k000-Einfuehrung

Kapitel 0 – Einführung

Informatik – allgemein
Informatik beschäftigt sich mit Information, ihrer Analyse
und Verarbeitung mittels Algorithmen.
Algorithmen werden in der Regel als Software
implementiert, die auf (programmierbarer) Hardware läuft.

Technische Informatik
...beschäftigt sich allgemein mit Hardware:
programmierbare Universalrechner
programmierbare eingebettete Rechner
Spezialhardware
Dabei sind wichtig
theoretische Grundlagen zum Entwurf von Hardware,
die Methodik zum Entwurf von Hardware,
der Aufbau von Rechnern,
...

Beispiele
Universalrechner (general purpose computer), PCs,
Arbeitsplatzrechner, Server
eingebettete Rechner in Autos, Flugzeugen,
Waschmaschinen, Fernsehern, CD-Spielern,
Spielkonsolen, Navigationsgeräte

Marktanteile
Universalrechner ≈2%
Eingebettete Rechner ≈98%

Verstehen / Entwerfen von (Rechen-)Systemen
Wie versteht / entwirft man ein System, welches aus sehr
vielen Komponenten besteht:
...aus einem Rechner, der aus 100 Milliarden Transistoren
besteht
...aus darauf laufender Software (z.B. Betriebssystem,
Übersetzer, Datenbanken, Kommunikationssystemen,
Anwendungsprogrammen) mit Millionen Zeilen
Programmcode
Erkennen der Struktur:
Aufbau aus Komponenten
Zusammenwirken dieser Komponenten zur Realisierung
ihrer Funktion

Inhalt der Vorlesung
Konzepte der Technischen Informatik und ...
ihre Umsetzung mittels ...
Entwurf und Analyse eines einfachen Rechners

Überblick
Kap. 0  Einführung/Umfeld
1
2
3
4
5

Überblick
Kap. 0  Einführung/Umfeld
1
2
3
ReTI abstrakt
4
5

Überblick
Kap. 0  Einführung/Umfeld
1
2
3
Kodierung von Zeichen/Zahlen 
ReTI abstrakt
ReTI: Befehls‐Kodierung
4
5

Überblick
Kap. 0  Einführung/Umfeld
1
2
3
Kodierung von Zeichen/Zahlen 
ReTI abstrakt
ReTI: Befehls‐Kodierung
Sequentielle Logik
ReTI: ALU
Komb. Logik
Minimalpolynome Arithmetik
ReTi: Datenpfade, 
Idealisiertes Timing
ReTI: Exaktes Timing
Physikalische Eigenschaften
Timing
4
5

Literatur
Jörg Keller, Wolfgang J. Paul
„Hardware-Design:
Formaler Entwurf digitaler Schaltungen“
Teubner, 2005.
Bernd Becker, Paul Molitor
„Technische Informatik: Eine einführende Darstellung“
Oldenbourg Wissenschaftsverlag München,
2008, ISBN 978-3-486-58650-3, 435 Seiten.

Ergänzende Literatur
D. Patterson, J. Hennessy
Computer Organization and Design RISC-V Edition: The Hardware
Software Interface. (The Morgan Kaufmann Series in Computer
Architecture and Design) 1st edn. 2017, 2nd edn. 2020
J. Hennessy, D. Patterson
Computer Architecture: A Quantitative Approach. Morgan Kaufman
Publishers, 2017.
P. Molitor, C. Scholl
Datenstrukturen und effiziente Algorithmen für die Logiksynthese
kombinatorischer Schaltungen. Teubner, 1999.
A. Biere, D. Kroening, G. Weissenbacher, C. Wintersteiger
Digitaltechnik - Eine praxisnahe Einführung. Springer, 2008

Kapitel 0 – Einführung

Rechnerhistorie
Historische Entwicklung
von den Anfängen zum Multi-Core
Chips mit 100 Milliarden Transistoren
Probleme und Herausforderungen

Wirtschaftliche Treiber der Computerentwicklung
1930–60: Wenige, sehr teure Rechner.
Wettervorhersagen, militärische Anwendungen
1960–80: EDV für die Infrastruktur.
Banken, Verkehrs-, Energiesysteme
1980–2000: Rechnerbasierte Konsumgüter.
PCs, Unterhaltungselektronik, Autos, Handys
Heute: Ubiquitous Computing, Internet of Things (IoT),
Künstliche Intelligenz
Smartphones/Internet Devices, Intelligente Netze, Cloud,
Autonome Fahrzeuge, Gebäudetechnik, Geräte zur
medizinischen Überwachung, ...

