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Computerhardware für Anfänger

Aus Wikibooks


Auszeichnung:
Buch des Monats
April 2007

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Dieses Buch wurde in die Liste exzellenter Bücher aufgenommen.


Dieses „Hardware-Anfängerbuch“ vermittelt grundlegende Hardware-Kenntnisse, die jeder PC-Benutzer haben sollte. Das Buch ist aus Lehrgängen für Verkäuferinnen, Apothekerinnen, Anwälte und Steuerberater entstanden. Es soll für jeden verständlich sein und bleiben. Es werden nur minimale technische Kenntnisse vorausgesetzt.

Das Buch ist für Leute geschrieben, die ihren Computer regelmäßig benutzen und etwas mehr über die Hardware wissen wollen. Es ist kein Einsteigerbuch für Leute, die erstmals an einem PC sitzen. Wie man Windows (oder ein anderes Betriebssystem) startet, benutzt und beendet, wie man die Maus benutzt und Anwendungen startet, sollte bekannt sein.

Das Buch „Computerhardware für Anfänger“ soll Ihnen helfen,

Mit dem Computer sachkundig umzugehen und Warnzeichen für Gefahren zu erkennen,
Technische Daten des eigenen Computers ermitteln zu können,
Angebote und Anzeigen bewerten zu können und Fallen zu umgehen,
Computerspezialisten und Verkäufern die richtigen Fragen stellen zu können,
Bei Neukauf oder Aufrüstung eines Computers mehr Leistung für Ihr Geld zu erhalten,
Sich sicher zu fühlen, wenn jemand mit Ihnen über Computer reden will.

Dieses Wiki-Buch ist eine Zusammenstellung der wichtigsten Seiten aus dem viel umfangreicheren Buch Computerhardware. Wenn Sie mehr über Hardware wissen wollen, lesen Sie dort.

Wenn Sie Computerkomponenten oder -ersatzteile kaufen wollen, lesen Sie die Kaufberatung.

Falls Sie Ihren PC aufrüsten oder eine kleine Reparatur selbst ausführen wollen, hilft Ihnen vielleicht Montage.

Vielleicht interessieren Sie sich für die Geschichte der Computerhardware?

Wenn Sie eine Anmerkung haben oder einen Fehler finden und ihn nicht selbst berichtigen wollen, schreiben Sie das bitte auf die Diskussionsseite.

Wie aktuell ist dieses Buch? Einige wenige Seiten sind tatsächlich recht alt, doch die Kernthemen werden immer wieder aktualisiert, wovon Sie sich anhand meiner letzten Bearbeitungen überzeugen können. Mein Arbeitsschwerpunkt liegt allerdings auf der gedruckten Version, die übrigens den doppelten Umfang (300 Seiten DIN A4) wie dieses Wikibuch hat.

Was ist eigentlich „Hardware“?

Hardware ist der materielle Teil des Computers: Das Gehäuse mit Prozessor, Festplatte und DVD-Laufwerk, der Bildschirm, der Drucker. Man kann die Komponenten anfassen, sie haben ein Gewicht und werden mit dem Schraubendreher installiert. Hardware geht nur selten kaputt, und wenn doch: Auf Hardware gibt es Garantie. Sie haben ein Recht auf fehlerfreie Ware (falls es die gibt) oder Rückgabe.

Software ist im Gegensatz dazu der nicht-materielle Teil des PC: Das Betriebssystem und die Programme, z. B. das Schreibprogramm und der Internet Explorer. Software wird mit Tastatur und Maus installiert. Software geht oft kaputt. Aber es hat noch nie einen Software-Hersteller gegeben, der irgendeine Garantie auf die Fehlerfreiheit seiner Software gegeben hätte. Schlimmer noch: Es gibt keine fehlerfreie Software. Die Lage wird dadurch weiter verschärft, dass auch die Benutzer Fehler machen. Jeder klickt mal daneben. Statistisch gesehen werden Computerprobleme fast ausnahmslos durch Softwarefehler und Bedienfehler verursacht.

 Inhaltsverzeichnis

  Weitere Bücher vom gleichen Hauptautor:

Internet für Anfänger
Datensicherung

  sowie aus der Junior-Reihe

Wikijunior Computer und Internet

Grundlagenwissen


Die Grundlagen für die heutigen PC wurden schon vor sehr langer Zeit gelegt. Die ersten Computer wurden in den vierziger Jahren gebaut. Grafische Bedienoberflächen gibt es seit den fünfziger Jahren. Der erste erfolgreiche Heimcomputer war der „Altair 8800“ im Jahr 1974. 1981 brachte IBM den „Personal Computer“ auf den Markt, und Teile von dessen Bauplan stecken auch heute noch in jedem PC. Die Reklame und die Fachzeitschriften vermitteln uns den Eindruck, es würden ständig revolutionäre Innovationen eingeführt. Mitunter wird sogar technologischer Rückschritt als Fortschritt deklariert. Natürlich wissen Sie, dass Reklame nicht den Zweck hat, Sie zu informieren, sondern Sie zum Kauf zu animieren („Das ist neu! Das müssen Sie unbedingt kaufen!“), und Fachzeitschriften müssen sich mit reißerischen ­Artikeln von der Konkurrenz abheben und über jede „Neuheit“ und jedes Gerücht als Erste schreiben.

Haben Sie schon einmal darüber nachgedacht, dass beim PC „Neu“ oftmals bedeutet

  • „Voreilig auf den Markt geworfen und noch nicht in der Praxis bewährt“
  • „Die Nachbesserungen werden im Internet veröffentlicht, der Kunde wird sie dort schon finden.“
  • „Wenn 80% der Käufer zufrieden sind, reicht es aus.“ Oder genauer: „Gekauft ist gekauft. Wir haben das Geld des Kunden, und die Reklamationen werden von der Serviceabteilung abgeschmettert.“ Außerdem ist die Gewinnspanne bei Reparaturen und Ersatzteilen viel höher als beim Verkauf, vor allem bei Notebooks.

Aber wo sind denn die wirklichen Innovationen zu finden?

  1. 1948 wurde der Transistor erfunden und Norbert Wiener begründete die Kybernetik. Die Schaltungen und Verfahren, nach denen CPU, RAM, ROM, Disketten und Festplatten arbeiten, galten in den 60er Jahren bereits als „bewährte Technologien“. 1960 wurde der Tintenstrahldrucker erfunden und 1971 der Laserdrucker. Seitdem ist alles kleiner, schneller und höher integriert, aber nicht prinzipiell anders.
  2. Magnetische Speicherverfahren gibt es schon lange: Die Tonaufzeichnung auf Stahldraht wurde bereits 1899 patentiert. Etwa 1940 erreichten Magnetbandgeräte die Praxisreife. Die Computer der 50er Jahren benutzten Magnettrommelspeicher als Arbeitsspeicher. Diese Technologien bereiteten den Weg für die 1956 entwickelte erste Festplatte und für die 1969 erfundene Diskette. Geschwindigkeit und Kapazität sind Jahr für Jahr gestiegen und der Preis pro Byte ist gefallen, doch die technologischen Grundlagen sind seit mehr als 100 Jahren unverändert.
  3. 1974 entwickelte Intel den 8-Bit-Prozessor i8080. Der 1978 entwickelte Nachfolger 16-Bit-Prozessor i8086 wurde „kompatibel“ konstruiert, so dass die Programme des Vorgängers nach einer automatischen Umkodierung auf dem i8086 lauffähig waren. Intel hat sich 1978 gegenüber IBM verpflichtet, jeden neuen Prozessor „abwärtskompatibel“ zu entwickeln – und hält sich auch daran, ebenso wie AMD und andere Prozessorhersteller. „Abwärtskompatibel“ bedeutet, dass jeder neue Prozessor die Befehle seiner Vorgänger beherrscht, damit alte Programme auch auf neuen Prozessoren laufen.
  4. Im Jahr 1964 wurde die Maus erfunden, um die Arbeit mit Computern bedienerfreundlicher zu gestalten. 1973 wurde für den „Xerox Alto“ eine „grafische Bedienoberfläche“ entwickelt (engl. Graphical User Interface, abgekürzt GUI). Es dauerte 20 Jahre, bis man eine sinnvolle Verwendung für die Maus gefunden hatte: Mit dem „Amiga“ erreichte die Maus 1985 den Massenmarkt. 1990 hatte Microsoft erste Erfolge mit einem grafischen Zusatz für das Betriebssystem DOS, der den Namen „Windows“ erhielt. Damals konnte jeder wählen, ob er lieber kryptische DOS-Befehle eintippen will oder ob er den Computer mit der Maus bedient.
  5. Seit 2002 gibt es ein „Hyper-Threading“ genanntes Verfahren: Wenn bei der Abarbeitung eines Programmteils eine Wartezeit eintritt (z. B. weil die Daten aus dem Arbeitsspeicher noch nicht eingetroffen sind), wird zu einem anderen Programmteil gewechselt. 2006 wurden die ersten „Dual Core“-CPUs verkauft, die zwei Rechenwerke in der CPU enthalten. Doch neu ist die Parallelverarbeitung nicht. Bereits der britische „Colossus“, der 1943 zur Entschlüsselung von Geheimcodes eingesetzt wurde, war ein Parallelrechner. Heutige Supercomputer verteilen ihre Arbeit auf zehntausende Prozessoren.

Auch auf dem Gebiet der Software wurden viele der Grundlagen schon vor Jahrzehnten gelegt:

  1. 1974 wurde das Betriebssystem CP/M entwickelt und 1981 erschien das daran angelehnte MS-DOS 1.0 als erstes Betriebssystem von Microsoft. Alle paar Jahre gab es eine weiterentwickelte Version von MS-DOS, die letzte hatte die Versionsnummer 6.22. Für diejenigen, die DOS nicht kennen: Dieses Betriebssystem benutzt keine Maus und läuft in reinem Textmodus. Alle Befehle muss man an der Tastatur eintippen. Ein Beispiel für einen DOS-Befehl, der aus allen Ordnern des Laufwerks C: alle Word-Dateien (*.doc und *.docx) aller Benutzer auf einen USB-Stick (Laufwerk E:) kopiert:   xcopy c:\users\*.doc* e:\*.doc* /d /s /e /y.   Solche Kommandozeilenbefehle werden von hartgesottenen Profis benutzt, weil einige dieser Befehle viel effektiver sind als das Klicken mit der Maus, und manche dieser „klassischen“ Befehle können die letzte Rettung sein, wenn Windows nicht mehr funktioniert.
  2. Bei jeder neuen Version eines Betriebssystems achten die Entwickler darauf, dass neben allen Verbesserungen auch sämtliche alten Befehle weiterhin funktionieren. Wenn Sie auf ein moderneres Betriebssystem umsteigen, können Sie Ihre älteren, lieb gewonnenen Programme weiter verwenden und natürlich auch Ihre Daten weiter benutzen. Durch dieses freundliche Prinzip, die Abwärtskompatibilität, kann ich auch heute noch die meisten Befehle verwenden, die ich in den 80er Jahren gelernt habe. Allerdings hat die Abwärtskompatibilität auch Grenzen. In jeder neuen Version des Betriebssystems die „Andockstellen“ für ältere Programme mitzuschleppen ist aufwändig. Irgendwann, nach etwa zehn bis fünfzehn Jahren, halten die Hersteller den Aufwand nicht mehr sinnvoll, weil (angeblich) kaum noch jemand die Uraltprogramme nutzt.
  3. Windows XP, Vista, Windows 7, 8, 10 und 11 kommen beim Start ohne DOS aus. Doch die klassischen DOS-Befehle sind nicht verschwunden. Alle Windows-Versionen besitzen ein ­Fenster für DOS-Befehle, die sogenannte Eingabeaufforderung. Im Laufe der Jahre wurden die DOS-Befehle weiterentwickelt. Weil viele neue Befehle hinzugekommen sind, spricht man nicht mehr von DOS-Befehlen, sondern von Kommandozeilenbefehlen. Das Befehlssortiment ist so umfangreich, dass sich moderne Windows-Betriebssysteme für Server vollständig mit ­Kommandozeilenbefehlen installieren, konfigurieren und bedienen lassen, ohne auch nur ein einziges Mal die Maus benutzen zu müssen.
  4. Es gibt nicht nur das fast immer verwendete Windows als Betriebssystem für PCs, sondern auch eine Vielfalt an alternativen Betriebssystemen, von denen Linux das bekannteste ist. Die Wurzeln dieser Betriebssysteme reichen meist noch weiter zurück als die von Windows. Der größte Teil der Smartphones und Tablets benutzt das Betriebssystem „Android“, das auf Linux basiert.
  5. E-Mail ist auch nicht so neu, wie man denkt. Die ersten Versuche wurden bereits 1971 durchgeführt. Im Jahr 1979 stellte Eric Allman das Programm „Delivermail“ fertig, das 1981 in „Sendmail“ umbenannt wurde. Die übergroße Mehrzahl der E-Mail-Server benutzt dieses ­Programm auch heute noch in einer weiterentwickelten Version als „elektronisches Postamt“.

Hard- und Software wurden Jahr für Jahr in kleinen Schritten verbessert: höhere Taktfrequenzen, höhere Packungsdichten auf dem Chip und auf der Festplattenoberfläche, höhere Drehzahlen, mehr Farben usw. Durch Weiterentwicklung und Massenfertigung sind die Preise gesunken. Aber gibt es etwas grundsätzlich Neues? Nur selten.

  • Das bedeutet, dass ein solides Grundlagenwissen kaum veraltet. Es ist interessant, hilfreich und gewiss keine Zeitvergeudung, sich mit den Grundlagen zu beschäftigen.
  • Grundlagenwissen ist unumgänglich, um in „neuen“ Entwicklungen hinter den Werbeversprechen und Testberichten das Wesentliche zu erkennen und zu bewerten.
  • Grundlagenwissen ist notwendig, um den Verkäufer das Richtige fragen zu können, statt auf ihn hereinzufallen.
  • Grundlagenwissen hilft oft gerade dann weiter, wenn die Hard- oder Software „spinnt“ und einem allmählich die Ideen ausgehen, was man noch versuchen könnte.

Den meisten Leuten, die sich für Computer interessieren, fehlen diese Grundlagen vollkommen. In der Schule wird solches Wissen bisher nicht vermittelt. In Fachzeitschriften wird Grundlagenwissen leider nur selten und unsystematisch geboten. Die Redakteure und Autoren sind Computerfreaks und schreiben für andere Computerfreaks in deren Sprache.

Sicherlich hätten sich viele Computerprobleme und ein großer Teil der Datenverluste vermeiden lassen, wenn der Benutzer im entscheidenden Moment eine Vorstellung davon gehabt hätte, was sich gerade im Computer abspielt.

Wer mehr über seinen Computer weiß, wird weniger Probleme haben und weniger (teure und nervenaufreibende) Fehler begehen. Vielen Computerbenutzern, die sich eigentlich überhaupt nicht fur Technik interessieren, ist das bereits mehr oder weniger klar. Dieses Buch will Ihnen Grundlagenwissen vermitteln, das Ihnen bei realen praktischen Problemen hilft oder diese Probleme zu vermeiden hilft. Regeln und Empfehlungen werden begründet. Am wichtigsten aber ist:

  • Jeder kann dieses Buch verstehen, auch wenn er/sie sich eigentlich für Computertechnik überhaupt nicht interessiert. Natürlich werden Fachwörter verwendet, aber sie werden erklärt.
  • Selbst erfahrenere Computerbenutzer werden einige interessante Gedanken finden können.

Damit Sie das Buch auch auszugsweise lesen können, sind einige Wiederholungen unvermeidlich. Schauen Sie bitte im Glossar nach, wenn Sie auf unbekannte Begriffe treffen, die vielleicht erst in späteren Kapiteln erläutert werden.

Und nun viel Spaß beim Lesen!

In diesem Buch geht es vor allem um den „klassischen“ Desktop-PC und um Notebooks. Aber Smartphones, Tablets und E-Reader bestehen aus den gleichen Komponenten. Akkus und Bildschirme beispielsweise leiden unter Minusgraden auf die gleiche Weise, gleichgültig ob sie in einem Smartphone oder in einem Notebook stecken.

Angesichts der Verkaufszahlen von Smartphones und Tablets meinen einige Leute, das Zeitalter der klobigen PCs ginge dem Ende zu. Wer seinen PC hauptsächlich für E-Mail, zum Surfen und für ein paar Office-Anwendungen benutzt, für den scheint ein Desktop-PC überdimensioniert zu sein. Er ist teuer, laut, kompliziert, viel zu groß und verbraucht zu viel Strom. Ein Flach-PC ist da vielleicht die bessere Wahl.

Doch der Desktop-PC kann vieles, was seine kleinen Geschwister nicht leisten können.

  • Schreiben mit einer Tastatur, mit der auch Vielschreiber zufrieden sind,
  • Speichern und Verwalten großer Datenmengen wie Fotos, Videos und Musik,
  • Arbeit mit mehreren Programmen gleichzeitig und einfacher Datenaustausch zwischen den Programmen,
  • Arbeit mit vielen Fenstern und Nutzung mehrerer Displays mit großen Bildschirmdiagonalen,
  • Präzises Arbeiten (stellen Sie sich Bildbearbeitung mit den Fingerspitzen auf einem 8" Display vor!),
  • Rechenintensive Anwendungen, wie z. B. Videoschnitt,
  • Nutzung als Home-Server, Steuerung von Haustechnik und Modellbahnanlagen,
  • Nutzung als Flugsimulator und für anspruchsvolle Spiele,
  • DVD und Blu-ray lesen und brennen.

Hinzu kommt noch seine vielfältige Erweiterbarkeit: Hochleistungs-Grafikkarte, diverse Schnittstellenkarten u. a.

Beachten Sie die Unmenge an Schnittstellen. Was können Sie nicht alles (gleichzeitig) anschließen: Externe Festplatten, USB-Speichersticks, Drucker, Scanner, Kameras, Skype-Headset, Smartphones ... Und wenn die Schnittstellen nicht ausreichen, steckt man eine Erweiterungskarte in den PC.

Außerdem schont der PC die Umwelt. Man kann problemlos defekte Teile auswechseln und das PC-Leben durch Aufrüstung verlängern. Einen defekten Tablet-Computer können Sie nicht reparieren. Selbst wenn Sie das zugeklebte Gehäuse aufbrechen, finden Sie keine Standardteile, die man ersetzen könnte. Aufrüsten geht auch nicht. Und die Müllberge wachsen ... Freilich benötigt ein Desktop-PC mehr Energie, doch der gesamte Energieaufwand bei der Herstellung der Rohmaterialien und Komponenten ist so groß, dass der Energieverbrauch beim Kunden kaum ins Gewicht fällt. Und ich bin schneller mit der Arbeit fertig und kann den PC früher ausschalten.

Hatten Sie jemals Gelegenheit zu vergleichen, wie viel schneller man mit einem Desktop-PC eine umfangreiche Internet-Recherche durchführen kann, im Vergleich zu einem Notebook oder gar einem Tablet? Ich kann mir nicht vorstellen, dass ein Firmenchef seine Innendienst-Mitarbeiter mit Notebooks oder Tablets ausstatten würde. Wo „Zeit ist Geld“ gilt, darf man an der Leistung der Computer nicht sparen.

Als der PC 1981 auf den Markt kam, war er eine Arbeitsmaschine. Niemand konnte sich damals vorstellen, welche Vielfalt von Anwendungen es einmal geben wird und dass der PC Einzug in die Haushalte nehmen würde. Und nun, nach drei Jahrzehnten, ist der PC auf dem Weg zurück zu den Profis und den Anwendern, die ihn für ihre Arbeit und für anspruchsvolle Hobbys benötigen. Für viele „Normalanwender“ genügt ein Tablet-Computer.

Elektronik-Grundbegriffe


Schnitt durch eine mehrlagige Platine.

Elektronische Bauelemente sind Widerstände, Kondensatoren, Relais, Schalter, Leitungen, Transformatoren, Batterien, Dioden, Transistoren, LED und andere. Eine elektronische Schaltung besteht aus elektronischen Bauelementen, die zu einer sinnvollen Funktion verbunden sind, z. B. Blinkgeber, Dämmerungsschalter, Verstärker.

Leiterplatten

Leiterplatte mit Bauelementen

Elektronische Bauelemente werden auf Leiterplatten montiert. Eine Leiterplatte (auch Platine, Board oder PCB von printed circuit board (engl.): gedruckte Schaltung) besteht im Regelfall aus einer 1 – 2 mm dicken Trägerplatte aus Isoliermaterial, häufig mit stabilisierenden Glasfasern. Auf der Oberfläche und oft auch innerhalb der Platte sind Leiterzüge aus Kupfer angeordnet. Zum Schutz vor Oxidation während des Herstellungsprozesses wird das Kupfer häufig verzinnt, versilbert oder sogar vergoldet und mit einer Isolationsschicht überzogen. Dies gibt der Leiterplatte das typisch grüne Aussehen. Wenn die Trägerplatte auf beiden Seiten Leiterzüge hat, wird die Leiterplatte zweilagig genannt (bei existierenden Innenlagen entsprechend mehrlagig). Die Platte wird gebohrt und die Bohrlöcher werden innen metallisiert, um die Leiterebenen miteinander zu verbinden. Zum Schluss werden Widerstände, Kondensatoren und weitere elektronische Bauelemente in die Bohrungen gesteckt und verlötet. Damit ist eine fertige elektronische Baugruppe entstanden, wie eine Hauptplatine oder ein Hauptspeichermodul.

Leiterplatte mit SMD-Bauelementen

Die Microchips in den Abbildungen haben „Beinchen“ (engl.: pin oder lead). Früher hatten alle Microchips „Beinchen“, heute findet man auch Lötkugeln (wie im Schnittbild rechts) oder schwarze Kleckse auf Platinen, wo die Microchips direkt mit der Leiterplatte verbunden sind. Die Industrie bevorzugt Chips mit SMD-Kontakten (Surface Mounted Device, deutsch: oberflächenmontiertes Bauelement), weil dadurch Bohrungen wegfallen und aufgrund der kleineren Anschlussflächen mehr Bauteile untergebracht werden können.

Halbleiter

Nach der elektrischen Leitfähigkeit unterscheidet man Isolatoren (z. B. Porzellan, Gummi, Kunststoff) und Leiter (z. B. Metalle). In hochreinen Silizium- und Germaniumkristallen gibt es bei niedrigen Temperaturen keine freien Elektronen für den Ladungstransport, sie sind dadurch sehr schlechte Leiter. Durch Hinzufügen winzigster Mengen Fremdatome (das Impfen mit Fremdatomen nennt man „Dotieren“, übliche Dosierung: 1 bis 100 Fremdatome auf eine Milliarde Atome) kann die Leitfähigkeit erhöht werden und das Material wird so zum Halbleiter.

Außerdem kann man den Stromfluss erhöhen

  • durch Erhöhung der Temperatur,
  • durch Bestrahlung mit Licht und
  • durch elektrische Felder.

Ein n-Halbleiter wird durch Dotieren mit z. B. Phosphor hergestellt. Weil Phosphor leicht Elektronen (die negativ geladen sind) abgibt, entsteht ein winziger Elektronenüberschuss. Dadurch wird ein Stromfluss, also Ladungstransport, möglich. Weil dieser von der Dotierung abhängt und auch um Größenordnungen geringer sein kann als in Metallen, wird das Material als Halbleiter bezeichnet. Durch Dotierung mit z. B. Indium, welches gierig Elektronen „aufsaugt“, entsteht ein Überschuss an positiv geladenen Atomkernen (quasi ein Elektronenmangel) und man erhält einen p-Halbleiter.

Fügt man p- und n-Halbleiter zusammen, entsteht an der Berührungsfläche eine Grenzschicht. Die nach Elektronen hungernden p-Atomkerne saugen die Elektronen aus der benachbarten n-Schicht. Wenn alle freien Ladungsträger (Elektronen) abgewandert sind, kann kein Strom mehr fließen. Die Grenzschicht wird zur Sperrschicht. Doch wenn man den p-Halbleiter mit dem Pluspol einer Spannungsquelle verbindet und den n-Halbleiter mit dem Minuspol, fließen massenhaft Ladungen in den Kristall. Die Grenzschicht wird mit Ladungsträgern überschwemmt, und dadurch kann Strom fließen.

Polt man die Spannungsquelle um, werden die Ladungsträger abgesaugt. Die Sperrschicht wird größer als im spannungslosen Zustand. Es kann kein Strom fließen.

Ein Bauteil, welches den Strom nur in einer Richtung durchlässt, nennt man Diode oder Gleichrichter.

Transistoren

Das wichtigste Halbleiterbauelement ist der Transistor. Er besteht aus drei Lagen unterschiedlicher Halbleiterschichten. Je nach Reihenfolge der Schichten gibt es pnp- oder npn-Transistoren. Die äußeren Schichten heißen Emitter und Kollektor, die dünnere Sperrschicht zwischen ihnen (unterschiedlich, bis zu wenigen Atomen, dick) heißt Basis. Im stromlosen Transistor „saugen“ Kollektor und Emitter die Ladungsträger aus der Basis heraus und die Basis wird zur Sperrschicht. Der Transistor ist „gesperrt“, und zwischen Emitter und Kollektor fließt nur ein winziger „Reststrom“.

Es wird nur ein sehr kleiner Basisstrom benötigt, um die Basisschicht mit Elektronen zu füllen, denn weniger als ein Millionstel der Atome „hungern“ nach einem Elektron. Sobald ein kleiner Eingangsstrom in den Basis-Anschluss geleitet wird, entsteht dort ein Ladungsträgerüberschuss, der die Basisschicht zum Leiter macht („öffnet“). Dadurch kann ein wesentlich größerer Ausgangsstrom zwischen Emitter und Kollektor fließen. Das Verhältnis vom Ausgangsstrom zum Basis-Steuerstrom ist der „Stromverstärkungsfaktor“, der meist größer als 100 ist.

Anfangs konnte auf jedem Stück Halbleiter nur ein Transistor untergebracht werden. Später gelang es, Widerstände und Kondensatoren aus Halbleitermaterial zu fertigen und zusammen mit dem Transistor auf dem Halbleiterstück unterzubringen. Weitere Miniaturisierung ermöglichte eine wachsende Anzahl von Bauelementen pro Halbleiter.

Ein integrierter Schaltkreis (Mikrochip, engl. integrated circuit, abgekürzt IC) ist eine elektronische Schaltung, die auf einem einzelnen Halbleiterstück untergebracht ist. Weil Halbleiter empfindlich auf Sauerstoff, Licht und Schmutz reagieren und die Anschlüsse an die Pins extrem empfindlich sind, werden sie in einem vergossenen Gehäuse untergebracht.

Ein Prozessor ist ein integrierter Schaltkreis, der einige hundert Millionen Transistoren enthält.

Binärzahlen


Was ist das eigentlich – ein Zahlensystem?

Ein Zahlensystem dient dazu, Zahlen – vor allem große Zahlen – einfach und übersichtlich darzustellen. Außerdem soll es möglichst einfach sein, mit den Zahlen zu rechnen.

Mit dem Wachstum der ersten Städte und Zivilisationen entstand die Notwendigkeit, mit großen Zahlen umzugehen. Auf einem Bierdeckel mit ein paar Strichen die Anzahl der bestellten Biere zu notieren, ist übersichtlich. Mit 300 Strichen zu notieren, dass ein Einwohner mit 300 Krügen Wein seine Steuern bezahlt hat, ist sehr unübersichtlich. Deshalb wurden die ersten Zahlensysteme erfunden: Das sumerische, das ägyptische und später das römische Zahlsystem. Die Grundidee: Für größere Mengen von Einsen werden Gruppensymbole eingeführt. Die Römer verwendeten den Buchstabe „I“ für die Eins. Zehn Striche wurden durch ein „X“ ersetzt, „C“ steht für hundert und „M“ für tausend. Zusätzlich gibt es Halbzahlen: „V“ für fünf, „L“ für 50 und „D“ für 500. So konnte man die 300 Striche durch „CCC“ ersetzen. „MCCXIII“ bedeutet also 1213. Die Zahl 132 kann man als CXXXII, IIXXXC, XCXIIX oder XXXIIC schreiben. Die Reihenfolge der Ziffern spielt eigentlich keine Rolle, nur die Summe zählt. Daher werden derartige Zahlensysteme als „Additionssysteme“ bezeichnet.

Eine beliebige Reihenfolge der Ziffern führt allerdings dazu, dass es für eine Zahl viele verschiedene Schreibweisen gibt. Das ist unübersichtlich. Deshalb hatten die Römer eine Regel, die größeren Ziffern vor den kleineren zu schreiben.

Für die römischen Zahlen gibt es eine weitere, etwas merkwürdige Sonderregelung, um das Schreiben von vier gleichen aufeinander folgenden Zeichen zu vermeiden: Steht vor einer größeren Ziffer eine kleinere, wird die kleine von der großen abgezogen. Die Zahlen werden dadurch kürzer. So schreibt man für die Zahl 49 beispielsweise „XLIX“ ((50 minus 10) plus (10 minus 1)) statt „XXXXVIIII“.

Zahl richtig falsch
4 IV IIII
9 IX VIIII
19 XIX XVIIII
1959 MCMLIX MDCCCCLVIIII

Die Addition und Subtraktion römischer Zahlen ist nicht leicht, gemessen an unserem heutigen Kenntnissen und Gewohnheiten. Sie zu multiplizieren, zu dividieren oder gar zu potenzieren ist ein Albtraum. Das dürfte ein wesentlicher Grund sein, warum von den Römern keine Entdeckungen auf den Gebieten Mathematik, Physik und Astronomie bekannt sind.

Die Inder haben das Dezimalsystem erfunden und die Araber haben es im 13. Jahrhundert nach Europa gebracht. Durch die Rechenbücher von Adam Ries wurde es in Deutschland bekannt. Dieses System vereinfachte das Rechnen sehr.

Stelle 2 1 0
Stellenwert 102 101 100
Beispiel 3 3 3
= 3*102 3*101 3*100
= 3*100 3*10 3*1


Durch welche Besonderheiten ist das Dezimalsystem den römischen Zahlen überlegen?

  • Das Dezimalsystem ist ein Stellenwertsystem mit zehn Ziffern. Alle Zahlen, klein oder beliebig groß, können mit zehn Ziffern (den Ziffern von 0 bis 9) gebildet werden. Zehn Ziffern = Dezimal.
  • Das Dezimalsystem ist ein „Stellenwertsystem“: Der „Wert“ einer Ziffer hängt davon ab, an welcher Stelle einer Zahl sie steht. Wenn eine Ziffer von der letzten Stelle in die vorletzte Stelle einer Zahl vorrückt (wenn man z. B. rechts eine Null anfügt), ist sie zehn mal mehr „wert“. In der Zahl „333“ kommt die Ziffer 3 dreimal vor, wobei sie drei verschiedene ­Bedeutungen hat: Dreihundert, dreißig und drei.
  • Für das Rechnen mit großen Zahlen gibt es „relativ einfache“ Regeln. Ob ich mit zweistelligen oder 20stelligen Zahlen rechne, die Regeln sind dieselben.
Stelle 2 1 0
Stellenwert 22 21 20
Beispiel 1 1 0
= 1*22 1*21 0*20
= 1*4 1*2 0*1

Wir verwenden das Zehnersystem, weil wir Dinge an zehn Fingern abzählen. Hätten die Menschen einen weniger beweglichen Daumen, würden wir möglicherweise das Achter-System (Oktalsystem) für das natürlichste Zahlensystem der Welt halten. Wenn wir leicht bewegliche Zehen hätten und barfuß laufen würden, wäre vielleicht das Zwanziger-Zahlensystem optimal. Die Maya und die Azteken hatten es, und einige isolierte Naturvölker benutzen es heute noch.

Für Computer wird ebenfalls ein Stellenwertsystem benutzt, in dem es nur zwei Ziffern gibt, die Null und die Eins. Die Zwei und alle größeren Zahlen muss der PC aus Nullen und Einsen zusammenstellen. Dieses „binäre Zahlensystem“, auch „Dualsystem“ genannt, wurde im 17. Jahrhundert vom deutschen Philosoph, Mathematiker und Physiker Gottfried Wilhelm Leibniz erfunden. Der Name kommt aus dem lateinischen: bina = paarweise, duo = zwei. So hat z. B. die binäre Zahl "110" im dezimalen System den Wert 6.

Wie rechnet man im Binärsystem? Ganz einfach: Ob es sich um die Regeln für Addition, Multiplikation, Division und andere handelt, alle uns bekannten Rechenregeln sind für alle Stellenwert-Zahlensysteme identisch! Nur der Übertrag bei der Addition erfolgt nicht wie gewohnt nach der Neun, sondern nach der Eins.

Dezimal Dual Hex.
0 0 0
1 1 1
2 10 2
3 11 3
4 100 4
5 101 5
6 110 6
7 111 7
8 1000 8
9 1001 9
10 1010 A
11 1011 B
12 1100 C
13 1101 D
14 1110 E
15 1111 F
16 1 0000 10
17 1 0001 11
18 1 0010 12
19 1 0011 13
20 1 0100 14
21 1 0101 15
22 1 0110 16
23 1 0111 17
24 1 1000 18
25 1 1001 19
26 1 1010 1A
27 1 1011 1B
28 1 1100 1C
29 1 1101 1D
30 1 1110 1E
31 1 1111 1F
32 10 0000 20
33 10 0001 21
34 10 0010 22
35 10 0011 23
36 10 0100 24
37 10 0101 25
38 10 0110 26

Warum benutzen Computer nicht das Dezimalsystem?

Es gibt zwei Möglichkeiten, Ziffern elektrisch darzustellen. Die eine kennen Sie von alten Telefonen mit Wählscheibe. Wenn man die Neun wählt, werden neun Strom-Impulse zur Vermittlungsstelle geschickt, die einen Drehwähler um neun Schritte drehen.

Die andere Möglichkeit ist, Ziffern durch unterschiedlich hohe Spannungen darzustellen. Würde man unser gebräuchliches Dezimalsystem für Computer verwenden wollen, müsste man jede der zehn Ziffern durch einen anderen Spannungswert darstellen, z. B. Ziffer 0 durch 0 Volt, Ziffer 1 durch 0,3 V, Ziffer 2 durch 0,6 V, Ziffer 3 durch 0,9 V usw. bis zur Ziffer 9 mit 2,7 V. Diese Spannungen müssten sehr genau eingehalten werden, um sie unterscheiden zu können. Nehmen wir als Beispiel die Ziffer 2 mit 0,6 Volt. Schon eine geringe Abweichung von 5% = 0,15 Volt (5 % von 3 Volt, dem Maximalwert) würde den Pegel auf 0,75 Volt anheben. Dieser Wert wäre von der "Zwei" genau so weit wie von der "Drei" entfernt. Die Elektronik könnte nicht mehr zwischen benachbarten Ziffern unterscheiden.

Ist diese Genauigkeit von deutlich weniger als 5% überhaupt möglich?

Das erste Hindernis ist die extreme Temperaturempfindlichkeit aller Halbleiter. Sie erwärmen sich, wenn Strom hindurchfließt. Zehn Grad Temperaturerhöhung kann die Zahl der freien Ladungsträger verdoppeln. Damit steigt die Stromstärke und der Halbleiter wird immer wärmer, wenn der Strom nicht begrenzt wird, z. B. mit einem Widerstand.

Das zweite Problem ist die Nichtlinearität aller Halbleiterelemente. Wenn man die Eingangsspannung von Null beginnend allmählich erhöht, würde bei einem Bauelement mit linearer Kennlinie der Strom proportional zunehmen. Doch bei einem Transistor fließt noch kein Strom, bis die Eingangsspannung etwa 0,5 Volt erreicht hat. Ob die Spannung 0 Volt oder 0,3 oder 0,5 Volt beträgt, der Ausgangsstrom bleibt auf Null!

Im Bereich von 1,5 bis 3 Volt hängt der Ausgangsstrom fast linear von der Eingangsspannung ab. Steigt die Eingangsspannung weiter, gerät der Transistor in die „Sättigung“: Egal wie weit man die Eingangsspannung erhöht, der Ausgangsstrom steigt nicht mehr.

Mit so einem Bauelement kann man also zehn Ziffern nicht genau genug unterscheiden.

Das dritte Problem sind die großen Toleranzen bei der Herstellung. Winzigste Schwankungen in der Materialqualität und den Fertigungsbedingungen führen zu großen Abweichungen vom Durchschnitt. Betrachten wir als Beispiel ein einfaches Halbleiterelement: Den Transistor. Hochintegrierte Schaltungen enthalten Millionen Transistoren, da müsste es doch möglich sein, einen einzelnen Transistor „nach Maß“ zu fertigen? Weit gefehlt. Der Transistor BC 546 beispielsweise wird seit Jahrzehnten von zahlreichen Firmen als Massenprodukt gefertigt.

Transistor-Stromverstärkungsklassen
Gruppe A Gruppe B Gruppe C
110 ... 220 220 ... 450 420 ... 800

Allerdings schafft es noch immer keiner der Hersteller, Transistoren genau mit den gewünschten Eigenschaften herzustellen. Angenommen, ein Hersteller bekommt eine Bestellung über 10 000 Transistoren mit einer Stromverstärkung zwischen 220 und 450. Er wird etwa 20 000 Stück produzieren und sie in der Gütekontrolle in die Gruppe A, B und C einsortieren. Beachten Sie die gewaltige Streuung des Stromverstärkungsfaktors von 110 bis 800! Der Kunde wird mit den Transistoren aus Gruppe B beliefert. Und der Rest? Der geht ins Lager. Bei entsprechender Preisgestaltung wird sich das meiste verkaufen lassen.

Stellen Sie sich eine Autofabrik vor, wo Autos unterschiedlicher Qualität vom selben Fließband rollen: PKW mit einem Verbrauch von 30 Liter/100 km und 50 km/h Höchstgeschwindigkeit, und eine Stunde später mit 8 Liter/100 km und 300 km/h Höchstgeschwindigkeit. In der Gütekontrolle würden die Autos sortiert und in mehrere Klassen eingeteilt, die dann zu verschiedenen Preisen verkauft werden. Autos mit einem Verbrauch über 20 Litern oder einer Höchstgeschwindigkeit unter 60 km/h werden verschrottet. Nun, vielleicht habe ich ein wenig übertrieben, jedenfalls würden sich die Autobauer unter Ihnen schon bei viel kleineren Qualitätsunterschieden in Grund und Boden schämen. Doch so verfährt die Halbleiterindustrie mit ihren Erzeugnissen.

Wenn es schon bei einem simplen Transistor nicht gelingt, ihn „nach Maß“ herzustellen – wieviel schwerer ist es dann, einen Prozessor mit hunderten Millionen Transistoren mit genau den gewünschten Eigenschaften zu produzieren? Es gelingt nicht. Der Ausschuss steigt exponentiell mit der Größe des Chips. Bei der Einführung einer neuen Produktgeneration kann anfangs deutlich mehr als die Hälfte der Produktion unbrauchbar sein. Auch die brauchbaren CPUs unterscheiden sich. Wenn sie die gleiche Berechnung durchführen, werden sie unterschiedlich heiß. Wenn der Prozessor bei der geplanten Frequenz zu heiß wird, bekommt er eine niedrigere Taktfrequenz aufgedruckt, denn die Wärmeentwicklung ist etwa proportional zur Taktfrequenz. Stromsparende Exemplare, die besonders „cool“ bleiben, werden etwas teurer verkauft und vielleicht in Premium-Notebooks verbaut.

Um auf die Frage zurückzukommen, ob eine Genauigkeit von deutlich weniger als 5% überhaupt möglich ist: Ja, unter den zehntausenden Transistoren könnte man einige wenige finden, die genau genug wären. Allerdings wäre die Ausbeute extrem niedrig und demzufolge der Preis hoch. Bezahlbare Computer könnte man so nicht bauen.

Wenn allerdings ein Transistor nicht zehn, sondern nur zwei Zustände unterscheiden braucht, vereinfacht das die Konstruktion eines Computers enorm. Die zwei Zustände „gesperrt“ und „geöffnet“ beherrscht jeder Transistor.

Ist es aber möglich, statt mit zehn Ziffern mit zwei Ziffern auszukommen?

Das Dualsystem

Das Dualsystem ist ein Zahlensystem, das mit zwei Ziffern auskommt: Null und Eins. Das macht es fehlerresistent. Da die Elektronik nur zwei Zustände zu unterscheiden braucht, sind auch nichtlineare Elemente mit schwankenden Parametern geeignet.

Bei einer Betriebsspannung von 3 Volt gilt meist eine Eingangsspannung zwischen 0 V und 0,8 V als Ziffer 0, und eine Eingangsspannung über 2,0 V gilt als Ziffer 1. Eingangsspannungen zwischen 0,8 V und 2,0 V sind undefiniert und dürfen nicht auftreten.

In jedem Schaltkreis werden die Signale regeneriert: Die Ausgänge eines Schaltkreises liefern 0,4 V bei der Ziffer 0. Selbst wenn diese Spannung etwas größer oder kleiner als 0,4 V ist, wird sie trotzdem von der nachfolgenden Schaltung einwandfrei als Null erkannt, solange sie 0,8 Volt nicht überschreitet. Die 2,4 V Ausgangsspannung der Ziffer 1 darf von 2,0 bis 3,0 Volt schwanken. Durch diese großzügigen Toleranzen bei den zulässigen Eingangsspannungen wird eine hohe Zuverlässigkeit erreicht. Die genauen Spannungen variieren je nach Herstellungstechnologie (TTL, CMOS, Schottky oder andere) und sind Datenblättern zu entnehmen.

Fazit: Nur auf der Basis des binären Zahlensystems kann man bezahlbare Computer bauen, und deshalb müssen wir uns hier mit dem Binärsystem herumschlagen. Erst durch die Reduzierung aller Schaltelemente auf nur noch zwei Spannungsstufen konnten die Toleranzanforderungen an die elektronischen Bauelemente so sehr verringert werden, dass die preiswerte Massenfertigung von Schaltkreisen möglich wurde. Weil wir preiswerte Computer wollen, müssen wir die Unannehmlichkeit in Kauf nehmen, dass die Computer nur Nullen und Einsen kennen und jede, absolut jede Information (Zahlen, Texte, Bilder, Musik, Videos, ...) in eine Folge von Nullen und Einsen umgewandelt werden muss.

Binärzahlen sind allerdings sehr lang und unübersichtlich. Die vierstellige Dezimalzahl 1234 wird im Binärsystem zur 11-stelligen 100 1101 0010. Die Anzahl der Binärstellen wird als „Bit“ (engl.: binary digit; dt.: Binärziffer) bezeichnet, 100  1101 0010 ist also eine 11-Bit-Binärzahl. Ein anderes Beispiel: Die Zahl 1 000 000 wird zu 1111 0100 0010 0100 0000, einer 20-Bit-Zahl. Jeweils 8 Bit werden zu einem Byte zusammengefasst.

Programmierer haben oft mit 32-Bit-Zahlen (4 Byte) zu tun. Ein Beispiel: 0000 0000 0000 0000 1111 1111 1111 0000 ist die Adresse, mit der das BIOS-Programm beginnt. Können Sie sich so eine Zahl merken oder sie wenigstens fehlerfrei abschreiben? Das ist schwierig. Deshalb benutzen Programmierer aushilfsweise das Hexadezimalsystem.

Das Hexadezimalsystem

Das lateinische Wort „Hexadezimal“ bedeutet „Sechzehn“. Es handelt sich also um ein Zahlensystem mit 16 Ziffern. Mit den Ziffern 0 bis 9 hat man aber nur 10 Ziffern zur Verfügung. Um nicht sechs weitere Ziffernsymbole neu erfinden zu müssen (und weltweit neue Computertastaturen mit sechs zusätzlichen Tasten einführen zu müssen), verwendet man die Zeichen A, B, C, D, E und F als Ziffern. Zählen wir einmal im Hexadezimalsystem, beginnend mit der Ziffer Null:

0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F, 20, 21, 22 usw. Nach der 79 kommt 7A, 7B, 7C, 7D, 7E, 7F, 80. Nach AE kommt AF und B0, nach FE kommt FF, 100 und 101. Alles klar?

Wie wandelt man Binärzahlen in Hexadezimalzahlen um und umgekehrt? Nehmen wir das Beispiel mit der Darstellung einer Million.

Binär 1111 0100 0010 0100 0000
Hexadezimal F 4 2 4 0

Die Umrechnung von Binärzahlen in Hexadezimalzahlen ist ganz leicht. Man unterteilt die Binärzahl von Rechts beginnend in Vierergruppen und ersetzt jede Vierergruppe durch eine Hexadezimalziffer. So hat eine Hexadezimalzahl viermal weniger Stellen als die gleiche Binärzahl. Das ist der Vorteil des Hexadezimalsystems: Große Zahlen werden kompakt dargestellt und man kann sie sich besser merken.


ASCII-Tabelle (Auszug)
Zeichen dezimal binär
0 48 110000
1 49 110001
2 50 110010
...
9 57 111001
: 58 111010
; 59 111011
< 60 111100
= 61 111101
> 62 111110
? 63 111111
@ 64 1000000
A 65 1000001
B 66 1000010
C 67 1000011
D 68 1000100
...
a 97 1100001
b 98 1100010
c 99 1100011

Wie kann der PC Buchstaben und Zahlen darstellen?

Um Texte zu schreiben, benutzen wir ein Alphabet aus einigen Dutzend Buchstaben sowie zahlreiche Sonderzeichen. Für Zahlen haben wir zehn Ziffern zur Verfügung. Das „Alphabet“ des Computers besteht aber nur aus zwei Zeichen: Eins und Null. Wie kann man damit auskommen?

Die Methode ist einfach und wurde schon vor langer Zeit erfunden. Denken Sie bitte mal an das Morsealphabet: Es gibt kurze und lange Zeichen („Punkt“ und „Strich“) sowie Pausen zwischen den Zeichen. In der Morsecode-Tabelle ist jedem Buchstaben eine Kombination von Punkten und Strichen zugeordnet. Eine ähnliche Codetabelle gibt es auch für die Darstellung von Buchstaben im Computer.

ASCII und das Byte

Eine der gebräuchlichsten Code-Tabellen für Computer ist ASCII, was für „American Standard Code for Information Interchange“ steht. In dieser Tabelle sind alle wichtigen Zeichen der englischen Sprache aufgezählt und von Null bis 127 durchnummeriert. So hat beispielsweise der Buchstabe „A“ die Nummer 65 (binär: 100 0001), „B“ die 66 (binär: 100 0010) usw. Auch die Zeichen für die Ziffern haben eine Nummer: die Ziffer „1“ hat die Nummer 49 (binär: 11 0001). Auch „nicht druckbare“ Zeichen haben eine Nummer bekommen, zum Beispiel die Taste „Enter“ die Nummer 13 (binär: 0000 1101) und die Löschtaste „Rückschritt“ (Backspace) die 8 (0000 1000). In der nebenstehenden Tabelle sind einige Werte aufgeführt.

Hier ist die vollständige  ASCII-Tabelle.

Wenn auf der Tastatur eine Taste nicht funktioniert, drücken Sie die Alt-Taste, tippen Sie auf dem Ziffernblock den dreistelligen ASCII-Code ein und lassen Sie dann die Alt-Taste los. Notebooks haben keine separaten Tasten für den Ziffernblock, statt dessen funktionieren die Tasten rund um das „I“ wie der Ziffernblock, wenn man die Taste „Fn“ (unterste Reihe einer Notebook-Tastatur, zweite von links) gedrückt hält. Wenn Sie zusätzlich zur Fn-Taste die Alt-Taste drücken, erzeugen die Tasten den blau aufgedruckten Tastencode des Ziffernblocks. So können Sie auch einen ASCII-Code eingeben.

Ein Text im ASCII-Format enthält keine Formatierungen (Fett, Kursiv) oder Schriftarten. Wenn Sie den Editor aus der Zubehör-Programmgruppe verwenden oder eine Datei in MS Word als „Nur-Text“ speichern, wird ASCII verwendet.

Nun gibt es zahlreiche Buchstaben in anderen Sprachen, die im englischen Alphabet nicht vorkommen. Für deutsche Texte beispielsweise braucht man die Umlaute sowie das „ß“. Für die ursprünglichen 127 Zeichen der einfachen ASCII-Tabelle wurden deshalb mehrere Erweiterungstabellen mit je 128 zusätzlichen Zeichen zusammengestellt. Die in Amerika, Mitteleuropa und Australien verbreitete Kodierung „Latin-1“ enthält deutsche Umlaute, französische Accent-Zeichen und spanische Zeichen mit Tilde. Dazu kommen diverse kaufmännische und wissenschaftliche Zeichen. Weitere Erweiterungstabellen gibt es für griechische, slawische, nordische und einige andere Sprachen. Das „American National Standards Institute“ (das amerikanische Pendant zum DIN, dem Deutschen Institut für Normung) hat den einfachen und den erweiterten ASCII-Zeichensatz unter dem Namen „ANSI-Zeichensatz“ zusammengefasst.

Verwechseln Sie nicht den ASCII Code mit dem ANSI Code: Die ersten 127 Zeichen sind identisch, doch die restlichen 129 sind unterschiedlich. Der ANSI-Code enthält eine Menge nützlicher Sonderzeichen, die Sie auf der Tastatur nicht finden, wie z. B. £≠«»‰½¼¾∑®†→⇨•±÷∂ƒ©∆≤≈√∫~µ∞. Der ANSI-Code ist immer vierstellig und beginnt mit einer Null. Er wird ebenso wie der ASCII-Code eingegeben.

Unicode

Nun reichen auch 256 Zeichen noch nicht für alle Sprachen aus. Japaner, Chinesen und zahlreiche andere Völker mit nicht-lateinischen Schriftzeichen waren benachteiligt und forderten eine praktikable Möglichkeit, die vielen Zeichen ihrer Sprache genau so selbstverständlich benutzen zu dürfen, wie wir das lateinische Alphabet am Computer benutzen. Deshalb entwickelten die Computerfachleute eine Codierung namens Unicode, mit der man alle jemals von Menschen verwendeten Schriftzeichen speichern kann, einschließlich sumerischer Keilschrift, ägyptischer Hieroglyphen und weiterer Schriftzeichen, die vielleicht zukünftig entdeckt werden. Unicode kann derzeit über 1,1 Millionen unterschiedliche Zeichen darstellen. Je nachdem, welches der vielen Zeichen man darstellen möchte, braucht man dafür 1 bis 4 Byte. Unsere lateinischen Buchstaben werden wie im ASCII-Standard mit einem Byte kodiert. Einige Zeichen der erweiterten ASCII-Tabelle verweisen auf eine der vielen Tabellen mit weiteren Zeichen. MS-Office, OpenOffice und die meisten anderen modernen Schreibprogramme erkennen automatisch, ob ein Text in ASCII oder in Unicode gespeichert ist.

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Zentraleinheit

Der erste Universalcomputer „Z3“ wurde 1941 von Konrad Zuse gebaut. „Universal“ deshalb, weil er „frei programmierbar“ war (d. h. beliebige Programme ausführen konnte). Der Computer Z3 rechnete digital mit 22 Stellen, bestand aus 2600 Relais und konnte 20 Befehle pro Sekunde ausführen.

Ohne von Zuse zu wissen, entwickelte Howard Aiken (USA) im Jahr 1944 aus 3500 Relais und 2225 Fernsprechzählern den „Mark I“. Er war in eine Schrankwand von 15 Meter Länge und 2,5 Meter Höhe eingebaut. Mark I benutzte das Dezimalsystem. Der Computer benötigte 0,3 Sekunden für eine Addition und 6 Sekunden pro Multiplikation. Gebaut wurde er vom Büromaschinenkonzern IBM in einer kleinen Serie für die US-Navy. Seine technischen Daten sollen Thomas Watson, Präsident von IBM, zu der Äußerung veranlasst haben: „Ich glaube, es gibt einen Weltmarkt für vielleicht fünf Computer.“ Nun, bei einem Stückpreis von einer halben Million Dollar und 5 Tonnen Gewicht war Mark I offensichtlich kein Kandidat für eine Massenproduktion ...

1946 ging in den USA der „ENIAC“ (electronic numerical integrator and calculator) in Betrieb. Mit seinen 18 000 Elektronenröhren war er der erste vollelektronische Computer. Er schaffte 35 Multiplikationen pro Sekunde, fast das Doppelte wie der Z3. Angeblich war der ENIAC die Hälfte der Zeit wegen Wartungsarbeiten außer Betrieb – kein Wunder bei den damals noch sehr anfälligen Elektronenröhren. Jeden Monat wurden 2000 Elektronenröhren prophylaktisch ausgewechselt.

1981 begann IBM mit der Serienproduktion des „Personal Computers“. Dessen Erfolg veranlasste zahlreiche Firmen, „kompatible“ Computer zu entwickeln. ­Hardware-kompatibel bedeutet, dass Tastaturen, Drucker, RAM, Laufwerke, Bildschirme und andere Komponenten ­verschiedener Hersteller untereinander austauschbar sind. Software-Kompatibilität bedeutet, dass ein Programm auf Computern unterschiedlicher Hersteller funktioniert, ohne dass irgendwelche Anpassungen nötig sind.

Für Wetterprognosen, Klimasimulationen, Erdbebenvorhersagen und Crashtests werden Supercomputer mit gewaltigen Rechenleistungen eingesetzt. Pharmazie, Genforschung, theoretische Chemie, Astrophysik und viele andere Forschungen kommen nicht ohne Supercomputer aus. Der IBM-Supercomputer Deep Blue mit 256 CPUs hat 1997 um die Krone des Schachweltmeisters gekämpft und mit 3,5 zu 2,5 Punkten gewonnen.

Im Jahr 2012 wurde der „JUQUEEN“ in Deutschland im Forschungszentrum Jülich in Betrieb genommen. Damals belegte er Platz 8 der „Weltbestenliste“ und war der leistungsstärkste Computer Europas. JUQUEEN bestand aus 72 Schränken mit 458 752 Prozessorkernen (28 672 Prozessoren mit je 16 Kernen) und 448 000 Gigabyte Arbeitsspeicher. Nach sechs Jahren wurde er im Mai 2018 abgeschaltet und durch den leistungsstärkeren „JUWELS“ ersetzt. Inzwischen ist der SuperMUC-NG im Leibniz-Rechenzentrum in München ist mit 6480 CPUs mit je 48 Kernen der leistungsstärkste Rechner Deutschlands und der EU.

Ein moderner Supercomputer kostet gegenwärtig eine halbe Milliarde Euro. Etwas „preiswerter“ sind Großrechner, sogenannte „Mainframes“. Sie kosten von 0,5 bis 50 Millionen Euro. Wegen ihrer bemerkenswert hohen Zuverlässigkeit werden sie in den Rechenzentren von Universitäten, Verwaltungen und Großfirmen eingesetzt, beispielsweise für Flugreservierungssysteme.

EDV-Anlagen der „mittleren Datentechnik“ werden von mittelständischen Unternehmen und großen Konstruktionsbüros eingesetzt. Der bedeutendste Anbieter ist IBM mit dem System „AS/400“. Dieses System ist „skalierbar“, d. h. man kann zunächst ein 5-Benutzer-System mit zwei „Power-PC-Prozessoren“ kaufen und es schrittweise bis zu einem System mit dutzenden CPUs für tausend Benutzer erweitern, wenn die Firma wächst.

Bei der AS/400 sind Hard- und Software durch eine „Isolationsschicht“ getrennt. Diese Isolationsschicht ermöglicht es den Anwendern seit zwanzig Jahren, die Hardware zu modernisieren oder auszuwechseln, ohne dass irgendeine Änderung an der Software nötig ist – und umgekehrt. Auf einer AS/400-Anlage können gleichzeitig Windows (in verschiedenen Versionen), Linux, Unix und andere Programme laufen. Die Zuverlässigkeit ist beeindruckend. Allerdings kostet so ein System etwa ein- bis dreihunderttausend Euro.

„Workstations“ sind im Leistungsbereich zwischen der mittleren Datentechnik und einem „gewöhnlichen“ PC angesiedelt. Oft sind mehrere Prozessoren eingebaut, jeder mit mehreren Prozessorkernen. Workstations werden vorzugsweise für CAD-Systeme und für wissenschaftlich-technische Berechnungen eingesetzt. Die Zuverlässigkeit der Hardware übertrifft einen PC um Größenordnungen. Als Betriebssystem werden vorzugsweise Unix- und Linuxsysteme eingesetzt. Die Bedeutung von Workstations hat im letzten Jahrzehnt abgenommen, weil sehr gut ausgestattete PC sich der Leistung von Workstations annähern.

In diesem Buch geht es nur um einen einzigen Typ von Computern, der normalerweise nur einen einzigen Prozessor enthält: Um den Personal Computer, abgekürzt „PC“. Von allen bezahlbaren Computern ist es der Typ mit den vielseitigsten Verwendungsmöglichkeiten. Der „PC“ wird volkstümlich meist als Computer bezeichnet, auch in diesem Buch.

Ende 2008 gab es immerhin schon eine Milliarde PCs. Dazu kommen die 300 000 Server von Microsoft, 100 000 Server der Firma Intel und die 70 000, die der Internet-Provider 1&1 betreibt. Es wird geschätzt, dass Google eine Million Server benutzt [1] und dass jedes Quartal 100 000 dazukommen. Wenn man noch die Playstations von Sony, die Wii von Nitendo und die X-Box von Microsoft dazurechnet (das sind Spielcomputer mit einer ähnlichen Leistung wie ein PC) sowie „Embedded Computer“ (eingebettete, integrierte Computer, die in Handys, Waschmaschinen, Autos und Werkzeugmaschinen stecken), gab es schon gegen Ende des letzten Jahrhunderts viel mehr Computer als Menschen. Seitdem sind Milliarden Smartphones und Tablets dazugekommen. Wikimedia betreibt insgesamt 378 Server (2012).

Hauptkomponenten eines PC

Der wichtigste und meist auch teuerste Teil eines PC-Systems ist die mit Systemkomponenten ausgestattete graue Kiste, die als Systemeinheit oder Grundgerät bezeichnet wird. Auf dem Foto „Hauptkomponenten eines PC“ sehen Sie, welche Teile unbedingt zu einem PC gehören:

  • Das Gehäuse mit Netzteil und Zusatzlüftern,
  • die Hauptplatine mit Prozessor und RAM-Speicher sowie vielen Anschlüssen innen und außen für weitere Hardware,
  • die Festplatte,
  • früher oft ein Diskettenlaufwerk,
  • ein DVD-Laufwerk und
  • weitere Komponenten, zum Beispiel Soundkarte, Fernsehkarte und Netzwerkkarte.

Im Bild rechts oben sind einige dieser Teile in ein Gehäuse gezwängt, das durch die „herumhängenden“ Kabel recht unübersichtlich aussieht. Unterhalb des Netzteils, links neben dem RAM-Modul sehen Sie einen großen Lüfter. Darunter ist der Prozessor versteckt.

An die Systemeinheit werden Peripherie-Geräte angesteckt, meist an der Rückseite.

  • Zu den Eingabegeräten zählen unter anderem Tastatur, Maus und Scanner.
  • Zu den Ausgabegeräten zählen unter anderem Bildschirm, Drucker und Plotter.
  • Zu den Speichergeräten zählen unter anderem externe Festplatten, Brenner, Kamera-Speicherkarten und USB-Sticks.
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Der Prozessor


Intel Pentium II-Prozessor

Die „Central Processing Unit“ (CPU), deutsch: Zentrale Verarbeitungseinheit, kurz: Prozessor, ist die oberste Steuerung für den PC. Die CPU führt Berechnungen aus und steuert alle Komponenten des PC. Keine Mausbewegung, keine Tastenbetätigung, kein Byte, das aus dem Internet eintrifft - nichts darf der CPU entgehen. Leistung und Qualität der CPU sind daher entscheidend für die zuverlässige Funktion des ganzen Computersystems.

Im Laufe der Jahrzehnte gab es zahlreiche Hersteller von CPUs: Intel, AMD, Motorola, Cyrix, IBM, IDT, NEC, SiS, UMC, VIA, ARM, Rockwell und andere. Die Firma Intel ist der Marktführer und bestimmt seit Jahrzehnten entscheidend die technologische Entwicklung. Die Firmen AMD mit ihrem Athlon-Prozessor und Apple sind für Intel die wichtigsten Konkurrenten.

Jede Prozessorfamilie hat im Vergleich zur vorhergehenden Generation neue, erweiterte Eigenschaften und zusätzliche Befehle. Ein wichtiges Designkriterium ist die „Kompatibilität“: Jeder Prozessorhersteller achtet sorgfältig darauf, dass auf jeder neuen CPU alle Befehle ebenso funktionieren wie auf der Vorgänger-CPU. Dadurch läuft Ihre vertraute Software auf jedem neuen Prozessor. Allerdings braucht man für eine neue Generation von CPUs fast ausnahmslos eine neue Generation von Hauptplatinen.

Im Sommer 2018 ist der Core i9-7980X das „Flaggschiff“ von Intel. Es ist ein 18-Kern-Prozessor mit vier Speicherkanälen und einem Takt von 3,3 GHz, der im Turbo-Modus auf 4,5 GHz steigt. Er kostete anfangs 2250 Euro. Einfachere Modelle aus der Core i3 Serie gibt es bereits ab 50 Euro.

In der nachfolgenden Tabelle sind wichtige historische Prozessorfamilien des Herstellers Intel, deren Taktfrequenzen und deren Bezeichnungen als Beispiel dafür aufgeführt, in welchen Schritten sich die Prozessortechnik entwickelt hat. Auf einen Vergleich konkreter aktueller Prozessoren von Intel, AMD und anderen Herstellern wird hier verzichtet, da die Entwicklung sehr schnell fortschreitet. Der Intel-Ingenieur Gordon Moore prognostizierte schon 1965, dass die Transistoranzahl in integrierten Schaltkreisen alle zwei Jahre verdoppelt werden kann. Die Presse nannte diese Regelmäßigkeit dann das Mooresche Gesetz. Es handelt sich dabei allerdings nicht um ein wissenschaftliches Naturgesetz, sondern um eine durch empirische Beobachtung begründete Faustregel, die auf langfristigen Planungen der Halbleiterindustrie beruht und die bis heute zutrifft.

In der Wikipedia gibt es eine vollständige  Liste der Mikroprozessoren von Intel und auch eine Liste für alle Prozessorhersteller:  Liste von Mikroprozessoren.
1978 i8086 (PC XT) 4,77 MHz 29000 Transistoren
1982 i80286 (286er) 6 – 16 MHz 120000 Transistoren
1985 i80386 (386er) 16 – 33 MHz 275000 Transistoren
1991 i80486 (486er) 33 – 100 MHz 1,2 Mio. Transistoren
1993 Pentium 66 – 200 MHz 3,1 Mio. Transistoren
1997 Pentium MMX 166 – 233 MHz 4,5 Mio. Transistoren
1997 Pentium II 233 – 450 MHz 7,5 Mio. Transistoren
1999 Pentium III 333 – 1400 MHz 24 Mio. Transistoren
2000 Pentium 4 1400 – 3500 MHz 42 Mio. Transistoren
2006 Core Duo 1660 – 2160 MHz 151 Mio. Transistoren
2006 Core 2 Duo 1667 – 2333 MHz 291 Mio. Transistoren
2008 Core i3, i5, i7 1000 - 3200 MHz 1170 Mio. Transistoren
2011 Core i7-3960X 3300 - 3900 MHz 2270 Mio. Transistoren
2015 Core i7-5960X 3000 - 3500 MHz 2600 Mio. Transistoren
2017 Core i9-7900X 3300 - 4500 MHz 3500 Mio. Transistoren

Die Bestandteile der CPU

  • Das Rechenwerk (Arithmetic Logic Unit, ALU) führt die Berechnungen aus,
  • Die Steuereinheit (Control Unit, CU) entschlüsselt die Befehle,
  • Der Speichermanager (Memory Management Unit, MMU) verwaltet den Arbeitsspeicher,
  • Der mathematische Coprozessor (Floating Point Unit, FPU) führt  Gleitkommaberechnungen aus,
  • Der CPU-Cache speichert häufig benötigte Daten.

Die Taktfrequenz

Gesetzliche Maßeinheiten
1 s = 1000 ms (Millisekunden)
1 ms = 1000 μs (Mikrosekunden)
1 μs = 1000 ns (Nanosekunden)
1 ns = 1000 ps (Pikosekunden)

Alle Vorgänge in einem Prozessor laufen getaktet, also synchron ab. Die Taktfrequenz gibt an, wie oft die Taktsignale erfolgen. Der erste IBM-PC mit dem Prozessor „i8088“ aus dem Jahr 1981 hatte eine Taktfrequenz von knapp 5 MHz (MHz = Megahertz = Millionen Takte pro Sekunde). Jeder Takt dauert also 200 ns (Nanosekunden). Jede einzelne Schaltung des i8088 war so entworfen, dass sie niemals länger als 200 ns für einen einfachen Befehl braucht. Anders ausgedrückt: Ein Prozessortakt ist die Zeit für die Ausführung eines einfachen Befehls, zum Beispiel einer Addition. Auch ein Speicherzugriff dauerte damals genau einen Takt. Heutige PCs haben Taktfrequenzen von drei bis vier Gigahertz (drei bis vier Milliarden Takte pro Sekunde).

Das ist allerdings eine vereinfachte Darstellung. Einige Befehle sind komplizierter auszuführen als andere und ihre Ausführung dauert deutlich länger. Nehmen wir als Beispiel die Division. Einerseits ist sie viel aufwändiger als eine Addition, andererseits kommt sie sehr selten vor. Die Taktfrequenz und damit die Rechengeschwindigkeit wurde so gewählt, dass die meisten Befehle während eines Taktes ausgeführt werden können. Aufwändigere Befehle bekommen als „Fristverlängerung“ einen zweiten, dritten oder weitere Takte genehmigt.

Es ist logisch, dass eine CPU mit einer höheren Taktfrequenz mehr Befehle pro Zeiteinheit ausführen kann. Deshalb wurde im Laufe der Jahre die Taktfrequenz der CPU schrittweise erhöht. Die Taktfrequenzen stiegen von anfangs 4,77 MHz (1981) auf 6, 8, 10 und 12 MHz. Immer schnellere CPUs wurden entwickelt. Es entbrannten regelrechte „Megahertz-Schlachten“ zwischen den Konkurrenten: Wer hat den schnellsten Prozessor? Etwa 1993 erreichten die Prozessoren eine Taktfrequenz von 100 MHz, was 10 ns pro Takt entspricht: Eine Steigerung auf das zwanzigfache in zwölf Jahren! Im Jahr 2002 waren 3000 MHz erreicht. Eine weitere Steigerung schien fast unmöglich, denn es wurde immer schwieriger, die CPUs ausreichend zu kühlen. Denn je höher die Taktfrequenz, desto öfters Stromimpulse und das führt zu erhöhter Wärmentwicklung (erhöhter Elektronenfluss = erhöhte Reibung = erhöhte Wärmeabgabe), wie erhöhten elektrischen Widerstand in den extrem winzigen Millionen Leiterbahnen.

Einer der Auswege war das Hyper-Threading-Verfahren (HT), das im Jahr 2002 von Intel auf den Markt gebracht wurde. Ein „Thread“ (dt.: Faden), im Sinne der Computertechnologie „Programmfaden“, ist ein kleiner Programmabschnitt, der unabhängig von anderen Threads ausgeführt werden kann. Wenn Sie z. B. von einem Rechteck die Fläche f = a × b und den Umfang u = 2 (a + b) berechnen müssen, hat es keinen Einfluss auf die Ergebnisse, in welcher Reihenfolge die Berechnungen ausgeführt werden. Wenn die CPU einen Programmfaden nicht weiter ausführen kann (z. B. weil das Heranschaffen von Daten aus dem Arbeitsspeicher noch ein Weilchen dauert), wechselt eine Hyper-Threading-fähige CPU einfach zur Abarbeitung eines anderen Programmfadens. Theoretisch verdoppelt sich die Leistung der CPU durch HT, realistisch ist ein Leistungszuwachs bis zu 33% ohne Erhöhung der Taktfrequenz.

Seit 2006 gibt es CPUs mit zwei Prozessorkernen in einem gemeinsamen Gehäuse. Der Intel Core 2 Quad mit vier Kernen ist seit Anfang 2007 erhältlich und die Intel Core i7 enthalten sechs, acht oder zehn Prozessorkerne, der Intel Core i9 sogar 18 Kerne. Einerseits kann mit der Mehrkerntechnologie der Energiebedarf der CPU und damit die Wärmeentwicklung drastisch reduziert werden, indem z. B. ungenutzte Funktionseinheiten und auch ganze Kerne zeitweilig abgeschaltet werden. Andererseits steigt die Rechenleistung drastisch an. Eine Acht-Kern-CPU mit 3 GHz Taktfrequenz, wobei jeder Kern Hyper-Threading beherrscht, kann (rein theoretisch) 8 × 3 × 2 = 48 Milliarden Befehle pro Sekunde ausführen! In der Liga der Hochleistungscomputer sind CPUs mit 12, 16, 57 oder 260 Kernen weit verbreitet.

Der RAM (Arbeitsspeicher) enthält die Daten und Befehle für die CPU. Seine Geschwindigkeit ist wichtig für die Leistung des Computers. Pro Befehl müssen durchschnittlich ein bis vier Datenbyte aus dem RAM gelesen werden, der Befehl selbst ist weitere ein bis vier Byte lang. Die RAM-Zugriffszeiten hatten sich von 120 ns (1981) auf 12 ns (1990) verringert. Während die Geschwindigkeit der CPUs auf das 20-fache stieg, wurde RAM „nur“ 10-mal schneller. Der RAM wurde zunehmend zur Bremse. Je schneller die CPUs wurden, desto öfter mussten sie für einige Takte pausieren (sogenannte Wartetakte einlegen, engl: „Waitstate“), um auf das Eintreffen der angeforderten Daten aus dem RAM zu warten. Was nun?

Es gibt bisher drei Lösungsmöglichkeiten, um den RAM-Engpass zu entschärfen: Bus-Breite, Parallelisierung und den Cache-Speicher. (Als „Bus“ werden die Datenleitungen im PC bezeichnet, mit denen große Datenmengen transportiert werden. Es gibt z. B. den PCI-Express-Bus, der die Steckplätze der Erweiterungskarten verbindet, und den Speicherbus, der die RAM-Steckplätze mit der CPU verbindet. 64 Datenleitungen, bis zu 40 Adressleitungen und einige Steuerleitungen bilden den Speicherbus.)

  • Der erste PC mit der i8088-CPU holte sich jedes Byte einzeln aus dem Speicher. Die i8086-CPU konnte bereits 16 Bit = 2 Byte parallel (d.h. gleichzeitig, in einem Lesevorgang) aus dem Speicher lesen. Die 286er und 386er Prozessoren arbeiteten mit einer 32 Bit (4 Byte) Anbindung, während die Pentium-CPUs 64 Bit (= 8 Byte) in einem Speichertakt lesen bzw. schreiben können.
  • Den Speicherbus von derzeit 8 Byte auf 16 Byte zu verbreitern wäre eine Möglichkeit, doch es würde sich nicht lohnen. Die CPU greift im ständigen Wechsel auf mindestens zwei Speicherbereiche zu: Daten und Programmcode. Es ist zu selten, dass die CPU mehr als acht unmittelbar aufeinanderfolgende Byte benötigt. Deshalb arbeiten moderne CPUs mit der Dual-, Triple- oder Quad-Channel-Technologie: Aus der CPU führen zwei, drei oder vier Speicherbusse zu den RAM-Steckplätzen. Während ein Speicherkanal noch mit Lesen oder Schreiben beschäftigt ist, kann die CPU weitere Anforderungen an die anderen Speicherkanäle richten. Der Hardware-Aufwand ist freilich groß. Für jeden Speicherbus müssen mehr als hundert Kontakte aus der CPU herausgeführt werden. Deshalb haben die Vier-Kanal-CPUs von Intel 2011 oder 2066 Pins („Beinchen“).
  • Die dritte Möglichkeit ist die Verwendung eines „Cache“-Speichers, sprich „Kesch“ oder „Käsch“. Der Prozessorcache ist ein kleiner schneller Speicher, der sich das Prozessorgehäuse mit der CPU teilt und die Arbeit der CPU wesentlich beschleunigt.

Turbo-Modus, Speedstep und die Wärmeentwicklung

Solange sich ein Computerschaltkreis im Zustand „0“ oder „1“ befindet, verbraucht er fast keinen Strom. Während des Umschaltens zwischen den Zuständen steigt der Strombedarf steil an. Je öfter die Umschaltung erfolgt (also je höher der Takt), desto höher ist die Wärmeentwicklung. Die leistungsschwache CPU „Pentium Dual-Core E2140“ beispielsweise braucht 42 Watt im Betrieb und nur 11 Watt im Leerlauf. Wenn sie von ihrer Nominalfrequenz von 1,6 GHz auf 3,4 GHz übertaktet wird (d. h. mit überhöhter Geschwindigkeit betrieben wird), steigt der Energiebedarf auf 83 Watt. Also doppelte Frequenz bei fast verdoppelter Verlustleistung. Leistungsstarke CPUs, z. B. der „Pentium Dual Core D 840“ mit 2 x 3,2 GHz verwandelt 140 Watt in Wärme, der „Athlon 64 X2 6400+“ 124 Watt. Wie kann die Geschwindigkeit noch weiter gesteigert werden?

Die Dual Core D840 CPU hat eine Fläche von 2 cm2 und verwandelt 140 Watt in Wärme. Das ergibt eine Heizleistung von 70 W/cm2 (140 W auf 2 cm2 Fläche des Prozessors). Wie bescheiden wirkt dagegen die Hitze einer Kochplatte: Bei 18 cm Durchmesser hat sie eine Fläche von etwa 250 cm2. Bei einer Leistung von 750 Watt ergibt das nur 3 W/cm2. Ich hoffe, es ist jetzt verständlich, wie wichtig eine gute Kühlung ist. Eine weitere Erhöhung der Frequenz um 20% hätte 19% mehr Wärme erzeugt.

Es wurde faktisch unmöglich, durch Erhöhung der Taktfrequenz mehr Leistung zu erreichen. Intel und AMD mussten deshalb das Wettrennen um die meisten Gigahertz etwa gleichzeitig im Jahr 2004 beenden und nach neuen Wegen zur Leistungssteigerung suchen. Eine der Möglichkeiten ist die Verkleinerung der Strukturen. Stark vereinfacht gesagt: Dünnere Leiter enthalten weniger Atome, deshalb müssen weniger Elektronen in Bewegung gesetzt werden, damit ein Strom fließt. Eine weitere Möglichkeit sind Mehrkernprozessoren: Die am höchsten belasteten Baugruppen in der CPU wie z. B. das Rechenwerk sind mehrfach vorhanden. Sie teilen die Arbeit untereinander auf und werden deshalb weniger heiß.

„Turbo-Modus“ ist die Fähigkeit der CPU, abhängig von der Auslastung der Kerne und der CPU-Temperatur den Takt kurzzeitig zu erhöhen, sogar zu verdoppeln. Die CPU überwacht ständig die Temperatur ihrer Hauptkomponenten. Wenn ein Kern zu heiß wird, macht er eine Abkühlpause und einer der kühleren Kerne übernimmt die Arbeit. Wenn die Anwendung nur einen der Kerne benutzt, kann dieser höher getaktet werden, während ungenutzte Kerne abkühlen. Die Technologie Turbo-Boost Max ermittelt den Kern, der momentan am höchsten übertaktet werden kann, und weist diesem Kern die wichtigste (zeitkritischste) Aufgabe zu.

„Speedstep“ ist die Fähigkeit der CPU, bei geringer Belastung den Takt automatisch zu verringern. Es wird Strom gespart und die in der CPU angesammelte Wärmemenge wird allmählich abgebaut. Wenn die nächste „Turbo-Modus-Phase“ beginnt, kann die CPU etwas länger durchhalten, bis sie gedrosselt werden muss.

Intel, AMD und Apple

Es gibt nur noch drei bedeutende Hersteller von PC-Prozessoren: die Firma Intel ist der Marktführer, AMD ist der zweitgrößte Hersteller. AMD hatte im Jahr 2006 mit der Prozessorfamilie „Athlon“ etwa die gleiche Leistung und fast den gleichen Marktanteil wie Intel. In den Folgejahren gelangte Intel mit den Core-Prozessoren an die Spitze. Intel hatte Anfang 2019 bei CPUs für Desktop und Notebooks einen Marktanteil von zwischen 80 und 85 %. Mit den „Ryzen“-CPUs liegt AMD bei 15 bis 20 % mit steigender Tendenz. Bei Server-Prozessoren hat Intel einen Marktanteil von etwa 95 %.

Apple hatte seine Computer bisher mit Intel-CPUs bestückt. Seit Juni 2020 produziert Apple eine CPU „M1“ mit 16 Milliarden Transistoren, vier Hochleistungskernen und weiteren vier Stromsparkernen für einfache Aufgaben. Die M1-CPU soll in allen Apple-Neuentwicklungen zum Einsatz kommen.

Prozessoren zu entwickeln, ist aufwendig. Intel gibt an, dass die Kosten für die Entwicklung des ersten Pentium höher waren als der Kaufpreis eines komplett ausgerüsteten Flugzeugträgers. Dazu kommt der Aufwand, für jede neue CPU-Generation neue Chipfabriken zu bauen. Inzwischen können bzw. wollen sich nur noch zwei Firmen die hohen Entwicklungskosten für Universalprozessoren leisten: Intel und AMD. Einige weitere Firmen bauen Spezialprozessoren, z. B. für Handys und Smartphones.

Marktanteile zu erringen ist nicht einfach. Ein Hersteller kann seine Prozessoren nur verkaufen, wenn sie „befehlskompatibel“ zu Intel-Prozessoren sind. Befehlskompatibel bedeutet, dass alle Befehle das gleiche Resultat liefern müssen wie das Intel-Original (es darf aber zusätzliche Spezialbefehle geben).

Für einen nicht kompatiblen Prozessor würde es keine Software geben, der Hersteller müsste ein eigenes Windows und alle Anwendungsprogramme selbst entwickeln. Jeder Hersteller kann natürlich zusätzliche Befehle einbauen und darauf hoffen, dass die Softwarehersteller diese auch benutzen werden. Beim 386er hatte IBM Bedenken, von einem einzigen Prozessorhersteller abhängig zu sein. Intel wurde genötigt, der Firma AMD die Fertigungsunterlagen zu überlassen. Dadurch konnte damals jeder Kunde frei wählen, ob er auf seine Hauptplatine einen von Intel oder einen von AMD produzierten Prozessor stecken will. Diese Vereinbarung ist längst ausgelaufen.

Heute muss jeder Prozessorhersteller die interne Schaltung und die Anschlüsse seiner CPU anders aufbauen als die Intel-Ingenieure, um nicht von Intel wegen Patentverletzung verklagt zu werden (und umgekehrt). Deshalb gibt es gravierende Unterschiede in der internen Architektur der CPUs verschiedener Hersteller. Das bedeutet leider auch, dass die Hauptplatinen für Intel- und AMD-CPUs unterschiedlich sind. Sie können also nicht probeweise eine AMD-CPU durch eine Intel-CPU ersetzen, um zu testen, welche schneller ist.

Unterschiede im Design

Intel favorisiert ein Design, bei dem die Recheneinheiten des Prozessors pro Takt etwas weniger leisten (und deshalb weniger warm werden), wodurch man den Prozessor etwas höher takten kann. Bei anderen Architekturen ist der Fall eher umgekehrt: bei mobilen CPUs und der sog. Core-Architektur (die Nachfolger des Pentium 4) wird mit geringer Taktfrequenz viel Leistung erreicht.

AMD hat sich für ein Design entschieden, bei dem die Recheneinheiten pro Takt mehr leisten. Außerdem steckt ein Teil vom Chipsatz im Gehäuse der CPU. Dadurch wird die CPU heißer und darf nicht so schnell getaktet werden. (Der Chipsatz ist der Daten-Rangierbahnhof zwischen CPU, Speicher und schnellen Peripherieeinheiten.)

Das macht es nicht einfach, die Leistung konkurrierender Prozessoren zu vergleichen. AMD verwendet deshalb einen Umrechnungsfaktor: Der Prozessor ... hat etwa die gleiche Leistung wie ein Prozessor mit xxx MHz sie hätte, aber er schafft diese Leistung mit einer kleineren Taktfrequenz von nur yyy MHz. Das wird "P-Rating" genannt und vergleicht die Leistung mit einem imaginären Athlon Thunderbird.

Welcher Prozessor ist besser – Intel oder AMD? (oder vielleicht sogar ARM?)

