputer.svg|mini|Die stark vereinfachte Systemarchitektur einer Central Processing Unit (CPU) besteht aus verschiedenen Bausteinen und Verbindungen. Daten werden als Eingaben zur zentralen Recheneinheit (CPU) geleitet, dort verarbeitet und anschließend als Ausgaben zurückgegeben. Dabei spielen Register, Instruktionen (Kontrollfluss, rot) und der Datenfluss (schwarz) eine entscheidende Rolle.]]

'''Rechnerarchitektur''' ist ein Teilgebiet der [[Technische Informatik|Technischen Informatik]] und [[Mikroelektronik]], das sich mit dem Design von modernen Rechenmaschinen ([[Computer]] oder [[Digitalrechner]]) und speziell mit deren Organisation sowie deren externem und internem Aufbau beschäftigt.<ref>{{Internetquelle |url=http://www.kreissl.info/ra.php |titel=Grundprinzipien der Rechnerarchitektur |hrsg=Holger Kreißl |datum=2019 |abruf=2026-02-09 |sprache=de}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Richard E. Smith |Titel=A Historical Overview of Computer Architecture |Sammelwerk=Annals of the History of Computing |Band=10 |Nummer=4 |Datum=1988-10 |Sprache=en |Seiten=277–303 |ISSN=0164-1239 |DOI=10.1109/MAHC.1988.10039 |Online=[https://ieeexplore.ieee.org/document/4640629/ Online] |Abruf=2026-02-10}}</ref> Die Elemente einer Rechnerarchitektur sind seit dem Aufkommen der [[Digitaltechnik|Digitalelektronik]] die [[Logikgatter|Gatter]], welche aus Transistoren aufgebaut sind.

Eine Rechnerarchitektur kann entweder durch konstruktive Methoden, die sich auf das physische Design und die Implementierung der Hardware konzentrieren, oder durch [[Hardwarebeschreibungssprache]]n, die neben dem eigentlichen [[Entwurf integrierter Schaltungen|Design]], zusätzlich eine abstrakte Modellierung und Simulation von digitalen Schaltungen ermöglichen, beschrieben werden. Man spricht auch von einer [[Rechnergestützte Entwicklung|rechnerbasierten Entwicklung]].

Zu den bekanntesten Architekturen für Computer bzw. deren [[Mikroprozessor|zentralen Recheneinheiten]], oder [[Prozessor]]en, zählen die [[Harvard-Architektur]] und die [[Von-Neumann-Architektur]] sowie [[MIPS-Architektur|MIPS]], [[Complex Instruction Set Computer|CISC]], [[Reduced Instruction Set Computer|RISC]] und [[Power-Architektur|POWER]].

In diesem Kontext wird auch von einer '''[[Mikroarchitektur]]''' oder '''[[Prozessorarchitektur]]''' gesprochen. Außerdem wird von einer '''[[Rechnertechnik]]''' als Fachgebiet gesprochen. Die beiden Begriffe überschneiden sich teilweise.

Im Sinne eines [[Systems Engineering]] wird grundlegend in eine funktionale, logische und physikalische Architektur unterschieden. Des Weiteren wird bei Computerarchitekturen der Hardware/Software-Schnittstelle (HSI) eine besondere Bedeutung eingeräumt.<ref>{{Literatur |Titel=Handbook of Hardware/Software Codesign |Hrsg=Soonhoi Ha, Jürgen Teich |Verlag=Springer Netherlands |Ort=Dordrecht |Datum=2017 |Sprache=en |ISBN=978-94-017-7266-2 |DOI=10.1007/978-94-017-7267-9 |Online=http://link.springer.com/10.1007/978-94-017-7267-9 |Abruf=2026-02-16}}</ref> Dabei kommen auch Werkzeuge wie [[SystemC]] oder [[SystemVerilog]] zum Einsatz.<ref>{{Literatur |Titel=System Synthesis with VHDL |Hrsg=Petru Eles, Krzysztof Kuchcinski, Zebo Peng |Verlag=Springer US |Ort=Boston, MA |Datum=1998 |Sprache=en |ISBN=978-1-4419-5024-6 |DOI=10.1007/978-1-4757-2789-0 |Online=http://link.springer.com/10.1007/978-1-4757-2789-0 |Abruf=2026-02-12}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Brock J. LaMeres |Titel=Computer System Design |Sammelwerk=Quick Start Guide to VHDL |Verlag=Springer International Publishing |Ort=Cham |Datum=2024 |Sprache=en |ISBN=978-3-031-42542-4 |DOI=10.1007/978-3-031-42543-1_12 |Seiten=163–206 |Online=https://link.springer.com/10.1007/978-3-031-42543-1_12 |Abruf=2026-02-12}}</ref>