Technischer Fortschritt als Basis der Entwicklung
Hardware-Fertigungstechnologie
Moore’s Law: Verdoppelung der Anzahl Transistoren pro
Flächeneinheit alle 18 Monate
Neue Algorithmenklassen
Bilderkennung, schnelle Kommunikation, Data Mining /
Suchmaschinen, Machine Learning
Neue Entwurfsverfahren
Entwurf deutlich komplexerer Systeme in gleicher /
unterproportional erhöhter Zeit

Zuse Z1 / Z3 (1934–1941)
BZ-Video
https://youtu.be/s7XM8-y-b3M
Bis zu 10 Hz
Taktfrequenz
64 Speicherzellen
der Breite 22
4000 Watt
Leistung
Gewicht: 1000kg
Programmierung
über gelochte
Filmstreifen

Historische Entwicklung: ENIAC (1946)
30.000kg schwer, 3m hoch, 24m breit
17.648 Vakuumröhren, 70.000 Widerstände,
1.500 Relais, 10.000 Kondensatoren
150.000 Watt Leistung
Multiplikationszeit: 3ms
Programmierung über Schalttafeln

Eniac

Historische Entwicklung: Zitate
Thomas Watson (IBM, 1943):
„I think there is a world market for maybe five compu-
ters.“
Popular Mechanics (1949):
„Computers in the future may weigh no more than 1.5
tons.“
Ken Olsen (DEC, 1977):
„There is no reason for any individual to have a compu-
ter in their home.“

Heutiger Stand: Mikroprozessoren
2000: Pentium 4
42 Millionen Transistoren
Taktfrequenz > 1,5 GHz
Oktober 2023: Intel Core i9-14900K
≈25 Milliarden Transistoren
Taktfrequenz ≈3.2−6.0 GHz
„Multi-Core“ (24 Kerne)
Parallelausführung
mehrerer Programme
Parallelausführung von
Teilen desselben
Programms
2022: Apple M1 Ultra
≈114 Milliarden Trans.
“Chiplet” 2 M1 Max à 58 Mill. Trans.

Fortschritt der Halbleiterfertigung: Moore’s Law
Verdoppelung der Transistor-Dichte
alle 18 Monate.
(Gordon Moore, Mitbegründer von
Intel, 1965)
Kein Gesetz, sondern Voraussage,
was technologisch möglich sein
wird!

Moore’s Law

Transistor
Transistor
Grippevirus
Inzwischen: gängig 7-nm-Technologie
bei Intel sind es gerade 10 nm (N10)
Apple A14 Bionic (Sept. 2020) mit 5-nm-Technologie
Neueste: N5 (5 nm), N3, N2 (in 2024)
Plan: A14 (Å mit Å) in 2028?, ..., A2 in 2036?

Halbleiterfertigung im Überblick
Siliziumkristalle werden gezüchtet
und in dünne runde Scheiben
(Wafers) geschnitten.
Transistoren werden auf einem
Wafer gefertigt (Frontend).
Transistoren bilden Logikgatter
Metallische Verbindungsleitungen
(Interconnects) werden über den
Transistoren gefertigt (Backend).
Interconnects verbinden
Logikgatter miteinander und stellen
Stromversorgung bereit.

Einige Fakten über Halbleiterfertigung
Fab neuester Generation kostet
mehrerer Milliarden US-Dollar.
Intel will in Magdeburg 10-30
Milliarden investieren.
Über 500 Fertigungsschritte.