Weil und solange die übergroße Mehrheit aller Programmentwickler einen Intel-Prozessor in ihren Test-PCs hat (oder gar ein Mehrprozessorsystem), werden Programme auf Intel-Prozessoren gründlicher getestet und haben deshalb weniger Fehler. Für professionelle Anwendungen, wo Sicherheit und Minimierung des Absturzrisikos extrem wichtig sind, ist eine Intel-CPU mit einem Intel-Chipsatz („Alles aus einer Hand“) die beste Paarung. Ein Athlon mit nVidia-Chipsatz dürfte die zweitbeste Paarung sein. Wenn das Preis-Leistungs-Verhältnis wichtig ist, liegt meist AMD vorn. Außer den genannten Prozessoren, sind erste Desktop und Netbook Rechner mit ARM CPU erhältlich. Zurzeit werden sie häufig mit dem Betriebssystem Android von Google ausgeliefert und zeichnen sich durch besonders geringe Anschaffungskosten und minimalen Stromverbrauch aus. Auch ihre Rechenleistung ist nicht zu unterschätzen. Ein Beispiel für Prozessoren dieser Familie ist der NVIDIA Tegra 2. Das Betriebssystem Windows ist zurzeit nicht für Geräte dieser Art verfügbar, auch wenn der Hersteller verlauten lässt, daran zu arbeiten. Für Benutzer, die sich durch ihr Smartphone bereits an Android gewöhnt haben, können diese Geräte jedoch eine echte Alternative darstellen.

Celeron, Duron und Sempron

Normale Büroluft enthält einige hunderttausend feinster Staubteilchen pro Liter. CPUs werden in Reinsträumen produziert, in denen pro Liter Luft maximal ein Staubkorn vorkommen darf. Prozessoren sind nur wenige Quadratmillimeter groß, und nicht jedes Staubkorn fällt auf einen Prozessor. Wenn es trifft, verursacht es verheerende Schäden. Ist nur einer von Millionen Transistoren defekt, ist der Chip unbrauchbar. Es gibt allerdings eine Ausnahme: Wenn der Schaden nur eine Hälfte des internen Cache betrifft und die andere Hälfte des Cache fehlerfrei ist, wird die defekte Hälfte des Cache abgeschaltet. Das kommt nicht selten vor, denn der interne Cache belegt etwa die Hälfte der Schaltkreisfläche und ist von Fehlern relativ oft betroffen. Der Chip wird mit halbem Cache unter dem Markennamen Celeron (intel) oder Duron (AMD) zu einem deutlich geringeren Preis verkauft. Diese Prozessoren schaffen noch etwa 80% der Leistung des vollständigen Prozessors und sind ansonsten voll kompatibel und fehlerfrei. Für viele Büro- und Heim-PC reicht das aus.

AMD produziert anstelle des Duron jetzt den "Sempron", Intel bietet immer noch den "Celeron" an. Wenn die Nachfrage nach CPUs im unteren Leistungssegment sehr groß ist, werden auch schon mal vollständig intakte CPUs durch Verkleinern des internen Cache, das Abschalten einiger Kerne oder andere Maßnahmen „abgespeckt“. So können die Prozessorhersteller relativ schnelle, moderne Prozessoren im unteren Preissegment anbieten, ohne die Preise für die „vollständigen“ Prozessoren zu senken.

Benchmarks

Um die Leistung heutiger CPUs zu vergleichen, reicht ein Blick auf die Taktfrequenz nicht mehr aus. Größe und Organisation des Cache-Speichers, die Qualität der Vorschaulogik, die interne Arbeitsteilung zwischen den Baugruppen der CPU und Designunterschiede haben entscheidende Bedeutung. Intel verwendete den iCOMP-Index und AMD das P-Rating und QuantiSpeed, um (vorzugsweise die eigenen) CPUs zu vergleichen. Heute beurteilt und vergleicht man die Leistung von CPUs mit speziellen Testprogrammen, sogenannten „Benchmarks“, wie z. B. https://www.cpubenchmark.net (engl.). Diese Testprogramme lassen den PC ein Sortiment vorgegebener Aufgaben aus einem bestimmten Themengebiet lösen (z. B. die Konvertierung eines Videos). Die benötigte Zeit wird gestoppt und mit der Konkurrenz verglichen. Fachzeitschriften sind voll mit solchen Tests.

Was taugen die Benchmarks?

Leider kann man keinen der vielen Benchmarks als den besten empfehlen. Das Problem ist: Je nachdem, wofür Sie Ihren PC nutzen, sind unterschiedliche Kriterien wichtig. Betrachten wir zwei Beispiele.

  • Server haben große Datenmengen zu speichern. In Servern werden viele Festplatten parallelgeschaltet, die gewaltige Datenströme liefern können. Die Leistung eines Servers wird danach beurteilt, wie schnell er Daten von den Festplatten zu den Netzwerkkarten und umgekehrt transportieren kann. Der Arbeitsspeicher kann gar nicht groß genug sein. Die Leistung der Grafikkarte ist irrelevant, denn niemand schaut auf den Bildschirm. Die Rechenleistung der CPU spielt oft eine untergeordnete Rolle. Sie muss ja fast nichts rechnen, sondern nur den Datentransfer organisieren.
  • Kauft man einen PC für die neuesten Actionspiele, braucht er vor allem eine hervorragende Grafikkarte und einen guten Prozessor. Die Leistung der Festplatte und des Netzwerks sind etwas weniger wichtig.

Es gibt also keinen Allround-Benchmark, sondern man braucht für jede Benutzergruppe andere Benchmarks.

Tipp: Welcher Prozessor steckt in Ihrem PC?

Wenn Sie mit Windows 10 oder 11 arbeiten, klicken Sie mit der rechten Maustaste auf „Dieser PC“, dann mit der linken Taste auf „Eigenschaften“. Dort finden Sie Angaben zu Ihrer CPU.

Wenn Sie mit Linux arbeiten, können Sie sich auf der Shell die Daten der CPU ihres Systems mit folgenden Befehl anschauen:  cat /proc/cpuinfo

Wenn Sie mit MacOS arbeiten, klicken Sie im Apfel-Menü mit der linken Taste auf „Über diesen Mac“. Dort finden Sie die Angaben zu Ihrer CPU.

Wollen Sie mehr über Prozessoren wissen?

Der Cache-Speicher des Prozessors


Der Cache-Speicher des Prozessors

Was ist das - ein Cache?

Wenn die CPU ein Byte aus dem RAM braucht, muss sie lange warten. Wenn die CPU das Byte fünf Mal braucht, muss sie fünf Mal warten. Als Abhilfe bekommt die CPU einen Cache und einen Cachecontroller. Das Wort „Cache“ wird mit Zwischenspeicher, Pufferspeicher, geheime Vorratskammer oder geheimes Lager übersetzt. „Geheim“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass von außen nicht sichtbar ist, was sich darin abspielt.

Bei jedem Lesezugriff der CPU auf den Arbeitsspeicher wird eine Kopie der gelesenen Daten im Cache gespeichert. Wenn die CPU ein Byte zum ersten Mal anfordert, ist es noch nicht im Cache-Speicher. Das nennt man einen „Cache-Miss“. Wird dieses Byte kurz nach der ersten Verwendung erneut angefordert, findet es der Cache-Controller im Cache. Einen solchen „Treffer“ nennt man „Cache-Hit“. Die CPU bekommt das Byte aus dem Cache und muss nicht auf den Arbeitsspeicher warten.

Der Speicherbus ist seit dem ersten Pentium 64 Bit breit. Der Arbeitsspeicher liest stets acht Byte, niemals ein einzelnes Byte. Entsprechend merkt sich auch der Cache acht benachbarte Byte als „Cache-Line“, sprich „kesch-lain“. Wenn die CPU ein benachbartes Byte anfordert, kann sie aus dem Cache bedient werden.

  • Ein Festplattencache ist Bestandteil der Festplattenelektronik. Wenn ein Teil einer Spur von der CPU angefordert wird, speichert der Cache den Rest der Spur für eventuelle spätere Anfragen.
  • CD- und DVD-Brenner benutzen einen Cache. Dadurch reißt der Datenstrom nicht ab, wenn es zu kleinen Verzögerungen beim Nachschub der zu brennenden Daten kommt. Auch beim Lesen hilft der Cache, vor allem bei transportablen Playern: wenn der Lesekopf wegen eines Schlagloches die Spur verloren hat, kommt die Musik übergangsweise aus dem Cache.
  • Im Inneren der CPU gibt es einen Prozessor-Cache, um den es im Weiteren geht.

Warum braucht die CPU einen Cache?

In den ersten CPUs gab es drei zeitlich getrennte Phasen:

  1. Die CPU beauftragt die Speichersteuerung, einen Befehl und die zugehörigen Daten aus dem Speicher zu holen, und wartet geduldig, bis der Speicher die bestellten Bytes liefert.
  2. Sind die Daten eingetroffen, führt die CPU den Befehl aus. Inzwischen wartet der Speicher, denn erst nach Ausführung des Befehls steht fest, welcher Befehl und welche Daten als nächste gebraucht werden.
  3. Das Ergebnis der Berechnung wird in den Speicher zurückgeschrieben.

Dabei geht viel Zeit verloren, weil CPU und Speicher immer nur abwechselnd arbeiten. Dieser Geschwindigkeitsverlust lässt sich durch ein „Prefetch“ genanntes Verfahren der „Vorratshaltung“ vermindern: Eine Baugruppe der CPU holt die nächsten Befehle im Voraus und hält sie in einem Zwischenspeicher, dem Cache, solange bereit, bis sie von der CPU gebraucht werden. Seit dem ersten Pentium laufen das Heranschaffen der Daten und deren Verarbeitung weitgehend gleichzeitig ab.

Pentium Pro, links: Steuer- und Recheneinheiten, rechts: Cache Level II, erkennbar an der regelmäßigen Struktur

Der Prozessor-Cache ist ein kleiner, schneller Speicher, der Kopien von den am häufigsten ­benötigten Daten des Arbeitsspeichers enthält. Wenn der Prozessor Daten aus dem Arbeitsspeicher anfordert, prüft die Elektronik blitzschnell, ob von den benötigten Daten vielleicht schon eine Kopie im Cache-RAM existiert. Wenn ja (ein „Cache-Hit“), erhält die CPU die Daten noch im selben Takt. Wenn nein (ein „Cache-Miss“), wird die Anforderung an den Arbeitsspeicher weitergegeben. Die CPU muss warten, d. h. einige Wartetakte einlegen, oder vorübergehend zu einer anderen Aufgabe wechseln (Hyper-Threading).

Die Strategie der Cache-Nutzung

Irgendwann ist der Cache voll und es muss Platz für neue Daten frei gemacht werden. Der Cache-Controller muss eine Kombination der folgenden Kriterien benutzen, um Entscheidungen zu treffen:

  • Welche Daten sind in den letzten Mikrosekunden am häufigsten benutzt worden,
  • Welche Daten werden voraussichtlich demnächst benötigt und
  • Welche Daten werden voraussichtlich nicht mehr benötigt und können deshalb entfernt werden, um Platz zu schaffen.

Vorausschauendes Lesen

Bevor das Rechenwerk der CPU einen Befehl ausführen kann, haben andere Baugruppen der CPU schon die Vorarbeit geleistet: Sie haben für etwa 5 bis 15 Befehle im Voraus analysiert, welche Daten für diese Befehle benötigt werden, um diese Daten frühzeitig heranzuschaffen. Dadurch kann das Rechenwerk meistens mit voller Geschwindigkeit arbeiten.

Verzögertes Schreiben

Jedes von der CPU berechnete Ergebnis wird zunächst im Cache gespeichert. Wenn das Ergebnis eines Rechenschrittes in einem der nachfolgenden Rechenschritte weiterverwendet wird, kann die CPU ohne Wartezeit darauf zugreifen. Zwar muss das Ergebnis irgendwann in den langsamen Arbeitsspeicher abtransportiert werden, aber das wird vorzugsweise dann erledigt, wenn es mal keine Leseanforderungen an den Arbeitsspeicher gibt.


Sprungvorhersage

Das Problem ist: Woher „wissen“ die elektronischen Schaltungen, welche Daten demnächst „voraussichtlich benötigt“ werden?

„Am häufigsten benutzt“, „voraussichtlich benötigt“ und „voraussichtlich nicht mehr benötigt“ – die Zukunft vorauszusagen, war noch nie einfach. Wie kann die Elektronik voraussehen, was zukünftig benötigt werden wird? Die Treffsicherheit dieser Voraussage ist für die Geschwindigkeit der CPU entscheidend.

Jedes Programm enthält eine große Anzahl Verzweigungsbefehle. So nennt man die Befehle, bei denen die CPU in Abhängigkeit von einem Zwischenergebnis entscheiden muss, wie es weitergeht. Beispiel bei der Musikausgabe: Ist die nächste Note eine Achtel-, Viertel- oder ganze Note? Kommt noch eine weitere Note oder ist das Ende des Musikstückes erreicht? Die ­„Vorausschau-einheit“ der CPU kann das nicht ermitteln und stellte bei frühen Prozessoren die Arbeit ein, bis das Rechenwerk den Verzweigungsbefehl bearbeitet und über den weiteren Programmverlauf entschieden hat. Dadurch tritt allerdings eine Pause ein, weil die Vorausschaueinheit erst die Daten für die Weiterarbeit heranschaffen muss.

Seit Jahren arbeiten die Prozessorhersteller daran, wie die Elektronik die wahrscheinlichste ­Programmfortsetzung immer besser vorhersagen kann (die „Branch Prediction“ = ­Sprung-vorhersage). Hat die Elektronik gut „geraten“ und die richtigen Daten vorbereitet, kann das Rechenwerk zügig weiterarbeiten. „Falsch spekuliert“ bedeutet, dass die Kopien der vorausschauend bereitgestellten Daten verworfen werden und das Rechenwerk warten muss.

Aktuelle CPUs haben 2 bis 22 MB Cache. Obwohl der Hauptspeicher etwa tausend mal größer ist, schafft es die Cache-Verwaltung mit ausgefeilten Algorithmen, beachtliche 80 % bis 90 % der vom Prozessor benötigten Daten rechtzeitig im Cache bereitzustellen.

64-Bit-Verarbeitungsbreite

Die CPU kann jedes Byte des Arbeitsspeichers einzeln adressieren. Ob sie die Bytes einzeln oder in Gruppen anfordert, hängt vom ausgeführten Programm ab. Bei genauen mathematischen Berechnungen sind die Zahlen meist vier Byte groß. Die Bits im Speicher sind zu Gruppen von 64 Bit zusammengefasst. Die 8 Byte einer solchen Gruppe werden stets gleichzeitig gelesen oder geschrieben. Nehmen wir an, dass die CPU nur das dritte Byte dieser Gruppe benötigt. Die Bytes 0 bis 7 werden gelesen, das Byte 3 zur CPU geschickt, und das angeforderte Byte 3 sowie die restlichen 7 nicht benötigten Byte verbleiben noch eine Weile im Cache-Speicher. Falls die CPU bald darauf Byte 4 benötigt, bekommt sie es aus dem Cache und die Bytes 0 bis 7 brauchen nicht erneut gelesen zu werden. Das ist vorteilhaft, denn es gibt viele Arten von Daten, die Byte für Byte benötigt werden: Texte, Musik und Videos werden nur selten „rückwärts“ oder sprungweise gelesen, angehört bzw. angesehen.

Wo befindet sich der Prozessorcache?

Der 386er war der erste Prozessor, der mit einem Cache arbeitete. Der Cache bestand aus vier oder acht einzelnen Speicherchips, die auf der Hauptplatine untergebracht waren.

Mit dem 486er gab es einen Fortschritt. Die Leiterzüge im CPU-Schaltkreis waren schmaler geworden, dadurch passten mehr Transistoren in die CPU. Der Cache fand direkt im Prozessorchip seinen Platz. Die kurzen Datenwege erhöhten die Geschwindigkeit stark.

Die Leiterzüge und Strukturen wurden immer weiter verkleinert. Das ermöglicht es, immer mehr ­Transistoren in der CPU unterzubringen. Ein Teil der zusätzlichen Transistoren wird verwendet, um den Cache zu vergrößern. Es gibt aber für die Cache-Größe eine sinnvolle Obergrenze. Wird er zu groß, dauert das Suchen und Verwalten zu lange. Wenn es die Cache-Elektronik nicht mehr schafft, innerhalb eines CPU-Takts die benötigten Daten zu liefern, wird der Cache ineffizient. Deshalb entschieden die Ingenieure, den Cache zweistufig zu organisieren. Dem kleinen, schnellen ­Level-1-Cache in der CPU wurde ein größerer, etwas langsamerer Level-2-Cache hinzugefügt. Um die Datenwege kurz zu halten, wurde der L2-Cache zusammen mit dem Pentium II auf einer kleinen Leiterplatte ausgeliefert, die in einen „Slot1“ (Slot = Steckverbinder) auf der Hauptplatine gesteckt wurde.

Beim Pentium III konnten die Leiterzüge und alle Strukturen im CPU-Kern weiter verkleinert werden, es passten jetzt viel mehr Transistoren in das Gehäuse. Durch diese Miniaturisierung gelang es nun endlich, auch den L2-Cache im Inneren des Prozessors unterzubringen.

In einem Pentium 4 mit 2,8 GHz Taktfrequenz kann der Level-1-Cache 12 KByte groß sein, und der Level-2-Cache ist 256 KByte groß.

Die typische RAM-Ausstattung wird immer größer und die Anforderungen auch. Neuere CPUs haben einen dreistufigen Cache. Einer der leistungsfähigsten Prozessoren der „fünften Generation“ ist der „Core i7-5960X Extreme Edition“ von Intel, ein Achtkernprozessor mit 2,6 Milliarden Transistoren. Er hat pro Kern einen L1-Cache von 32 kB Daten + 32 kB Instruktionen und einen L2-Cache von 256 kB. Die 20 MByte L3-Cache werden von allen Kernen gemeinsam genutzt. („k“ ist die Abkürzung von KByte). Allerdings kostete dieser Prozessor (als er neu war) etwa 1100 Euro.

Der Smartphone-Prozessor Intel Atom Z2460 hat einen Level-1-Cache von 32 kB für Befehle und 24 kB für Daten sowie einen Level-2-Cache von 512 kB, ist also durchaus vergleichbar mit den Desktop-CPUs.

Durch den Cache hat die Taktfrequenz aufgehört, alleiniger Maßstab für die Rechenleistung einer CPU zu sein. Die Größe des Cache und die „Treffsicherheit“ der Elektronik bei der Vorhersage der demnächst benötigten Daten sind ebenfalls wichtig. Was nützt eine hohe Taktfrequenz, wenn die CPU Pausen einlegen muss, um auf Daten zu warten? Während die CPU mit 2 bis 3 GHz arbeitet, bringt es der schnellste DDR3-Speicher (DDR3-1600) auf 12 GByte/s. Auf den ersten Blick scheint das ausreichend. Allerdings sind die 12 GByte/s ein theoretischer Wert, der nur dann erreicht werden könnte, wenn die angeforderten Daten im Speicher aufeinanderfolgend abgelegt sind. Tatsächlich sind die meisten Daten eher zufällig im RAM verteilt, also dauert der Zugriff viel länger. Außerdem werkeln in heutigen CPUs zwei bis sechzehn datenhungrige Recheneinheiten, und jede braucht mehrere Byte pro Takt.

Trotz aller Raffinessen kann kein heutiger Speicher den Datenhunger moderner CPUs befriedigen. So heißt es für die CPU immer wieder: Warten, warten, warten. Die CPU-Entwickler ­kompensieren das so gut sie können. Die Hälfte bis drei Viertel der Transistoren in modernen CPUs werden für den Cache-Speicher und die Vorausschau-Logik verwendet.

RISC und CISC

Die i8086 CPU kannte 80 Befehle. Neue CPU-Generationen erhielten zusätzliche nützliche Befehle, z. B. zum Zeichenfolgevergleich (das macht Virenscanner schneller) oder zum Berechnen von Prüfsummen. Heutige Desktop-CPUs kennen mehr als 500 Befehle. Das macht sie kompliziert, aber auch schnell. CPUs mit so einem „Komplexen Befehlssatz“ werden als CISC = Complex Instruction Set Computer) bezeichnet.

Doch es wurde festgestellt, dass 80 % der heutigen Programme nur 20 % der CPU-Befehle benutzen. Manche Befehle wurden nie genutzt: Die Programmierer (und die Compiler) kennen manche Befehle gar nicht. Außerdem muss jedes Programm beim Start prüfen, was für eine CPU im PC steckt. Eine ältere CPU kennt die neuen Befehle nicht. Der Programmierer muss also eine Programmverzweigung vorsehen: Ein Programmzweig für ältere CPUs, in dem nur die „alten“ Befehle genutzt werden, und einer für neuere CPUs mit Nutzung der neuen, schnellen Befehle. Da ist es einfacher, die neuen Befehle nicht zu nutzen oder in der Programmbeschreibung anzugeben: „Erfordert mindestens Core Duo oder Athlon 64, läuft nicht auf älteren CPUs“.

Für Smartphones und Tablets wird ein Designentwurf „RISC“ (Reduced Instruction Set Computer) verwendet. Alle komplizierten Befehle werden weggelassen, vor allem wenn deren Ausführung länger dauert. Wie oft muss wohl eine Smartphone-CPU eine Division oder eine Gleitkommaberechnung ausführen? Die „weggelassenen“ Befehle muss der Programmierer durch Unterprogramme ersetzen. Das macht die CPU einfach, preiswert und sehr schnell.

CPUs mit RISC-Befehlssatz sind überall dort von Vorteil, wo die CPU eine relativ einfache Aufgabe hat: Bordcomputer, Maschinensteuerungen, Smartphones, aber auch Supercomputer.

Die Kühlung des Prozessors

Die schnelle Ableitung der Wärme ist höchst problematisch. Auf der CPU muss immer ein Kühlkörper montiert werden, fast immer zusätzlich mit einem Lüfter. Ganz ohne Kühlkörper würde der Prozessor bereits nach 10 bis 30 Sekunden durchbrennen oder zumindest stark altern!

Der Kühlkörper muss gut anliegen. Weil die Oberflächen von CPU und Kühler nie völlig eben sind, verbleibt ein winziger Luftspalt. Weil Luft die Wärme schlecht leitet, muss dieser Luftspalt mit einer kleinen Menge Wärmeleitpaste gefüllt werden.

Verdoppelt man die Taktfrequenz, entsteht näherungsweise die doppelte Wärmemenge. Teilweise kann man das durch bessere Kühlung ausgleichen. Hochleistungskühler arbeiten mit einer „Heatpipe“ (deutsch etwa Hitze-Pipeline“). Sie arbeitet wie eine Wärmepumpe. Die wärmeleitenden Teile sind aus Kupfer – teuer, aber ein hervorragender Wärmeleiter. Prozessorhersteller zeigen manchmal auf Messen, dass eine aktuelle CPU, die mit flüssigem Helium gekühlt wird, durchaus die dreifache Leistung wie bei normaler Kühlung erreichen kann (allerdings wird sie das wohl nur wenige Wochen überleben). Einige Computerfreaks verwenden Wasserkühlungen, um ihren PC „übertakten“ (ein wenig schneller laufen lassen) zu können.

Wie heiß darf die CPU werden? Das ist für jeden CPU-Typ unterschiedlich und muss dem Datenblatt des Herstellers entnommen werden. Es hängt auch von der Arbeit ab, welche der Prozessor gerade erledigt. Komprimieren und Dekomprimieren sowie Filmschnitt belasten die CPU stark. Als Richtwert gilt: Die Durchschnittstemperatur sollte 60 °C nicht überschreiten. Die CPU darf auch mal kurzzeitig etwas heißer werden, aber mehr als 80 °C sind für jede CPU zu viel.

Im Laufe der Monate und Jahre lässt die Kühlleistung nach. Dafür gibt es mehrere Ursachen:

  • Durch Staubablagerungen im Gehäuse und vor allem auf den Kühlrippen verschlechtert sich die Wärmeableitung.
  • Etwa nach einem Jahr wird die Wärmeleitpaste spröde und leitet die Wärme schlechter ab.
  • Weil die Lager verdrecken und verschleißen, drehen die Lüfter langsamer.


Deshalb sollten Sie mindestens einmal jährlich den Staub aus dem Gehäuse blasen. Alle ein bis zwei Jahre sollte man über eine Erneuerung der Wärmeleitpaste nachdenken, um Hitzeproblemen vorzubeugen.

Seit dem Pentium 4 überwacht eine thermische Schutzschaltung („Thermal Monitoring“) die ­Temperatur im Prozessorkern. Falls die Kühlung nicht ausreicht, schaltet die CPU einige Minuten nach dem Einschalten auf halben Takt herunter, besonders bei hoher CPU-Belastung. Spätestens jetzt sollten Sie in eine bessere Kühlung investieren!

In der Endphase seines Lebens beginnt der Lüfter Lärm zu machen, vorzugsweise nach dem Einschalten. Anfangs normalisiert sich die Drehzahl einige Minuten nach dem Einschalten und das Geräusch verschwindet wieder. Wenn sich das Lager noch weiter verschlechtert, gibt es auch beim Einschalten kein Geräusch mehr. Vermutlich steht der Lüfter jetzt für immer still. Jetzt wird es gefährlich. Selbst wenn die Schutzschaltung den CPU-Takt halbiert, kann das noch zu viel sein. Zweierlei kann jetzt passieren:

  1. Die CPU wird so stark überhitzt, dass der PC abstürzt - entweder ein paar Minuten nach dem Einschalten oder stark gehäuft während des normalen Betriebes. Dieser Fehler kann leicht zu finden und zu beseitigen sein, bevor Ihre CPU größeren Schaden nimmt.
  2. Die CPU wird heiß, aber die Abstürze bleiben ganz aus oder sind nicht allzu häufig. Das ist schlecht. Die CPU altert sehr schnell und „stirbt“ bald. Hoffen Sie nicht, die CPU als Garantiefall umgetauscht zu bekommen. Die CPU-Hersteller erkennen meist anhand der Verfärbung der CPU, dass diese zu heiß geworden ist, und verweigern den Garantieumtausch.

Wie kann ich feststellen, ob mein CPU-Lüfter noch läuft? Es gibt drei Möglichkeiten:

  1. Aufschrauben und nachsehen. Fast immer ist es das von vorn gesehen linke Blech, das mit zwei Schrauben an der Rückwand befestigt ist. Achten Sie darauf, ob der Lüfter sofort nach dem Einschalten des PC zügig anläuft.
  2. Sie können ein Hilfsprogramm installieren, das im laufenden Betrieb diese Daten anzeigt. Ein solches Hilfsprogramm wird oft auf der Treiber-CD der Hauptplatine mitgeliefert.
  3. Drücken Sie beim Start des PC die Taste DEL oder F2, um ins BIOS zu kommen.
    Wie man das macht, können Sie im Kapitel „BIOS-Setup aufrufen“ lesen.
    Suchen Sie dort nach der Drehzahlanzeige, meist wird man unter Power Management fündig. Im gleichen Menü wird auch die CPU-Temperatur im Leerlauf angezeigt. Leider ist die Temperatur bereits gesunken, während Sie das BIOS aufgerufen haben. Wenn eine Alarmfunktion vorhanden ist, sollten Sie diese benutzen: Wenn die Drehzahl um ein Drittel sinkt oder die Temperatur über 60°C ansteigt, sollte der PC einen Alarm auslösen.
Wollen Sie mehr über die Kühlung der CPU wissen?

Tendenzen

Wir erwarten von der Halbleiterindustrie, dass unsere Computer leistungsfähiger werden. Welche Wege gibt es, um dieses Ziel zu erreichen?

Größere Verarbeitungsbreite

Die Intel 8088 CPU konnte mit 8-Bit-Zahlen rechnen, der i8086 mit 16-Bit-Zahlen. Seit dem i80386 können die CPUs 32-Bit-Zahlen verarbeiten. Das bedeutet, dass Zahlen bis 4 294 967 296 (232) für die CPU zum „kleinen Einmaleins“ gehören und in einem einzigen Takt verarbeitet werden. Seit 2006 gibt es erste 64-Bit-CPUs, die hauptsächlich in Servern und Hochleistungs-PCs eingesetzt werden. Das bedeutet, dass Zahlen bis 18 446 744 073 709 551 616 (18 Trillionen) in einem einzigen Takt verarbeitet werden können.

Mehr dazu steht im Kapitel 64-Bit-CPU.

Neue Materialien

Zwischen der Steuerelektrode der Transistoren (dem „Gate“) und den Silizium-Elektroden befindet sich eine Isolationsschicht. Jahrzehntelang bestand sie aus Siliziumdioxid. Bei der 65 nm Strukturbreite war die Isolationsschicht nur noch 1,2 nm „dick“ (etwa 5 Atomlagen). Noch dünner war nicht möglich, die Schicht hätte zu viel „Leckstrom“ durchgelassen. Mit der Verwendung von Hafnium als Isoliermaterial konnten trotz dünnerer Isolierung die Leckstrom-Verluste auf ein Fünftel reduziert werden. Der Chip wurde weniger warm und die i3, i5 und i7 Prozessoren konnten in 45 nm Strukturbreite gefertigt werden.

Kleinere Strukturen

Der Pentium III und die ersten Pentium 4 wurden in 0,13 Mikrometer-Struktur (130 Nanometer) hergestellt. Als Strukturbreite wird der halbe Abstand zweier Leiterbahnen bezeichnet. Kleinere Strukturen bringen drei Vorteile:

  • Es passen mehr Transistoren auf die Chipfläche
  • Kleinere Transistoren kommen mit einer kleineren Versorgungsspannung aus. Pro Transistor wird weniger Energie gebraucht.
  • Die Schaltungen werden schneller, weil die Entfernungen zwischen den Transistoren kürzer werden (denn schneller als das Licht ist der Strom nicht).
  • Nach Angaben von Intel senkt jede Verdopplung der Packungsdichte die Fertigungskosten um 30%.

Zum Vergleich: Die meisten Viruszellen haben einen Durchmesser von 20 bis 80 nm.

Jahr/Monat 1980 1999-12 2001 2003-10 2005-12 2007-11 2009-03 2010 2014
Bezeichnung des Kerns i8086 Coppermine Tualatin Dothan Presler Penryn Nehalem Sandy Bridge Broadwell
Strukturbreite (Nanometer) 3000 180 130 90 65 45 32 32 14
Beispiel

Wenn die Struktur von 65 auf 45 nm verkleinert wird, belegt jeder Transistor nur noch etwa die halbe Fläche (452 / 652 = 48%). Dadurch konnte Intel beim Dual-Core-Penryn den L2-Cache von 4 auf 6 MByte vergrößern und außerdem 47 neue SSE4-Befehle (Spezialbefehle für Multimedia) hinzufügen. Durch den geringeren Strombedarf konnte die Taktfrequenz auf mehr als 3 GHz gesteigert werden.

Im November 2010 hat Intel begonnen, Prozessoren mit 22 nm Strukturbreite herzustellen[2]. Im Vergleich zur 45 nm Technologie vervierfacht sich die Packungsdichte.

Mehr Transistoren

In den vergangenen Jahrzehnten konnte die Zahl der Transistoren in der CPU durchschnittlich alle zwei Jahre verdoppelt werden. Der Intel Core i7 enthält 731 Millionen Transistoren. Im Jahr 2011 könnten etwa eine Milliarde Transistoren in ein CPU-Gehäuse passen. Was kann man mit so vielen Transistoren anfangen?

  • Es soll neue Spezialfunktionen geben. In den vergangenen Jahren wurden den CPUs Spezialbefehle für Multimedia-Anwendungen (MMX und SSE) hinzugefügt. Gegenwärtig besteht ein hoher Bedarf an Spezialbefehlen für Kryptografie (Verschlüsselung).
  • Der Cache-Speicher soll stark vergrößert werden.
  • Vorhandene Funktionen können beschleunigt werden. Ein Beispiel: Bei der Addition können Überträge auftreten, die in die nächsthöhere Stelle eingerechnet werden müssen. Die CPU kann zwei 64-stellige Zahlen in einem ersten Schritt addieren und benötigt anschließend im ungünstigsten Fall weitere 63 Schritte, um die Überträge zu berücksichtigen. Wenn allerdings der Konstrukteur eine üppige Anzahl Transistoren zur Verfügung hat, lässt sich die Addition auf wenige Schritte reduzieren, sogar ein Ein-Schritt-Addierer wird möglich. Ein schnelles „Addierwerk“ ist deshalb so wichtig, weil sich die anderen Grundrechenarten auf die Addition zurückführen lassen.
  • Spezielle Schaltungen könnten zukünftig noch weiter vorausschauend „erraten“, welche Daten aus dem Arbeitsspeicher benötigt werden könnten (Speculative Precomputation). Wenn der Speicherbus wenig beschäftigt ist, werden diese Daten auf Vorrat geholt.

Mehr Kerne

Im Februar 2009 stellte Intel den ersten Xeon-Prozessor mit acht Kernen und 16 Threads vor. Er wird in 45-nm-Struktur gefertigt, 2010 soll die 32-nm-Version folgen. Es gibt neue Stromsparfunktionen. Je nach Auslastung kann für jeden Kern die Versorgungsspannung erhöht oder verringert werden. Zeitweilig unbenutzte Kerne können sogar komplett abgeschaltet werden, um Strom zu sparen und die Wärmeentwicklung zu verringern. [3]

Mehr dazu steht im Kapitel Multicore-CPU.

Hot Spots beseitigen

Hot Spots heißen die winzigen Stellen der CPU, wo die Temperatur besonders hoch ist, hervorgerufen durch hochbelastete Funktionseinheiten. Sie begrenzen die Taktfrequenz, denn je höher der Takt, desto mehr Wärme entsteht. Wenn man mehrere dieser heißlaufenden Funktionseinheiten auf dem Chip verteilen kann und sie abwechselnd benutzt, verteilt sich die Wärme und der Takt kann erhöht werden.

„Grüne“ CPUs

Heutige Prozessoren schalten ungenutzte Funktionsgruppen ab und reduzieren den Stromverbrauch bei geringer Auslastung. Es gibt eine weitere Möglichkeit. Die gewaltige Rechenleistung heutiger CPUs wird nicht immer gebraucht. Bei vielen Servern wirkt es sich kaum auf die Gesamtleistung aus, wenn die CPU etwas langsamer ist. Wenn man eine 3-GHz-CPU mit einem Takt von 1,5 GHz betreibt, sinkt deren Leistungsbedarf auf die Hälfte.

Optische Datenleitungen

Die intel Core i3/i5/i7 CPUs werden in 32 nm Technologie hergestellt[4]. Noch kleinere Strukturen als 32 Nanometer sind problematisch[5]. Wenn die Leitungen noch schmaler sind, wird der Elektronentransport zu langsam. Optische Datenleitungen wären der Ausweg: Die Informationen werden mit Lichtblitzen übertragen. Die Lichtblitze sollen mit Miniaturlasern erzeugt werden. Intel hat bereits Halbleiterlaser entwickelt[6], mit denen Übertragungsraten von 50 Gbit/s zwischen Prozessoren möglich sind. Für die Verwendung im Inneren der CPU sind die Laser noch viel zu groß.


Die Hauptplatine
bestückte Leiterplatte

Elektronische Bauelemente werden auf Leiterplatten montiert. Eine Leiterplatte besteht aus einer etwa 1 mm dicken Trägerplatte aus Isoliermaterial. Auf der Oberfläche der Platte sind Leiterzüge aus Kupfer angeordnet. Zur besseren Leitfähigkeit wird das Kupfer meist versilbert oder vergoldet. Wenn die Trägerplatte auf beiden Seiten Leiterzüge hat, wird die Leiterplatte zweilagig genannt. Für komplexe Schaltungen werden mehrere sehr dünne Leiterplatten aufeinandergeklebt, was vier- und zehnlagige Leiterplatten ergibt. Die Platte wird gebohrt und die Bohrlöcher werden innen verzinnt, um die Leiterebenen miteinander zu verbinden. Zum Abschluss werden Widerstände, Kondensatoren und elektronische Bauelemente in die Bohrungen gesteckt und verlötet. Damit ist eine Platine (englisch: board) entstanden - so nennt man eine Leiterplatte mit aufgelöteten elektronischen Bauteilen.

Hauptplatine ASUS PBH 67-V mit Socket 1155

Die größte Platine im Computer (etwa 18 × 30 cm) nennt man Hauptplatine (englisch: Mainboard oder Motherboard). Meist ist sie achtlagig, um die vielen Leiterzüge auf einer möglichst kleinen Fläche unterzubringen. Dadurch können die Schaltkreise näher zusammenrücken, was einen Geschwindigkeitsvorteil ergibt: In einer drittel Nanosekunde (so lange dauert ein Takt einer 3-GHz-CPU) legt ein elektrisches Signal nur 10 cm zurück. Die Hauptplatine wird mit Abstandsbolzen im Gehäuse befestigt. Die Position der Befestigungspunkte ist durch den so genannten Formfaktor definiert. Die Hauptplatine ist Träger für zahlreiche Steckplätze, Schaltkreisfassungen, externe und interne Anschlüsse und elektronische Baugruppen.

Sockel 1155, aufgeklappt
CPU für Sockel 1155 von unten

Auf der Hauptplatine befindet sich ein Schaltkreis-Sockel (englisch: Socket), in den der Prozessor gesteckt wird. Das Bild zeigt den „Sockel 1155“ sowie eine CPU mit 1155 Anschlusskontakten. Um eine CPU mit so vielen Anschlüssen ohne Risiko einsetzen zu können, werden ZIF-Sockels (Zero Insertion Force, auf Deutsch etwa: Null-Kraft-Sockel) verwendet, die mit einem Schwenkhebel (im Bild: unten) ausgestattet sind. „Null Kraft“ ist allerdings etwas übertrieben, und das Einsetzen des Prozessors erfordert einiges Geschick.

Dual-Core-CPU D 925 von unten, rechts der aufgeklappte Sockel

Weil die Prozessoren immer mehr Anschlusskontakte brauchen, gibt es zahlreiche Sockeltypen. Das nebenstehende Bild zeigt links eine (veraltete) Intel Dual-Core-CPU D925 (3 GHz) von unten, rechts ist ein Stück der Hauptplatine mit dem Sockel 775 zu sehen. Die Andruckplatte ist hochgeklappt (im Bild: unten), und im oberen Teil der Prozessorfassung ist der Ansatz des Verriegelungshebels zu sehen. Die Pentium 4 CPUs hatten 478 Kontaktstifte. Die nächste CPU-Generation von Intel hatte 775 Kontakte. Der neueste Sockel von AMD ist der SP4 mit 4094 Kontakten. Die neuesten Intel-CPUs haben 989, 1155, 1156, 1366, 2011 oder 2066 Kontakte.

Die Bestandteile der Hauptplatine

Hauptplatine für Pentium III Prozessor

Einige hier vorkommende Fachbegriffe und Abkürzungen werden erst in späteren Kapiteln ausführlich erläutert.

Chipsatz, Northbridge und Southbridge

Die Northbridge ist ein Schaltkreis, der die CPU mit dem Arbeitsspeicher, der Grafikkarte und der Southbridge verbindet. Manchmal ist eine einfache Grafikkarte in die Northbridge integriert. Weil sie große Datenmengen schnell transportieren muss, wird sie heiß und muss meist gekühlt werden. Um die Datenwege kurz zu halten, ist sie nahe an CPU, Arbeitsspeicher und Grafiksteckplatz platziert. Die Datenverbindung zur CPU heißt Front Side Bus, abgekürzt FSB.

Für die Peripherie-Anschlüsse (Tastatur, Maus, USB usw.), Massenspeicher, Netzwerk, Steckplätze und weitere Geräte mit geringerem Datendurchsatz ist die Southbridge zuständig. Sie ist nicht direkt mit der CPU verbunden, sondern kommuniziert mit der Northbridge. Manchmal kommt sie ohne Kühlkörper aus.

Die beiden hochintegrierten Bausteine zusammen werden als Chipsatz bezeichnet. Der Chipsatz ist als „zentrale Datenverteilerstelle“ für die Gesamtleistung und Stabilität des PC-Systems in viel höherem Maße verantwortlich, als die meisten Menschen glauben.

Seit einigen Jahren hat sich die Arbeitsteilung geändert. Grafikchip und Speichersteuerung sind von der Northbridge zurück in die CPU gewandert. Netzwerk-, USB- und Massenspeicher sind an der Northbridge angeschlossen. Der Chipsatz wird auch als „Platform Controller Hub“ bezeichnet. Der PCH ist mit einer PCI-Express-Verbindung PCIe x4 (Erklärung für „PCI Express folgt) mit der CPU verbunden, die 3940 MByte/s bei 8 GHz in beide Richtungen gleichzeitig transportieren kann.

Steckplätze

Eine spezielle Gruppe von Platinen der Abmessung von etwa 10 × 18 Zentimetern nennt man „Erweiterungskarte“ oder nur „Karte“. Es gibt je nach Funktion Grafikkarten, Soundkarten, ISDN-Karten, Netzwerkkarten, Fernsehkarten und viele mehr. Die Steckplätze der Hauptplatine, wohinein die Erweiterungskarten gesteckt werden, heißen „Slots“. Die Erweiterungskarten stecken senkrecht auf der Hauptplatine. Eine typische Hauptplatine hat drei bis sieben Steckplätze (Slots) für Erweiterungskarten. Die Slots sind nach Abmessung, Anzahl und Anordnung der Kontakte unterschiedlich.

Auf dem Bild „Hauptplatine für Pentium III Prozessor“ sehen Sie eine ältere, relativ übersichtliche Hauptplatine mit sieben Slots. Ganz rechts auf der Platine befinden sich zwei schwarze ISA Steckplätze (Industrie Standard Architektur), die auf modernen Hauptplatinen nicht mehr verwendet werden. Links davon befinden sich vier weiße PCI-Steckplätze (Peripheral Component Interface). PCI wurde 1992 für den Pentium entwickelt und kann 533 MByte/s transportieren.

Für Grafikkarten ist PCI zu langsam, deshalb wurde speziell für Grafikkarten der AGP-Steckplatz (Accelerated Graphics Port = beschleunigter Grafikkarten-Anschluss) entwickelt, der bis zu 2133 MByte/s transportieren kann. Im Bild befindet sich der braune AGP-Steckplatz links von den PCI-Steckplätzen. Mittlerweile ist auch AGP veraltet und wurde vollständig durch PCIe abgelöst.

Auf aktuellen Hauptplatinen gibt es hauptsächlich PCIe-Steckplätze, manchmal einen oder zwei PCI-Slots zusätzlich. PCI-Express gibt es seit 2003. PCI Express, abgekürzt PCIe, ist eine Weiterentwicklung von PCI. PCIe benutzt eine variable Anzahl von unabhängigen Datenkanälen („Lane“), die in Gruppen von 2, 4, 8, 16 oder 32 gebündelt werden können. Die kurzen PCIe x1 Steckplätze benutzen nur einen Kanal und können damit in Ein- und Ausgaberichtung gleichzeitig je 250 MByte/s (in Version 1.0) transportieren. Das ist für Netzwerkkarten, USB 2.0-Karten und Soundkarten ausreichend.


PCIe-Steckplätze: Maße und Netto-Übertragungsrate je nach Version
Steckplatz Länge Version 1.0 Version 2.0 Version 3.0 Version 4.0
Takt 2,5 GHz 5 GHz 8 GHz 16 GHz
PCIe x1 25 mm 250 MB/s 500 MB/s 985 MB/s 1969 MB/s
PCIe x2   500 MB/s 1000 MB/s 1970 MB/s  
PCIe x4 39 mm 1000 MB/s 2000 MB/s 3940 MB/s 7880 MB/s
PCIe x8 56 mm 2000 MB/s 4000 MB/s 7880 MB/s 15750 MB/s
PCIe x16 89 mm 4000 MB/s 8000 MB/s 15760 MB/s 31500 MB/s
PCIe x32   8000 MB/s 16000 MB/s 31520 MB/s 63000 MB/s

PCIe x16 bündelt 16 Kanäle und wird vor allem für Grafikkarten verwendet. PCIe-x16 Version 1.0 kann 250 × 16 = 4000 MByte/s transportieren. Weil AGP dem PCI-Express in der Datenübertragungsrate hoffnungslos unterlegen ist, werden etwa seit 2007 Mainboards mit AGP-Steckplatz nicht mehr hergestellt, und auch AGP-Grafikkarten werden nicht mehr produziert. In der Tabelle sind die Kenndaten von PCIe Schnittstellen aufgeführt. Auf handelsüblichen Hauptplatinen kommen PCIe-x1 und PCIe-x16 zum Einsatz. In Servern werden auch PCIe-x4, PCIe-x8 und PCIe-x32 Karten verwendet. Man kann kürzere Karten in längere Slots stecken. Die Bauform mancher Steckplätze erlaubt das Einstecken von längeren Karten in kürzere Steckplätze.

Die PCIe-Spezifikation wurde weiterentwickelt in Richtung höherer Taktfrequenzen. Version 1.0 begann mit einem Takt von 2,5 GHz. Die Version 2.0 von PCIe verdoppelte den Takt auf 5 GHz und die Datenrate von PCIe-x1 auf 500 MB/s, Version 3.0 mit 8 GHz kommt auf 985 MB/s pro Lane (Kanal), bei PCIe-x16 sind das beeindruckende 15 754 MB/s. Die aktuelle PCIe-Version ist 3.0. Version 4.0 ist auf einigen AMD-Boards schon im Einsatz.

Weiterhin findet man auf der Hauptplatine zwei bis acht Steckplätze für RAM (Arbeitsspeicher). Auf dem Foto (Hauptplatine für Pentium III Prozessor) sind es drei, welche oberhalb des CPU-Sockels angeordnet sind. Direkt auf der Hauptplatine sind der Taktgeber, die Uhr, der Chipsatz und andere Bauteile aufgelötet.

Hier können Sie mehr über RAM lesen.

BIOS-ROM, CMOS-RAM, Uhr und Batterie

BIOS-ROM

ROM bedeutet Read Only Memory = „Nur-Lese-Speicher", oft als Festwertspeicher bezeichnet. Seine wichtigste Besonderheit: Ein ROM-Speicher verliert seine Daten nicht, wenn der PC ausgeschaltet wird.

Darum werden ROM-Bausteine in mehreren PC-Komponenten verwendet, um deren jeweiliges Startprogramm bereitzuhalten. Dass die Festplatte, die Grafikkarte und der Brenner einen derartigen Festwertspeicher benötigen, ist wenig bekannt. Viel bekannter ist der „BIOS-ROM“. Mit dem darin gespeicherten Programm startet der PC nach dem Einschalten. Ein „BIOS-Update“ kann diesen Speicher auf den neuesten Stand bringen („up to date“). Auch andere ROMs, z. B. im DVD-Brenner, können „upgedated“ werden.

CMOS-RAM und Uhr

CMOS ist eine Technologie, um extrem stromsparende Halbleiter herzustellen. Mit dieser Technologie werden die Computeruhr (RTC = Real-Time-Clock) und ein kleiner Parameterspeicher (der CMOS-RAM) gefertigt. Speicher und Uhr befinden sich im selben Chip. In diesem Speicher sind die Parameter der Festplatten, der parallelen und der seriellen Ports sowie weitere Angaben über die Hardware des PCs gespeichert. Das BIOS ermittelt die meisten Werte automatisch während des Systemstarts. Der Händler oder der Benutzer kann einige Werte optimieren bzw. anpassen. Das Betriebssystem und andere Software fragen diese Daten bei Bedarf ab.

Batterie

Solange der PC eingeschaltet ist, werden die Uhr und das CMOS-RAM vom Netzteil mit Strom versorgt. Bei ausgeschaltetem PC übernimmt das eine Batterie. Diese reicht etwa drei bis acht Jahre. In der Taskleiste wird eine völlig falsche Uhrzeit angezeigt? Sie haben im BIOS oder in Windows das Datum und die Uhrzeit eingestellt und am nächsten Tag hat der PC erneut Datum und Uhrzeit vergessen? Vermutlich muss nur die Batterie ausgewechselt werden. Das können Sie selbst ­erledigen. Drücken Sie die Haltefeder (im Bild 2.12 oben) nach außen und die Batterie springt heraus. Eine neue Batterie bekommen Sie im Fachhandel oder beim Uhrmacher.

Es ist keine Bagatelle, wenn der PC mit falschem Datum läuft. Updates und Installationen können scheitern, weil Windows nicht zwischen älteren und neueren Dateien unterscheiden kann. Der Zugriff auf Internet-Dienste, z. B. E-Mail, kann unmöglich sein, weil Sicherheitszertifikate abgelaufen sein können oder für den PC, dessen Uhr vielleicht noch im Jahr 2000 verweilt, in der fernen Zukunft liegen.

Die externen (rückwärtigen) Anschlüsse der Hauptplatine

ATX Hauptplatine von hinten gesehen

Am hinteren Rand der Hauptplatine befinden sich die Anschlüsse für die Peripherie: Tastatur, Maus, Drucker, Modem, USB, Lautsprecher, Netzwerk und andere. Anzahl und Typ der Anschlüsse sind bei jeder Hauptplatine anders. Deshalb liegt jeder Hauptplatine eine Blende mit passenden Öffnungen für die rückwärtigen Anschlüsse bei. Die Außenmaße aller Blenden sind identisch, damit sie in jedes Gehäuse passen.

Slotblende eines Core 2 Duo Mainboards

Die Hauptplatinen haben mehr Anschlüsse, als sich in der rückwärtigen Blende unterbringen lassen. Zusätzliche Anschlüsse werden an der Frontseite oder an der Rückseite herausgeführt und mit der Hauptplatine verbunden. Beispielsweise haben die meisten Computergehäuse zusätzliche USB- und Audioanschlüsse an der Vorderseite, die mit der Hauptplatine mit Kabeln verbunden werden.

PS/2 Anschlüsse für Tastatur und Maus

Tastaturbuchse und Mausbuchse

Die Buchsen werden in Dokumentationen als „PS/2“ bezeichnet. Die Bezeichnung „PS/2“ wurde vom IBM-Konzern eingeführt. IBM hatte eine neue ­Rechnergeneration herausgebracht mit dem Namen Personal System 2, wo die kleineren Stecker erstmals verwendet wurden. Diese Stecker werden direkt von der Rückseite des PC auf die Hauptplatine aufgesteckt. Diese Anschlüsse sind nicht verwechslungssicher! Wenn Sie die Beschriftung und die Farbmarkierung beachten (Tastatur violett, Maus grün), kann nichts schief gehen. Wenn keine Markierung zu finden ist: Der Anschluss, welcher der Hauptplatine näher liegt, ist der Tastaturanschluss. Liegen die Anschlüsse nebeneinander (gleich weit von der Hauptplatine entfernt), liegt der Mausanschluss weiter außen (oben). Wenn Sie die Stecker trotz allem verwechseln, brennt zumindest nichts durch. Wichtig: Sie müssen Tastatur und Maus vor dem Einschalten des Computers angesteckt haben, sonst erkennt und benutzt er sie nicht.

Eine Zeit lang wurden Hauptplatinen nicht mehr mit PS/2-Anschlüssen ausgestattet, weil sie als veraltet galten. Neue Hauptplatinen haben oft wieder einen Anschluss, meist als Kombianschluss mit grün-violetter Kennzeichnung. Im Unterschied zu USB-Eingabegeräten hat PS/2 den Vorteil, immer zu funktionieren, ohne Treiberinstallation. Falls eine USB-Tastatur Probleme mit den USB-Treibern hat, kann man mit einer PS/2-Tastatur das Problem beheben. Bei Notebooks gibt es keine PS/2-Anschlüsse mehr, Tablets und Smartphones hatten nie einen.

LPT-Port eines ATX-Mainboards

Parallel-Port

Parallel bedeutet, dass alle Bits eines Zeichens gleichzeitig über ein dickes Kabel übertragen werden. Dieser Anschluss wurde und wird hauptsächlich für Drucker verwendet. Weil neuere Drucker meist einen USB-Anschluss haben, wurde der Parallelport überflüssig. Die 25-polige Buchse benötigt zu viel Platz. Höherwertige ältere Laserdrucker haben manchmal einen parallelen Druckeranschluss zusätzlich zum USB-Anschluss.

Serieller Anschluss

Serielle Anschlüsse

25 Jahre lang waren serielle Anschlüsse (COM1 und COM2) an jedem PC vorhanden. Diese Schnittstellen wurden für langsame Geräte verwendet, wie zum Beispiel Maus, externes Modem, Rechnerkopplung und für die Programmierung von Telefonanlagen und anderen Geräten. Zunehmend werden Geräte, die früher mit seriellen Anschlüssen ausgestattet waren, auf USB umgestellt. Es gibt noch einige wenige hochpreisige Hauptplatinen mit einer seriellen Schnittstelle. Bei neueren Notebooks fehlen die seriellen Anschlüsse ganz.

USB-Anschlüsse

USB-Stecker Typ A

Frühere PCs hatten eine Vielzahl von großen Anschlusssteckern: Seriell, Parallel, Joystick, PS/2 und andere. Intel wollte langfristig diese Vielfalt ersetzen und schuf 1996 den „universellen seriellen Anschluss“ USB (Universal Serial Bus).

USB-Geräte kann man an den Computer anstecken, während er eingeschaltet ist. Der USB-Controller im PC (der „Master“) erkennt das angeschlossene Gerät und dessen Eigenschaften automatisch und stellt die höchste Übertragungsgeschwindigkeit ein, zu der beide Seiten fähig sind. Jeder USB-Teilnehmer kann außer seiner Höchstgeschwindigkeit auch alle niedrigeren Geschwindigkeiten nutzen.

USB 1.1 kennt zwei Geschwindigkeiten: Low-Speed 1,5 Mbit/s und Full-Speed 12 Mbit/s. Beides reicht für Maus, Tastatur und Drucker. Externe Festplatten und Brenner kann man an einem USB-1.1-Anschluss nicht sinnvoll betreiben. Deshalb wurde im Jahr 2000 mit USB 2.0 ein High-Speed-Modus mit 480 Mbit/s eingeführt, der für USB-Speichersticks und Festplatten einigermaßen ausreicht. Zum Vergleich: 480 Mbit/s entsprechen etwa 60 MByte/s. Am internen Festplattenanschluss des PCs werden 600 MByte/s erreicht, deshalb kann das Füllen einer größeren Festplatte über USB 2.0 einige Stunden dauern.

Zudem werden diese Geschwindigkeiten in der Praxis nicht erreicht, realistisch sind zwei Drittel davon.

Datenübertragungsraten der USB-Schnittstelle
MByte/s Mbit/s Bezeichnung (ursprünglich) Bezeichnung (neu) seit
0,2 1,5 USB 1.1 Low Speed 1996
1,5 12 USB 1.1 Full Speed 1996
60   480 USB 2.0 High Speed 2000
625   5000 USB 3.0 Superspeed USB 3.1 Gen. 1 2008
1250   10000 USB 3.1 Superspeed Plus USB 3.1 Gen. 2 2014
2500   20000 USB 3.2 20 Gbps USB 3.1 Gen. 3 2017
5000   40000 USB 4.0 40 Gbps 2020

Mit dem Nachfolger USB 3.0 kam der „SuperSpeed“ Modus dazu. Die Geschwindigkeit reicht nun auch für große Festplatten. Das Kabel ist jetzt neunpolig statt vierpolig. Doch alte und neue Stecker und Buchsen sind kompatibel: Man kann die USB 2.0-Geräte am USB 3.0-Anschluss betreiben und umgekehrt. Meistens jedenfalls. Mäuse und Tastaturen funktionieren nicht immer am USB 3.0-Anschluss. Manche sehr alte PCs kommen nicht mit USB 3.0-Speichersticks zurecht.

Um die Geschwindigkeit von 5 Gbit/s nutzen zu können, müssen beide Geräte USB 3.0 beherrschen und mit einem 9-poligen USB 3.0-Kabel verbunden sein. Vielleicht müssen Sie ein Treiberupdate durchführen.

USB 3.0 ist weit verbreitet. Die meisten Hauptplatinen haben sowohl USB 3.0 als auch USB 2.0 Anschlüsse. Externe Festplatten werden fast ausnahmslos mit USB 3.0 Anschluss gefertigt, USB-Speichersticks meistens.

2014 wurde die Spezifikation USB 3.1 veröffentlicht. „USB SuperSpeed Plus“ hat zwei Kanäle: Der eine kann 5 oder 10 Gbit/s übertragen und der zweite ist ein USB 2.0 Kanal. Es gibt schon einige Geräte, welche die hohe USB 3.1 Datenrate nutzen können.

USB 3.2 wurde nur für interne Verbindungen geschaffen, bei einer Leitungslänge von maximal 10 cm. Um die USB-Bezeichnungen eindeutiger zu machen, wurden neue Bezeichnungen eingeführt. Der Standard für USB 4.0 ist fertig, erste Geräte soll es frühestens Ende 2020 geben. Über USB 4.0 können mehrere Datenströme in gleicher oder entgegengesetzter Richtung gleichzeitig gesendet werden, wobei die 40 Gbit/s ausreichen, um hochauflösende Videos in 4k-Auflösung (3840 × 2160) zu übertragen.


USB-Kabel und Stecker

Die USB-Kabel sind nicht symmetrisch: Der Stecker auf Seite des PCs ist vom Typ A, am externen Gerät ist er quadratisch mit zwei abgeschrägten Ecken (Typ B). Für den Anschluss kleiner Geräte werden Mini- und Micro-USB-Stecker verwendet. Wenn das USB-Kabel zu Tastatur, Maus oder Drucker zu kurz ist, gibt es Verlängerungen. Doch die Gesamtlänge von Kabel plus Verlängerung sollte fünf Meter nicht überschreiten. Kabel für USB 3.1 Generation 2 (10 Gbit/s) dürfen laut Spezifikation nicht länger als ein Meter sein.

Damit das Kabel schön flexibel ist, sind die Adern in vielen Verlängerungskabeln dünn. Wenn man eine Festplatte oder ein anderes Gerät mit hohem Strombedarf anschließt, könnte der Spannungsabfall im Kabel und an der Steckerkupplung zu groß sein. Kaufen Sie besser ein langes Anschlusskabel statt mit einer Verlängerung eine Verbindung zusammenzustückeln.

Mit dem Standard USB 3.1 wurde ein Stecker Typ C eingeführt: Mit dem Querschnitt von nur 8,4 × 2,6 mm passt er auch in die flachsten Smartphones. Überdies gibt es keine Ober- und Unterseite: Man braucht nicht mehr fummeln, um festzustellen, wie herum der Stecker in die Buchse passt. Es gibt Adapter zum Steckertyp Typ A und B. Der Anschluss liefert 2 Ampere. Achtung: Die Bezeichnung „USB 3.1“ garantiert weder die Geschwindigkeit von 10 Gbit/s noch eine Stromstärke von 5 A. Wenn der Anschluss mit „USB 3.1 Generation 1“ bezeichnet ist, heißt das: Übertragungsrate ist „nur“ 5 Gbit/s wie bei USB 3.0. Die vollen 10 Gbit/s erhalten Sie nur von einem Anschluss, der mit „USB 3.1 Gen. 2“ bezeichnet ist. Und natürlich müssen auch USB-Kabel, eventuelle Adapter und Hubs für USB 3.1 Gen. 2 zertifiziert sein.

USB 3.1 (Generation 1 und 2) kann wahlweise den Steckertyp C oder die für USB 3.0 eingeführten Stecker (mit blauem Einsatz) nutzen. USB 4.0 benutzt ausschließlich den Steckertyp C.

Stromversorgung

USB-Geräte mit geringem Strombedarf können auf ein eigenes Netzteil verzichten. Solche Geräte ohne eigenes Netzteil nennt man „Bus-powered“. Sie melden ihren Strombedarf beim Anstecken und der USB-Controller im PC entscheidet, ob er den Strom bereitstellen kann. Jeder USB 2.0-Port kann 0,5 Ampere bei 5 Volt Spannung liefern, USB 3.0 stellt bis zu 0,9 A bereit. USB 3.1 kann über Standardkabel 2 Ampere liefern. Mit speziellen Kabeln (mit Elektronik in beiden Steckern) können aus einem USB 3.1 Anschluss Stromstärken bis zu 5 Ampere bei Spannungen von 5, 12 und 20 Volt entnommen werden. Bei 20 Volt sind das 100 Watt, das reicht sogar für die Stromversorgung von großen Notebooks aus. Doch nicht jede Hauptplatine kann die Ströme und Spannungen liefern, die USB 3.1 zu transportieren bereit ist.

Externe USB-Festplatten in 2,5" Größe benötigen im Anlaufmoment 500 bis 1100 mA, dann sollte der Strombedarf auf 250 bis 400 mA fallen. Die meisten USB 2.0 Anschlüsse tolerieren diese kurzzeitige Überlastung. Wenn ein USB 2.0-Gerät ständig mehr als 500 mA Strom benötigt, greifen die Hersteller zu einem Trick (der nicht standardkonform ist): Ein Kabel mit zwei USB-A-Steckern. Das Gerät kann dadurch den benötigten Strom aus zwei Schnittstellen saugen. Der Typ-B-Stecker kommt ins Gerät und die beiden Typ-A-Stecker steckt man in den Computer. Der eine Stecker (mit dem dünnen Kabel) ist nur für den Stromanschluss zuständig und stellt keine Datenverbindung her. Dadurch kann das Gerät aus zwei USB-Anschlüssen je 0,5 A beziehen. Stecken Sie unbedingt beide Stecker ein (zuerst denjenigen, der nur den Strom überträgt), sonst kann es wegen Unterspannung zu Fehlfunktionen und sogar zu Datenverlust kommen. Besser: Benutzen Sie einen USB 3.1 Anschluss, der kann mindestens 900 mA liefern, und benutzen Sie nur einen der A-Stecker.

Hub

Wenn die USB-Anschlüsse am PC nicht ausreichen, gibt es zwei Möglichkeiten:

  • Man steckt eine Erweiterungskarte in den PC, welcher weniger als 20€ kostet. Der Einbau ist unproblematisch. Je nach Ausführung bekommt man zwei bis vier zusätzliche USB-Anschlüsse. Bei einem Notebook ist diese Nachrüstung leider nicht möglich.
  • Man verwendet Verteiler, sogenannte „Hubs“. Theoretisch können bis zu 127 Geräte angeschlossen werden. Es gibt Regeln und Einschränkungen, wie das zu geschehen hat. Besonders wichtig: Ein USB-Kabel darf nicht länger als fünf Meter sein.

Es gibt aktive USB-Hubs (mit eigenem Netzteil) und passive USB-Hubs (die den Strom vom PC beziehen und auf die angeschlossenen Geräte verteilen, siehe im Kapitel „Mobilcomputer“ den Abschnitt „USB“). Viele aktive USB-Hubs kann man mit oder ohne Netzteil betreiben, im letzten Fall arbeiten sie passiv.

Wenn Sie mehrere Geräte mit hohem Stromverbrauch wie einen USB-Brenner, eine USB-Festplatte und einen externen TV-Empfänger an einen passiven Hub anschließen, der nicht mehr als maximal 0,5 A bzw. 0,9 A vom PC bekommen kann, reicht der Strom vielleicht nicht für alle. Im günstigsten Falle wird der PC abschalten. In extremen Fällen kann ein minderwertiges PC-Netzteil überlastet und sogar zerstört werden! Wenn Sie die Geräte mit höherem Strombedarf direkt an den PC oder an einen USB-Hub mit eigenem Netzteil stecken, schützen Sie Ihren PC. Manche stromhungrige USB-Geräte haben einen Anschluss für ein externes Steckernetzteil, den Sie dann auch nutzen sollten, um das PC-Netzteil zu entlasten.

Treiber

USB-Massenspeicher werden von Windows zuverlässig erkannt. Bei anderen USB-Geräten kann es Komplikationen geben. Wenn Sie z. B. einen neuen Drucker anstecken, installiert Windows möglicherweise einen veralteten Treiber oder einen Universaltreiber, mit dem Ihr Gerät vielleicht nicht funktioniert und der sich mitunter nur schwer entfernen lässt, auch nicht durch Installation der mitgelieferten Treiber-CD.

Lesen Sie die Installationsanleitung! Wenn Sie keine haben, sollten Sie zuerst die Treiber-CD einlegen und die Treiber installieren. Das neue Gerät stecken Sie erst nach Abschluss der Installation an bzw. wenn Sie vom Installationsprogramm dazu aufgefordert werden.

USB-Geräte sind „Hot-Plug“-fähig, das bedeutet: Hinzufügen oder Entfernen von Komponenten ist möglich, sogar wenn PC und Gerät eingeschaltet sind − sofern die Software nicht darauf zugreift. Damit das klappt, sind die äußeren Kontakte im USB-Stecker (die Stromversorgung) 2 mm länger als die inneren. Dadurch ist das USB-Gerät betriebsbereit, noch bevor die inneren Kontakte die Datenverbindung herstellen.

FireWire

Datenrate Standard seit
400 Mbit/s IEEE 1394a 1995
800 Mbit/s IEEE 1394b 2002
3200 Mbit/s IEEE 1394b S3200 2008

Dieser Anschluss wurde ursprünglich vorzugsweise für den Anschluss von Filmkameras ­verwendet. Weil FireWire deutlich schneller als USB 2.0 ist, gab es viele Geräte mit diesem Anschluss, z. B. externe Festplatten. Die Geräte wählen automatisch die höchste Übertragungsrate aus, die von allen angeschlossenen Geräten beherrscht wird. Die maximalen Übertragungsraten sind in der Tabelle aufgeführt.


Im Vergleich zu USB hat Firewire einige Vorteile:

  • Es verursacht weniger CPU-Belastung.
  • Mehrere Geräte können untereinander kommunizieren, auch wenn kein PC angeschlossen ist.
  • Angeschlossene Geräte können bis zu 1,5 A Strom über das Kabel beziehen (zum Vergleich: USB 2.0 kann maximal 0,5 A bereitstellen, USB 3.0 maximal 0,9 A, USB 3.1 von 2 A bis 5 A).
Mehr dazu unter  FireWire

FireWire war USB viele Jahre klar überlegen. FireWire wurde 2008 von USB 3.0 überholt, seitdem kommt es in Neugeräten nicht mehr vor. Thunderbolt, der Nachfolger von FireWire, ist erneut schneller als USB.

Thunderbolt

(deutsch: Donnerkeil) ist ein universaler Anschluss für den Transfer von großen Datenmengen in beide Richtungen. Mit zwei Kanälen von je 10 GBit/s ist es viermal schneller als USB 3.0. Das reicht sogar für hochauflösende Bildschirme. Wenn die Monitore einen Thunderbolt-Eingang und einen Ausgang haben, ist die Kaskadierung von Geräten möglich: über einen einzigen Anschluss können mehrere Monitore hintereinander gehängt werden. Theoretisch können bis zu acht Geräte hintereinander geschaltet werden.

Thunderbolt wurde von Intel und Apple als Nachfolger von FireWire und Displayport entwickelt. Der MacBook Pro war im Februar 2011 das erste Gerät mit dieser Schnittstelle. Zurzeit ist es nicht als Mangel zu betrachten, wenn die neue Hauptplatine keinen Thunderbolt-Anschluss hat. Es gibt noch keine Festplatten oder andere Datenträger im Handel, für welche die Geschwindigkeit eines USB 3.0-Anschlusses nicht ausreichen würde. Thunderbolt kommt fast ausschließlich bei Apple-Geräten zum Einsatz.

Thunderbolt ist rückwärtskompatibel mit DisplayPort: Mini-DisplayPort-Stecker passen in die Thunderbolt-Buchse. Wenn Sie an einen iMac, MacBook Pro oder MacBook Air einen Zweitbildschirm anschließen wollen, geht das mit einem Kabel „Mini-DisplayPort nach Display-Port“. Ein älterer Bildschirm ohne DisplayPort-Anschluss kann über ein Kabel „MiniDisplayPort nach DVI Adapter“ angesteckt werden.

Das neue USB 3.1 ist mit 10 Gbit/s ebenso schnell wie (einer der Kanäle von) Thunderbolt 1. Es gibt schon Thunderbolt 2 mit 20 Gbit/s pro Kanal und Thunderbolt 3 mit 40 Gbit/s pro Kanal. Allerdings haben Thunderbolt 1, 2 und 3 einen Nachteil: Thunderbolt-Stecker sind voluminös und die Kabel sind teuer, weil in jeden Stecker ein Microprozessor eingebaut werden muss. Der Standard USB 4 ermöglicht es, Thunderbolt 3 über USB zu übertragen. Es bleibt den Herstellern überlassen, ob sie das tun. Dem USB4-Anschluss eines Smartphones eine solche Übertragungsleistung zu gönnen wäre kaum sinnvoll und unnötig teuer. Für ein Tablet oder Notebook könnte es sinnvoll sein, externe Monitore über einen kleinen USB-C-Stecker anschließen zu können statt einen großen HDMI-Stecker einzubauen.

Thunderbolt-Kupferkabel dürfen drei Meter lang sein. Bei optischen Kabeln sind zehn Meter möglich. Dazu muss in den Steckern eine Konvertierung der elektrischen Signale in Lichtsignale und zurück erfolgen, damit die Stecker mit Glasfaserleitung verbunden werden können.

Es gibt erste Geräte mit Thunderbolt-Schnittstelle, z. B. externe Festplatten und Displays. Für den Anschluss externer Festplatten ist gegenwärtig USB 3.0 schnell genug.

eSATA und Power eSATA

SATA ist der aktuelle Standard für den Anschluss von Festplatten und DVD-Laufwerken, doch nur innerhalb eines metallischen Computergehäuses. Das Metallgehäuse als ein faradayscher Käfig schirmt elektrische Störungen ab. „External SATA“ benutzt spezielle Stecker und abgeschirmte Kabel, um SATA-Festplatten auch außerhalb des Computergehäuses zuverlässig betreiben zu können. Ein eSATA-Anschluss ist an vielen neuen PCs und Notebooks vorhanden. Ein Power-eSATA-Anschluss stellt zusätzlich die Versorgungsspannung bereit, damit die externe Festplatte kein eigenes Netzteil braucht. Zwar können auch USB 3.0 und USB 3.1 genug Strom für die Festplatte liefern, doch wenn man keinen solchen USB-Anschluss hat, ist eine externe Festplatte mit Power-eSATA die beste Lösung.

Plug and Play

Netzwerkkarte mit Jumpern, 1992

In den ersten Jahren der PC-Technik musste der Händler zahlreiche Ressourcen (Unterbrechungsleitungen, Speicherbelegung u. a.) manuell festlegen, damit sich die Komponenten nicht „in die Quere“ kamen. Rechts ist eine alte Netzwerkkarte abgebildet. Bei den vielen roten Vierecken handelt es sich um Steckbrücken, sogenannte Jumper. Sie können sich bestimmt vorstellen, wie kompliziert und fehleranfällig es war, ein halbes Dutzend Komponenten auf diese Art zu konfigurieren.

Windows 95 brachte eine Neuerung: Plug and Play (deutsch etwa „Reinstecken und loslegen“), abgekürzt PnP. Bei diesem Verfahren hat jede nichttriviale Komponente einen eigenen Speicher, in dem deren Anforderungen und Möglichkeiten abgelegt sind. Das BIOS fragt beim Start die Parameter ab, findet eine für alle Komponenten akzeptable Konfiguration und stellt die Komponenten darauf ein. Anfangs funktionierte das so schlecht, dass PnP als „Plug and Pray“ verspottet wurde („Reinstecken und Beten“ dass es klappt). Mittlerweile funktioniert PnP gut und erspart eine Menge Stress.

Wollen Sie mehr über Hauptplatinen wissen?

Das BIOS

Was ist das BIOS?

„BIOS“ ist die Abkürzung von „Basic Input/Output System“, deutsch: „Basis Ein-/Ausgabe-System“. Es handelt sich um das erste Programm, mit dem die CPU nach dem Einschalten die Arbeit beginnt. Gewissermaßen wird der PC mit dem BIOS-Programm „zum Leben erweckt“ und im Anschluss das Starten eines Betriebssystems eingeleitet. Das BIOS-Programm wird vom Hersteller der Hauptplatine in einem Festwertspeicherbaustein (ROM) bereitgestellt, der auf die Platine aufgelötet ist. Bei Stromausfall gehen die gespeicherten Bits nicht verloren.

BIOS-Chip auf Hauptplatine

Das BIOS ist ein fest eingebautes Mini-Betriebssystem, das automatisch arbeitet und nicht bedient werden kann. Es stellt einfache Treiber für die wichtigsten PC-Komponenten bereit. Das BIOS überprüft nach dem Einschalten die grundlegenden Funktionen des PC und lädt das Betriebssystem. Die meisten BIOS-Treiber werden später vom Betriebssystem-durch eigene, optimierte Treiber ersetzt.

Das BIOS nimmt eine Zwischenstellung zwischen Hardware und Software ein.

  • „Normale“ Software, wie Betriebssystem und Anwendungen, wird auf Datenträgern geliefert. Man hat eine große Auswahl, welche Software man installiert und man kann sie auch deinstallieren.
  • Die BIOS-Software jedoch ist in der Hardware fest eingebaut und kann nicht entfernt oder ausgewechselt werden.

Wegen dieser Zwitterstellung hat das BIOS den Namen „Firmware“ bekommen.

Welche Aufgaben hat das BIOS?

  • Das BIOS-Programm beginnt nach dem Einschalten mit dem „POST“ (Power On Self Test). Dabei werden die grundlegenden Funktionen des PC überprüft (z. B. mit einem Speichertest). Wenn Fehler auftreten, werden sie auf dem Bildschirm angezeigt. Wenn die Bildschirmausgabe nicht möglich ist, werden Fehler durch eine unterschiedliche Anzahl von Pieptönen signalisiert. Dafür gibt es auf der Hauptplatine einen Pieper, oder es wird im Inneren des Gehäuses ein kleiner Lautsprecher angesteckt.
  • Die Hardware wird konfiguriert (Plug & Play) - Stromsparfunktionen (Powermanagement). Ressourcen werden verteilt, z. B. Interrupts (so heißen die Unterbrechungsanforderungen an die CPU).
  • On-Board-Komponenten (Chipsatz, Schnittstellen,...) werden mit Betriebsparametern versorgt (z. B. Anzahl Wartezyklen) und initialisiert. Datum und Uhrzeit werden verwaltet.
  • Lüfterdrehzahlen und Temperaturen von Prozessor und Hauptplatine werden überwacht.
  • Auf den Massenspeichern wird nach einem Betriebssystem gesucht. Das gefundene Betriebssystem wird in den Arbeitsspeicher geladen und das Betriebssystem gestartet.

Als Speicher für das BIOS werden heute Flash-EEPROMS (Flash Electrical Erasable Programmable Read Only Memory = "blitzschnell elektrisch löschbarer Nur-Lese- Speicher") verwendet. Diese Speicherbausteine können ohne Spezialgeräte gelöscht und neu beschrieben werden, dadurch kann der Benutzer ein sogenanntes BIOS-Update selbst durchführen.

CMOS und Uhr

Seit 1993 hat jeder PC einen Speicherbaustein mit extrem geringer Stromaufnahme, das sogenannte CMOS-RAM. Im gleichen Chipgehäuse ist auch der Uhren-Schaltkreis (RTC = Real-Time-Clock) untergebracht. Der CMOS RAM enthält die Parameter der Festplatten, der parallelen und der seriellen Ports sowie weitere Angaben. Das Betriebssystem liest diese Daten vor allem beim Hochfahren. Damit die im CMOS gespeicherten Parameter beim Abschalten des PC nicht verloren gehen und damit die Uhr nicht stehenbleibt, erfolgt die Ersatz-Stromversorgung durch einen Akku oder eine Lithium-Batterie.

Das neue UEFI-BIOS

Das BIOS von 1981 kannte noch keine Festplatten. Eine erste Überarbeitung ermöglichte Festplatten bis 32 MB. Immer neue Modifikationen wurden nötig, um die Kapazitäts-Obergrenze schrittweise auf 504 MB, 2016 MB, 3,7 GB, 7,8 GB, 128 GB und zuletzt auf 2047,99 GB anzuheben. Nun hat die Flickschusterei ein Ende gefunden. Der Aufwand, das BIOS an neue Entwicklungen (z. B. noch größere Festplatten) anzupassen, wurde zu hoch. Das Unified Extensible Firmware Interface (UEFI) hat das klassische BIOS ersetzt. EFI wurde 2001 von Intel für die Server-CPU Itanium entwickelt, ein etwas anderes EFI wurde seit 2006 von Apple verwendet. Die PC-, Software- und Firmware-Hersteller haben sich nun auf eine vereinheitlichte (unified) Version geeinigt. Die klassischen BIOS-Funktionen werden weiter unterstützt. Die ersten Notebooks wurden schon vor etwa zehn Jahren mit frühen Versionen des UEFI-BIOS ausgestattet, und vor etwa fünf Jahren auch die Mainboards von Desktop-Computern. Inzwischen ist das UEFI-BIOS die Normalausstattung.

Was ist neu?

  • Das alte BIOS akzeptiert Festplatten bis 2 TB, mit UEFI sind 8 000 000 000 TB möglich (das ist ungefähr die Speicherkapazität aller Computer auf der Erde im Jahr 2008 zusammengenommen).
  • Der Startvorgang wird erheblich beschleunigt, weil mehrere Prozesse parallel ablaufen.
  • Ein Mini-Betriebssystem, die „UEFI-Shell“ (ähnlich zu DOS) ist integriert. Dadurch werden beispielsweise Reparaturen ermöglicht, wenn Windows nicht startet, für die man früher eine „Live Disk“ brauchte.
  • Zusatzprogramme können integriert werden, z. B. ein Datensicherungsprogramm oder einfache Spiele. Die NSA (der Auslandsgeheimdienst der USA) träumt bestimmt davon, ein unauffälliges Spionageprogramm ins BIOS zu integrieren. Sie muss nur einen patriotischen BIOS-Hersteller finden. Der chinesische Geheimdienst ist da vermutlich schon weiter.

Trusted Computing

Immer mehr Computer haben auf der Hauptplatine einen „TPM-Chip“. TPM kann auch in Mobiltelefone, Smartphones und Unterhaltungselektronik eingebaut werden. Der Trusted Platform Module Chip soll sicherstellen, dass das System nicht bereits beim Bootvorgang durch Viren manipuliert wird. Der von Intel und Microsoft festgelegte Standard regelt die Zusammenarbeit zwischen TPM-Chip und Betriebssystem. Der Anwender braucht sich um nichts zu kümmern.

Daten können so verschlüsselt werden, dass sie nur auf einem einzigen PC (dem eigenen) geöffnet werden können.

Ein Gerät mit TPM, daran angepasstem Betriebssystem und Software bildet zusammen eine „Trusted Computing Plattform“. Der Hersteller kann für seine „vertrauenswürdige Plattform“ Beschränkungen festlegen.

Etwa seit 2016 nutzt nahezu jeder Computer mit Windows 8 und höher den TPM 2.0 Standard. Die Hardware und das Betriebssystem sind aufeinander abgestimmt und der Hersteller eines Betriebssystems legt fest, welche Software sich auf einem Gerät installieren lässt, ähnlich wie es bereits auf Smartphones der Fall ist. Der Hersteller könnte das Booten von jeglicher Live-CD verhindern (eine Live-CD ist eine startfähige CD mit Betriebssystem, mit der man den PC benutzen kann, ohne auf die Festplatte zugreifen zu müssen). Dann wäre der Nutzer davor geschützt, dass Diebe die Daten von seiner Festplatte auslesen. Doch er könnte seine Daten selbst nicht mehr retten, falls Windows einmal nicht startet.

Der Hersteller könnte auch verhindern, dass sich ältere Windows-Versionen installieren lassen, um den Anwender zum Kauf des aktuellen Betriebssystems zu zwingen. Eigentlich macht Microsoft das schon lange: Notebooks und Komplettsysteme werden mit vorinstalliertem Windows 10 verkauft. Wer Wert auf seine Privatsphäre legt und lieber Linux oder Windows 7 nutzen möchte, kann es nicht, weil der Notebook-Hersteller keine Treiber für Windows 7 oder Linux bereitstellt. Sehen Sie gegebenenfalls vor dem Kauf auf der Hersteller-Webseite unter „Support“ nach, ob es Treiber für das gewünschte Betriebssystem gibt.

TPM wird auf allen Rechnern mit Windows 8 und 10 automatisch aktiviert. Zudem übernimmt mit TPM 2.0 das Betriebssystem die Kontrolle über das Trusted Computing − und legt damit fest, was der Anwender auf dem Computer darf und was nicht.

Auf diese Weise würde sich Microsoft solch lästige Konkurrenten wie das Libre-Office-Büropaket, den Firefox-Browser oder das Betriebssystem Linux vom Hals schaffen können.

Die „Zeit“ berichtete, das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik sähe bereits heute ein Risiko beim Einsatz von Windows 8. Windows 7 sei nach Angaben des BSI bis zum Jahr 2020 „sicher zu betreiben“. Auf den Webseiten des BSI wird erklärt, wie TPM funktioniert. Suchen Sie nach „tpm bsi grundlagen“. Unter „Trusted Computing im praktischen Einsatz“ finden Sie zahlreiche TPM-Kritiker mit ihren Argumenten.