== Geschichte ==
{{Siehe auch|Prozessorarchitektur#Geschichte|Electronic Design Automation#Geschichte}}
Rechnerarchitekturen sind Computerarchitekturen für elektronische bzw. [[Integrierter Schaltkreis|integrierte Schaltkreise]] (ICs), die seit den [[1940er]] Jahren mit den ersten [[Elektronenröhre|röhren]]<nowiki/>basierten Rechenmaschinen (vgl. [[Großrechner]] wie das „[[Small-Scale Experimental Machine|Manchester Baby]]“) entwickelt wurden. Als Teil des [[Manhattan-Projekt]]s wurde damals der [[ENIAC]] erfunden und genutzt. [[Nicholas Metropolis]] und [[Stan Frankel]] berechneten ([[Computerphysik|numerisch]]) mit dem ENIAC beispielsweise die [[Kernspaltung]] nach dem [[Tröpfchenmodell]] von [[Niels Bohr]] und [[John Archibald Wheeler|John Wheeler]].<ref>{{Literatur |Autor=S. Frankel, N. Metropolis |Titel=Calculations in the Liquid-Drop Model of Fission |Sammelwerk=Physical Review |Band=72 |Nummer=10 |Datum=1947-11-15 |Sprache=en |ISSN=0031-899X |DOI=10.1103/PhysRev.72.914 |Seiten=914–925 |Online=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRev.72.914 |Abruf=2026-02-11}}</ref> Aus ENIAC folgt wenig später der [[Universal Automatic Calculator|UNIVAC]] und der [[MANIAC I|MANIAC]]. Letzterer basierte auf der [[Von-Neumann-Architektur]]. [[Richard Feynman|Dick Feynman]] et al. berechneten mit diesen ersten Maschinen die [[Zustandsgleichung]] für Materie bei [[Hochenergiedichtephysik|extrem hohen Drücken]] nach dem [[Thomas-Fermi-Modell]].<ref>{{Literatur |Autor=R. P. Feynman, N. Metropolis, E. Teller |Titel=Equations of State of Elements Based on the Generalized Fermi-Thomas Theory |Sammelwerk=Physical Review |Band=75 |Nummer=10 |Datum=1949-05-15 |Sprache=en |ISSN=0031-899X |DOI=10.1103/PhysRev.75.1561 |Seiten=1561–1573 |Online=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRev.75.1561 |Abruf=2026-02-11}}</ref> ENIAC und UNIVAC stammen von den Erfindern [[John William Mauchly|John Mauchly]] und [[John Presper Eckert]]. Die [[Association for Computing Machinery]] (ACM) verleiht heute noch den [[Eckert-Mauchly Award]] für herausragende Erfindungen im Bereich der Rechnerarchitekturen und Computersysteme.

