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Die Geburt des speicherprogrammierbaren Computers: Wie John von Neumann die Informatik neu definierte
Die meisten heutigen Computerarchitekturen übernehmen die Designideen von John von Neumann, deren Kern die Speicherung und Ausführung von Programmen ist. Das von Neumann im Jahr 1945 vorgeschlagene Konzept des „gespeicherten Programms“ hatte tiefgreifende Auswirkungen auf die Informatik und Technologie, definierte die Natur der Datenverarbeitung neu und veränderte die Art und Weise, wie wir mit Computern interagieren.
„Computerprogramme sind nicht mehr festgelegt, sondern können frei gestaltet, gespeichert und ausgeführt werden.“
Von Neumanns Theorie unterschied außerdem zwischen den unterschiedlichen Rollen der zentralen Verarbeitungseinheit (CPU), des Speichers sowie der Eingabe- und Ausgabegeräte. Sein Entwurf ermöglichte es Computern, unterschiedliche Aufgaben auszuführen, ohne dass sie neu verdrahtet werden mussten – eine Innovation, die zur Popularisierung und Standardisierung von Computern beitrug. Insbesondere in der nachfolgenden Entwicklung elektronischer Computer legte dieses Konzept den Grundstein für die Evolution der Großprozessoren.
Die grundlegende Funktionsweise eines Computers lässt sich in einem Zyklus vereinfachen: Abrufen, Dekodieren und Ausführen. Die CPU ruft den Befehl zunächst aus dem Speicher ab, dekodiert und führt ihn aus und springt dann zum nächsten Schritt. Während dieses Vorgangs ist die Steuereinheit dafür verantwortlich, den Betrieb der einzelnen Komponenten zu koordinieren, sodass Daten und Anweisungen reibungslos fließen und das Programm korrekt ausgeführt wird.
„Von den frühen physisch neu verdrahteten Computern bis zu den heutigen programmierbaren Mikroprozessoren war die Essenz der Computertechnik immer die Fähigkeit, unterschiedliche Anweisungen flexibel zu verarbeiten und auszuführen.“
Wie von Neumann bemerkte, wurden frühe Computer wie der ENIAC als „Computer mit festem Programm“ bezeichnet, da für die Ausführung verschiedener Aufgaben eine umfassende physische Neuverdrahtung erforderlich war. Im Vergleich zum ENIAC war der 1945 von von Neumann vorgeschlagene EDVAC ein Computer, der Programme speichern konnte, wodurch die Softwareausführung flexibler und effizienter wurde.
Benutzer müssen nicht mehr verstehen, wie die interne Hardware funktioniert; die Flexibilität und Variabilität von Computerprogrammen führt dazu, dass alle Rechenaufgaben vom Programm bestimmt werden. Dies führte zu nahezu unbegrenzten Möglichkeiten des Computers und einer großen Vielfalt an Folgeanwendungen.
Im Laufe der technologischen Entwicklung – von Vakuumröhren über Transistoren bis hin zu integrierten Schaltkreisen (ICs) – hat jeder technologische Fortschritt die Computerleistung erheblich verbessert. Insbesondere seit den 1960er Jahren hat das Aufkommen von Mikroprozessoren die Implementierung von CPUs völlig verändert. Sie bestehen nicht mehr aus einer großen Anzahl diskreter Komponenten, sondern sind auf einem einzigen Chip konzentriert, was die Größe effektiv reduziert und die Geschwindigkeit erhöht.
„Mit der Einführung des Mikroprozessors waren Computer keine großen, sperrigen Geräte mehr, sondern wurden zu einem wichtigen Teil des täglichen Lebens der Menschen.“
Heute basieren fast alle unsere Computer, Mobiltelefone und sogar verschiedene elektronische Geräte auf dieser fortschrittlichen Mikroprozessortechnologie. Hinter diesen Technologien steht das Konzept der Von-Neumann-Architektur, deren Kern das Streben nach Vereinfachung und Effizienz des Rechenprozesses ist.
Mit der Weiterentwicklung der integrierten Schaltkreistechnologie wird das Phänomen von Gut und Böse jedoch allmählich deutlicher. Insbesondere angesichts des allmählichen Engpasses des Mooreschen Gesetzes haben viele Forscher begonnen, neue Computerkonzepte wie das Quantencomputing zu erforschen um den Herausforderungen der heutigen Computeranforderungen gerecht zu werden. .
„Werden wir in Zukunft noch mehr bahnbrechende Innovationen in von Neumanns Designphilosophie erleben?“
Auch wenn sich die Computertechnologie rasant entwickelt hat, sind von Neumanns grundlegende Designkonzepte noch immer ein unverzichtbarer Bestandteil aktueller Computersysteme. Sie hat die digitale Welt ermöglicht, auf die wir uns heute verlassen, und führt uns in eine effizientere Computerzukunft.
Können wir angesichts des Aufkommens des Quantencomputings und anderer neuer Technologien die Zukunft des Computing neu definieren und so darüber nachdenken wie von Neumann es tat?