Die IT-Experten der Bundesregierung halten das Betriebssystem Windows 8 für gefährlich. Durch eine Hintertür in Windows 8, die sich nicht verschließen lässt, soll es Microsoft oder auch Behörden möglich sein, das Betriebssystem aus der Ferne zu kontrollieren. Professor Rüdiger Weis, Sicherheitsexperte in Berlin, sagte dazu: Auf mindestens drei Ebenen seien die neuen Trusted-Computing-Systeme angreifbar. Man müsse davon ausgehen, dass die NSA die entsprechenden Rechner problemlos kompromittieren könnte – ebenso übrigens die Chinesen, wenn die TPM-Chips in China gefertigt würden.

Secure Boot

Ab UEFI Version 2.3.1 gibt es „Secure Boot“. Das sichere Booten lässt sich nur durchführen, wenn alle BIOS-Komponenten von Microsoft oder einer anderen Zertifizierungsstelle genehmigt sind. Damit soll verhindert werden, dass Schadsoftware bereits vor dem Start des Betriebssystems die Kontrolle übernehmen kann, denn dann wären sämtliche Antivirenprogramme machtlos. Und wenn BIOS-Hersteller auf Anweisung des Geheimdienstes eine Spionagesoftware ins BIOS einbauen, können Antivirenprogramme diese nicht finden. Secure Boot verhindert nicht alle denkbaren Angriffe, aber es macht Angriffe so aufwendig, dass derartige Angriffe unwahrscheinlich sind.

Das UEFI Secure Boot kann man im UEFI-BIOS-Setup ausschalten. Das UEFI-BIOS startet dann mit einem CSM (Compatibility Support Module) wie ein klassisches BIOS. Diese Option wird oft als „Legacy Boot“ bezeichnet. Im CSM-Modus kann man auch von einer Live-CD booten oder ein nicht-zertifiziertes Betriebssystem nutzen, wie z. B. Linux. Doch mit diesem klassischen BIOS kann Windows auf der Boot-Festplatte nur maximal 2,2 TByte Speicherplatz nutzen.

Das BIOS-Setup-Programm

Um die Parameter der Festplatten und andere Parameter in das CMOS-RAM einspeichern zu können, wird ein Hilfsprogramm, das sogenannte „BIOS-Setup-Programm“ benötigt. In den 80er Jahren, als ROM noch sehr teuer war, wurde dieses Programm auf Diskette beigelegt. Heute wird das BIOS-Setup-Programm im ROM untergebracht. Wenn man Veränderungen an den Einstellungen vornehmen will, muss man das BIOS-Setup-Programm starten, indem man den Startvorgang des PC im richtigen Moment mit einer Taste oder Tastenkombination unterbricht. Meist wird die Taste Del bzw. Entf oder die Taste F2 dafür verwendet, in seltenen Fällen auch F12, F10, F8, F1, Esc, Strg-Einfg oder Strg-Esc. Beobachten Sie den PC beim Booten genau. Bei einigen PCs wird am unteren Bildschirmrand eine Meldung angezeigt, mit welcher Taste man ins Setup kommt, z. B. „Press Del for Setup“. Wenn Sie so eine Meldung sehen, haben Sie einige Sekundenbruchteile Zeit, die Entf-Taste zu drücken. Wenn Sie den Moment verpasst haben, müssen Sie Windows hochfahren, herunterfahren und es erneut versuchen. Beachten Sie, dass Windows 10 normalerweise nicht völlig herunterfährt, um schneller neu starten zu können. In diesem Fall drücken Sie die Windows-Taste plus „r“ und tippen Sie shutdown /s /f /t 0 ein, gefolgt von Enter. Dann fährt Windows „richtig“ herunter und beim nächsten Start können Sie es erneut versuchen.

Wenn Sie im BIOS-Setup sind, seien Sie vorsichtig. Das Anschauen der Einstellungen ist völlig ungefährlich, aber bitte nicht planlos die Einstellungen verändern und dann speichern, denn falsche Einstellungen können den PC ausbremsen oder stilllegen. Deshalb verfügt fast jedes BIOS über einen Selbstschutz: Wenn das Booten mehrmals nicht gelingt (weil Sie den Startvorgang absichtlich unterbrochen haben oder weil einer der eingestellten Parameter nicht funktioniert), werden Sie beim Start gefragt, ob Sie die Standardeinstellungen zurückhaben möchten. Meist müssen Sie dann die Taste F1 drücken und daran anschließend die zurückgesetzten Einstellungen abspeichern.

Welche BIOS-Einstellungen müssen Sie kennen?

  • Im Hauptmenü „Main“ können Sie Datum und Uhrzeit einstellen.
  • Im letzten Menüpunkt gibt es eine Einstellung, „Load Setup Defaults“, um alle Werte auf Standard zu setzen. Das hilft manchmal bei Hardware-Problemen.
  • Im Abschnitt „Boot Sequence“ oder „Boot Device Priority“ können Sie einstellen, ob der PC von DVD booten darf oder nicht.
  • Unter dem Menüpunkt „Power“ ist meist ein „Hardware Monitor“ zu finden. Dort können Sie die CPU-Temperatur und die Drehzahl der Lüfter kontrollieren.

Am rechten oder unteren Bildrand finden sie eine Erläuterung, mit welchen Tasten Sie Einstellungen vornehmen können. Oft sind es die Tasten „PgUp“ und „PgDn“ (Page Up und Page Down = Bild auf- oder abwärts) oder die Tasten „+“ und „-“ am rechten Rand der Tastatur.

Bei manchem (vorwiegend älteren) BIOS werden Sie aufgefordert, das Speichern mit der Taste „y“ (yes) zu bestätigen. Wenn das nicht klappt, nehmen Sie die Taste „z“, weil das BIOS eine amerikanische Tastatur erwartet, auf der die Tasten y und z im Vergleich zur deutschen Tastatur vertauscht sind.

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Speicher


Byte und Bit sind Maßeinheiten für die Menge an Speicherplatz.
Ein Bit ist Speicherplatz für die kleinstmögliche Informationsmenge: 1 oder 0, Ja oder Nein, Ein oder Aus. Mit einem Bit kann man zwei Zustände darstellen, mit zwei Bit kann man 2 × 2 = 4 Zustände unterscheiden (00, 01, 10, 11). Jedes weitere Bit verdoppelt die Zahl der Kombinationen. Mit 8 Bit kann man 2 hoch 8 = 256 Kombinationen darstellen. Eine Gruppierung von acht Bit nennt man ein Byte. Man kann in einem Byte also eine Zahl zwischen Null und 255 oder ein Zeichen (einen Buchstaben des Alphabets oder ein Sonderzeichen) speichern.

Gesetzliche Maßeinheiten

In diesem Lehrbuch werden die gesetzlichen Maßeinheiten verwendet:
1 Sekunde = 1 000 Millisekunden = 1 000 000 Mikrosekunden = 1 000 000 000 Nanosekunden.
1 Giga = 1 000 Mega = 1 000 000 Kilo = 1 000 000 000.

Wenn es um Speicherkapazität geht, werden in Anlehnung an die gesetzlichen Maßeinheiten die Bezeichnungen Giga, Mega und Kilo verwendet:

  • EB = Exabyte = 1 Trillion Byte,
  • PB = Petabyte = 1 Billiarde Byte,
  • TB = TeraByte = 1 Billion Byte,
  • GB = GigaByte = 1 Milliarde Byte,
  • MB = MegaByte = 1 Million Byte,
  • kB = kiloByte = Eintausend Byte.

Da der PC im Binärsystem rechnet, werden auch die Speichereinheiten binär adressiert. Elektronischer Speicher lässt sich nicht in beliebigen „Portionen“ herstellen. Jeder Speicherchip und jeder Speichermodul hat eine Kapazität, die eine Zweierpotenz ist: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024, 2048, 4096, 8192, 16384, 32768, 65536 usw. sowie Vielfache davon sind herstellbar. Eine Speicherkapazität von z.B. 1000 Bytes lässt sich nicht direkt herstellen (1000 Byte = 1 Chip mit 512 Bytes + ein weiterer mit 256 Bytes, +128, +64, +32, +8, was völlig unwirtschaftlich ist), sondern bestenfalls künstlich limitieren. Dann entstünden aber ungenutzte Bereiche, die aber natürlich dennoch hergestellt werden müssen; ein 1000-Byte-Chip würde genausoviel kosten wie ein 1024-Byte-Chip. Notgedrungen wurde in der Computertechnik die Zahl 1024 mit „Kilo“ bezeichnet, (1024)2 = 1.048.576 mit „Mega“, (1024)3 = 1073.741.824 mit „Giga“ usw. Den kleinen Unterschied nahm man in Kauf.

Dabei hat es sich im allgemeinen eingebürgert, die bereits geläufigen  SI-Vorsätze (Kilo für 103=1 000, Mega für 106=1.000.000 usw.), die eigentlich auf Potenzen der Zahl 10 beruhen, auf die in der Informatik üblicheren Zweierpotenzen zu übertragen. Mit einem „Kilo-Byte“ sind in Schaltkreisen aber nicht 1000, sondern immer 1024  Byte gemeint.

Beim magnetischen und optischen Speicher gibt es dagegen keine fertigungsbedingten Einschränkungen auf Zweierpotenzen. Man hätte einen Datenblock durchaus genau 1000 Byte groß machen können. Weil aber im PC ein ständiger Datenaustausch zwischen den Speicherarten stattfindet, wären unterschiedliche Datenblockgrößen extrem unpraktisch. Deshalb ist der kleinste adressierbare Datenblock auf allen magnetischen und optischen Datenträgern genau 512 Byte groß, die Hälfte von 1024, oder neuerdings 4096 Byte.

Beim Speicher gilt also:

TB   GB   MB   kB   Byte
            1 = 1024
        1 = 1024 = 1.048.576
    1 = 1024 = 1.048.576 = 1.073.741.824
    100 = 102.400 = 104.857.600 = 107.374.182.400
0,909 ≈ 931 ≈ 953.674 ≈ 976.562.500 = 1.000.000.000.000
1 = 1024 = 1.048.576 = 1.073.741.824 = 1.099.511.627.776

In der vorletzten Zeile der Tabelle sehen Sie, dass man eine 1 Terabyte (1012 = 1.000.000.000.000 Byte) große Festplatte auch als 0,909 TiB bzw. 931 GiB anpreisen könnte. Das macht natürlich niemand – einerseits wirkt die dezimale Angabe größer, andererseits ist genau diese Angabe bei Festplatten seit Jahrzehnten etabliert.

Um nun diese Verwirrungen zwischen 1000 und 1024 zu beseitigen, sind die neuen Maßeinheiten kibi, mebi und gibi eingeführt worden. Exakter ist es deshalb, die eigens dafür eingeführten  binären Vorsätze (Kibi für 210=1 024, Mebi für 220=1 048 576 usw.) zu verwenden:

  • 210 Byte = 1 024 Byte = 1 Kibibyte = 1 KiB (sprich: „Kibibait“) ≠ 1 kB (sprich: „k“ oder „Kilobait“).
    Weil Kilo ein SI-Vorsatz ist und für 1000 steht, hier aber 1024 Byte gemeint sind, ist die Bezeichnung Kilobyte sachlich falsch. Richtig, jedoch seltener verwendet, wäre die Bezeichnung Kibibyte.
  • 220 Byte = 1 048 576 Byte = 1 024 KiB = 1 Mebibyte = 1 MiB (sprich: „Mebibait“) ≠ 1 MB (sprich: „Megabait“).
  • 230 Byte = 1 073 741 824 Byte = 1 024 MiB = 1 Gibibyte = 1 GiB (sprich: „Gibibait“) ≠ 1 GB (sprich: „Gigabait“).
  • 240 Byte = 1 099 511 627 776 Byte = 1 024 GiB = 1 Tebibyte = 1 TiB (sprich: „Tebibait“) ≠ 1 TB (sprich: „Terabait“).

Allerdings sind diese Einheiten noch relativ wenig bekannt und werden teilweise sogar von großen Softwarehäusern wie z. B. Microsoft völlig ignoriert. In Windows werden Datenmengen stets in Kibibyte oder größeren Einheiten berechnet, allerdings als Kilobyte bezeichnet. Der Anwender ohne das Wissen aus diesem Artikel meint nun, zwar eine 1 Terabyte-Festplatte gekauft zu haben, aber davon nur 0,909 Terabyte nutzen zu können. Gern wird dabei dem Hersteller aufgrund dieser schon beträchtlichen Differenz Betrug unterstellt. Dabei ist es die Schuld von Microsoft, die „ihre“ Tebibytes nur falsch als Terabyte deklarieren. 0,909 TiB entsprechen dabei, wie bereits in obiger Tabelle erwähnt, genau den beworbenen 1,0 Terabytes.

Anforderungen an Speicher

Der ideale Speicher wäre gleichzeitig sehr schnell, gewaltig groß und preiswert. Darüber hinaus sollten gespeicherte Informationen bei Bedarf jahrzehntelang verlustfrei haltbar sein. Leider gibt es keine Speichertechnologie, welche diese Anforderungen auch nur näherungsweise erfüllt. Große Kapazitäten sind nur mit relativ langsamen Verfahren zu erreichen, andererseits sind schnelle Speicher teuer und klein. Daher gibt es in einem PC mehrere Arten von Speicher, die abgestimmt zusammenarbeiten.

Die Tabelle zeigt typische Werte für die in einem PC gebräuchlichen Technologien (Daten und Preise von Nov. 2019):

Speichertyp CPU-Cache Arbeitsspeicher USB-Stick SSD-Festplatte M.2-Speicher magnet. Festplatte DVD
Klassifikation intern, flüchtig extern, dauerhaft
Preis pro MB 5 € 0,8 Cent 0,03 Cent 0,014 Cent 0,02 Cent 0,0025 Cent 0,01 Cent
typische Größe 8 MB 8 GB 64 GB 500 GB 500 GB 4000 GB 4,7 GB
Datenübertragung
pro Sekunde		 24 GB/sek 12,8 GB/sek 0,015 GB/sek 0,5 GB/sek 3,5 GB/sek 0,2 GB/sek Lesen: 0,01 GB/sek

Klassifikation des Speichers nach Bauteilen

  • Der Externe Speicher (Massenspeicher) wird mit Kabeln an die Hauptplatine angeschlossen. Er ist langsam, weil er mit mechanisch bewegten Teilen arbeitet. Die Daten werden zu Blöcken zusammengefasst. Man unterscheidet:
    • Magnetische Speichermedien: Festplatten, Diskettenlaufwerke, ZIP-Laufwerke
    • Optische Speichermedien: CD- und DVD-Laufwerke, BluRay
    • Flash-Speicher (USB-Stick und SSD-Festplatten) haben zwar keine bewegten Teile, werden aber wegen Kapazität und Geschwindigkeit zu den externen Speichern gerechnet.
  • Der Interne Speicher ist direkt auf der Hauptplatine aufgelötet oder aufgesteckt. Der interne Speicher kommt ohne mechanisch bewegte Teile aus und ist deshalb sehr schnell. Es gibt zwei Arten:
    • ROM: Read Only Memory (Nur-Lese-Speicher) für das Startprogramm (BIOS)
    • RAM: Speicher für Arbeitsdaten.
Wie groß sind die Geschwindigkeitsunterschiede?

Für den Arbeitsspeicher sind Zugriffszeiten von weniger als 5 Nanosekunden üblich. Die Festplatte als externer Speicher benötigt pro Lese- oder Schreibzugriff durchschnittlich 9 Millisekunden = 9.000.000 Nanosekunden. Bei einer so langen Wartezeit ist es nicht sinnvoll, jedes Byte ­einzeln zu lesen. Deshalb werden gleichartige Daten zu Blöcken zusammengefasst. Ein Datenblock auf Diskette oder Festplatte ist 512 Byte groß. Beim Lesen eines einzelnen Blockes kommt die Festplatte auf durchschnittlich 9 ms pro 512 Byte = 18.000 Nanosekunden pro Byte. Diese Blöcke werden zu größeren Einheiten zusammengefasst, den sogenannten Verwaltungseinheiten, engl.: „Cluster“. Die Größe der Verwaltungseinheit hängt von der Größe der Festplatte ab, es können 8 bis 64 Sektoren zu einem Cluster gehören. Je größer die Festplatte, desto größer die Cluster. Mehrere Cluster hintereinander bilden eine Spur der Festplatte.

Wenn sich eine Festplatte mit 7200 U/min dreht, sind das 120 Umdrehungen pro Sekunde, also etwa 8 Millisekunden für eine Umdrehung. Im statistischen Durchschnitt werden 4 ms (eine halbe Umdrehung) gebraucht, bis die angeforderten Daten unter dem Lese-/Schreibkopf vorbeirasen.

Nehmen wir an, eine Spur enthält 200 Sektoren zu je 512 Byte, das ergibt gerundet 100 000 Byte. Die Festplatte benötigt im Mittel 9 ms, um den Kopf in Position zu bringen, plus 4 ms für eine halbe Umdrehung. 13 ms für 100 000 Byte ergibt eine Wartezeit von 130 ns pro Byte. Allerdings ist das eine sehr optimistische Rechnung, denn es kommt nicht oft vor, dass hunderttausend aufeinanderfolgende Bytes von der CPU angefordert werden. Das zeigt aber auch, dass die Reihenfolge der Daten auf einem Massenspeicher optimiert werden sollte, um bessere Geschwindigkeiten zu erzielen. Im Unterschied dazu kann der Arbeitsspeicher acht aufeinanderfolgende Byte in nur 5 ns liefern, wobei die Geschwindigkeit nicht von der Anordnung der Daten abhängt.

Windows bemüht sich, alle für eine Anwendung benötigten Programmteile und Daten im Arbeitsspeicher bereitzuhalten. Wenn der Arbeitsspeicher nicht ausreicht, muss Windows Teile des Arbeitsspeichers auf die viel langsamere Festplatte auslagern. Geizen Sie also nicht mit Arbeitsspeicher beim Kauf eines PCs!

Externer Speicher

Die Festplatten, Diskettenlaufwerke, Flash-Speicher und optischen Speicher werden etwas später behandelt.

Interner Speicher

Beginnen wir mit der Betrachtung der Halbleiter-Bausteine, die für RAM und ROM verwendet werden.

ROM – Der Nur-Lese-Speicher

ROM ist die englische Abkürzung für „Read Only Memory“ (Nur-Lese-Speicher, auch als Festwertspeicher bezeichnet). ROM verliert die Daten nicht, wenn der Strom abgeschaltet wird. Außerdem können die enthaltenen Daten im normalen Betrieb nicht geändert werden und sind gegen Fehlbedienungen, Programmabstürze und Attacken durch Computerschädlinge immun. Wegen dieser wertvollen Eigenschaften hat jeder Computer einen ROM-Baustein, in dem das Startprogramm gespeichert ist, mit dem die Arbeit nach dem Einschalten beginnt. Beim PC wird dieses Startprogramm als BIOS bezeichnet.

Ein ROM ist allerdings nicht völlig „Read Only“, denn die Daten müssen ja irgendwie in den Chip hineinkommen oder nötigenfalls geändert werden können. Mit speziellen Mitteln, Geräten oder Programmen ist das möglich.

Der RAM-Speicher

RAM bedeutet Random Access Memory, deutsch: „wahlweise ansprechbarer Speicher“ oder auch „Speicher mit wahlfreiem Zugriff“. „Wahlweise" bedeutet zweierlei:

  • Im Unterschied zum ROM kann man den Speicher nicht nur Lesen, sondern auch beschreiben. Die Reihenfolge und Häufigkeit, mit der Daten geschrieben oder gelesen werden können, ist beliebig.
  • Im Unterschied zur Festplatte kann jedes Byte einzeln adressiert werden, in beliebiger Reihenfolge.

Leider ist RAM ein flüchtiger Speicher. Das bedeutet: Strom weg - Daten weg. Nach dem Einschalten des PC muss dessen leerer RAM mit Programmen und Daten aus dem externen Speicher gefüllt werden. Dieser Vorgang ist das „Laden“ des Betriebssystems. Vor dem Ausschalten des PC müssen die veränderten Daten auf Festplatte zurückgeschrieben (gespeichert) werden, sonst gehen sie verloren. Der Begriff „speichern“ ist etwas unglücklich gewählt, denn dabei werden die bereits (im RAM) gespeicherten Daten auf einen externen Datenspeicher, die Festplatte, kopiert.

Der Arbeitsspeicher

Die wichtigste Verwendung für RAM-Bausteine ist der Arbeitsspeicher, der auch als Hauptspeicher bezeichnet wird. Der Arbeitsspeicher ist eine Baugruppe auf der Hauptplatine, die über schnelle Datenwege mit dem Prozessor verbunden ist. Der Prozessor benutzt den Arbeitsspeicher als Ablage für operative Daten, Zwischenergebnisse und auch für die Liste der nächsten Befehle. Im Inneren des Prozessors ist nur ganz wenig Platz für Daten, ohne ausreichend Arbeitsspeicher kann die CPU nicht arbeiten.

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RAM


Die RAM-Speicherbausteine lassen sich in zwei Arten unterteilen, die auf ganz unterschiedlichen Technologien beruhen und dementsprechend in allen Kenndaten sehr unterschiedlich sind. Es gibt dynamischen RAM (DRAM) und statischen RAM (SRAM).

DRAM

Der Dynamische Speicher (DRAM) ist verblüffend einfach aufgebaut. Jede Speicherzelle besteht aus einem Kondensator (das ist ein Kurzzeitspeicher für Elektrizität) und einem Transistor. Um eine „Eins“ zu speichern, wird der Kondensator aufgeladen. Soll eine „Null“ gespeichert werden, bleibt der Kondensator ungeladen. Wenn die CPU wissen will, was gespeichert ist (das nennt man eine Leseanforderung), gibt der Transistor die elektrische Ladung frei. Wenn eine „Eins“ gespeichert ist, fließt für einen kurzen Moment ein Entladestrom. Wenn eine „Null“ gespeichert war, fließt kein Strom. So oder so ist der Kondensator anschließend entladen. Das nennt man „zerstörendes Lesen“. Deshalb muss in einem zweiten Schritt der frühere Speicherinhalt wiederhergestellt werden. Ein solcher „Lesen-und-Wiederherstellen“-Zyklus dauert etwa fünf bis zehn ns (10 Nano-Sekunden), er kann also bis zu 200 Millionen mal pro Sekunde erfolgen. Das Lesen der Daten beansprucht etwa die Hälfte dieser Zeit, die andere Hälfte wird für das Zurückschreiben (Wiederherstellen) gebraucht.

Einzelchip vor 1991
PC-3200-Modul mit DDR-400 Speicherschaltkreisen
RAM mit Kühlkörper

Warum aber wird der Speicher als „dynamisch“ bezeichnet? Halbleitermaterial ist kein perfekter Isolator. Wie der Name sagt, leitet es elektrischen Strom, wenn auch wenig. Deshalb verlieren die Kondensatoren ihre Ladung nicht nur durch das Lesen, sondern auch durch „Leckströme“. Darum muss die Ladung der winzigen Kondensatoren einige tausend Male in der Sekunde aufgefrischt (nachgeladen) werden. Während des Vorgangs der Auffrischung, die englisch als „Refresh” bezeichnet wird, kann die CPU nicht auf die Daten zugreifen. DRAM ist wegen des simplen Funktionsprinzips günstig zu produzieren, wobei man hohe Packungsdichten erreicht. Deshalb wird DRAM als Arbeitsspeicher im PC eingesetzt.

Bis etwa 1991 wurden DRAM-Einzelchips verwendet. 36 Stück davon mussten in die Fassungen der Hauptplatine eingesteckt werden, um ein Megabyte Arbeitsspeicher zu bestücken. Stellen Sie sich den Aufwand vor, wenn einer davon defekt war und man durch Auswechseln ermitteln muss, welcher der defekte ist! Zum Glück kamen die Konstrukteure auf die Idee, 9 oder 18 dieser Schaltkreise auf eine kleine Platine von etwa 13 x 3 cm aufzulöten. Eine solche Platine nennt man „Speichermodul“, siehe übernächste Seite. Die Hauptplatine mit maximal vier derartigen Modulen statt mit 36 einzelnen Chips zu bestücken, ist eine große Erleichterung.

Bauformen von DRAM

< hoch zu RAM

Typ Modul Chip Speichertakt Übertragungsrate
SDRAM PC100 PC100 100 MHz 800 MByte/s
PC133 PC133 133 MHz 1066 MByte/s
DDR-1 PC1600 DDR-200 100 MHz 1600 MByte/s
PC2100 DDR-266 133 MHz 2100 MByte/s
PC2700 DDR-333 166 MHz 2666 MByte/s
PC3200 DDR-400 200 MHz 3200 MByte/s
DDR-2 PC2-3200 DDR2-400 100 MHz 3200 MByte/s
PC2-4200 DDR2-533 133 MHz 4200 MByte/s
PC2-5300 DDR2-666 166 MHz 5300 MByte/s
PC2-6400 DDR2-800 200 MHz 6400 MByte/s
PC2-8000 DDR2-1000 250 MHz 8000 MByte/s
PC2-8500 DDR2-1066 266 MHz 8500 MByte/s
DDR-3 PC3-6400 DDR3-800 100 MHz 6400 MByte/s
PC3-8500 DDR3-1066 133 MHz 8500 MByte/s
PC3-10600 DDR3-1333 166 MHz 10666 MByte/s
PC3-12800 DDR3-1600 200 MHz 12800 MByte/s
PC3-16000 DDR3-2000 250 MHz 16000 MByte/s
PC3-17066 DDR3-2133 266 MHz 17066 MByte/s
PC3-19200 DDR3-2400 300 MHz 19200 MByte/s
DDR-4 PC4-12800 DDR4-1600 800 MHz 12800 MByte/s
PC4-17000 DDR4-2133 1066 MHz 17000 MByte/s
PC4-19200 DDR4-2400 1200 MHz 19200 MByte/s
PC4-21300 DDR4-2666 1333 MHz 21300 MByte/s
PC4-22400 DDR4-2800 1400 MHz 22400 MByte/s
PC4-24000 DDR4-3000 1500 MHz 24000 MByte/s
PC4-25600 DDR4-3200 1600 MHz 25600 MByte/s

Dynamischer RAM wird seit Jahrzehnten in den verschiedensten Bauformen gefertigt. Vor dem Jahr 2002 wurden die PCs mit RAM in der Bauform SDRAM bestückt, das ist die Abkürzung für „Synchronous Dynamic Random Access Memory“. Seitdem heißen die verwendeten Bauformen DDR-1, DDR-2, DDR-3 und DDR-4.

DDR-1

Die Pentium-CPUs bis zum Pentium III arbeiteten mit sogenannten SDRAM-Speichermodulen zusammen, deren Geschwindigkeit für den Pentium 4 nicht ausreichte. 1999 kamen die ersten „DDR“-Module auf den Markt. DDR steht für Doppelte Daten-Rate und bedeutet, dass zweimal pro Speichertakt Daten übertragen werden. Die erste Generation dieser Speicher (DDR-1) wurde mit 100 MHz getaktet, wegen der Verdopplung wurden daraus 200 MHz. Da bei jedem Speicherzugriff gleichzeitig 8 Byte (64 Bit) übertragen werden, errechnet sich die Datenübertragungsrate als 200 MHz x 8 Byte = 1600 MByte/s. Ein Speichermodul „PC3200“, bestückt mit „DDR-400“ Chips, erreichte maximal 3200 MByte/s bei 200 MHz.

DDR-2

Eine erneute Verdopplung: Pro Speichertakt werden viermal Daten übertragen. Dadurch verdoppelt sich die Datenübertragungsrate erneut: Bei 100 MHz Takt werden 3200 MByte/s erreicht, maximal 8500 MByte/s bei 266 MHz sind möglich.

DDR-3

Die Datenübertragungsrate verdoppelt sich zum dritten Mal: Pro Takt werden achtmal Daten übertragen. Die Datenübertragungsrate verdoppelt sich zum dritten Mal: Bei 100 MHz Takt werden 6400 MByte/s erreicht, maximal 19200 MByte/s bei 300 MHz sind möglich.

DDR-4

Die Datenübertragungsrate wurde nicht verdoppelt, insofern ist DDR-4 keine neue Technologie. Die höhere Geschwindigkeit wird einerseits durch den höheren Speichertakt erreicht, andererseits durch eine höhere interne „Parallelisierung“.

Bei DDR3-Modulen muss alle 64 Millisekunden ein Refresh-Zyklus stattfinden. Die DDR4-Speichermodule steuern die Refreshrate dynamisch: Bei niedriger Temperatur verlieren die Speicherzellen weniger Elektronen und die Refresh-Häufigkeit kann verringert werden. Das spart etwa 20 % Energie und die CPU muss seltener auf das Ende eines Refresh-Zyklus warten. Weitere 15 % Energie spart die auf 1,2 Volt verringerte Betriebsspannung. Erste Hersteller haben 2014 mit der Serienproduktion von „Stacked-DDR-4-RAM“ begonnen. Beim sogenannten „3D-Stacking“ werden wie bei der 3D-NAND-Technologie von SSDs mehrere Lagen Speicherzellen im Inneren des Chips übereinander gestapelt. Der Standard erlaubt bis zu acht Schichten von RAM-Zellen übereinander zu stapeln. Damit werden RAM-Riegel mit bis zu 512 GB möglich.

DDR-5

Im Jahr 2018 soll die Spezifikation fertig sein: Doppelte Geschwindigkeit und Speicherkapazität bis 128 GB pro Modul, weniger Energiebedarf. Es wird ein reichliches Jahr dauern, bis die ersten DDR-5-Module und dazu passende Mainboards auf dem Markt sind.

Fehlerkorrektur

Schon die DDR3-Speichermodule haben eine interne automatische Fehlerkorrektur. DDR4-Speicher haben eine wesentlich verbesserte und schnellere Fehlerkorrektur. Auch der Inhalt von Prozessor-Cache, Flash-Speicher und Festplatten wird durch Fehlerkorrekturverfahren geschützt. Wozu ist das nötig?

Es gibt zufällige Störungen, z. B. durch Spannungsspitzen von der Energieversorgung. Überall auf der Erde gibt es eine natürliche Radioaktivität. Außerdem dringen Reste des Sonnenwindes und von energiereicher kosmischer Strahlung bis zur Erdoberfläche vor und können die Ladung aus einem Bit herausschlagen. Einmal im Monat (sehr grob geschätzt) wird einer Ihrer RAM-Bausteine so schwer getroffen, dass die interne Fehlerkorrektur versagt. Dazu ein interessantes Fundstück aus den 70er Jahren:

„Das National Laboratory in Los Alamos (New Mexico, USA) hat sich bei IBM einmal beschwert, dass bei ihren Kollegen in Livermore (Kalifornien, USA) bei den gleichen Rechnern viel weniger Fehler auftreten. Dazu muss man wissen, dass Los Alamos auf ca. 2200 m Höhe liegt, während Livermore in der Nähe von San Francisco etwa auf Meereshöhe liegt. In Los Alamos ist die kosmische Neutronenstrahlung fünfmal stärker als auf Meereshöhe.“ (gefunden auf http://www.elektronik-kompendium.de/sites/com/1504141.htm).

Einzelbitfehler führen nur selten zu Abstürzen: Meist trifft es ungenutzte Programmteile oder Massendaten. Wenn in einer Video- oder Audiodatei ein Bit falsch ist, können Sie das unmöglich sehen oder hören.


Abstand der Mitte der Kerbe vom nächstgelegenen Rand
Typ Abstand
Desktop SDRAM 24,5 mm
Desktop DDR(-1) 60,0 mm
Desktop DDR-2 62,7 mm
Desktop DDR-3 55,0 mm
Desktop DDR-4
Notebook DDR-2 15,5 mm
Notebook DDR-3 24,8 mm

Welcher RAM ist der richtige für Sie?

Ob Sie DDR-1, -2, -3 oder -4 brauchen, hängt ausschließlich von Ihrer Hauptplatine ab, denn für jeden RAM-Typ sieht der Steckplatz anders aus und er benötigt eine andere Versorgungsspannung. Die Anzahl der Kontakte ist unterschiedlich, und die Kerben befinden sich an unterschiedlichen Positionen. Sehen Sie im Handbuch der Hauptplatine nach, welcher Typ passt und welche Mindest- und Höchstgeschwindigkeit gefordert sind. Falls Sie aus dem englischen Handbuch nicht schlau werden, zeigen Sie es dem Verkäufer. Vielleicht können Sie auch einen der vorhandenen RAM-Bausteine ausbauen und als Muster mitnehmen. Oder Sie installieren SiSoft Sandra. Über „Hardware-Informationen“ → „Onboard-Geräte“ → „Hauptplatine“ → „Speicherbänke“ finden Sie die technischen Informationen zu Ihren Speichermodulen.

Die Geschwindigkeit können und sollten Sie (außer bei Laptops) etwas höher als das geforderte Minimum wählen. Meist ist die schnellste der gängigen Geschwindigkeiten gleichzeitig die beliebteste und aufgrund der hohen Verkaufszahlen auch die günstigste. Damit verbunden ist bei kompletter Neubestückung ein messbarer, aber kaum spürbarer Geschwindigkeitsvorteil.

Bei Mischbestückungen sollte das BIOS den Speichertakt so einstellen, dass das langsamste Modul damit zurechtkommt. Das klappt fast immer. Wenn Sie z. B. ein langsames 0,5-GB-Speichermodul DDR2-400 mit einem schnellen 2-GB-Modul DDR2-1000 ergänzen, würde das schnelle Modul von 1000 MHz auf 400 MHz heruntergetaktet. In diesem Fall ist es wahrscheinlich sinnvoller, auf das langsamere Speichermodul zu verzichten. Sie haben dann zwar weniger Speicher, der aber schneller getaktet wird.

Schnellere Speichertypen benötigen manuelle Einstellungen, da sonst nur der vom Hauptplatinen-Hersteller freigegebene Maximaltakt benutzt wird. Der Preis solcher Module steigt aber unverhältnismäßig stark an, obwohl keine spürbare Mehrleistung im normalen Betrieb erzielt wird.

Warum den Arbeitsspeicher aufrüsten?

Die Größe des Arbeitsspeichers beeinflusst stark die Geschwindigkeit des Rechners. Wenn der Arbeitsspeicher knapp wird, muss das Betriebssystem prognostizieren, welche Programmkomponenten demnächst vermutlich nicht benötigt werden, und diese auf die (vieltausendmal langsamere) Festplatte auslagern. Wenn Sie einen vom Betriebssystem nicht vorausgeahnten Klick machen, muss das Betriebssystem ganz schnell irgendein ungenutztes Programmteil auslagern, um das von Ihnen gewünschte Programmteil laden zu können. Zu wenig Arbeitsspeicher bremst deshalb auch den schnellsten PC aus.

Komplettsysteme sind mit RAM eher knapp ausgestattet, um einen günstigen Preis zu erreichen. Für ein wenig Surfen, Musik hören und Videos betrachten reicht das auch. Doch wenn es die Möglichkeit gibt, sollte man schon beim Kauf eine bessere RAM-Ausstattung wählen.

Selbst wenn Ihr PC gleich nach dem Kauf schnell genug ist, wird er im Laufe der Monate immer langsamer. Wieso?

  • Im Laufe der Zeit werden immer mehr Programme installiert. Vergleichen Sie einmal die heutige Anzahl der installierten Programme mit dem Stand kurz nach dem Kauf!
  • Nicht nur die Programme belegen mehr Platz. Immer mehr Daten sammeln sich an. Fotos, Musik und Videos belegen viel Platz. Die Magnetköpfe der Festplatte müssen immer länger werdende Wege zurücklegen, um die benötigten Daten heranzuschaffen.
  • Das Antivirenprogramm lädt jeden Tag eine Liste von neuen Bedrohungen herunter. Je umfangreicher diese Liste ist, desto länger dauert das Scannen jeder einzelnen Datei.
  • Im Laufe der Zeit werden sowohl Windows als auch die installierten Programme durch Updates sowohl umfangreicher als auch langsamer. Ein Beispiel: Windows 7 Home in der 64-Bit-Version mit Servicepack 1 benötigte 1 + 80 + 11 + 1 Update, um den Stand vom 01.08.2012 zu erreichen.

Allerdings wird nicht nur die Festplatte voller, sondern die zahlreicheren und größeren Dateien belegen mehr Arbeitsspeicher als vorher. Windows muss zunehmend oft ungenutzte Programmteile auslagern. Deshalb ist eine Aufrüstung (Vergrößerung) des Arbeitsspeichers meist sinnvoll.

Durch ständige technologische Fortschritte sinken die RAM-Preise, etwa 20 bis 40 % in manchen Jahren. Doch das gilt nur für die jeweils neueste Technologie. Veraltete Technologien werden nicht mehr weiterentwickelt und die Produktionsmengen sinken, deshalb bleiben die Preise für ältere RAM-Typen auf hohem Niveau.

12 bis 18 Monate nach dem Kauf eines PC können Sie passende RAM-Module billig nachkaufen. Wesentlich länger als zwei Jahre mit dem Nachkauf zu warten kann riskant sein, weil dann die passende RAM-Sorte möglicherweise nicht mehr hergestellt wird oder in so geringer Menge, dass wegen andauernder Nachfrage die Preise nicht sinken.

Mit der Vergrößerung des Arbeitsspeichers erzielt man ein sehr günstiges Verhältnis zwischen Preis und Leistungszuwachs. Mehr Leistung kann man auch durch das Auswechseln der CPU erreichen (falls das geht). Aber so eine Investition ist teuer (weil Sie die ausgebaute CPU nicht weiterverwenden können) und bringt vermutlich ein bescheidenes Resultat.

SRAM

Der statische Speicher (SRAM) ist Elektronikbastlern als „Flip-Flop“ bekannt. Diese Schaltung ist recht kompliziert, denn pro Bit werden zwei Transistoren zum Speichern benötigt, plus vier Transistoren pro Bit zum Beschreiben und Auslesen plus mehrere Widerstände und Dioden. Dieser hohe Schaltungsaufwand bringt einen deutlichen Geschwindigkeitsvorteil:

  • SRAM ist etwa einhundert mal schneller als DRAM.
  • SRAM benötigt keine Auffrischung (Refresh).
  • Die Information wird beim Auslesen nicht gelöscht, deshalb entfällt der bei DRAM notwendige Wiederherstellen-Zyklus.

Deshalb wird SRAM in der CPU als Cache-Speicher verwendet. Ein großer Cache-Speicher ist derart wichtig für die Leistung der CPU, dass ungefähr die Hälfte der in einer CPU enthaltenen Transistoren für den Cache verwendet werden.

Bitte nicht verwechseln:

  • SRAM = statisch (eine Transistorschaltung),
  • DRAM = dynamisch (Kondensatoren),
  • SDRAM = Synchroner DRAM = synchron angesteuerte Kondensatoren.

Warum kann man den Arbeitsspeicher nicht aus dem schnelleren SRAM fertigen?

Die CPU benötigt laufend Daten aus dem RAM. Während Prozessoren heute mit mehr als 2000 bis 3000 Megahertz arbeiten, schaffen DRAM-Speicher bestenfalls 800 MHz. Dieses Missverhältnis zwischen Speicher und Prozessortakt zwingt die CPU, sogenannte Wartezyklen einzuschieben, um auf Daten aus dem Speicher zu warten. Anders gesagt: Je schneller der Prozessor ist, desto öfter muss er auf Daten warten. In den letzten zehn Jahren sind CPUs etwa einhundert mal schneller geworden, während die RAM-Zugriffszeit im gleichen Zeitraum lediglich von 10 ns auf 7 ns gefallen ist. Schnellerer Speicher wäre wunderbar. Die DRAM-Technologie ist an der Grenze des Erreichbaren. Es wird intensiv nach alternativen Technologien gesucht, aber bisher ist keine der neuen Erfindungen in Massenproduktion gegangen.

SRAM wäre wegen mit seiner Zugriffszeit von unter 0,1 ns der ideale Ersatz, hat aber leider einige schwere Nachteile.

  • Ein Arbeitsspeicher aus SRAM von 1 GB Kapazität würde einige tausend Euro kosten.
  • SRAM belegt pro Bit eine etwa 15mal größere Fläche im Schaltkreis als DRAM
  • SRAM benötigt deutlich mehr Energie

Der höhere Energie- und Flächenbedarf begrenzen die Verwendung von SRAM, vom Preis mal abgesehen. Die benötigte Leiterplattenfläche wäre riesig und die Datenwege würden zu lang werden. Um eine Strecke von 30 cm zu durchlaufen, braucht ein Lichtstrahl eine Nanosekunde. Elektrische Signale sind geringfügig langsamer als das Licht. Was nützt eine Zugriffszeit von unter 0,1 ns, wenn die Daten für den Weg bis zur CPU eine Nanosekunde brauchen? Die CPU müsste ganze drei Takte warten (bei einer 3-GHz-CPU entfallen drei CPU-Takte auf eine Nanosekunde).

Abgesehen von den oben genannten Nachteilen wäre die Leistungssteigerung eines SRAM Hauptspeichers nicht signifikant im Vergleich zu modernen Cachearchitekturen. Mit Multilevelcaches, gefertigt aus SRAM (mit maximal nur wenigen MB Kapazität) und intelligenten Schreibstrategien sind vergleichbare Zugriffszeiten wie mit vollständig aus statischem RAM bestehendem Hauptspeicher möglich.

Wollen Sie mehr über RAM wissen?

ROM


ROM

ROM ist die Abkürzung für „Read Only Memory“ (Nur-Lese-Speicher, der auch als Festwertspeicher bezeichnet wird). Die Daten im ROM können im normalen Betrieb nicht geändert werden und sind gegen Fehlbedienungen, Programmabstürze und Attacken durch Computerschädlinge immun. Außerdem verliert das ROM die Daten nicht einmal dann, wenn der Strom abgeschaltet wird. Wegen dieser nützlichen Eigenschaft hat jeder Computer einen ROM-Baustein, in dem das Startprogramm gespeichert ist, mit dem die Arbeit nach dem Einschalten beginnt. Beim PC wird dieses Startprogramm als BIOS bezeichnet. Weitere ROM-Chips stecken in Grafikkarte, Festplatte, DVD-Brenner, Drucker und vielen anderen Komponenten.

Je nach ROM-Typ sind die Möglichkeiten unterschiedlich, die Daten in den ROM erstmals hineinzuschreiben. Darüber hinaus hat es sich für viele Verwendungen als nützlich erwiesen, die Daten in ROM-Bausteinen nachträglich ändern zu können. Um auch etwas ältere PCs mit neu entwickelten Computerkomponenten bestücken zu können, ist manchmal eine Ergänzung oder Korrektur des Programms im EPROM notwendig. Diese Anpassung nennt man ein „Update“. Es wurden mehrere Arten von ROM-Bausteinen entwickelt: PROM, EPROM, EEPROM, EAPROM, Flash-ROM und andere, die sich außer im Preis darin unterscheiden, wie aufwändig eine Veränderung der gespeicherten „unveränderlichen“ Daten ist. Am bekanntesten sind die Flash-ROM, die beispielsweise in USB-Memory-Sticks und Speicherkarten verwendet werden.

Wenn der Schaltkreishersteller die Daten bei der Herstellung gewissermaßen in den Chip „hineinätzt”, nennt man das ROM „maskenprogrammiert”. Die Kosten für Entwicklung und ­Fertigungsvorbereitung sind gewaltig, aber bei einer anschließenden Massenfertigung ist der Stückpreis gering. Dieses ­Verfahren lohnt sich unter zwei Bedingungen: Es werden sehr große Stückzahlen benötigt und Updates sind mit Sicherheit ausgeschlossen, weil das Produkt kurzlebig oder dessen Weiterentwicklung nicht sinnvoll ist (z. B. Steuerungen für Waschmaschinen).

Maskenprogrammierte ROM sind für Computerkomponenten (BIOS) nicht geeignet, weil die Hersteller ständig die Programme verbessern.

Wie kommen die Daten erstmals in den ROM-Speicher?

Bei der Entwicklung und Weiterentwicklung der ROM-Technologie wurde großer Wert darauf gelegt, die Daten schneller und einfacher in den Chip hinein- und herausbringen zu können. Anfangs musste der Chip noch ausgebaut und minutenlang „spezialbehandelt“ werden, heute geschieht das in Mikrosekunden.

PROM

Um auch bei kleineren Stückzahlen die Daten preiswert in das ROM hineinzubekommen, wurden PROM entwickelt. PROM ist ein „programmierbarer“ ROM. Im Auslieferungszustand sind alle Bits gleich „1“ gesetzt. Der Rohling wird zum Beschreiben in ein sogenanntes Programmiergerät gesteckt. Durch Anlegen einer hohen Spannung werden ausgewählte Leiterzüge geradezu ­„weggebrannt“, wenn im betreffenden Bit eine Null gespeichert werden soll. Den Vorgang nennt man „ROM brennen“. Im Ergebnis ist der Speicherchip „programmiert“. Man kann übrigens den Chip etappenweise brennen: Zuerst einen Adressbereich, dann den nächsten Bereich.

EPROM mit Quarzglasfenster
Chip eines 256k EPROM mit Aluminium-Bonddrähten. Der Bereich der Speicherzellen erscheint grau, da die Vergrößerung nicht ausreicht.

EPROM

EPROM ist die Abkürzung von „erasable PROM”, man kann also diesen Speicher löschen und erneut beschreiben. Wie erfolgt das Löschen? Ultraviolettlicht ist sehr energiereich. Wenn man einen PROM mit einem Fenster aus Quarzglas versieht (normales Glas lässt keine UV-Strahlung durch) und einige Wochen in die Sonne legt, schlagen die Photonen die Ladung aus den Speicherzellen heraus. Nun hat man nur selten einige Wochen Zeit. EPROM-Löschgeräte erzeugen ein derart intensives UV-Licht, dass der Speicherchip in einigen Minuten gelöscht ist. Anschließend ist der EPROM wie neu und kann erneut beschrieben werden, viele Male. Leider muss der Chip zum Löschen und Beschreiben ausgebaut werden.

Der linke der abgebildeten Chips ist 15 x 40 mm groß und wurde etwa 1980 hergestellt. Man kann in den Chip hineinsehen.

Beachten Sie im rechten Bild die feinen Drähte, mit denen die Speichermatrix angeschlossen ist!

Das Verfahren, die Kontaktflächen eines Chips mit den „Beinchen“ zu verbinden, ist das „Bonden“. Der Bonddraht besteht aus hochreinem Gold oder Aluminium und ist etwa 20 Mikrometer „dick“. Auf dem Bild sehen Sie die feinen Bonddrähte eines EPROMs, mit denen die Speichermatrix angeschlossen ist.

Vor- und Nachteile
  • Umständlich: Der Chip muss zum Löschen und Programmieren ausgebaut werden.
  • Unpraktisch: Der Chip kann zwar in Etappen beschrieben werden, aber das Löschen von Teilbereichen geht nicht. Es wird stets der gesamte Inhalt gelöscht.
  • Teuer: Der luftdichte Einbau eines Quarzglasfensters ist recht aufwändig.

EEPROM und EAPROM

EEPROM ist ein „Electrically Erasable PROM” (elektrisch löschbarer PROM). Die alte Information wird nicht durch UV-Bestrahlung, sondern elektrisch gelöscht, und der EEPROM muss zum Löschen und erneutem Beschreiben nicht ausgebaut werden. Weil die aggressive UV-Strahlung entfällt, halten diese Chips mehr als 10.000 Schreibvorgänge aus. Aber das Schreiben erfolgt relativ langsam, verglichen mit der CPU-Geschwindigkeit.

EAPROM ist „Electrically Alterable PROM” (elektrisch veränderbarer PROM): Speicherzellen können – je nach Bausteindesign – in Gruppen oder auch einzeln geändert werden. EAPROM wird auf Hauptplatinen für den Baustein verwendet, in dem das BIOS gespeichert ist.

Der Unterschied zwischen EEPROM/EAPROM und RAM

Warum bezeichnet man einen EEPROM-Baustein als ROM, obwohl man ihn doch beschreiben kann, fast so wie RAM?

  1. Der wichtigste Unterschied: Wenn der Strom weg ist, verliert RAM die gespeicherten Daten, ROM nicht.
  2. ROM ist wesentlich langsamer als RAM. Das Lesen dauert 100 bis 200 Nanosekunden, während es beim RAM nur etwa 7 ns sind. Beim Schreiben ist der Unterschied noch größer. Das Beschreiben eines EEPROM dauert einige Millisekunden pro Byte, also einige Minuten für den gesamten Baustein. Das Beschreiben zählt deshalb nicht zu den normalen Betriebsarten. Flash-Rom ist schneller, aber beim Beschreiben immer noch langsamer als beim Lesen.
  3. Die Lebensdauer ist begrenzt. Lesen kann man sie beliebig oft, aber das Beschreiben ist nur begrenzt möglich. Die für das BIOS verwendeten Speicher kann man einige tausend mal beschreiben, den Flash-ROM der USB-Sticks immerhin mindestens 100.000 mal, Tendenz steigend. Das scheint viel zu sein. Niemand schafft es, den Stick so oft zu beschreiben und zu einem anderen Computer zu tragen. Für die Verwendung als Arbeitsspeicher ist das jedoch zu wenig, denn eine CPU, die zwei Milliarden Befehle pro Sekunde ausführt, könnte einzelne Speicherbereiche Millionen mal pro Sekunde mit Zwischenergebnissen beschreiben.

Flash

Flash-Speicher sind weiterentwickelte EEPROMs. Flash bedeutet „Blitz“, denn das Lesen und Schreiben dauert nur noch Mikrosekunden. Deren Geschwindigkeit ist erheblich schneller als Festplatten und erheblich langsamer als RAM.

Flash-Speicher
Memory-Stick: 2=Controller, 4=Speicherchip, 5=Taktgeber, 6=Anzeige-LED, 7=Schreibschutzschalter, 8=Platz für zweiten Speicherchip

Verwendung

Das wichtigste Ziel bei der Weiterentwicklung von ROM über PROM und EPROM zu EEPROM war eine einfachere und schnellere Beschreibbarkeit. EPROM musste man zum Löschen und Beschreiben noch aus dem Gerät herausnehmen, bei EEPROMS brauchte man das nicht mehr. Die weitere Beschleunigung des Schreibvorganges führte zu den sogenannten Flash-Speichern. Ebenso wie bei allen ROM-Speichern verliert Flash-Speicher die Daten bei Stromausfall nicht.

Wie funktioniert eine Flash-Speicherzelle?

Stellen Sie sich ein Stück Halbleiter vor, das rundum mit Silizium-Oxid isoliert ist. Als Deckel dient ein Stück Silizium, genannt „Floating-Gate“. Wenn sich in der Zelle eine elektrische Ladung befindet, wird sie vom Floating Gate „eingesperrt“, jahrelang. Über dem Floating-Gate befindet sich ein „Control Gate“. Die Leitfähigkeit des Control Gate hängt davon ab, ob sich in der Speicherzelle eine Ladung befindet oder nicht. Man kann den Speicherinhalt beliebig oft lesen, ohne dass sich die Ladung der Speicherzelle dabei verändert.

Um die Ladung in die Zelle hinein- oder herauszubefördern, wird die Isolierschicht mit einer hohen Spannung „durchschlagen“, wie von einem „Flash“ (Blitz). Es gibt dabei zwei Probleme: Das Schreiben dauert deutlich länger als das Lesen. Schlimmer ist, dass die Isolierschicht dabei Schaden nimmt. Nach einigen hunderttausend Schreib- oder Löschvorgängen ist die Speicherzelle kaputt. Bei einem USB-Stick oder Kameraspeicher wird diese Zahl zum Glück nie erreicht.

Lebensdauer

Flash-Speicher überstehen eine endliche Anzahl von Lösch/Schreibvorgängen, gegenwärtig einige hunderttausend bis wenige Millionen. Deshalb muss die Anzahl der Schreibvorgänge durch geeignete Software und die Ansteuerlogik minimiert werden. Das wird auf mehreren Wegen erreicht.

  1. Die zu schreibenden Daten werden längere Zeit im Cache-RAM des Betriebssystems gesammelt.
  2. Die Speicherzellen werden zu Blöcken von z. B. 4 kByte zusammengefasst. Ein Block wird stets im Ganzen geschrieben. Der Zustand jedes einzelnen Blockes wird in einer Tabelle registriert. Ausgefallene Blöcke werden durch Ersatzblöcke ersetzt.
  3. Nach einem „Wear Leveling“ genannten Verfahren[7] werden die Daten möglichst gleichmäßig im gesamten Speicherchip verteilt. Idealerweise wird damit eine gleichmäßige „Abnutzung“ aller Speicherblöcke erreicht. Zahlreiche Sticks (nicht alle) haben dieses Verteilverfahren in die Ansteuerelektronik integriert. Falls nicht, hat Windows ab Version Vista dafür eine Softwarelösung.

Wichtig: Lässt sich ein Stick wegen "Abnutzung" nicht mehr beschreiben, kann er zumindest noch gelesen werden.

Zwei Arten der Ansteuerung: NAND und NOR

Bei der NAND-Schaltung teilt sich eine Gruppe von Speicherzellen eine gemeinsame Datenleitung. Lesen und Schreiben kann dadurch nur in ganzen Blöcken erfolgen, wie z. B. bei einer Festplatte. Die geringere Zahl von Datenleitungen spart Platz auf dem Chip. Die NAND-Architektur ist optimal, wenn viel Speicher auf wenig Platz gefragt ist und die Zugriffszeit nicht so wichtig ist.

Bei der NOR-Architektur ist jede Speicherzelle direkt ansteuerbar. Der technologische Aufwand ist höher, doch die Zugriffszeit ist erheblich kürzer.

Verwendung

Flash-ROM werden vielseitig verwendet, unter anderem:

  • Als USB-Memory-Sticks für den Datentransport zwischen Computern. Bei Preisen von zehn Euro für 64 Gigabyte sind die größeren auch als Backup-Medium geeignet.
  • Als Speicherkarte in MP3-Playern, E-Book-Readern, Kameras, Mobiltelefonen, Navigationsgeräten, Smartphones und Tablet-Computern,
  • In Solid State Disks als Ersatz für mechanische Festplatten,

Leider herrscht bei den Bauformen der Speicherkarten ein unglaubliches Chaos. Es fehlt ein Standard. Es gibt bereits Universal-Kartenleser, die 36 verschiedene Karten lesen können. Samsung, Sony Ericsson, Nokia, Texas Instruments und andere Hersteller haben sich auf einen Industriestandard Universal Flash Storage (UFS) geeinigt, der 2011 fertiggestellt wurde. UFS ist schnell und stromsparend. Leider stemmte sich die Firma Sandisk gegen den Standard: Sandisk wollte das hauseigene Format nicht aufgeben. Doch inzwischen wurde Sandisk, der ehemalige Marktführer bei SD-Speicherkarten, von Western Digital übernommen. Samsung hat im Juli 2016 die ersten Speicherkarten nach UFS-Standard vorgestellt. Es gibt sie in Größen von 32 bis 256 GB und sie sind fünfmal schneller als MicroSD-Karten. Das Lesen mit 530 MByte/s und das Schreiben mit 170 MByte/s ist fast vergleichbar mit SSD-Festplatten. Das Galaxy Note 7 ist das erste Smartphone, das UFS-Karten verwenden kann. Es besitzt einen von Samsung entwickelten Universal-Steckplatz, der wahlweise UFS- oder SD-Speicherkarten aufnehmen kann.

Drei Technologien: SLC, MLC und TLC

Zunächst konnte jede Speicherzelle nur ein Bit speichern, also „0“ oder „1“. Solche Zellen werden als Single-Level-Cell-Speicherzellen, kurz SLC, bezeichnet. Inzwischen ist es gelungen, Multi-Level-Cell-Speicherzellen, kurz MLC, zu schaffen. Das sind Speicherzellen, in denen mehr als ein Bit pro Zelle gespeichert wird. Speicherzellen, die zwei Bit speichern können, arbeiten mit vier verschiedenen Zuständen („keine Ladung“, „wenig Ladung“, „zweidrittel geladen“, „voll geladen“), denen die Ziffern „0“, „1“, „2“ und „3“ zugeordnet werden. Diejenigen MLC-Zellen, die drei Bit (8 Zustände) speichern können, werden als Triple-Level-Cell-Speicher bezeichnet. Die ersten Chips mit Quad-Level-Zellen, in denen sogar vier Bit (16 Zustände) gespeichert werden, werden seit Sommer 2018 von Intel produziert. Erinnern Sie sich an die Erklärung, dass das Dezimalsystem für Computer ungeeignet ist, weil es schwer ist, zehn verschiedene Spannungen präzise zu unterscheiden? MLC-Zellen zu lesen und zu schreiben dauert länger als bei SLC.

Je mehr Ladungszustände pro Zelle unterschieden werden müssen, desto wahrscheinlicher ist das Auftreten von Bitfehlern. Der Aufwand für Fehlerkorrekturschaltungen steigt. Außerdem beansprucht das ­Schreibverfahren eine MLC- oder TLC-Speicherzelle stark, die Zellen altern schneller bei häufigem Schreiben. Andererseits kann pro Flächeneinheit die ­doppelte, vierfache und zukünftig sogar die achtfache Kapazität gespeichert werden. MLC sind zu empfehlen, wenn Daten nur selten geschrieben werden, z. B. für USB-Memory-Sticks und für Backup-Festplatten, die mindestens monatlich beschrieben werden.

Datensicherheit

Ob USB-Sticks oder Speicherkarten, sie gehen leicht kaputt oder verloren. Kontaktprobleme am Stecker können ebenfalls zu Datenverlusten führen. Manchmal genügt ein Wackeln am eingesteckten Stick.

Besonders gefährlich ist die Unsitte des Herausziehens eines USB-Sticks ohne vorheriges Abmelden. Die zu schreibenden Daten, insbesondere die Verwaltungstabellen, werden von Windows eine längere Zeit im Cache-RAM behalten. Nur wenn Sie Windows von Ihrer Absicht informieren, den Stick zu entfernen, können Sie sicher sein, dass alle zu schreibenden Daten tatsächlich auf dem Stick ankommen. Gleiches gilt für Linux. Andernfalls können die zuletzt geschriebenen Daten oder der ganze Inhalt des Speichersticks verloren gehen. Warum das so gefährlich ist, können Sie am Ende des Kapitels über externe Festplatten genauer nachlesen.

Wie gut auch immer die Ladung der Speicherzelle isoliert ist − es gibt keinen idealen Isolator und ganz allmählich geht die Ladung der Speicherzellen zurück. Wie lange bleiben die gespeicherten Daten erhalten, wenn keiner dieser Unfälle geschieht?

Ein SLC-Speicher behält seine Daten etwa 10 Jahre, ein MLC-Speicher ein Jahr und ein TLC-Speicher etwa sechs Monate. Die meisten Speichersticks im Handel sind aus Preisgründen mit MLC-Zellen bestückt. Wenn Sie wichtige Daten längere Zeit auf einem USB-Speicherstick aufbewahren wollen, sollten Sie mehrmals im Jahr die Daten auf die Festplatte kopieren, den Speicherstick neu formatieren und die Daten auf den Stick zurückkopieren. Falls Ihnen das zu aufwändig ist oder Sie oft große Datenmengen auf einen Stick schreiben wollen, sollten Sie nach SLC-Sticks suchen. Speicher mit SLC-Zellen sind auch für Festplatten in Servern und intensiv genutzten Computern zu empfehlen: Sie sind langlebiger und haben kürzere Zugriffszeiten.

Frühzeitige Erkennung

Der Nachlass der Beständigkeit von Daten auf soliden Datenträgern („Flashspeicher“) lässt sich durch eine graphische Darstellung der Lesegeschwindigkeit mithilfe von Programmen wie „HDDScan“ einschätzen.

Falls es stellenweise zu Abfällen der Lesegeschwindigkeit oder zu kurzen Stillständen kommt, versucht möglicherweise die Steuerungshardware des Speichers, kleine Fehler zu korrigieren. Häufen sich diese Fehler, könnten Daten beschädigt werden. Dies sind keine physikalischen, sondern lediglich „logische Fehler“, und die Sektoren lassen sich anschließend erneut beschrieben.

Billigere solide Datenträger tendieren dem Betriebssystem gegenüber zum verschweigen von Lesefehlern, und liefern eventuell beschädigte Dateien ohne sie als Solche zu berichten zurück.

Hochwertigere solide Datenträger führen Fehlerkorrekturen in der Regel bereits automatisch im Leerlaufbetrieb (während einer Stromversorgung ohne Datenzugriff) durch.

Die Datenbeständigkeit läßt bei mehr durch Schreibzyklen abgenutzten Datenträgern tendenziell schneller nach.

Solid State Drive (SSD)

SSD steht für „Solid State Disk“. Eine größere Anzahl Flash-Speicher plus Steuerelektronik ergeben einen schnellen, geräuschlosen, stromsparenden Massenspeicher, der anstelle einer magnetischen Festplatte verwendet werden kann. Es gibt sie in zwei Bauformen: in einem Gehäuse von der Größe einer 2,5" Festplatte oder ohne Gehäuse mit M.2-Ausführung. In hochwertigen Notebooks sind sie häufig anzutreffen. In Smartphones und Tablet-Computern wird dieser Festplattenersatz als „NAND-Speicher“ bezeichnet.

Eine SSD-„Festplatte“ ist einer Magnet-Festplatte in der Geschwindigkeit haushoch überlegen, allerdings auch wesentlich teurer. Mehr dazu können Sie im Kapitel über Festplatten lesen und im Kapitel Solid State Disk.

Wollen Sie mehr über Flash-Speicher wissen?

Festplatte

Wer braucht noch Magnetfestplatten?

In der Anfangszeit der Computer dienten Lochstreifen und Lochkarten als Massenspeicher, die von Magnetbändern und Magnettrommeln abgelöst wurden. Diese wurden seit den 50er Jahren durch Disketten und Magnetfestplatten ersetzt und seit den 80er Jahren um optische Datenträger ergänzt.

Samsung brachte 2006 die ersten rein elektronischen Massenspeicher „SSD“ auf den Consumer-Markt: 32 GB zum Preis von 699 Dollar. Diese Massenspeicher kommen ohne bewegliche Teile aus und sind sehr viel schneller als Magnet-Festplatten.

SSD sind den Magnetfestplatten in der Geschwindigkeit hoch überlegen, allerdings auch deutlich teurer. Das Verhältnis von Kapazität zum Preis hat sich seitdem drastisch verbessert und es gibt mittlerweile kaum einen Grund, für das Betriebssystem etwas anderes als eine SSD in jeden PC einzubauen.

Angesichts des „Siegeszuges“ der SSD-Festplatten taucht die Frage auf: Hat die magnetische Speicherung eine Zukunft?

Zwei wichtige Argumente sprechen für Magnetfestplatten: Die Speicherung pro Terabyte kostet halb soviel wie auf SSD. Musik- und Fotosammlungen oder gar Videos auf SSD aufzubewahren ist nicht vernünftig.

Zweitens verlieren ungenutzte SSD die Daten schon nach einigen Monaten, während auf einer Magnetplatte die Daten sicher sind, auch wenn die Festplatte für zehn Jahre in einem Regal archiviert wird.

Deshalb gehören die Magnetfestplatten nicht zum „alten Eisen“. Für die Speicherung großer Datenmengen sind sie unverzichtbar: weil SSD pro Gigabyte das Doppelte kosten und weil magnetisch gespeicherte Daten viele Jahre sicher sind. In Firmen und im privaten Umfeld finden sie Verwendung als Zweitfestplatte, als externe Festplatte, in Servern und Netzwerkspeichern (NAS). Auch für Backups und Archivierungszwecke sind Magnetfestplatten die erste Wahl.

Der Hauptnachteil der Magnetfestplatte, die längere Zugriffszeit, spielt bei vielen Anwendungen keine Rolle. Für viele Daten ist die Geschwindigkeit des Zugriffs unwichtig. Beim Anschauen eines Videos werden Sie kaum bemerken können, dass der Start von einer Magnetfestplatte einige Sekundenbruchteile länger dauert als von SSD. Übrigens: Beim Zugriff auf eine Seite im Internet dauert der Hin- und Rückweg durch Kabel und Router deutlich länger als die zehn Millisekunden Zugriffszeit der Festplatte.

Für die Daten auf Ihrer eigenen Festplatte gilt dasselbe wie für die Daten einer Firma: Nur ein kleiner Teil davon wird regelmäßig benutzt, der größte Teil wird monate- und jahrelang nicht benutzt. Viele Unterlagen liegen ungenutzt auf Festplatten herum, weil sie wegen steuerrechtlichen Bestimmungen zehn Jahre aufbewahrt werden müssen. Backups (Sicherheitskopien) werden erstellt, auf die normalerweise nie wieder zugegriffen wird.

Der Bedarf an Speicherkapazität wächst exponentiell. Schätzungen besagen, dass 2025 nur ein Zehntel des weltweiten Speicherbedarfs mit SSD befriedigt werden können, für den Rest kommen Magnetfestplatten zum Einsatz. Großfirmen wie Google, Facebook und andere vergrößern ihre Speicherkapazität täglich um hunderte Festplatten. Wer von ihnen welche Gesamt-Speicherkapazität hat, ist unbekannt. Google nannte Anfang 2016 einen täglichen Zuwachs der Speicherkapazität von einem PetaByte (1000 TB), was einem Zuwachs von 125 Festplatten zu je 8 TB pro Tag bedeutet.

Die Festplattenhersteller arbeiten mit Hochdruck an der Steigerung der Kapazität pro Festplatte. Wenn Google und Co. für ihren täglichen Speicherbedarf Festplatten mit höherer Kapazität anschaffen können, brauchen sie weniger davon. Es sinken die Anschaffungskosten und der Bedarf an Gebäuden, vor allem sinkt der Energiebedarf für Betrieb und Kühlung der Festplatten.

Geschichte der Festplatten

Die erste Festplatte der Welt, 1956

„Hard Disk Drive“, abgekürzt HDD, ist die englische Bezeichnung für die Festplatte. Vor fast 70 Jahren, am 13.09.1956, stellte IBM die erste Festplatte der Welt vor: IBM 350 RAMAC

Sie bestand aus 50 Scheiben mit einem Durchmesser von 60 cm (24 Zoll), hatte 5 Megabyte Kapazität und wog eine halbe Tonne. Die Platte erreichte eine Drehzahl von 1200 U/min und eine mittlere Zugriffszeit von 600 ms.

Die Köpfe wurden hydraulisch bewegt. Die aufwändige Mechanik mit Spindelmotor, Getriebe und Hydraulik machten das Gehäuse so groß wie einen Schrank: 60 Zoll (1,52 m) lang, 68 Zoll (1,72 m) hoch und 29 Zoll (74 cm) breit.

Die Festplatte war ein echtes Erfolgsmodell: mehr als 1000 Stück wurden hergestellt, bis IBM im Jahr 1961 die Produktion einstellte. Das Laufwerk wurde nicht verkauft, sondern für ca. 10.000 DM (5000 EUR) pro Monat an Unternehmen vermietet. [8]

Im Laufe der folgenden Jahre wurden die Festplatten gleichzeitig größer und kleiner. Genauer: Kleiner wurden die Abmessungen. 1973 begann die Firma Seagate, Festplatten der Nenngröße 8 Zoll mit einer Kapazität von 30 MB zu produzieren[9]. 1980 konnte die Nenngröße auf 5,25 Zoll und 1980 auf 3,5 Zoll verringert werden[10]. Heute sind Festplatten von 3,5 Zoll und von 2,5 Zoll erhältlich. Größer wurde die Speicherkapazität, im vergangenen Jahrhundert stieg die Speicherkapazität pro Jahr um etwa 50%. Gleichzeitig fiel der Preis: Bei der IBM RAMAC (1956, 5 MB) hätte ein Megabyte noch 10 000 Dollar gekostet, bei der ST506 (Seagate 1980, ebenfalls 5 MB) noch 500 DM. Der Preis ist pro Jahr um 40% gefallen.


In den letzten Jahrzehnten hat sich das Wachstumstempo verringert, denn die Technologie nähert sich den physikalischen Grenzen. Es gab einmal 221 Firmen, die Festplatten produziert haben. Davon sind nur drei Firmen übriggeblieben, welche die hohen Forschungskosten aufbringen können: Seagate, Toshiba und Western Digital. Eine aktuelle 3,5" Festplatte mit 4 TByte Kapazität und einer mittleren Zugriffszeit von 9 ms kostete 80 Euro (Juni 2022), das entspricht nur noch 2 Cent pro 1000 Megabyte.

IBM-Festplatten waren 1979 schon kleiner.
6 × 8″ Scheiben mit insgesamt etwa 65 MB Speicher
Auswechselbarer Plattenstapel, 200 MB, 1970

Der Festplatte und ihrem Inhalt drohen zahlreiche Gefahren. Am häufigsten sind Bedienfehler, Fehler in Programmen und im Betriebssystem sowie Schadprogramme (Viren u.a.), die jederzeit unverhofft auftreten können. Die meisten dieser Fehler führen nur zu kleineren Schäden. Hardwarefehler sind vergleichsweise sehr selten, aber wenn sie auftreten, sind die Folgen verheerend.

Kein anderer Schaden verursacht so viel Stress wie ein Totalausfall der Festplatte. Die Schäden sind vielfältig:

  • Ihre Daten, Ihre Fotos, Ihre Emails, Ihre Musik- und Filmsammlung – alles ist verloren.
  • Eine neue Festplatte samt Einbau kostet hundert Euro oder mehr.
  • Sie werden mehrere Tage brauchen, um das Betriebssystem, Ihre Geräte, die Updates und Ihre Anwendungen erneut zu installieren und anzupassen.
  • Sie werden einige Tage nicht mit Ihrem PC arbeiten können.
  • Sie müssen Lizenzen neu erwerben oder reaktivieren lassen.
  • Sie werden noch wochenlang kleine Nachbesserungen vornehmen, um Ihre Programme wieder optimal an Ihre Bedürfnisse anzupassen.

Wie kommt es zu Totalausfällen? Hardwarefehler werden verursacht durch

  • schnelle Lageänderungen
  • Erschütterungen und Vibrationen
  • Überhitzung
  • Verschleiß
  • Alterung

Gegen diese Gefahren gibt es zwei Strategien:

  • Wissen um die Risiken kann diese verringern, aber nicht völlig abschaffen.
  • Eine Datensicherung, regelmäßig und fachkundig durchgeführt, ist auf Dauer die einzige wirksame Gefahrenabwehr. Unter der Adresse [eifert.net/hwdse eifert.net/hwdse] finden Sie eine einfache Anleitung, wie Sie Ihre Daten sichern können.


Im folgenden Text geht es ausschließlich um magnetische Festplatten (die elektronischen „SSD“ folgen in einem späteren Kapitel).

Es werden einige Grundkenntnisse über Festplatten vermittelt, anschließend werden nacheinander die Risiken betrachtet. Es folgt ein Abschnitt über Pflege und Wartung der Festplatte. Für weitergehende Informationen gibt es einen Anhang.

Grundwissen

Die Festplatte ist ein Massenspeicher

Videoaufnahme einer geöffneten Festplatte

Die Festplatte nennt man einen Massenspeicher, ebenso wie die CD-ROM und DVD. Warum?

Eine typische Buchseite (35 Zeilen zu 60 Zeichen) oder eine Bildschirmseite (25 Zeilen mit je 80 Zeichen) enthält etwa 2000 Zeichen. In der heute meistverwendeten Unicode-Darstellung werden zwei Byte pro Zeichen benötigt. Auf einer 1500-GB-Festplatte könnte man also 375 Millionen Seiten speichern. Bei beidseitigem Druck ergäbe das je nach Papierqualität einen Stapel von fast 19 km Höhe! Eine einfache DVD mit 4,7 GB würde es immerhin auf einen Papierstapel von 58 m bringen, und eine CD-ROM mit bescheidenen 0,7 GB würde ein 8 m Bücherregal für die Aufbewahrung des Papierstapels erfordern. Diese Zahlen gelten für Text ohne Illustrationen. Bilder benötigen - je nach Qualität - zehn- bis hundertfach mehr an Speicherplatz als Text. Die Stapelhöhen werden deutlich kleiner, aber selbst ein Hundertstel eines 10 km Stapels ist immer noch eine beeindruckende Menge Papier.

Ein anderes Beispiel: Auf 1,5 TB lassen sich 1,5 Millionen Minuten Musik unterbringen. Das reicht für eine drei Jahre dauernde 24-Stunden Beschallung.

„Hard Disk Drive“, abgekürzt HDD, ist die englische Bezeichnung für die Festplatte. Im Vergleich zur „Floppy Disk“, der biegsamen Scheibe, gibt es Unterschiede:

  • Die Scheiben sind starr.
  • Im Vergleich zur Diskette ist die Drehzahl viel höher: Einige tausend statt 300 Umdrehungen pro Minute.
  • Die Köpfe dürfen deshalb nicht auf der Scheibe schleifen, sondern sie schweben in einem minimalen Abstand darüber.

Hauptbestandteile einer Festplatte

Hauptbestandteile

Handelsübliche Festplatten haben meist ein oder zwei Scheiben, die auf einer gemeinsamen Achse, der „Spindel“, angeordnet sind. Scheiben mit Spindel bilden den „Plattenstapel“. Die Scheiben bestehen oft aus speziellen Metalllegierungen, beschichtet mit einer 15 nm (Nanometer) „dicken“ Magnetschicht. Auch Glas wird manchmal als Trägermaterial verwendet, weil eine Glasoberfläche glatter poliert werden kann als Metall.

Den Bereich der Magnetschicht, der zur Aufzeichnung eines einzigen Bits dient, wird als „magnetische Domäne“ bezeichnet. Man kann sich das wie einen flachen Stabmagneten vorstellen. Die Festplatten der 80er Jahre mit einer Kapazität von 5 MByte konnten etwa 400 Bit pro Quadratmillimeter unterbringen, für ein einzelnes Bit stand also eine Fläche von etwa 100 x 25 Mikrometer zur Verfügung (50 Mikrometer ist die Dicke eines Haares). 1996 produzierte IBM erste Festplatten[11] mit „perpendicular recording“: Die „magnetischen Domänen“ ragen nun senkrecht in die Tiefe der Magnetschicht, um die Oberfläche optimal auszunutzen. Auf heutigen Terabyte-Festplatten folgen die Bits im Abstand von 0,3 nm, der Spurabstand beträgt 2 nm.

Ein Spindelantriebsmotor sorgt für eine hohe konstante Drehzahl. Die meisten modernen Festplatten drehen mit 7200 Umdrehungen pro Minute. Zunehmend werden „Green IT“ Festplatten verkauft, die mit etwa 5400 U/min rotieren. Das verringert ein wenig den Strombedarf, den Geräuschpegel und den Datendurchsatz. Ältere Notebook-Festplatten drehen meist mit 4200 U/min, aktuelle liegen bei 5400 oder 7200. Teure Profi-Festplatten bringen es auf 10.000 oder 15.000 U/min. Zum Vergleich: Auch bei Vollgas wird ein PKW-Motor selten mit mehr als 5000 Umdrehungen pro Minute betrieben; eine Flugzeugturbine erreicht bis zu 40.000 Umdrehungen pro Minute.

Auf den Scheibenoberflächen werden die Daten ringförmig in so genannten „Spuren“ abgelegt. Je dichter die Spuren beieinander liegen, desto mehr Daten passen auf die Platte. Aktuelle Festplatten haben 150.000 Spuren pro Zoll[12] und fast eine Million Bits pro Zoll auf dem Umfang.

Leseköpfe einer Festplatte

Zu jeder Oberfläche gehört ein kombinierter Schreib-/Lesekopf, zu zwei Scheiben gehören also vier Köpfe. Die Köpfe sind an Schwenkarmen, sogenannten „Actuatoren“ befestigt. Die Schwenkarme sind untereinander starr verbunden und bewegen sich stets gemeinsam zur gewünschten Spur. So sind stets mehrere Spuren gleichzeitig verfügbar, ohne dass die Köpfe weiterbewegt werden müssen. Die Spuren eines Plattenstapels, die genau übereinander liegen (auf der entgegengesetzten Oberfläche der gleichen Scheibe oder auf anderen Scheiben), bezeichnet man als „Zylinder“. Das Betriebssystem speichert umfangreichere zusammenhängende Informationen nach Möglichkeit in den Spuren eines Zylinders, um die Anzahl der Kopfbewegungen zu minimieren. So sind stets mehrere Spuren gleichzeitig verfügbar, ohne dass die Köpfe weiterbewegt werden müssen.

Die Plattenoberfläche ist in Kreisabschnitte, so genannte „Sektoren“, unterteilt. In der Mathematik ist ein Sektor ein tortenähnlicher Ausschnitt aus einem Kreis, auf der Festplatte sind damit gebogene Linien gemeint. Jede Spur ist in einige Tausend Sektoren (Bogenstücke) geteilt. Die dadurch entstehenden Datenblöcke sind die kleinste adressierbare Datenmenge. Jeder Datenblock kann durch Angabe von Spur, Sektor und Oberfläche (Kopf) eindeutig adressiert werden.

Die inneren Spuren sind kürzer und enthalten nur etwa ein Drittel der Sektoranzahl im Vergleich zu den äußeren Spuren.

Jeder Datenblock (Sektor) ­enthielt früher 512 Datenbyte, plus Verwaltungsinformationen sowie zusätzliche Paritätsbits für eine Fehlerkontrolle und -korrektur. Alle Festplattenhersteller haben sich 2011 geeinigt, bei neuentwickelten Festplatten das „Advanced Format“ mit einer Sektorgröße von 4096 Byte zu verwenden. Durch größere Sektoren verringert sich die Zahl der Sektorlücken, was die Datenmenge pro Spur erhöht. Älteren Betriebssystemen wird die alte Sektorgröße von 512 Byte vorgegaukelt (emuliert). Für die Fehlerkorrektur wurden zusätzliche Bytes reserviert, die Korrektur ist noch besser geworden als zur Zeit der 512-Byte-Sektoren.

Das Produkt von Kopfanzahl und Zylinderanzahl (= Spurenanzahl) mit der Zahl der Sektoren pro Spur ergibt die Anzahl der Blöcke der Festplatte. Diese Blockzahl multipliziert mit der Kapazität eines Sektors (512 oder 4096 Byte) ergibt die Kapazität der Festplatte.


„Normalgroße“ Festplatten werden als „3,5 Zoll“ bezeichnet, die kleineren Notebook-Festplatten heißen „2,5 Zoll“. Zoll ist eine englisch/amerikanische Maßeinheit von 25,4 mm. Das Maß entspricht dem ungefähren Durchmesser des Plattenstapels. Die tatsächliche Breite der Festplatten beträgt 101 mm bzw. 70 mm.

Bei 7200 Umdrehungen pro Minute erreicht der äußere Rand einer 3,5"-Festplatte eine Geschwindigkeit von 130 km/h. Notebook-Festplatten haben einen kleineren Durchmesser von 2,5" und eine kleinere Drehzahl von 4200 oder 5400 U/min, deshalb erreichen sie „nur“ 60 bis 70 km/h.

Bei der schnellen Rotation wird die Luft über den Scheiben mitgerissen. In diesem Luftstrom „segeln“ die aerodynamisch geformten Magnetköpfe in einem konstanten Abstand von etwa 2 nm (Nano-Meter) über der Scheibe. Das sind 2 Millionstel eines Millimeters! Zum Vergleich: Ein Haar ist 0,05 mm = 50 Mikrometer = 50.000 nm dick, also 25000-mal dicker!

Die Flughöhe wird durch den „Bodeneffekt“ stabilisiert. Sie kennen den Effekt vom Fliegen: Je näher das Flugzeug dem Boden kommt, desto mehr wird die Luft zwischen Tragfläche und Landebahn zusammengepresst, was die Sinkgeschwindigkeit verringert. Dasselbe gilt für die Köpfe der Festplatte: Je niedriger die Flughöhe ist, desto mehr vergrößert sich der Auftrieb. Dadurch pegelt sich der Kopfabstand auf einen Mittelwert ein.

Seit einigen Jahren haben Festplatten eine Feinjustierung der Flughöhe (Thermal Fly-height Control, deutsch: Dynamische Schwebehöhensteuerung) und können den Abstand um einige Nanometer nachregeln.

Auf hohen Bergen über 3000 Meter sollte man eine magnetische Festplatte nicht benutzen. Die dünne Luft erzeugt nicht genug Auftrieb. In einem Flugzeug müssen Sie sich diesbezüglich keine Sorgen machen: in der Kabine wird ein genügend hoher Luftdruck aufrechterhalten, der einer Höhe von etwa 2200 bis 2400 Metern entspricht.