Ab den [[1950er]] Jahren wurden die ersten Architekturkonzepte auf elektronischen (vgl. [[IBM 701]]) und später transistorbasierte Geräte übertragen (vgl. [[IBM 7030 Stretch]] und [[IBM 7070]]). Genau genommen gelang es [[Richard L. Grimsdale|Richard Grimsdale]], eine Rechnerarchitektur auf Basis von Transistoren aufzubauen. Erst ab den 1950er Jahren kamen neue Transistoren auf den Markt, die weitere Architekturen ermöglichten, speziell der ab den [[1960er]] Jahren bekannte [[Feldeffekttransistor|FET]] und [[Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor|MOSFET]]. Damit begann das [[Informationszeitalter|Computerzeitalter]]. Die Geburtsstätte des [[Silicon Valley]], welches eine Vielzahl von US-amerikanischen Unternehmen aus der [[Halbleiterindustrie|Halbleiterbranche]] hervor brachte und das [[Informationszeitalter|digitale Zeitalter]] begründete, war die [[Shockley Semiconductor Laboratory|391 San Antonio Road]] in [[Mountain View (Santa Clara County, Kalifornien)|Mountain View]].

Seit den [[2000er]] Jahren entwickeln sich Rechnerarchitekturen bzw. Mikroarchitekturen zu hochkomplexen [[System-on-a-Chip|Systemarchitekturen]] weiter. Es gibt eine Vielzahl optimierter Architekturen für die unterschiedlichsten Anforderungen. Seit den [[2010er]] Jahren sind [[Mehrprozessorsystem|Mehrkernarchitekturen]] bei den meisten zentralen Rechnerarchitekturen oder [[Mikroprozessor]]en üblich. Ebenfalls hat sich die Rechnerarchitektur der [[Grafikprozessor]]en und anderer ICs weiterentwickelt. All diese Entwicklungen werden von den Entwicklungen in der [[Mikroelektronik]], [[Nanoelektronik]] und [[Halbleitertechnik]] innerhalb der [[Halbleiterindustrie]] dominiert.<ref>{{Literatur |Autor=Harry J.M. Veendrick |Titel=Nanometer CMOS ICs: From Basics to ASICs |Verlag=Springer International Publishing |Ort=Cham |Datum=2017 |Sprache=en |ISBN=978-3-319-47595-0 |DOI=10.1007/978-3-319-47597-4 |Online=http://link.springer.com/10.1007/978-3-319-47597-4 |Abruf=2026-02-12}}</ref><ref>{{Literatur |Titel=Handbook of Semiconductor Manufacturing Technology |Hrsg=Yoshio Nishi, Robert Doering |Auflage=2 |Verlag=CRC Press |Datum=2017-12-19 |Sprache=en |ISBN=978-1-315-21393-4 |DOI=10.1201/9781420017663 |Online=https://www.taylorfrancis.com/books/9781420017663 |Abruf=2026-02-12}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Chris Mack |Titel=Fundamental Principles of Optical Lithography: The Science of Microfabrication |Auflage=1 |Verlag=Wiley |Datum=2007-11-16 |Sprache=en |ISBN=978-0-470-01893-4 |DOI=10.1002/9780470723876 |Online=https://onlinelibrary.wiley.com/doi/book/10.1002/9780470723876 |Abruf=2026-02-12}}</ref>

== Begriff und Definition ==
[[Gene Amdahl]], [[Gerrit A. Blaauw]] und [[Frederick P. Brooks]] führten [[1964]] den Begriff ''Architecture'' ein,<ref>{{Literatur |Autor=G. M. Amdahl, G. A. Blaauw, F. P. Brooks |Titel=Architecture of the IBM system/360 |Sammelwerk=IBM J. Res. Dev. |Band=8 |Nummer=2 |Datum=1964-04-01 |Sprache=en |Seiten=87–101 |ISSN=0018-8646 |DOI=10.1147/rd.82.0087}}</ref><ref>Allerdings erklärte Richard Case, einer der führenden Köpfe bei der Entwicklung der IBM 360/370-Architektur, 1987 in einem Interview, dass der Begriff „Architecture“ bereits zuvor, während der Entwicklung der [[IBM 8000 Serie]], eines nicht realisierten Projektes, verwendet worden sei. (Siehe hierzu: {{Internetquelle |autor=David Gifford, Alfred Spector |url=https://www.cs.tufts.edu/~nr/cs257/archive/alfred-spector/spector87ibm.pdf |titel=Case Study: IBM’S SYSTEM/360-370 ARCHITECTURE |werk=[[Communications of the ACM]] |datum=1987-04 |seiten=293 |format=PDF |sprache=en |abruf=2024-06-06}})</ref> um die gemeinsamen Eigenschaften aller Modelle des IBM [[System/360]] von ihren in Technik, Kapazität und Arbeitsgeschwindigkeit sehr verschiedenen Ausführungen zu unterscheiden. Diese Gemeinsamkeit sollte den Austausch von Rechnerteilen und Programmen bei verändertem Bedarf der Kunden erleichtern.

