7.1 Einleitung: Konvergenz von Elektrotechnik und Informatik
Im Verlauf des 20. Jahrhunderts verschmolzen Elektrotechnik und Informatik zunehmend zu einer integrierten Disziplin. Während die Elektrotechnik ursprünglich auf Energie- und Signaltechnik fokussiert war, ermöglichte die Entwicklung elektronischer Bauelemente die Realisierung komplexer Rechensysteme.
Computertechnik ist daher nicht nur ein Produkt der Informatik, sondern wesentlich ein Teilgebiet der Elektrotechnik: Digitale Systeme beruhen auf physikalischen Schaltvorgängen, elektrischen Spannungspegeln und logischen Grundstrukturen.
7.2 Frühformen elektronischer Rechenmaschinen
Die ersten Rechenmaschinen waren elektromechanische Systeme, die Relais verwendeten. Diese Systeme arbeiteten mit binären Zuständen (ein/aus) und bildeten die Grundlage digitaler Logik.
Mit dem Einsatz von Elektronenröhren entstanden in den 1940er Jahren vollelektronische Rechner. Diese Maschinen waren:
- sehr groß
- energieintensiv
- wartungsanfällig
Dennoch ermöglichten sie erstmals schnelle numerische Berechnungen für Wissenschaft, Militär und Industrie.
7.3 Digitale Logik und Schaltungstechnik
Digitale Systeme basieren auf binärer Logik. Zwei Spannungszustände repräsentieren die logischen Werte 0 und 1. Aus elementaren logischen Gattern entstehen komplexe Schaltungen.
Grundlegende Bausteine:
- UND-, ODER-, NICHT-Gatter
- Flip-Flops (Speicherelemente)
- Register
- Zähler
- Multiplexer
Die systematische Kombination dieser Bausteine führt zu Prozessorarchitekturen und Speichersystemen.
7.4 Mikroprozessor und Systemarchitektur
Mit der Integration aller zentralen Rechenfunktionen auf einem einzigen Chip entstand der Mikroprozessor. Die klassische Von-Neumann-Architektur unterscheidet:
- Rechenwerk (ALU)
- Steuerwerk
- Speicher
- Ein-/Ausgabeschnittstellen
Moderne Architekturen erweitern dieses Modell durch Parallelisierung, Pipeline-Techniken und Mehrkernprozessoren.
Die Miniaturisierung ermöglichte eine enorme Leistungssteigerung bei gleichzeitig sinkendem Energieverbrauch.
7.5 Speichertechnologien
Die Entwicklung leistungsfähiger Speicher war ebenso entscheidend wie die des Prozessors. Speicherarten umfassen:
- Magnetische Speicher
- Halbleiterspeicher (RAM, ROM)
- Flash-Speicher
- Optische Speicher
Speicherhierarchien mit Cache-Systemen optimieren die Zugriffsgeschwindigkeit.
Fortschritte in der Halbleitertechnik führten zu exponentiell wachsenden Speicherkapazitäten.
7.6 Netzwerke und Datenkommunikation
Mit der Verbindung einzelner Rechner entstand die Netzwerktechnik. Elektrische und optische Übertragungssysteme ermöglichen Datenkommunikation über große Entfernungen.
Wesentliche technische Grundlagen:
- Paketvermittlung
- Protokollarchitekturen
- Fehlererkennung und -korrektur
- Modulation und Codierung
Lokale Netzwerke entwickelten sich zu globalen Informationsinfrastrukturen.
7.7 Das Internet als elektrotechnisches System
Das Internet ist ein komplexes Zusammenspiel aus:
- Glasfaserkabeln
- Router- und Switch-Hardware
- Serverfarmen
- Satelliten- und Mobilfunkverbindungen
Alle diese Komponenten basieren auf elektrotechnischen Prinzipien der Signalverarbeitung, Hochfrequenztechnik und Leistungselektronik.
Die physikalische Infrastruktur bleibt trotz virtueller Datenstrukturen eine elektrische Realität.
7.8 Eingebettete Systeme und Mikrocontroller
Neben Großrechnern und Personalcomputern entstanden eingebettete Systeme. Mikrocontroller integrieren Rechen-, Speicher- und Steuerfunktionen für spezifische Anwendungen.
Typische Einsatzgebiete:
- Automobiltechnik
- Haushaltsgeräte
- Medizintechnik
- Industriesteuerungen
- Robotik
Diese Systeme arbeiten häufig in Echtzeit und sind energieoptimiert.
7.9 Sicherheit und Zuverlässigkeit
Mit zunehmender Digitalisierung wurden Fragen der Sicherheit und Systemzuverlässigkeit zentral. Elektrotechnische Systeme müssen:
- gegen elektromagnetische Störungen geschützt sein
- ausfallsicher konstruiert werden
- kryptographische Verfahren unterstützen
- hohe Verfügbarkeit gewährleisten
Die Verbindung von Hardware- und Softwaresicherheit ist ein zentrales Forschungsfeld.
7.10 Gesellschaftliche Transformation
Die Computertechnik führte zu einer fundamentalen gesellschaftlichen Umgestaltung:
- Automatisierung von Arbeitsprozessen
- Entstehung digitaler Märkte
- Globale Vernetzung von Wissen
- Digitale Medienkultur
- Entwicklung künstlicher Intelligenz
Die Informationsgesellschaft ist das direkte Ergebnis elektrotechnischer Innovationen.
7.11 Technologische Grenzen und neue Paradigmen
Mit fortschreitender Miniaturisierung stoßen klassische Halbleitertechnologien an physikalische Grenzen. Quanteneffekte, Wärmeentwicklung und Materialgrenzen stellen Herausforderungen dar.
Neue Ansätze umfassen:
- Quantencomputer
- Neuromorphe Chips
- Optische Datenverarbeitung
- Dreidimensionale Integration
Diese Entwicklungen könnten eine neue Phase der Computertechnik einleiten.
7.12 Zusammenfassung
Kapitel 7 zeigt, wie aus elektronischen Schaltungen komplexe Rechensysteme entstanden. Die Computertechnik ist eine direkte Fortsetzung der elektrotechnischen Entwicklung.
Zentrale Elemente:
- Digitale Logik
- Mikroprozessorarchitektur
- Speichertechnologien
- Netzwerksysteme
- Eingebettete Systeme
Mit der Verschmelzung von Elektrotechnik und Informatik entstand die Grundlage der globalen Informationsgesellschaft, deren Dynamik weiterhin exponentiell zunimmt.