Interessante Vergleiche
0,12 nm Durchmesser eines Siliciumatoms
0,25 nm Abstand Metallatome im Kristallgitter
1 nm Bitabstand auf Festplatte
3 nm Flughöhe des Kopfes über der Festplatte
22 nm Strukturbreite in der CPU
50 nm Mittler Durchmesser eines Virus
75 nm Spurabstand auf Festplatte
125 nm Tiefe der Pits auf DVD
320 nm Spurabstand auf Blu-ray
740 nm Spurabstand auf DVD
1600 nm Spurabstand auf CD
9000 nm Durchmesser einer Glasfaser (SM)
10 000 nm Grenze zwischen Fein- und Grobstaub
50 000 nm Mittlerer Durchmesser eines Haares

Die Zugriffszeit

Mit der Zugriffszeit wird angegeben, wie schnell eine Festplatte arbeitet. Die mittlere Zugriffszeit liegt bei modernen Festplatten zwischen 8 und 9 Millisekunden. Spezialplatten für Server erreichen Zeiten von bei 5 ms. Die Zugriffszeit setzt sich aus folgenden Faktoren zusammen:

  1. Der Positionierzeit gibt an, wie lange es durchschnittlich dauert, um den Kopf von einer Spur auf eine beliebige andere Spur zu positionieren. Kleine Kopfbewegungen dauern nur zwei bis drei Millisekunden. Für die Positionierung von ganz außen nach innen werden typisch 14 bis 18 ms benötigt.
  2. Die Latenzzeit gibt die Zeit an, die gewartet werden muss, damit die gewünschten Daten der Spur unter dem Schreib-Lesekopf erscheinen. Diese Wartezeit hängt direkt von der Drehzahl ab. Eine Festplatte mit 7200 U/min braucht 8,3 ms für eine volle Umdrehung. Im statistischen Mittel muss die Platte eine halbe Umdrehung machen, bis die gewünschten Daten unter dem Kopf vorbeirasen.
  3. Einige Mikrosekunden Wartezeit, die für den eigentlichen Lesevorgang, den Vergleich der Kontrollsummen und die Übertragung in den Arbeitsspeicher erforderlich sind.

Den dritten Faktor kann man vernachlässigen. In der Summe ergibt das eine mittlere Zugriffszeit von 13 ms für 3,5"-Platten und 20 ms für 2,5"-Festplatten. Teure 3,5"-Spezialplatten für Server drehen mit 15 000 U/min und erreichen 5 ms.

AAM

Das von der Festplatte erzeugte Geräusch entsteht aus zwei Quellen: das gleichmäßige Geräusch der Rotation und das unregelmäßige Geräusch der Kopfbewegungen. Die Geschwindigkeit der Positionierung kann durch das „Automatic Acoustik Management“ verändert werden. Wenn die Magnetköpfe sanfter beschleunigen und bremsen, vermindert sich die Lärmentwicklung und der Stromverbrauch, die Zugriffszeit leider auch. Der durch die Drehbewegung verursachte Lärmpegel lässt sich mit AAM allerdings nicht beeinflussen. Eine Verringerung der Drehzahl zwecks Geräuschminderung ist nicht möglich, denn das würde die Signalstärke im Lesekopf verringern. Außerdem würden die Köpfe niedriger schweben und schließlich aufsetzen.

Der Cache der Festplatte

Nicht nur der Prozessor benutzt einen Cache-Speicher, auch die Festplatte hat einen. Heutige Festplatten sind meist mit 8 MB oder 16 MByte RAM bestückt. Das ist mehr, als die ersten Festplatten als Gesamtkapazität hatten. Der Cache wird auf drei Arten genutzt:

  1. Wenn die CPU einen einzelnen Block anfordert, werden die restlichen Blöcke der Spur „auf Vorrat“ in den Cache-RAM eingelesen. Die Wahrscheinlichkeit ist hoch, dass die restlichen Blöcke bald gebraucht werden.
  2. Leseanforderungen werden sofort ausgeführt, denn die CPU wartet auf die Daten. Das Schreiben von Daten erfolgt aber verzögert. Die zu schreibenden Daten werden im Cache der Festplatte zwischengespeichert und die CPU erhält die Meldung, die Daten wären schon geschrieben. Sind sie aber nicht. Erst wenn keine Leseanforderungen der CPU eintreffen, nutzt die Festplatte diese Zeit, um die Daten auf die Magnetscheiben zu schreiben. Der Vorteil des Verfahrens: Die CPU kann sofort weiter rechnen und muss nicht warten, bis die Daten geschrieben sind.
  3. Ein AHCI genannter Standard ermöglicht es der Festplattenelektronik, Zugriffe zurückzuhalten, um sie in einer umsortierten Reihenfolge zu schreiben. Dadurch werden die Bewegungen der Köpfe optimiert und die mittlere Zugriffszeit wird verringert. Im einfachsten Fall funktioniert die Steuerung wie bei einem Aufzug: Erst werden alle Stockwerke in einer Richtung angefahren, dann wechselt die Bewegungsrichtung.
  4. Einige Arten von Daten, z. B. die Verwaltungstabellen der Festplatte, werden sehr oft geändert. Es wäre ein sinnloser Aufwand, jeden Zwischenstand zu speichern. Das Schreiben solcher Daten wird deshalb von Windows verzögert, bis die Elektronik „glaubt“, dass nun keine weiteren Änderungen zu erwarten sind. Das kann einige Sekunden dauern, bei Speichersticks bis zu einer Minute.

Allerdings hat diese Zwischenspeicherung einen gefährlichen Nachteil. Wenn Sie den PC versehentlich ausschalten, ohne ihn herunterzufahren, verlieren Sie möglicherweise Daten. Oft sind die Verwaltungstabellen betroffen, das bedeutet: Der gesamte Inhalt der Festplatte kann weg sein. Besonders gefährlich ist es in der ersten Minute nach dem Ende eines Schreibvorgangs. Wenn Sie dazu neigen − und sich nicht abgewöhnen können − den USB-Memory-Stick oder die externe Festplatte spontan herauszuziehen oder abzuschalten, sollten Sie den Cache dauerhaft deaktivieren. Sie verlieren merklich Geschwindigkeit, aber Sie verlieren Ihre Daten nicht.

Ihnen ist noch nie etwas passiert? Das bleibt nicht für immer so.

Erschütterungen: Der plötzliche Tod

Sie haben vorhin gelesen, wie gering der Abstand der Magnetköpfe von der Festplatte ist. Stellen Sie sich zur Veranschaulichung vor, die Magnetscheibe auf 30 Meter, den Durchmesser eines Kettenkarussells, zu vergrößern. Im gleichen Maßstab vergrößert würde der Kopfabstand von 10 Nanometer auf 3 Mikrometer anwachsen, weniger als ein Haar dick ist (50 Mikrometer).

Nehmen wir nun an, dass sich das Karussell mit 7200 U/min dreht. Die außen befindlichen Sitze würden eine Geschwindigkeit von 40.700 km/h erreichen. Das ist 32-fache Schallgeschwindigkeit! Sie sollten besser nicht einsteigen: Sie würden mit einer Beschleunigung von 870.000 G, also mit dem 870.000-fachen Ihres Gewichts in den Sitz gepresst werden – trainierte Astronauten verlieren in der Zentrifuge bereits bei zehnfacher Erdbeschleunigung (10 G) das Bewusstsein. Angenommen, der leere Sitz wiegt 4 Kilogramm. Er müsste an vier je 10 cm dicken Stahlseilen aufgehängt sein, um nicht davonzufliegen (dass die Seile selbst ein beträchtliches Gewicht haben, ignorieren wir großzügig). Wenn sich der Sitz losreißt, fliegt er mit 11,3 km/s davon. Er könnte innerhalb einer Stunde die Erde umrunden oder - wenn die Geschwindigkeit konstant bleiben würde - in neun Stunden den Mond erreichen.


Haben Sie nun eine Vorstellung davon, warum Erschütterungen so gefährlich für die Festplatte sind? Wenn der Kopf die Oberfläche bei 130 km/h berührt, kann man sich das wie einen mikroskopischen Flugzeugabsturz vorstellen. Kopfaufsetzer können Ihre Festplatte in Sekundenbruchteilen zerstören. Die Oberfläche der Scheiben ist mit einer hauchdünnen Gleitschicht aus Polymer oder einer Schutzschicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff („carbon overcoat“) überzogen. Dadurch kann die Festplatte „leichte“ Kopfaufsetzer verkraften. Wenn der Kopf bei einem stärkeren Aufsetzer die Schutzschicht verdampft oder durchdringt, wird die Magnetschicht beschädigt (und der Kopf vielleicht gleich mit). Die Daten, die sich dort befunden haben, sind weg. Den Datenverlust bemerkt man meist erst später. Wenn irgendwann ein Programm diesen beschädigten Bereich zu lesen oder zu beschreiben versucht und das nicht gelingt, wird der Bereich automatisch für die weitere Benutzung gesperrt.


Eine Scherzfrage: Wie nennt man es, wenn bei voller Drehzahl ein Kopf die Oberfläche der Scheibe berührt? Spanabhebende Datenverarbeitung! In der Fachsprache nennt man es einen „Headcrash“[13], und in schweren Fällen ist die Festplatte hinüber – einschließlich aller Daten.

Einzelteile einer Festplatte

Wie vermeidet man solche mechanischen Unfälle?

  • Den PC sollte man so aufstellen, dass er nicht kippelt – auch nicht, wenn man mit dem Knie anstößt. Noch besser so, dass man gar nicht erst mit dem Knie anstoßen kann!
  • Den PC niemals bewegen, wenn er eingeschaltet ist. Nach dem Ausschalten einige Sekunden warten, bis die Festplatte stillsteht.
  • Treten und schlagen Sie Ihren PC nicht, wenn er nicht so funktioniert, wie Sie es wollen! Schlagen Sie auch nicht mit der Faust auf die Tischplatte, auf der Ihr PC steht (oder schalten Sie den PC vorher aus). Werfen Sie keine Aktenstapel schwungvoll auf den Tisch.
  • Den PC immer in Gebrauchslage transportieren (Festplatte waagerecht), damit die Magnetköpfe nicht die Parkposition verlassen und auf der Festplatte herumkratzen. Im Auto gibt es zwei günstige Plätze für den Transport: Stehend angeschnallt auf einem Sitz oder stehend festgeklemmt hinter dem Beifahrersitz. Liegend im Kofferraum ist schlecht. Im Zweifelsfall können Sie die Festplatten für die Dauer des Transportes aus dem Gehäuse des Rechners entnehmen und in einen gepolsterten Behälter ablegen.
  • Wenn Sie Festplatten online von Privatpersonen kaufen, besteht ein hohes Risiko von Transportschäden durch mangelhafte Verpackung.
  • Schrauben Sie auf keinen Fall aus Neugier die Festplatte auf. Jeder Kubikzentimeter Luft enthält Tausende Staubkörner, selbst die kleinsten davon wirken auf Ihre Festplatte ebenso verheerend wie ein Felssturz auf Ihr Auto.
  • Vermeiden Sie Vibrationen. Hoffentlich liegt Ihr Subwoofer nicht auf dem PC oder die externe Festplatte nicht auf dem Subwoofer.

Beachten Sie: Nicht jeder Stoß und jede Überhitzung zerstört Ihre Festplatte sofort. Auch kleinste Schäden addieren sich und verringern die Lebensdauer. Darüber hinaus wird hierdurch die Wahrscheinlichkeit eines plötzlichen Totalausfalls gesteigert.

Schocktoleranz

Die Schreib-/Leseeinheit der Festplatte schwebt in einem selbst mit Spezialmikroskop kaum wahrnehmbaren Abstand über den sogenannten Plattern, die mit bis zu 150 km/h darunter rotieren, und ist für Stöße sehr empfindlich. 3,5"-Festplatten halten typisch 80 G im Betrieb und 300 G im ausgeschalteten Zustand aus (1 G = Fallbeschleunigung durch Erdanziehung). Angenommen, eine Festplatte fällt aus 60 Zentimetern Höhe auf einen dicken weichen Teppich, der sich um 3 mm zusammendrücken lässt. Die Bremsbeschleunigung errechnet sich als Quotient von Fallhöhe / Bremsweg, also 600 mm / 3 mm = 200 G. Es handelt sich dabei um einen Durchschnittswert. Da die Bremsung durch den Teppich nicht gleichmäßig verläuft, dürften die Spitzenwerte erheblich höher liegen. Ergebnis: Eine 3,5"-Festplatte ist vermutlich kaputt. Holz oder Beton federn erheblich weniger, was die Überlebenswahrscheinlichkeit minimiert.

2,5"-Festplatten sind für den mobilen Einsatz optimiert und tolerieren derzeit etwa 300 G im Betrieb und 1000 G in Ruhe. Das ist das Drei- bis Vierfache der üblichen 3,5"-Laufwerke.

Lageänderungen

Solange die Festplatte dreht, darf sie keinesfalls bewegt werden! Durch die hohe Drehzahl von meist 7200 Umdrehungen pro Minute ist die Scheibe der Festplatte bestrebt, ihre Lage im Raum beizubehalten, wie bei einem Spielzeugkreisel[14]. Bewegt man das Gehäuse der Festplatte, versucht die Scheibe, ihre Lage im Raum beizubehalten, und verformt sich dabei. Es kann zu Kopfaufsetzern kommen. Beim Basteln also den PC nicht auf die Seite kippen, solange sich die Festplatte dreht. Und wenn Sie einmal auf einer alten Festplatte die Daten vernichten wollen – stecken Sie ein Stromversorgungskabel an und drehen Sie die Festplatte zügig auf den Rücken. Das Kreischen ist gut zu hören ...

Lärm

Der amerikanische Internetprovider „WestHost“ verlor im Februar 2010 fast alle seine Festplatten durch eine Feuerlöschübung und brauchte mehr als sechs Tage, um den Betrieb wieder aufzunehmen[15]. Beim Ausströmen des für die Feuerlöschung benutzten Halongases entstanden laute Geräusche, welche die Festplatten ruinierten[16]. Gaslöschanlagen können einen Schalldruck von 130 dB verursachen. Bereits eine Lautstärke von 100 dB kann zu Datenverlusten führen. Die Hersteller von EDV-Feuerlöschanlagen haben deshalb begonnen, die Düsen der Gaslöschanlagen mit Schalldämpfern auszustatten[17]. Versuche in einer Redaktion sollen ergeben haben, dass bereits das laute „Anbrüllen“ einer Festplatte zu Lesefehlern führen kann.
Der Song Rhythm Nation von Janet Jackson hatte ältere Laptop-Festplatten zerstört oder zu Lesefehlern geführt, berichtet Microsoft-Softwareentwickler Raymond Chen im Developer Blog "The Old New Things". Die im Song benutzten Resonanzfrequenzen brachten die Festplatte zum Schwingen. In Windows wurde mittlerweile ein benutzerdefinierter Filter eingebaut, der bei der Wiedergabe die störenden Frequenzen eliminiert.

Ihnen ist bisher noch nie etwas passiert?

Da haben Sie Glück gehabt. Bis jetzt. Die Festplatten werden jedes Jahr empfindlicher. 1993 hatte eine typische Festplatte eine Kapazität von 20 MByte (0,02 Gbyte), 2018 mehr als das hunderttausendfache. Die Drehzahl hat sich in fünfundzwanzig Jahren von 3600 auf 7200 pro Minute verdoppelt, und der Abstand der Köpfe von der Plattenoberfläche hat sich von 1500 nm auf 2 nm verringert. Zum Vergleich: Ein Virus ist im Mittel 50 nm groß, ein Eisenatom hat 0,2 nm Durchmesser. Der Schwenkarm ist etwa 2,5 Millionen mal länger als der Abstand des Magnetkopfes von der Festplatte. Was glauben Sie wohl, wie stark sich dieser lange Arm bei Erschütterungen durchbiegt? Stellen Sie sich zum Vergleich eine 8 km lange Stange vor, deren Ende weniger als 1 mm vibrieren darf!

Haben Sie eine externe Festplatte? Gehören Sie zu den Leuten, welche die Festplatte hochheben, um das Kabel vom Netzteil leichter einstecken zu können? Oder um sie bequemer einschalten zu können? Und dann die drehende Festplatte ablegen? Hoffentlich nicht!

Überhitzung: Die verkannte Gefahr

Die Festplatte ist einer der größeren Stromverbraucher. Der Energiebedarf moderner 3,5"-Festplatten liegt durchschnittlich bei 5 bis 10 Watt, unter hoher Last und beim Anlaufen dreimal mehr. Im Ruhezustand sinkt der Bedarf auf ein Watt. Die kleineren 2,5"-Platten brauchen etwa die Hälfte davon. Der Strom wird von der Elektronik und den Antrieben in Wärme umgewandelt. Die meiste Wärme entsteht an der Unterseite. Die Wärme steigt auf. In der Mitte der Platte geht das kaum: Dort sind die Magnetscheiben im Wege, und die Luft zwischen den Scheiben leitet die Wärme schlecht. Also kann die Wärme nur über die Seitenwände der Festplatte abgeleitet werden.

Die normale Betriebstemperatur einer gut belüfteten Festplatte sollte bei 30 bis 40 °C liegen, kühler wird es im PC-Gehäuse kaum sein. Festplatten werden so konstruiert, dass sie bei einer normalen Betriebstemperatur die maximale Lebensdauer erreichen. Bei Temperaturen unter 10 °C und über 50 °C verdoppelt sich die durchschnittliche Ausfallrate. Steigt die Temperatur noch weiter auf 60 Grad, verdoppelt sich die Ausfallrate erneut! [18] Bei etwa 65 °C droht sofortiger Ausfall.

Die Oberfläche der Magnetscheiben ist mit einem speziellen Polymer beschichtet. Diese hauchdünne Schicht (etwa 1 nm) schützt die darunterliegende Magnetschicht vor Beschädigungen, falls doch einmal ein Kopf aufschlägt, z. B. wegen einer Erschütterung bei einem Transport. Leider verdunstet dieses Polymer bei dauerhaft höheren Temperaturen[19]. Jedes Grad Celsius über der zulässigen Betriebstemperatur erhöht die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls um zwei bis drei Prozent.

Bei vielen Festplatten erzwingt die SMART-Festplattenelektronik Abkühlpausen bei drohender Überhitzung. Sie merken das daran, dass der PC bei hoher Festplattenauslastung für einige Sekunden „hängt“, meist mehrmals nacheinander.

Die Wärme muss weg! Aber wohin mit der Wärme?

  • Der Wärmeaustausch mit der umgebenden Luft spielt eine bedeutende Rolle. Die Luft sollte also die Festplatte gut umströmen können.
  • Die Wärmeleitung ist recht wirkungsvoll. Achten Sie darauf, dass die Festplatte mit vier Schrauben am Blech des Gehäuses angeschraubt ist, dadurch wirkt das Gehäuse als Kühlblech. Die bei Bastlern so beliebten Kunststoff-Rahmen, die einen Wechsel der Festplatte ohne Benutzung des Schraubendrehers ermöglichen, sind aus thermischer Sicht katastrophal (und auch sonst recht sinnlos: Wiegen denn drei Minuten Zeitersparnis pro Festplattenwechsel die Nachteile auf? Wie oft muss denn voraussichtlich die Festplatte gewechselt werden?).

Es ist also recht schwierig, die Wärme zu beseitigen. Daraus sind die folgenden Empfehlungen abgeleitet:

Festplatten-Zusatzlüfter

Sogenannte „grüne“ Festplatten benötigen wenig Energie und werden deshalb nicht heiß. Andere Festplatten sollten zusätzlich gekühlt werden. Sie können selbst prüfen, ob eine Zusatzkühlung nötig ist. Fassen Sie vorsichtig mit dem Finger auf die Festplatte, wenn der PC nach längerem Betrieb heruntergefahren ist. Fühlt sich die Oberfläche deutlich wärmer an als Ihr Finger? Dann ist Zusatzkühlung ratsam. Sie können auch ein Diagnoseprogramm installieren, z. B. SiSoft Sandra.

Zwei Arten der Kühlung haben sich bewährt: Ein Lüfter an der Stirnseite oder an der Unterseite der Festplatte. Ein Festplatten-Zusatzlüfter kostet 10 bis 15 Euro. Kaufen Sie einen Lüfter mit größerem Durchmesser. Lüfter mit einem Durchmesser unter 3 cm sollten Sie nicht mal geschenkt nehmen. Sie sind laut und halten nicht lange. Ein Lüfter mit 6 cm Durchmesser hat die vierfache Lüfterfläche und befördert etwa die dreifache Luftmenge. Das erlaubt die Verringerung der Lüfterdrehzahl auf ein Drittel, wodurch sich die Lebensdauer der Lager verdreifacht. Durch die geringere Drehzahl ändert sich das Geräusch von einem lauten, unangenehmen hohen Sirren zu einem viel leiserem Ton in einer angenehmeren Tonlage. Die Strömungsgeräusche der Luft werden praktisch unhörbar.

Achten Sie beim Kauf eines Lüfters auf die Lager. Viele Festplattenlüfter haben leider ein Gleitlager (um es deutlich zu sagen: eine Metallachse in einem Plasteloch). Lange hält das nicht. Kaufen Sie nur Lüfter mit Kugellager, auch wenn sie ein wenig teurer sind. Sie gewinnen Laufruhe und eine längere Lebensdauer.

Stellen Sie den PC nicht direkt neben eine Wärmequelle, und verdecken Sie die Lüftungsöffnungen nicht.

Die Festplatte muss so eingebaut sein, dass die erwärmte Luft wegströmen kann. Insbesondere muss über und unter der Festplatte genügend Platz sein! Stellen Sie den PC nicht direkt neben eine Wärmequelle, und verdecken Sie die Lüftungsöffnungen nicht.

Dauerbetrieb

Nach den Preis-Leistungs-Daten unterscheidet man Server-, Desktop- und Notebook-Festplatten. Als Desktop-Festplatten werden die handelsüblichen Festplatten für „Normalverbraucher“ bezeichnet. Einige Server-Festplatten haben im Vergleich zu Desktop-Platten einen kleineren Scheibendurchmesser. Das verringert die mittlere Positionierzeit und erlaubt es, die Drehzahl zu verdoppeln. Serverplatten sind für Dauerbetrieb zugelassen und haben fünf Jahre Garantie. Allerdings kosten sie das fünf- bis zehnfache einer Desktop-Festplatte und haben eine relativ geringe Kapazität.

Gönnen Sie Ihrer Festplatte Pausen! Lassen Sie die Festplatte in längeren Pausen automatisch abschalten! Kaum jemand weiß, dass die meisten Desktop-Festplatten nicht für den Dauerbetrieb konzipiert sind. Das Problem hierbei ist die Wärmeentwicklung. Viele Hersteller erlauben nur etwa 10 Stunden Betriebszeit pro Tag, danach sollte die Festplatte abkühlen können. Wenn diese Betriebsbedingungen eingehalten werden, erreichen viele Festplatten eine Lebensdauer von mehr als fünf Jahren. Der Zusatzlüfter, falls vorhanden, sollte aber überwacht und bei Bedarf gewechselt werden, damit die Temperatur der Festplatte niedrig bleibt.

Viele Büro-PC sind an fünf Tagen pro Woche je acht Stunden eingeschaltet. Zum Vergleich: Würden Sie Ihr Auto 40 Stunden pro Woche mit 100 km/h fahren, hätte es pro Jahr etwa 200.000 km zurückgelegt - das sind fünf Erdumrundungen. Alle 15.000 km wäre eine Wartung mit Ölwechsel fällig, also 13 Wartungen in einen Jahr. Wann haben Sie Ihrer Festplatte das letzte Mal einen Ölwechsel gegönnt? (Das ist natürlich ein Scherz! Festplatten sind wartungsfrei. Aber nicht verschleißfrei.)

Verschleiß: Das unabwendbare Ende

Was passiert, wenn man den PC ausschaltet?

„Fliegen heißt Landen“ - eine alte Fliegerweisheit, die auch auf die Festplatte zutrifft. Wenn die Festplatte die Drehzahl verringert, verringert sich auch der Auftrieb der Köpfe, und die Magnetköpfe „landen”. Wie geht das ohne Head-Crash ab?

Windows schickt den Befehl „Festplatte parken“ gegen Ende des Herunterfahrens. Aber auch wenn der Strom unvermittelt ausfällt, gibt es keinen Headcrash. Der Antriebsmotor wird zu einem Dynamo umgeschaltet. Mit der Schwungmasse der Spindel wird Strom erzeugt, um die Köpfe in die Parkposition in der innersten Spur zu bewegen. Dort ist die „Geschwindigkeit über Grund“ am kleinsten, außerdem ist die ­„Landebahn“ dort metallisch und hochglanzpoliert. Sobald sich die Köpfe über der Landeposition befinden, erfolgt die nächste Umschaltung: Der Spindelmotor arbeitet jetzt als Generatorbremse[20] und bremst die Scheiben sehr schnell ab. Die Köpfe setzen auf, der Verschleiß ist dabei minimal.

Renommierte Hersteller geben an, dass die Köpfe 50.000 bis 500.000 Start-Stop-Zyklen aushalten. Bei normaler Nutzung sollte das ausreichen. Kommen Sie aber bitte nicht auf die Idee, nach jeweils drei Minuten Leerlauf die Festplatte abzuschalten, um Strom zu sparen! Dann haben Sie Ihre Festplatte möglicherweise schon nach einem Jahr kaputtgespart. Dabei würde man wohl auch keinen Strom sparen, denn der Anlaufstrom des Motors ist sehr viel größer als der Leerlaufstrom bei ununterbrochenem Betrieb.

Manche Festplatten setzen ihre Köpfe auf einer Halterung, genannt „Lande-Rampe“, ab. Die Köpfe berühren die Oberfläche nicht und der ­Verschleiß ist minimal.

Wie kündigen sich Probleme an?

Wenn die Festplatte nicht innerhalb von etwa drei Sekunden ihre Normdrehzahl erreicht, schaltet der Antrieb sicherheitshalber ab. Manchmal läuft sie nach mehreren Einschaltversuchen doch noch an. Das sollte Sie aber nicht beruhigen. Reagieren Sie umgehend – ein verschlissenes Lager repariert sich nicht von allein!

Eins der Anzeigelämpchen am Gehäuse, meist ist es gelb oder rot, zeigt die Aktivität der Festplatte an. Während der normalen Nutzung flackert die Anzeige. Wenn Windows ohne ersichtlichen Grund für einige Sekunden „stehenbleibt” und auf nichts mehr reagiert, während die Festplattenaktivitätsanzeige Dauerlicht zeigt, kommen hauptsächlich zwei Ursachen dafür in Betracht:

  • Möglicherweise ist die Festplatte überhitzt, und die SMART-Elektronik erzwingt gerade eine kleine Abkühlpause. Nach einigen Sekunden geht es ohne Fehlermeldung weiter, als wäre nichts geschehen. In diesem Fall sollten Sie die Lüfter kontrollieren.
  • Die Festplatte hat Oberflächenschäden, und das Betriebssystem versucht unermüdlich, ob sich die Daten vielleicht doch noch lesen lassen. Wenn es gelingt, macht Windows ohne Fehlermeldung weiter. Oft sind mehrere benachbarte Sektoren betroffen. Mit dem Gratis-Tool „HD Tune“ können Sie die Festplattenoberfläche testen. Beschädigte Regionen markiert HD Tune mit roten Kästchen.

Wenn die Festplatte die gesuchten Daten nicht findet, fahren die Köpfe mehrmals an den Plattenrand zurück und zählen die Spuren neu ab. Wenn Sie dieses rhythmische Klacken hören, steht eventuell das Lebensende der Festplatte sehr dicht bevor. Wenn das Klacken lauter wird oder sie gar ein Kreischen oder Kratzen hören, müssen Sie sich sehr schnell entscheiden:

  • Falls Sie gewillt sind, 500 oder 1000 Euro für eine professionelle Datenrettung auszugeben, dann knipsen Sie den PC sofort aus! Nicht erst herunterfahren, denn in jeder Sekunde könnte der Schaden größer werden. Und schalten Sie ihn nicht wieder an, bevor die Festplatte abgeklemmt ist.
  • Falls Sie so viel Geld keinesfalls ausgeben wollen, sollten Sie unverzüglich anfangen, die allerwichtigsten Daten auf einen Speicherstick oder eine externe Festplatte zu kopieren. Machen Sie schnell, vielleicht haben Sie nur wenige Minuten bis zum Totalausfall.

Für Festplattenausfälle gibt es fast immer Warnzeichen – achten Sie stets auf Auffälligkeiten und zögern Sie nicht, umgehend um Rat zu fragen!

Sie haben den Eindruck, dass der PC lauter als sonst ist und Sie verdächtigen die Festplatte? Bei den Einstellungen des Bildschirmschoners finden Sie die Energieverwaltung. Stellen Sie zeitweilig ein, dass die Festplatte nach einer Minute Nichtbenutzung abschaltet. Wenn Sie dann die Maus loslassen, bleibt die Festplatte nach einer Minute stehen. Ist der PC immer noch laut? Dann wird es wohl ein Lüfter sein.

Übrigens:
Haben Sie eine einigermaßen vollständige, einigermaßen aktuelle Datensicherung? Stellen Sie sich vor, Ihre Festplatte würde jetzt, in diesem Moment kaputtgehen. Wie groß wäre dann der Datenverlust und wie lange würde die Wiederbeschaffung der Daten bzw. die erneute Eingabe dauern? In der Mehrzahl der Fälle ist eine professionelle Datenrettung möglich, aber diese kann mehrere tausend Euro kosten!

Wie man eine Datensicherung durchführt, können Sie im Wiki-Buch Datensicherung lernen. Wenn Sie Ihrer Festplatte misstrauen, lesen Sie diese Hinweise.

Das Diagnoseprogramm SMART

Die Festplattenhersteller bauen ein Diagnoseprogramm „S.M.A.R.T.“ in jede Festplatte ein. SMART steht für „Self Monitoring, Analysis and Reporting Technology“. Dieses Diagnoseprogramm wacht ununterbrochen über Ihre Festplatte. Es erkennt beschädigte Blöcke, sperrt sie und ersetzt sie durch Reserveblöcke. Es wird geschätzt, dass jede Festplatte 5% bis 20% ihrer nominellen Kapazität als „heimliche Reserve“ zurückhält, um kleine Schäden ausgleichen zu können. Das bedeutet im Umkehrschluss, dass kleine Schäden recht häufig sind.

Statistiken sagen aus:

  • Wenn SMART eine erste Warnung gibt, ist die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls in den nächsten Tagen oder Wochen dramatisch hoch.
  • Allerdings bedeutet das Ausbleiben einer SMART-Warnung nicht, dass keine Gefahr droht. Ein Drittel der Festplatten fällt ohne eine vorherige Warnung durch SMART aus. Dies liegt nicht zuletzt darin begründet, dass logische Fehler durch SMART nur in seltenen hardwarebedingten Fällen prognostiziert werden können.
Mehr zu SMART können Sie hier lesen.

Pflege und Wartung der Festplatte

Was können Sie für Ihre Festplatte tun?

Rechtzeitig austauschen!

Den Inhalt einer intakten Festplatte auf eine neue zu kopieren ist mit einem geeigneten Image-Programm leicht möglich: 5 Minuten schrauben und klicken plus eine Stunde auf das Ende des Kopiervorgangs warten. Eine (bebilderte) Anleitung finden Sie auf https://eifert.net/project/anleitung-festplatte-klonen/. Wenn jedoch die ersten Schäden aufgetreten sind, kann es aufwändig, sehr, sehr teuer oder unmöglich werden. Wechseln Sie deshalb eine alte Festplatte aus, bevor sie versagt! Sie haben von einigen Merkmalen gelesen, die auf einen möglicherweise bevorstehenden Ausfall hinweisen.

Sie können sich noch nicht entscheiden, Ihre Festplatte auszuwechseln?

Alle Festplatten sind für eine endliche Betriebszeit projektiert. Eine hohe MTBF (Mean Time Before Failure, deutsch: mittlere Zeit bis zum Ausfall) meint die durchschnittliche Zeit unter Idealbedingungen - Ihre Festplatte kann zu den Frühausfällen gehören, und sie wird gewiss nicht unter idealen Bedingungen betrieben. Die Hersteller konnten sich nicht einigen, wie die MTBF zu berechnen ist (im Wesen handelt es sich um einen Versuch, die Zukunft vorherzusagen), und sie kalkulieren marketinggerecht großzügig. Wie kann der Hersteller bei einer neuen Serie, deren Produktion gerade beginnt, ernsthaft behaupten zu wissen, wie langlebig seine Festplatten sein werden?

Magnetfestplatte oder elektronische Festplatte?

Im nächsten Kapitel lernen Sie die „SSD“-Massenspeicher kennen: Vollelektronische Speicher mit einer überragenden Geschwindigkeit. Wenn Sie eine neue Festplatte kaufen, sollten Sie eine SSD wählen, obwohl sie etwas teurer als Magnetplatten sind. SSDs mit 240 GB Kapazität gibt es schon für weniger als 30 Euro. Wenn 240 GB oder 500 GB nicht reichen, sollte zumindest das Betriebssystem auf SSD untergebracht werden, und eine zusätzliche große Magnetfestplatte kann die Massendaten aufnehmen.

Wie groß sollte die neue Festplatte sein?

Es ist ratsam, beim Kauf einer neuen Magnetfestplatte die Kapazität überreichlich zu wählen. Dabei gilt: klotzen, nicht kleckern! Beim Preisvergleich werden Sie feststellen, dass die Kapazität viel schneller wächst als der Preis. Eine Kapazität von 1000 bis 4000 GB ist nicht unangemessen. Aber Vorsicht beim Aufrüsten älterer PCs: Festplatten von mehr als 2,2 TB funktionieren nur mit einem „UEFI“-BIOS, was in PCs des Baujahres 2013 und früher recht selten verwendet wurde.

Je kleiner der Anteil der Festplatte ist, den Sie benutzen werden, desto kürzer sind die Wege für die Magnetköpfe und desto kürzer sind die mittleren Zugriffszeiten. Drastisch formuliert: Wenn Sie nur die ersten (äußeren) zehn Prozent der Festplatte benutzen, gehen alle Kopfbewegungen über kurze Entfernungen und sind sehr schnell. Statt einer mittleren Positionierzeit von 9 ms erreichen Sie etwa 5 ms im Durchschnitt.

Es gibt einen weiteren Grund, auf die Nutzung des inneren Bereichs der Festplatte zu verzichten. Die inneren Spuren haben etwa ein Drittel des Durchmessers der äußeren Spuren. Bei gleichem Abstand zwischen den Bits passen dreimal weniger Bits auf die innere Spur. Folglich werden pro Umdrehung dreimal weniger Daten gelesen oder geschrieben als auf den äußeren Spuren. Ist Ihnen jetzt klar, warum Ihr PC immer langsamer wird, je voller die Festplatte wird?

Machen wir ein Gedankenexperiment. Angenommen, Sie ersetzen eine ältere 240-GB-Festplatte durch eine mit 2000 GB Kapazität. Beide Festplatten haben den gleichen Durchmesser und damit die gleiche Fläche, um die etwa neunmal größere Bitzahl unterzubringen. Die Bits müssen dichter zusammenrücken. Also

  • müssen dreimal mehr Bits auf dem Umfang angeordnet werden. Folglich werden bei jeder Umdrehung der Festplatte dreimal so viele Daten gelesen.
  • müssen drei Spuren untergebracht werden, wo früher nur eine Spur war. Die Magnetköpfe müssen weniger weit bewegt werden, die Positionierung erfolgt schneller.
  • Neue Festplatten haben oft einen größeren Cache-RAM als alte. Dadurch wächst die Wahrscheinlichkeit, die benötigten Daten im Festplatte-Cache zu finden, was eine Positionierung der Köpfe überflüssig macht.

Außerdem sorgen technologische Fortschritte, z. B. die Optimierung der Kopfbewegungen (AHCI), für einen weiteren Zuwachs an Geschwindigkeit.

Einen dramatischen Zuwachs an Geschwindigkeit erreichen sie, wenn Sie eine SSD-Festplatte kaufen. Allerdings sind diese rein elektronischen Festplatten noch recht teuer.

Festplatte entlasten

Das Betriebssystem führt eine Liste, welche Programmteile und -bibliotheken wann zuletzt benötigt worden sind. Wenn der Platz im Arbeitsspeicher nicht mehr ausreicht, lagert das Betriebssystem die am längsten nicht benutzten Komponenten in den „Swap-Bereich“ aus - das ist ein dafür reservierten Bereich der Festplatte. Wird die Komponente erneut benötigt, wird sie aus dem Swap-Bereich in den RAM zurückgelesen. Dieses ständige Auslagern und Zurückholen führt zu einer merklichen Festplattenaktivität. Der Swap-Bereich ist der am häufigsten benutzte Bereich der Festplatte.

  • Deshalb sollten Sie Ihren PC mit genügend Arbeitsspeicher ausstatten. Das Betriebssystem muss dann weniger oft Daten auf die Festplatte auslagern, wodurch der PC spürbar schneller wird.
  • Vielleicht haben Sie eine ungenutzte ältere Festplatte? Bauen Sie diese ein und verlegen Sie die Swap-Datei auf die zweite Festplatte. Ein nennenswerter Anteil der Festplattenzugriffe entfällt auf die zweite Festplatte, und auf der ersten verringern sich merklich die Zugriffszeiten. Allerdings sollte die Haupt-Festplatte ihr Anschlusskabel keinesfalls mit einem anderen Massenspeicher teilen müssen.
  • Schalten Sie die Festplatte in Arbeitspausen aus, wenn die Pause deutlich länger als eine Stunde dauert. Sie können dazu den PC in den Standby-Modus oder den Ruhezustand versetzen oder herunterfahren. In kurzen Pausen (weniger als eine halbe Stunde) den PC eingeschaltet lassen.

Oberflächentest

Führen Sie gelegentlich einen Oberflächentest durch – einmal im Vierteljahr genügt. Dazu klicken Sie unter Windows im Arbeitsplatz oder im Explorer mit der rechten Maustaste auf das zu prüfende Laufwerk, dann links auf Eigenschaften. Unter Extras finden Sie die Fehlerüberprüfung und die Optimierung. Man kann auch ein Diagnosetool des Festplattenherstellers verwenden, das meist auch SMART-Werte auslesen kann.

Defragmentierung

Defragmentierung

Führen Sie gelegentlich einen Oberflächentest durch – einmal im Vierteljahr genügt. Dazu klicken Sie unter Windows im Arbeitsplatz oder im Explorer mit der rechten Maustaste auf das zu prüfende Laufwerk, dann links auf Eigenschaften. Unter Extras finden Sie zwei wichtige Buttons: Die Fehlerüberprüfung und die Defragmentierung. Jetzt defragmentieren. Bei der Defragmentierung werden die Dateien besser angeordnet, so dass zukünftige Zugriffe mit weniger Bewegungen der Magnetköpfe und somit auch schneller ausgeführt werden. Es handelt sich nicht um ein „Aufräumen“ im Sinne von Müll beseitigen, sondern nur um eine bessere Anordnung der Daten.

Ob sich eine Defragmentierung lohnt, hängt vom verwendeten Dateisystem ab. Wenn Sie im „Arbeitsplatz“ mit der rechten Maustaste auf ein Laufwerk klicken und „Eigenschaften“ wählen, sehen Sie den Dateisystemtyp hinter „Dateisystem“.

Wenn Ihre Festplatte das Dateisystem NTFS oder EXT3 benutzt, lohnt eine Defragmentierung nicht den Zeitaufwand (bei NTFS lohnt sich der Zeitaufwand schon, günstig ist, wenn die Partition nicht zu voll ist). Beim Dateisystem FAT oder FAT32 ist alle paar Monate eine Optimierung sinnvoll. Wie macht man das? Wenn Sie auf der erwähnten Eigenschaften-Seite des Laufwerks das Register    Extras    wählen, finden sie den Button Jetzt defragmentieren.

Führen Sie aber KEINESFALLS eine Defragmentierung, einen Oberflächentest oder einen vollständigen Virenscan durch, wenn Sie Unregelmäßigkeiten beobachtet haben! Die Belastung durch diese Programme könnte Ihrer Festplatte den „Todesstoß“ versetzen!

Die Defragmentierung bricht immer wieder ab

Die Defragmentierung beginnt jedesmal von vorn, wenn ein Programm auf die Festplatte zugreift. Schuld sind meist die Programme, die in der Taskleiste links von der Uhrzeit aufgeführt sind. Einige von ihnen können vielleicht zeitweise gestoppt werden. Wenn das nicht reicht, sollten Sie es im „abgesicherten Modus“ versuchen: Drücken Sie während des Windows-Starts die Taste F8 und wählen Sie den „abgesicherten Modus“. Im abgesicherten Modus werden nur die unentbehrlichsten Treiber und Programme gestartet, und normalerweise stört dann nichts mehr bei der Defragmentierung.

Zukünftige magnetische Festplatten

SSD-Festplatten kommen ohne bewegliche Teile aus und sind sehr viel schneller als Magnet-Festplatten. Angesichts des „Siegeszuges“ der SSD-Festplatten taucht die Frage auf: Hat die magnetische Speicherung eine Zukunft?


Für die Daten auf Ihrer eigenen Festplatte gilt dasselbe wie für die Daten einer Firma: Nur ein kleiner Teil davon wird regelmäßig benutzt, der größte Teil wird monate- und jahrelang nicht benutzt. Viele Unterlagen liegen auf Festplatten herum, weil sie wegen steuerrechtlichen Bestimmungen zehn Jahre aufbewahrt werden müssen. Backups (Sicherheitskopien) werden erstellt, auf die nie wieder zugegriffen wird. Auch das Internet besteht größtenteils aus alten und uralten Veröffentlichungen und Archiven.

Das entscheidende Argument: Die Speicherung auf Magnetplatten kostet pro Terabyte zwei- bis dreimal weniger als auf SSD. Und bei selten gebrauchten Daten spielt es keine Rolle, dass der Zugriff ein paar Millisekunden länger dauert. Außerdem verlieren ungenutzte SSD die Daten schon nach einigen Monaten, während auf einer Magnetplatte die Daten sicher sind, auch wenn die Festplatte für einige Jahre in den Stand-by-Modus oder in ein Regal wechselt.


Füllung

In Festplatten mit mehreren Scheiben ist wenig Platz für die Köpfe, und die Reibung mit der Luft bremst die Kopfbewegungen. Die Luft herauspumpen geht nicht − ohne Auftrieb würden die Köpfe auf die Platte abstürzen. Hersteller arbeiten an Helium-gefüllten Festplatten. Helium hat eine siebenmal geringere Dichte als Luft. Deshalb haben die Köpfe bei der Positionierung einen geringeren Widerstand zu überwinden und die Positionierung würde etwas schneller erfolgen. Außerdem wird die Drehung der Scheiben weniger gebremst. Beides spart Strom. Dazu kommt, dass die Wärmeleitfähigkeit von Helium sechs mal größer ist als die von Luft. Die Wärme wird also besser abgeleitet. Dadurch können mehr Scheiben und Köpfe im Gehäuse untergebracht werden. Doch die Helium-Idee erwies sich als schwieriger als erwartet. Die leichten Heliumatome sind derart diffusionsfreudig, dass sie allmählich Dichtungen und sogar Metallwände durchdringen.


Heliumgefüllte Festplatten sind seit 2014 im Angebot. Toshiba, Seagate und Western Digital realisieren große Kapazitäten von 8 bis 16 TB und geben fünf Jahre Garantie. Der Energiebedarf ist um die Hälfte geringer als bei vergleichbaren Festplatten mit Luftfüllung.

Scheiben aus Glas

Die japanische Firma Hoya Corp. will die Aluminiumlegierungen in den Magnetscheiben durch Glas ersetzen. Das Glas sei steifer, wodurch die Scheiben dünner werden können. Statt maximal acht Alu-Scheiben in einem Standardgehäuse würden 12 Glasscheiben hineinpassen. Die Serienfertigung ist für das Jahr 2020 geplant.

Shingled Magnetic Recording

Die Erhöhung der Aufzeichnungsdichte erfolgte in der Vergangenheit hauptsächlich durch schmalere Spuren. 2010 waren 75 nm Spurabstand und 1 nm Bitabstand in der Spur erreicht, etwa 100 Gbit/cm2. Mehr schien unmöglich. Doch seit 2014 testet Seagate eine neue „Shingled Magnetic Recording“ Technologie. Weil die Leseköpfe schmaler gemacht werden können als Schreibköpfe, ist die Spurbreite gleich der Lesekopfbreite. Da der Schreibkopf breiter als die Lesespur ist, werden beim Schreiben einer Spur die beiden Nachbarspuren beschädigt, sie müssen nach jedem Schreibvorgang repariert werden. Daher sind SMR-Platten nur für Anwendungsfälle zu empfehlen, wo wenig geschrieben und hauptsächlich gelesen wird.

Die SMR-Technik erhöht die Speicherkapazität von vier auf fünf TB/Scheibe. Für das Jahr 2020 sind Festplatten bis 20 TB geplant. Seit 2016 bietet Seagate eine 2,5“ Notebookfestplatte mit SMR-Technologie an, die bei einer Kapazität von 2 TB nur 7 mm hoch ist.

Heat Assistant Magnetic Recording

Die HAMR-Technik soll 2020 marktreif sein und Notebook-Festplatten bis 20 TB ermöglichen, zukünftig soll die Datendichte auf das Hundertfache steigen. Das Prinzip: Ein Schreibkopf kann die Magnetscheibe nur dort magnetisieren, wo sie von einem Laser erhitzt worden ist. Ein Laser lässt sich viel feiner fokussieren als ein Magnetfeld. Ende 2016 wurden erste Modelle an Pilotkunden ausgeliefert. Im Jahr 2018 hat Seagate bereits 40 000 HAMR-Festplatten ausgeliefert.

Microwave Assisted Magnetic Recording

Toshiba und WD liefern erste Festplatten mit MAMR (Microwave Assisted Magnetic Recording) aus. Die Mikrowellen verstärken die Magnetfelder der winzigen Magnetköpfe. Die Aufzeichnungsdichte soll dadurch auf das vierfache steigen.

Bit-Patterned Media

Wenn das HAMR-Verfahren an seine Grenzen gekommen ist, könnte das BPM-Verfahren, an dem Hitachi forscht, einen weiteren Fortschritt bringen. In einem magnetischen Material kristallisieren die Elementarmagnete (Atome und Moleküle) zu mikroskopischen Körnchen, sogenannten „Domänen“.

Die Elementarmagnete einer Domäne können in verschiedenen Richtungen magnetisiert werden. Wenn jedoch benachbarte Elementarmagnete eine verschiedene magnetische Ausrichtung haben, versuchen sie, sich gegenseitig umzumagnetisieren. Im Ergebnis sind stets alle Elementarmagnete einer Domäne in der gleichen Richtung magnetisiert.

Ob eine Domäne aus einigen hundert oder tausend Atomen besteht, ist materialabhängig. Für Festplatten werden Materialien bevorzugt, die möglichst kleine Domänen bilden. Bei den gegenwärtig verwendeten Materialien beansprucht ein Bit eine Gruppe von mindestens 20 Elementarmagneten, sonst kann der Lesekopf die „1“ und die „0“ nicht zuverlässig unterscheiden. Wenn die Datendichte steigen soll, steht weniger Fläche pro Bit zur Verfügung. Bei einer Kapazität von 2,5 TB (eine Scheibe mit je 1,25 TB pro Oberfläche) wird die Zahl der Elementarmagneten pro Bit zu klein, und der „superparamagnetische Effekt“ macht eine sichere Aufzeichnung unmöglich.

Welche Möglichkeiten gibt es, die Aufzeichnungsdichte zu erhöhen?

Bisher sind die Domänen flächenhaft angeordnet. Es wird daran gearbeitet, die nötige Zahl Domänen als halbkugelförmige Erhebung auf der Scheibe anzuordnen, damit sie eine kleinere Fläche benötigen. Allerdings müssten die Erhebungen in einem sehr aufwändigen Verfahren auf die Magnetscheiben aufgebracht werden, was den Preis möglicherweise unattraktiv machen wird.

Möglichkeiten ohne Ende ...

Der große Sprung nach vorn: Forscher der Max-Planck-Gesellschaft und der IBM-Forschung haben im Januar 2012 den kleinsten Magnetspeicher der Welt vorgestellt: Nur 12 Atome wurden benötigt, um ein Bit zu speichern. Falls das Verfahren die Praxisreife erreicht, würde die Kapazität der Festplatten um das Tausendfache wachsen können. Leider dauert es meist Jahrzehnte von der Grundlagenforschung bis zur Serienproduktion.

Forscher der Universität Hamburg haben einen anderen Weg entdeckt. Sie haben einen Iridium-Kristall mit einem zwei Atomlagen dicken Film aus Palladium und Eisen beschichtet und darin winzige magnetische Wirbel, sogenannte Skyrmionen, erzeugt. In diesen Wirbeln konnten sie Bits speichern. Das zugrunde liegende Prinzip wurde bereits vor 80 Jahren entdeckt. In einigen Jahrzehnten könnte das zu superkleinen Datenspeichern führen.

Neue Entwicklungen: SSD

Wenn man einen Flash-Speicher mit großer Kapazität (solche wie in den USB-Sticks) in einem 2,5 Zoll Festplattengehäuse einsetzt, trägt diese Konstellation den Namen „Solid State Disk“ (SSD). Diese „SSD-Festplatten“ sind sehr schnell, entwickeln wenig Wärme, sind absolut geräuschlos (denn es steckt kein Motor drin) und sie brauchen nur sehr wenig Strom, aber sie sind etwa doppelt so teuer wie magnetische Festplatten, pro GB gerechnet. Der geringe Stromverbrauch macht sie besonders für Notebooks attraktiv. Spitzenmodelle können Daten schneller liefern, als sie ein SATA-2-Anschluss mit 3 Gbit/s (300 MByte/s) transportieren kann.

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SSD


Solid State Disk

Wenn man viele Flash-Speicher (ebensolche wie in den USB-Sticks) zusammen mit einer Steuerelektronik in ein Festplattengehäuse packt, trägt es den Namen „Solid State Disk“ (SSD). Diese „Festplatten“ sind sehr schnell und absolut geräuschlos (denn es steckt kein Motor drin). Einige Spitzenmodelle können Daten schneller lesen, als sie ein SATA-2-Anschluss mit 3 Gbit/s (300 MByte/s) weiterleiten kann. SSD brauchen nur wenig Strom, was sie besonders für Notebooks attraktiv macht. Allerdings sind sie überaus teuer. Eine 240-GB-SSD kostet etwa 60 € (Stand: Oktober 2018). Für ebendiese 60 € könnte man alternativ eine magnetische Festplatte mit 2000 GB Kapazität kaufen.

Lebensdauer

Flash-Speicher kann man beliebig oft lesen, doch beim Schreiben haben sie einen schweren grundsätzlichen Mangel: ihre begrenzte Lebensdauer. Die Hersteller erwarten eine Haltbarkeit in der Größenordnung von 3 000 Schreibvorgängen für MLC-Speicher und 100 000 Schreibvorgängen für SLC-Zellen. Wenn ein Speicherblock ausgefallen ist, wird er von einem intelligenten Controller genau wie bei heutigen Magnetfestplatten durch einen Block aus einem Reservekontingent ersetzt.

100 000 Schreibvorgänge sind viel, auch 3000 sind eine ganze Menge. Niemand schafft es, den Stick so oft zu beschreiben und zu einem anderen Computer zu tragen. Für die Verwendung als Arbeitsspeicher ist das jedoch zu wenig, denn eine CPU, die mehr als zwei Milliarden Befehle pro Sekunde ausführt, könnte einzelne Speicherbereiche Millionen mal pro Sekunde mit Zwischenergebnissen beschreiben.

Es gibt aber ein Problem: Nach jedem Schreibvorgang jeder Datei müssen die Verwaltungstabellen des Dateisystems geändert werden. Diese befinden sich am Anfang des Datenträgers. Folglich geht der Speicher dort zuerst kaputt. Deshalb muss die Anzahl der Schreibvorgänge durch geeignete Software und die Ansteuerlogik minimiert werden. Das wird auf mehreren Wegen erreicht:

  1. Die Speicherzellen sind in Blöcken von z. B. 4 kByte zusammengeschaltet. Ein Block kann nur im Ganzen geschrieben werden. Wenn in einem Block ein Byte geändert werden soll, muss der komplette Block mit der Änderung auf einen freien Platz kopiert werden, anschließend wird der alte Block zum Löschen freigegeben. Die Steuerelektronik der SSD nutzt einen internen Cache-Speicher, um die Änderungswünsche zu sammeln und nicht wegen jedem zu änderndem Byte einen ganzen Block kopieren zu müssen.
  2. Nach einem „Wear Leveling“ genannten Verfahren werden die Daten möglichst gleichmäßig im gesamten Speicherchip verteilt. In einer Tabelle wird gezählt, wie oft jeder der Speicherblöcke schon gelöscht worden ist. Der Controller verteilt die Daten einschließlich der Verwaltungstabellen häufig um. Idealerweise wird damit eine gleichmäßige „Abnutzung“ aller Speicherblöcke erreicht. Zahlreiche Sticks (nicht alle) haben dieses Verteilverfahren in die Ansteuerelektronik integriert. Falls nicht, hat Windows ab der Version Vista dafür eine Softwarelösung.
  3. Ebenso wie bei den Magnet-Festplatten halten die Hersteller eine Anzahl Blöcke als „heimliche Reserve“ zurück. Der Zustand jedes einzelnen Blockes wird in einer Tabelle registriert. Ausgefallene Blöcke werden durch Blöcke aus der Reserve ersetzt, ohne dass der Benutzer etwas merkt.
  4. Die Steuerelektronik der SSD nutzt einen internen Cache-Speicher, um die Daten vor dem Schreiben zu sammeln.

Was bringen diese Maßnahmen für die Lebensdauer? Die Hersteller meinen, dass SSD mindestens so lange durchhalten wie mechanische Festplatten, und geben drei Jahre Garantie und mehr. Kann das sein? Beobachten Sie doch einmal die Festplattenaktivität, während Sie eine Pause machen. Windows, besonders in der Version 7, entwickelt eine nennenswerte Aktivität. Firefox beispielsweise sichert jede Sekunde die offenen Fenster, um sie nach einem Absturz wiederherstellen zu können. Da kommen eine Menge Schreib- zugriffe zusammen, selbst wenn Sie meinen, eigentlich nichts gespeichert zu haben.

Nehmen wir an, ein durchschnittlicher PC schreibt täglich 20 GB Daten pro Tag. Durch die Aktivität der Steuerung (Wear Leveling) kommen grob geschätzt 10 GB interne Schreibvorgänge dazu. Auf einer 240 GB SSD wäre nach acht Tagen jede Speicherzelle durchschnittlich einmal beschrieben worden. Wenn die Zellen 3 000 Schreibvorgänge aushalten, ergibt das eine theoretische Lebensdauer von 8 × 3 000 Tagen, etwa 66 Jahre.

Die meisten Hersteller gehen von 20 GB täglicher Schreibleistung aus und geben drei Jahre Garantie, was 20 × 365 × 3 = 21900 GB in drei Jahren ergibt, etwa 22 TeraByte. Wieviel halten die Festplatten tatsächlich aus? Der IT-Journalist Geoff Gasior hat sechs SSD-Platten verschiedener Hersteller mehr als ein Jahr lang ununterbrochen mit Schreibzugriffen „gefoltert“, bis auch die letzte „den Geist aufgegeben“ hat, siehe http://techreport.com/review/24841/introducing-the-ssd-endurance-experiment

Sein Testergebnis: Erst bei einer Schreibleistung von 700 TB (20 GB täglich über 90 Jahre) versagten die ersten beiden SSD. Bei 900 und 1200 TB starben die dritte und vierte SSD. Die fünfte SSD gab nach 2100 TB auf und die letzte bewältigte 2400 TB! Bei 20 GB täglich hätte diese SSD 330 Jahre durchgehalten. Auch wenn man bei Halbleitern mit großen Parameterschwankungen rechnen muss: An Abnutzung der Speicherzellen wird eine SSD nicht sterben.

Der Unsicherheitsfaktor dabei ist: Wie viel Daten schreibt ein durchschnittlicher PC pro Tag? 20 GB? Stammt diese Zahl von Umfragen unter Lesern von Computerzeitschriften, die ihren PC bestimmt viel intensiver nutzen als durchschnittliche Nichtleser? Arbeitet der PC intensiv mit Datenbanken auf seiner eigenen Fest- platte oder speichert er Daten in der Cloud oder auf einem zentralen Server? Für Ihren eigenen PC können Sie das leicht ermitteln: Lesen Sie die SMART-Werte aus. SMART zählt die Schreibzugriffe.

Eine SSD-Disk besteht nicht nur aus Speichermodulen. Die Steuerelektronik und deren Algorithmen sind hoch komplex, um das Wear Leveling und andere Verwaltungsfunktionen zu realisieren. Fachhändler und Datenrettungsunternehmen berichten über einen hohen Anteil an Controllerfehlern. Ein Wunder ist das nicht, die Algorithmen sind noch lange nicht ausgereift. Es gab schon Rückrufaktionen der Hersteller.

Eine Datenrettung von einer defekten SSD ist generell schwieriger als bei einer defekten Magnetfestplatte. Doch auch hier gibt es Unterschiede. Die Firma Kuert Datenrettung beispielsweise „warnt vor dem Kauf von SSDs, die mit einem Sandforce-Controller 2281 ausgestattet sind, da sich diese bei einem Controller- Defekt nur schwer bis unmöglich retten lassen. Hinzu kamen in der Vergangenheit Kinderkrankheiten und Firmware-Problematiken, die meist mit einem Datenverlust bei betroffenen Kunden einher gingen“ (Hinweis: Der Controller 2281 wird in aktuellen SSD nicht mehr verwendet).

Windows merkt sich, welche Daten Sie häufig verwenden. Die Funktionen „Prefetch“ (ab XP) und „Super Prefetch“ (ab Win 7) laden vorsorglich diejenigen Daten von der Festplatte, die Sie vielleicht benötigen werden. Bei einer SSD bringt das keinen Zeitvorteil. Wenn Sie diese Funktionen abschalten, schonen Sie Ihre SSD. Starten Sie „REGEDIT“, gehen Sie zum Schlüssel HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\Current- ControlSet\Control\SessionManager\MemoryManagement\PrefetchParameters und ändern Sie die Werte von ENABLE PREFETCHER und ENABLE SUPERFETCH auf Null.

Wenn man eine Datei löscht, werden die Daten nicht sofort überschrieben, es wird nur der freiwerdende Speicherbereich in der Belegungstabelle als verfügbar gekennzeichnet. Bei einer Magnetfestplatte kann ein freigegebener Speicherblock einfach überschrieben werden. Bei einer SSD ist das „Überschreiben“ nicht möglich. Der Block muss in einem ersten Arbeitsgang gelöscht werden, bevor er im zweiten Arbeitsgang beschrieben werden kann. Bei älteren SSDs startete der Controller eine aufwändige Aufräumaktion (die als „Garbage Collection“ bezeichnet wird) erst dann, wenn die leeren Blöcke knapp wurden. Das passiert vorzugsweise dann, wenn die SSD gerade voll beschäftigt ist.

Die SSD-Hersteller empfehlen, die Kapazität einer SSD zu höchstens 95 % auszunutzen. Andernfalls arbeitet der Controller uneffektiv, die SSD wird merklich langsamer und die Zahl der Schreibvorgänge steigt steil an. Am Besten ist es, schon beim Einrichten der SSD einen Teil der Kapazität ungenutzt zu lassen. Verwenden Sie nur 95 % der SSD für Partitionen! Der nicht partitionierte Bereich von 5 % wird vom Controller genutzt, um seine Leistung zu verbessern.

Defragmentieren von SSD-Festplatten

Eine SSD-Festplatte dürfen Sie keinesfalls defragmentieren! Es reduziert die Lebensdauer, denn die Anzahl der Schreibvorgänge ist begrenzt. Außerdem ist es völlig nutzlos, denn bei einer SSD werden die Speicher- zellen elektrisch digital adressiert (es werden keine Schreibköpfe bewegt!). Jede Speicherzelle wird gleich schnell erreicht, und somit hat eine Fragmentierung keinen Einfluss auf die Geschwindigkeit.

Windows 7 schaltet die Defragmentierung von SSD automatisch ab. Unter Windows 8 wird die Defragmentierung nun als „Optimierung“ bezeichnet und für alle Festplatten ausgeführt. Bei Magnetplatten wird tatsächlich defragmentiert. Bei SSD sendet Windows nur den TRIM-Befehl mit den Angaben, welche Blöcke endgültig gelöscht werden dürfen. Kontrollieren Sie, ob Windows die SSD als solche erkennt: Im Windows- Explorer Rechtsklick auf die SSD, „Eigenschaften“, „Tools“, „Optimieren“. Wenn unter Medientyp nicht „Solid-State-Laufwerk“ steht, sondern „Festplatte“, löst vielleicht das einmalige Ausführen der Windows-Systembewertung das Problem – zu finden unter Leistungsinformationen und -tools. Falls Sie mehrere Festplatten haben, bleibt nur das manuelle Abschalten der Optimierung: Im Windows-Explorer Rechtsklick auf die SSD ausführen, „Eigenschaften“, „Tools“, „Jetzt defragmentieren“ bzw. „Optimieren“. Alle Laufwerke werden angezeigt. Unter „Zeitplan konfigurieren“ finden Sie „Datenträger auswählen“. Falls SSDs in der Laufwerksliste auftauchen, entfernen Sie den Haken davor.

Wie schnell sind SSD?

Magnet-Platten benötigen etwa 8 ms, um die Köpfe in die gewünschte Position zu bringen. SSD haben keine bewegten Teile und erreichen Zugriffszeiten von typisch 0,2 ms.

Die höchsten Datenraten werden beim sequenziellen Lesen und Schreiben erreicht, weil bei aufeinan- derfolgenden großen Datenblöcken die Köpfe nur wenig bewegt werden. Doch die Anwender verbringen nur wenig Zeit damit, riesige Dateien zu bewegen. Bei der typischen Benutzung eines PCs sind die meisten Dateien relativ klein, großenteils 4 kByte. Mit vielen kleinen Dateien haben sowohl SSDs als auch magne- tische Platten aus unterschiedlichen Gründen Probleme: Magnetplatten wegen der Fragmentierung und SSDs wegen des oben beschriebenen aufwändigen Löschvorgangs. Deshalb ist die Leistung beim Lesen und Schreiben vieler kleiner Blöcke, die als IOPS („Input/Output Operationen pro Sekunde“) bezeichnet wird, die wichtigere Kennzahl. Eine SSD kann etwa 200 mal mehr kleine Dateien pro Zeiteinheit verarbeiten als eine Magnetplatte. Dazu trägt auch der große Cache-Speicher von typisch 0,5 bis 2 GB bei, welcher es der Elektronik erlaubt, Daten vor dem Schreiben optimal zu gruppieren. Magnetplatten müssen mit 32 bis 64 MB Cache auskommen.

SSDs auf SLC-Basis erreichten Anfang 2010 in Praxistests Leseraten zwischen 80 und 120 MByte/s. Die seitdem erreichten Fortschritte sind beachtlich: bei der Geschwindigkeit erreichen die neuesten SSDs bereits Lese-Datenraten von 600 MB/s, in M.2-Ausführung 3500 MB/s. Noch mehr ist die Schreibleistung gestiegen: bei älteren SSDs erreichte die Schreibgeschwindigkeit nur die Hälfte ihrer Leseleistung. Aktuelle SSDs erreichen beim Schreiben durchschnittlich 90 % bis 95 % ihrer Leseleistung. Der Preis ist in den letzten fünf Jahren von 1 Euro/GB auf 10 Cent/GB gefallen. Zum Vergleich: Magnetische 3,5"-Festplatten kommen im Praxistests auf 200 MB/s, Spitzenmodelle auf 250 MB/s, und sie kosten 2 Cent/GB.

Ein SATA-II-Anschluss mit 3 Gbit/s kann theoretisch 300 MByte/s transportieren. Für eine Magnetfestplatte recht das, doch für eine SSD nicht. Deshalb sollte man beim Kauf einer neuen Hauptplatine darauf achten, dass sie über SATA-III-Anschlüsse verfügt, die 600 MByte/s transportieren können. Auch bei Komplett-PCs kann es passieren, dass Anlernkräfte am Fließband die Kabel in den falschen Anschluss stecken.

Wenn man für die SSD den M.2-Anschluss benutzt, umgeht man den SATA-Flaschenhals. Wer noch mehr Leistung braucht, kauft eine PCI-Express-Steckkarte mit RAID-Controller und bestückt diese mit mehreren M.2-SSDs.

Wer noch mehr Leistung braucht, kauft eine PCI-Express-Steckkarte mit Flash-Bestückung, die vom PC wie eine Festplatte erkannt wird. Damit umgeht man den SATA-Flaschenhals.

Beim Lesen, Schreiben und Kopieren im Praxiseinsatz erreichen also die besseren SSD einen vielfach höheren Datendurchsatz als Magnetplatten. [21] Diesen Vorteil nutzt man am besten, indem man eine SSD für das Betriebssystem und häufig benutzte Anwendungen verwendet und eine zweite, magnetische Festplatte einbaut, wenn größere Datenmengen gespeichert werden müssen.

Der Startvorgang von Windows wird leider nicht im gleichen Maß beschleunigt wie andere Anwendungen. Während des Startvorgangs gibt es zahlreiche rechenintensive Vorgänge, während denen nicht auf die Festplatte zugegriffen wird. Immerhin kann man mit einer 40 % kürzeren Zeit als bei einer Magnet- Festplatte rechnen.

Energiebedarf

Moderne 3,5"-Magnetfestplatten brauchen etwa 10 W im Leerlauf und 15 W bei der Arbeit. Die neuesten 2,5"-Magnetfestplatten benötigen im Leerlauf 0,4 bis 1 Watt, im Betrieb 3 bis 4 Watt. Die SSD-Platten der Samsung 840 Familie brauchen im Leerlauf 0,046 Watt, in Betrieb 0,127 Watt.

SSDs haben einen weiteren Vorteil: Sie können es sich erlauben, in kleinen Ruhepausen in den Energiesparmodus zu schalten, denn bei Bedarf wachen sie blitzschnell auf. Magnetplatten warten deutlich länger, bevor sie den Antriebsmotor abschalten: Erstens braucht das Wiederanfahren viel Zeit und zweitens wird zum Beschleunigen viel Energie verbraucht − erheblich mehr als im Dauerbetrieb. Durch allzu häufiges Stromsparen kann der Energiebedarf sogar höher werden als im Dauerbetrieb!

Sicheres Löschen von SSD-Festplatten und USB-Sticks

Ein Teil der Speicherkapazität entfällt auf die Reservesektoren, mit denen ausgefallene Zellen ersetzt werden sollen. Der Controller bezieht mit „Wear Leveling“ auch die Reserveblöcke in den Reihum-Abnutzungs-Prozess mit ein. Dadurch gelangen Dateifragmente in den Reservebereich. Wenn der Benutzer den „sichtbaren“ Bereich löscht, bleiben Fragmente im Reservebereich erhalten, die wiederhergestellt werden könnten, wenn auch mit einem nicht unbeträchtlichen Aufwand. Deutlich gesagt: Ein zuverlässiges, voll- ständiges Löschen ist auch durch mehrfaches Überschreiben nicht möglich. Doch neue SSDs haben einen Befehl „Secure Erase“ im Befehlssatz, der von manchen Tools benutzt wird. Einige Hersteller liefern zu ihren SSDs passende Tools mit aus. Andernfalls können Sie z. B. für 29,90 Euro das Programm „SafeErase“ von „O & O“ kaufen. Es löscht Festplatten, Speichersticks und auch moderne SSD-Platten.

Hybrid Hard Drive

Ein besseres Verhältnis zwischen Preis und Kapazität haben Hybrid-Festplatten, auch „Hybrid Disk“ oder „Hybrid Hard Disk“ (HHD) oder Solid-State-Hybrid-Disk (SSHD) genannt. Es handelt sich dabei um die Kombination einer großen Magnetplatte mit einer kleineren SSD-Platte, wobei der SSD-Teil als Cache-Speicher für die Magnetplatte dient. Wenn der Cache groß genug ist und wenn die Cache-Algorithmen optimal funktionieren, hat man zwei Vorteile:

  • Das Hochfahren wird deutlich beschleunigt, sofern die beim vorhergehenden Hochfahren benutzten Dateien großenteils noch im SSD-Cache verblieben sind. Auch andere Routinevorgänge werden beschleunigt. Seagate gibt an, dass die dritte Generation der SSHD den PC um 30 % beschleunigt.
  • Wenn Sie wenig Daten erzeugen (z. B. wenn Sie einen längeren Text eintippen), werden die Daten zunächst in den Flash-Speicher geschrieben, während die Festplatte geparkt ist. Erst wenn dieser voll ist, läuft die Festplatte an, übernimmt die Daten und schaltet wieder ab. Das könnte die Batterielaufzeit verlängern. Allerdings erfordert das Anlaufen der Festplatte mehr Energie als der Dauerbetrieb, was den Vorteil relativiert. Wie oft aber tippen Sie einen langen Text? In praktisch relevanten Einsatzbedingungen sind die Vorteile gering, deshalb sind Notebooks mit diesen Festplatten noch selten.

Weil das Stromsparen in Notebooks wichtig ist und weil bei den langsamen 2,5" Festplatten ein Geschwindigkeitsgewinn besonders deutlich ist, wurden SSHD vor allem in Notebooks verwendet.

Wenn es klappen würde, dass die Festplatte die meiste Zeit stillsteht, wäre die Stromersparnis und der Gewinn an Geschwindigkeit beträchtlich. Allerdings war bei den Hybrid Disk der ersten Generation (2008) der Flash-Speicher mit meist 256kB noch zu klein. Wenn die von Windows und der Anwendung ständig benötigte Datenmenge nicht vollständig in den Puffer hineinpasst, kann der Antrieb nicht ausgeschaltet werden und die erwarteten Vorteile traten nicht ein. [22][23]

Bei den ersten Generationen von SSHD war der SSD-Teil noch zu klein und die Cache-Algorithmen waren nicht ausgereift. Seitdem sind Flash-Chips billiger geworden. Seagate hat einen weiteren Anlauf gestartet und produziert eine neue Generation Hybrid-Festplatten: Der Flash-Speicher ist 8 GB groß, die Magnetplatte hat 1, 2 oder 4 TB Kapazität. Auch ein Cache von 64 MB ist vorhanden. Der Flash-Speicher wird von einem „Adaptive Memory“-Chip verwaltet. Der Chip lernt, welche Dateien häufig benötigt werden und hält diese in den Speicherchips vorrätig. Das beschleunigt Lesevorgänge ungemein. Adaptive Memory funktioniert ohne Treiber und unabhängig vom Betriebssystem. Nun wird ein Gewinn an Geschwindigkeit zwischen 5% und 33% erreicht. [24]

Diese SSHDs sind nur etwa 10 bis 20 € teurer als normale Festplatten und bringen einen kräftigen Geschwindigkeitsschub. Wenn das Notebook nur Platz für eine einzige Festplatte hat, ist eine SSHD eine gute Wahl. Wer die maximale Geschwindigkeit will, benutzt eine SSD für das Betriebssystem und eine große Magnetfestplatte für Datenmassen. Doch das ist deutlich teurer.

Das schnelle M.2 Interface

Die modernsten SSD-Festplatten können Daten mit 6 Gbit/s liefern und lasten damit bereits heute das SATA-6Gb/s-Interface voll aus. Deshalb gibt es gegenwärtig drei Lösungen für höhere Geschwindigkeiten.

  • Die Flash-Speicherchips werden auf eine PCI-Express-Karte montiert. In der aktuellen PCIe Version 3.0 kann eine PCIe x16 Schnittstelle (wie sie z. B. für Grafikkarten genutzt wird) 15,7 GByte/s pro Richtung transportieren, während modernste SSD eine Leseleistung von 550 MByte/s erreichen. Ein PCIe x4 Steckplatz bewältigt 3,9 GByte/s, sogar PCIe x1 wäre schnell genug.
  • Die Konzepte von SATA und PCIe sind sehr ähnlich. So wie man mehrere PCIe-Lanes parallel betreiben kann, ist das auch für SATA möglich. Ein „SATA Express“ Anschluss bündelt die Leistung von zwei SATA Anschlüssen mit je 6 Gbit/s. Die resultierenden 1,2 GByte/s sind etwas mehr als doppelt so viel wie die Leseleistung von üblichen SSD.
  • Ein neuer Standard M.2 für interne Erweiterungskarten (früher als Next Generation Form Factor bezeichnet) ist für Massenspeicher und andere Steckkarten konzipiert. Solche M.2 Anschlüsse sind auf vielen Hauptplatinen und in vielen Notebooks verfügbar. Aktuelle M.2 SSD, z.B. die „Samsung 970 EVO“ lesen 3300 MB/s.

SSD-Speicher mit M.2-Interface kommen ohne Gehäuse aus. Das ist einen Vorteil besonders für Notebooks: Es wird wenig Platz gebraucht, um einen SSD-Speicher unterzubringen. Der voluminöse Einbauschacht für eine herkömmliche 2,5" Festplatte kann eingespart werden oder er wird für eine zweite Festplatte genutzt.

Es gibt zwei Arten M.2-Steckplätze (Slots) auf der Hauptplatine. Jeder Steckplatz bietet ein SATA-Express-Interface (6 Gbit/s) und zusätzlich einige PCIe Lanes (Kanäle): M.2 Typ B hat 2 PCIe-Kanäle, Typ M hat 4 Kanäle. Der Hersteller eines M.2 Speichers kann wählen, welche Anschlüsse er nutzen will: SATA oder PCIe x2 oder PCIe x4. In der Version 3.0 kann PCIe x4 (theoretisch) 32 Gbit/s übertragen, PCIe x2 immerhin 16 Gbit/s. SATA mit 6 Gbit/s ist weit abgeschlagen. Mit einem Mehrkanal-SSD-Controller kann die Bandbreite (die Übertragungskapazität) von 32 Gbit/s tatsächlich ausgenutzt werden.

Im Herbst 2020 hat Samsung die SSD 980 PRO mit einem PCIe 4.0 Interface auf den Markt gebracht. Sie kann Daten mit 7000 Mbit/s (etwa 7 GByte/s) lesen. Das reicht bis an die Grenzen einer Hauptplatine, die schon PCIe 4.0 beherrscht: Sie kann über ein M.2 Interface Typ M mit 4 Kanälen 7,8 GByte/s empfangen oder senden.

Allerdings sind die verfügbaren Produkte noch nicht ganz ausgereift. Es wäre toll, eine schnelle SSD-Platte an ein M.2 Interface direkt auf der Hauptplatine anzustecken − doch prüfen Sie vor dem Kauf, ob die Hauptplatine imstande ist, von der gewünschten M.2-SSD zu booten.

Wollen Sie mehr über SSD wissen?


NAS


Eine externe Festplatte wird an einen PC angesteckt und ermöglicht nur diesem einen PC den Zugriff auf die Daten. Doch wenn die Daten von mehreren PCs gebraucht werden? Die externe Festplatte ständig von einem zum anderen PC zu tragen ist keine brauchbare Lösung.

Gemeinsam genutzte Daten könnte man auch auf der Festplatte eines der PCs im Netzwerk ablegen. Dann könnten alle PCs des Netzwerks darauf zugreifen. Dieser PC müsste allerdings stets als erster PC eingeschaltet und als letzter PC heruntergefahren werden. Angenommen, der PC braucht 100 Watt an 16 Stunden täglich, so ergibt das pro Jahr eine Stromrechnung von 175 Euro, einen hohen Verschleiß des PC sowie ständigen Lüfterlärm.

Network Attached Storage, abgekürzt NAS, ist ein Netzwerkspeicher für die gemeinsame Nutzung durch mehrere PC. Die kleineren Geräte mit einer Festplatte sind nicht viel größer als ein dickes Buch. Im Prinzip handelt es sich um einen kleinen Fileserver. Kleine NAS brauchen etwa 10 Watt (das macht 20 Euro pro Jahr). Diese Mini-PCs brauchen weder Tastatur noch Maus und auch keinen Bildschirm, sie werden über den Webbrowser eines der angeschlossenen PCs konfiguriert. NAS haben außer einem Einschalter keine Bedienelemente. Daher kann man sie in jede Ecke stellen, wo ihr geringes Betriebsgeräusch nicht stört.

NAS sind optimal für eine Familie mit mehreren Computern oder eine kleine Firma geeignet, wenn mehrere PCs unabhängig voneinander auf gemeinsame Daten zugreifen sollen, z. B. Fotos, Musik oder Videos. Der Benutzer kann seine Dateien in Ordnern oder Partitionen ablegen. Außer bei sehr wenigen Einstiegsgeräten gibt es eine Benutzerverwaltung mit der Möglichkeit, Zugriffsrechte zu vergeben. Oft können die Daten verschlüsselt werden. Manche Geräte unterstützen Streaming Media (Web-Radio und Web-TV). Manchmal ist ein USB-Anschluss für einen gemeinsamen Drucker oder für den Anschluss einer externen Festplatte vorhanden.

NAS für den Heimgebrauch sind auf geringen Stromverbrauch und günstigen Preis optimiert. Die meisten Geräte haben einen Gigabit-Netzwerkanschluss, der theoretisch 100 MByte/s transportieren könnte. Realistisch kann ein Gigabit-Netzwerk nur 40 MByte/s erreichen. Doch in preiswerten NAS werden leistungsschwache Prozessoren verbaut. Wenn gar noch mehrere PCs gleichzeitig auf die Daten zugreifen, kann der Datendurchsatz eines NAS auf weniger als 10 MByte/s sinken. Um Musik oder Filme abzuspielen, ist auch das noch ausreichend. Doch das Kopieren größerer Dateien kann nervtötend lange dauern. Vergleichen Sie: Eine externe USB-2.0-Festplatte schafft 40 bis 60 MByte/s, eine interne SATA-Festplatte erreicht 150 bis 300 MByte/s.

Einige DSL-Router, wie z. B. die neueren Fritz!Boxen, haben einen USB-Anschluss, an den man eine externe Festplatte anstecken und als NAS-Gerät nutzen kann. Eine prima Idee! Kontrollieren Sie aber, ob sich die Festplatte rund um die Uhr dreht, auch wenn niemand darauf zugreift. Für deren Lebensdauer ist das gar nicht gut. Ist das bei Ihrem Routern so? Wird es ein Software-Update geben? Eine externe SSD-Festplatte wäre die Lösung: Die hat einen geringen Energiebedarf und verschleißt nicht, wenn sie 7 × 24 Stunden eingeschaltet ist. Auch ein USB-Stick größerer Kapazität wäre geeignet, wenn eine Speicherkapazität von 128 GB (für 15 Euro) genügt.

Eine interessante Idee ist es, ein NAS-Leergehäuse zu kaufen. Dann können Sie die Festplatten selbst aussuchen. Wenn sie in einigen Jahren zu klein werden, können Sie diese gegen größere auswechseln oder das NAS-Gehäuse mit zusätzlichen Festplatten bestücken, denn manche Gehäuse haben Platz für vier Festplatten. Nehmen Sie 24×7 Festplatten, die Dauerbetrieb aushalten (oder sind Sie sicher, dass Ihr NAS die Festplatten bei Nichtbenutzung parkt?). Sie sollten leise, energiesparende Festplatten mit 5400 U/min bevorzugen. Diese erreichen beim Lesen um die 100 MByte/s – mehr als ausreichend. Schnellere Festplatten wären Verschwendung von Geld und Energie.

Mit zwei oder mehr gleich großen Festplatten kann man einen RAID-Verbund konfigurieren. Die Hersteller werben mit der dadurch angeblich erheblich größeren Ausfallsicherheit. Doch Festplattenausfälle sind relativ selten. Schäden am Dateisystem durch Stromausfälle, versehentliches Löschen von Dateien und Ordnern und Schäden durch Computerviren sind viel häufiger die Ursache für Datenverluste. Nach Aussagen von Händlern und Datenrettern ist ein Ausfall des Controllers häufiger als der Ausfall einer Festplatte. Gegen einen Controllerausfall hilft ein RAID-System nicht.

Was tun, wenn die NAS-Elektronik defekt ist? Solange Sie noch Garantie haben, können Sie das defekte Gerät einschicken und Sie erhalten ein neues Gerät, allerdings ohne Ihre Daten. Sie sollten vorher Ihre Daten retten. Wenn Sie Glück haben, können Sie die Festplatte herausnehmen, in einen PC stecken und lesen. Das oft zur Speicherung verwendete Linux-Dateisystem EXT2, EXT3 oder EXT4 lässt sich lesen, wenn Sie den PC mit einer Linux-Rettungsdiskette booten. Doch manche Hersteller verwenden ein proprietäres (herstellereigenes) Dateisystem, um einen höheren Datendurchsatz zu erreichen. Das Problem damit: Niemand außer dem Hersteller kann Ihre Daten retten, wenn die NAS-Elektronik defekt ist. Und die Datenrettung beim Hersteller könnte Sie mehr als tausend Euro kosten. Wenn Sie gewaltiges Glück haben, hat Ihr Händler noch ein baugleiches Gerät im Regal stehen.