Es handelte sich also um eine Abstraktion ähnlich dem mathematischen Begriff einer [[Algebraische Struktur|algebraischen Struktur]]. In ihr wird zum Beispiel die Arithmetik durch die Regeln für Reihung und Vertauschung von Operanden oder die Auflösung von Klammern so abstrahiert, dass sie für verschiedene Grundmengen und Verknüpfungen, wie zum Beispiel die natürlichen Zahlen mit der Addition oder Mengen mit der Vereinigung gilt.

Das Wort ''Abstraktion'' vermieden die Autoren, indem sie in einer Fußnote eine Definition durch Aufzählung versuchten: „The term ''architecture'' is used here to describe the attributes of a system as seen by the programmer, i.e. the conceptual structure and functional behaviour as distinct from the organisation of the data flow and controls, the logical design and the physical implementation.“

Spätere Autoren wie [[Peter Stahlknecht]] und [[Ulrich Hasenkamp]]<ref>Peter Stahlknecht, Ulrich Hasenkamp: ''Einführung in die Wirtschaftsinformatik''. 11. Auflage, Springer, Berlin 2005, ISBN 3-540-01183-8.</ref> haben diese Aufzählung detailliert, ergänzt und verändert, darüber aber den Aspekt der Gemeinsamkeit und Abstraktion aus den Augen verloren. So büßte der Begriff Rechnerarchitektur seinen wesentlichen Charakter ein und wurde zum anspruchsvollen Schlagwort für beliebige Entwürfe.

== Verwendung ==
Wie ein [[Architektur|Architekt]] ([[Ingenieur]]) eines Gebäudes die Prinzipien und Ziele eines Bauprojektes als die Basis für die Pläne des Bauzeichners festlegt, genauso legt ein Computer-Architekt die Computer-Architektur als Basis für die eigentlichen Designspezifikationen fest. Der Ausdruck ''Architektur'' wird im Rahmen der Halbleiter-, Mikro- und Computerelektronik für verschiedene Bedeutungen verwendet:

* Der [[Befehlssatzarchitektur]]: Das Design der [[Prozessorarchitektur]] eines Computers und seines [[Befehlssatz]]es und Techniken wie [[SIMD]]- und [[MIMD]]-Parallelität.
* Allgemeinere und umfassendere Hardware-Architektur wie [[Rechnerverbund|Cluster Computing]] und [[Non-Uniform Memory Access|NUMA]]-Architekturen.
* Eine weniger formale Bedeutung bezieht sich auf die Beschreibung der Voraussetzungen (besonders Geschwindigkeits- und Verbindungsvoraussetzungen) oder Design-Implementationen der verschiedenen Komponenten eines Computers (wie zum Beispiel [[Arbeitsspeicher]], [[Hauptplatine]], [[Elektronik|elektronische]] [[Peripheriegerät|Peripherie]] oder ganz allgemein des [[Mikroprozessor|Hauptprozessors]]).