Cerebras Wafer als Prozessor
©2026 Cerebras
https://cerebras.ai

Fortschritt bei Entwurfsverfahren
Systeme bestehen aus Hardware, Software und
gegebenenfalls Zwischenschichten (Betriebssystem und
ähnliches).
Für alle diese Bereiche gibt es effiziente Entwurfsabläufe
(„Flows“).
Sie sind notwendig, um die Komplexität heutiger Systeme
zu beherrschen und die Milliarden Transistoren auch zu
nutzen.

Vorgehen
Es sind Entwurfsziele zu erreichen, die oft einander
widersprechen und gegeneinander abgewogen werden
müssen (Trade-Offs).
Systemabmessungen (physikalische Größe)
Geschwindigkeit
Energieverbrauch
Entwicklungszeit (Time to Market)
Kosten (Entwicklung / Fertigung)

Allgemeine Entwurfsprinzipien
Hierarchie: Partitionierung des Systems in kleinere Blöcke;
Entwurf der Blöcke und ihre spätere Zusammensetzung.
Entwurfsautomatisierung: Verwende automatische
Verfahren für möglichst viele Entwurfsschritte.
engl. Electronic Design Automation (EDA)
Wiederverwendung von existierenden Designs (früher
entworfen oder von Außen als „intellectual property core
(IP)“ zugekauft).

Design und Verification Gap
designgap
verificationgap
MioGates
0
10
20
30
40
19 88
1 99 2
19 96
20 00
2 004
ability to verify
ability to design
available silicon

Einige berühmte Beispiele von Entwurfsfehlern
Pentium-Bug (Fehler in der Hardware).
https://en.wikipedia.org/wiki/Pentium_FDIV_bug
Mars-Pathfinder-Mission (Fehler auf Systemebene).
https://www.cs.unc.edu/~anderson/teach/comp790/papers/mars_
pathfinder_long_version.html
Ariane-Trägerraketen-Explosion (Software der
Vorgängerversion übernommen).
http://www.ima.umn.edu/~arnold/disasters/ariane5rep.html
...

Pentium Bug (1/2)

Pentium Bug (2/2)
Fehler in Floating-Point-Einheit
⇒Imageverlust für Intel
⇒480 Mio $ zusätzliche Kosten für Intel
im 4. Quartal 1994
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
$109
1Q92
3Q92
1Q93
3Q93
1Q94
3Q94
1Q95
3Q95
Quartalsergebnisse der Firma Intel
Der Pentium-Bug

Herausforderungen (1/2)
Wie entwerfen? Entwurfsproblematik – „Design-Gap“
→VLSI-Entwurf, Entwurfsmethodik
Anforderungen:
Entwurfszeit (Time to market)
Arbeitszeit der Designer
Laufzeit der Algorithmen
Energieverbrauch
Entwurfskorrektheit (siehe z.B. Pentium-Bug)
Effizienzanforderungen / Performanz
Was tun mit all den Transistoren?
Sinnvolle Ausnutzung der verfügbaren Ressourcen
→Architekturkonzepte, Rechnerarchitektur

Herausforderungen (2/2)
VLSI-Entwurf, Entwurfsmethodik
Wird in dieser Vorlesung bei ReTI angedeutet
Vorlesung Rechnerarchitektur, erster Teil
Spezialvorlesungen
Testen
Verifikation
Eingebettete Systeme
...
Projekte, Praktika (z.B. FPGA-Design)
Architekturkonzepte, Rechnerarchitektur
Vorlesung Rechnerarchitektur, zweiter Teil

Überblick TI
Kap. 0  Einführung/Umfeld
1
2
3
Kodierung von Zeichen/Zahlen 
ReTI abstrakt
ReTI: Befehls‐Kodierung
Sequentielle Logik
ReTI: ALU
Komb. Logik
Minimalpolynome Arithmetik
ReTi: Datenpfade, 
Idealisiertes Timing
ReTI: Exaktes Timing
Physikalische Eigenschaften
Timing
4
5