Was kann ich Ihnen empfehlen? Verzichten Sie auf ein NAS-System mit gespiegelten Festplatten. Kaufen Sie besser ein NAS mit nicht gespiegelter Festplatte und für das übrig gebliebene Geld eine große externe Festplatte für die Datensicherung. Machen Sie von Zeit zu Zeit eine Kopie Ihres NAS-Systems und anderer wichtiger Daten. Oder machen Sie regelmäßig eine Sicherheitskopie auf einen der Netzwerk-PCs, der noch genügend freien Platz auf seiner Festplatte hat. So kombinieren Sie die Vorteile eines NAS-Systems mit der Gewissheit, auch bei Stromausfällen, Angriffen eines Verschlüsselungstrojaners und anderen Datenunfällen nicht ohne Ihre Daten dazustehen.

Für alle RAID-Systeme, auch wenn sie als NAS-System realisiert sind, gilt gleichermaßen: Gespiegelte Festplatten schützen nicht vor allen Gefahren. Auf ein regelmäßiges Backup darf nicht verzichtet werden!

Ihre interne Festplatte ist zu klein und Sie wollen deren Kapazität mit einem NAS-System erweitern? NAS ist für diesen Zweck noch weniger geeignet als eine externe Festplatte. Eine externe Festplatte am eSATA-Anschluss erreicht 100 MB/s, und selbst ein USB 2.0 Anschluss liefert die Daten deutlich schneller als ein einfaches NAS-System. Außerdem ist ein NAS-System erheblich teurer als eine externe Festplatte. Deshalb wäre es unvorteilhaft, eine zu klein gewordene interne Festplatte mit einem NAS zu ergänzen. Die interne Festplatte sollte groß genug sein, dass sämtliche Programminstallationen und die wichtigsten Daten darauf Platz finden.

Externe Festplatten und NAS-Systeme sollten der optimale Speicherplatz für große Multimedia-Dateien sein.

CD und DVD


Vergangenheit und Zukunft

CD

Die CD (Compact Disc) wurde von Philips und Sony zu einer Zeit entwickelt, als man Musik noch auf Vinyl-Schallplatten kaufte. Die Musik-CD sollte die Schallplatte ablösen. Um Entwicklungskosten zu sparen, orientierten sich die Entwickler an der Schallplatte. Die ­Spirale ist geblieben, nur die Windungen sind näher zusammengerückt. Auch die Herstellung der Platten ist geblieben: Es werden Vertiefungen in die Scheibe gepresst. Im Unterschied zur Vinyl-Platte wird die Musik digital gespeichert. Die Abtastung erfolgte berührungslos mit Laser statt mit einer kratzenden Nadel. Die Musik-CD kam 1983 auf den Markt.

Die Idee war naheliegend, die CD-Laufwerke auch für Daten zu nutzen. Allerdings kamen auf Musik-CDs kleine Datenfehler vor. Beim Anhören von Musik stört es kaum, wenn für weniger als eine tausendstel Sekunde der Ton nicht stimmt. Für die Sicherheit von Daten sind die Anforderungen höher. Deshalb wurden zusätzliche Fehlerkorrekturmethoden entwickelt. 1982 wurden die ersten CD-ROM-Laufwerke auf Messen gezeigt. Anfangs kostete solch ein Nur-Lese-Laufwerk über 1000 DM. 1992 konnte man die ersten CD-Brenner für 22 000 Mark[25] kaufen, ein einzelner Rohling kostete 20 bis 50 Mark. Bei der kleinsten Störung war ein Rohling wegen „Buffer-Underrun“ hinüber. Stellen Sie sich den Ärger vor!


DVD

Für Filme, Lexika, Routenplaner und andere große Datenmengen reichte die Kapazität eine CD-ROM bald nicht mehr aus. Die Digital Versatile Disc (etwa digitale vielseitige Disk) kurz DVD wurde entwickelt. „Vielseitig“ deshalb, weil sie gleichermaßen für Daten, Musik und Videos geeignet ist. Die ersten DVD-Laufwerke kamen 1996 in den Handel. 1999 wurden die ersten DVD-Brenner für 2500 DM verkauft. Im Laufe der Jahre sind die Preise gefallen. Im Jahr 2022 kostet ein DVD-Brenner mittlerer Qualität 15 Euro, externe Brenner mit USB-Anschluss gibt es ab 25 Euro.

Blu-Ray

Inzwischen ist die Speicherkapazität von DVDs nicht mehr für alle Zwecke ausreichend. Das alte analoge Fernsehbild (Auflösung 720 × 576) kam mit weniger als einer halben Million Bildpunkte aus, der hochauflösende Fernsehstandard HDTV (Auflösung 1920 x 1080) hat 2 Millionen Bildpunkte pro Bild. Das ist die fünffache Datenmenge des analogen Bildes. Für einen Spielfilm in hoher Qualität ist eine DVD zu klein.

Auch bei dieser Entwicklung gab es einen Wettbewerb um die beste technische Lösung. Es entstanden zwei etwa gleichwertige Technologien: Blu-ray (der „blaue Lichtstrahl“) und HD-DVD („High Density DVD“, hochauflösende DVD). Seit 2006 gab es Laufwerke und Filme in beiden Formaten zu kaufen. Nachdem immer mehr Filmstudios vom HD-DVD-Lager zu Blu-ray gewechselt sind, hat Toshiba am 20. Februar 2008 offiziell den Stopp der HD-DVD-Produktion verkündet. Allerdings gibt es inzwischen zahlreiche Filme, die auf HD-DVD erschienen sind. Die Firma LG hat als erste einen Kombi-Brenner angeboten: Eine Technik namens „Super Multi Blue“ liest und schreibt BD, DVD+, DVD-, DVD-RAM und CD, zusätzlich werden auch HD-DVD gelesen. Mit diesem oder vergleichbaren Geräten ist man für alles gerüstet.

Beachten Sie: Damit BD-Filme nicht kopiert werden können, sind sie verschlüsselt. Um Filme ansehen zu können, müssen Grafikkarte und Bildschirm die Kopierschutztechnik „HDCP“ beherrschen und digital verbunden sein (per DVI, Displayport oder HDMI).

Die BD-Scheiben haben eine Kapazität von 25 GB. Mit mehreren übereinandergelegten Schichten wächst die Kapazität entsprechend. Es gibt zweilagige Scheiben mit 50 GB und vierlagige mit 100 GB Kapazität. Blu-Ray-Brenner kosten etwa 80 €. Nur unwesentlich weniger, etwa 70 €, kosten DVD-Brenner, die BD nur lesen, aber nicht schreiben können.


Funktionsprinzip

Querschnitt einer CD. Die Laserabtastung erfolgt von unten.
Beschreibbare DVD im Querschnitt (Single Layer)

Ob CD, DVD, Blu-Ray-Disk oder HD-DVD - all diese Datenträger funktionieren nach dem gleichen Prinzip, lediglich die Abstände der Bits unterscheiden sich. Der Datenträger besteht aus mehreren Schichten.

  • Bei der industriellen Fertigung wird, ebenso wie bei der Fertigung von Schallplatten, eine genaue Musterscheibe hergestellt, die als Druckstempel oder Gießform verwendet wird. Die Vertiefungen werden Pits (dt.: Gruben) genannt, die verbleibende ebene Fläche zwischen den Pits heißt Land. Das Muster wird auf eine Aluminiumschicht übertragen, die als Reflexionsschicht dient. Glasklares Polycarbonat dient als Schutzschicht. Beim Lesen wird die Oberfläche der Aluminiumschicht mit einem Laser abgetastet. Von der glatten Oberfläche (Land) wird er reflektiert, an den Pits wird der Laserstrahl zerstreut. Das reflektierte Licht wird von einer Photodiode ausgewertet.
  • Bei beschreibbaren Rohlingen besteht die reflektierende Schicht aus einem wärmeempfindlichen Material. Durch Erhitzen der Schicht mit einem Laser wird punktweise die Farbe verändert.

Die Spirale verläuft von innen nach außen, dadurch ist die Verzeichnisstruktur der CD am Spurbeginn bestmöglich geschützt. Sind wenig Daten auf der Scheibe, bleibt der äußere Teil ungenutzt. Dadurch ist es möglich, kleinere CDs mit 8 cm Durchmesser herzustellen. Zu Werbezwecken werden sogar CDs in rechteckiger Form hergestellt, in der Größe von Kreditkarten oder noch kleiner. Mini-CDs und Kreditkarten-CDs lassen sich nur in waagerecht liegende Laufwerke einlegen. Falls Ihr optisches Laufwerk senkrecht eingebaut ist und Sie eine Mini-CD lesen wollen, müssen Sie Ihren PC zeitweilig auf die Seite legen. Denken Sie daran: Ein PC mit Magnetfestplatte darf er nicht bewegt werden, solange er eingeschaltet ist!!

Industrielle Fertigung

Bei der industriellen Fertigung wird, ähnlich wie bei der Fertigung von Schallplatten, eine genaue Musterscheibe aus Glas hergestellt. In einer Hochdruckpresse wird die Form mit der Musterscheibe mit flüssigem Polycarbonat ausgegossen. Die Oberfläche der CD wird mit einer reflektierenden Metallschicht überzogen. Das Metall (Aluminium oder Silber, selten Gold) wird von einer Lackschicht vor Kratzern und Korrosion geschützt. Weil Gold nicht korrodiert, kann eine lange Haltbarkeiten erreicht werden (bis 300 Jahre).

Beschreibbare Datenträger

Bei beschreibbaren Rohlingen besteht die Datenschicht aus einem polykristallinen ­reflektierenden Material. Zum Schreiben wird der Laser auf höchste Leistung geschaltet und erhitzt die Schicht punktweise auf 500 bis 700 °C. Dadurch verflüssigt sich das Material für einige Mikrosekunden. Während der Abkühlphase geht der geschmolzene Bereich in einen amorphen, schlecht reflektierenden Zustand über und verliert das Reflexionsvermögen. So entsteht auf dem hellen Untergrund ein Bitmuster aus dunklen „Brandflecken“.

Weil das Beschreiben von Rohlingen mit Hitze verbunden ist, nennt man den Vorgang „Brennen“. Auch das Laufwerk, der „Brenner“, heizt sich auf und beginnt sich durch Wärmeausdehnung zu verformen. Für handelsübliche Brenner wird empfohlen, nicht mehr als zwei bis maximal drei CDs oder DVDs nacheinander zu brennen, sonst könnte die Qualität der nächsten Scheiben minderwertig sein. Gönnen Sie Ihrem Brenner danach mindestens 30 Minuten Abkühlpause, damit er keinen Schaden nimmt.

Wie wird ein mehrmals beschreibbarer Datenträger gelöscht? Durch gleichmäßiges Erwärmen der gesamten Fläche mit einem schwachen Laserstrahl auf „nur“ 200 °C kehrt das Material wieder in den kristallinen, gut reflektierenden Zustand zurück. Danach verfügt die gesamte Schicht wieder über gleichmäßige Reflexionseigenschaften und ist bereit, ein weiteres Mal beschrieben werden (mit 500 °C oder mehr). Löschen eines Teils der Scheibe ist nicht möglich.

Buffer-Underrun

Ein Stoppen und erneutes Starten des Brennvorgangs war früher nicht möglich und führte zum Verlust des Rohlings. Deshalb hat jeder Brenner einen Cache (einen RAM-Puffer), um kleine Schwankungen des Datennachschubs auszugleichen. Kommt es bei hoher Prozessorauslastung trotzdem zum Abreißen des Datenstroms, nennt man das einen „Buffer Underrun“. Inzwischen haben vermutlich alle Brenner eine „Buffer-Underrun-Protection“, die je nach Hersteller als BurnProof, SafeBurn, JustLink o. ä. bezeichnet wird. Dabei wird die Drehzahl verringert, sobald der Füllstand des RAM-Puffers nachlässt, oder es wird eine Lücke geschrieben. Ob sich ein dermaßen geretteter Rohling später in jedem Gerät abspielen lässt oder ob es zu Wiedergabe-Aussetzern führt, ist unklar.

Prophylaktisch sollten Sie dem PC während des Brennens keine weiteren Höchstleistungen abverlangen. Und wenn Sie die maximal mögliche Brenngeschwindigkeit nur zur Hälfte ausnutzen, braucht der Brenner nur halb soviel Daten pro Sekunde. Außerdem trifft dann der Laser den Rohling mit größerer Präzision. Das erhöht die Lebensdauer der gebrannten Daten.

Was bedeuten die Bezeichnungen auf den Verpackungen von CD und DVD Rohlingen?

  - alle CD-Formate, die DVD-Formate vom DVD-Forum und Blu-ray
  + alle DVD-Formate von der konkurrierenden DVD-Alliance
  ± alle DVD-Formate
  R Recordable, d. h. beschreibbar (aber nur einmal)
  ROM Read Only Memory, d. h. nur lesbar
  RW Rewritable, d. h. wiederbeschreibbar (gewöhnlich etwa 30 mal)
  RAM Random Access Memory, d. h. direktes Schreiben und Lesen wie auf Festplatte
  DL Dual Layer, d. h. zwei Datenschichten pro Seite

Was für Scheiben gibt es?

  • Die Scheibe heißt CD, wenn sie Musik enthält und in einem CD-Player abspielbar ist.
  • Eine industriell beschriebene Datenscheibe mit unveränderlichen Daten heißt CD-ROM (Compact Disk – Read Only Memory) bzw. DVD.
  • Einmalig beschreibbare Scheiben: Die CD-R, DVD-R und DVD+R
Die organische Farbschicht wird punktweise auf 500 bis 700 Grad Celsius erhitzt. Dadurch entsteht ein Bitmuster aus dunklen Punkten auf dem unveränderten hellem Untergrund.
  • Mehrfach (aber nur im Ganzen) beschreibbare Scheiben: Die CD-RW, DVD-RW und DVD+RW
Durch gleichmäßiges Erwärmen der gesamten Fläche auf „nur“ 200 Grad Celsius kehrt das Material in seinen Urzustand zurück. Die gesamte Schicht verfügt wieder über gleichmäßige Reflexionseigenschaften und kann erneut gebrannt werden. Das Löschen eines Teils der Scheibe ist nicht möglich.
  • Mehrfach, auch partiell beschreibbare Scheiben: Die DVD-RAM
Jeder Sektor lässt sich einzeln, unabhängig von anderen, löschen und beschreiben.

Wie schnell muss ein Laufwerk sein?

Die CDs wurden ursprünglich für die Speicherung von Musik entworfen. Auf jeden Zentimeter der Spur passt die gleiche Musikdauer. Weil aber die äußere Spur etwa 2,5 mal länger als die Innenspur ist, muss die Drehzahl variieren, um eine gleichmäßige Datenübertragungsrate zu erreichen. Das Abspielen einer Audio-CD beginnt innen mit 520 Umdrehungen pro Minute. Der Lesekopf bewegt sich ganz gemächlich auf seiner Spur nach außen. Dabei verringert sich die Drehzahl allmählich bis auf etwa 210 U/min.

Als Maß für die Geschwindigkeit gilt die „einfache Geschwindigkeit”. Sie wird anhand der Datenübertragungsrate festgelegt:

  • Eine Musik-CD liefert 150 kByte/s,
  • eine Film-DVD bringt es auf 1350 kByte/s (das ist das 9-fache einer Musik-CD)

Ein DVD-Laufwerk mit 4-facher Geschwindigkeit liefert die Daten also ebenso schnell wie ein CD-ROM-Laufwerk mit 4 x 9 = 36-facher Geschwindigkeit.

Handelt es sich aber um eine Datenscheibe, soll der Lesekopf möglichst schnell die gewünschte Position erreichen. Im Mittel braucht der Kopf 50 bis 100 ms, um die gewünschte Spur zu erreichen. Die Scheibe dreht rasend schnell, um eine hohe Datenrate zu erreichen. Es werden Drehzahlen bis 10.000 U/min erreicht, was einer Umfangsgeschwindigkeit von 225 km/h entspricht. Zum Vergleich: Ein Automotor erreicht bei Vollgas im Leerlauf etwa 7.000 rpm (rotation per minute, deutsch: Umdrehungen pro Minute). Wie gut, dass die Scheiben außen keine Sägezähne haben und sich die Schublade normalerweise erst öffnet, wenn die Scheibe stillsteht!

Warum sind so hohe Geschwindigkeiten nötig?
Um ein neues Programm zu installieren, muss das Laufwerk nicht besonders schnell sein. Wenn Sie aber eine DVD mit einem Lexikon, einem Telefonbuch oder einem Routenplaner einlegen, wird Ihnen auch ein schnelles Laufwerk die Daten möglicherweise nicht schnell genug lesen. Wenn Sie massig Platz auf der Festplatte haben, kann man bei vielen Programmen während der Installation wählen, ob die Daten von der DVD (fast) komplett auf die Festplatte kopiert werden sollen.

Für jede Sorte Rohlinge hat der Hersteller eine maximale Schreibgeschwindigkeit festgelegt, die auf der Verpackung aufgedruckt und auf dem Rohling kodiert ist. Der Brenner liest diese Info und prüft dann, ob der Rohling tatsächlich dieser Geschwindigkeit gewachsen ist, indem er in einem reservierten Bereich am Innenrand ein paar Probe-Zentimeter brennt.

Bei einem Brenner lohnt es selten, den hohen Preis für den schnellsten verfügbaren Brenner zu zahlen. Der zweitschnellste Brenner ist deutlich günstiger und reicht vermutlich auch. Ein DVD-Brenner mit 4x Geschwindigkeit braucht 15 Minuten für eine volle DVD, mit 8x noch 8 Minuten, mit 16x noch 6 Minuten. Rohlinge, die mit den hohen Brenngeschwindigkeiten klarkommen, sind teurer. Berücksichtigen Sie auch, dass die Brenner ihre Höchstgeschwindigkeit nur im letzten (äußeren) Drittel erreichen. Wenn die Scheibe nur halb voll ist, sind die Unterschiede gering.

Ein externer Brenner ist nur dann sinnvoll, wenn Sie ihn tatsächlich im Wechsel für mehrere PCs verwenden wollen. Einbau-Laufwerke sind billiger (weil das Gehäuse und das Netzteil wegfallen) und schneller: Die USB-Schnittstelle schafft eine Datenübertragungsrate von 40 bis 45 MByte/s, interne Schnittstellen je nach Typ von 100 MB/s bis 300 MB/s.

Beschriftung oder Aufkleber?

CD und DVD nicht mit Kuli beschriften oder mit harten Gegenständen misshandeln! Die Oberfläche ist sehr empfindlich! Beschriftung mit einem CD-Marker ist optimal. Faserschreiber von Markenherstellern sind ebenfalls geeignet. Neue Techniken wie „Lightscribe“ oder „Laserflash“ verwenden den vorhandenen Laser. Nach dem Brennen der Daten wird die Scheibe gewendet, damit der Laser die Beschriftung in die Oberseite brennen kann. Das geht aber nur einfarbig, wenn auch mit 256 Helligkeitsabstufungen. Bei hohen Ansprüchen an die Beschriftungsqualität gibt es spezielle beschichtete Rohlinge, die etwas teurer sind und die in vielen neueren Tintendruckern bedruckt werden können.

CD-Aufkleber sind aus mehreren Gründen nicht empfehlenswert:

  • Bei der hohen Drehzahl sind selbst kleine Unwuchten kritisch und können die CD unlesbar machen.
  • Alterung oder Hitze können zu Luftblasen unter dem Label führen. Wird die Blase zu hoch, stößt sie mit dem Laser zusammen, der bei der hohen Drehzahl zerstört oder dejustiert wird.
  • Das Label kann sich ablösen und dabei das Laufwerk beschädigen. Besonders bei Hitze (im Auto!) ist die Gefahr groß.

Ein Aufkleber auf einer DVD ist noch weniger ratsam als auf einer CD. Die sechsfach höhere Datendichte macht die DVD deutlich empfindlicher gegen Unwuchten als eine CD.

  • Die Scheibe erwärmt sich im Laufwerk. Wegen der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Papier und Plaste verzieht sie sich.

Der Unterschied zwischen CD, DVD, Blu Ray und HD-DVD

Der wesentliche Unterschied betrifft die Abstände zwischen den Spuren sowie ­zwischen den Bits innerhalb der Spur. Eine DVD hat im Vergleich zur CD einen halb so großen Abstand ­zwischen den Spuren sowie den halben Abstand der Bits innerhalb der Spur, wodurch die höhere Kapazität erreicht wird. Blu-ray hat noch kleinere Abstände zwischen den Pits und den Spuren. Die DVD-Laser können den Strahl nicht klein genug bündeln, nur kurzwellige, blaue Laser sind dazu in der Lage. Andererseits ist der Lichtpunkt des blauen Lasers zu klein für die „groben“ Strukturen von CD und DVD. Deshalb hat jedes Blu-ray-Laufwerk einen zweiten Laser für CD und DVD.

Nutzbare Kapazität

CD 0,64 GB einseitig einschichtig
CD 0,70 GB einseitig einschichtig
CD 0,80 GB einseitig einschichtig
DVD-RAM 4,70 GB einseitig einschichtig
DVD-5 4,70 GB einseitig einschichtig
DVD-9 8,50 GB einseitig zweischichtig
DVD-RAM 9,40 GB beidseitig einschichtig
DVD-10 9,40 GB beidseitig einschichtig
DVD-18 17,00 GB beidseitig zweischichtig
DVD-plus 5,38 GB Hybrid 1 Schicht
Blu-ray 25 GB einseitig einschichtig
Blu-ray 50 GB einseitig zweischichtig
Blu-ray 100 GB einseitig vierschichtig

Die Kapazität einer CD-ROM beträgt 640, 700 oder 800 MB, was einer Musik-Abspielzeit von 72, 80 oder 99 Minuten entspricht. Die heute üblichen CD-Rohlinge haben meist eine Kapazität von 700 MB = 80 Minuten Musik.

Eine einfache DVD (DVD-5) hat eine Kapazität von 4,7 GB. Es gibt zwei Möglichkeiten, die Kapazität zu erhöhen: Zwei Schichten übereinander und/oder Benutzung von Ober- und Unterseite.

Beidseitige DVDs werden im Presswerk aus zwei einseitigen DVDs zusammengeklebt. Zum Lesen beider Seiten muss die DVD gewendet werden. Beidseitig beschreibbare Rohlinge gibt es nicht, sie waren im Standard nie vorgesehen gewesen.

Bei einer zweischichtigen DVD (Dual Layer) liegen auf einer oder beiden Seiten je zwei Aufzeichnungsebenen übereinander. Zum Abtasten der zweiten Ebene wird der Laser schräg gestellt, um durch die Lücke zwischen den oberen Spuren auf die untere Ebene zu blicken. Die untere, versteckte Schicht hat nur eine reduzierte Kapazität von 3,8 GB, plus 4,7 GB der oberen Schicht ergibt 8,5 GB pro Seite.

Haben Sie schon einmal durch einen Maschendrahtzaun fotografiert? Wenn man nah genug am Zaun ist, sieht man die Maschen nicht auf dem Foto. Ähnlich funktionieren mehrschichtige Datenträger. Bei Blu-ray ist der Laser äußerst dicht an die Scheibe herangerückt, so kann er sehr genau auf die gewünschte Lesetiefe eingestellt werden. Außerdem wird der Laser schräg gestellt. Der Hersteller Pioneer testet BDs (Blu-ray-Disks) mit 16 übereinander gestapelten Schichten.

Ein interessantes Detail zu den Dual Layer DVD: Wenn es sich um eine Daten-Disk handelt, werden beide Schichten von innen nach außen gelesen. Bei einer Video-DVD wird die äußere Schicht von innen nach außen gelesen und dann die innere Schicht von außen nach innen, um die Umschaltpause zu minimieren.

DVD-plus, Sony nennt sie „DualDisk“, bestehen aus eine DVD-5 und einer CD mit 682 MB Kapazität, die zusammengeklebt sind. Diese Scheiben sind etwas dicker als die normalen 1,2 mm. Verwenden Sie diese nicht in Slot-In-Laufwerken (Laufwerken mit Einzugsschlitz), sie könnten das Laufwerk beschädigen!

Bei Blu-ray können noch mehr Schichten übereinander gestapelt werden. Weil der Laser äußerst dicht an die Scheibe herangerückt ist, kann er genau genug auf die gewünschte Lesetiefe eingestellt werden. Bei HD-DVD sind sogar schon Muster mit 200 GB (acht Schichten) vorgestellt worden.

Praxis-Tipp

Industriell gefertigte DVDs lassen sich auf jedem Gerät wiedergeben. Selbstgebrannte CDs und DVDs, gleichgültig welchen Typs, lassen sich in jedem Computerlaufwerk lesen. Mit DVD-Playern gibt es mitunter Probleme. Oft werden Laufwerke eingebaut, die nicht alle Standards beherrschen. DVD-RAM, DVD+R und mehrmals beschreibbare DVD werden nicht immer erkannt. Mit DVD-R haben Sie die größte Erfolgschance.

Die Lebensdauer der Daten (und manchmal auch die Kompatibilität zu fremden Playern) kann man verbessern, indem man die DVD mit gedrosselter Geschwindigkeit brennt. Es ist logisch, dass bei halber Geschwindigkeit die Bits mit saubereren Kanten und tieferem Schwarz gebrannt werden.

Manchmal sind die Rohlinge von schlechter Qualität. Vor dem Kauf einer größeren Menge Rohlinge sollte man Testberichte in Fachzeitschriften lesen oder eigene Tests durchführen. Allerdings kann man sich auf die Tests nicht vollständig verlassen. Die großen Hersteller haben Fabriken in mehreren Ländern mit unterschiedlich stark verschlissenen Fließbändern, die alle unter dem gleichen Label produzieren. Getestet wurde z. B. eine Charge aus Indonesien, doch eine Woche später liegt die Charge aus Pakistan in den Läden, die vielleicht eine schlechtere Qualität hat.

Datensicherheit

Fehlerkorrektur

Realistisch betrachtet lassen sich kleinste und größere Kratzer nicht vermeiden. Deshalb werden die Daten in mehreren Stufen mit zusätzlichen Fehlerkorrekturbits versehen. In der ersten Stufe werden je acht Bit mit sechs redundanten Bits ergänzt. 24 dieser 14-Bit-Bytes werden zu Fehlerkorrektur-Rahmen zusammengefasst und um vier Paritätsbyte ergänzt. Diese Rahmen werden untereinander vermischt, d. h. ursprünglich aufeinanderfolgende Byte liegen nun zwei Zentimeter auseinander. Warum? Ein größerer Kratzer wirkt dadurch wie viele winzige auf den Umfang verteilte Kratzer, die leichter korrigiert werden können.

Dann werden weitere Paritätsbytes hinzugefügt und und und ... Meine Beschreibung ist stark vereinfacht. Das Verfahren basiert auf dem „Reed-Solomon-Code“ (der auch bei Mobilfunk und DSL zum Einsatz kommt) und wurde 1980 in den Standards „Red Book“ und „Yellow Book“ von Philips und Sony beschrieben.

Insgesamt ist fast die Hälfte einer CD mit Fehlerkorrekturbits gefüllt. Diese Redundanz macht es möglich, einen einzelnen radialen Kratzer von 2,4 mm Breite (3500 aufeinanderfolgende Bits) automatisch zu korrigieren, oder mehrere kleinere Kratzer.

Qualität der Rohlinge

Sie hängt von der gleichmäßigen Verteilung des Farbstoffs und der Präzision der Führungsrille ab. Wenn die Fertigungsmaschinen gestartet werden – nach Wartungsarbeiten oder Schichtwechsel – entstehen einige tausend minderwertige Rohlinge, bis die Maschinen optimal justiert sind. Die zweitklassigen Rohlinge werden nicht entsorgt (Entsorgung ist teuer). Sie werden als No-Name-Material unter einem Phantasienamen billig verkauft.

Kratzer und andere Schäden

In der Beschichtung gibt es stets kleine Abweichungen. Gleich nach dem Beschreiben gibt es bereits die ersten „schwächelnden“ Sektoren. Viele Fachzeitschriften ermitteln und vergleichen die „Rohfehlerrate“ von Brennern. Im Laufe der Zeit kommen dann noch die Kratzer auf den Scheiben dazu. Die ­Elektronik des Laufwerks erkennt Lesefehler und korrigiert kleine Schäden automatisch. Bei mittelgroßen Schäden werden mehrere Leseversuche unternommen. Manche Brenner führen jeden Leseversuch mit der halben Drehzahl des vorhergehenden Versuches durch. Gelingt die Korrektur auch bei der geringsten Drehzahl nicht, wird ein Lesefehler gemeldet.

Allerdings gibt es seltene Ausnahmen: Mitunter ist das Fehlermuster so speziell, dass die Korrektur fehlschlägt, aber die Korrekturelektronik hält den Fehler für repariert. Das Ergebnis: Ein Programm lässt sich partout nicht installieren oder stürzt ständig ab, obwohl Sie bei der Installation keine Fehlermeldung bekommen haben.

Die Scheibe reinigen

Ist die Scheibe verstaubt, verschmutzt oder verfettet, legt man die CD oder DVD zur Reinigung auf eine ebene, weiche Unterlage und wischt sie vorsichtig von innen nach außen mit einem staubfreien Tuch ab.

Es kann auch ein alkokolgetränktes Tuch (Brillenputztuch) oder ein feuchtes Tuch sein. Fensterreiniger und Spülmittel sollen ebenfalls geeignet sein. Lassen Sie die Scheibe vor der Benutzung gründlich trocknen, aber ohne Hitzeeinwirkung. Unterwegs kann man sie auch mal an einem Baumwollhemd abwischen. Vorsicht! Niemals mit ­kreisförmigen Bewegungen reinigen, sondern immer radial. Kreisförmig verlaufende Kratzer können eine sehr lange Strecke einer Spur zerstören, was die Korrekturelektronik vor eine besonders schwere Aufgabe stellt.

Ist der Brenner in Ordnung?

Wenn eine Scheibe Probleme macht, gibt es im Wesentlichen zwei mögliche Ursachen:

  1. Die Schwachstelle am Laufwerk ist die optische Linse, welche – ähnlich wie der Bildschirm eines Röhren-Fernsehers – Staub, Kondensat und Nikotin geradezu anzieht. Diesen Schmutz entfernt man am besten von Zeit zu Zeit mit Pressluft. Mit den weitverbreiteten Reinigungs-CDs erreicht man meist eine Verbesserung, mitunter wird aber die Linsenführung verbogen oder das Öl der Führungsschienen auf die Linse geschmiert.
  2. Die Linse wird im Betrieb sehr warm. Durch thermische Mikrorisse wird die Linse nach einigen Jahren trüb, unabhängig vom Staubanfall. Glaslinsen sind langlebiger, aber Linsen aus Plaste werden anscheinend häufiger verbaut, weil sie billiger sind.

Beide Ursachen können gleichzeitig wirken. Die Reinigung bringt nicht immer eine Verbesserung. Wenn Sie öfter Probleme haben und Ihr Laufwerk schon älter ist, sollten Sie überlegen, ob Sie statt eines Reinigungssets für 10 Euro lieber ein neues Laufwerk kaufen sollten. Ein DVD-Brenner kostet etwa 15 Euro, ein BD-Brenner etwa 85 Euro. Ein Kombigerät, das DVD brennen und BD nur lesen kann, gibt es für 60 Euro.

Wenn Sie sowohl ein Lese-Laufwerk als auch einen Brenner haben, sollten Sie zum Lesen vorrangig das Lese-Laufwerk verwenden. Das höhere Gewicht des Brenn-Lasers führt zu einem schnelleren Verschleiß der Mechanik, und aus dem gleichen Grund ist der Brenner vermutlich auch langsamer beim Lesen. Andererseits kommt der Brenner oft besser mit der Fehlerkorrektur mangelhafter Scheiben zurecht.

Die größte Datensicherheit erreichen Sie mit DVD-RAM, im Gegensatz zu den beiden anderen wiederbeschreibbaren DVD-Varianten DVD-RW und DVD+RW. Eine DVD-RAM ist mindestens 30 Jahre lagerfähig, mindestens 10 000 mal beschreibbar und hat das beste Fehlermanagement. Auf der Oberfläche erkennt man kleine Rechtecke. Durch diese Markierungen kann jeder Sektor zielgenau erreicht, geschrieben und gelesen werden. Jeder Sektor kann einzeln beschrieben werden. Vor allem wird jeder Sektor nach dem Beschreiben kontrollgelesen, so dass bei mangelhafter Aufzeichnungsqualität auf einen anderen Sektor ausgewichen werden kann.

Langzeit-Lagerung von optischen Medien

Industriell gefertigte Scheiben sind sehr lange haltbar, denn die Daten werden mechanisch in die Scheibe gepresst. Für eigene Aufzeichnungen sind DVD-RAM eindeutig die beste Wahl. Allerdings sind die DVD-RAM-Scheiben etwas teurer als DVD-RW.

DVD±R und DVD±RW sind weniger haltbar als DVD-RAM, weil die Aufzeichnung auf ­chemischen Prozessen basiert (die Aufzeichnungsschicht besteht aus organischen, hochkomplexen Molekülen). Das Material verfärbt sich vor allem durch die Hitze des Brenn-Laserstrahls. Allerdings verfärbt sich die Datenschicht auch bei geringeren Temperaturen und durch Lichteinwirkung, wenn auch sehr langsam. Besonders gefährlich ist das energiereiche ultraviolette Licht. Langzeitversuche ergaben eine Vergrößerung der Blockfehlerrate und eine Verringerung der Spurstabilität. Auch langanhaltende Feuchtigkeit ist problematisch: Wenn die Feuchtigkeit zwischen die Schichten eindringt, kann es das Ende der Daten bedeuten.

Ein weiteres Problem sind die verwendeten Kunststoffe. Einige Bestandteile gasen aus, und das Polycarbonat, das Trägermaterial, wird selbst bei normaler Lagerung spröde.

Es ist nicht ungewöhnlich, dass einige selbstgebrannte DVDs nach ein bis zwei Jahren nicht mehr fehlerfrei gelesen werden können. Viele Untersuchungen geben zwar eine Haltbarkeit von dutzenden Jahren an, aber fast alle derartigen Tests werden von den Rohlingsherstellern bezahlt und setzen ideale Lagerbedingungen voraus. Können Sie die Scheiben bei einer Temperatur von 4 °C bis 25 °C ohne Temperaturschwankungen, bei 20 % bis 50 % Luftfeuchtigkeit und in völliger Dunkelheit aufbewahren?

Die Hersteller experimentieren mit einer großen Anzahl verschiedener Farbstoffverbindungen. Deshalb sind allgemeingültige Angaben zur Haltbarkeit schwierig. Die Stiftung Warentest hat in einer umfangreichen Testreihe festgestellt, dass die meisten einmal beschreibbaren Rohlinge eine miserable Lichtbeständigkeit haben, während die RW-Rohlinge höchst empfindlich gegen Wärme und Kälte sind. Da eine Lagerung bei konstanter Temperatur in der Wohnung kaum möglich ist, vor allem im Sommer, sind DVD-R und DVD+R nach der DVD-RAM die zweitbeste Wahl. Denn eine Lagerung im Dunkeln sollte kein Problem sein.

Was sollten Sie sonst noch beachten, wenn Sie eine längere Lagerung planen?

  • Ordnen und sortieren Sie Ihre Daten. Je kleiner die zu archivierenden Datenmengen, desto wahrscheinlicher gelingt es Ihnen, die benötigten Daten wiederzufinden.
  • Vielleicht sollten Sie den einen oder anderen Ordner umbenennen, damit deutlicher wird, was er enthält. Bei manchen Ordnernamen kann es sinnvoll sein, sie um eine Jahreszahl zu ergänzen.
  • Verfassen Sie ein Verzeichnis und/oder eine Beschreibung, wo welche Daten sind und wie diese geordnet sind. Sonst könnte die Suche nach einem Text, dessen Dateinamen Sie nicht mehr wissen, zehn Jahre später zu einem Albtraum werden.
  • Verwenden Sie Markenmaterial.
  • Verwenden Sie Rohlinge mit einem speziellen UV-Schutz.
  • Kaufen Sie Rohlinge mit harter, kratzfester Oberfläche.
  • Lagern Sie die DVD stehend, nicht waagerecht oder in einer Spindel. Ein „Jewel Case“ ist optimal.
  • Fachzeitschriften verwenden praktische, platzsparende Hüllen aus Plastefolie, Papier oder Pappe. Doch für eine Langzeitlagerung sind sie nicht geeignet. Nichts sollte die Oberfläche der DVD berühren.
  • Brennen Sie die Rohlinge nicht mit der höchsten Geschwindigkeit. Die Hälfte der maximal möglichen Geschwindigkeit bringt bessere Ergebnisse.
  • Machen Sie Pausen, lassen Sie den Brenner nicht zu heiß werden.
  • Von allen wichtigen Daten sollten Sie eine zweite Kopie haben. Verwenden Sie möglichst einen Rohling eines anderen Herstellers – Ihre Lieblingsmarke könnte einer weniger guten Charge entstammen.
  • Lagern Sie die zweite Kopie außer Haus für den Fall von Einbruch, Feuer oder Überschwemmung.
  • Schalten Sie hin und wieder das Kontrolllesen nach dem Brennen ein.
  • Testen Sie mindestens jährlich, ob Ihr Brenner noch kompatibel zu anderen ist: Probieren Sie mit dem Brenner eines zweiten PCs, ob sich Ihre frisch gebrannte DVD vollständig lesen lässt.
  • Kopieren Sie das Wichtigste nach zwei bis drei Jahren auf einen neuen Datenträger.
  • Drucken Sie die unersetzlichsten Texte und Fotos aus. Papier ist haltbarer als sämtliche optischen oder magnetischen Medien. Ein verblasstes oder beschädigtes Dokument ist noch nutzbar, während ein einziges defektes Bit ein ganze Datei unbrauchbar machen kann.
  • Aus zwei Gründen sollten Sie die Daten nicht zu komprimierten Archiven zusammenfassen. Bei einem einzigen Bitfehler in einem Archiv sind meist alle enthaltenen Dateien gemeinsam verloren. Sind die Dateien einzeln gespeichert, verliert man nur eine Datei. Zweitens wird die Redundanz durch Komprimierung auf etwa Null verringert. Doch ohne Redundanz sind Fehlerkorrekturalgorithmen machtlos.

Umgekehrt: Erhöht man die Redundanz, kann die Lebensdauer der Aufzeichnung deutlich gesteigert werden. Brennern der Firma LG liegt ein Programm „SecurDisk“ bei. Wer einen Brenner einer anderen Firma hat, kann das Programm DVDISASTER von http://dvdisaster.net/de/index.html kostenlos herunterladen. Diese Programme nutzen einen Teil der Kapazität des Rohlings, um zusätzliche Fehlerkorrekturdaten zu speichern. Mit deren Hilfe sind Daten auch dann noch mit einer hohen Wahrscheinlichkeit wiederherstellbar, wenn der Datenträger bereits Lesefehler verursacht. Die Sicherheitsstufe der Fehlerkorrektur ist einstellbar, mindestens 15 Prozent der Kapazität des Rohlings werden benötigt. Um die DVD zu lesen, muss das Programm installiert sein. Sicherheitshalber sollten Sie auch eine Kopie des Programms aufheben, falls das Programm in zwei Jahren nicht mehr im Internet zu finden ist.

Langlebige Medien

M-Disk: tausend Jahre haltbar?

Seit 2011 gibt es die „M-Disk“-Rohlinge. Die organische Schicht, die in den herkömmlichen Rohlingen die Daten speichert, wird bei der „M-Disk“ durch eine anorganische, metallhaltige, „gesteinsähnliche“ Schicht ersetzt. Diese Schicht ist gegen Sauerstoff, Stickstoff und Wasser beständig.

Tests nach der Branchennorm ISO/IEC 10995 ergaben eine „Lebenserwartung“ von 1332 Jahren. Es gibt eine gewisse Streuung, doch mindestens 95 % der Datenträger halten 667 Jahre ohne Datenverlust durch. Geworben wird mit „mindestens 1000 Jahre Haltbarkeit“. Auf der Website http://millenniata.com/ wird gezeigt, dass die M-Disk flüssigen Stickstoff und kochendes Wasser übersteht. Diverse Institutionen, darunter das US-Militär und die USGS (die US-Geologen – die verstehen etwas von Gesteinen), haben die M-Disk geprüft und der 1000-Jahr-Prognose des Herstellers nicht widersprochen. Vielleicht werden die 1000 Jahre nicht ganz erreicht und auch kaum benötigt, doch eine kleine Sicherheitsreserve ist beruhigend.

Zum Beschreiben wird ein Brenner mit extrem starkem Laser benötigt, der bei 500 °C Mikrolöcher in die Oberfläche brennt. Das ist gewissermaßen die moderne Methode, Informationen in Stein zu meißeln. Anfangs war LG die einzige Firma, die geeignete Brenner herstellt. Alle neuen Brenner von LG können die M-Disk beschreiben, und viele ältere Brenner von LG können es nach einem Firmware-Update. Inzwischen haben weitere Firmen diese Technologie lizenziert. Auf www.mdisc.com/m-ready/ finden Sie eine Liste der kompatiblen Laufwerke. Eine gebrannte M-Disk wird in DVD-Laufwerken jedes Herstellers gelesen.

Die DVD-Rohlinge werden hauptsächlich von der Firma „Milleniata“ hergestellt. Sie kosten im Zehnerpack etwa 40 Euro und haben wie die DVD eine Kapazität von 4,7 GB. Im Fachhandel gibt es sie selten, man kann sie bei Conrad, Amazon und eBay bestellen. Seit März 2014 verkaufen mehrere Hersteller die M-Disk mit der Blu-ray-Kapazität von 25 GB. Ein BD-Rohling kostet etwa 5 Euro. Mehr dazu: http://www.computerbase.de/news/2011-08/m-disc-verspricht-1.000-jahre-datenbestaendigkeit/

Sandisk Memory Vault

Die Firma Sandisk hat im Jahr 2011 einen Speicherstick „Sandisk Memory Vault mit Chronolock-Technologie“ herausgebracht, „der die kostbarsten Erinnerungen in Originalqualität bis zu 100 Jahre speichern kann“ (siehe https://www.sandisk.com/about/media-center/press-releases/2011/2011-09-14-sandisk-memory-vault-preserves-photos-for-up-to-100-years). „Kann“, wohlgemerkt. „bis zu“, wohlgemerkt.

Viel interessanter ist die Methode, wie die Lebensdauer ermittelt wurde. Das ist genau beschrieben auf http://forums.sandisk.com/t5/All-SanDisk-USB-Flash-Drives/Technology-amp-Life-Testing/td-p/245746. Es wurden 30 Sticks in 336 Stunden (das sind 14 Tage) bei 125 °C getestet. Daraus wurde mit der Arrhenius-Gleichung eine Lebensdauer von 104 Jahren ermittelt. Berücksichtigt man die Streuung, bedeutet es: Die Hälfte der Sticks versagt vor Erreichen von 104 Jahren, die andere Hälfte hält länger als 104 Jahre durch. Wenn Sie einen Stick kaufen, erreicht er 100 Jahre mit einer Wahrscheinlichkeit von etwas mehr als 50 %. Was für eine dreiste Werbelüge, von „bis zu 100 Jahren“ zu sprechen!

Darüber hinaus will es mir nicht einleuchten, dass sich die vielfältigen Ursachen, die zu einem Ausfall führen können, mit einer einzigen Formel berücksichtigen lassen. Dass man nur 30 Sticks nur 14 Tage lang getestet hat, verstärkt mein Vertrauen auch nicht. Was mich aber äußerst beunruhigt: Es ist anzunehmen, dass alle Hersteller diese Gleichung benutzen, um die Lebensdauer von Festplatten, DVDs und anderen Datenträgern zu prognostizieren.

Die Speicher wurden wohl nur in den USA verkauft. Sie sind auch heute noch bei eBay erhältlich.

Andere Technologien

Die Firma Mitsui bietet spezielle goldbeschichtete Rohlinge für die Langzeitarchivierung an. Mitsui gibt für Gold-DVD eine Haltbarkeit von 100 bis 300 Jahren an. Ein gemeinsames Projekt „Silica“ von Microsoft und Warner Bros arbeitet an der Speichung von Spielfilmen. Dreidimensionale Pixel in 100 Lagen übereinander in einer zwei mm dünnen Glasscheibe überstanden kochendes Wasser, Mikrowelle und Bearbeitung mit Stahlwolle und sollen mehrere Jahrhunderte überstehen. Die Daten werden mit Laserstrahlen gelesen. Noch fehlt es an massentauglichen Geräten zum Lesen und Schreiben der Daten.

Entsorgung und Vernichtung

Polycarbonat ist ein wertvoller Rohstoff und gut für Recycling geeignet. CDs und DVDs aus Zeitschriften o. ä. kann man auf einer Spindel sammeln und in vielen Elektronikmärkten oder Sammelstellen abgeben. Bei Scheiben mit persönlichen Daten zerkratzt man die Oberfläche mit einem Messer oder Schraubendreher. Für besonders kritische Daten (Patientenlisten, Geschäftsberichte) zerschneidet man die Scheiben zwei oder mehr Stücke und entsorgt die Hälfte sofort, die andere Hälfe einem späteren Zeitpunkten. Man kann die Scheiben auch zerbrechen, aber dazu sollte man sie vorsichtshalber in eine Tüte stecken, denn die entstehenden Splitter sind sehr spitz und erreichen eine große „Sprungweite“.

Lohnt sich Blu-ray?

Im Sommer 2011 wurden erstmals mehr Blu-ray-Player verkauft als DVD-Player. Doch im PC ist Blu-ray selten. 2009 hatten weniger als 4 % aller verkauften PC ein Blu-ray-Laufwerk. 2010 waren es etwa 6 %. Das Statistik-Portal „statista“ hat die Deutschen gefragt, wer die feste Absicht hat, in den nächsten zwölf Monaten ein Blu-ray-Laufwerk zu kaufen. Der Anteil ist von 1,3 % im Jahr 2010 auf 0,5 % im Jahr 2015 gesunken.

Warum eigentlich so wenig?

  • Für die Datensicherung sind sie nicht optimal. Ein Privatanwender kauft sich lieber eine externe Festplatte, die ist billiger, schneller und flexibler. Für die Datensicherung von Firmen sind 25 oder 50 GB zu wenig und das Brennen dauert zu lange. Auch für Firmen sind Festplattenlösungen günstiger.
  • Die Filmindustrie verlangt unangemessen hohe Preise. Die Firma csmproduction bietet die Herstellung einer Kleinserie von 1000 Blu-ray für nur 88 Cent pro Stück. Im Handel kostete ein Film 2010 im Schnitt 16 €. Auch 2016 kosteten aktuelle Filme noch immer 10 bis 20 €. Was für eine gewaltige Gewinnspanne!
  • Wenn ich eine BD einlege, passiert eine Weile nichts, dann kommt eine nicht überspringbare Werbung und ein Hinweis, dass Raubkopierer schlimmer als Kinderschänder sind. Dann folgen noch einige Trailer für Filme, die in ein paar Jahren laufen werden oder die seit einigen Jahren niemand mehr kennt ... und wenn endlich der Film beginnt, habe ich fast schon die Lust verloren, ihn zu sehen.

Um Filme anzusehen, gibt es dank schnellem Internet inzwischen Alternativen. In einer Online-Videothek hat man mit einem Premium-Monats-Abo für 20 € Zugriff auf zehntausende Videos und Serien, oder man bezahlt zwei bis fünf Euro pro Film, den man 24 Stunden lang ansehen kann. Bei Amazon Prime gibt es zwar nicht die neuesten Filme, dafür kostet das Jahresabo nur 50 €. Ist es ein Wunder, dass von 2004 bis 2014 der Verkauf von Filmen auf DVD und Blu-ray um 40 % gesunken ist? Marktforscher rechnen damit, dass der Umsatz in den nächsten vier Jahren um weitere 40 % einbricht, während der Online-Umsatz um 260 % steigt.

Bedenken Sie auch den schnellen Wechsel der Technologien. Haben Sie noch ein Gerät, um Videokassetten und Schallplatten abzuspielen, oder haben Sie Ihre Sammlung schon weggeworfen? In wie wenigen Jahren werden Sie Ihre Blu-ray-Filmesammlung wegwerfen, weil es keine Abspielgeräte mehr gibt?

In letzter Zeit gibt es eine neue Technologie: „echtes“ 3D-Fernsehen. Dem rechten und dem linken Auge werden unterschiedliche Bilder gezeigt, was die benötigte Datenmenge verdoppelt. Ein Spielfilm in 3D passt nicht mehr auf eine DVD. Dadurch könnte der Absatz von Blu-ray-Playern steigen. Ob sich das auf die Ausstattung von PCs auswirkt, ist nicht abzusehen.

In den Kinos hat die Begeisterung für 3D nachgelassen. Im Jahr 2012 kamen 41 3D-Filme in die Kinos, 2013 noch 25 und 2014 noch 28 Filme − unter jährlich 700 Neuerscheinungen kaum erwähnenswert.

Bei Bildschirmen und Fernsehern geht die Tendenz zur „UHD-4k-Auflösung“ mit 3840 × 2160 Pixeln. Dafür wird die vierfache Datenmenge wie bei HD-Auflösung (1920 × 1080) benötigt. Diese Datenmenge passt nur auf Blu-ray. Auch einige Videoportale bieten die UHD-Auflösung an.

Seit April 2016 gibt es erste UHD-Player mit HDR (High Dynamic Range, deutsch: „erweiterter Kontrast“). Filme in dieser Qualität sind außergewöhnlich. Was ist HDR?

Ein High Dynamic Range Image (HDRI), deutsch: Hochkontrastbild, ist ein Bild mit hohem Kontrastumfang. Das Auge kann Helligkeitsunterschiede von mehr als 1 : 100 000 unterscheiden, während Displays und Drucker mit 8 Bit pro Farbe nur mit 256 Helligkeitsstufen pro Farbe darstellen können. Wenn ein Bild sowohl sehr helle und sehr dunkle Bereiche enthält, sind auf Bildschirmen Details in sehr hellen und sehr dunklen Bereichen nicht sichtbar. Kinoprojektoren bewältigen einen etwas besseren Kontrastumfang. Doch wenn Kameramänner extremen Kontrast (z. B. Gegenlichtaufnahmen) nicht vermeiden können, muss das Bild zur Kontrastreduzierung nachbearbeitet werden. Übrigens müssen auch Tonaufnahmen aus Konzertsälen nachbearbeitet werden, damit man leise Abschnitte hören kann, ohne dass bei anschließenden lauten Tönen die Lautsprecher durchbrennen. Das nennt man „Dynamikkompression“.

4k-Bildschirme mit höherem Kontrastumfang sind in Entwicklung. Seit einiger Zeit gibt es Bildschirme und Fernseher mit „Direct-LED“: Die Hintergrundbeleuchtung besteht aus vielen LEDs, die einzeln in der Helligkeit steuerbar sind. An dunklen Bildstellen können die LED gedimmt werden.

Im Sommer 2016 gab es etwa 25 Filme auf Blu-ray, auf denen der Kontrastumfang nicht oder nur wenig reduziert worden ist. Eine Blu-ray mit HDR, geeignete Player und Ausgabegeräte ergeben laut Testbericht ein eindrucksvolles Filmerlebnis „mit umwerfender Detailfülle“. Dafür sind Blu-rays mit 100 GB Kapazität notwendig, notfalls reichen 50 GB. Streamingdienste können die benötigten Datenmengen gegenwärtig nicht übertragen.

Auch Computerlaufwerke könnten UHD-HDR abspielen. Ob das zu vermehrtem Verkauf von Computerlaufwerken führt, scheint unwahrscheinlich.

Einen älteren Rechner mit Blu-ray nachzurüsten ist kaum sinnvoll. Blu-ray stellt höchste Anforderungen an die Rechenleistung des PC und an die Grafikkarte. Die hohe Anforderung kommt durch den Verschlüsselungsprozess zustande, der illegales Kopieren verhindern soll.

Die Zukunft optischer Medien

Seit 2010 ist die BDXL mit 100 GB Kapazität im Handel. Hersteller arbeiten an Kapazitäten bis 1000 GB. Ein „Archival Disk“ wird von Sony und Panasonic als Nachfolger von Blu-ray entwickelt. Sie soll Kapazitäten von 300, 500 und 1000 GB ermöglichen, bei wesentlich gesteigerter Datenhaltbarkeit.

In Deutschland wurden 2005 etwa eine Milliarde CD- oder DVD-Rohlinge verkauft. Im Jahr 2013 waren es nur noch 230 Millionen Rohlinge, CD und DVD etwa gleich viel. Ursache für das allmähliche „Sterben“ ist die wachsende Bedeutung von Cloud-Diensten und das Kapazitätswachstum externer Festplatten. Auf einer Terabyte-Festplatte lassen sich mehr als 200 DVDs komplett abspeichern, und mit USB 3.0 geht das richtig schnell. Außerdem gibt es vermutlich keine moderne Software mehr, die sich nicht direkt aus dem Internet installieren lässt.

In den 2000er Jahren lief die Entwicklung der „Holographic Versatile Disc“, eines optischen Datenträgers mit einem vorgesehenen Speicherplatz von 4 Terabytes. Die Entwicklung wurde jedoch aufgrund finanzieller Schwierigkeiten abgebrochen.

Wenn man den PC nicht zum Abspielen von Video- und Musik-DVD benutzt, könnte man mit dem Verzicht auf ein DVD-Laufwerk locker 15 Euro an der Ausstattung seines PCs sparen. Um tatsächlich auf ein Laufwerk zu verzichten, muss man ganz fest glauben, dass man niemals Windows neu installieren muss. Dass man niemals mit einer Live-CD seine Daten retten muss. Und dass man genug Geld hat, einen Fachmann für Datenrettung und Neuinstallation zu bezahlen, wenn der feste Glauben nicht ausgereicht hat, um den PC vor jedem Unglück zu beschützen.

Hat man mehrere PCs, empfehle ich ein gemeinsam genutztes externes DVD-Laufwerk.

Was tun, wenn das Laufwerk die Scheibe nicht auswerfen will?

Versuchen Sie nacheinander Folgendes:

  • Wenn ein Programm auf die DVD zugreift, beenden Sie es. Drücken Sie nun die Auswurftaste.
  • Klicken Sie auf „Start“ und dann auf „Arbeitsplatz“ oder starten Sie den Windows-Explorer. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf das Laufwerkssymbol und dann auf „Auswerfen“.
  • Fahren Sie den PC herunter und schalten Sie ihn wieder ein. Drücken Sie sofort nach dem Einschalten auf die Auswurftaste.
  • Während des nächsten Neustarts die Taste DEL oder F2 drücken oder was auch immer nötig ist, um ins BIOS-Setup zu kommen. Wenn das Laufwerk nach Druck auf die Auswurftaste auch jetzt nicht aufgeht, handelt es sich um ein mechanisches Problem.
  • Schalten Sie den PC aus. Biegen Sie eine Büroklammer auf, so gerade wie möglich. Stecken Sie diese in das Notauswurfsloch, das sich ganz dicht unter der Schublade befindet. Drücken Sie den Draht gleichmäßig, aber kräftig etwa 4 bis 5 cm weit hinein. Die Schublade öffnet sich um etwa drei Millimeter. Nun können Sie die Schublade mit den Fingerspitzen ganz herausziehen.
  • Das Laufwerk ausbauen und aufschrauben ist die letzte Möglichkeit. Der Zusammenbau ist nicht allzu kompliziert, falls das noch sinnvoll ist.

Die CD/DVD/BD lässt sich nicht lesen

Vielleicht ist der Brenner überhitzt? Falls Ihr Brenner im Gehäuse senkrecht eingebaut ist, sollten Sie den (vorher ausgeschalteten) PC auf die Seite legen. Wenn das Laufwerk waagerecht liegt, könnte die Justierung besser sein. Probieren Sie mit den Laufwerken Ihrer Bekannten, ob eines davon die Scheibe lesen kann. Manche Brenner haben eine Qualität der Fehlerkorrekturverfahren, die weit über dem Durchschnitt liegt.

Die Freeware-Programme „Unstoppable Copier“, „CloneCD“ bzw. „CloneDVD“ kopieren von der Scheibe alles, was sich noch lesen lässt. Diese Programme haben einen exzellenten Fehlerkorrekturalgorithmus.

Lesefehler sind oft auf sichtbare Kratzer oder Flecken zurückzuführen. Die Kratzer sind nur sehr selten tief genug, um die Datenschicht zu erreichen. Doch der Laserstrahl muss zweimal die Polycarbonatschicht durchqueren, um die Daten abzutasten. Wird der Strahl dabei abgelenkt oder geschwächt, sind die Daten nicht lesbar. Was nun? Ein vorsichtiges Abwischen der Unterseite (nicht kreisförmig, sondern von der Mitte nach außen) kann helfen. Bei schlimmen Kratzern gibt es mehrere Möglichkeiten:

  • Man kann versuchen, die Scheibe zu polieren. Als Schleifmittel ist weiße Zahnpasta, Silberpolitur, Plastepolitur oder notfalls Autopolitur geeignet, die man auf ein fusselfreies Tuch, z. B. ein Brillenputztuch, aufträgt.
  • Tiefere Kratzer kann man versuchen aufzufüllen. Tragen Sie Autowachs oder Möbelwachs auf die ganze Unterseite auf und wischen Sie die Reste mit einem fusselfreien Tuch ab. Die Disc wird in der Zukunft wegen des Weichwachses schadenanfälliger sein.

Bei allen Verfahren kann sich die Lesbarkeit der Daten weiter verschlechtern. Deshalb sollte man so viele intakte Dateien wie möglich vor dem ersten Reparaturversuch sichern.

Kratzer auf der Ober- oder Unterseite einer DVD stören nicht, denn bei einer DVD liegt die Datenschicht gut geschützt in der Mitte der Scheibe. Doch bei einer CD befindet sich die Datenschicht dicht unter der Oberseite, nur von einem Schutzlack und der Farbschicht des Labels „geschützt“. Ist eine CD an der Beschriftungsseite zerkratzt, ist das Polieren sinnlos.

Wollen Sie mehr über optische Speichermedien wissen?

Das Diskettenlaufwerk

Geschichte: Vom Magnetdraht bis zur Floppy Disk

Im Jahr 1899 wurde die Tonaufzeichnung auf Stahldraht patentiert. Um eine Stunde Ton aufzuzeichnen, wurden zwei Kilometer eines sehr dünnen Drahtes benötigt. 1935 stellte die AEG das erste Tonbandgerät her. Das Tonband bestand aus Kunststoff, mit Eisenpulver beschichtet. Der nächste Entwicklungsschritt war der Magnettrommelspeicher: Die Daten wurden auf der magnetischen Oberfläche einer schnelldrehenden Trommel gespeichert. Der Z22-Computer von Zuse (1957) benutzte einen Trommelspeicher mit 38 kByte Kapazität und einer Zugriffszeit von wenigen Sekunden.

In den 1950er Jahren wurden die ersten Bandgeräte für die Speicherung von Computerdaten hergestellt. Wegen des exzellenten Verhältnisses zwischen Datenkapazität und Herstellungskosten werden in Rechenzentren noch immer Magnetbänder verwendet, vor allem für die Datensicherung und -archivierung. Ihr größter Nachteil: Die Aufzeichnung erfolgt sequentiell, das bedeutet: Benötigt man die Informationen in einer anderen Reihenfolge, als sie aufgezeichnet wurden, muss man minutenlange Wartezeiten in Kauf nehmen, während das Band vor- oder zurückspult.

1969 brachte IBM die erste Diskette für ihre Großrechner „System/370“ auf den Markt. Die ersten Disketten wurden auf Schallplattenpressen gefertigt und hatten deshalb den gleichen Durchmesser wie die damaligen Schallplatten: 8 Zoll (etwa 25 cm). Ihr gewaltiger Vorteil: der „wahlfreie Zugriff“, englisch „random access“. In ein bis zwei Sekunden konnte jede Information aufgefunden werden.

Floppy-Laufwerk 8" aus dem Jahr 1973 neben einem 3,5" Laufwerk

Der erste IBM-PC im Jahr 1981 sollte ein Diskettenlaufwerk bekommen, doch das 8"-Laufwerk mit Maßen von 40 × 30 × 15 cm war viel zu groß – halb so groß wie der ganze PC, siehe Abbildung. Deshalb entwickelte IBM kleinere 5,25" Disketten und ein Laufwerk dazu. Seit 1981 gibt es noch kleinere Disketten im 3,5" Format. Das Diskettenlaufwerk (Floppy Disk Drive) wird mit FDD abgekürzt.

Das Prinzip der magnetischen Speicherung und dessen Mängel

Ob der Datenträger ein Draht, ein Band, eine Diskette, die Festplatte oder der Magnetstreifen einer Kreditkarte ist: Sie alle benutzen die Methode der ­elektromagnetischen Speicherung. Das Grundprinzip funktioniert so: Wenn Strom durch einen elektrischen Leiter (eine Spule im „Schreibkopf“) fließt, erzeugt er ein Magnetfeld. Das Magnetfeld kann je nach Stromrichtung verschiedene Wirkungsrichtungen haben und beeinflusst alle magnetischen Materialien in Reichweite. Ändert man die Stromrichtung am Schreibkopf, so ändert sich die Magnetisierung der darunter vorbeigleitenden Oberfläche dauerhaft. Während der Datenträger am Schreibkopf vorbeizieht, entsteht ein Bitmuster aus unterschiedlich magnetisierten Bereichen. Die Magnetisierung bleibt erhalten, auch wenn man den Schreibstrom abschaltet bzw. wenn die Diskette weiterdreht.

Beim Lesen eines Datenträgers wird ein weiteres Phänomen genutzt: die Induktion. Wenn ein Leiter in ein veränderliches Magnetfeld gerät, entsteht ein Stromfluss in diesem Leiter. Wenn sich der Datenträger am Lesekopf vorbeidreht, erzeugt jeder Wechsel der Magnetisierung einen Spannungsimpuls, der verstärkt und ausgewertet wird.

Die magnetische Speicherung hat zwei grundsätzliche Probleme: Der Magnetismus lässt im Laufe der Jahre nach. Zweitens sind die Datenträger anfällig gegenüber externen Magnetfeldern. Selbst schwache Felder können langfristig zu Veränderungen der magnetischen Ausrichtung auf dem Medium führen und somit die Daten beschädigen. Sogar das extrem schwache Erdmagnetfeld kann im Laufe der Jahre die magnetische Ausrichtung auf einem Datenträger verändern.

Beispielsweise reicht bei aufgewickelten Magnetbändern das Magnetfeld einer Schicht bis in die darüber- und daruntergewickelte Schicht. Deshalb müssen bespielte Datenbänder alle ein bis zwei Jahre umgewickelt werden, damit sich die aufgezeichnete Information nicht allmählich selbst zerstört. Disketten sind zwar etwas dicker als Magnetbänder, aber auch bei ihnen beeinflussen sich die obere und untere Magnetschicht gegenseitig.

Aufbau des Diskettenlaufwerks

Wenn man eine 3,5" Diskette in das Laufwerk einschiebt, wird über einen Mechanismus aus Hebeln und Federn die Schutzklappe der Diskette beiseite geschoben und anschließend werden die Köpfe auf die Magnetscheibe abgesenkt.

Bei einer Lese- oder Schreibanforderung werden zwei Motoren aktiv. Der erste Motor, der „Spindelmotor“, befindet sich an der Unterseite des Laufwerks und dreht die Magnetscheibe mit 300 U/min. Der zweite Motor ist ein Schrittmotor. Er bewegt die Magnetköpfe (je einer über und unter der Diskette) auf die benötigte Spur.

Die beiden Magnetköpfe schleifen ständig auf der Oberfläche der Diskette. Der Motor läuft nur bei Bedarf an. Eine Zeitschaltung im BIOS sorgt dafür, dass bei Nichtbenutzung des Laufwerks der Spindelmotor nach einigen Sekunden abgeschaltet wird.

Disketten

Plastehülle und Inneres einer 3,5"-Diskette

Die ersten Disketten waren 8 Zoll groß, spätere Disketten maßen 5,25 Zoll. Das englische Wort „floppy“ bedeutet schlapp bzw. biegsam. Tatsächlich waren beide Sorten Disketten biegsam und empfindlich. Diese alten „Floppy Disk“ sind inzwischen ausgestorben. Sofern heute noch Disketten verwendet werden, sind sie 3,5" Zoll groß (etwa 10 cm). Sie werden beidseitig beschrieben und haben eine Kapazität von 1,44" MByte. In einer steifen Hülle, die nicht mehr „floppy“ ist, steckt eine flexible Plastescheibe, die beiderseits mit einem magnetischen Material beschichtet ist (z. B. Eisenoxid, daher die Rostfarbe). Die Hülle der Diskette ist mit einem weichen Vlies ausgekleidet. In der Hülle ist beidseitig ein Schlitz für die Magnetköpfe. Der Schlitz wird durch einen flexiblen Schieber verdeckt.

Der 1,44-MB-Standard ist wegen der geringen Speicherkapazität nicht mehr zeitgemäß. Die Datenübertragung läuft mit heute indiskutabel langsamen ≈60 kB/s. Disketten sind defektanfällig. Für den Datentransport und eine mittel- und langfristige Datensicherung sind optische Speicher, USB-Memory-Sticks und externe Festplatten besser geeignet.

Neue Hauptplatinen haben keinen Anschluss für ein Floppylaufwerk. Wer noch Disketten mit wichtigen Daten hat, kann sich ein Diskettenlaufwerk mit USB-Anschluss für etwa 25 Euro kaufen. Es kann im Wechsel an mehrere PCs angesteckt werden, auch an ein Notebook.

Vergleich Diskettenlaufwerk und Festplatte

  • Um Daten schneller zu lesen, wurde die Drehzahl der Festplatte erhöht: typisch 5400 bis 7200 Umdrehungen pro Minute statt 300 bei Disketten.
  • Die Scheiben der Festplatte sind starr. Die Köpfe schweben in einem minimalen Abstand über der Magnetscheibe, denn bei einer Berührung würden sie durch Reibungshitze zerstört werden.
  • Die Drehung der Festplatte wird zwischen den Zugriffen beibehalten.

Alternativen zu Disketten

Es gab zahlreiche Versuche, preiswerte Massenspeicher mit höherer Kapazität zu schaffen.

  • Es gab Diskettenlaufwerke mit 2,88 MB, die äußerst selten verwendet werden und heute nicht mehr lieferbar sind.
  • ZIP-Laufwerke mit Disketten von 100, 250 oder 750 MB Kapazität waren in den 90er Jahren beliebt. Mit dem Aufkommen von bezahlbaren CD-Brennern und mehrfach beschreibbaren CDs verschwanden die ZIP-Laufwerke aus den Läden.
  • LS120-Laufwerke mit 120 MB Kapazität (LS = Laser Servo) arbeiteten mit magnetischer Aufzeichnung, aber die Positionierung des Kopfes erfolgt mit Laser-Unterstützung. Die LS120-Laufwerke konnten auch mit den klassischen 1,44 MB-Disketten arbeiten! Es gab sie nur intern mit IDE-Interface. Sie haben nur geringe Verbreitung erreicht und werden nicht mehr verkauft.
  • CD-Brenner und nachfolgende Technologien haben eine hohe Kapazität und recht gute Haltbarkeit der Medien. Brenner und Rohlinge sind günstig und viele Desktop-Computer haben DVD-Laufwerke. DVD-Brenner können auch portabel über USB angeschlossen werden. Für schnelle Datensicherung zwischendurch mittels DVD-RAM sehr gut geeignet, da Wechsellaufwerk-ähnliches Verhalten (einfach und sehr sicher). Allerdings kommt nicht jedes Laufwerk mit DVD-RAM zurecht, außerdem sind schnelle 5x-Medien kaum erhältlich. Es gibt zwei weitere Probleme: Der Zeitaufwand für das Schreiben (und das spätere Löschen der Scheibe) bei einer kleinen Datenmenge relativ hoch. Und die Kapazität ist für heutige Datenmengen oft zu klein.
  • USB-Memory-Sticks. Für den schnellen Datenaustausch zwischen Rechnern sind sie oft die erste Wahl. Jedes Windows erkennt Memory-Sticks und installiert automatisch die benötigten Treiber. Sie wollen jemandem eine Datei samt Datenträger überlassen? USB-Memory-Sticks mit 8 GB Kapazität kosten etwa fünf Euro, während ein CD-Rohling weniger als ein Euro kostet, aber das Brennen ist aufwändiger.
Wollen Sie mehr über Disketten wissen?

Eingabegeräte
deutsche Computertastatur


Funktionsweise der PC-Tastatur

Sowohl beim Druck auf eine Taste als auch beim Lösen einer Taste schickt die Tastatur ein Unterbrechungssignal an die CPU. Das Betriebssystem liest dann den Scancode (die Nummer) der jeweiligen Taste von der Tastaturelektronik und ermittelt, welche der Modifizier-Tasten (Umschalttaste, Strg, Alt, AltGr, Feststelltaste, Num, Rollen) im Moment aktiv sind. Das Betriebssystem (bzw. das Anwendungsprogramm) verknüpft den Scancode mit einem Zeichen. Dabei wird eine Tabelle benutzt, in der für jedes Land die landesübliche Tastenbelegung enthalten ist.

Tastenbelegung

Auf den ersten Schreibmaschinen waren die Buchstaben alphabetisch angeordnet. Weil sich beim schnellen Schreiben die Typenhebel benachbarter Tasten oft verhakten, wurde um 1870 die Tastaturbelegung geändert. Diejenigen Buchstaben, die in der englischen Sprache am häufigsten verwendet wurden, platzierten die Konstrukteure am weitesten voneinander entfernt. Dadurch kam es nur noch selten vor, dass benachbarte Typenhebel aufeinander folgten und sich verhakten. Diese Tastenbelegung wird auch heute noch weltweit verwendet.

Inzwischen gibt es ergonomische Tastaturen und auch Tastaturen mit anderen, optimierten Belegungen. Das Umgewöhnen wird Ihnen vermutlich nicht leicht fallen. Falls ein Familienmitglied oder Kollege eine ungewöhnliche oder fremdsprachige Tastatur benutzen will und die anderen bei der klassischen Tastatur bleiben wollen – kein Problem! Windows kommt ohne weiteres mit mehreren Tastaturen klar: Eine kommt an den PS/2-Tastaturanschluss, weitere Tastaturen können an USB angesteckt werden. Die momentan nicht benötigte Tastatur können Sie einfach beiseite legen. Wenn Sie eine drahtlose Tastatur gekauft haben, können Sie Ihre alte Tastatur als Reserve angesteckt lassen (falls mal am Sonntag die Batterien leer sind und keine Ersatzbatterien zu finden sind).

Warnung:

  • Einige Programme, vor allem ältere, und auch das BIOS funktionieren manchmal nicht mit einer USB-Tastatur. Wenn Sie noch eine alte Tastatur mit PS/2-Stecker haben, werfen sie diese nicht voreilig weg!
  • Mit entsprechender BIOS-Einstellung kann man den PC bequem über die Tastatur einschalten. Das ist recht praktisch, wenn der PC in einem Schrank oder in einem Computertisch hinter einer Klappe steht. Bei einer USB-Tastatur klappt das Einschalten und die BIOS-Bedienung natürlich nur dann, wenn der verwendete USB-Anschluss auch bei ausgeschaltetem PC mit Strom versorgt wird. Das ist nicht bei allen Anschlüssen möglich und muss vielleicht im BIOS oder mittels Jumper auf der Hauptplatine aktiviert werden. Probieren Sie, an welchem USB-Port die LED unter der Maus leuchtet.

PCs mit zwei PS/2-Anschlüssen für Tastatur und Maus werden kaum noch verkauft. Doch in letzter Zeit gibt es vermehrt PCs mit einer grün/violett gekennzeichneten PS/2-Buchse, an die man entweder eine Maus oder eine Tastatur anstecken kann. Das hängt möglicherweise mit Kompatibilitätsproblemen zusammen. Einige Programme, vor allem ältere, und auch das BIOS haben in seltenen Fällen Probleme mit einer USB-Tastatur. Wenn Sie noch eine alte Tastatur mit PS/2 Stecker haben, werfen Sie diese nicht voreilig weg! Bei Problemen mit USB-Schnittstellen können Sie mit einer PS/2-Tastatur das BIOS einstellen und die Windows-Treiber reparieren.

Sondertasten

Bei einer Schreibmaschine haben fast alle Tasten zwei Bedeutungen. Drückt man die Umschalt-Taste (engl. „Shift“), wird auf die zweite Tastenbelegung umgeschaltet und es werden große Buchstaben oder eine andere Zweitbelegung geschrieben. Wenn die Feststelltaste (engl. „Caps Lock“) aktiviert ist, werden alle Buchstaben groß geschrieben. Erneutes Drücken von Caps Lock deaktiviert den Großschreibmodus.


Auf einer Computertastatur gibt es noch weitere Umschalttasten: Zur Shift-Taste kommen noch Strg, Alt, Alt Gr, Num und Rollen hinzu. Die meisten Tasten einer Computertastatur haben deshalb vier und mehr verschiedene Bedeutungen, je nachdem ob die Taste Shift, Strg, Alt, Alt Gr, Num gedrückt ist oder eine Kombination davon. Diese Tastenkombinationen funktionieren nicht nur in einem Textprogramm, sondern auch im Explorer und vielen anderen Programmen.

Umschalttaste „Shift“ Großbuchstaben wie bei einer Schreibmaschine
Feststelltaste „Caps Lock“ Wenn sie aktiviert ist, werden alle Buchstaben groß geschrieben. Erneutes Drücken deaktiviert den Großschreibmodus.
Feststelltaste „Num Lock“, meist nur mit „Num“ beschriftet Sie wirkt nur auf den Ziffernblock. Wenn das „Num“-Lämpchen leuchtet, sind die Tasten mit Ziffern und Rechenzeichen belegt. Drückt man die Num-Taste, erlöscht das „Num“-Lämpchen. Die Tasten steuern nun den Kursor.
Taste „Alt Gr“ Noch eine Gruppe von Zeichen, z. B. auf Taste „E“ das „€“, oder auf dem „Q“ das „@“.
Taste „Alt“ In Kombination mit anderen Tasten als Maus-Ersatz. Befehle können schneller eingegeben werden, z. B. kann man mit Alt-s ein Dokument speichern oder mit Alt-F4 ein Fenster schließen. Alt steht für „Alternativ“.
Taste „Strg“ Sie wird für die Eingabe so genannter „Steuerzeichen“ oder Befehlssequenzen (Short-Cuts) verwendet. Strg ist die Abkürzung von „Steuerung“, nicht von „String“! Auf englischen Tastaturen ist sie mit „Ctrl“ beschriftet (Control). Besonders nützlich sind die folgenden Zeichenkombinationen: Strg-Z für „Letzten Befehl rückgängig machen“, Strg-A für „Alles markieren“, Strg-C für „Kopieren“, Strg-X für „Ausschneiden“ und Strg-V für „Einfügen“.
Windows-Taste und Windows-Menü-Taste Sie wird für Sonderfunktionen verwendet, z. B. ruft Win-E den Explorer auf, Win-Pause die Systemeigenschaften und Win-L sperrt den PC. Probieren Sie es aus!
Taste „Druck“ engl.: „PrtScr“ (Print Screen). Kopiert den gesamten Bildschirminhalt in die Zwischenablage, von wo er mit einem Grafikprogramm abgeholt und weiterverwendet werden kann, z. B. zum Ausdrucken. Bei gedrückter Alt-Taste wird statt des ganzen Bildschirms nur das aktive Fenster in die Zwischenablage kopiert. Das ist sehr praktisch beim Erstellen von Bedienungsanleitungen oder um eine Fehlermeldung zu dokumentieren.

Ergonomie

Für Vielschreiber dürfte eine weiße Tastatur mit schwarzen Buchstaben augenfreundlicher sein als eine schwarze mit weißen Buchstaben. Achten Sie darauf, dass die Tasten keine hochglänzende Oberfläche haben.

Tastaturen können sich unterschiedlich „anfühlen“. Viele Tastaturen nutzen die „Rubber-Dome-Technik“: Unter den Tasten sind leitfähige Noppen aus Gummi. Die Tastaturen sind sehr flach und leise. Andere Tastaturen haben Taster mit Spiralfeder, z. B. von Cherry. Solche Tastaturen sind langlebiger und werden von Vielschreibern und Spielern bevorzugt. Man braucht weniger Kraft zum Drücken der Tasten, das Handgelenk ermüdet weniger. Vor dem Kauf sollten Sie den Widerstand der Tasten beim Drücken, den Tastenweg und das Geräusch beim Betätigen („Klappern“) ausprobieren.

Manche Tasten („<“, „+“, „Entf“ und andere) befinden sich nicht auf allen Tastaturen an der gleichen Stelle, was sehr störend sein kann, wenn Sie an eine bestimmte Tastenbelegung gewöhnt sind.

Tastatur und Maus für Tablet und Smartphone

Wer ein Tablet oder Smartphone intensiv nutzen möchte, vermisst häufig Tastatur und Maus. Doch viele Android-Mobilgeräte sind USB-kompatibel. Zwei Voraussetzungen müssen erfüllt sein:

  • Der Chipsatz des Mobilgerätes muss USB OTG (On-the-go) unterstützen. Etwa ab 2012 ist das bei den meisten Geräten der Fall.
  • Das Betriebssystem muss USB OTG unterstützen. Das ist ab Android 3.1 der Fall. Bei älteren Geräten hilft eventuell ein Firmware-Update.

Sie können beide Voraussetzungen mit der kostenlosen App „USB-OTG-Checker“ überprüfen.

Ein spezielles USB-OTG-Adapterkabel oder ein USB-OTG-Adapterstecker wird benötigt. Diese gibt es in zwei Ausführungen: Mit Micro-USB-Stecker und mit Mini-USB-Stecker. Am anderen Ende befindet sich eine USB-Buchse, in die jede USB-Maus oder -Tastatur hineinpasst. Sogar USB-Speichersticks und Kameras mit USB-Speicher funktionieren fast immer. Man kann ein USB-Hub verwenden, um Maus, Tastatur und weitere Geräte gleichzeitig anzuschließen. Alle angesteckten Geräte werden vom Akku des Mobilgerätes mit Energie versorgt, was dessen Betriebsdauer spürbar verkürzt. Ein aktives Hub ist von Vorteil, es schont den Akku des Mobilgerätes. Das Problem: Viele Mobilgeräte haben nur eine USB-Buchse, deshalb kann das Ladegerät nicht gleichzeitig angesteckt werden. Hoffentlich ist der Akku gut geladen!

Die Bedienung mit der Maus ist intuitiv, allerdings funktioniert die rechte Maustaste wie die linke oder sie wird ignoriert. Sobald eine Tastatur angesteckt ist, erscheint die Bildschirmtastatur nicht mehr. Damit hat man ein Sonderzeichenproblem: Es wird die US-englische Tastenbelegung erwartet. Einige wichtige Tasten: Y→Z, Z→Y, ö→;, Ö→:, ä→’, Ä→“, ü→[, Ü→}, +→], *→}, #→\, ß→-, ?→_, ´→=, `→+.

Vielleicht sollten Sie Tastaturaufkleber kaufen, um die entsprechenden Tasten passend zu beschriften. Die gibt es z. B. unter „Computer & Zubehör“ bei Amazon.de für vier Euro.

Schutz und Reinigung der Tastatur

Wenn Sie Ihre Tastatur bei Nichtbenutzung vor Staub und Getränken schützen wollen, brauchen Sie dafür keine Tastaturabdeckung kaufen. Legen Sie die Tastatur einfach mit den Tasten nach unten auf den Tisch. Bei einem Notebook könnten Sie auf die Idee kommen, den Deckel eines Notebooks zu schließen. Tun Sie das möglichst selten − die Deckelscharniere sind empfindlich, geradezu eine Sollbruchstelle.

Auf Computertastatur und Maus können hunderte mal mehr Bakterien und Keime zu finden sein als auf einem Toilettensitz. Hauptursachen: Verzicht auf das Händewaschen nach der Toilette und Essen bzw. Naschen am PC. Krümel, Haare, Insekten und Schweißrückstände sind ein prima Nährboden für Keime.

Wie kann man eine Tastatur reinigen? Tastatur mit den Tasten nach unten leicht auf den Tisch klopfen. In die Ritzen blasen ist hilfreich, ein Pinsel ist besser, ein wenig Pressluft ist prima. Alkohol tötet Bakterien: Wickeln Sie ein alkoholisiertes Reinigungstuch um die EC-Karte und ziehen Sie diese durch die Ritzen.