== Siehe auch ==
* [[1-Bit-Architektur]]
* [[Datenfluss-Architektur|Datenflussarchitektur]]

== Literatur ==
{{Siehe auch|Entwurf integrierter Schaltungen|Mikroprozessor}}
* {{Literatur |Autor=Steve A. Money |Titel=Newnes Microprocessor Pocket Book |Verlag=Heinemann Newnes |Ort=Oxford |Datum=1989 |Sprache=en |ISBN=978-0-434-91290-2}}
* {{Literatur |Autor=Wolfgang Everling |Titel=Algebra der Rechnerarchitekturen |Verlag=Spektrum Akademischer Verlag |Ort=Heidelberg Berlin |Datum=1996 |ISBN=978-3-8274-0061-1 |Sprache=de}}
* {{Literatur |Autor=[[John P. Hayes]] |Titel=Computer Architecture and Organization |Auflage=2nd |Verlag=McGraw-Hill |Ort=New York |Datum=1988 |Sprache=en |Reihe=McGraw-Hill computer science series |ISBN=978-0-07-027366-5 |Online=[https://archive.org/details/computerarchitec0002haye Online]}}
* {{Literatur |Titel=The First Computers. History and Architectures |Hrsg=Raâul Rojas, Ulf Hashagen |Verlag=MIT Press |Ort=Cambridge, MA |Datum=2000 |Sprache=en |Reihe=History of Computing |ISBN=978-0-262-28252-9 |Online=[https://ieeexplore.ieee.org/book/6276817 Online]}}
* [[Andrew S. Tanenbaum]], James Goodman: ''Computerarchitektur.'' 4. Auflage, Pearson Studium, München 2001, ISBN 3-8273-7016-7
* {{Literatur |Autor=Paul Herrmann |Titel=Rechnerarchitektur. Aufbau, Organisation und Implementierung, inklusive 64-Bit-Technologie und Parallelrechner |Verlag=Vieweg+Teubner Verlag |Ort=Wiesbaden |Datum=2002 |ISBN=978-3-528-25598-5 |DOI=10.1007/978-3-322-80338-2 |Sprache=de}}
* {{Literatur |Autor=William F. Gilreath, Phillip A. Laplante |Titel=Computer Architecture: A Minimalist Perspective |Verlag=Springer US |Ort=Boston, MA |Datum=2003 |Sprache=en |ISBN=978-1-4613-4980-8 |DOI=10.1007/978-1-4615-0237-1}}
* {{Literatur |Autor=Nicholas P. Carter |Titel=Computerarchitektur |Verlag=mitp-Verlag |Ort=Bonn |Datum=2003 |Reihe=IT-Studienausgabe |ISBN=978-3-8266-0907-7 |Sprache=de}}
* {{Literatur |Autor=[[David A. Patterson]], [[John L. Hennessy]], Perry Alexander |Titel=Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface |Auflage=5th |Verlag=Elsevier Morgan Kaufmann |Ort=Amsterdam Heidelberg |Datum=2014 |Sprache=en |ISBN=978-0-12-407726-3 |Online=[https://archive.org/details/computerorganiza0000patt_d1r6/mode/2up Online]}}
* {{Literatur |Titel=Introduction to Microprocessors and Microcontrollers |Hrsg=John D. Crisp |Auflage=2nd |Verlag=Elsevier/Newnes |Ort=Amsterdam Boston |Datum=2004 |Sprache=en |ISBN=978-0-7506-5989-5 |Online=[https://archive.org/details/introductiontomi0000cris/mode/2up Online]}}
* {{Literatur |Titel=Handbook of Computer Architecture |Hrsg=Anupam Chattopadhyay |Verlag=Springer Nature Singapore |Ort=Singapore |Datum=2025 |Sprache=en |ISBN=978-981-15-6401-7 |DOI=10.1007/978-981-15-6401-7}}

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4048717-9}}

[[Kategorie:Rechnerarchitektur| ]]
[[Kategorie:Mikroprozessor]]

Rechnerarchitektur - Versionsgeschichte

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