Ein Tipp für Brillenträger: Nach jeder Brillenreinigung kann man das Reinigungstuch weiterverwenden, um ein paar Tasten abzuwischen. Falls Sie Desinfektionsmittel aufsprühen wollen: Vorsicht! Bei manchen Tastaturen (vor allem bei Notebooks) ist die Elektronikplatine unter den Tasten nicht vor Feuchtigkeit geschützt. Die Elektronik darf nicht feucht werden, sonst könnte die Platine aufquellen oder es könnte Kurzschlüsse geben.

Bevor Sie ein „Tastaturreinigungsset“ für zehn Euro kaufen, bedenken Sie: eine einfache Tastatur gibt es schon für zehn Euro zu kaufen.

Notlösungen

Sie sitzen an einer wichtigen Arbeit und die Tastatur ist kaputt? Wenn nur eine selten gebrauchte Taste klemmt: Halten Sie die Alt-Taste gedrückt, tippen Sie auf dem Ziffernblock den ASCII-Code des Zeichens ein und lassen Sie die Alt-Taste los. Alt-6-5 beispielsweise ergibt „A“. Die bessere Lösung für jede Windows-Version: Unter Zubehör -> Eingabehilfen finden Sie die Bildschirmtastatur. Sie können auch „OSK“ an der Eingabeaufforderung oder im Suchfeld eintippen, falls diese Tasten nicht funktionieren, hier der ASCII-Code von OSK: 79, 83, 75. Benutzer von Windows 8 wechseln zum Desktop, klicken mit der rechten Maustaste auf eine freie Stelle und „Anpassen“. Im „Center für erleichterte Bedienung“ finden Sie die Bildschirmtastatur.


Maus (engl.: „Mouse“)

Mechanische Maus

Die mechanische Maus

Funktionsweise: Eine gummierte Kugel rollt auf der Tischplatte. Im Inneren des Gehäuses wird die Kugel gegen zwei rechtwinklig zueinander angeordnete Walzen gedrückt und dreht diese mit. Auf die Walzen sind Zahnscheiben aufgesetzt. Ein Zähler registriert, wie viele dieser Zähne sich an der Lichtschranke vorbeidrehen.

Damit die Kugel auf einer glatten Tischfläche nicht rutscht, ist meist ein Mousepad und eine periodische Innenreinigung nötig.

Mechanische Mäuse sind inzwischen veraltet.


Die optische Maus

Vor vielen Jahren bezeichnete man eine Kugel-Maus als „optisch“, wenn sie kabellos (über Infrarot) mit dem PC verbunden war. Die Infrarotübertragung war recht unzuverlässig, es störten bereits kleinste Hindernisse auf dem Tisch. Heute erfolgt die kabellose Übertragung über Funk, und die Bezeichnung „optisch“ bezeichnet eine Maus, welche die Unterlage mit einem optischen Sensor abtastet.

Funktionsweise

Eine Leuchtdiode beleuchtet die Unterlage, ein Foto-Chip (ähnlich wie in einer Digitalkamera) fotografiert ständig die Tischplatte. Ein Programm vergleicht die Fotos und ermittelt daraus, ob eine Bewegung stattgefunden hat.

Vorteil

  • Nie wieder Maus reinigen!
  • Lange Lebensdauer

Nachteil

  • Normale optische Mäuse sind für Notebooks wegen des ständigen Stromverbrauchs nur bedingt geeignet. Es gibt spezielle stromsparende optische Mäuse für Notebooks.
  • Drahtlose optische Mäuse ohne Akkus brauchen alle paar Monate neue Batterien; das verursacht regelmäßige, wenn auch geringe Kosten und gelegentlich Ärger, wenn gerade keine Batterien zur Hand sind. Logitech und einige andere Hersteller bieten Mäuse mit eingebautem Akku an.
  • Bei einigen exotischen Maustypen schaltet die Elektronik in Arbeitspausen ab, um Energie zu sparen. Um die Maus aufzuwecken, muss man eine Maustaste oder - besser - das Mausrad drücken. Das kann äußerst nervig sein.
  • Ein weiteres Problem: Wenn die Maus-Ladestation über USB-Anschluss mit Strom versorgt wird, dürfen Sie den PC nach der Arbeit nicht stromlos machen, sonst wird Ihre Maus nicht nachgeladen und ist irgendwann leer. Wenn Sie nun aber auf die empfohlene abschaltbare Steckdosenleiste verzichten, könnten die jährlichen Bereitschaftsstromkosten deutlich höher ausfallen als pro Monat ein Batteriesatz für die Maus. Eine Zwickmühle ...
  • Auf Glasplatten, durchsichtigen Schreibtisch-Unterlagen und extrem reflektierenden Flächen funktionieren optische Mäuse nicht. Notfalls bleibt Ihnen nichts anderes übrig, als ein Blatt Papier unter die Maus zu legen, dann funktioniert sie immer. Manchmal gibt es auch Probleme mit dunkel furnierten Tischplatten, Karopapier, 40 x 60 cm großen Schreibtischkalendern und manch anderen gemusterten Oberflächen. Neu im Angebot finden sich Mäuse mit Laserabtastung. Hier sind solche Probleme seltener. Die neueste Technologie von Logitech heißt „Darkfield“ und kommt auch mit Glastischen und lackierten Schreibtischoberflächen klar.

Mausrad

Mit dem Rad auf der Oberseite der Maus kann man in langen Texten schnell hoch und herunter rollen. Kennen Sie übrigens die Einrastfunktion? Umschalt-Taste gedrückt halten und auf das Mausrad drücken?

Es gibt auch Mäuse, deren Rad auf seitlichen Druck empfindlich reagiert. So kann man in waagerechter Richtung rollen.

Im Juli 2008 hat die Firma Genius das „Opto-Wheel“ vorgestellt [26]. Das Rädchen auf der Maus-Oberseite ist durch einen optischen Sensor ersetzt worden. Durch Streichen des Fingers über den Sensor kann man das Dokument in jede Richtung scrollen.

Trackball

Trackball

Trackball: Stellen Sie sich eine Maus vor, die „auf dem Rücken liegt“, mit der Kugel nach oben. Die Kugel hat einen Durchmesser von drei bis vier Zentimetern und wird mit den Fingerspitzen gedreht. Der Vorteil: Ein solcher Trackball benötigt wenig Platz auf dem Tisch und ist eine Alternative für reisende Notebookbenutzer, die das Touchpad nicht mögen. Trackballs haben zwar eine Kugel, aktuelle Modelle sind aber eigentlich keine mechanischen Mäuse, da die Kugel optisch abgetastet wird.

Vertikale Maus

Vertikale Maus

Eine „vertikale Maus“ schont das Handgelenk noch mehr als ein Trackball. So eine „Maus“ ist sehr empfehlenswert, wenn Sie zu Sehnenscheidenentzündungen neigen.

Anschlüsse

Für die Maus stehen am PC ein PS/2 Anschluss und mehrere USB-Anschlüsse zur Verfügung. Man kann sogar mehrere Mäuse anschließen, alle funktionieren gleichberechtigt. So kann jeder seine Lieblingsmaus benutzen. Wenn die Batterie in Ihrer kabellosen Maus leer ist, können Sie zu Ihrer alten Maus greifen. Mäuse haben oft einen USB-Anschluss, auf den ein PS/2-Adapter aufgesteckt ist. Tipp: Verwenden Sie diesen Adapter und stecken Sie die Maus an den PS/2-Anschluss, dann sparen Sie einen USB-Anschluss für andere Verwendungen.

Relativ neu ist die Unifying-Technologie von Logitech. Ein winziger USB-Empfänger kann die Verbindung mit bis zu sechs Geräten gleichzeitig halten. Die Übertragung erfolgt verschlüsselt im 2,4 GHz-Frequenzbereich. Die Technik ist stromsparend, die Batterielaufzeit kann drei Jahre erreichen. Besonders praktisch bei Notebooks: Sie können mehrere Eingabegeräte anschließen und belegen nur einen der knappen USB-Ports. Der Stick ist so klein, dass er ständig eingesteckt bleiben kann, ohne Schaden zu nehmen.

Mögliche Probleme

Funkmaus synchronisieren

Nach dem Kauf, einer Reparatur oder einem Batteriewechsel müssen Maus und Tastatur synchronisiert werden. Das bedeutet, dass beide eine unbenutzte Funkfrequenz suchen. Wie geht die Synchronisierung vonstatten? Sie sollten die der Maus beiliegende Anleitung lesen. Wenn Sie diese nicht finden, funktioniert meist das folgende Verfahren: An der Unterseite der Maus sowie am Sender-/Empfänger-Basisteil gibt es eine kleine Taste. Drücken Sie kurz nacheinander die Taste an der Maus, dann an der Basisstation und noch mal an der Maus, und es sollte funktionieren. Dieser Hinweis gilt analog für kabellose Tastaturen.

Mehrere Funkmäuse können Probleme machen

Wenn Sie mehrere PC im gleichen Raum mit Funkmäusen ausstatten wollen, sollten Sie nicht mehrere Mäuse des gleichen Modells kaufen oder zumindest ein Rückgaberecht vereinbaren. Es ist nicht ausgeschlossen, dass alle Mäuse die gleiche Funkfrequenz benutzen und sich gegenseitig stören. Mäuse verschiedener Hersteller benutzen meist verschiedene Frequenzkanäle und werden sich vermutlich nicht gegenseitig stören.

Funkmaus und -tastatur funktionieren beide nicht

Das kann Ihnen passieren, wenn die Geräte nicht synchronisiert sind. Windows überprüft beim Hochfahren, welche Geräte angeschlossen sind. Nicht synchronisierte Geräte gelten als nicht vorhanden. Was tun?

Synchronisieren Sie zuerst die Geräte. Doch das nützt zunächst nichts, denn Windows benutzt Geräte nicht, die beim Hochfahren noch nicht betriebsbereit waren. Drücken Sie nun kurz auf die Einschalttaste des PCs. Das ist für Windows die Aufforderung zum Notfall-Herunterfahren. Beim nächsten Start erkennt Windows, dass jetzt Eingabegeräte vorhanden sind. Nun sollten die Geräte funktionieren.

Der Mauszeiger ruckelt

Meist ist eine überlastete CPU schuld. Auch eine schlechte Funkverbindung zur Maus kann die Ursache sein. Funkstörungen können von der Mikrowelle, dem Powerline-Adapter oder der DECT-Basisstation ausgehen. Vielleicht hilft es, wenn Sie den Funkempfänger der Maus an der Vorderseite des PC einstöpseln, näher zur Maus.

Abgesicherter Modus geht nicht

Wenn Windows Probleme hat, vor allem nach Abstürzen und bei Problemen mit Treibern, fährt Windows im „abgesicherten Modus“ hoch. In diesem Modus werden nur die unverzichtbaren Standardtreiber geladen, um Reparaturarbeiten zu erleichtern. Leider betrifft das mitunter die Treiber von speziellen Funkmäusen und Funktastaturen. Ohne Treiber funktionieren weder Maus noch Tastatur. Sie können Windows nicht mehr bedienen und reparieren. Deshalb sollten Sie eine klassische Maus und Tastatur, falls vorhanden, für Notfälle aufheben. Das ist auch dann hilfreich, wenn die Batterie der Maus leer ist.

Die Maus ist kaputt

Sie müssen eine Arbeit unbedingt fertigstellen? Sie haben eine neue Maus angesteckt und Windows fordert Sie auf, auf „Weiter“ zu klicken, um den Maustreiber zu installieren? Mit der Tabulator-Taste können Sie reihum zu jedem Button wechseln, der Mausklick wird durch die Enter-Taste ersetzt. Alt-Enter ersetzt den Klick mit der rechten Maustaste. In Options-Menüs können Sie mit den Kursortasten des Ziffernblocks navigieren und mit der Leertaste eine Option auswählen. Im Windows-Explorer wechseln Sie mit der Tab-Taste zwischen Ordner- und Dateiliste. Wenn Sie die Alt-Taste drücken, wird in der Menüzeile in jedem Wort ein Buchstabe unterstrichen. Wenn Sie den entsprechenden Buchstaben tippen, wird das zugehörige Untermenü aufgeklappt.

Mit der Windows-Taste rufen Sie das Startmenü auf. Bei gedrückter Alt-Taste können Sie zwischen laufenden Anwendungen wechseln. Mit Alt-F4 können Sie jedes Programm beenden und auch Windows herunterfahren. Alles, wirklich alles, kann notfalls auch ohne Maus bedient werden − doch ich gebe zu, mit der Maus ist vieles einfacher.


Wollen Sie mehr über Mäuse wissen?


Touchpad

Touchpad

So heißt die berührungsempfindliche Fläche, die vor allem bei Notebooks verwendet wird. Durch Bewegung des Fingers auf dem Touchpad wird der Mauszeiger bewegt. Statt des linken Mausklicks kann die Fläche am gewünschten Punkt angetippt werden, sogar Doppelklick ist möglich. Das Touchpad ist eine prima Erfindung, wenn man unterwegs ist und keine Tischplatte in der Nähe ist. Für Zuhause kaufen sehr viele Notebook-Besitzer eine konventionelle Maus, weil die Arbeit damit wesentlich schneller geht (wenn eine Tischplatte in der Nähe ist). Für Notebooks gibt es spezielle Mäuse: Klein, energiesparend, mit aufrollbarem Anschlusskabel. Auch Trackballs können eine geeignete Alternative zu einem Touchpad sein.

Von IBM stammt eine weitere Lösung: Ein Steuerknüppel inmitten der Tastatur, TrackPoint genannt. Drückt man seitlich gegen diesen Stick, bewegt sich der Mauszeiger in die entsprechende Richtung. Einige Notebook-Hersteller bieten so einen Stick an, unter dem geschützten Namen TrackPoint aber nur Lenovo, da IBM ihre Notebook-Sparte mittlerweile an dieses Unternehmen veräußert hat.


PDA von Apple mit Touchscreen

Touchscreen

Ein Touchscreen, Tastschirm bzw. Sensorbildschirm ist eine Kombination von Ein- und Ausgabegerät. Berührt man einen solchen Bildschirm mit dem Finger oder einem Stift, kann der Computer die Koordinaten des Berührungspunktes ermitteln. Dadurch wird eine weitgehend intuitive Steuerung des Computers möglich. Derartige Geräte werden seit Jahren in Fahrkarten- und Bankautomaten verwendet. Tastatur und Maus werden dadurch überflüssig.

In industriellen Anwendungen ist von Vorteil, dass sie weniger störungsanfällig und schmutzempfindlich sind als Tastaturen.

Der iPod, Smartphones, PDA (Persönlicher Digitaler Assistent), Navi’s, Tablet-PCs und andere Geräte werden mit Touchstreen bedient.

Berührungsempfindliche PC-Bildschirme sind noch selten. Durch Windows 8 und 10 wird sich das wohl ändern, vor allem bei Notebooks.

Technologien

Systeme, die mehrere Berührungen gleichzeitig erlauben, heißen „Multitouch“. Mit zwei Fingern kann man beispielsweise angezeigte Elemente drehen oder vergrößern.

Wie funktioniert ein Touchscreen? Von mehreren Verfahren werden hier einige genannt.

  • Die ersten Touchscreens gab es schon vor 30 Jahren: Vor einem Röhrenbildschirm waren Lichtschranken angebracht. Die Genauigkeit erreichte damals zwar nur fünf Millimeter, doch zum Zeigen auf eine größere Schaltfläche reichte das völlig aus.
  • Nachfolger dieser optischen Touchscreens werden in Kiosksystemen, Fahrkarten- und Bankautomaten, beim Kindle Touch und dem Tolino Shine verwendet.
  • Analoge Resistive Touchscreens bestehen aus einer inneren Glasscheibe und einer flexiblen äußeren Scheibe, z. B. einer dünnen Polyesterscheibe. Die Scheiben berühren sich nicht und werden durch mikroskopische Abstandshalter (engl. Spacer Dots) getrennt. Die inneren, einander zugewandten Seiten sind mit einem lichtdurchlässigen Widerstandsmaterial beschichtet. Die Polyesterschicht biegt sich durch, wenn man auf den Bildschirm drückt, und berührt die Gegenseite. Je nach Berührungspunkt wird ein unterschiedlicher Widerstand gemessen. Über diese Veränderung wird die Position der Berührung berechnet.
    • Vorteile: Resistive Touchscreens arbeiten sehr genau und lassen sich auch mit einem Handschuh oder einem Stift bedienen. Sie sind im hellen Sonnenschein besser zu erkennen als kapazitive Touchscreens.
    • Nachteile: Bei häufigem Gebrauch verändern sich die Widerstandsschichten durch den Druck und die Genauigkeit lässt nach. Die Polyester-Oberfläche ist mechanisch empfindlich und verkratzt leicht. Multitouch funktioniert nur mit maximal zwei Fingern.
  • Die meisten Smartphones und Tablets sind mit kapazitiven Touchscreens (Projected Capacitive Technology) ausgestattet. Bei dieser Technologie sind voneinander isolierte leitfähige Streifen über Kreuz angeordnet und bilden an jedem Kreuzungspunkt einen Kondensator. Berührt man einen Kreuzungspunkt, verändert sich durch die Nähe des (geerdeten) Fingers die Kapazität des Kondensators, was man messen kann. Je feiner das Gitter, desto höher die Genauigkeit. Die Oberfläche darf flexibel sein − muss es aber nicht.
    • Vorteile: Diese Touchscreens sind sehr robust, die Glasoberfläche ist so gut wie verschleißfrei. Mehr als zwei Finger können erkannt werden.
    • Nachteile: Bei bei grimmiger Kälte sind sie nicht so toll: Sie funktionieren nicht, wenn die Finger in einem Handschuh stecken. Im Fachhandel gibt es für etwa 30 Euro Spezialhandschuhe mit leitfähigen Fingerspitzen sowie Spezialstifte.
  • Induktive Touchscreens arbeiten mit Magnetfeldern. Ein spezieller Eingabestift (mit einer Spule darin) wird benötigt. Diese Technik wurde von den Grafiktabletts übernommen (siehe zwei Seiten weiter).
    • Vorteile: Die Oberfläche ist robust. Ein aufliegender Handballen stört nicht.
    • Großer Vorteil: Das Gerät wird durch einen aufliegenden Handballen nicht irritiert, was beim Schreiben und Malen sehr vorteilhaft ist. Einige Geräte erkennen sogar die Neigung des Stiftes.
    • Nachteile: Genau wie bei den Grafiktabletts funktioniert es nur mit speziellen Eingabestiften (mit einer integrierten Spule). Es wird relativ viel Strom benötigt, für Smartphones sind diese Displays deshalb kaum geeignet, doch in einigen höherwertigen Tablets werden sie verwendet.
  • Die Oberflächenwellen-Technologie (engl. Surface Acoustic Wave, SAW) arbeitet mit Ultraschallwellen, die horizontal und vertikal in eine Glasplatte eingespeist werden. Auf der jeweils gegenüberliegenden Seite treffen die Schallwellen auf einen Sensor. Bei Berührung der Glasplatte mit dem Finger wird ein Teil der Wellen absorbiert. Die Koordinaten des Berührungspunktes werden durch Messung der Zeit seit der Absorbtion berechnet. Die Stärke des Fingerdruckes wird über den Grad der Absorbtion gemessen.
    • Diese Technologie ist noch recht teuer, aber sehr präzise und robust. Gehärtetes Glas mit bis zu 6 mm Dicke schützt zuverlässig vor Vandalismus.
  • Die Dispersive Signal Technologie erkennt die Vibrationen, die bei Berührung des Displays entstehen. Die Vibrationsenergie wird von Sensoren gemessen, die sich in jeder Ecke des Touchscreens befinden.
  • Bei der Technologie „Frustrated Total Internal Reflection“ sind Infrarot-LEDs an der Seite einer Acrylglasscheibe angeordnet. Das Licht wird an den Wänden der Scheibe reflektiert und bleibt innerhalb der Scheibe. Doch wo Druck auf die Scheibe erfolgt, ändern sich deren optische Eigenschaften und das Licht wird aus der Scheibe herausgelenkt. Unter der Scheibe sind Infrarot-Sensoren, die das Licht auswerten und die Fingerposition(en) weitermelden.

Weitere Verfahren (Angulation sowie DiamondTouch) sind für tischgroße Displays geeignet und werden hier nicht betrachtet.

Teilweise werden mehrere Verfahren auf einem Display kombiniert: Beim Samsung Galaxy Note wird die kapazitive Technik für die Handeingabe verwendet. Wenn man den S-Pen benutzt, hat dieser Priorität. Auch beim Microsoft Surface Pro hat der Stift Priorität, damit man ungestört schreiben kann.

Im Jahr 2010 wurden ein experimentelles Ultraschall-Smartphone auf einer Messe gezeigt. Im Gehäuse waren rund um das Display Ultraschall-Lautsprecher und -Mikrofone angeordnet. Damit kann die Umgebung beobachtet werden, wie es die Fledermäuse machen. Auf eine Entfernung bis zu einem halben Meter ist die Gestensteuerung möglich.

Displayreinigung von Smartphones und Tablet-PC

Nach einer aktuellen Untersuchung des BITKOM ekeln sich 15 Prozent der Deutschen davor, das Mobiltelefon anderer Leute zu benutzen. Das ist verständlich. Essensreste, Handcreme und Schminke bilden einen prima Nährboden für Bakterien und Keime.

Glasreiniger, Alkohol, Spülmittel und Seifenlaugen können langfristig die fettabweisende Oberfläche der Geräte beschädigen und so ihre Bedienbarkeit beeinträchtigen. Lesen Sie die Pflegehinweise im Handbuch! Abgesehen davon sollten elektronische Geräte nicht mit Wasser in Berührung kommen: Eindringende Feuchtigkeit kann Schaltkreise korrodieren lassen.

Gut geeignet sind Mikrofasertücher, wie z. B. trockene Brillenputztücher. Die Mikrofaser nimmt das Fett selbst im trockenen Zustand auf. Achten Sie darauf, dass sich keine groben Partikel auf dem Touchscreen befinden, die beim Reiben Kratzer hinterlassen könnten.



Grafiktablett und Maus

Grafiktablett

Ein Grafiktablett ist ein Zeigegerät für Computereingaben. Die Spitze eines stiftförmigen Sensors wird über eine Platte bewegt. In der Platte befindet sich ein Gitternetz aus Sensordrähten. Der Stift sendet Daten über seine Position und den ausgeübten Druck an das Tablett; die so gewonnenen Bewegungsdaten werden vom Grafiktablett an den Computer übermittelt.

Grafiktabletts haben eine sehr viel höhere Auflösung als Touchscreens. Der Stift muss die Oberfläche nicht berühren, man kann eine Zeichnung auf das Tablett legen und durchpausen.

Haben Sie schon einmal versucht, mit der Maus Ihren Namen zu schreiben? Es ist schwierig. Linien mit einem Stift zu ziehen, zu malen oder zu schreiben ist einfacher und viel genauer als mit einer Maus. Deshalb werden Grafiktabletts vor allem bei der digitalen Bildbearbeitung, beim Zeichnen und in der Videobearbeitung eingesetzt.


Ergonomie bei Eingabe und Anzeige von Mobilgeräten

In den neunziger Jahren, als der Masseneinsatz von Computern begann, wurden zahlreiche „computerbasierte Krankheiten“ diagnostiziert und teils als Berufskrankheiten anerkannt. Es gibt gesetzliche Vorgaben für Bildschirmarbeitsplätze und Arbeitsschutznormen für stationäre Computer. Doch für mobile Geräte fehlen Vorgaben und Empfehlungen weitgehend. Die Oberkante des Bildschirms sollte sich möglichst in Augenhöhe befinden und die Oberfläche senkrecht zur Blickrichtung. Wenn Sie Notebook oder Tablet auf dem Schoß betreiben, werden die Muskeln der Halswirbelsäule überdehnt. Nacken und Wirbelsäule reagieren höchst empfindlich auf Fehlhaltungen. Quetschungen und Überdehnungen der durch die Wirbelsäule laufenden Nerven können die Folge sein. Wenn Sie Ihr Mobilgerät unbedingt auf dem Sofa oder im Bett benutzen wollen, sollten Sie dabei zumindest nicht auf der Seite liegen und alle zehn Minuten eine Pause machen. Ein Touchscreen oder ein Touchpad sollte zur Bedienung waagerecht liegen oder maximal 30 Grad geneigt sein. Die Handgelenke und Ellenbogen sollten auf dem Tisch aufliegen können. Andernfalls drohen zwei Arten gesundheitlicher Schäden:

  • Um den oberen Teil des Touchscreens zu erreichen, muss der Arm oder zumindest der Unterarm angehoben werden. Das erschöpft die großen Armmuskeln sehr schnell.
  • Um auf einem (fast) senkrecht stehenden Touchscreen eine „Taste“ zu drücken, muss das Handgelenk nach oben angewinkelt werden (Dorsalflexion). In dieser angewinkelten Stellung können schnelle Multitouch-Gesten zu Verletzungen führen. Das Risiko von „Karpaltunnelverletzungen“ ist groß.

Weil sich bei den meisten Notebooks Tastatur und Display nicht trennen lassen, sind entweder Tastatur oder Display stets ungünstig positioniert. Wenn Sie intensiv mit einem Notebook arbeiten, sollten Sie

  • entweder einen externen Monitor für das Notebook anschaffen, um augen- und genickschonend zu arbeiten (für die Muskeln des Genicks ist es eine anstrengende Arbeit, den schweren Kopf zu halten, wenn Sie ihn für den Blick auf Tablet oder Smartphone langandauernd nach unten neigen),
  • oder eine externe Tastatur anschließen, und Sie sollten das Notebook hochstellen (auf einen Bücherstapel), damit es sich in einer augenfreundlichen Höhe befindet,
  • und statt mit Touchpad oder Touchscreen lieber mit einer Maus arbeiten.

Am besten setzen Sie alle drei Empfehlungen um. Und wenn Sie ein Tablet intensiv nutzen, sollten Sie ebenfalls über Zusatzgeräte nachdenken. Speziell für Vielreisende gibt es kleine und leichte Tastaturen (nur 170 Gramm!). Bei den mechanischen Tasten einer Tastatur spüren es die Finger durch den Widerstand oder den Druckpunkt, wenn die Taste weit genug gedrückt ist. Bei den virtuellen Tastaturen fehlt dieses taktile Feedback: der Finger spürt nicht, ob er die Taste stark genug gedrückt ist. Messungen ergaben, dass der Finger bis zu acht mal stärker auf das Bild der Taste drückt, was die Muskeln vom Finger bis zum Unterarm anstrengt. Es gibt eine Hilfe: Konfiguriert man einen Klicklaut beim Drücken einer Taste, ersetzt dies das fehlende taktile Feedback wenigstens zum Teil. Vorausgesetzt, man hört das Klicken, wenn es laut ist. Vorausgesetzt, Sie müssen das Klicken nicht abschalten, weil es in einer leisen Umgebung von den Mitmenschen als störend empfunden wird. Wenn Sie viel schreiben müssen, sollten Sie sich eine externe Tastatur anschaffen, vielleicht mit Bluetooth-Interface. Ob Augen, Genick, Handgelenk oder Mausarm: Die meisten Beschwerden lassen sich kaum behandeln und nicht restlos heilen. Ich nehme an, auch Sie wenden viel Zeit und Geld auf, um sich gesundheitsbewusst zu bewegen und zu ernähren. Sparen Sie nicht an Aufmerksamkeit und den paar Euro, um computerbedingten Gesundheitsschäden vorzubeugen!

Elemente eines Joysticks
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Anschlüsse für Joysticks

Joystick

Joysticks (von englisch joy = „Freude“ und stick = „Stock“) sind in der Technik weit verbreitet. Sie dienen zur Steuerung von Flugzeugen, Waffen, Baukränen, Baggern, Landmaschinen und anderen Fahrzeugen.

Joysticks als Zubehör für Computer und Spielkonsolen werden ähnlich verwendet. Man steuert mit ihnen Fahrzeuge und Personen im Spielgeschehen. Meist gibt es zwei Achsen, um nach links/rechts sowie oben/unten zu steuern. Digitale Joysticks übermitteln dem PC nur die Richtung der Bewegung (links, rechts, vor, zurück). Analoge Joysticks übermitteln zusätzlich, wie weit der Stick bewegt worden ist. Viele neuere Joysticks sind mit „Force-Feedback“ ausgestattet, wobei das Spielgeschehen (z. B. holpriges Gelände) durch Vibrieren für den Spieler fühlbar gemacht wird. Der Coolie-Hat ist eine Art Mini-Steuerknüppel am Steuerknüppel, mit dem man bei manchen Spielen einen schnellen Blick rundum werfen kann.

Joysticks kommen zugunsten von Spezialsteuerungen aus der Mode. Für Autorennen beispielsweise gibt es Eingabegeräte in Form eines Lenkrades mit Fußpedalen. Die nebenstehenden Joystick-Anschlüsse sind an Computern kaum noch zu finden. Moderne Sticks werden an USB angeschlossen. Für den Anschluss älterer Sticks gibt es Adapter.

Bildschirme


Pixel-Auflösung

Der Computer als digital arbeitendes Gerät erzeugt digitale Bilder. Das bedeutet, dass jedes Bild - ob auf dem Bildschirm oder auf einem Ausdruck - aus vielen kleinen Pünktchen besteht. Diese Pünktchen nennt man Pixel, das ist ein Kunstwort aus „Picture Element“. Wenn die Pixel genügend dicht angeordnet sind, vermag das Auge sie nicht mehr einzeln wahrzunehmen und sie verschmelzen zu einem Gesamteindruck.

Typische höchste Auflösungen je nach Displaydiagonale
800 × 600 für 14-Zoll-Monitore (36 cm) 66 ppi
1024 × 768 für 15-Zoll-Monitore (38 cm) 79 ppi
1280 × 1024 für 17-Zoll-Monitore (43 cm) 84 ppi
1600 × 1200 für 19-Zoll-Monitore (48 cm) 96 ppi
1920 × 1080 bei 22-Zoll-Monitoren (56 cm) 101 ppi
1920 × 1200 bei 24-Zoll-Monitoren (61 cm) 93 ppi

Den Anzahl der Punkte pro Längeneinheit bezeichnet man als Auflösung. Bei einem Drucker gibt man sie als Dot Per Inch (DPI, Punkte pro Zoll) an. 300 DPI (das sind 12 Punkte pro Millimeter) sind das heute übliche Minimum. Einige Drucker schaffen 600 oder 1200 dpi, professionelle Maschinen 2400 dpi.

Bei Bildschirmen wird die Auflösung als pixel per inch (ppi, Pixel pro Zoll) angegeben. In Laufe der Jahre wurden die Bildschirme größer und auch die Auflösung stieg. Die typischen höchsten Auflösungen von Displays je nach Bildschirmdiagonale sind in der Tabelle dargestellt. Wenn man die Pixelzahl in der Waagerechten durch die Bildschirmbreite teilt, erhält man die Auflösung in ppi. Das Auge kann in der typischen Leseentfernung von 25 bis 30 cm etwa 300 Bildpunkte pro Zoll unterscheiden – dreimal mehr als ein PC-Bildschirm darstellen kann und ebenso viel wie ein 300-dpi-Drucker (auf gutem Papier, wo die Pixel nicht „ausfransen“). Ist Ihnen nun klar, warum viele Menschen Bücher und Dokumente lieber auf Papier als auf dem Bildschirm lesen, wenn sie die Wahl haben?

"Augenfreundlichkeit" von Displays
Gerät B x H Breite Pixel ppi
Apple iPad 3,5"   3,0" 960 326
Display 22" 4:3 17,6" 1920 109
Display 22" 16:9 19,2" 1920 100
Display 24" 16:9 20,9" 1920 92
Display 24" 16:9 20,9" 3840 184
Display 24" 16:9 20,9" 7680 368
Display 28" 16:9 24,4" 1920 79
Display 36" 16:9 31,4" 1920 61
Display 36" 16:9 31,4" 3840 122
Display 36" 21:9 33,0" 2560 77

Hochauflösendes Fernsehen (HDTV) arbeitet mit 1920 × 1080 Pixeln, auch Kauf-DVDs mit Filmen werden in dieser HD-Auflösung gespeichert. Diese Auflösung ist auch für PC- und Notebook-Displays zum Quasi-Standard geworden. Einige 20"-Bildschirme, die meisten 22"- und wohl alle von 24" und größer erreichen 1920 × 1080 als Maximum. Noch höhere Auflösungen von 2560 × 1440 oder 3840 × 2160 sind noch ungewöhnlich. Aber selbst diese Auflösungen sind noch weit von den Möglichkeiten des Auges entfernt, erst die "8k" Auflösung von 7680 x 4320 erreicht "Augenniveau". Bessere Auflösungen wurden zuerst bei den kleinen Displays von Apple-Smartphones erreicht. Das Smartphone „iPhone 4“ von Apple konnte 960 × 640 Pixel auf einem Bildschirm von 7,5 × 5 cm unterbringen. Weil es mit seinen 326 ppi mehr Pixel hat als das Auge aus 25 bis 30 cm Entfernung erkennen kann, wählte Apple für dieses Display die Bezeichnung „Retina-Display“ (die Retina ist die Netzhaut des Auges mit den Lichtsensoren). Beim iPhone 11 Pro werden 458 ppi erreicht. Auch Smartphones anderer Hersteller erreichen ähnliche Pixeldichten. Wobei 350 ppi auf den kleinen Bildschirmen für Benutzer mit normaler Sehstärke bei normalem Betrachtungsabstand ausreichen, um keine einzelnen Pixel mehr erkennen zu können. Wenn man das Handy nah ans Auge hält, sind 500 ppi sinnvoll.

LCD-Bildschirme haben nur eine einzige feste Auflösung, auch „native“ oder „nominelle“ Auflösung genannt. Eine höhere als die nominelle Auflösung ist unmöglich einzustellen (manche Grafiktreiber unterstützen es dennoch, schaffen dann aber nur eine virtuell verschiebbare Oberfläche. Die angezeigte Fläche wird dabei nicht größer). Geringere Auflösungen sind möglich, aber stets mit einem gewissen Verlust an Schärfe verbunden. Das Bild wird dabei grobkörniger. Das kann man während des Startvorgangs des Betriebssystems sehen: In der Startphase verwenden die meisten Betriebssysteme die Auflösung 640 × 480 Pixel, die von jedem Monitor und vor allem von jeder Grafikkarte beherrscht wird. Nachdem das Laden der Treiber abgeschlossen ist, wird von der grobkörnigen auf die vom Benutzer gewünschte, voreingestellte höhere Auflösung umgeschaltet. Voraussetzung dafür ist, dass für die Grafikkarte ein passender Treiber installiert ist. Einzige Ausnahme: Windows bringt einen Standardtreiber für die Auflösung 800 × 600 mit, der mit fast allen Grafikkarten funktioniert.

Ein Vergleich mit dem Fernsehen:

720 × 576 für PAL-Auflösung (ehemaliges analoges Fernsehen), also recht grobkörnig
1280 × 768 für HDTV-Ready
1920 × 1080 für den HDTV-Standard (High Definition TV)

Warum gibt es verschiedene Auflösungen?

Ob ein Film, das Fernsehbild oder ein Foto, all das wird in einer festen Auflösung aufgenommen, die von der Kamera abhängt. Eine 2-Megapixel-Kamera erzeugt stets Fotos in der Auflösung 1600 × 1200. Wenn der Bildschirm diese Auflösung nicht schafft, wird entweder nur ein Ausschnitt des Fotos dargestellt, oder das Bild wird durch Weglassen einiger Bildpunkte verkleinert.

Auflösung verringern

Wie erfolgt das etwas brutal klingende „Weglassen“? Angenommen, es soll ein Bild der Auflösung 1600 × 1200 auf einem Bildschirm der Auflösung 1280 × 1024 angezeigt werden. Vergleichen wir die Breite der Bildschirme. 1600 verhält sich zu 1280 wie 5:4. Aus fünf Pixeln in der Waagerechten müssen vier Pixel werden. Wie geht das?

  • Eine einfache Elektronik würde einfach die Spalten 5, 10, 15, 20 usw. weglassen. Sollte dort eine schmale senkrechte Linie sein, verschwindet sie. Pech gehabt.
  • Eine etwas bessere Elektronik würde von den Pixeln in Spalte 4 und 5 deren Farb- und Helligkeitsmittelwert berechnen und durch ein Pixel ersetzen. Ist das Pixel in Spalte 4 weiß und in Spalte 5 dunkelblau, werden beide Pixel durch ein einzelnes hellblaues ersetzt. Eine schwarze Linie auf weißem Grund würde dann grau werden. Das sieht nicht gut aus, aber wenigstens ist die Linie nicht völlig verschwunden.
  • Hochwertige Grafikkarten verwenden leistungsfähige, rechenintensive Algorithmen, mit denen die Bildpunkte beiderseits (Spalten 4 und 6) und sogar über und unter dem wegzulassenden Pixel berücksichtigt werden können.

Auflösung vergrößern

Wenn die Auflösung des Bildschirms größer ist als die des Fotos, gibt es zwei Möglichkeiten: Entweder wird das Bild in Originalgröße in der Mitte des Bildschirms scharf dargestellt, mit einem schwarzen Rand ringsherum. Oder es werden Bildpunkte in Höhe und Breite verdoppelt, bis das Foto den Bildschirm ausfüllt. Eine herkömmliche Fernsehkamera beispielsweise produziert Bilder mit einer Auflösung von 768 × 576 Bildpunkten. Das ist viel weniger, als heutige Bildschirme darstellen können. Daher sieht das klassische Fernsehen auf einem Computermonitor (und auf einem HDTV-Fernseher) grobkörnig aus.

Analoges geschieht bei Ausdrucken eines Fotos. Nehmen wir an, die Kamera hat ein Bild 1600 × 1200 aufgenommen. Viele Drucker haben eine Auflösung von 300 Bildpunkten pro Zoll. 1600 Pixeln ergeben gedruckt 5,33 Zoll (13,5 cm). Das Bild wird also in einer natürlichen Größe von 13,5 × 10 cm ausgedruckt. Wenn Ihnen das zu klein ist, kann das Grafikprogramm aus jedem Bildpunkt vier machen: Zwei nebeneinander und zwei untereinander. Nun ist das Bild 27 × 20 cm groß. Ein gutes Programm wird benachbarte Pixel etwas angleichen, um bessere Farbverläufe zu bekommen.

Computererzeugte Darstellungen

Völlig anders ist die Lage bei Darstellungen, die vom Computer erzeugt werden. Ob Windows-Desktop, Word-Schriftarten oder die Szene eines Computerspiels - der PC kann das alles in jeder gewünschten Auflösung „produzieren“. Mehr noch: Innerhalb der Darstellung können einzelne Bildkomponenten in der Größe verändert werden, beispielsweise kann man eine größere Schrift für Menüs auswählen. Probieren Sie doch mal: Während Sie eine Webseite geöffnet haben (z. B. die, welche Sie gerade lesen) drücken Sie die Taste Strg und halten Sie die Taste gedrückt, während Sie am Rädchen der Maus drehen! So können Sie die Ansicht von Webseiten vergrößern oder verkleinern. Das geht auch über den Menüpunkt „Ansicht“, Unterpunkt „Zoom“.

Pixelgrafik und Vektorgrafik

Es gibt zwei Möglichkeiten, das Aussehen grafischer Objekte im Computer zu speichern. Bei der sogenannten „Pixelgrafik“ wird Farbe und Intensität jedes Bildpunktes gespeichert. Kameras und Scanner erzeugen derartige Abbildungen. Stellen Sie sich vor, ein schwarzes Quadrat der Größe 50 × 50 Pixel soll dargestellt werden. Das sind 2500 Pixel mal 4 Byte, also 10 kByte Speicherbedarf bei 24-Bit-Farbe. Es geht auch anders: Der Grafikkarte wird die Koordinate eines Eckpunktes mitgeteilt und die Anweisung, eine 50 Pixel lange Linie nach rechts, dann 50 Pixel nach unten usw. zu zeichnen und die resultierende Fläche schwarz auszufüllen. Diese Art der Bildspeicherung nennt man „Vektorgrafik“, und sie braucht hundert mal weniger Speicherplatz und lässt sich einfach im Abbildungsmaßstab verändern.

Computerschriften

Früher wurden Schriften als Pixelmuster gespeichert, für jede Schriftgröße gab es eine separate Tabelle. Deshalb war die Auswahl an Schriftgrößen und Schriftarten gering. Dann wurden die „True-Type“-Schriften entwickelt. Das Aussehen der Buchstaben einer TT-Schrift ist nicht als Pixelmuster gespeichert, sondern als Formel („Vektorgrafik“). Die Ziffer drei z. B. kann vereinfacht als zwei übereinanderstehende, nach links geöffnete Halbkreise bzw. Ellipsen beschrieben werden. Für jede Schriftart gibt es für jeden Buchstaben eine einzige komplexe ­Formel anstelle einer Sammlung von vorbereiteten Pixelmustern in jeder gängigen Größe.

Aus der entsprechenden Formel kann − je nach Arbeitsteilung − die CPU, die Grafikkarte oder der Drucker für jedes Zeichen das Pixelmuster in jeder gewünschten Größe generieren. Deshalb sind True-Type-Schriften in jeder Größe immer scharf, und auch wenn man einen Buchstaben 60 cm groß macht, ist er immer noch scharf bis in die Ecken.

Seitenbeschreibungssprachen

Auch für Drucker gibt es ein Äquivalent zu den TT-Schriften: die Seitenbeschreibungssprachen, von denen PostScript (PS), Hewlett Packard Graphic Language (HPGL), Printer Command Language (PCL) und Portable Document Format (PDF) die bekanntesten sind. Die Druckseite wird als Liste von Formeln und Vektoren gespeichert. Die Druckerelektronik interpretiert den Druckauftrag in einem aufwendigen Rechengang (dem „Rendern“) und erzeugt daraus eine Pixelgrafik, welche die Möglichkeiten des Druckers optimal ausnutzt.

Welche Auflösung ist für mich die richtige?

Durch eine „höhere Auflösung“ kann bei gleichbleibender Auflösung der einzelnen Elemente (Buchstaben, Bilder, ...) ein größerer Ausschnitt einer Web- oder Textseite dargestellt werden. Der Vorteil: Man muss weniger scrollen. Buchstaben, Symbole und Bedienelemente, deren Darstellung nicht veränderbar ist, werden kleiner dargestellt. Doch das kann man in den Einstellungen weitgehend anpassen.

Die meisten Webseiten sind für eine Auflösung von 1280 x 1024 oder höher optimiert. Eine niedrigere als diese Auflösung einstellen zu müssen ist unpraktisch, man muss zu viel aufwärts/abwärts und rechts/links rollen. Trotzdem fühlen sich vor allem ältere Menschen wegen ihres teils schlechten Sehvermögens häufig zur Nutzung von niedrigen Auflösungen gezwungen.

Farb-Auflösung

Die Helligkeit eines Bildpunktes wird als Digitalzahl gespeichert. Bei einem Grauwertbild können mit 8 Bit 256 Schattierungen dargestellt werden - das ist normalerweise ausreichend.

Ein Farbbild ist aus drei Farben zusammengesetzt. Bei einen High-Color-Bild stehen für Rot und Blau je fünf Bit zur Verfügung (32 Abstufungen) und sechs Bit für Grün (64 Abstufungen). Heute sind acht Bit pro Farbe üblich, was 2(8+8+8) = 16 777 216 Farben ermöglicht und als True Color bezeichnet wird. Für spezielle Zwecke (z. B. wissenschaftliche und medizinische Fotografie) werden auch Auflösungen von 10, 12, 14 und 16 Bit pro Farbe verwendet.


TFT-Flachbildschirme

Prinzip eines TFT-DN-Monitors
1: Glas
2 & 3: Vertikale und horizontale Polarisationsfilter
4: RGB Farbfilter
5 & 6: Horizontale und vertikale Elektroden
7: Polyamidschicht
8: Zwischenraum

Weil die TFT-Bildschirme als Alternative zum Röhrenbildschirm angeboten wurden, mussten sie den gleichen 15-poligen analogen Anschluss haben. Dadurch konnte sich jeder Nutzer für einen TFT-Bildschirm entscheiden, ohne die Grafikkarte wechseln zu müssen. Die Ablösung der CRT-Geräte ist nahezu vollständig. Es gibt jedoch immer noch spezielle Anwendungen, wo CRT-Geräte unersetzbar sind.

TFT ist die Abkürzung von Thin Film Transistor (Dünn-Film-Transistor). Diese Fototransistoren sind so dünn, dass sie durchscheinend sind. Das ist eine Weiterentwicklung der LCD-Technik (Liquid Crystal Display). Allen TFT-Bildschirmen gemeinsam ist das Wirkprinzip:

Zu jedem Bildpunkt gehören drei winzige Farbfilter: Rot, Grün und Blau. Mit jedem Filter ist ein Fototransistor verbunden. Das Licht einer möglichst gleichmäßigen weißen Hintergrundbeleuchtung wird durch die Farbfilter in die drei Grundfarben zerlegt und danach mehr oder weniger stark abgeschwächt. Das „Restlicht“ trifft dann das Auge des Betrachters, wo die drei Farben zu einer Mischfarbe verschmelzen.

Farbfilter-Technologien

Am preiswertesten sind die TN-Panele (Twisted Nematic). Sie haben prinzipbedingt den geringsten Energiebedarf, allerdings ist die Farbwiedergabe mäßig (etwa 260 000 Farben). Je schräger man auf das Display schaut, desto schlechter wird der Farbkontrast. Wird die Oberfläche mit einem speziellen Film beschichtet, werden Kontrast, Farbtreue und Blickwinkel verbessert. Diese Panele werden mit „TN+Film“ beworben. Die Weiterentwicklung sind DSTN-Panele (Double-Super-Twisted-Nematic) mit besseren Farben. Die TSTN-Panele (Triple Super-Twisted Nematic) sind noch besser. VA-Panels (Vertical-Alignment) und MVA-Panels (Multi Vertical-Alignment) haben einen höheren Kontrast, natürlichere Farben und erlauben einen größeren Blickwinkel. Allerdings ist ihre Reaktionszeit länger und sie neigen zur Schlierenbildung. Wo das nicht stört, z. B. bei medizinischen und CAD-Anwendungen, sind sie begehrt. Für Spiele sind sie wenig geeignet. IPS-Panele (In-Plane Switching) vereinen die Vorteile von TN und VA. Der hohe Kontrast und die extrem hohe Farbtreue ist wichtig für Grafiker und Designer. Die Reaktionszeit ist kurz, der Betrachtungswinkel beträgt fast 180 Grad. Es gibt Weiterentwicklungen: S-IPS mit weiter verbessertem Kontrast sowie AH-IPS und E-IPS mit weiter verkürzten Reaktionszeiten. Seit Mitte 2012 produziert Sharp erste „IGZO-Bildschirme“. Fototransistoren aus Indium-Gallium-Zink-Oxid-Halbleiter anstelle von Silizium ermöglichen wesentlich kleinere Pixel. Auflösungen von 500 ppi sind möglich und auch höchste Auflösungen auf mittelgroßen Bildschirmen. Die ersten Notebooks mit IGZO-Display sind im Herbst 2013 in den Verkauf gekommen, die Massenproduktion großer Displays ist 2017 angelaufen.

Makro-Ansicht des Ausschnittes eines Farb-TFT-Displays

Hintergrundbeleuchtung

Früher wurden alle Displays von hinten mit Leuchtstoffröhren beleuchtet (CCFL-Technik). Ältere Displays und Fernseher benutzen vier Röhren. Um Herstellungskosten und vor allem Energie zu sparen, wurden zunehmend oft nur zwei Leuchtstoffröhren eingebaut (2CCFL-Technik). Das Licht wird mit milchigen und spiegelnden Folien auf die Fläche verteilt. Es ist nicht leicht, damit eine gleichmäßige Ausleuchtung zu erreichen.

Um Bildhelligkeit und Kontrast zu verbessern, wird eine möglichst helle ­Hintergrundbeleuchtung benötigt. Die gegenwärtig technisch beste (und teuerste) Lösung ist die Verwendung von weißen LEDs. Vorteile dieser LED-Displays sind deren geringere Bautiefe, gleichmäßigere Ausleuchtung, ein größerer Farbraum, längere Lebensdauer und im Vergleich zu Leuchtstoffröhren ein halbierter Energiebedarf.

Die LED-Hintergrundbeleuchtung wurde zuerst in hochwertigen Notebooks ­verwendet, um eine längere Akkulaufzeit zu erzielen. Inzwischen ist die LED-Technologie in der Mittelklasse angekommen.

Die Leuchtdioden können in den Ecken angeordnet sein (Edge LED), das ergibt ein recht flaches Gehäuse, oder in der gesamten Fläche hinter dem Display (Direct LED). Letzteres ist teurer und das Display wird dicker, doch die Ausleuchtung ist gleichmäßiger. Zudem können einzelne Hintergrund-LEDs in den dunklen Bereichen des Bildes dunkler geschaltet werden können, um den Kontrast zu verbessern.

Im hellen Sonnenschein ist auf dem Display nichts mehr zu erkennen, weil die Helligkeit der Hintergrundbeleuchtung nicht mit dem Licht der Sonne mithalten kann. Es gibt aber eine Lösung dafür: Das transflektive Display. Das Sonnenlicht wird ins Innere des Displays durchgelassen und dort reflektiert. Das Sonnenlicht ersetzt oder ergänzt die Hintergrundbeleuchtung. Dabei wird sogar Strom gespart. Derartige Displays werden als transflektiv oder transreflektiv bezeichnet und vorzugsweise für Mobilgeräte genutzt. Es gibt auch große transflektive Displays, die beispielsweise im Schaufenster aufgestellt werden können.




Gedanken vor dem Bildschirmkauf

Viele Leute kaufen einen neuen PC zwei- bis dreimal so oft wie einen neuen Monitor. Monitorkauf ist also eine Langzeitinvestition. Der Monitor ist das wichtigste Ausgabegerät. Ein mangelhafter Monitor verstärkt die Neigung zu Augen- und Kopfschmerzen, denn das Gehirn muss das von den Augen gelieferte unscharfe Bild nachbessern. Die Augenoptiker sind sich nicht einig darüber, ob ständige Anstrengung beim Sehen die Verschlechterung der Sehstärke beschleunigt.

Schätzen Sie zukünftige Entwicklungen ab. Denken Sie daran, wie schnell die Pixelzahl bei Digitalkameras in den letzten Jahren gestiegen ist. Auch im Internet gibt es einen Trend zu größeren Auflösungen und zunehmenden Detailreichtum bei Grafiken und Fotos. Das bedeutet für Sie:

Geizen Sie nicht beim Kauf des Monitors. Sie werden ihn jahrelang vor Augen haben.

Monitore werden zwar am Fließband produziert, trotzdem ist jedes Exemplar anders. Kaufen Sie möglichst keinen Bildschirm von der Palette oder im Versandhandel. Wenn Sie Wert auf Qualität legen, sollten Sie die Qualität nicht nur nach dem Vorführmodell beurteilen, sondern sich Ihr Exemplar in der nativen Auflösung vorführen lassen. Häufig wird die Wahl auf HDTV fallen, also 1920 x 1080 Pixel, und Sie sollten dann prüfen, bei welcher Bildschirmgröße, also z.B. 22, 24 oder sogar 27 Zoll, Ihnen die Darstellungsgröße einzelner Elemente, z.B. Desktop-Icons oder Programmmenüs, am ehesten zusagt.

Die Reaktionszeit von TFT-Bildschirmen wird von den Produzenten nach recht unterschiedlichen Methoden gemessen und ist teils geschönt. Es ist ratsam, Testberichte zu lesen.

Monitore mit integriertem Lautsprecher sind problematisch, da bei TFT-Monitoren die flache Bauweise es schwierig macht, einen guten Klang zu erhalten.

Ein „normaler“ Fernseher kann nicht an den PC angeschlossen werden, dafür braucht würde er eine Spezialbuchse brauchen. Die beliebte Kennzeichnung „HDTV vorbereitet“ sagt nichts über einen PC-Anschluss aus (eigentlich bedeutet diese Aussage nur, dass die Elektronik fähig ist, ein hochwertiges 1920 x 1080 HDTV-Bild so weit zu verschlechtern, dass es angezeigt werden kann).

Selbst wenn der Fernseher einen PC-Anschluss hat: Weil sich die Anzahl der Pixel bei Fernsehen (720 x 576 bzw. 1920 x 1080 bei HDTV) und PC unterscheidet, gibt es Schärfenprobleme bei TFT-Kombigeräten. Ende 2008 gab es noch kein Gerät, das gleichzeitig als Fernseher und als Computermonitor uneingeschränkt zu empfehlen ist. Sie werden sich wohl entscheiden müssen, was Ihnen wichtiger ist, und davon ausgehend die Bildschirmauflösung wählen.

Die immer beliebter werdenden Heimprojektoren (Beamer) verwenden die TFT-Technologie, daher gelten fast alle bisherigen Darlegungen auch für sie.

Ergonomie

Achten Sie beim Kauf auf das Prüfsiegel. Die schlechteste Norm ist MPR-1 darauf folgen MPR-2, TCO-92, TCO-95, TCO-99 TCO-03 und TCO-06. Die TCO-06, verabschiedet im Jahr 2006, wird mittlerweise von vielen Bildschirmen übertroffen.

Achten Sie beim Kauf eines großen LCDs mit hoher Auflösung darauf, dass die Grafikkarte dessen hohe Auflösung erreicht. Die maximale Auflösung bei Single-DVI beträgt 1920 x 1200 Pixel. Noch mehr Bilddaten können über einen DVI-Kanal nicht transportiert werden. Für eine höhere Auflösung brauchen Sie eine spezielle Dual-Link-Grafikkarte. Dual-DVI schickt über jeden der beiden DVI-Kanäle eine Hälfte der Bildinformation und kann damit eine Auflösung von maximal 2560 x 1600 Pixeln erreichen. Noch höhere Auflösungen sind nur über Thunderbolt, DisplayPort oder HDMI 1.4 möglich.


Grafikkarte


Grafikkarte nVidia Geforce 6600GT mit aktiver Kühlung, AGP
Grafikkarte nVidia Geforce 6200GT mit passiver Kühlung, PCI-Express

Die Grafikkarte hatte ursprünglich die Aufgabe, den Elektronenstrahl eines Röhrenbildschirms zu steuern. Der Elektronenstrahl erzeugt durch Beschuss der Fluoreszenzschicht des Bildschirms ein leuchtendes Bild. Weil die Bildpunkte nur für Sekundenbruchteile nachleuchten, muss der Elektronenstrahl jeden Bildpunkt immer wieder neu ansteuern. Bei Röhrenmonitoren muss das 85-mal pro Sekunde geschehen, um ein flimmerfreies Bild zu erhalten. Weil Flachbildschirme nicht flimmern, genügt bei ihnen eine Bildwiederholfrequenz von 60 Hertz.

Auf heutigen Grafikkarten sind mindestens 512 MB RAM eingebaut. Ein Teil dieses „Video-RAM“ (VRAM) wird als Arbeitsspeicher für den Grafikprozessor verwendet. Ein anderer Teil des VRAM wird als BildWiederholSpeicher (BWS) benutzt. In diesem BWS ist für jedes Pixel (Picture Element = Bildpunkt) des Bildes gespeichert, wie hell und in welcher Farbe er leuchten soll. Während der Elektronenstrahl über den Bildschirm huscht, liest die Elektronik der Grafikkarte immer wieder, 60-mal pro Sekunde oder öfter, Punkt für Punkt die im BWS gespeicherte Farbinformation und stellt sie an den digitalen Ausgängen der Grafikkarte für Flachbildschirme bereit.

Für die Ansteuerung älterer Monitore (z. B. von Röhrenmonitoren) muss eine Baugruppe „RAM Digital Analog Converter“ (RAMDAC) die digitale Farbinformation für jeden Bildpunkt in drei analoge Helligkeitssignale umwandeln, für jede der drei Grundfarben ein Signal. Diese drei Farbsignale, ergänzt um Synchronsignale für Zeilen- und Bildanfang, werden am analogen "VGA"-Ausgang bereitgestellt und über das Kabel zum Monitor gesandt, um die Bildschirmdarstellung zu aktualisieren.

Bauformen der Grafikkarte

Etwa bis ins Jahr 2000 waren PCI-Grafikkarten üblich, denn die PCI-Steckplätze der Hauptplatine hatten die schnellste Übertragungsrate. Weil PCI mit den wachsenden Anforderungen an die Grafikleistung nicht mehr mithalten konnte, bekam die Grafikkarte einen speziellen Steckplatz auf der Hauptplatine: den AGP-Steckplatz. AGP ermöglichte die doppelte Datenübertragungsrate wie PCI. Seit 2006 gibt es den heute noch genutzten Typ PCI-Express, der einen abermals deutlich beschleunigten Datentransfer ermöglicht. Seit Jahren werden nur noch Grafikkarten mit PCI-Express-Schnittstelle produziert.

Grafikkarten gibt es bereits ab 30 Euro. Hochleistungs-Grafikkarten für Spieler kosten über 500 Euro, wiegen fast ein Kilogramm und brauchen bis 375 W Strom. Zwei davon kann man in einen PC einbauen. Deren Grafikprozessoren haben bis zu fünfmal mehr Transistoren als aktuelle CPUs. Solange Sie keine 3D-Spiele starten, bleibt fast die gesamte Leistung der Grafikprozessoren ungenutzt. Bei den Spitzenmodellen ist der Preisverfall extrem hoch, weswegen sich für den durchschnittlichen Nutzer der Kauf kaum lohnt.

Für spezielle rechenintensive Aufgaben (z. B. für das „Bitcoin Mining“, das Generieren von Kryptowährung) wird die Rechenlast auf viele Grafikkarten verteilt. Spezielle Mainboards wie das „ASUS B250 MINING EXPERT" haben 19 PCIe-Steckplätze, an die mit Adaptern bis zu 19 Grafikkarten zu je 300 Euro angeschlossen werden können.

Auflösung und Farbtiefe

Als Auflösung bezeichnet man die Anzahl der Bildpunkte, die horizontal und vertikal untergebracht werden können. Eine Auflösung von 800 x 600 bedeutet, dass das Bild aus 800 Pixeln in der Waagerechten und 600 Pixeln in der Senkrechten besteht. Gebräuchlich ist die Auflösung von 1920 x 1080 Pixeln, wobei moderne Grafikkarten Auflösungen bis 3840 x 2160 beherrschen.

Farbtiefe nennt man die „Feinheit“ der Abstufung, mit der Farben gespeichert und wiedergegeben werden können. Windows unterscheidet True Color (24 Bit) und High Color (16 Bit).

Die 16 Bit High Color werden auf je 5 Bit für rot und Blau sowie 6 Bit für Grün aufgeteilt. Blau und rot können mit jeweils 25 = 32 Abstufungen der Helligkeit dargestellt werden, Grün mit 26 = 64 Abstufungen. Für grafische Darstellungen reicht das, für Fotos nicht.

Eine Farbtiefe von 24 Bit bedeutet, dass acht Bit auf jede der drei Grundfarben entfallen. Weil 28 = 256 ist, kann man 256 Helligkeitsabstufungen für jede der Grundfarben kodieren. Für Rot, Grün und Blau jeweils 256 Helligkeitsabstufungen ergeben 256 x 256 x 256 = 2 hoch 24 = 16.777.216 mögliche Farbkombinationen. Diese Auflösung wird TrueColor genannt. Diese Farbtiefe wird auch von Digitalkameras benutzt, so dass Fotos ohne Farbverlust wiedergegeben können. Allerdings reichen 16 Millionen Farben noch nicht aus, um tiefschwarze Schatten und gleißendes Licht darzustellen. In der Medizin und der professionellen Fotografie werden teilweise 16 Bit pro Farbkanal verwendet, was 281 Billionen Farben ergibt. Dafür braucht man Spezialkameras und -monitore. Hier sind Röhrenmonitore mitunter besser als TFT. Auf PCs mit 32-Bit-Architektur werden 32 Bit pro Pixel reserviert: 3 x 8 Bit für die Farben und weitere 8 Bit bleiben ungenutzt. Diese Speicherverschwendung wird inkauf genommen, weil die Verarbeitung von 32-Bit-Worten für einen 32-Bit-Prozessor schneller erfolgt als die Verarbeitung von 24-Bit-Worten.

Bei 1920 x 1080 Bildpunkten x 32 Bit Farbtiefe benötigt man 16 MByte VRAM auf der Grafikkarte. Wenn Sie mit Ihrem PC nicht spielen wollen, ist mehr VRAM auf der Grafikkarte eigentlich nicht nötig.
Tatsächlich hat ihre Grafikkarte viel mehr RAM. Grafikkarten mit weniger als 1024 MByte RAM werden nicht mehr hergestellt.

Wie viel RAM muss die Grafikkarte mindestens haben? Das hängt von der Bildschirmauflösung und der Farbtiefe ab. Jede Einstellung benötigt eine andere Menge RAM. Für jeden Grafikmodus ist eindeutig festgelegt, welche Bits im Grafik-RAM für welchen Bildpunkt zuständig sind.

Bei einer Auflösung von 1920 × 1080 werden 2,1 Millionen Pixel dargestellt. Die Farbinformation pro Pixel benötigt vier Byte (für die Speicherung von True Color werden die 24 Bit um ein weiteres Byte ergänzt, um auf eine gerade Bytezahl zu kommen). Es werden also 2,1 × 4 = 8,3 Megabyte gebraucht, aufgerundet auf die nächste Zweierpotenz ergibt das 16 MByte Bildwiederholspeicher. Wenn Sie mit Ihrem PC nicht spielen wollen, wäre mehr RAM auf der Grafikkarte nicht nötig. Tatsächlich hat Ihre Grafikkarte viel mehr RAM. Grafikkarten mit weniger als 512 MByte RAM werden nicht mehr hergestellt. Der große Rest vom RAM wird bei 3D-Darstellungen als Arbeitsspeicher für den Grafikprozessor verwendet. Für Spiele und Videoschnitt gilt wie bei der CPU: Mehr Grafikspeicher macht die Grafikkarte schneller!

Empfehlung: Sehen Sie doch einmal nach, wie Ihr Computer eingestellt ist:
Wenn Sie mit Windows arbeiten, klicken Sie mit der rechten Maustaste auf einen freien Bereich Ihres Desktops, dann mit der linken Taste auf „Eigenschaften“. Wählen Sie die Registerkarte „Einstellungen“. Links unten sehen Sie die Farbtiefe, und rechts unten finden Sie einen Schieberegler, unter dem die momentane Auflösung steht. Mit „Abbrechen“ kommen Sie wieder zurück.

Rendern

Sie wissen schon, dass bei „TrueType“-Schriften das Aussehen jedes Buchstabens mit einer Formel beschrieben wird, weil man nur so die bestmögliche Darstellung in jeder beliebigen Größe berechnen kann, ob für Drucker oder Bildschirm. Viele Gestaltungselemente von Webseiten und auch die Hintergründe, Spielszenen und -figuren von Computerspielen werden mit Formeln beschrieben. Mit den Formeln wird berechnet, welche Bildpunkte leuchten sollen und welche nicht. Diese Berechnung ist schwierig und aufwendig: Einerseits gibt es viele verschiedene Bildschirmauflösungen, andererseits kann man in fast jeder Anwendung einen Zoomfaktor wählen.

Diesen Umrechnungsvorgang − von der Vektorgrafik zur „Pixelgrafik“ − nennt man das „Rendern“. Die Berechnungen sind relativ simpel, aber zahlreich. Deshalb stecken in einem Grafikprozessor viele hunderte Kerne (Core), während die CPUs mit zwei bis zehn Kernen auskommen.

SLI

Scalable Link Interface ist ein Verfahren von NVIDIA aus dem Jahr 2005, damit zwei oder mehr Grafikchips die Arbeit beim Rendern untereinander aufteilen können. AMD entwickelte eine ähnliche Technologie namens Crossfire, um bis zu vier Radeon-Grafikkarten in einem PC „parallel“ zu betreiben. Beide Lösungen machten die Darstellung von Spielen detailreicher und flüssiger. Höhere Auflösungen wurden möglich, z. B. um die Darstellung auf bis zu vier Bildschirme zu verteilen.

In der Regel benötigt man Grafikkarten des gleichen Typs mit der gleichen Grafik-BIOS-Version, doch manchmal können unterschiedliche Grafikkarten zusammenarbeiten, wenn sie aus der gleichen „Familie“ stammen. „Hybrid CrossFireX“ ermöglichte es, zwei unterschiedliche Grafikkarten zusammenzuschalten. Das ist besonders für Notebooks interessant: Die im Chipsatz integrierte stromsparende Grafiklösung reicht für 2D-Anwendungen aus. Bei Bedarf wird ein leistungsfähigerer Grafikchip dazugeschaltet. Aber so ganz ausgereift waren die Technologie bzw. die Treiber nicht. Bei zwei baugleichen Grafikkarten wird die Rechenleistung verdoppelt − theoretisch. Realistisch waren Leistungssteigerungen von 25 % bis 70 %, je nach Anwendung. Allerdings neigt die Darstellung zu „Mikrorucklern“. Der Artikel https://www.computerbase.de/2018-07/crossfire-sli-test-2018/ empfiehlt, besser eine einzelne gute Grafikkarte zu kaufen. SLI und Crossfire werden von immer weniger Spielen unterstützt, und der Leistungsgewinn ist gering. NVIDIA unterstützt nur noch maximal zwei Grafikkarten. Auf absehbare Zeit werden SLI und Crossfire wohl aussterben.

CUDA

Die Recheneinheiten (Kerne) der Grafikkarte können mehr als nur Grafiken berechnen. NVIDIA hat eine Technologie CUDA entwickelt, die es ermöglicht, die Prozessoren der Grafikkarte als „Co-Prozessoren“ für Berechnungen zu benutzen. Manche wissenschaftliche, technische und medizinische Anwendungen können dadurch um ein Vielfaches beschleunigt werden. Die Konvertierung von Videos mit einer Software von NVIDIA konnte beispielsweise auf das 20-fache beschleunigt werden. Neueste „CUDA-Grafikkarten“ haben eine Rechenleistung, die mit den im Jahr 1993 weltgrößten Supercomputern vergleichbar ist. Es gibt Hauptplatinen, die man mit bis zu 18 Grafikkarten bestücken kann. Der „Tianhe-1A“, einer der schnellsten Supercomputer der Welt, benutzt außer seinen 14.366 Sechskernprozessoren weitere 7168 NVIDIA-Grafikprozessoren.

3D-Darstellung

Spielszenen heutiger Spiele sind dreidimensional. Es ist eine gewaltige Rechenarbeit nötig, um eine naturgetreue Darstellung zu erhalten. Die Oberflächen müssen berechnet, gefärbt und texturiert werden. Textur ist das Aussehen der Oberfläche: Spiegelnd, matt, geriffelt, textil, geknittert, ... Es muss ermittelt werden, welche Teile eines Körpers im Hintergrund durch davor befindliche Körper verdeckt werden. Lichtreflexe und Schattenwurf sind zu berechnen. Die Rechenarbeit wird zwischen der CPU und der Grafikkarte geteilt: Vereinfacht gesagt, liefert die CPU die Umrisse und die GPU (Grafik Prozessor Unit, deutsch: der Grafikprozessor) füllt sie aus. Die von der GPU durchzuführenden Berechnungen sind zahlreich, aber einfach und lassen sich gut parallelisieren (gleichzeitig ausführen). Deshalb haben Grafikkarten viele Prozessorkerne, sogenannte „Stream-Prozessoren“. Heutige leistungsfähige GPUs verteilen die Rechenarbeit auf hunderte oder tausende Stream-Prozessoren, während die CPUs mit zwei bis zehn Kernen auskommen müssen. Im Jahr 2018 hatten NVIDIA und AMD in ihren Spitzenmodellen vier- bis fünftausend Kerne.

Wieso braucht eine 3D-Grafikkarte so viel RAM? Weil die Rechenarbeit zur Generierung eines Bildes aufwändig ist, gibt es den BWS zweimal: Der eine BWS stellt das aktuelle Bild dar, während im zweiten BWS allmählich das nächste Bild berechnet wird. Den BWS nennt man nun "Frame-Buffer". Weil die Berechnung der Helligkeit eines Pixels in mehreren Rechenschritten erfolgt, sind Rundungsfehler unvermeidlich. Deshalb werden interne Berechnungen mit vielfach höherer Genauigkeit durchgeführt. Beispielsweise werden bei der Farbtiefe "FP24" 24 Bit für die Farbe jedes Kanals benötigt, aufgeteilt in 7 Bit Exponent und 16 Bit Mantisse, was acht Millionen Farbtöne pro Farbe ermöglicht. Deshalb brauchen Frame-Buffer viel RAM.

Onboard-Grafikkarte

Es geht auch ohne Grafik-Steckkarte. Manche Hersteller integrieren die Grafik-Elektronik (GPU) in den Chipsatz der Hauptplatine oder ins Gehäuse der CPU. Diese „Onboard-Grafik“ hat Vorteile:

  • Durch den Wegfall einer separaten Grafikkarte wird das PC-System um ein paar Dutzend Euro billiger.
  • Der Energieverbrauch verringert sich gegenüber einer Mittelklasse-Grafikkarte um etwa 50 Watt.

Ein Spieler würde die Grafikleistung einer Onboard-Grafik als bescheiden bezeichnen, doch für typische Office-Anwendungen ist das völlig ausreichend, und für viele Home-PCs auch.

Eigentlich wird eine separate Grafikkarte vor allem für aktuelle Action-Computerspiele und für spezielle grafische Anwendungen benötigt, z. B. für Videoschnitt und eventuell für hochauflösende Videos.

Wenn irgendwann die Leistung der Onboard-Grafiklösung nicht mehr ausreicht, kauft man eine separate Grafikkarte und steckt sie in einen freien Steckplatz, soweit vorhanden. In seltenen Fällen gibt es dabei Probleme, wenn die Abschaltung der Onboard-Komponente nicht funktioniert.

Shared Memory

Der Grafikprozessor benötigt Speicher: Für den Bild-Wiederhol-Speicher und als GPU-Arbeitsspeicher. Bei den einfacheren Onboard-Lösungen wird ein Teil des allgemeinen Arbeitsspeichers für die GPU abgezweigt. Das nennt man eine „Shared Memory“-Architektur.

Bei einer Auflösung von 1024 x 768 mit High Color beispielsweise muss der Grafikchip pro Sekunde 1024 x 768 x 32 Bit x 85 Hz = 267 Millionen Byte lesen. Weil der Elektronenstrahl der Bildröhre nicht stoppen kann, erzwingt die Grafikelektronik den Vorrang für das Lesen der Bildinformation. Der Prozessor, die Festplatte und andere Komponenten müssen für ihre Speicherzugriffe auf eine der zeitlichen Lücken warten, welche die Grafikelektronik übrig lässt.

Woran erkennt man, dass die GPU keinen eigenen RAM hat? Die Onboard-Grafikkarte zweigt mindestens 64 MB RAM für die Grafikelektronik vom (Haupt-)Arbeitsspeicher ab. Wenn der PC z. B. 4096 MB RAM hat, bleiben noch 4096 – 64 = 4032 MB Hauptspeicher übrig. In den Prospekten wird das verständlicherweise nicht hervorgehoben, sondern mit Formulierungen wie „bis zu 4 GB VRAM“ verschleiert.

Leider wirkt es sich verheerend auf die Leistung aus, wenn die Onboard-Grafikelektronik sich einen Teil des Hauptspeichers mit der CPU teilen muss. Grafikelektronik und Grafikspeicher arbeiten intensiv zusammen. Bei einer Auflösung von z. B. 1920 x 1080 in True-Color muss der Grafikchip pro Sekunde 1920 x 1080 x 4 Byte x 60 Hz = 498 MByte aus dem Videospeicher lesen und zum Bildschirm senden. Weil die GPU stets den Vorrang für den Speicherzugriff erhält, müssen die CPU, die Festplatte und andere Komponenten mit den Speicherzugriffen auf eine der zeitlichen Lücken warten, welche die Grafikelektronik übrig lässt. Wenn man mehr vorhat, als gelegentlich im Internet zu surfen oder kleine Texte zu verfassen, kann man Shared Memory nicht empfehlen. Von der Leistung mal ganz abgesehen, funktionieren manche neueren Spiele deshalb nicht, weil sie eine Grafikkarte mit eigenem Speicher voraussetzen.

Turbo-Cache und Hyper-Memory

Grafik-RAM ist teuer, noch teurer als Arbeitsspeicher. Die Firma NVIDIA hatte eine clevere Idee. Die Onboard-GPU bekommt einen kleinen eigenen Speicher, in einer Größe von 32 bis 128 MB. Im Vergleich zu den 2 bis 4 GB einer Grafikkarte ist das wenig. Andererseits haben wir im Abschnitt „Auflösung und Farbtiefe“ ausgerechnet, dass 16 MB für den BWS (Bildwiederholspeicher) ausreichen. Diese Shared-Memory-Technik heißt "Turbo-Cache“. Bei ATI heißt diese Technik „Hyper Memory“. Beeindruckende Namen für eine Sparlösung, die langsamer ist als eine „normale“ Grafikkarte. Wenn dieser kleine eigene Video-RAM nicht ausreicht, wird wie beim Shared Memory ein Teil des Hauptspeichers mitbenutzt. Weil die PCI-Express-Schnittstelle eine schnellere Datenübertragung als AGP ermöglicht, ist der Leistungsverlust weniger nachteilig als bei konventionellem Shared Memory. Wenn die Grafikkarte mindestens 8 MB eigenen RAM hat, tritt bei Büroanwendungen kein Geschwindigkeitsverlust ein. Bei Spielen und 3D-Anwendungen kommt man nur auf die halbe Leistung wie bei einer ausreichend mit RAM bestückten Grafikkarte.

Allerdings setzen zahlreiche Spiele eine Grafikkarte mit eigenem Speicher zwingend voraus und funktionieren mit Turbo-Cache nicht. Es scheint, Turbo-Cache wird seltener, auch weil Grafikspeicher immer billiger wird.

Dual-Monitor-Lösungen

Es gab schon vor Jahrzehnten Profi-Grafikkarten mit zwei Monitoranschlüssen. Architekten und Konstrukteure konnten auf einem großen Bildschirm die Zeichnung darstellen, während ein kleinerer Zweitbildschirm für Befehle und Hilfsaufgaben verwendet wurde. Heute ist diese Technik bezahlbar geworden, fast jede Grafikkarte hat mehrere Anschlüsse. Auch die Onboard-Grafikkarten aktueller PCs und Notebooks unterstützen drei Bildschirme.


Die Möglichkeit, zwei oder drei Bildschirme gleichzeitig anzuschließen, ist sehr interessant. Windows ermöglicht es, beliebige Fenster ganz einfach auf weitere Bildschirme zu verschieben. Zwei 19"-Bildschirme haben die gleiche Gesamtfläche wie ein 27"-Bildschirm. Die Bildschirme dürfen unterschiedliche Eigenschaften haben, denn man kann Auflösung und Bildfrequenz für beide Anschlüsse der Grafikkarte unterschiedlich einstellen. Wenn Sie einen neuen Monitor gekauft haben, können Sie den alten Monitor sinnvoll als Zweitbildschirm nutzen, wenn genügend Platz auf dem Tisch ist.

Wichtig ist natürlich, dass die Grafikkarte ausreichend leistungsfähig ist, HD-Inhalte auf einer doppelt- oder dreifach so großen „Pixelspielwiese“ darzustellen. Doch normalerweise gibt es Probleme allenfalls bei Onboard-Lösungen mit zwei angeschlossenen hochauflösenden Bildschirmen. Wenn Geschwindigkeit oder Stabilität der GPU nicht ausreicht, meldet Windows eventuell „Der Anzeigetreiber xxxxx Windows Kernel Mode Driver, Version xxx.xx reagiert nicht mehr und wurde wiederhergestellt.“ Die Meldung, dass der Treiber wiederhergestellt wurde, wird von der Windows-Funktion TDR (Timeout Detection Recovery), der „Totmannschaltung“ erzeugt.

Im Geschäftsleben muss man meist mit mehreren Fenstern arbeiten: Das E-Mail-Programm, die E-Mail mit der Bestellung des Kunden, die Preisliste, das Fakturierungsprogramm, die Webseite mit den Preisen des Großhändlers oder der Konkurrenz und noch mehr. Wenn man alle benötigten Fenster ständig geöffnet haben kann, spart man eine Menge Herumgeklicke und kann konzentrierter arbeiten. In Vergleichstests wurde festgestellt, dass durch den Ersatz eines 19" Monitors durch einen 26" Monitor die Produktivität um etwa 50% steigt. Ergänzt man einen 19" Monitor mit einem zweiten 19" Monitor, steigt die Produktivität um 25 bis 40%. Eine weitere Steigerung durch einen dritten Monitor ist von der Art der Arbeit abhängig und ist meist nur gering. Übrigens fordert die Bildschirmarbeitsverordnung bei Notebooks, die mehr als nur geringfügig stationär genutzt werden, einen großen Bildschirm und außerdem externe Tastatur und Maus.

Einmal angenommen, Sie sparen eine halbe Stunde pro Arbeitstag (was ich für krass untertrieben halte). Nehmen wir weiter an, der Mitarbeiter kostet Sie einschließlich Nebenkosten nur 20 Euro pro Stunde. Bei 11 eingesparten Stunden im Monat sparen Sie 440 Euro in nur zwei Monaten − mehr als ein zweiter Bildschirm kosten würde. Eine Investition, die sich rechnet!

Windows kennt einige Shortcuts, welche die Arbeit mit mehreren Monitoren erleichtern:

  • Windows-Taste plus Pfeiltaste nach links oder rechts verschiebt das aktuelle Fenster an den seitlichen Rand des aktuellen Monitors. Durch wiederholtes Drücken wird es auf den daneben stehenden Monitor weitergeschoben.
  • Durch zusätzliches Drücken der Shifttaste wird das Fenster auf den nächsten Monitor geschoben.
  • Windows-Taste plus Leertaste macht alle Fenster transparent.

Es ist manchmal nicht einfach, den Mauszeiger zu finden. Sie könnten in der Maussteuerung „Zeige die Mausposition beim Drücken der Strg-Taste“ einschalten, auch das Einschalten der Mausspur kann sinnvoll sein.

Anschlüsse

DVI-I Stecker Grafikkarte
eines Adapters  

VGA und DVI

Im Bild rechts sehen Sie die rückwärtigen Anschlüsse einer modernen Grafikkarte. Oben ist der klassische 15polige VGA-Anschluss zu sehen, in der Mitte ein kleiner runder Composite-Anschluss für den Anschluss eines Röhrenfernsehers und unten ein DVI-D Anschluss.

Anfangs waren alle TFT-Flachbildschirme mit dem klassischen VGA-Stecker ausgestattet, um sie an jede Grafikkarte anschließen zu können. Das brachte nicht die bestmögliche Bildqualität, denn die digitale Bildinformation im Bildwiederholspeicher wurde zuerst im RAMDAC in ein analoges Signal umgewandelt und im TFT-Flachbildschirm in ein Digitalsignal zurückverwandelt. Deshalb haben heute die meisten Grafikkarten und TFT-Bildschirme einen DVI-Anschluss (Digital Visual Interface). Es gibt mehrere Arten DVI-Anschlüsse, die wichtigsten sind DVI-D (nur digital), DVI-A (nur analog) und DVI-I (integriert, das heißt: analog und digital). An DVI-A und DVI-I kann man über einem Adapter auch einen Monitor mit dem klassischen 15-poligen Stecker anschließen. Das kleinere der nebenstehenden Fotos zeigt die Steckerseite eines solchen Adapters. Wenn Sie die nebenstehenden Fotos vergleichen, sehen Sie: Der Stecker (DVI-I) hat vier Stifte beidseits neben dem flachen senkrechten Kontakt, am Anschluss der Grafikkarte (DVI-D) fehlen die dazugehörigen Kontaktbuchsen. Außerdem ist das längliche Masse-Pin des DVI-I-Steckers etwas breiter als beim DVI-D-Stecker. Der Stecker passt also nicht. Das bedeutet, die Grafikkarte hat für den digitalen Ausgang keinen RAMDAC und kann kein Analogsignal erzeugen. Suchen Sie nicht in Fachgeschäften nach einem anderen Adapter, Sie werden niemals einen VGA-Bildschirm anschließen können. Nur ein TFT-Flachbildschirm passt, falls er einen DVI-Anschluss hat. Manche Flachbildfernseher haben einen DVI-Eingang, so dass man einen Computermonitor einsparen kann.

DVI unterstützt Auflösungen bis 1600 x 1200 Pixel bei einer Bildwiederholfrequenz von 60 Hertz. Bei der Auflösung von 1920 x 1200 Bildpunkten verringert sich die Bildwiederholfrequenz auf 52 Hertz. Solange keine schnellen Bewegtbilder übertragen werden, ist das unkritisch. Für höhere Auflösungen braucht man einen DVI Dual-Port. Damit sind maximal 2560 x 1920 Pixel bei 60 Hertz möglich.

DVI-D ist aufwärtskompatibel zu HDMI. Das bedeutet: DVI-D lässt sich mit einem Adapter nach HDMI konvertieren.

VGA oder DVI – was ist besser?

Einen Röhrenmonitor passt nur an den VGA-Anschluss, da hat man keine Wahl. Bei TFT-Monitoren trifft man oft beide Anschlussmöglichkeiten an, damit man sie auch an eine ältere Grafikkarte ohne DVI anstecken kann. Wenn man die Wahl hat, sollte man DVI bevorzugen. Bei digitaler Übertragung sind Qualitätsverluste im Monitorkabel ausgeschlossen, deshalb dürfen DVI-Kabel bis zu 5 Meter lang sein. Bis 10 m sind möglich, wenn das Kabel aus hochreinem Kupfer mit hervorragender Isolierung gefertigt ist. Bei VGA-Kabeln sollte die zulässige Kabellänge bis zum Monitor möglichst nicht über zwei Meter betragen, sonst lässt die Darstellungsqualität nach. Mit bloßem Auge kann man den Unterschied aber nur selten erkennen. Die Bildschirmhersteller haben sich geeinigt, die VGA-Schnittstelle nur noch bis zum Jahr 2015 zu unterstützen[27].


HDMI

  • HDMI-Eingangsbuchse
    HDMI-Eingangsbuchse
  • Ein HDMI-Stecker
    Ein HDMI-Stecker

Als Nachfolger von DVI wird seit 2003 die HDMI Schnittstelle (High Definition Multimedia Interface) entwickelt. Sowohl die Filmindustrie als auch die Herstellern von Unterhaltungselektronik unterstützen HDMI. Bild- und Tondaten werden digital mit einem Kabel mit 19-poligem Miniatur-Stecker übertragen. Leider gibt es die Versionen HDMI 1.1, 1.2, 1.3 und 1.3a mit unterschiedlichen Übertragungsbandbreiten und unterschiedlichen Steckertypen. Kabellängen von 5 Metern sind problemlos möglich, mit hochwertigen Kabeln 10 bis 15 Meter. Der Kopierschutz HDCP ist integriert. [28]

HDMI ist abwärtskompatibel zum Vorgängerstandard DVI: Mit Adapter kann man einen DVI-Bildschirm an eine HDMI-Grafikkarte anschließen.

DisplayPort

  • DisplayPort-Stecker mit Verriegelung
    DisplayPort-Stecker mit Verriegelung
  • Mini DisplayPort an einem Apple MacBook
    Mini DisplayPort an einem Apple MacBook

Die Video Electronics Standards Association (VESA) hat eine neue Schnittstelle „DisplayPort“ entwickelt. Es gibt Stecker in Normal- und Mini-Ausführung. Gegenüber dem DVI-Standard sind Stecker und Buchsen deutlich kleiner. Dadurch können zukünftige Handys und andere kleine Geräte mit einem Bildschirmanschluss ausgestattet werden. Apple ist Vorreiter beim DisplayPort. Ihr Bildschirm hat keinen DisplayPort-Anschluss? Es gibt Adapter für VGA, DVI und HDMI. Ebenso wie bei DVI und HDMI wird der Kopierschutz HDCP verwendet.

Der DisplayPort ist technisch besser als DVI. Über eine Hauptverbindung können 2560 x 1600 Pixel mit 10 Bit Farbtiefe angesteuert werden. Ein Zusatzkanal kann für USB, Lautsprecher oder Eingabegeräte wie Mikrofon, Kamera oder berührungsempfindliche Bildschirme genutzt werden.

Thunderbolt

Auf Basis des Displayport-Standards wurde von Intel und Apple die Schnittstelle Thunderbolt entwickelt welche neben den DisplayPort-Bilddaten auch eine Übertragung von PCI-Express ermöglicht. Dabei werden Datenraten von 10 GBit/s auf zwei Kanälen erreicht - viermal so schnell wie USB 3.0. Zusätzlich definiert der Standard die Kaskadierung von Monitoren, so dass über eine einzige Schnittstelle mehrere Monitore hintereinandergehängt werden können. Dabei müssen die verwendeten Monitore jedoch neben einem DisplayPort/Thunderbolt-Eingang auch über einen entsprechenden Ausgang verfügen an den das nachfolgende Gerät angeschlossen werden kann.

Mehrere Hersteller haben Thunderbolt-Peripherie angekündigt. Interessant ist die Schnittstelle dabei für sehr datenintensive Anwendungen wie schnelle Festplatten-Verbünde und Geräte zur Aufnahme von sehr hochauflösenden Videos.

VGA, DVI, HDMI, DisplayPort oder Thunderbolt – was ist besser?

Anschluss Auflösung
DisplayPort 2.0 15360 x 8480
DisplayPort 1.4 7680 x 4320
DisplayPort 1.3 5120 x 2880
HDMI 4096 x 2160
DVI Dual 2560 x 1600
VGA 2048 x 1536
DVI 1920 x 1200


DVI, HDMI, DisplayPort und Thunderbolt sind gleichwertig, was die Bildqualität betrifft. Unterschiedlich sind die höchstmöglichen Auflösungen. HDMI, DisplayPort und Thunderbolt übertragen außer dem Bildsignal auch den Ton, während DVI und VGA ihn nicht übertragen. Darüber hinaus spielt aber auch eine Rolle, welche Schnittstelle Sie für den Anschluss einsetzen. Denn die maximale Auflösung, die der Grafikchip darstellen kann, wird nicht an jeder Schnittstelle bereitgestellt. Sie sollten daher vor eventuellen Investitionen in das oder die notwendigen Anschluss- und Verlängerungskabel in der Produktbeschreibung genau prüfen, welche maximalen Auflösungen an welchen Schnittstellen der Grafikkarte nutzbar sind. Die Tabelle zeigt Beispiele.

Einbau einer Grafikkarte

Achtung beim Selbsteinbau! Moderne Grafikkarten brauchen viel Strom - mitunter mehr als über die kleinen Kontakte des Steckplatzes zugeführt werden kann. Leistungshungrige Karten müssen mit ein oder zwei Zusatzsteckern direkt an das Netzteil angeschlossen werden. Betreiben Sie die Grafikkarte nicht mal eine Sekunde ohne diese Zusatzversorgung, sonst könnte sowohl die Grafikkarte als auch die Hauptplatine durchbrennen!

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Multimedia


Die Digitalisierung

Analog-Digital-Wandlung, anschließend Digital-Analog-Wandlung

Das obere Bild (fig. 1) zeigt als rote Linie die Spannung, wie sie vom Mikrofon kommt. Der dargestellte Abschnitt entspricht einer Zeitspanne von weniger als einer tausendstel Sekunde. Die Soundkarte wandelt dieses Analogsignal in digitale Daten um, siehe die mittlere Darstellung (fig. 2).

In der Ausgaberichtung erzeugt die Soundkarte Töne aus digitalen Daten, die aus einer Datei oder von einer CD stammen oder von einem Computerspiel synthetisch erzeugt werden. Dabei entsteht eine treppenförmige Spannung. Die Stufen werden mit einem Filter geglättet, und es entsteht eine Analogspannung entsprechend der roten Linie (fig. 3). Diese ist der Ausgangslinie im oberen Bild sehr ähnlich, die kleinen Unterschiede sind nicht hörbar.

Wie geht die Digitalisierung des Mikrofonsignals genau vor sich? Die Amplitude des Tonsignals wird in regelmäßigen, sehr kurzen Intervallen gemessen. Der CD-Standard sieht eine „Samplingrate“ von 44,1 kHz und eine „Auflösung“ von 16 Bit vor.

  • Die Samplingrate gibt an, wie oft pro Sekunde die Lautstärke gemessen wird. Um CD-Qualität zu erreichen, muss 44.100 mal pro Sekunde die Lautstärke des Tons gemessen werden.
  • Auflösung bedeutet, dass die Lautstärke mit einer Genauigkeit von 16 Bit gemessen wird, das sind 65.536 Abstufungen.

Das ist ausreichend, um Töne mit einer Frequenz bis 22 kHz zu reproduzieren. Das erreichbare Maximum liegt höher: Hochwertige Soundkarten können mit 96 kHz digitalisieren, und Soundkarten für Musiker erreichen 192 kHz mit 24-Bit-Auflösung. Je höher diese Werte, desto besser die Qualität. Andererseits werden die erzeugten Sounddateien sehr groß. Deshalb können Auflösung und Samplingrate bei allen Soundkarten reduziert werden, um den besten Kompromiss zwischen Qualität und Speicherbedarf einzustellen. Eine Abtastung mit 11 kHz bei 8-Bit-Auflösung benötigt gegenüber CD-Qualität nur ein Viertel des Speicherplatzes, aber erreicht gerade noch die Qualität eines Telefongesprächs.

Welche Datenmenge entsteht bei der Digitalisierung pro Tonkanal?
Qualität Samplingrate Auflösung Speicherbedarf
Telefonqualität 11 kHz 8 Bit = 1 Byte 11.000 x 1 = 11 kByte pro Sekunde
CD-Qualität 44 kHz 16 Bit = 2 Byte 44.000 x 2 = 88 kByte pro Sekunde
Beste Studioqualität 192 kHz 24 Bit = 3 Byte 192.000 x 3 = 576 kByte pro Sekunde

Eine Stereo-Aufnahme hat zwei Kanäle, also müssen die obigen Werte verdoppelt werden. Eine Digitalisierung in bester Studioqualität (192 kHz/24 Bit/Stereo) würde nach reichlich einer Sekunde eine Diskette füllen! Eine CD wäre schon nach zehn Minuten voll.

AC97

Intel hatte die Idee, dass moderne CPUs genug Leistung haben, um neben den normalen Aufgaben auch noch die Analogdaten zu berechnen. Herausgekommen ist die AC97-Spezifikation (Audio Codec 97). Dadurch genügt ein einfacher Chip für die Soundausgabe, der mittlerweile auf jeder Hauptplatine verbaut ist. Die Prozessorlast steigt bei Nutzung dieses Chips stark an. Wenn Ihre Computerspiele ruckeln, können Sie durch Einbau einer Soundkarte (in der Preislage um 50 bis 100 €) die Prozessorlast signifikant verringern.

Soundkarte mit 5.1 Klang. Beachten Sie die Anschlüsse: Rot ist für das Stereo-Mikrofon. Blau, Schwarz und Grün sind für ein 5.1 Soundsystem. Darunter befindet sich der Joystick-Anschluss.

Raumklang

Die Firma „Creative Labs“ hat die Raumklangtechnologie EAX entwickelt. Eine konkurrierende Technologie A3D der Firma „Aureal“ wurde von Creative Labs übernommen und in EAX integriert.

Man könnte zwar annehmen, dass für den Raumklang zwei Lautsprecher ausreichen, weil der Mensch auch nur zwei Ohren hat. Versuche haben aber ergeben, dass für einen optimalen Raumklang ein Surround-System mit drei oder mehr Lautsprechern empfehlenswert ist.

Wenn ein zusätzlichen Subwoofer (ein Lautsprecher für Basstöne) als dritter Kanal angeschlossen ist, spricht man von einem 2.1 Soundsystem. Es können auch 5, 6 oder 8 Lautsprecher angeschlossen werden. Lautsprechersysteme werden mit den Ziffernkombinationen 2.1, 4.1, 5.1 oder 7.1 bezeichnet. Die zweite Ziffer steht für den Subwoofer, die erste Ziffer gibt die Anzahl der „Satellitenlautsprecher“ an. Wenn die erste Ziffer ungerade ist, steht in der Mitte außer dem Subwoofer ein zusätzlicher Hochtonlautsprecher. Die anderen Lautsprecher sind rechts und links verteilt.

Spiele übermitteln über den DirectX Treiber den gewünschten Klang an die Soundkarte, die den gewünschten Raumklang berechnet. Aber nicht nur Spieler profitieren vom Raumklang. Hochauflösendes Fernsehen, neuere Video-DVDs und neuere Musik-CDs benutzen die zusätzlichen Kanäle.

Physiologisches

Gesunde Jugendliche können Töne zwischen 16 Hz und 20 kHz hören, wenn der Ton nicht zu leise ist (70 db). Töne unter 30 Hz werden nicht mit dem Ohr gehört, sondern der Körper fühlt die Vibrationen. Gute Subwoofer (Tiefton-Lautsprecher) können Töne bis herunter zu 15 Hz wiedergeben.

Die obere Hörschwelle verringert sich mit zunehmendem Alter. Mit 40 kann man noch 15 kHz hören, mit 60 Jahren verringert sich die höchste hörbare Frequenz auf 12 kHz. Das Gehirn ergänzt die nicht mehr hörbaren Schwingungen aus der Erinnerung.

PMPO

Der Maximalwert, oder auch PMPO (Peak Maximum Power Output) ist der Wert, den ein Verstärker oder Lautsprecher nur sehr kurzzeitig aushält. Dauert diese Belastung länger als wenige Sekunden, erzeugt der Lautsprecher ein feines Qualmwölkchen. Mess- und hörbare Verzerrungen treten schon bei einem Bruchteil der PMPO-Leistung auf. Dieser Wert ist also für die Praxis unbrauchbar. Sinnvolle Werte ergeben sich beim Messen von Sinuswellen. PMPO-Werte im Marketing zu verwenden, ist Dummenfang.

Fernsehen am PC


Das analoge Fernsehbild

Auflösung

Die technischen Daten für das Fernsehbild wurden in den 40er Jahren entsprechend den damaligen technischen Möglichkeiten festgelegt. Das europäische Fernsehen arbeitet nach der PAL-Norm 576i/25. In dieser Norm ist festgelegt, dass 25 Bilder pro Sekunde übertragen werden. Für die Übertragung steht eine Bandbreite von 5 MHz zur Verfügung. Zum Vergleich: Heutige Computermonitore verkraften 140 MHz und mehr.

5 MHz bedeuten vereinfacht, dass 5.000.000 Bildpunkte pro Sekunde übertragen werden können. Geteilt durch 25 Bilder/s ergibt das 200.000 Bildpunkte pro Einzelbild.

Als Auflösung der Fernsehbildröhre (Raster) werden 576 Bildzeilen zu je 768 Bildpunkten genannt. Das ergibt ein Seitenverhältnis von 4:3 und eine Anzahl von 442.368 Bildpunkten (768 x 576) pro Bild.

Halbbilder

25 Bilder pro Sekunde (beim Film sind es 24) reichen aus, um Bewegungen fließend darzustellen. Allerdings flimmert das Bild heftig. Daher wurde das Bild in zwei Halbbilder aufgeteilt. Das erste Halbbild enthält die Bildzeilen mit ungeraden Nummern, das zweite Halbbild die mit geraden Nummern. Diese Halbbilder werden nacheinander dargestellt, um eine Bildzeile versetzt. Dieser Versatz heißt Zeilensprung, engl. Interlacing.

Auf den ersten Blick erscheint das unsinnig. Worin soll der Unterschied bestehen, ob die Bildzeilen in der Reihenfolge 1-2-3-4-5-6 oder 1-3-5 und 2-4-6 geschrieben werden? Bei einem zeitlich unveränderten Bild macht das tatsächlich keinen Unterschied. Der Unterschied entsteht, weil die Kamera ebenfalls mit dem Interlacing-Verfahren arbeitet. Statt alle 40 ms ein ganzes Bild zu senden, wird 20 ms lang das „erste“ Halbbild aufgenommen und in den nächsten 20 ms das „zweite“ Halbbild. Wenn sich das Aufnahmeobjekt bewegt hat, ist das zweite Halbbild bereits anders! Dadurch werden Änderungen vor der Kamera 50mal pro Sekunde erfasst und übertragen. Das Flimmern verschwindet.

Der Tuner

Der Tuner ist das silbrig glänzende Metallgehäuse auf der Videokarte. Er filtert aus dem Wirrwar der vielen Fernsehsender den gewünschten Kanal heraus, arbeitet insoweit wie der Tuner im Radioempfänger. Das Signal wird demoduliert, d. h. von der Trägerfrequenz befreit. Aus dem Videosignal werden die beiden Tonkanäle herausgefiltert. Die verstärkten Tonsignale können vom Soundausgang der Fernsehkarte entweder direkt zu Lautsprechern oder besser zum Line-in-Eingang der Soundkarte geführt werden.

Das Fernsehsignal

Das farbige Fernsehbild wird aus den Primärfarben Rot, Grün und Blau zusammengesetzt. Es wird aber nicht in dieser Form übertragen. Als das Farbfernsehen eingeführt wurde, musste gesichert sein, dass die älteren Schwarz-Weiß-Fernseher unverändert weiterverwendet werden konnten. Deshalb erzeugen die Kameras – wie früher – ein Schwarz-Weiß-Signal (Y), welches in Farbkameras um zwei Farbdifferenzsignale ergänzt wird: Schwarzweiß minus Blau (U) und Schwarzweiß minus Rot (V). Der Grünanteil braucht nicht übertragen zu werden, da er aus den anderen errechnet werden kann. Diese drei Kanäle (Schwarz-Weiß plus zwei Farben) werden zu einem einzigen Signal zusammengefügt, das mit YUV-Signal bezeichnet wird.

Diesen „Komponenten Aus-/Eingang“ erkennt man im Heimkino-Bereich an drei Cinch-Steckern in den Farben Rot, Blau und Grün. Es wird noch das Tonsignal dazugefügt, und alles zusammen wird mit einer Trägerfrequenz „moduliert“ (mit einem Hochfrequenzsignal zusammengefügt) und ausgestrahlt. Wozu wird die Trägerfrequenz eigentlich benötigt? Ein wenig Physik:

  • Frequenzen unter etwa 16 kHz lassen sich nicht über eine Antenne ausstrahlen, sie können nur über Kabel übertragen werden.
  • Ohne Trägerfrequenz könnte es nur einen einzigen Sender geben. Sender auf verschiedenen Kanälen (mit verschiedenen Trägerfrequenzen) stören sich nicht gegenseitig.

Der Videobaustein

Er hat zwei Aufgaben zu erledigen: Er muss aus dem YUV-Signal den Grünanteil berechnen und dann ein RGB-Signal erzeugen. Anschließend muss das analoge Bildsignal in ein digitales umgewandelt werden. Dabei entsteht ein virtuelles Abbild von 768 x 576 Bildpunkten.

Diese Bildinformationen müssen nun noch in den RAM der Grafikkarte übertragen werden. Dazu müssen 44 MByte/s zur Grafikkarte übertragen werden. Für den PCI-Kanal, der theoretisch bis zu 133 MByte/s übertragen kann, ist das eine erhebliche Last. Bei alten PCs ohne PCI-Bus musste die Fernsehkarte mit einer dafür geeigneten Grafikkarte per Flachbandkabel direkt verbunden werden, denn über den ISA-Bus konnten nur 10 MByte/s übertragen werden.

Eine Übertragungsrate von 44 MByte/s ist auch über Firewire (max. 50 MByte/s) und USB 2.0 (max. 60 MByte/s) realisierbar. Das ermöglicht es beispielsweise, Fernsehempfang über einen USB-Stick nachzurüsten.

Digitales Fernsehen

Im Ausbau befindet sich das digitale Fernsehen DVB-T. Durch moderne Digitalisierungs-, Kodierungs-, Kompressions- und Fehlerkorrekturen wird erreicht,

  • dass mit kleinen Zimmerantennen fast überall ein stabiler Empfang möglich ist (natürlich nur da, wo auch DVB-T zur Verfügung steht), weshalb es in der Werbung als „Überallfernsehen“ bezeichnet wird,
  • dass im Frequenzband eines herkömmlichen Analog-Fernsehsenders entweder vier bis sechs digitale Fernsehkanäle oder ein bis zwei hochauflösende Kanäle untergebracht werden können.

DVB-T-Empfänger werden als USB-Geräte oder interne Karten für den PCI-Slot angeboten. Die Anzahl verfügbarer Kanäle ist gegenwärtig in den meisten Regionen recht gering. Mancherorts sind nur ARD, ZDF, 3sat, Arte, Phönix, KiKa, Eins Festival und ZDF Infokanal zu empfangen. Für die Bundesliga am Strand reicht das aus.

Hochauflösendes Fernsehen

Für HDTV gibt es gegenwärtig folgende Varianten:

  • 720p (HD-Ready): Die Bildauflösung beträgt 1280 x 720 Pixel.
  • 1080i (HD) mit einer Auflösung von 1920 x 1080 Pixel, interlaced
  • 1080p (Full-HD) mit einer Auflösung 1920 x 1080 Pixel, progressiv

„progressiv“ bedeutet, dass 25 Bilder pro Sekunde übertragen werden. Das „interlaced“-Verfahren ist zweite Wahl, denn es wird nur die halbe Datenmenge übertragen, was für 25 halbe Bilder pro Sekunde reicht. Die Bildschärfe ist schlechter als bei 1080p und Bewegungen wirken weniger flüssig.

Welche Sender übertragen HDTV?

Es gibt Sender, die in HDTV ausstrahlen.

  • Arte sendet schon länger in HDTV
  • ARD und ZDF haben 2010 zu den olympischen Winterspielen (12.-28. Februar 2010) mit der HDTV-Ausstrahlung begonnen.
  • Sky, der Premiere-Nachfolger, hat sechs HDTV-Kanäle.
  • Die Bezahlsender Discovery HD und TF1 HD senden ebenfalls im HDTV-Format.
  • Auch Privatsender senden mittlerweile über Satellit in HDTV. Dazu gehören Pro7, Sat1, RTL und Kabel1. Allerdings sind diese Sender verschlüsselt und können nur mit der HD+ Smartcard und einem HDTV-tauglichem Receiver mit CI-Slot gesehen werden.
Wozu ist ein HDTV-Fernseher zu gebrauchen, solange die Fernsehsender kaum HDTV ausstrahlen? Womit kann die hohe Auflösung genutzt werden?
  • Multimedia-PCs bei Wiedergabe von HD-Fotos oder HD-Videos,
  • Blu-ray-Player mit entsprechenden Medien,
  • X-Box und Playstation 3
  • HDTV-taugliche Camcorder
  • Digitalkameras mit mehr als 2 Megapixeln, wenn sie einen HD-Ausgang haben,
  • Videos von einigen Online-Videotheken.
  • Einige neuere DVD-Player oder AV-Receiver benutzen eine Technik namens Upscaling. Ältere DVD mit geringer Auflösung werden mit zusätzlichen Pixeln ergänzt, um die HD-Auflösung zu erreichen.

Der Empfang von HDTV kann über ein Kabelnetz oder über Satellit erfolgen. Über das terrestrische Netz (herkömmliche Fernsehantennen) kann es nicht ausgestrahlt werden, die Bandbreite reicht dafür nicht. Das öffentlich-rechtliche HDTV wird zurzeit nur über Astra ausgestrahlt,

Lohnt sich die Anschaffung eines HD-Fernsehers, um das klassische (analoge) Fernsehen zu empfangen?

Nur, wenn der Fernseher sehr teuer ist. Wer überwiegend das klassische PAL-Format sieht, braucht kein HD-TV-Gerät. Das relativ grobkörnige PAL-Bild muss auf die fünfmal höhere Bildpunktzahl von Full-HD interpoliert (hochgerechnet) werden. Das Bild sieht meist schlechter aus als auf einem guten Röhren-Fernseher. Nur wenn ein hochwertiger Bildprozessor mit einem guten Algorithmus im Bildschirm steckt, sind Qualitätsverluste vermeidbar.

Ausnahme

Mit guten Algorithmen und mit genügend großer Rechenleistung ist eine so gute Interpolation eines analogen Fernsehbildes möglich, dass es auch auf einem hochauflösenden Bildschirm gut aussieht. Die preiswerteren Bildschirme der HD-Ready und HD-Kategorie verfügen nicht über einen so guten Bildprozessor (sonst wären sie nicht mehr preiswert). Hochwertige Grafikkarten haben für diesen Zweck genug Rechenleistung. Wenn Sie das Fernsehbild über DVB-C oder DVB-S mit dem Computer empfangen und eine Grafikkarte GeForce 8400 oder besser im Computer haben, kann das Bild auf einem hochauflösenden Monitor oder einem an die Grafikkarte angeschlossenen HD-Fernseher perfekt aussehen.

Lohnt sich die Anschaffung eines HD-Ready-Bildschirms?

Obwohl deutlich preiswerter als ein Full-HD-Fernseher, ist davon abzuraten. HD-Ready bedeutet, dass die Elektronik des Gerätes imstande ist, ein 1920 x 1080 Bild auf 1280 x 720 zu verschlechtern (herunterzurechnen). Gegenwärtig ist kein Sender bekannt, der die Ausstrahlung als 720p plant, allgemein wird 1080i favorisiert. Filme auf Blu-ray werden in der Full-HD-Auflösung angeboten.


DVB-T

Ein DVB-T Empfänger ist in einigen Notebooks eingebaut oder man kann eine kleine Box an USB anstecken. DVB-T als „Überallfernsehen“ zu bezeichnen ist eine Werbelüge. In einigen Ballungsgebieten ist der Empfang der öffentlich-rechtlichen Sender mit einer Zimmerantenne oder auf der Wiese möglich. Die Betreiber von DVB-T geben an, dass 90 % der Haushalte DVB-T empfangen können, doch außerhalb von Großstädten braucht man eine Antenne mit Verstärker oder sogar eine Dachantenne[29]. Es gibt ländliche Gebiete und Kleinstädte, wo selbst mit einer Dachantenne kein Empfang möglich ist. Für die privaten Sender ist der Empfangsbereich noch kleiner, außerdem sind die Sender verschlüsselt. Wenn der Empfang zu schwach ist, ruckelt das Bild oder das Bild bleibt stehen.

Vier Millionen Haushalte nutzen DVB-T, darunter viele als Zweitgerät im Wohnwagen oder Wochenendhaus, hat eine Marktanalyse von Samsung ergeben. Wenn man sich nicht an der geringen Senderzahl stört, ist DVB-T eine sehr preiswerte Lösung.

DVB-T2

Logo für Deutschland
Logo für Deutschland

Im Mai 2016 hat der Probebetrieb des neuen Standards begonnen, Anfang 2017 soll der Regelbetrieb beginnen und 2019 soll das alte DVB-T abgeschaltet werden. DVB-T brauchte eine Kanalbreite von 14 Mbit/s für eine Auflösung von 704 × 576 Pixel. Das neue Videokompressionsverfahren MPEG4 (H.265) ist das gegenwärtig modernste der Welt und braucht nur noch 4 Mbit/s für die HD-Auflösung von 1920 × 1080 Pixeln. Dadurch können viel mehr Sender übertragen werden.

In Nachbarländern gibt es DVB-T2 seit Jahren, allerdings mit dem älteren Kompressionsverfahren H.264. Das bedeutet leider: Nicht jedes Gerät mit DVB-T2 im Datenblatt funktioniert in Deutschland, insbesonders alle 2015 und früher gekaufte Geräte. Die tv-plattform.de vergibt ein grünes Logo „DVB-T HD“ an Geräte, die in Deutschland funktionieren. Viele DVB-T2-Geräte werden auch DVB-T empfangen können.

Für den Fernseher kann man einen DVB-T2-Receiver ab etwa 40 Euro kaufen. Für den Computer gibt es DVB-T2-Empfänger als USB-Gerät in einer Größe von 5 × 2 × 1 cm mit einer 15-cm-Standantenne für weniger als 20 Euro. In einigen Notebooks ist ein DVB-T2 Empfänger eingebaut.

DVB-Stick (USB) für Computer mit zugehöriger Antenne

Gehäuse


Die Wahl eines geeigneten Gehäuses entscheidet mit über Lebensdauer, Zuverlässigkeit und den Geräuschpegel Ihres Computers. Das Gehäuse ist nicht nur ein Stück Blech. Sogar die Dicke des Bleches ist wichtig: Dünne Bleche neigen mehr zu Vibrationen.

Abmessungen

Standardgröße

Fast alle Gehäuse haben die gleiche Grundfläche: Sie sind 19 cm breit und 42 bis 45 cm tief. Bei der Planung des Stellplatzes müssen noch jeweils 6 cm hinter dem PC (für Kabel) und 13 cm vor dem PC (für die Schublade der CD/DVD Laufwerke) berücksichtigt werden. Die Höhe des Gehäuses schwankt sehr stark. Sogenannte Midi-Tower-Gehäuse haben vier Einbauplätze für DVD- und andere große Laufwerke, was eine typische Höhe von 42 cm ergibt.

Reduziert man die Zahl der Einbauplätze auf zwei, erhält man einen Mini-Tower mit einer Höhe von etwa 34 cm. Sie schränken damit aber nicht nur die Höhe, sondern auch die späteren Erweiterungsmöglichkeiten ein. Es kommen ständig neue Geräte und neues Zubehör auf den Markt, von denen manche einen großen Einbauplatz erfordern.

Empfehlung: Achten Sie darauf, dass über dem Brenner sowie über und unter der Festplatte jeweils ein Slot frei bleibt. Das erleichtert die Wärmeableitung. Außerdem ist ein Zusatzlüfter für die Festplatten dringend zu empfehlen.

Desktop-Gehäuse

Als Desktop-Gehäuse bezeichnet man liegende Gehäuse. Sie sind besonders praktisch, wenn man einen großen Röhrenbildschirm darauf stellen möchte. Weil aber die innen entstehende Wärme nicht nach oben aufsteigen kann, sind sie für besonders leistungsfähige PC wenig geeignet.

Slimline-Gehäuse

So nennt man ein Desktopgehäuse, dessen Höhe auf etwa 10 cm verringert ist. Diese Bauform ist nicht zu empfehlen:

  • Erweiterungskarten kann man nicht direkt auf die Hauptplatine stecken, da sie standardmäßig 12 cm hoch sind.
  • Um trotzdem handelsübliche Erweiterungskarten stecken zu können, wird eine Art Verteilerstecker verwendet, ein sogenannter „Bus-Adapter“. Dieser belastet aber die auf Höchstleistung getrimmte Schaltung und verzögert Steuersignale. Nicht jede Erweiterungskarte läuft unter diesen Bedingungen stabil, eventuell muss sogar der Datenverkehr (der Takt vom Front Side Bus) gebremst werden.
  • Die generellen thermischen Probleme von Desktopgehäusen werden durch die geringe Bauhöhe weiter verschärft. Zusätzliche Lüfter können die thermischen Probleme mindern, erhöhen aber den Lärmpegel.

Miniaturgehäuse

Einige Hersteller bieten miniaturisierte Gehäuse mit verkleinerten Netzteilen an, die angeblich besonders geeignet für das Wohnzimmer sind. Davon ist aus zwei Gründen abzuraten:

  • In einem zu kleinen Gehäuse ist die Luftzirkulation behindert, weshalb zusätzliche Lüfter benötigt werden. Die Lüfter müssen einen latenten Wärmestau auflösen und besitzen eine höhere Drehzahl, was den PC merklich lauter werden lässt. Dadurch ist er letztlich wohnzimmeruntauglich.
  • Reparatur und Aufrüstung sind erschwert. Standard-Hauptplatinen und -Netzteile passen nicht. Die herstellerspezifischen Ersatzteile sind entweder nicht zu beschaffen oder ihre Beschaffung ist unwirtschaftlich.

Oft steht in solchen Gehäusen die Festplatte senkrecht auf der Stirnseite, auf den Kabelanschlüssen oder ist in einer anderen verbotenen Einbaulage eingeschraubt. Die Zuverlässigkeit und der Verschleiß der Festplatte erhöht sich, deren durchschnittliche Lebensdauer sinkt, Garantieverlust droht. Mehr dazu siehe die Ausführungen zur Einbaulage der Festplatte. Oft steckt die Festplatte in einem „Käfig“, der die Luftzirkulation behindert. Weil meist kein Platz vorhanden ist, einen Festplattenlüfter einzubauen, verringert sich die Lebensdauer der Festplatte noch mehr.

Ganz allgemein kann man sagen: Je kleiner das Gehäuse, desto wahrscheinlicher ist der Hitzetod. Ganz klar kann man das an den besonders kleinen Computern sehen: Den Spielkonsolen. Eine Umfrage unter 500.000 Besitzern ergab, dass 42% aller XBox 360 und 8% aller PlayStation 3 schon eine Reparatur benötigten oder ersetzt werden mussten[30]. Bei der Wii sind es nur 1%. Von den reparierten Konsolen mussten 55% (XBox 360) bzw. 12% (PS3) mehrmals repariert werden. Ärgerlich, selbst wenn die Garantiezeit noch nicht abgelaufen ist.

Eine Umfrage des Spielemagazins „Game Informer“ ergab eine Ausfallrate der XBox 360 von 54,2%[31].

Große Gehäuse

Manche PCs laufen rund um die Uhr und kühlen nie ab. Wenn eine hochwertige Grafikkarte und eine schnelle CPU viel Wärme erzeugen und häufig CDs und DVDs gebrannt werden, kann ein Hitzestau entstehen. Besonders viel Hitze entsteht in Netzwerkservern. Die Temperatur der Hauptplatine sollte durchschnittlich nicht über 30°C und auch kurzzeitig nicht über 40°C liegen. Die Festplatte sollte keinesfalls wärmer als 55°C werden. Welche CPU-Temperatur zulässig ist, hängt vom Prozessortyp ab und muss auf den Webseiten von Intel bzw. AMD ermittelt werden. Eine CPU-Temperatur unter 60°C ist für jede CPU unkritisch.

Wenn viel Wärme im Gehäuse entsteht, gibt es zwei Möglichkeiten:

  • Man wählt ein großes Gehäuse vom Typ „Big Tower“.
  • Man baut viele (fünf bis acht) Lüfter ein, die natürlich für einen hohen Geräuschpegel sorgen.

„Montagefreundliche“ Gehäuse

Es ist ja ganz nett, wenn man das Gehäuse schnell auf- und zumachen kann. Die Laufwerke werden auf Gleitschienen in das Gehäuse eingeschoben. Aber wie nützlich ist es denn wirklich, ein DVD-Laufwerk mit wenigen Handgriffen wechseln zu können? Wie oft in einem Computerleben werden Sie denn voraussichtlich das DVD-Laufwerk wechseln? Besser sind Gehäuse, in denen Sie Festplatte und Brenner mit dem Gehäuse verschrauben können. Die Wärmeableitung verbessert sich, weil das Gehäuse als Kühlblech wirkt.

In manchen Gehäusen brauchen bzw. können die Steckkarten nicht an der Rückwand des Gehäuses festgeschraubt werden, sondern sie werden nur festgeklemmt. Das erspart eine Minute bei der Montage, aber es erhöht die Gefahr von Wackelkontakten.

Formfaktor

Wo am Gehäuse die Anschlüsse (Tastatur, Maus, USB, Sound) und die Slots für Erweiterungskarten sind, wird durch den sogenannten Formfaktor festgelegt.

1996 wurde der Formfaktor „ATX“ (ATX bedeutet „Advanced Technology eXtended“) für den Pentium MMX und den Pentium II eingeführt.

2005 propagierte Intel einen neuen Formfaktor „BTX“. BTX bedeutet „Balanced Technology eXtended“. Diese „balancierte“ Technologie soll vor allem eine bessere Kühlung der Komponenten durch die Optimierung der Luftzirkulation im Gehäuse bewirken. Die Wärme produzierenden Komponenten (Prozessor, RAM, Chipsatz) werden auf der Hauptplatine in einer Reihe angeordnet und mit einem speziellen Kühlkanal abgedeckt, so dass ein einziger großer Lüfter zur Kühlung ausreicht. Der zusätzliche Kühlkanal macht BTX-Boards und -gehäuse etwas teurer.

Durch neue Technologien (Doppelkern-Prozessoren) entsteht aber trotz steigender Rechenleistung weniger Abwärme, deshalb wird die BTX-Technologie gegenwärtig nicht benötigt. Vorerst reicht die ATX-Technologie noch aus. Intel hat im Jahr 2007 aufgehört, BTX-Hauptplatinen zu entwickeln oder vorzustellen.

AMD versucht gegenwärtig, eine Bauform „DTX“ zu etablieren. PCs und Hauptplatinen sollen kleiner werden. Der Erfolg blieb bisher aus. Nach Intels gescheitertem BTX-Abenteuer halten sich die Händler zurück.

Wollen Sie mehr über Gehäuse wissen?

Netzteil


Einleitung

Ein Netzteil muss je nach System eine Gesamtleistung von 100 bis 700 Watt bereitstellen. Das ist etwa der Stromverbrauch eines kleinen Heizkörpers!

Das Netzteil erzeugt mehrere Betriebsspannungen:

  • 12 V für Motoren und andere leistungshungrige Elektronik
  • 5 V für sparsame Komponenten
  • 3,3 V für diverse Spannungen auf dem Mainboard
  • -12 V für manche ältere Peripherie (z. B. serielle Schnittstelle)
  • 5 V SB Ruhezustand

Keine der Spannungen darf mehr als 5% vom Sollwert abweichen, obwohl der Strombedarf des Computers schnell und stark schwankt. Je nachdem welches Programm Sie gerade benutzen und was das Programm gerade tut, ändert sich jede Mikrosekunde der Strombedarf. Um diese Spannungsschwankungen zu dämpfen, sind Netzteil, Hauptplatine und Steckkarten mit vielen Kondensatoren bestückt. Hochwertige Platinen sind (teilweise oder komplett) mit „Solid Caps“, Kondensatoren mit festem Elektrolyt, ausgerüstet. Sie altern unter dieser Belastung deutlich langsamer als normale Kondensatoren. Bei Netzteilen sind dagegen Modelle mit Solid Caps noch selten, da dort viel höhere Spannungen vorhanden sind.

Mehr als 99% dieser Leistung werden von den Komponenten im PC in Wärme verwandelt, der Rest in Schall und Elektrosmog. Prozessor, Grafikkarte, Festplatte und Chipsatz sind die größten Stromverbraucher, auch das Netzteil selbst hat einen beträchtlichen Eigenstrombedarf. Deshalb muss der PC durch Lüfter gekühlt werden.

Das Netzteil liefert fünf Spannungen - warum werden 28 Drähte benutzt, um die Hauptplatine mit Strom zu versorgen? Weil eine Stromstärke von dutzenden Ampere für einen einzelnen Draht zu hoch ist.

Ruhezustand

Wenn Windows den PC beim Herunterfahren ausschaltet oder wenn der Benutzer ein ATX-Netzteil mit dem Soft-Off-Schalter ausschaltet, steht die Hauptplatine immer noch unter einer Spannung von 5 Volt. Sie erkennen das daran, dass die Anzeigen der Tastatur und die LED in der Maus weiter leuchten.

Luft und Lärm

Üblicherweise befindet sich im Netzteil ein Lüfter, manchmal auch zwei. Das Netzteil saugt warme Luft aus dem Inneren des Computers, nutzt diese zur eigenen Kühlung und bläst sie hinten aus dem Computer heraus. Kaufen Sie ein Netzteil mit einem Lüfterdurchmesser von 120 mm! Je größer der Durchmesser des Lüfters, desto langsamer dreht er und desto leiser ist er.

Viele Lüfter sind temperaturgeregelt: Sie drehen langsamer, wenn weniger Wärme entsteht. Bei manchen Lüftern erfolgt die Temperaturanpassung durch Wechsel zwischen Stillstand und voller Drehzahl. Diesen häufig wechselnden Geräuschpegel empfinden manche Menschen als störend. Achten Sie beim Kauf des Computers darauf, ob das Netzteil eine stetige oder eine Intervallregelung hat.

Mittlerweile kann man auch lüfterlose Netzteile kaufen. Ihre Verwendung ist aus zwei Gründen problematisch:

  • Ein Netzteillüfter würde nicht nur das Netzteil kühlen, sondern auch die warme Gehäuseluft absaugen. Bei einem lüfterlosen Netzteil bleibt die Abwärme von CPU, Festplatte, Grafikkarte u.a. im Gehäuse gefangen.
  • Weil der Lüfter fehlt, wird die Wärme größtenteils über die Oberfläche des Netzteilgehäuses abgestrahlt. Sie bleibt im Inneren des Computers und heizt ihn noch weiter auf.

Deshalb muss zwingend mindestens ein Zusatzlüfter an der PC-Rückseite eingebaut werden. Leiser wird der PC also nicht, vom Risiko mal abgesehen, dass das Netzteil überhitzt und durchbrennt.

Die optimale Leistung

Handelsübliche Netzteile reichen von 300 bis 1000 Watt. Netzteile mit hoher Spitzenleistung sind teuer in der Anschaffung und für einen anderen Lastbereich ausgelegt. Die meisten Netzteile arbeiten zwischen 20 und 80% Last am effizientesten. Wählen Sie deshalb die Leistungsklasse nicht zu hoch, aber natürlich auch nicht zu niedrig. Wenn der Rechner unter absoluter Volllast 80% ausschöpft, dann ist das Netzteil perfekt dimensioniert. Netzteile in Büro- und Heimrechnern sind leider oft generell überdimensioniert, da keine kleinen Modelle unterhalb von 300 Watt verfügbar sind. Greifen sie nur dann zu leistungsstarken Netzteilen, wenn Sie nennenswerte Nachrüstungen planen. Achten Sie auf den Wirkungsgrad: Es gibt Stromfresser mit einem bescheidenen Wirkungsgrad von 50%. Markennetzteile erreichen bis zu 90% und schützen den PC meist besser vor Überspannungen im Stromnetz.

Wenn Sie einen Power-PC mit High-End-Grafikkarte haben, müssen nicht auf einen leisen PC verzichten. Es gibt Wasserkühlungen für den PC. Sie sind allerdings sehr teuer und der Einbau ist kompliziert, denn ein „Rohrbruch“ oder auch nur eine Undichtheit ruiniert die Elektronik.

Wichtig, da oft falsch verstanden: Nur weil ein Netzteil z.B. 1000 Watt liefern kann, tut es das nur, wenn auch 1000 Watt vom Rechner gebraucht werden. Benötigt er aber beispielsweise nur 500, so liefert es auch nicht mehr! Ein 1000W und ein 600W-Netzteil hätten bei gleicher Effizienz in diesem Szenario also gleichen Stromverbrauch. Das 1000W-Modell wäre nur in der Anschaffung bedeutend teurer gewesen. Andererseits kann es bei sehr niedriger Last sein, dass das stärkere Modell stark in der Effizienz abfällt, während das kleinere Modell noch oberhalb von 20% und damit recht sparsam arbeiten kann. Daher: Netzteil richtig dimensionieren!

Bereitschaftsspannung

Früher hatten Computer einen 230 Volt Schalter. Das wurde geändert. Der Einschalter wurde von einem klobigen, anfälligen Starkstromschalter zu einem kleinen Taster, der mit der Hauptplatine verbunden ist. Das Ein- und Ausschalten des Netzteils wird nun von der Hauptplatine gesteuert. Das eröffnet mehrere Möglichkeiten, den PC einzuschalten:

  • Drücken der Einschalttaste
  • Zeitgesteuert von der Computeruhr
  • Über die Tastatur
  • durch Bewegen der Maus
  • durch Einschaltbefehl über das Netzwerk oder vom Modem

Manche dieser Möglichkeiten müssen mit einem Jumper auf der Hauptplatine oder mit einem Eintrag im BIOS freigeschaltet werden. Auch das Ausschalten ist auf mehrere Arten möglich: Mit Befehl über das Netzwerk, mit der Einschalt-Taste, zeitgesteuert oder per Software. Es ist bequem, dass Windows nach dem Herunterfahren gleich noch den PC ausschaltet. So kann beispielsweise ein Administrator um Mitternacht alle Computer der Firma hochfahren, Updates durchführen und sie wieder herunterfahren, ohne die Mitarbeiter bei der Arbeit zu behindern.

Wie funktioniert das? Das Netzteil erzeugt ständig eine Bereitschaftsspannung von 5 Volt, mit der ein Teil der Hauptplatine und alle die Geräte mit Strom versorgt werden, die einen Einschaltbefehl geben könnten: Tastatur, Maus, Netzwerkkarte und Modem. Sie erkennen das daran, dass die Maus und die Anzeigen der Tastatur leuchten, auch wenn der PC heruntergefahren ist. Bei den USB-Anschlüssen gibt es Unterschiede. Manchmal werden einige der Anschlüsse mit Bereitschaftsspannung versorgt, um den Akku einer drahtlosen Maus aufzuladen oder um ein Handy mit dem Notebook-Akku aufladen zu können.

Für die Energierechnung ist das nicht so toll. Ein scheinbar ausgeschalteter PC braucht weiter Strom, auch die meisten Bildschirme und Drucker und manche Lautsprecher gehen in den Bereitschaftszustand und brauchen weiter Strom, wenn auch wenig. Ein durchschnittliches PC-System kann durchaus auf 20 Euro Energiekosten pro Jahr im „ausgeschalteten“ Zustand kommen. Wenn Sie diese Kosten sparen wollen, sollten Sie sich eine Steckdosenleiste mit Schalter zulegen. Damit können Sie PC, Monitor, Lautsprecher und weitere Geräte mit einem Handgriff vom Stromnetz trennen. Nebenbei schützen Sie Ihre Geräte: Was vom Stromnetz getrennt ist, kann nicht durch Überspannungen zerstört werden.

Es gibt aber Gerätearten, bei denen Sie bei einer Schaltung über eine Steckdosenleiste einige Dinge beachten sollten:

  • Ein DSL-Modem oder DSL-Router benötigt einige Minuten für den Aufbau der Verbindung ins Internet (die Synchronisation). Meist dauert es nur ein bis drei Minuten, in ungünstigen Gegenden können es auch 10 Minuten werden. Möglicherweise haben Sie nicht so viel Geduld. Probieren Sie es aus, ob dem DSL-Modem/Router der Strom gekappt werden darf.
  • Wenn bei einem Tintendrucker eine längere Druckpause eintritt, bewegt er den Druckkopf in die Parkposition, um die Düsen zu verschließen. Dadurch wird deren Austrocknen verhindert. Schaltet man den Drucker über seinen eigenen Schalter aus, parkt er schnell noch den Kopf. Nimmt man einem Drucker den Strom weg, der gerade eben noch gedruckt hat, kann er die Köpfe nicht parken und die Tinte trocknet schnell ein.
  • Selbst wenn nach dem letzten Druckauftrag Zeit vergangen ist: Wenn Sie dem Drucker den Strom wegnehmen, kann er sich nicht merken, wann das letzte Mal die Düsen gereinigt worden sind. Folglich werden nach jedem Einschalten die Düsen gründlich gereinigt. Dafür wird derart viel Tinte verbraucht, dass es meist erheblich billiger ist, den Drucker ständig im Standby-Betrieb zu belassen.
    Mehr dazu im Kapitel über Tintendrucker.

Überspannungsschutz

Das Netzteil kann beträchtliche Schwankungen der Versorgungsspannung verkraften. Länger andauernde Über- oder Unterspannungen von 30 Volt sind für die meisten Netzteile kein Problem. Stromausfälle bis etwa einer Viertelsekunde, wie sie bei Schaltvorgängen vorkommen, werden mit der in Kondensatoren gespeicherten Energie überbrückt. Sogar Überspannungsspitzen von mehreren hundert Volt werden abgefangen, wenn sie nur wenige Millisekunden dauern.

Jedes ordentliche Netzteil hat mehrere Schaltungen, um den Computer vor Überspannungen zu schützen.

  • Schutzschaltungen am Eingang
  • die Spannungsregelstufen können viele Schwankungen ausgleichen, einige erlauben den Betrieb zwischen 80 und 240 V Eingangsspannung.
  • Wenn das nicht reicht, ist eine Thyristorstufe der letzte Schutz. Sobald eine der Spannungen den Toleranzbereich verlässt, werden schlagartig alle Spannungen gleichzeitig kurzgeschlossen. Diese ist bei weitem nicht in jedem Netzteil vorhanden.
  • Eine Überspannung wird spätestens erkannt, wenn nach einer gewissen Zeit die geregelte Ausgangsspannung nicht aufbaut konnte.

Dadurch „überlebt“ der PC meistens den Ausfall des Netzteils.

Einen Blitzeinschlag in der Nähe hält allerdings kaum ein Netzteil aus. Ein zusätzlicher Schutz ist sinnvoll. Überspannungsschutzschaltungen gibt es integriert in eine Steckerleiste oder als separaten Zwischenstecker. Die einfachen Ausführungen (etwa 10 €) schützen nur vor Blitzschlägen und sind sinnlos, außer wenn Ihr Haus einzeln steht und über eine Freileitung versorgt wird. Die Ausführungen für 20 bis 40 € schützen zusätzlich vor kleineren Überspannungen, die aufgrund ihrer Häufigkeit gefährlich sind.

Bauformen und Typen

Die meisten Netzteile haben eine Standardgröße von etwa 15 x 15 x 10 cm, auch die Position der vier Befestigungsschrauben ist einheitlich. Einige Hersteller bieten miniaturisierte Gehäuse mit verkleinerten Netzteilen an, für die Ersatz kaum aufzutreiben ist.

Die Anforderungen an Netzteile entwickeln sich weiter. Die aktuelle Bauart heißt ATX, das bedeutet „Advanced Technology eXtended“. Ältere ATX-Netzteile und Hauptplatinen haben einen 20-poligen Steckverbinder, während neuere Netzteile einen 24-poligen Stecker haben. Manche dieser 24-poligen Stecker kann man in zwei Stecker zerlegen: 20-polig und vierpolig, so dass Sie auch die neueste Ausführung eines ATX-Netzteils an eine ältere Hauptplatine anstecken können.

Im Jahr 2004 kamen die Netzteile nach dem neuen BTX-Formfaktor („Balanced Technology eXtended“) auf den Markt. Allerdings hat sich der neue Formfaktor nicht durchgesetzt.

Reparaturen

Sie haben den Verdacht, dass Ihr Netzteil nicht in Ordnung ist? Versuchen Sie nicht, ein defektes Netzteil zu reparieren!

  • Es gibt im Netzteil keine Schmelzsicherung, die Sie austauschen könnten. Wenn es eine solche gäbe, wäre sie von außen zugängig.
  • Kondensatoren im Netzteil stehen noch mehrere Stunden nach dem Ausschalten unter einer Spannung von mehreren hundert Volt!
  • Es besteht das Risiko, dass nach der Reparatur das PC-Gehäuse unter Spannung steht.
  • Die Versorgungsspannungen dürfen nur wenige Prozent von den Nennspannungen abweichen, sonst kann die Elektronik durchbrennen. Am Netzteil zu sparen und dabei Hauptplatine, Prozessor, Grafikkarte und Laufwerke zu riskieren, ist nicht sinnvoll.

Für die meisten PCs genügt ein Netzteil mit 400 Watt Leistung, das 40 Euro oder mehr kostet. In einer Fachwerkstatt sollte der Einbau nur selten länger als 20 Minuten dauern.

Wollen Sie mehr über Netzteile wissen?

Kühlung


Warum eigentlich muss der PC gekühlt werden? Müssen die lauten Lüfter wirklich sein?

  • Halbleiter verändern ihre elektrischen Eigenschaften bei Temperaturänderungen sehr stark und hören auf, zu funktionieren.
  • Die Reibung und der Verschleiß in den Kugel- und Gleitlagern wächst.
  • Elektrolyt-Kondensatoren trocknen aus und dämpfen die Spannungsschwankungen nicht mehr.
  • Isolationen im Netzteil werden weich und können versagen.

Lüfter sind die am schnellsten verschleißenden Teile eines Computers.

Zwei Probleme

Mit der Kühlung müssen zwei unterschiedliche Probleme gelöst werden:

  1. Die Oberflächen einiger Komponenten werden sehr heiß, vor allem die Oberfläche des Prozessors. Die Wärme muss mit Kühlkörpern schnell abgeleitet werden.
  2. Große und kleine lokale Wärmequellen heizen die Luft im Computer schnell auf. Die warme Luft muss zügig aus dem Gehäuse heraus befördert werden.

Lüfterarten

Viele Lüfter sind temperaturgeregelt. Es gibt zwei Arten der Regelung: Die einen drehen langsamer, wenn weniger Wärme entsteht. Die anderen Lüfter schalten je nach Temperatur zwischen Stillstand und voller Drehzahl hin und her. Diesen plötzlichen Wechsel des Geräuschpegels empfinden manche Benutzer als störend.

Gehäuse-Zusatzlüfter und Netzteillüfter gibt es in mehreren Bauformen. Bei Lüftern von Grafikkarten und vor allem bei Lüftern auf Chipsätzen ist die Anzahl der Bauformen und Befestigungsarten fast unüberschaubar. Weitere Unterschiede gibt es in der Anzahl der Anschlussadern (zwei, drei oder vier) und in der Bauform der Stecker.

Tipp:

  • Wenn Sie einen Ersatzlüfter kaufen wollen, bauen Sie ihren alten Lüfter aus und nehmen Sie in als Muster zum Einkauf mit!
  • Die meisten heutigen CPUs regeln den Takt herunter, wenn sie zu heiß werden. Wenn Ihr PC nach einigen Minuten Aufwärmzeit drastisch langsamer wird, haben Sie vielleicht ein Temperaturproblem. Dimensionieren Sie den CPU-Lüfter großzügig! Ein Lüfter, der auch für einen wesentlich stärkeren als Ihren Prozessor geeignet ist, regelt auf eine langsamere Drehzahl herunter und wird dadurch leiser. Außerdem haben Sie an heißen Tagen eine Sicherheitsreserve.
  • Wenn man die Wahl hat zwischen Lüftern mit großem oder mit kleinem Durchmesser, sollte man den größeren wählen. Ein Lüfter mit doppeltem Durchmesser hat die vierfache Fläche und braucht daher eine wesentlich geringere Drehzahl, um die gleiche Luftmenge zu befördern. Das bedeutet längere Lebensdauer des Lüfters, weniger Motorengeräusch, und auch das Geräusch der Luftströmung verringert sich.
  • Lüfter werden sowohl mit Kugellagern („ball bearing“, abgekürzt BB) als auch mit Gleitlagern („Sleeve bearing“) hergestellt. Gleitlager in einem Computerlüfter bedeutet: Im Plastegehäuse ist eine Bohrung, darin dreht sich eine Metallachse. Verschleiß und Geräuschpegel sind hoch. Der Preisunterschied zur Kugellagerausführung ist gering, der Unterschied in der Lebensdauer gewaltig. Wählen Sie immer die Kugellager-Ausführung!
  • Auf billigen Grafikkarten und für Chipsatz-Kühler werden fast immer Lüfter verwendet, deren Achse nur auf einer Seite gelagert ist. Deshalb sind diese Grafikkarten-Lüfter recht kurzlebig. Wenn Sie einen verschlissenen Lüfter austauschen müssen, sollten Sie nach einem Lüfter mit beidseitigen Lagern suchen.

Luftströmungen

Die Luft tritt an der Unterseite des PC, zwischen Metallgehäuse und Vorderblende, in das Gehäuse ein. Meist gibt es im unteren Teil der Vorderseite, hinter der Plasteblende, noch weitere Öffnungen für den Lufteintritt. Die erwärmte Luft steigt nach oben und wird durch das Netzteil hindurch nach außen geblasen. Mit Zusatzlüftern im unteren Teil der Vorderwand und im oberen Teil der Rückwand kann die Luftströmung verstärkt werden. Mitunter gibt es eine zusätzliche Öffnung in der Seitenwand, um die Abluft des CPU-Kühlers auf dem kürzestem Weg aus dem Gehäuse hinauszubefördern.

In Internetforen wird leider oft geraten, das Gehäuse zu öffnen, wenn der PC zu heiß wird. Dadurch kehrt die warme Luft, die das Netzteil nach hinten ausbläst, auf kürzestem Wege wieder in das Gehäuse zurück. Statt durch das Gehäuse zu strömen, strömt die Luft nur um das Netzteil herum, gewissermaßen ein thermischer Kurzschluss. Folglich „steht“ die Luft in der Mitte des Gehäuses fast still. Das Gehäuse offen zu lassen ist also nur dann sinnvoll, wenn Sie mit einem Tischventilator für kräftige Luftbewegung sorgen.

Sorgen Sie also dafür, dass die Luft optimal strömt: Von vorn unten nach hinten oben. Ungenutzte Slotblenden sollten Sie zuschrauben oder zukleben. Ungenutzte Öffnungen für Zusatzlüfter an der Rückseite sollten Sie zukleben.

Man sollte einen PC nie in eine Ecke stellen! Weiter ist darauf zu achten, dass Lüftungsöffnungen nicht zugestellt oder zugehängt werden: 10 bis 40 cm Abstand sind empfehlenswert.

Computertische haben oft ein mehr oder weniger geschlossenes Fach für den PC, aus dem die Wärme schlecht entweichen kann. Wenn Sie den PC unbedingt in einem solchen Computertisch oder in einem Möbelstück unterbringen wollen, kontrollieren sie gut, ob er sich überhitzt!

Staub

Leider befindet sich die Luft-Hauptansaugöffnung an der Unterseite des PC. Wenn der PC auf einem Tisch steht, stört das nicht. Viele Benutzer stellen allerdings ihren PC auf den Fußboden, damit die Tischplatte frei bleibt. Dadurch befindet sich die Hauptansaugöffnung nur einen halben Zentimeter über dem Fußboden - nicht viel höher als die Düse des Staubsaugers. Zum Staubsauger gibt es aber zwei Unterschiede, mal abgesehen vom Preis:

  • Der Staubsauger ist nur einige Minuten pro Tag in Betrieb, der PC saugt viele Stunden täglich.
  • Der Staubsauger hat einen Filterbeutel, der regelmäßig gewechselt wird, der PC nicht.
Wie können Sie die Verschmutzung verringern?

Jeder Zentimeter Abstand vom Fußboden zählt. Fünfzehn Zentimeter Abstand vom Fußboden halbieren den Staubanfall. Vielleicht können Sie den PC unter der Schreibtischplatte aufhängen. Verstellbare Halterungen gibt es zu kaufen, das kostet nicht viel. Sie können auch einen niedrigen Hocker oder eine (stabile!) Kiste darunterstellen. Eine wackelige Standfläche für den PC muss aber vermieden werden. Im Sinne von „jeder Zentimeter zählt“ können Sie zumindest ein passend zugeschnittenes Brett darunterlegen. Bei einem Teppichboden wird der Luftstrom nicht mehr durch die Teppichfasern gebremst, und auf einem glatten Boden können sich die Fusseln nicht direkt unter dem PC ansammeln.

PC mit Wasserkühlung

Wasserkühlung

Wasserkühlungen haben eine hohe Kühlleistung bei geringer Geräuschentwicklung. Irgendwo am PC muss ein Radiator für die Ableitung der Wärme angebracht werden. So groß wie im Bild ist er nicht immer. Es gibt Bausätze für den Selbsteinbau. Es ist allerdings nicht einfach, die Schläuche dauerhaft dicht zu verlegen. Wenn man nicht äußerst präzise arbeitet, hat man irgendwann fließendes Wasser im PC, was ihn meistens in Schrott verwandelt.

Zusatzlüfter

Einfache Büro- und Home-PC kommen oft mit dem Lüfter im Netzteil aus. Leistungsfähigere PCs brauchen in der Regel ein bis drei Zusatzlüfter. Die Lüfter können im unteren Teil der Vorderfront oder im oberen Teil der Rückfront eingebaut werden. Zunehmend oft wird durch eine Öffnung in der Seitenwand über einen Trichter die Luft direkt auf den CPU-Kühler geleitet. Ein guter Platz für einen Zusatzlüfter ist an der Vorderseite, der Luft direkt auf die Festplatte bläst.

Handelsübliche Zusatzlüfter sind quadratisch und meist 80 x 80 mm groß, dazu passende Befestigungsbohrungen sind in den meisten Gehäusen vorhanden. Nichtbenutzte Lüfteröffnungen an der Gehäuserückseite sollten Sie zukleben, andernfalls wird ein Teil der von den Lüftern ausgestoßenen warmen Luft zurück in das Gehäuse gesaugt.

Die vorderen Lüfter saugen kalte Luft in das Gehäuse, die vom Netzteillüfter und weiteren Zusatzlüftern auf der Rückseite herausgeblasen wird. Kontrollieren Sie die Richtung, in die die Lüfter blasen. Warme Luft steigt nach oben. Es ist sinnlos, dagegen anzukämpfen.

Rundkabel? Besser nicht!

Die Laufwerke (Festplatte, DVD, Floppy) sind eventuell mit Flachbandkabeln angeschlossen. Gemeint sind damit nicht die schmalen SATA-Kabel, die praktisch nur noch anzutreffen sind, sondern Kabel mit einer Breite von bis zu 5 cm, die in aktuellen Rechnern nicht mehr verbaut werden.

Verlegen und befestigen Sie diese Kabel so, dass sie den Luftstrom möglichst wenig behindern. In Zeitschriften wurde mitunter empfohlen, sogenannte „Rundkabel“ zu verwenden. Solche Kabel werden hergestellt, indem das breite Flachbandkabel bis kurz vor die Stecker zusammengerollt oder -gefaltet und in einen Isolierschlauch gezwängt wird. Das ist ein unüberlegter, schlechter Ratschlag! Wieso?

Wenn zwei Leitungen dicht benachbart sind, erzeugt ein Stromfluss in der einen Leitung eine schwache „Kopie“ des Signals in den benachbarten Leitungen. Diesen Effekt nennt man „Übersprechen“. Die Bezeichnung kommt aus der alten, analogen Telefonie: Manchmal konnte man ein fremdes Gespräch leise mithören, das über einen benachbarten Draht geführt wurde. Beim Telefonieren störte das kaum. In einem Datenkabel darf Übersprechen nicht vorkommen.

Vor knapp zehn Jahren waren die Festplattenkabel noch 40-polig. Diese Leitungen erlaubten einen Datentransfer von maximal 33 Mb pro Sekunde. Höhere Übertragungsraten waren wegen der Gefahr des Übersprechens nicht möglich. Dann fiel den Ingenieuren ein Trick ein: Zwischen je zwei Datenleitungen wurde eine Masseleitung eingefügt, um das Übersprechen zu verringern. Die 40-poligen Kabel wurden durch 80-polige ersetzt, die Stecker sind 40-polig geblieben. Durch die zwischengeschalteten Masseleitungen verbessert sich die Abschirmung so weit, dass die Übertragungsgeschwindigkeit von und zur Festplatte von 33 auf 133 Mb/s angehoben werden konnte. Was passiert aber, wenn Sie die aufwändig durch Masseleitungen abgeschirmten Datenleitungen in Längsrichtung zusammenrollen und bündeln? Sie verringern die Abschirmung und erhöhen dadurch das Risiko von Störungen und Datenverlusten!

Gegen Rundkabel zum Floppy-Laufwerk ist wegen der geringen Datenübertragungsrate nichts einzuwenden.

Lüfterausfall

Der Ausfall eines Lüfters kann mehrere Probleme verursachen.

  1. Jede Erhöhung der Betriebstemperatur beschleunigt die Alterung des Computers.
  2. Durch Überhitzung können nach einiger Zeit Probleme beim Betrieb des Rechners auftreten. Das Betriebssystem kann abstürzen. Im schlimmsten Fall können Schäden an der Hardware die Folge sein, so könnte etwa das Netzteil durchbrennen. Während das Netzteil durchbrennt, erzeugt es vielleicht kurzzeitig zu hohe Spannungen, und weitere Schaltungen brennen durch. Wenn die Festplatte durchbrennt, verlieren Sie Ihre Daten.

Zum Glück kündigt sich ein bevorstehender Lüfterausfall fast immer durch einen höheren Geräuschpegel an. Wenn Sie dieses Warnzeichen ignorieren, wird der Lüfter irgendwann später erfreulich leise: Er bleibt stehen.

Wenn sich das Betriebsgeräusch Ihres PCs ändert, sollten Sie versuchen, die Ursache zu finden. Den Netzteillüfter sowie andere, von außen zugängliche Lüfter können Sie völlig gefahrlos überprüfen: Falten Sie ein Papierstück mehrmals zu einem Streifen. Schieben Sie das Streifchen von hinten durch das Schutzgitter ein Stückchen in das Netzteil hinein, bis Sie ein Geräusch hören (aber lassen Sie das Papier nicht vor Schreck los!). Wenn es kein Geräusch gibt, ist der Lüfter ausgefallen.

Die Drehzahl des Prozessorlüfters können Sie über das BIOS überwachen - lassen Sie sich vom Händler oder einem Freund zeigen, wie das geht (das ist bei jedem PC etwas anders). Notfalls müssen Sie das Gehäuse aufschrauben und nachsehen.

Achtung!

  • Bewegen Sie den PC niemals im eingeschalteten Zustand!
  • Entfernen Sie alle CDs und DVDs aus den Laufwerken, bevor Sie den PC auf die Seite legen!
  • Drücken Sie niemals auf die Achse eines Lüfters - Sie beschädigen damit dessen Lager!

Wenn das Geräusch nur sporadisch auftritt, können Sie den PC notfalls auch mal einige Stunden oder sehr wenige Tage auf der Seite liegend betreiben, um die Lüfter besser beobachten zu können. Besonders der Lüfter der Grafikkarte ist kaum zu sehen, solange der PC senkrecht steht.

Achtung! Der Wechsel der Lage der Festplatte erhöht den Verschleiß sehr stark!

Wollen Sie mehr über Lüfter wissen?

Der flüsterleise PC


Lärm macht krank

Schwerhörigkeit durch Lärm macht 43% aller anerkannten Berufskrankheiten aus, das ist mit Abstand die häufigste Ursache. Siehe Bericht der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin „Sicherheit und Gesundheit bei der Arbeit 2007“[32] Rauschende Lüfter und klackernde, sirrende Festplatten verringern die Produktivität. Bei häuslichen PC sieht es meist nicht besser aus. Die Augen kann man schließen, die Ohren leider nicht.

Leider gilt für viele PC aus dem Kampfpreis-Segment: Schnell = Laut.

Der flüsterleise PC

Der Gesamtgeräuschpegel eines PC setzt sich aus vielen einzelnen Quellen zusammen. Einzelne Geräuschquellen zu verringern reicht nicht. Sie müssen alle Geräuschquellen im Auge behalten und dann entscheiden, bei welchen Komponenten die Lautstärke verringert werden muss.

Werden Sie sich klar darüber, was Ihre Prioritäten sind. Höchste Leistung oder niedrige Geräuschemissionen. Beides zusammen geht nicht. Hohe Rechen- und Grafikleistung ist mit viel Energieverbrauch verbunden. Jedes Watt, welches vom Netzteil in den PC hinein gepumpt wird, wird in Wärme umgewandelt und muss mit Lüftern heraus befördert werden.

Leise Komponenten verwenden

Leise Lüftermodelle

  • Lüfter mit größerem Durchmesser sind durchschnittlich leiser als die mit kleinerem. Ein 12-cm-Lüfter hat die reichlich doppelte Fläche wie ein 8-cm-Lüfter und benötigt deshalb eine wesentlich geringere Drehzahl.
  • Eine kleine Nabe vergrößert den Luftdurchsatz.
  • Im Windkanal durchgestylte Lüfter und aerodynamisch optimierte Lüfterblätter vermindern das Geräusch der durchströmenden Luft.
  • Es gibt Lüfter mit 12 cm Durchmesser, die mit nur 800 oder 500 Umdrehungen pro Minute laufen. Mit dieser Drehzahl sind sie praktisch nicht zu hören, und trotz der geringeren Drehzahl bewegen sie etwa ebenso viel Luft wie ein 8-cm-Lüfter bei 1500 U/min.

Lesen Sie Testberichte in Computerzeitschriften!

Gehäusegröße

In einem großen Gehäuse kann die Luft unbehindert aufsteigen. In Miniaturgehäusen staut sich stellenweise die Wärme, deshalb müssen die Lüfter schneller und damit lauter arbeiten.

Die Gehäuselüfter

Bei größerer Wärmeentwicklung im Gehäuse können Zusatzlüfter sinnvoll sein: Einer an der Rückwand unterhalb vom Netzteil, oder an der Vorderwand auf Höhe der Festplatte. Ersetzen Sie einen eventuell vorhandenen 8-cm-Lüfter durch einen leisen 12-cm-Lüfter. Allerdings nutzt das nur dann etwas, wenn das Gehäuseblech auf der gesamten Fläche genügend große Luftlöcher hat. Wahrscheinlich müssen Sie zusätzliche Löcher in die Rückwand bohren. Um Schäden durch Späne (Kurzschlüsse!) und Vibrationen zu vermeiden, sollten Sie vorher alle Bauteile ausbauen.

Grafikkarte

Hochleistungs-Grafikkarten kommen nicht ohne Kühlung aus. Beachten Sie beim Kauf: Manche Grafikkartenlüfter sind derart laut, dass Sie über die Lautstärke der anderen Komponenten gar nicht erst nachdenken brauchen. Manchmal kann man den Lüfter der Grafikkarte gegen einen leiseren austauschen, dabei verliert man allerdings die Garantie. Wenn Sie am PC bestimmt nicht spielen werden, sollten Sie nach einer Grafikkarte mit passiver Kühlung (ohne Lüfter) suchen. Wenn Sie die Kühlrippen sicherheitshalber mit einem leisen, langsam laufenden Lüfter anblasen, hält die Grafikkarte auch mal ein Spiel aus, ohne zu überhitzen.

Der Prozessor

Neuere Prozessorgenerationen brauchen durchschnittlich weniger Energie als ältere, um eine gleiche Rechenleistung zu erzielen.

Der Prozessorkühler

Wenn Sie eine CPU mit einer Verlustleistung unter 80 Watt haben, kaufen Sie einen Hochleistungskühler mit Heatpipe, der für CPUs mit 140 Watt Verlustleistung konzipiert ist. Die Kühlwirkung reicht vermutlich aus, wenn Sie den kräftigen, lauten Lüfter durch einen großen, langsameren Lüfter ersetzen. Sie sollten aber sicherheitshalber die CPU-Temperatur kontrollieren.

RAM

DDR-3 RAM sind stromsparender als DDR-2, weil sie mit niedrigerer Spannung arbeiten.

Die Festplatte

Festplatten mit 5400 U/min haben gegenüber solchen mit 7200 U/min zwei Vorteile:

  • Sie sind deutlich leiser
  • Sie erzeugen weniger Wärme

Allerdings sind sie meist auch langsamer. Aber es gibt Ausnahmen. Die Auswirkung der kleineren Drehzahl auf die Datenübertragungsrate kann der Hersteller kompensieren, indem er der Festplatte mehr Cache-Speicher spendiert und mehr Magnetscheiben im Gehäuse übereinander stapelt. Sechs Köpfe wie in der Samsung Eco Green können trotz geringerer Drehzahl mehr Daten pro Sekunde lesen als die üblichen Platten mit zwei oder vier Köpfen. Lesen Sie Testberichte in Computerzeitschriften!

Die radikale Lösung: Kaufen Sie eine SSD-Festplatte und lagen Sie die großen, selten benutzten Dateien auf eine externe Festplatte aus. Schalten sie die externe Festplatte nur bei Bedarf ein. Vorsicht! Irgendwann werden Sie unaufmerksam sein und die externe Festplatte ausschalten, ohne sie vorher abzumelden. Das kann zu Datenverlust führen. Deshalb sollten Sie großes Augenmerk auf eine zuverlässige Datensicherung legen, die vielleicht auf eine zweite externe Festplatte erfolgen kann. Noch besser ist die Anschaffung einer ständig eingeschalteten schnellen Home-Server-Festplatte, die über Netzwerk angeschlossen wird und an einem Ort abgestellt werden kann, wo das geringe Betriebsgeräusch nicht stört.

Das Netzteil

Gute Netzteile haben einen Wirkungsgrad von 85% oder etwas besser, besonders verschwenderische Modelle kommen auf einen Wirkungsgrad von nur 50%. Zu beachten ist hierbei, dass der angegebene Watt-Wert nur die maximale Leistungsfähigkeit des Netzteils angibt, der die tatsächliche Leistungsaufnahme ist das, was der Computer tatsächlich gerade braucht. Ein Netzteil erreicht seinen optimalen Wirkungsgrad üblicherweise zwischen 20% bis 80% seiner Maximalleistung. Also das Netzteil nicht zu reichlich dimensionieren und vor allem auf den Wirkungsgrad im geplanten Lastbereich achten!

Glauben Sie keiner Reklame, in der ein Netzteil als leise angepriesen wird. Es scheint Mode geworden zu sein, fast jedes Netzteil als leise zu bezeichnen. „Leise“ ist kein präziser Begriff. Wenn es wirklich leise ist, gibt der Hersteller den Schallpegel in Dezibel an. Spitzennetzteile erreichen 20 dB. Werte unter 25 dB sind gut[33]. Zum Vergleich: 20 bis 30 dB sind die Lautstärke in einem sehr leisen Zimmer[34]. Sie werden nicht umhinkommen, Testberichte in Computerzeitschriften zu lesen.

Wenn es um das letzte Quentchen Lautstärke geht: Prüfen Sie, ob der Lüfter des Netzteils durch einen leiseren ersetzt werden kann. Lassen Sie diesen Umbau unbedingt von einem Fachmann durchführen!

Das optische Laufwerk

Wenn keine Scheibe drin liegt, macht es kein Geräusch. Wenn Sie ständig eine Scheibe eingelegt haben, z. B. eine Telefonauskunft-CD, müssen Sie auf die Geräuschentwicklung achten. Wenn Sie einen Film von DVD ansehen wollen, übertrifft dessen Lautstärke vermutlich die Geräuschentwicklung der meisten Laufwerke deutlich.

Nachträgliche Maßnahmen

Sie haben die Komponenten ausgewählt. Was können Sie jetzt noch tun?

Gehäuse

Wenn Sie den PC innen mit schallschluckenden Materialien bekleben, fällt das Gehäuseblech als „Wärmeabstrahler“ weg. Die Verschlechterung der Kühlung müssen Sie möglicherweise mit einem zusätzlichem Lüfter ausgleichen, was den Geräuschpegel erhöht. Ein Teufelskreis! Es ist ein brauchbarer Kompromiss, nur das eine Seitenblech zu bekleben, das der Hauptplatine gegenüberliegt. Dieses Blech wird im Betrieb am wenigsten erwärmt, die Kühlung verschlechtert sich kaum durch das Bekleben. Auch den Boden kann man bekleben. Der Schall wird dadurch nicht mehrmals im Gehäuse hin und her reflektiert.

Lüfterdrehzahl herunterregeln

Mit einem Adapter oder ein wenig Löten kann man einen Lüfter zwischen der 5 Volt und 12 Volt Leitung betreiben. Er bekommt dann 7 Volt und läuft sehr leise, die Kühlleistung verschlechtert sich allerdings stark. Prüfen Sie unbedingt, ob der Lüfter mit der verringerten Spannung zuverlässig anläuft!

Festplatten und Laufwerke elastisch lagern

Es gibt zahlreiche Vibrationsdämmer für Festplatten. Die Platte wird an Gummiblöcken befestigt, damit der Schall nicht auf das Gehäuse übertragen wird. Weil dabei die Wärmeableitung auf das Gehäuse unterbleibt, sollte die Festplatte eine „grüne“ sein oder anderweitig gekühlt werden. Vorsicht mit Eigenbauten: Die Festplatte darf im Betrieb nicht ins Schwingen geraten, sonst leidet die Lebensdauer.

Aufstellort ändern

Je weiter der PC von Ihren Ohren entfernt ist, desto weniger ist er zu hören. Vielleicht können Sie einen Platz finden, wo er nicht mehr zu sehen ist, dann kommt der Schall nur noch als Reflexion zu Ihnen. Den PC in einen Schrank oder ein anderes geschlossenes Behältnis zu stellen will wohl bedacht sein: es könnte zu einem Wärmestau kommen.

Dämpfen Sie die Geräuschübertragung auf den Fußboden. Kaufen Sie eine Geräuschdämpfungsmatte für Waschmaschinen und schneiden Sie einen oder zwei Streifen davon ab.

Wasserkühlung

Wasser hat eine wesentlich größere Wärmekapazität als Luft und kann viel mehr Wärme abtransportieren. Die Kühlkörper von CPU und Grafikkarte haben keine Kühlrippen, sondern zwei Schlauchanschlüsse. Nur wenige Grafikkarten sind für Wasserkühlung geeignet. Ein Kühler für AMD-CPUs sollte auf beiden Seiten an allen drei Befestigungsnasen verankert werden, damit er nicht abreißt, denn der Kühler ist schwer. An der Seite oder über dem PC muss ein Wärmeaustauscher angebaut werden, ähnlich wie der hinter dem Kühlschrank. Am höchsten Punkt des Kreislaufs wird ein Ausgleichsbehälter benötigt, weil sich Wasser bei Erwärmung ausdehnt. Eine Umwälzpumpe wird am besten auf dem Boden des Computers befestigt, möglichst auf einer vibrationsdämmenden Unterlage. Sie werden das Gehäuse bohren müssen, also vorher alle Bauteile ausbauen. Es gibt auch Pumpen, die in den CPU-Kühlkürper integriert sind.

Die Befestigung der Schläuche sollte mit extremer Sorgfalt erfolgen. Am besten sind Schlauchanschlüsse, welche den Schlauch mit einer Überwurfmutter fixieren. Bei einfacheren Ausführungen müssen Sie die Schläuche mit Kabelbindern befestigen. Verwenden Sie destilliertes Wasser. Bedenken Sie: Wasser im PC verwandelt ihn in Schrott! Lassen Sie deshalb die Wasserkühlung einige Stunden Probe laufen, bevor Sie den PC einschalten.

Vollständig geräuschlose Rechner

Es gelingt mittlerweile Rechner zu konstruieren die vollständig auf bewegliche Teile verzichten und deren Geräuschemissionen daher die Hörschwelle um viele Größenordnungen unterschreiten. Zur Zeit sind die Rechenleistungen dieser Geräte eher begrenzt. Ein Beisiel ist der FitPC2i der israelischen Firma Compulab, welcher mit den Betriebssystemen Linux oder Windows 7 erhältlich ist. Mittlerweile wurden jedoch auch Doppelkern-Modelle mit 3D beschleunigen NVidia Grafikkarten auf Basis von Ubuntu an Entwickler ausgeliefert.


Netzwerk


Netzwerkkarte

Eine Netzwerkkarte ist eine Baugruppe zur Verbindung eines Computers mit anderen Computern, ob benachbart oder im Internet.

Vor einem Vierteljahrhundert kostete eine Netzwerkkarte einige hundert DM. Heute ist die Netzwerkfunktionalität in den Chipsatz integriert. Separate Steckkarten werden heute nur noch in Sonderfällen verwendet, beispielsweise in Servern, oder wenn die integrierte Netzwerkkarte defekt ist.

Auf der abgebildeten Netzwerkkarte ist eine unbestückte Fassung für einen Boot-ROM zu sehen. PCs ohne Festplatte konnten sich mit einem solchen Start-ROM ihr Betriebssystem vom Zentralserver holen. Heute sind Festplatten so billig, dass sich das Verfahren höchstens noch in Firmen mit hunderten PCs lohnt.

Als Anschluss für das Netzwerkkabel dient eine viereckige Buchse mit acht Kontakten. Über der Buchse sind zwei LED angeordnet. Die grüne leuchtet, wenn die Karte mit einer Gegenstelle verbunden und die Gegenstelle eingeschalteten ist. Die zweite, meist rote LED zeigt an, ob Datenverkehr stattfindet.

Wollen Sie mehr über Netzwerkkarten wissen?

Netzwerkkabel


Netzwerkkabel
Netzwerkstecker

Ebenso wie für den Fernsehempfang müssen auch für Netzwerke abgeschirmte Kabel verwendet werden. Das liegt an der hohen Frequenz. Zum Vergleich:

  • UKW-Rundfunk im Bereich 87,5 bis 108 MHz
  • Kabelfernsehen 300 MHz bis 862 MHz
  • Netzwerk 100 oder 1000 MHz

Die meisten Netzwerke arbeiten heute mit einer Übertragungsrate von 100 MBit/s oder 1000 MBit/s (Gigabit-Netzwerk). Neuere Hauptplatinen haben fast ausnahmslos einen Gigabit-Netzwerkanschluss. Jede Netzwerkkarte erkennt, welche Höchstgeschwindigkeit die Gegenstelle beherrscht, und stellt sich automatisch darauf ein. Diese Signale störungsfrei übertragen zu können, erfordert Kabel, die noch hochwertiger sind als Fernsehkabel. Die aktuelle Norm für Netzwerkkabel ist „Cat 5e“ oder „Cat6“.

Für Netzwerkkabel werden 8-polige Stecker vom Typ RJ45 verwendet. Für ISDN-Anschlüsse werden leider die gleichen Stecker benutzt, allerdings mit anderer Kontaktbelegung. Also bitte aufpassen, falls Sie ISDN-Telefon haben! Vertauschen Sie nicht versehentlich die Anschlüsse oder Kabel! Die Qualität eines ISDN-Kabels reicht nicht für das Netzwerk, während ein Netzwerkkabel durchaus für ISDN-Verbindungen verwendet werden darf.

Für eine Netzwerkverbindung mit 100 MBit/s wird ein Aderpaar zum Senden und ein zweites Aderpaar für den Empfang benutzt. Gigabit-Ethernet benutzt alle vier Aderpaare. Um nicht mehrere Kabelsorten bevorraten zu müssen, werden stets alle vier Aderpaare verbunden, auch wenn nicht immer alle benutzt werden.

Die Adern sind paarweise verdrillt (umeinander gewickelt), um störende Einflüsse zu vermindern. Für höhere Ansprüche kann jedes Aderpaar mit Alufolie abgeschirmt werden. Die vier Aderpaare werden untereinander verdrillt, bekommen manchmal noch eine Gesamtabschirmung und werden vergossen.

Achtung! Netzwerkkabel dürfen nicht geknickt oder mit zu geringen Biegeradien verlegt werden. Nicht nur, dass die einzelnen Adern im Kabel brechen können, das Verlegen mit zu geringen Biegeradien kann die elektrischen Eigenschaften der Leitung ändern. Mit geänderten Eigenschaften ist nicht etwa gemeint, dass die „Elektronen aus der Kurve fliegen“, wie im Volksmund gelegentlich gewitzelt wird. Das Verhältnis zwischen Isolierung, Leiter, Schlaglänge (wie stark die Leitungen verdrillt sind) und Schirm(en) ist im Normalfall theoretisch berechnet, sodass sicher gestellt ist, dass die entsprechenden Datenraten erreicht werden können. Zu geringe Biegeradien ändern diese Verhältnisse. Abschirmungen oder Isolierungen können beschädigt werden, Abstände ändern sich, etc. Ein noch stärkerer Einfluss im Bezug auf dieses Verhalten war bei alten Coaxial-Netzwerkkabeln zu beobachten.

Ein Biegeradius von etwa fünf Zentimetern sollte nicht unterschritten werden (in Datenblättern von Netzwerkkabeln sind häufig die genauen Werte angegeben). Falls Störungen auftreten, bleiben diese häufig unbemerkt, weil die beteiligten Netzwerkgeräte bei einer Störung die Übertragung so lange selbständig wiederholen, bis ein Datenpaket unverfälscht „durchkommt“. So kann mit kleineren Biegeradien ein Netzwerk langsamer werden, bis hin zum Totalausfall. Bei fester Verlegung z. B. in Putz wird daher sehr konservativ vorgegangen, da eine nachträgliche Reparatur oder Nachbesserung hier sehr kostspielig ist.

Wollen Sie mehr über Netzwerkkabel wissen?

Netzwerkverteiler


Wenn man zwei PCs miteinander verbinden will, kann man ein Kabel direkt von einem zum anderen PC ziehen. Bei einem 100-MBit-Netzwerk benötigt man allerdings ein Spezialkabel, ein sogenanntes Crossover-Kabel. In diesem Kabel sind Sende- und Empfangsleitung vertauscht, so dass die gesendeten Datenpakete des einen PC am Empfangsverstärker des anderen PC ankommen und umgekehrt. Wenn man Gigabit-Netzwerkkarten hat, kann man wahlweise ein gekreuztes oder ein ungekreuztes Kabel verwenden. Die Elektronik erkennt die Übertragungsrichtung und passt sich an.

Wenn jedoch mehr als zwei PC vernetzt werden sollen, braucht man einen Verteiler, einen „Hub“ oder „Switch“. Ein Hub hat eine etwas einfachere Elektronik und ist in der Leistung einem Switch unterlegen, deshalb werden Hubs kaum noch verkauft.

Ethernet Switch

Die rechte Abbildung zeigt einen „5 Port Ethernet Switch“. „Port“ bedeutet hier „Anschluss“. Es können bis zu fünf Kabel angesteckt werden, die zu PCs, anderen Switchen oder zu dem DSL-Modem führen. Nicht benötigte Anschlüsse bleiben frei. Alle Anschlüsse sind gleichberechtigt, man muss also nicht mit der Nummer Eins anfangen. Handelsübliche Switche haben 4, 5, 8, 16, 24 und 32 Ports.

An der Vorderseite befinden sich Kontrollleuchten für jeden Port. Eine der Leuchten zeigt an, ob ein Kabel eingesteckt ist, dessen anderes Ende mit einem betriebsbereiten Gerät verbunden ist. Manchmal ist eine zweite LED vorhanden, um anzuzeigen, ob die Übertragung mit 1000 oder 100 Mb/s stattfindet.

Ein Switch muss mit Strom versorgt werden. Größere Geräte haben ein eingebautes Netzteil, kleine werden über ein Steckernetzteil versorgt. Es gibt auch Switche, die über die angeschlossenen Netzwerkkabel versorgt werden, die aber preislich für den Privatanwender uninteressant sind.

Der nebenstehende „Wireless Router“ hat vier Kabelanschlüsse an der Rückseite sowie als fünften Anschluss eine WLAN-Antenne. Switche, welche unterschiedliche Übertragungsmedien verbinden (hier: Kabel und Funk), werden als „Router“ bezeichnet.

Wenn Sie Ihre Wände nicht mit Metallfolie beklebt haben, können die Nachbarn im Umkreis von 20 bis 50 Metern mithören. Sie sollten deshalb beim Kauf darauf achten, das der Router ein modernes Verschlüsselungsverfahren beherrscht, und dieses auch benutzen. Das Verschlüsselungsverfahren WEP ist veraltet und ganz leicht zu „knacken“. WPA ist ein wenig sicherer. WPA-2 gilt aus heutiger Sicht als praktisch unknackbar, wenn das verwendete Passwort lang genug ist.

Zwei 16-Port-Switche (schwarz) im Serverraum. Die weißen Anschlüsse führen zu den PCs.

Wenn ein Switch nicht genug Anschlüsse hat, kauft man einen weiteren und verbindet sie untereinander. Auch im Heimbereich kann das sinnvoll sein. Wenn man beispielsweise im Arbeitszimmer und im Kinderzimmer jeweils mehrere Geräte anschließen will, gibt es zwei Möglichkeiten:

  • Man verlegt vom zentralen Switch im Arbeitszimmer ein Kabelbündel ins Kinderzimmer, wobei man für jeden PC ein Kabel braucht.
  • Man verlegt nur ein Kabel, kauft einen zweiten Switch für das Kinderzimmer und verlegt kurze Kabel innerhalb des Kinderzimmers.

Bei der Verbindung zweier Switche miteinander gibt es eine Besonderheit: Die Sende- und Empfangsleitungen im Kabel müssen vertauscht werden. Dafür gibt es zwei Möglichkeiten:

  • Die Verwendung eines „Cross“ Kabels, in dem die Aderpaare vertauscht sind
  • Manche Switche haben den Anschluss „1“ scheinbar doppelt. An diesem zusätzlichen Anschluss sind die Aderpaare intern vertauscht, so dass ein gewöhnliches Kabel verwendet werden kann. Achtung: Nur an einem der Switche die „gedrehte“ Buchse verwenden! Von den beiden Anschlüssen mit der „1“ nur einen verwenden!

Bei Gigabit-Switchen sind „gedrehte“ Kabel nicht mehr nötig. Sie erkennen die Kabelbelegung automatisch und passen sich an.

DSL-Router


Ein DSL-Router ist das Bindeglied zwischen dem Internet-Provider und einem oder mehreren angeschlossenen PCs. Er wird an den Splitter oder an ein DSL-Modem angesteckt.

Der DSL-Router speichert die Internet-Zugangsdaten und baut eine Verbindung ins Internet auf, sobald einer der angeschlossenen PCs dies wünscht. Der Router bekommt vom Server des Providers eine öffentliche IP-Adresse für die Dauer der Verbindung zugeteilt. Nach einer (einstellbaren) Zeit ohne Internetaktivität kann die Verbindung automatisch getrennt werden, so dass bei einem Zeittarif keine weiteren Kosten entstehen.

Der DSL-Router teilt jedem der angeschlossenen PCs eine interne IP-Adresse zu, die zur Kommunikation untereinander und mit dem DSL-Router dient. Wenn einer der PCs ein Datenpaket ins Internet schicken will, wechselt der DSL-Router die interne IP-Adresse gegen die öffentliche IP-Adresse aus. Kommt ein Datenpaket als Antwort zurück, tauscht der DSL-Router die öffentliche gegen die interne Adresse zurück und sendet das Datenpaket an den richtigen PC.

Ein Splitter der Telekom
DSL-Router
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WLAN

Normen und Datenübertragungsraten

Die Normen und Verfahren für WLAN, das „Wireless LAN“, wurden vom IEEE erarbeitet, dem weltweiten Berufsverband von Ingenieuren der Elektrotechnik und Informatik.

Die Verfahren nach IEEE 802.11b und g arbeiten im Frequenzbereich 2,4 GHz. Diese Frequenz darf ohne Genehmigung von jedem und zu jeden Zweck benutzt werden. Hier tummeln sich Bluetooth, Schnurlostelefone, Babyphones, Mikrowellenherde u.a., so dass Störungen häufig sind. WLAN unterteilt den Frequenzbereich in 13 Kanäle. Die Kanäle 9 und 10 haben fast die gleiche Frequenz wie haushaltübliche Mikrowellenherde. Die WLAN-Geräte suchen automatisch einen Kanal aus, in dem die Störungen gering sind und wo der bestmögliche Empfang erreicht wird. Da sich die Kanäle teilweise überlappen, sind nur drei Kanäle überlappungsfrei. Wenn mehrere Funknetze in Reichweite sind, stören sie sich gegenseitig und der Datendurchsatz sinkt.

802.11h arbeitet im Bereich 5 GHz. Dort steht ein größerer Frequenzbereich zur Verfügung, in dem 19 nicht überlappende Kanäle untergebracht werden können.

Bei den angegebenen Datenübertragungsraten handelt es sich um theoretische Werte. Sogar unter optimalen Bedingungen beträgt die tatsächlich erreichbare Übertragungsrate etwa die Hälfte. Außerdem ist zu berücksichtigen, dass sich alle Geräte im Netz die Bandbreite teilen müssen.

Norm Übertragungsrate
(theoretisch)
IEEE 802.11 2 Mbit/s
IEEE 802.11b 11 Mbit/s
IEEE 802.11g 54 Mbit/s
IEEE 802.11h 54 Mbit/s
IEEE 802.11n 600 Mbit/s

Von Bedeutung für Deutschland sind die in der Tabelle aufgeführten Standards. Bei den angegebenen Datenübertragungsraten handelt es sich um theoretische Werte. Sogar unter optimalen Bedingungen beträgt die tatsächlich erreichbare Übertragungsrate nur wenig mehr als die Hälfte. Außerdem ist zu berücksichtigen, dass sich alle Geräte im Netz die Bandbreite teilen müssen.

Betriebsmodi

Betriebsmodus Ad-hoc

Es gibt keinen zentralen Knoten, alle Stationen sind gleichberechtigt. Jedes Gerät kann eine direkte Verbindung mit jedem anderen Gerät herstellen.

Mesh Network

Mit zusätzlicher Software kann ein Ad-hoc-Netz, in dem sich jedes Gerät nur um seinen eigenen Kommunikationsbedarf kümmert, zu einem Mesh-Netzwerk aufgewertet werden. Endgeräte werden zum Router und leiten Datenpakete weiter. Dadurch können Geräte kommunizieren, die zu weit voneinander entfernt sind, um eine direkte Verbindung herzustellen. Es gibt bereits erste Standards, Hard- und Software.

Mit Mesh-Netzen können Bürgernetze aufgebaut werden, ohne dass eine teure Infrastruktur benötigt wird.

Infrastruktur-Modus

Ein zentrales Gerät, meist der DSL-Router, übernimmt die Koordinierung aller Netzteilnehmer. Dazu sendet er üblicherweise zehnmal pro Sekunde ein „Beacon“ (engl. „Leuchtfeuer“) aus, welche die unterstützten Übertragungsraten, die Art der Verschlüsselung und die SSID enthalten. Die SSID (Service Set Identifier) ist der Netzwerkname. Die SSID ist frei wählbar und ermöglicht es, mehrere WLAN am gleichen Ort zu betreiben. Wenn ein Client mehrere Netze „sieht“, muss der Benutzer auswählen, mit welchem Netzwerk er verbunden werden soll.

Reichweite

Im Freien, bei direkter Sichtverbindung sind 50 bis 100 Meter möglich, unter besten Bedingungen 300 Meter. In Gebäuden ist die Reichweite drastisch geringer. Das Funksignal wird durch Wände und glatte Oberflächen reflektiert. Betonwände und -decken sind ein großes Problem. Wenn sich zwei Betonwände zwischen den Geräten befinden, gelingt eine sichere Verbindung kaum. Dicke Ziegelwände, vor allem wenn sie nicht knochentrocken sind, sowie Leichtbauwände (wenn die Tragekonstruktion aus Metall ist) dämpfen das Signal stark. Man kann nie mit Sicherheit vorhersehen, ob eine WLAN-Verbindung zustande kommen wird. Wenn der Empfang schwächer wird, verringern die Geräte Schritt für Schritt die Übertragungsrate. Wenn selbst mit 1 Mbit/s keine stabile Verbindung möglich ist, bekommen Sie die Meldung „Keine Drahtlosnetzwerke gefunden“.

Wenn Sie einen stationären PC mit WLAN nachrüsten wollen, ist der Einbau einer PCI-WLAN-Karte nicht zu empfehlen. Deren Antenne befindet sich im Spalt zwischen Wand und metallischem Gehäuse, wo der Empfang miserabel ist. Eine externe Antenne könnte den Empfang verbessern. Meist ist es aber preiswerter, einen USB-WLAN-Stick zu kaufen und ihn in eine der USB-Buchsen an der Vorderseite des Gehäuses zu stecken.

Wie kann man die Reichweite erhöhen?

  • Probieren Sie verschiedene Standorte für PC und Router. Manchmal helfen schon Verschiebungen um ein Dutzend Zentimeter. Vielleicht kann der Router im Türrahmen aufgehängt werden?
  • Manche Netzwerkkarten haben eine abnehmbare Antenne, die man durch eine leistungsfähigere ersetzen kann. Es gibt auch Antennen mit eingebautem Verstärker.
  • In der gehobenen Preisklasse gibt es Router mit erhöhter Sendeleistung.
  • Mit geeigneten Parabolantennen kann die Reichweite verzehnfacht werden.
  • Auf „halber Strecke“ kann man einen „Access Point“ als Zwischenverstärker platzieren. Deren Konfigurierung ist allerdings kompliziert.

Sicherheit

In ein ungesichertes Netz kann sich jeder Nachbar oder ein Krimineller auf der Straße einklinken. Vielleicht stört es Sie nicht, wenn andere in Ihrem PC stöbern können, weil Sie nichts persönliches auf dem PC haben? Jemand könnte auf Ihre Kosten Bezahldienste abonnieren, beispielsweise um Musik herunterzuladen. Ein missgünstiger Nachbar könnte unter Ihrem Namen ein Segelboot ­ersteigern, was Sie nicht brauchen, aber trotzdem bezahlen müssen (das ist schon vorgekommen). Es gibt Fälle, wo ahnungslose WLAN-Nutzer von Klagen wegen Urheberrechtsverletzungen oder Kinderpornografie überrascht wurden. Deshalb ist WLAN-Verschlüsselung Pflicht.

Der Bundesgerichtshof hat im Mai 2010 geurteilt, dass für nicht genügend gesicherte WLAN-Netze kostenpflichtige Abmahnungen fällig werden können.

WLAN-Verschlüsselung

WEP (Wired Equivalent Privacy) war der erste Verschlüsselungsstandard für WLAN. Es stellte sich heraus, dass das Verfahren Schwachstellen hat und mit heutiger Hard- und Software in wenigen Minuten entschlüsselt werden kann.

WPA (Wi-Fi-Protected Access) wurde 2003 als verbesserte Verschlüsselung eingeführt. Im Jahr 2004 wurde WPA zu WPA-2 weiterentwickelt. 2008 wurden Methoden gefunden, um die WPA-Verschlüsselung zu brechen. WPA-2 gilt gegenwärtig als sicher, wenn ein ausreichend langes und kompliziertes Passwort gewählt wird. Für geringe Sicherheitsansprüche genügen acht Zeichen, vorausgesetzt Sie benutzen einen Mix aus Groß- und Kleinbuchstaben, Ziffern und Sonderzeichen. Normale PCs würden Monate brauchen, um ein solches Passwort zu entschlüsseln – vorausgesetzt, Ihr Passwort ist in keinem Wörterbuch der Welt zu finden. Die Hochleistungscomputer von Geheimdiensten oder konkurrierenden Firmen können ein Passwort aus acht Zeichen in Minuten oder wenigen Stunden knacken. Jedes weitere Zeichen erhöht die Sicherheit um mehr als das Zehnfache. Ein Passwort aus 32 Zeichen gilt als sicher genug.

Alle Geräte im Netz müssen das gleiche Verschlüsselungsverfahren benutzen. Ältere Geräte unterstützen eventuell WPA und WPA-2 nicht. In diesem Fall haben Sie zwei Möglichkeiten: Für das gesamte Netzwerk eine unsichere Verschlüsselung wählen oder die alten Geräte entsorgen. Manche Router können mittels Update auf WPA-2 umgestellt werden. Dabei kommt es allerdings manchmal zu Leistungseinbrüchen, wenn der Router die für WPA-2 benötigte Rechenleistung nicht aufbringen kann bzw. nicht für alle angeschlossene PCs gleichzeitig. Windows XP unterstützt WPA-2 erst ab Servicepack 3.

Vorsichtsmaßnahmen

  • Ändern Sie die vom Hersteller voreingestellte SSID Ihres Routers. Aus der SSID sollte man weder Eigentümer noch Standort des Geräts erkennen können.
  • Ändern Sie das vom Hersteller vorgegebene Router-Passwort.
  • Konfigurieren Sie Ihren Router nur über Kabelverbindung und deaktivieren Sie die Möglichkeit, den Router über das Internet zu konfigurieren.
  • Ein „DHCP“ genanntes Verfahren teilt jedem PC. der darum bittet, eine IP-Adresse (Internet-Adresse) zu, auch den PCs ungewollter Besucher. Es ist sicherer, jedem PC eine feste IP-Adresse zu geben und den DHCP-Mechanismus ausschalten.
  • Wie Sie bereits wissen, hat jedes Netzwerkgerät eine weltweit einmalige MAC-Adresse. Bei manchen Routern kann man eine „Access Control List“ mit den MAC-Nummern derjenigen Geräte aufstellen, die Zugang erhalten dürfen. WLAN-Geräte, die nicht in der Liste stehen, werden vom Router ignoriert.
  • Bei vielen Routern lässt sich die Aussendung der SSID deaktivieren. Dadurch wird Ihr Router für die Nachbarschaft unsichtbar. Das scheint die Sicherheit zu erhöhen, tatsächlich entsteht dadurch eine Sicherheitslücke. Microsoft rät deshalb von der Deaktivierung der SSID ab.

Ist Ihr Netzwerk sicher?

Selbst wenn Sie alle beschriebenen Sicherheitsmaßnahmen einsetzen, verbleibt ein kleines Restrisiko. Datenpakete sausen durch die Luft, wo sie mit geeigneten Geräten aufgefangen werden können. Mit ausreichend großer Rechenleistung kann WPA und WEP entschlüsselt werden. Das als sicher geltende WPA-2 Verfahren könnte Fehler enthalten und irgendwann „geknackt“ werden. Schließlich galt auch WEP als sicher - bis es geknackt wurde.

Wie schnell ist Ihr WLAN?

Wie viele Netze sehen Sie, wenn Sie sich die „verfügbaren Drahtlosnetzwerke“ anzeigen lassen? In Städten ist ein halbes Dutzend und mehr nicht ungewöhnlich. Sie teilen sich die Bandbreite mit allen sichtbaren und unsichtbaren Nachbarn. Zum Glück sind meist nicht alle gleichzeitig aktiv. Im Internet gibt es Testprogramme (fragen Sie eine Suchmaschine nach „Speedmeter“), um die Geschwindigkeit zu testen. Möglicherweise können Sie die volle Geschwindigkeit Ihres DSL-Anschlusses nicht ausnutzen, weil die WLAN-Verbindung zeitweise zu langsam ist. Vielleicht sollten Sie den Aufwand auf sich nehmen, ein Netzwerkkabel zu verlegen.

Gesundheitsgefährdung

Solange die Verbindung gut ist, senden WLAN-Geräte mit geringer Sendeleistung. Je schlechter der Empfang, desto mehr „drehen sie auf“[35]. Die zehn Beacons pro Sekunde werden immer mit maximaler Energie gesendet. Die Regulierungsbehörde für Telekommunikation und Post RegTP erlaubt in der Verfügung 89/2003 für WLAN-Komponenten, die im 2,4-GHz-Frequenzbereich senden, eine maximale Strahlungsleistung von 0,1 Watt. Nach heutigen Erkenntnissen ist das nicht gefährlich für die Gesundheit, denn es liegt unter der zulässigen Grenze. Erst ab 0,5 Watt scheinen Kopfschmerzen verstärkt aufzutreten. Es gibt Initiativen, z. B. in Großbritannien und Österreich, die Nutzung von WLAN in Schulen zu begrenzen[36]. Sie sollten sicherheitshalber den WLAN-Router nicht über dem Kinderbett aufhängen. Platzieren Sie den WLAN-Router, wenn möglich, einige Meter entfernt von Ihrem Arbeitsplatz.

Handys und DECT-Telefone strahlen stärker als WLAN, aber nur während der Dauer des Telefonats. Die meisten WLAN-Router strahlen 24 Stunden pro Tag. Es ist eine kleine Mühe, den WLAN Router bzw. den WLAN-Sendeteil des Routers bei Nichtgebrauch abzuschalten. Viele Router haben dafür einen Schalter. WLAN von Notebooks lässt sich meist mit einer Taste abschalten (was nebenbei die Akkulaufzeit verlängert).

Die Wissenschaft hat erst vor kurzem begonnen, sich mit der Strahlungsgefährdung durch Handys zu beschäftigen. Zumindest teilweise handelt es sich um Auftragsforschung, die von Mobilfunkunternehmen bezahlt wird. Das Langzeitexperiment, einen großen Teil der Bevölkerung ununterbrochen zu bestrahlen, hat vor etwa zehn Jahren begonnen. In 30 Jahren werden wir mehr wissen.

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Power-LAN


PowerLAN, auch dLan oder Powerline Communication (PLC) genannt, benutzt die 230V Stromversorgungsleitungen für die Datenübertragung. Zusätzlich zum 50 Hz Starkstrom überträgt die Leitung eine Datenfrequenz im Megahertzbereich. Beim Empfänger wird das Datensignal mit einem Frequenzfilter abgegriffen.

In manchen Gebieten ist DSL über Telefonleitung nicht verfügbar. PLC sollte ursprünglich als Alternative dienen. Einige Stadtwerke bieten einen Internetzugang über Stromleitungen an. Während bei DSL bei jedem Kunden eine eigene Leitung ins Haus führt, müssen sich alle Internet-Kunden der Stadtwerke die Leitung teilen. Was an Datenrate übrig bleibt, ist lächerlich.

Inhouse-Powerline ist eine Vernetzung innerhalb der Wohnung. Man steckt einfach Adapter in jede Schukosteckdose, wo ein Netzwerkgerät angeschlossen werden soll.

Da die Stromleitungen nicht abgeschirmt sind, fangen sie wie eine Empfangsantenne eine Menge Störstrahlung (z.B. Rundfunk) auf. Deshalb muss das Datensignal mit großer Amplitude (mit viel „Power“) eingespeist werden, damit es stärker als die Störquellen ist. Außerdem wird ein Großteil des Signals in Glühlampen und anderen Verbrauchern in Wärme verwandelt. Leider wirken die nicht abgeschirmten Leitungen auch als Sendeantenne. Mit Richtantennen können Ihre Daten in bis zu 100 Meter Entfernung empfangen werden. Der „Elektrosmog“ ist größer als von WLAN und erreicht jedes Zimmer, in dem sich eine Steckdose oder eine Lampe befindet. Außerdem kann die Abstrahlung Ihrer Leitungen zu Störungen im Frequenzbereich von etwa 3 bis 20 MHz führen. Das betrifft den Funkverkehr von Feuerwehr, Polizei, Sicherheitsbehörden, Taxi- und Amateurfunk, Kurzwellenrundfunk, den Seefunkdienst, Wetterfunk, Flugfunk und militärische Funkdienste. Wie stark diese Störungen sind und ob sie jemand bemerkt, hängt von Lage und Bau Ihres Hauses ab und lässt sich nicht vorhersagen. Auch wenn es nur selten vorkommt: Wenn sich einer dieser Funkdienste (oder auch nur der Funkamateur im Nebenhaus) gestört fühlt, kann er sich in Deutschland an die Bundesnetzagentur wenden. Die schickt einen Funkmesswagen, legt Ihr Equipment still und schickt Ihnen eine Rechnung für den Einsatz der Funkmesstruppe.

In einem Artikel[37] bei Heise.de wird ausgeführt:

  • RWE und andere Stromkonzerne haben Powerline-Access inzwischen aufgegeben
  • Polizei und Rettungsdienste haben teilweise keinen Funkempfang mehr
  • Das japanische Parlament hat Powerline mit 109 zu 2 Stimmen verboten.

Funkamateure laufen Sturm gegen die Störungen des Kurzwellenempfangs.

Die meisten Haushalte werden mit 3-Phasen-Strom (Drehstrom) versorgt. Üblicherweise sind die Schukodosen auf die drei Phasen verteilt. Damit die hochfrequenten Datensignale von einer Phase zur anderen wechseln können, brauchen Sie einen Phasenkoppler, der die Phasen (nur für das Trägerfrequenzsignal) miteinander verbindet. Möglicherweise ist es billiger, vom Elektriker einige Steckdosen umklemmen zu lassen, damit alle für die Vernetzung benötigten Dosen an einer Phase hängen.

Das Hochfrequenzsignal wird durch Spulen, wie sie z. B. in jedem Stromzähler stecken, stark gedämpft. Vielleicht kommen ein paar Signalreste bis zur Haussicherung. Bis in die Wohnung Ihres Nachbarn kommt das Signal nicht, denn dorthin müsste das Signal einen weiteren Zähler überwinden. Die direkte Abstrahlung erreicht jedoch die Nachbarschaft. Vielleicht ist es ratsam, über eine Verschlüsselung wie bei WLAN nachzudenken.

Die Bemühungen des IEEE um einen Standard für PowerLAN sind gescheitert. Weltweit konkurrieren drei zueinander inkompatible Konzepte; das von DS2, das von Panasonic und HomePlug von Intellon. Wenn Sie sich für einen Hersteller entschieden haben, müssen Sie bei dessen Modellreihe bleiben.

Eine Schlagbohrmaschine und einen langen Steinbohrer auszuleihen und Kabel zu verlegen dürfte die bessere (und wohl auch billigere) Möglichkeit sein.


Bluetooth


Geräte-
klasse		 Sende-
leistung		 Reichweite
im Freien
3 1 mW 1 m
2 2,5 mW 10 m
1 100 mW 100 m

Dieses Funkverfahren arbeitet im genehmigungsfreien Frequenzbereich von 2,4 GHz. Im Vergleich zu WLAN (maximal 300mW) wird mit einer wesentlich geringeren Leistung gearbeitet. Eine Reichweite von einem oder zehn Metern ist für Handy, Headset, MP3-Player, Maus, Tastatur und andere Kleingeräte oft ausreichend und belastet den Akku sehr wenig. Wegen der kleinen Reichweite entstehen nur kleine Netze. Solche Mininetze bezeichnet man als „Piconet“.

Viele Notebooks haben eine Bluetooth-Schnittstelle integriert. PCs lassen sich mit einer Steckkarte oder einem USB-Stick nachrüsten. Windows XP ab Servicepack 2 und spätere Betriebssysteme unterstützen Bluetooth ohne Treiberinstallation.

Die theoretische Übertragungsrate beträgt 706,25 kbit/s beim Empfang bei gleichzeitigen 57,6 kbit/s beim Senden. Das reicht beispielsweise für gleichzeitige Stereoübertragung zu drei Kopfhörern.

Sobald Bluetooth-Geräte eingeschaltet werden, suchen sie nach anderen Geräten. Sie identifizieren sich innerhalb von zwei Sekunden über eine unverwechselbare 48 Bit lange MAC-Adresse. Ein der Geräte wird automatisch zum Master bestimmt, der die Kommunikation steuert, die anderen sind die „Slave“s. Wenn ein Master ausfällt, wird automatisch ein anderer gewählt.

Ein Bluetooth-Netzwerk kann bis zu 255 Teilnehmer umfassen, von denen acht Geräte gleichzeitig aktiv sein können und die restlichen 247 währenddessen geparkt werden. Die nicht aktiven Geräte bleiben synchronisiert und lauschen in Abständen von bis zu 2,56 Sekunden auf Nachrichten. Um den Akku zu schonen, gibt es mehrere Energiesparmodi. Ein Slave kann z. B. dem Master mitteilen, dass er die nächsten 0,5 Sekunden (das ist eine kleine Ewigkeit für einen Computer) „schlafen“ wird. Der Master wird dann erst nach einer halben Sekunde nachfragen, ob der Slave weiterschlafen will.

Bluetooth hat drei Sicherheitsmodi: Völlig unverschlüsselt und zwei weitere, die mit Verschlüsselung und Authentifizierung arbeiten können. Wenn Sie über Kopfhörer Radio hören oder telefonieren, ist eine Verschlüsselung bestimmt verzichtbar. Eine Datenübertragung dürfte wohl immer verschlüsselt sein. Wenn Sie einen leicht zu knackenden PIN-Code verwenden, könnte es sein, dass böswillige Angreifer hohe Kosten durch Anruf kostenpflichtiger Hotlines und SMS-Dienste verursachen, das Telefonbuch und private SMS lesen.

Eine interessante Verwendung ist der Einsatz von Bluetooth-Geräten als Haustürschlüssel oder für eine Zugangskontrolle. Herzschrittmacher können überwacht werden. Die Spielzeugindustrie lässt Puppen und Spielzeugtiere untereinander kommunizieren. Die Elektrosmog-Belastung kann bei geringer Sendeleistung vernachlässigt werden.

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Notebooks


Ein Notebook

Ein Gewicht von 10 bis 15 kg bei einem Preis weit über 10.000 DM war 1983 der Stand der Technik. 1986 war ein Laptop mit Diskettenlaufwerk, ohne Festplatte, mit einem Gewicht von 5 kg für 4000 DM ein Hit. Heutige Geräte sind auf etwa die Größe eines (sehr dicken) Schreibblocks geschrumpft und werden deshalb als Notebooks bezeichnet. Wird das Gerät noch kleiner, nennt man es Subnotebook. Wenn auch noch das DVD-Laufwerk entfällt, wird es zum Netbook. Die Bezeichnung „Notebook“ im folgenden Text bezieht sich auf alle diese Bauformen.

Notebooks sind beliebt: Sie benötigen wenig Platz auf dem Tisch und lassen sich gut transportieren. Für einige wenige Stunden kann man sie mit Akku betreiben. Zahlreiche Außendienstler, Dienstreisende, Studenten und andere können auf ein Notebook nicht verzichten. Nach einer Umfrage ist ein Notebook für jeden achten Berufstätigen unverzichtbar geworden.

Braucht man ein Notebook nur dafür, um Briefe zu schreiben und im Internet zu surfen, ist jedes aktuelle Gerät ausreichend leistungsfähig. Hat man darüber hinaus gehende Ansprüche, sollte man das Angebot genauer prüfen. Als Gegenpol zur Werbung hier einige Gedanken, welche Nachteile man sich beim Kauf eines Notebooks möglicherweise einhandelt.


Ergonomie

Testen Sie die Tastatur! Manchmal sind die Tasten für breite Finger zu schmal. Dreifach belegte Tasten und ein ungewohnter Druckpunkt machen das Tippen umständlich. „Normale“ Tastaturen sind an der Vorderkante knapp drei Zentimeter hoch. Bei Notebooks liegt die Tastatur deutlich höher. Weil der Handballen beim Schreiben tiefer liegt als die Tasten, ist längeres Schreiben anstrengend, und Vielschreibern droht eine Sehnenscheidenentzündung. Eine Handballenauflage kann das Schreiben angenehmer machen. Wenn Sie Ihr Notebook zu Hause betreiben, könnten Sie eine normal große externe Tastatur anschließen.

Das Touchpad ist eine geniale Erfindung. Wenn Sie mit dem Notebook unterwegs sind und keinen Tisch finden, ist ein Touchpad unentbehrlich. In jeder anderen Arbeitsumgebung ist eine externe Maus anzuraten. Die Arbeit geht damit wesentlich schneller voran. Es gibt kleine, stromsparende Notebook-Mäuse, meist mit einem selbstaufrollenden Anschlußkabel. Wenn Sie Wert auf eine lange Akkulaufzeit legen, sind Funkmäuse nicht ratsam, weil sie eine Mehrlast für den Akku sind. Wenn man beim zügigen Schreiben öfter versehentlich das Touchpad berührt, kann es ratsam sein, es abzuschalten.

Mit Zusatztastatur, -maus und -bildschirm erreichen Sie die Bedienungs-Ergonomie eines stationären Computers. Lästig sind allerdings die vielen Kabel, die an- und ausgestöpselt werden müssen. Man kann das Stecken reduzieren, indem man Tastatur, Maus und Drucker an einen USB-Hub anschließt. Optimal, wenn auch teuer, ist eine Docking-Station. Netzwerk, Drucker, Bildschirm, Lautsprecher, Tastatur und Maus bleiben ständig an der Dockingstation angeschlossen und die Dockingstation wird mit einem einzigen Spezialstecker mit dem Notebook verbunden.

Sonnenschein

Das brillianteste Bild im abgedunkelten Zimmer (und im Verkaufsraum) haben hochglänzende Displays. Bei hellem Licht oder gar draußen im Sonnerschein ist das Bild kaum zu erkennen, dafür können Sie sich selbst wunderbar bei der Arbeit zusehen. Displays mit matter Oberfläche haben bei hellerem Licht das bessere Bild, aber sie sind im Handel schwer zu finden, am ehesten noch im hochpreisigen Business-Segment. Fragen Sie dennoch danach – ein seriöser Händler wird ihnen zumindest einen alten Ladenhüter zum Vergleich präsentieren können, anhand dessen er Ihnen die Unterschied zwischen matter und spiegelnder Oberfläche aufzeigt.

Eine relativ neue Entwicklung sind „transflexive Displays“, die teils auch als „transreflexive Displays“ bezeichnet werden. Damit ist das Arbeiten sogar im prallen Sonnenschein möglich, und sie können im Schaufenster aufgestellt werden.



Komponenten

Notebook-Festplatten

„Normale“ Festplatten vertragen keine Erschütterungen. Deshalb werden für Notebooks spezielle Festplatten gefertigt. Sie haben eine Grundfläche von 2,5" Breite (etwa 65 mm) mal 100 mm Tiefe. Die Bauhöhe beträgt 0,5" (12,7 mm) oder 0,375" (9,5 mm) oder 0,25" (6,35 mm). Mittlerweile gibt es schon Festplatten mit 1,8" (46 mm) Breite.

Der kleinere Durchmesser und eine langsamere Drehzahl (4200 bis maximal 5400 Umdrehungen pro Minute) macht sie deutlich weniger empfindlich gegen Erschütterungen. Das Risiko von Oberflächenschäden sinkt, selbst wenn die Köpfe die Oberfläche kurzzeitig berühren. Andererseits sind die Notebook-Festplatten durch die geringe Drehzahl erheblich langsamer als vergleichbare „normale“ Festplatten.

Manche neuere Notebook-Festplatten haben einen „Fall-Sensor“: Wenn Ihnen das Notebook vom Tisch fällt, registriert das der Sensor. Noch vor dem Aufschlag wird die Rotation gestoppt und die Köpfe geparkt. Selbst wenn das Notebook zersplittert, überleben Ihre Daten den Sturz mit hoher Wahrscheinlichkeit.

Die Festplatte verbraucht 10% bis 15% vom gesamten Strombedarf des Notebooks, auch im Leerlauf sinkt der Strombedarf kaum. Die Energie wird in Wärme verwandelt, was ein großes Problem ist. Das Plastegehäuse leitet die Wärme nicht ab, und eine Luftströmung gibt es in den kompakten Geräten nicht. Unter den hochwertigen Notebooks gibt es sehr wenige Konstruktionen, welche einen Teil der Prozessorkühlluft über die Festplatte strömen lassen. Die überwältigende Mehrzahl der Notebookgehäuse sind, unter thermischen Gesichtspunkten, Fehlkonstruktionen. Legen Sie doch mal Ihr Notebook nach einer längeren Betriebszeit auf den Rücken (vorher natürlich ausschalten). Wo Sie die meiste Wärme fühlen, befindet sich die Festplatte. Es ist kein Wunder, dass defekte Festplatten der häufigste Defekt sind (von Fallschäden mal abgesehen).

Was können Sie tun, damit Ihre Festplatte deutlich länger als die Garantiezeit lebt? Benutzen Sie die Stromsparfunktionen und lassen Sie die Festplatte nach fünf bis maximal zehn Minuten Untätigkeit automatisch parken, auch wenn der Strom aus der Steckdose kommt. Versetzen Sie das Notebook in den Standby-Modus, wenn Sie eine Pause machen. Bei den meisten Geräten genügt dafür ein einziger Tastendruck oder das Zuklappen des Deckels (falls die Scharniere das mehrere Jahre durchhalten).

Hochwertige Notebooks haben zunehmend „Solid-State-Festplatten“, englisch "SSD" (Solid State Disk). SSDs kommen ohne bewegliche Teile aus, denn sie sind mit großen Mengen Flash-Speichern gefüllt, wie sie auch in den USB-Memory-Sticks verwendet werden. SSD-Festplatten sind sehr teuer und haben bescheidene Speicherkapazitäten, nur einige Dutzend Gbyte. Ihr Energiebedarf (und die Wärmeentwicklung) sind minimal. Problematisch ist die begrenzte Lebensdauer: Wie auch bei den USB-Memory-Sticks sind gegenwärtig maximal 100.000 Speichervorgänge möglich, an der Verbesserung wird zielstrebig geforscht.

Wegen einer Besonderheit des Schreibverfahrens muss auf einer SSD oft „aufgeräumt“ werden. Windows Vista und Nachfolger können die SSD in einer Arbeitspause mit einem speziellen „TRIM“-Befehl aufräumen. Windows XP kennt diesen Befehl nicht und kann deshalb die Arbeitspausen nicht nutzen. Erst wenn ein Schreibvorgang erfolgen soll, wird zeitaufwändig aufgeräumt. Das bedeutet: Bei einem typischen Verhältnis zwischen Schreib- und Lesevorgängen bringt eine SSD unter Windows XP keinen nennenswerten Geschwindigkeitsvorteil.

Notebooks mit zwei Festplatten

Einige hochwertige Notebooks sind mit zwei Festplatten ausgestattet. Das bringt bemerkenswerte Vorteile:

  • Wenn Sie die Auslagerungsdatei auf die zweite Festplatte verlegen, wird Windows merklich schneller. Sie müssen sich darum selbst kümmern, die üblichen vorinstallierten Systeme benutzen die zweite Festplatte nicht.
  • Sie können die zweite Festplatte für die Datensicherung verwenden. Das sollte allerdings nicht Ihre einzige Sicherung sein, denn Notebooks werden manchmal gestohlen.
  • Sie können die erste Festplatte (die mit dem Betriebssystem) durch eine kleine SSD-Festplatte ersetzen. Mit den vielen kleinen Dateien des Betriebssystems kann die SSD ihre Vorteile voll ausspielen. Mit den Daten, vor allem den großen MP3- und Multimediadateien, kommt die Magnetplatte besser zurecht. Die Geschwindigkeit steigt fühlbar, etwa auf das Doppelte.
Mehr dazu können Sie im Artikel über die Geschwindigkeit von SSD-Platten lesen.


Externes Diskettenlaufwerk mit USB-Anschluss

Diskettenlaufwerk

Es bietet nur eine kleine Speicherkapazität, beansprucht aber viel Platz und viel Strom. Daher wird es in aktuelle Notebooks nicht mehr eingebaut. Es wird auch kaum noch gebraucht. Wenn man ein Netzwerk betreibt, kann man bei Bedarf über das Netzwerk auf das Laufwerk eines anderen PC zugreifen. Für die Datenspeicherung verwendet man heute einen DVD-Brenner. Für Sonderfälle kann man für etwa 40 Euro ein externes Laufwerk erwerben, das an den USB-Anschluss angesteckt werden kann.

Optisches Laufwerk

DVDs und CDs lesen kann jedes handelsübliche Notebook. Hohe Brenngeschwindigkeiten sind selten und auch kaum nötig. In einigen Notebooks sind Kombi-Laufwerke eingebaut, die DVD schreiben und lesen, aber Blu-ray nur lesen können.

Man sollte nicht mehrere Scheiben kurz aufeinander brennen, weil die Wärmeableitung in dem kleinen Gehäuse schwierig ist. Weil das Brennen enorme Energiemengen braucht, sollte man im Batteriebetrieb darauf verzichten.


Notebook-Schnittstellen

Die Möglichkeit, einen PC (Personal Computer) um neue Möglichkeiten zu erweitern, machen viel von dessen Reiz aus. Die großen PCs haben innen mehrere Steckplätze für Erweiterungskarten, Notebooks nicht. Deshalb wurden Möglichkeiten geschaffen, Erweiterungskarten von außen in ein Notebook einzustecken bzw. anzuschließen.

PCMCIA bzw. PC-Card

Dicke von PCMCIA-Karten
Typ I 3,3 mm
Typ II 5 mm
Typ III 10,5 mm

Die PCMCIA (Abkürzung für Personal Computer Memory Card International Association) hat Notebook-Erweiterungskarten entworfen und im Jahr 1990 die Maße, die Stecker und die Ansteuerung dieser Peripheriekarten standardisiert. Mit PCMCIA werden sowohl die Organisation als auch die von dieser Organisation standardisierten Steckkarten bezeichnet. Die Schnittstelle ist dem ISA-Bus ähnlich und entsprechend langsam. Eine PCMCIA-Karte hat die Grundfläche einer Kreditkarte. Die Dicke ist unterschiedlich. Typ I wird für Speicherkarten verwendet, Typ 2 für Modems, ISDN-Modems, Netzwerkkarten, SCSI-Schnittstellen, WLAN-Adapter, Bluetooth-Adapter und anderes, Typ III für Mini-Festplatten. In einen Typ-III-Steckplatz kann man bei Bedarf zwei Karten vom Typ I oder II hineinstecken, in einen Typ-II-Steckplatz zwei vom Typ I. Die Karten dürfen bei laufendem Betrieb eingesteckt oder entnommen werden, ohne sie abzumelden. Auch PCs lassen sich mit einem PCMCIA-Steckplatz nachrüsten.

CardBus

Ein USB-CardBus-Adapter

Die Cardbus-Schnittstelle ist ebenfalls von der PCMCIA standardisiert worden. Sie ist PCI-ähnlich, die Übertragung erfolgt mit 32 Bit parallel. Während die PCMCIA-Schnittstelle nur 16 MB/s übertragen kann, kommt Cardbus auf 133 MByte/s. Die Steckplätze sind abwärtskompatibel: Man kann eine PCMCIA-Karte in einen Cardbus-Slot stecken, aber nicht umgekehrt.

ExpressCard

ExpressCards und eine CardBus-Karte

Der neueste Standard, ebenfalls von der PCMCIA, ist der ExpressCard. Aus Anwendersicht leistet die ExpressCard ziemlich genau das Gleiche, wie der CardBus, hat aber geringere Ausmaße, ist schneller (500 MBit/s) und einfacher in der Anwendung. Großes Manko: Es gibt bisher nur sehr wenig ExpressCards auf dem Markt, und die Steckplätze sind nicht kompatibel mit PCMCIA und CardBus. Wahrscheinlich wird ExpressCard keine große Verbreitung erreichen, denn USB ist meist einfacher in der Benutzung.

USB

Laut Standard muss jede USB-Schnittstelle 500 mA Strom liefern können. In einem stationären PC ist das nur selten ein Problem. Notebooks jedoch, besonders die preiswerten, können diese 500 mA oft nicht aufbringen, und schon gar nicht an allen USB-Anschlüssen gleichzeitig. Andererseits benötigen zahlreiche interessante Zusatzgeräte die vollen 500 mA. Das bedeutet, dass stromhungrige WLAN- und UMTS-Karten, Scanner oder externe Festplatten nicht an jedem Notebook funktionieren. Gute Notebooks haben eine Überlastsicherung, billige brennen schlimmstenfalls nach einigen Minuten durch. Mitunter kann man dieses Zubehör zwar anstecken und die Treiber installieren, aber sobald das Zubehör die volle Leistung benötigt, bleibt das Notebook stehen oder schaltet ab. In diesem Fall bleibt nur Rückgabe oder das Zwischenschalten eines aktiven USB-Hubs, der den benötigten Strom aus einem eigenen Netzteil erhält.

PS/2

Ein oder zwei Anschlüsse sind nützlich, um externe Tastatur und Maus anzustecken. Beides gibt es auch mit USB-Steckern, aber bleiben dann noch genug USB-Anschlüsse frei für externe Festplatte, Diskettenlaufwerk, Scanner, Drucker, Netzwerk und Internet?

Parallele Schnittstelle

Der 25-polige Stecker wird fast nur noch für ältere Drucker benötigt. Für einen so großen Stecker ist in heutigen Notebooks kein Platz mehr. Wenn ein alter Drucker angeschlossen werden soll, kauft man einen USB-Parallel-Adapter.

Serielle Schnittstelle

Es gibt Telefonanlagen, für deren Programmierung ein serieller Anschluss benötigt wird. Auch Mess- und Steuergeräte benötigen manchmal einen. Notebooks mit seriellem Anschluss sind selten, aber es gibt sie.


Stromversorgung von Notebooks

Das Netzteil ist in einem stationären PC sein größtes und schwerstes Einzelteil. Auch in einem Notebook trägt es in nicht geringem Maße zum Gesamtgewicht und -volumen bei. Deshalb werden Notebooks fast ausnahmslos von externen Netzteilen versorgt. Das Notebook wird dadurch kleiner, und man muss das Gewicht des Netzteils nicht mitschleppen, wenn man nicht lange unterwegs ist.

Ein handelsüblicher Computer benötigt 12 Volt, vor allem für die Motoren, und 5 Volt für die Elektronik. Netzteile stationärer Computer liefern außerdem -5 V, -12 V und 3,3 V. Haben Sie mal gesehen, wie viele Drähte vom Netzteil zu den PC-Komponenten führen und wie dick sie sind? Ein derart dickes Kabel vom externen Netzteil zum Notebook wäre nicht praktikabel. Notebook-Anschlusskabel sind dünn und flexibel. Allerdings tritt auf dem langen Anschlusskabel ein beträchtlicher Spannungsabfall auf. Deshalb liefern Notebook-Netzteile nur eine Rohspannung von 17 bis 22 Volt. Im Inneren des Notebooks findet die Feinregelung statt: Einerseits werden 12,0 Volt für die Motoren erzeugt, andererseits wird der Ladestrom für die Akkus geregelt.

Für die Versorgung mit 12 und 5 Volt und weiteren Spannungen gibt es zwei Strategien:

  1. Das Netzteil erzeugt mehrere Rohspannungen, im Notebook erfolgt nur die Feinregelung. Diese Netzteile haben einen mehrpoligen Stecker und ein dickeres Kabel.
  2. In einem mehrpoligen Stecker sind mehrere Kontakte parallelgeschaltet. Das Netzteil erzeugt nur eine einzige Spannung.
  3. Innerhalb des Notebooks werden aus einer einzigen Rohspannung alle weiteren Spannungen erzeugt. Der Stecker ist zweipolig und robust, das Kabel ist dünner. Das Netzteil wird deutlich leichter und billiger, das Notebook wird nur wenig teurer und fast nicht schwerer. Allerdings entsteht mehr Wärme im Notebook.

Im Laufe der Jahre ist eine allmähliche Tendenz zur dritten Lösung zu beobachten, welche eindeutig kundenfreundlicher ist:

  • Bei Verlust oder Defekt des Netzteils gibt es preiswerten Ersatz. Fragen Sie im Notebook-Shop nach Universalnetzteilen, die sind preiswerter als Originalnetzteile.
  • Wenn Sie Ihr Notebook ständig zwischen Arbeitsstelle und Wohnung hin und her schleppen, kann sich die Anschaffung eines Zweitnetzteils lohnen.
  • Kensington und andere Hersteller haben Konverter im Angebot, die eine einstellbare Spannung aus dem 12 Volt Autoakku erzeugen. Einer der vielen mitgelieferten Adapterstecker passt bestimmt an Ihr Notebook. Auch gibt es Spannungswandler von 12 Volt bzw. 24 Volt auf 230 Volt.

Wenn Sie ein Netzteil mit mehreren Rohspannungen haben, werden Sie im Defekt- oder Verlustfall wohl ein teures Netzteil direkt vom Hersteller beziehen oder in einem Spezialgeschäft kaufen müssen.

Energy Star

Das US-amerikanische Umwelt-Bundesamt hat 1992 das Umwelt-Label „Energy Star“ geschaffen, um stromsparende Geräte auszuzeichnen. Die Regierung der USA hat allen Behörden untersagt, PCs oder Zubehör ohne „Energy Star“ anzuschaffen. Viele große Konzerne haben sich angeschlossen. Notebooks mit Onboard-Grafik dürfen maximal 14 Watt verbrauchen, um den Energy Star zu tragen. Wenn ein Grafikchip und separater Grafikspeicher vorhanden ist, sind 22 Watt erlaubt. Ein Hersteller, der diese Werte nicht einhält, verliert einen Großteil seiner potentiellen Kunden.

Es gibt einen weiteren Grund, warum die Hersteller die 22-Watt-Grenze einhalten: Die Akku-Kapazität. Welche Kapazität hat Ihr Akku? Multiplizieren Sie die Spannung mit den Amperestunden (V x Ah), beide Werte sind auf dem Akku aufgedruckt. Vermutlich erhalten Sie eine Kapazität zwischen 50 und 70 Wattstunden. Teilen Sie diesen Wert durch die Stundenzahl, die Ihr Akku durchhält und ziehen Sie etwa 20% Verluste ab, so erhalten Sie die Leistungsaufnahme in Watt. Ihr Netzteil liefert viermal so viel Watt? Es muss ja gleichzeitig den Betriebsstrom liefern und den Akku möglichst schnell aufladen.

Warum bauen die Hersteller keine größeren Akkus ein? Große Akkus machen das Notebook sehr viel schwerer und teurer, womit es für die breite Masse der Käufer uninteressant wird.

Stromsparende Komponenten

Halbleiterbauelemente haben sehr stark schwankende Betriebsparameter. Bei gleicher Taktfrequenz ist der Stromverbrauch (und damit auch die Wärmeentwicklung) sehr verschieden. Beim Hersteller werden die Prozessoren vermessen und nach Wärmeentwicklung sortiert. Die energiesparendsten Prozessoren sind selten und werden in teuren Spitzengeräten verwendet, die damit auch längere Akkulaufzeiten erreichen. Übrigens ist nicht allein der Stromverbrauch der CPU wichtig – auch der Chipsatz, die Grafikkarte und die WLAN-Antenne brauchen viel Strom.

Wenn man die preiswerteren, mehr Strom fressenden Chips verwendet, wird das Notebook deutlich billiger. Durch die größere Hitzeentwicklung reicht aber die passive Kühlung nicht aus – man braucht einen Lüfter auf der CPU (der nicht wenig Strom braucht). Damit nun der Akku nicht so schnell leer ist, wird die Taktfrequenz des Prozessors im Akkubetrieb oft reduziert. Es gibt Geräte, die im Akkubetrieb den Prozessortakt immer halbieren.

Stromsparender Betrieb

Bei der Festplatte, der CPU und der Peripherie sind Energieeinsparungen möglich:

  • Entfernen Sie alle nicht benötigten Geräte.
  • Das betrifft auch USB-Sticks. Sparsame Fabrikate verbrauchen 1 Watt (200 mA). Größere, schnelle Sticks brauchen mehr. Zum Vergleich: 40 bis 70 Watt braucht ein Notebook bei mittlerer Belastung.
  • Lassen Sie keine CD/DVD im Laufwerk liegen, wenn Sie diese zurzeit nicht benötigen. Solange eine Scheibe eingelegt ist, läuft der Spindelmotor und verbraucht eine Menge Strom.
  • Stellen Sie die Grundhelligkeit im Akkubetrieb dunkler. Lassen Sie bereits in einer kurzen Arbeitspause die Helligkeit des Bildschirms noch weiter absinken.
  • Lassen Sie die Festplatte nach einer Arbeitspause von drei bis fünf Minuten parken. Noch kürzere Zeiten bringen keinen Vorteil: Der Strombedarf der Festplatte ist beim Anlaufen viel größer als im Dauerbetrieb, außerdem führt das häufigere Parken der Köpfe zu erhöhtem Verschleiß.
  • Manche Anwendungen (z. B. Word) speichern in kurzen Abständen den aktuellen Zustand. Dabei läuft jedesmal die Festplatte an. Muss das sein? Ist ein größerer Zeitabstand möglich?
  • Die meisten Notebooks setzen den Prozessortakt im Akkubetrieb herab. Bei einigen wenigen Notebooks kann man einstellen, wie weit.
  • Defragmentieren Sie die Festplatte häufiger (natürlich im Netzbetrieb), das reduziert die Anzahl der Kopfbewegungen.

Lebensdauer von Akkus

Notebook-Akkus sind Spezialanfertigungen,
Ersatzakkus kosten meist 100 bis 150 Euro.
Sie gelten als Verschleißteile, die Garantie
ist meist auf 6 Monate eingeschränkt.

Die Lebensdauer von Akkus hängt vor allem von deren Betriebstemperatur ab. Die optimale Ladetemperatur der Akkus liegt zwischen 10 und 30 Grad Celsius. Das bedeutet, dass die Akkus nur bei ausgeschaltetem Notebook geladen werden dürften, was nicht sehr realistisch ist.

Wenn die Entladung bei 20 bis 40 Grad erfolgt, hat der Akku die maximale Kapazität. Bei höheren oder niedrigeren Temperaturen gibt er weniger Strom ab. Leider wird der Akku immer bei erhöhter Temperatur betrieben. Dafür gibt es zwei Ursachen:

  1. CPU, Grafikkarte, Festplatte und weitere Komponenten erzeugen jede Menge Wärme und erhöhen die Innentemperatur des Geräts.
  2. Jeder Akku hat einen Innenwiderstand. Wenn Strom durch den Akku fließt, erzeugt der Innenwiderstand Wärme. Je höher der Strom, desto höher die Eigenerwärmung. Bei Handys und PDAs kann die Eigenerwärmung vernachlässigt werden, denn der Entladestrom und damit die Wärmeentwicklung verteilen sich auf einige Tage. Bei Notebooks ist der Entladestrom vielfach größer.
Allgemeine Enpfehlungen
  • Bei einem nagelneuen Notebook sollte die allererste Aufladung etwa 12 Stunden dauern und nicht unterbrochen werden, damit der Akku seine volle Kapazität „erwirbt“.
  • Ein Akku muss regelmäßig benutzt werden, ein andauernder Ladezustand tut ihm nicht gut. Wenn Sie das Notebook hauptsächlich mit Netzanschluss benutzen, sollten Sie daran denken, hin und wieder mal den Akku zu benutzen.
  • Wenn Sie das Gerät über viele Tage oder Wochen ausnahmslos stationär benutzen, legen Sie den (geladenen!) Akku in den Kühlschrank (in einer hermetisch verschlossenen Plastetüte). Damit entfernen Sie eine große Wärmequelle aus dem Gerät. Die Festplatte wird geschont und das Lüftergeräusch verringert sich.
  • Kaufen Sie keinen Akku auf Vorrat, wenn Sie ihn nicht tatsächlich benötigen, zum Beispiel vor einer längeren Reise. Ungenutzt wird er unbrauchbar. Durch Selbstentladung verliert ein Akku monatlich bei Zimmertemperatur 10% bis 15% seiner Ladung, im Kühlschrank weniger.
  • Wenn Sie einen Reserve-Akku besitzen, benutzen Sie ihn! Tauschen Sie beide Akkus regelmäßig aus, zum Beispiel monatlich.
  • Wenn Sie ein gebrauchtes Notebook kaufen, sollten Sie nicht mit einem brauchbaren Akku rechnen. Viele Leute verkaufen Ihr Notebook genau deswegen, weil die Akkulaufzeit nicht mehr für die tägliche Arbeit reicht. Testen Sie die Akkulaufzeit, bevor Sie sich über den Kaufpreis einigen!

Lithium-Akkus

Es gibt mehrere Technologien, die auf Lithium basieren: LiIo (Lithium-Ionen), LiPo (Lithium-Polymer), LiCoIon, LiFePO4 und andere. Es ist schwer, allgemeingültige Regeln für jeden Typ aufzustellen. Sofern in der Bedienungsanleitung etwas dazu steht, haben diese Angaben stets Vorrang!

Akkus auf Lithium-Basis sind brandgefährlich. Hat Ihnen der Lehrer im Chemieunterricht vorgeführt, wie heftig Natrium mit Wasser reagiert? Die Reaktion von Lithium mit Wasser ist noch viel heftiger. Selbst kleinste Risse im Akku sind höchst gefährlich, denn Lithium reagiert sogar mit der Feuchtigkeit der Luft. Hin und wieder gibt es Rückrufaktionen der Hersteller, wenn die Gefahr besteht, dass ein überhitzter Akku einen Brand verursacht. Als Anwender sollte man darauf achten, dass das Notebook von allen Seiten gut mit Luft versorgt ist. Eine weiche, flauschige Tischdecke unter dem Gerät ist ungünstig. Hohe Standfüße oder ein Notebook-Ständer sind nützlich. Man kann auch ein Lineal, eine Leiste oder notfalls ein Buch unter den hinteren Teil des Notebooks legen, um die Belüftung der Unterseite zu verbessern. Es gibt auch Notebook-Cooler-Pads, auf denen das Gerät abgestellt werden kann.

Ni-Cd-Akkus

Wenn Sie ein älteres Notebook haben, ist eventuell ein Nickel-Cadmium-Akku eingebaut. Diese Akkus haben Besonderheiten:

  • Ihre Lebensdauer hängt von der Anzahl der Ladezyklen ab. 500 Ladezyklen sind realistisch.
  • Sie haben einen „Memory-Effekt“: Wird der Akku nur wenig beansprucht, „vergisst“ er einen Teil seiner Kapazität.

Vermeiden Sie deshalb Mini-Ladezyklen! Stecken Sie das Notebook möglichst erst dann ans Stromnetz, wenn der Akku weitgehend entladen ist. Trennen Sie ihn erst vom Stromnetz, wenn der Akku vollständig geladen ist. Sonst verliert er Kapazität und Lebensdauer.

Ein Akku ist ein Verbrauchsartikel und beginnt nach einigen hundert Ladezyklen einen Teil seiner Kapazität zu verlieren. Keine Wundermittel können diesen Prozess umkehren. Sie können lediglich den Alterungsprozess bremsen durch regelmäßiges vollständiges Entladen und anschließendes vollständiges Wiederaufladen! Einzige Ausnahme: Wenn Sie einen total ungepflegten, heruntergewirtschafteten Akku drei- bis fünfmal entladen und wieder aufladen, erhöht sich dessen Kapazität möglicherweise um 20% bis 30%.

Wie entlädt man einen Akku? Arbeiten Sie damit, bis der Ladezustand auf 10% gefallen ist. Wenn Sie nicht dabeibleiben wollen, gehen Sie folgendermaßen vor:

  • Trennen Sie das Notebook vom Stromnetz.
  • Arbeiten Sie damit, solange Sie Zeit haben oder bis die Akku-Warnmeldung kommt.
  • Beenden Sie schnell alle Anwendungen.
  • Warten Sie, bis das Gerät von selbst abschaltet. Wegen der geringen Stromaufnahme im Leerlauf kann das mehrere Stunden dauern. Eine schädliche Tiefentladung wird von der Elektronik verhindert.


Ein Netbook
Ein Netbook im Vergleich mit einem Notebook

Netbooks

Netbooks haben im Vergleich zu Notebooks folgende Besonderheiten:

  • Auf das DVD-Laufwerk wird verzichtet. Programme zu installieren oder eine Datensicherung sind deshalb schwierig. Entweder Sie kaufen ein externes DVD-Laufwerk oder Sie brauchen eine Netzwerkverbindung zu einem PC mit DVD (und die Kenntnisse, wie man das Netzwerk einrichtet). Sie können jedoch einen USB-Speicherstick benutzen, um Daten mit externen Systemen auszutauschen. Für viele Linux-Distributionen wird alle installierbare Software standardmäßig vom Internet heruntergeladen, so dass ein DVD-Laufwerk in diesen Fällen überflüssig ist.
  • Das Display ist vergleichsweise klein. Beim Surfen muss man viel scrollen. Zu Hause kann man aber einen großen Bildschirm anzuschließen.
  • Die CPU ist leistungsschwach. Für eine Textverarbeitung oder ein anspruchsloses Buchhaltungsprogramm reicht es. Aktuelle 3D-Spiele sind meist nicht möglich, da die Grafikkarten die notwendigen Funktionen nicht besitzen. Wer sich darauf einlassen kann, findet jedoch auch sehr viele Spiele mit geringeren Ansprüchen an die Systemleistung.
  • Die genannten Sparmaßnahmen reduzieren den Energiebedarf, so dass Akkulaufzeiten von sechs bis neun Stunden erreicht werden.
  • Die eingebauten Lautsprecher klingen etwas blechern (was bei dem kleinen Gehäuse kaum anders geht). Stereoklinkenbuchsen zum Anschluss von Lautsprechern sind üblicherweise vorhanden. Durch die USB-Buchse und geeignete Adapter ist verlustfreie digitale Kommunikation mit beliebig hochwertigen Audiosystemen möglich.

Bei Preisen von 300 bis 400 Euro sind Netbooks gut geeignet für Notizen in einer Vorlesung oder während der Bahnfahrt, auch sind Internet-Recherchen und E-Mail kein Problem. Mit Abmessungen eines mittelgroßen Buches (etwa 18 x 25 cm) passen sie in eine Handtasche. Kombiniert mit einem externen Bildschirm (idealerweise hat das Netbook einen HDMI-Ausgang) und u.U. einer externen Tastatur wird zu Hause aus dem Winzling fast ein vollwertiger Rechner für Internet und anspruchslose Bürosoftware.

Netbooks werden gelegentlich in Kombination mit einem UMTS-Vertrag angeboten. Sie sollten sich gut überlegen, ob Sie wirklich einen unkündbaren Zweijahresvertrag abschließen wollen. Berechnen Sie Ihre Kosten für zwei Jahre und vergleichen Sie! Das Koppelgeschäft bringt dem Verkäufer eine fette Provision, ist aber für Sie vermutlich unvorteilhaft.


Notebooks in der Sommerhitze

Notebooks werden schon bei normalen Umgebungstemperaturen recht warm. Das liegt vor allem an ihrer kompakten Bauweise. Darüber hinaus werden Notebooks nicht allzu gut gekühlt, denn zusätzliche Lüfter würden nicht nur den Geräuschpegel erhöhen, sondern die Akkulaufzeit verringern. Im Sommer verschärfen sich die Temperaturprobleme.

  • Sonnige Parkplätze sind Notebook-Killer. Im geschlossenen Fahrzeug kann sich die Luft bis auf 60 Grad erhitzen, sagt der ADAC. Plasteoberflächen bringen es in praller Sonne auf 70 °C. Ein Hinweis: Im Kofferraum ist es meist kühler, und potentielle Diebe sehen das Gerät nicht.
  • Das Notebook kann sich verziehen, die Oberfläche des Gehäuses kann ausbleichen, die Elektronik kann durchbrennen. Die Schublade des DVD-Laufwerks könnte klemmen. Die Versicherungen ersetzen getoastete Notebooks nicht, sondern sie berufen sich auf fahrlässige Handhabung. Wie die Versicherung das beweisen kann? Nun, beispielsweise registriert die SMART-Elektronik der Festplatte die höchste jemals aufgetretene Temperatur.
  • CDs und DVDs können sich verziehen, sogar die Beschichtung kann sich lösen. Auch Speicherkarten können sich verziehen.
  • Der Akku altert dramatisch schneller als sonst.
  • Nehmen Sie Ihr Notebook mit ins Bett? Wenn Sie es auf die Bettdecke legen, werden die Lüftungsschlitze verdeckt.
  • Falls sich Ihr Notebook wegen Überhitzung abschaltet (einige Geräte haben diesen Sensor), lassen sie es abkühlen, bevor Sie es erneut einschalten!


Notebooks in der Winterkälte

Akkus

Alle Arten von Akkus verlieren bei Kälte erheblich an Kapazität. In Notebooks (und Handys) werden meist NiMH-Akkus verwendet, deren empfohlene Betriebstemperatur oft zwischen +5°C bis 30°C liegt. Unter dem Gefrierpunkt sollte man NiMH-Akkus nicht mehr verwenden[38]. Bei Frost können die Isolationsschichten zerfrieren, wodurch Elektrolyt in die Zellen läuft. Im günstigsten Fall bleibt der Akku funktionsfähig, es wird nur die Kapazität dauerhaft reduziert.

Selbst wenn der Akku bei Minusgraden noch Strom liefert - aufladen sollten Sie ihn keinesfalls bei Frost. Wenn Sie Pech haben, platzt der Akku durch Gasbildung.

Es gibt auch Bauformen von NiMH-Akkus, die starken Frost aushalten. Aufgrund des Preises werden sie in Notebooks und Handys nicht verwendet. Hier sind ausschließlich Lithium Ionen Akkus verbaut.

Kondenswasser

Nicht nur in den Eurotunnel-Zügen fällt die Elektronik aus, wenn sie von der Kälte in die Wärme kommt. Genau wie auf der Brille bildet sich Kondenswasser. Das führt zu Kriechströmen und Kurzschlüssen. Wenn Sie Pech haben, brennt die Elektronik durch. Dazu braucht es nicht mal Minusgrade - eine Temperaturdifferenz von etwa 15°C genügt, damit sich Kondenswasser bildet. Abhilfe: Das Gerät in der Notebooktasche lassen oder in eine Plastetüte stecken und einige Stunden aufwärmen lassen. Oder sofort (innerhalb einer Minute) nach Betreten eines warmen Raumes einschalten, damit es sich von innen erwärmt, bevor sich Kondenswasser bilden kann. Man sollte ein Notebook übrigens niemals auf die Heizung legen, um es zu erwärmen, da auf diesem Wege weitere Schäden entstehen können.[39] Daher sind die anderen genannten Maßnahmen zu bevorzugen. Übrigens: Wenn man ein warmes Notebook in die Kälte bringt, bildet sich kein Kondenswasser.

Display

„LCD“ steht für Liquid Cristal Display, es enthält also flüssige Kristalle. Die sind bei niedrigen Temperaturen weniger flüssig, reagieren also langsamer. Das fällt besonders bei bewegten Bildern auf. Je nach Hersteller werden andere Substanzen verwendet, daher gibt es zur Frostbeständigkeit keinen allgemeingültigen Wert. Sie müssen schon in der Betriebsanleitung nachsehen. Beachten Sie den Unterschied zwischen Betriebs- und Lagertemperatur. Geräte für „draußen“ und für's Auto haben aufwändigere Displays, die einiges an Frost aushalten. Für handelsübliche TFT-Bildschirme wird meist eine Betriebstemperatur über 0°C gefordert. Bei Handys, DVD-Playern, Notebooks und anderen Indoor-Geräten ist es meist ebenso. Wenn das eiskalte Gerät allmählich aufgewärmt wird (Achtung! Kondenswasser! In eine Plastetüte stecken!), dürfte es meist wieder funktionieren.

Festplatte

SSD-Festplatten sind offenbar durch Frost deutlich stärker gefährdet als Magnetfestplatten. Datenrettungsunternehmen beobachteten einen überproportionalen Anteil von Problemen mit SSD-Platten[40].

Empfehlungen

Bewahren Sie das Gerät in einer (möglichst gepolsterten) Tasche auf. Einige Stunden im kalten Auto übersteht das Gerät eingewickelt in eine dicke Decke. Benutzen Sie im Sommer eine Auto-Kühlbox? Die hat eine gute Wärmeisolation und kann das Gerät längere Zeit warmhalten. Wenn längere Lagerung im Auto unvermeidbar ist, sollten Sie wenigstens den Akku ins Warme mitnehmen oder zu Hause lassen. Sie können das Notebook auch ohne Akku im Auto betreiben. Es gibt Konverter, welche 230 Volt aus dem Autoakku erzeugen, so dass Sie das Notebook auch ohne dessen Akku betreiben können.



Ersatzteile

Notebooks sind sehr empfindlich. Je nach Auftraggeber der Untersuchung und den Kriterien der statistischen Auswertung benötigen 10% bis 25% aller Notebooks eine Garantiereparatur[41]. Dazu kommen noch Sturzschäden oder Cola auf der Tastatur, wofür kein Anspruch auf eine Garantieleistung besteht.

Während der Garantiezeit brauchen Sie kaum Sorgen zu haben. Wie hoch steigt wohl die Ausfallrate im dritten und nachfolgenden Jahren, wenn die Garantie abgelaufen ist? Ersatzteile sind dann schwieriger erhältlich bzw. kaum noch zu bekommen.

Generell sind Reparaturen teuer. Die Anbieter tauschen auch bei kleinen Defekten lieber teure Teile aus, statt sie zu reparieren. Der statistisch häufigste Schaden ist ein Defekt der Hauptplatine. Stiftung Warentest hat ermittelt, dass ein Austausch zwischen 250 bis 400 Euro kostet[42]. Am zweithäufigsten geht der Bildschirm kaputt, ein neues Display kostet etwa 200 Euro. Den dritten Platz in der Häufigkeit belegen Festplattenausfälle. Wobei man eine neue Festplatte für weniger als hundert Euro erhalten kann, aber wie schlimm würde Sie der Verlust Ihrer Daten treffen?

Eine defekte Festplatte zu ersetzen ist unproblematisch. Darüber hinaus gibt es in einem Notebook kaum standardisierte Teile. Disketten- und DVD-Laufwerke gibt es in zahlreichen Bauformen und Abmessungen. Ersatz für eine defekte Tastatur zu bekommen ist nervenaufreibend und fast immer unmöglich. Wenn das Notebook ständig wegen Überhitzung abstürzt, weil der CPU-Lüfter verschlissen ist, wird Ersatz kaum aufzutreiben sein.

Reparaturdauer

Der Wechsel der Modellreihen geht schnell vor sich. Das Nachfolgemodell ist mitunter nicht kompatibel zum Vorgänger. Unter diesen Bedingungen wäre es wirtschaftlich ruinös, wenn ein Verkäufer von Notebooks sich einen Ersatzteilvorrat zulegen würde. Folglich müssen defekte Notebooks immer zur Reparatur an den Hersteller oder eine zentrale Vertragswerkstatt eingeschickt werden.

Um die Versandkosten zu senken, werden in vielen Elektronikgroßmärkten die defekten Geräte (nicht nur Notebooks) gesammelt, bis eine genügende Anzahl zusammen ist. Die anschließende Reparatur dauert mitunter ein paar Wochen. Anschließend sammelt die Werkstatt die reparierten Geräte, bis sich der Rückversand lohnt.

Stiftung Warentest ermittelte eine durchschnittliche Reparaturdauer von 5 Tagen bei Apple und HP bis vier Wochen bei Samsung und Medion[43]. Dell schickte innerhalb einer Woche einen Servicetechniker ins Haus. Das kostete 175 Euro + Ersatzteile.

Bei einigen hochwertigen Notebooks kann man gegen Aufpreis eine Versicherung abschließen und bekommt während der Reparaturzeit ein Ersatzgerät. Die Daten vom defekten Gerät auf das Ersatzgerät zu kopieren (und später wieder zurück), gehört üblicherweise nicht zu den Versicherungsleistungen.

Tipp: Beachten Sie bitte, dass bei vielen Herstellern (nicht nur von Notebooks) im Kleingedruckten steht: Bei zur Reparatur abgegebenen Geräten wird grundsätzlich die Festplatte gelöscht!.

Wie rettet man die Daten, wenn das Notebook nicht mehr funktioniert? Nehmen Sie die Festplatte raus! Es gibt Adapter, mit denen man die ausgebaute Notebook-Festplatte an den USB- oder IDE-Anschluss eines stationären PC anschließen kann. Suchen Sie an der Unterseite nach einer etwa 9 × 13 cm großen Abdeckung oder an einer Seite nach einem 9 × 2 cm großen Einschub. Mehr als zwei bis vier Schrauben brauchen Sie nicht zu lösen. Achten Sie darauf, dass das Notebook während des Aus- und Einbaus der Festplatte stromlos ist (Akku herausnehmen).

Besonders robuste Geräte

Stöße uns Stürze sind eine häufige Schadensursache. Die Notebooktasche ist von der Schulter gerutscht oder an einen Türrahmen angeschlagen, ein Stolpern über das Kabel hat das Notebook auf den Fußboden befördert oder Sie sind im Sessel eingeschlafen und das Gerät ist heruntergefallen ... Es gibt Geräte, die so etwas locker überstehen. Eine der härtesten Prüfungen für Notebooks ist der „U.S. Militär Falltest-Standard“ (MIL-STD-810F)[44]. Für das Militär bestimmte Notebooks müssen bei Temperaturen von -20°C bis 55°C arbeiten können, 15 Minuten Regen überstehen, Vibrationen und harte Stöße aushalten. Unter anderem müssen sie im ausgeschalteten Zustand und mit geschlossenem Display 26 Stürze aus einer Höhe von bis zu 90 cm auf eine 2 Zoll dicke Sperrholzplatte überstehen.

Googeln Sie nach „MIL-STD-810F Notebook“, wenn Sie ein robustes Gerät suchen. Rechnen Sie mit Preisen von ein- bis fünftausend Euro. Es gibt auch Geräte, die etwas weniger robust und nicht ganz so teuer sind. Ein Notebook, welches tagtäglich unterwegs benutzt wird, sollte ein Gehäuse aus Aluminium oder Magnesium haben. Toshiba hat eine vergleichsweise geringe Ausfallrate und kann es sich ­deshalb leisten, einige Business-Modelle mit sogenannter „Doppelgarantie“ zu verkaufen: Sollte das Gerät ­ausfallen, bekommen Sie es natürlich repariert. Zusätzlich bekommen Sie als Entschädigung für die erlittenen Unannehmlichkeiten den vollen Kaufpreis erstattet[45].

Reparaturen vermeiden

Zu den häufigsten Schäden zählen Schäden am Display (Kuli beim schwungvollen Zuklappen eingeklemmt), defekte Tastaturen (Krümel, Cola, Bier) und Stürze. Bei allzu schwungvollem Auf-/Zuklappen des Notebooks können auf dem Bildschirm Pixelfehler auftreten. Die Scharniere des Deckels bzw. die zum Bildschirm hindurchführenden Kabel gehen so oft kaputt, dass man fast von einer „Sollbruchstelle“ sprechen kann. Wenn Sie das Gerät zu Hause benutzen, sollten Sie darauf verzichten, nach jeder Benutzung den Deckel zuzuklappen, um die Deckelscharniere zu schonen.

Behandeln Sie ihr Notebook nicht zu grob. Legen Sie sich eine hochwertige Tasche zu. Wenn man mehrere Gepäckstücke herumtragen muss, steigt die Gefahr, eins davon zu vergessen. Empfehlenswert sind Notebook-Taschen, die genug Platz für Akten und Kleinkram bieten. Es gibt auch gut gepolsterte Notebook-Rucksäcke.

Legen Sie ein Notebook keinesfalls ungesichert auf den Beifahrersitz, egal ob eingeschaltet oder nicht, denn bei einer scharfen Bremsung fliegt es unaufhaltsam in den Fußraum. Wenn es gar noch aufgeklappt ist (und nicht dem USA-Militärstandard entspricht) ...

Falls Sie Flüssigkeit auf die Tastatur geschüttet haben, schalten Sie das Notebook sofort aus (auf die Einschalttaste drücken, bis das Gerät aus ist). Bewegen Sie das Gerät ruckfrei zur Tischkante und nehmen Sie den Akku heraus, wenn das ohne Anheben des Notebooks möglich ist! Bei manchen Notebooks liegt die Tastatur in einer kleinen „Wanne“, die ein wenig Flüssigkeit auffängt. Wenn Sie das Gerät kippen würden, läuft die Flüssigkeit auf die Hauptplatine. Heben Sie das Notebook nicht hoch (etwa eine Woche lang), bis die Flüssigkeit getrocknet ist! Danach erst können Sie sich um die Reinigung und eventuell um eine neue Tastatur kümmern.

Erweiterungen und Aufrüstung

Eine Speicheraufrüstung ist fast immer möglich und meistens empfehlenswert. Die RAM-Module sind mitunter herstellerspezifisch und deshalb teuer. Bestellen Sie den zusätzlichen RAM in einem Fachgeschäft und lassen Sie ihn auch dort einsetzen. Dann trägt der Händler das Risiko, wenn der RAM-Baustein nicht funktioniert oder Ihr Notebook Schaden nimmt.

Wenn Sie die Festplatte austauschen wollen, beachten Sie die vielen Bauformen. Bestimmen Sie die Höhe Ihrer alten Festplatte genau. Ermitteln Sie die Leistungsaufnahme der ursprünglich eingebauten Festplatte. Bauen Sie nur solch eine Festplatte ein, die ebenso viel oder weniger Strom benötigt. Festplatten, die einen höheren Strom als 500 mA benötigen, werden möglicherweise nicht starten. Insbesondere bei älteren Notebooks sind sparsame 500 mA Leistungsaufnahme keine Seltenheit. Solche Festplatten zu bekommen ist heute relativ schwierig geworden. Meistens erhalten Sie Festplatten, die 700 mA benötigen oder gar 1 A. Andererseits können Sie die Akku-Laufzeit erhöhen, indem sie eine sparsamere Festplatte verwenden.

Wenn es etwas teurer sein darf: Wenn Sie sich eine SSD-Festplatte zulegen, verlängern Sie deutlich die Akkulaufzeit. Außerdem gewinnen sie deutlich an Geschwindigkeit.

Das Umkopieren der Festplatte erfolgt am Besten mit einem Image-Programm. Das klappt aber nicht immer: Wenn sich Teile vom BIOS oder undokumentierte Partitionen auf der Festplatte befinden, kann der Austausch problematisch sein.

Die CPU kann man nur selten auswechseln: In der Regel ist sie eingelötet. Selbst wenn nicht: Die Hauptplatine ist meist nicht für wesentlich schnellere CPUs vorbereitet. Auch die Grafikkarte ist in 95% aller Fälle fest verlötet und kann nicht ausgetauscht werden.



Kriterien für den Kauf

  • Wenn Sie beruflich von Kunde zu Kunde eilen, sollten Sie auf ein robustes Gerät Wert legen. Die Mehrkosten werden durch die wesentlich höhere Lebenserwartung kompensiert.
  • Für manche Geräte können Sie in den ersten Tagen nach dem Kauf eine Garantieverlängerung erwerben. In Anbetracht der erschreckend hohen Ausfallwahrscheinlichkeit ist das empfehlenswert, besonders wenn Ihr Notebook intensiv benutzt wird.
  • Es gibt Geräte, die mit einem vergrößerten Zusatzakku ausgerüstet sind. Für einen langen Arbeitstag kann das sinnvoll sein.
  • Können Sie es sich leisten, sechs Wochen auf eine Reparatur zu warten? Für manche Geräte, vor allem im Businessbereich, können Sie die Bereitstellung eines Ersatzgerätes für die Dauer der Reparatur vereinbaren. Einige Hersteller (z. B. Toshiba) garantieren für einige Serien weltweit eine kurze Reparaturdauer.
  • Wenn Sie den Computer nur gelegentlich brauchen und Ihre Geschwindigkeitsansprüche nicht groß sind, ist vielleicht ein Netbook das Richtige. Sie kosten nur etwa 300 Euro und die Leistung ist zum ­gelegentlichen Lesen und Schreiben privater Emails oder Webseiten mehr als ausreichend.
  • Im Chipsatz integrierte Grafiklösungen sind Rohrkrepierer, wenn Sie mit dem Notebook spielen wollen. 3D-Spiele funktionieren in der Regel nicht, und ruckelfreie Videos sind ein Problem. Ein separater Grafikchip mit eigenem Speicher ist Pflicht.
  • Wenn Sie öfter im Freien oder in Fensternähe arbeiten, ist von einem glänzenden Display abzuraten.
  • Weil 2,5“ Festplatten nur die halbe Datenübertragungsrate wie 3,5“ Festplatten haben und auch die Positionierzeit deutlich größer ist, ist ein großer Arbeitsspeicher wichtiger als eine hohe Taktfrequenz der CPU. 4 GByte sollten es schon sein, mit der Möglichkeit, auf 8 GByte aufzustocken.
  • Auch für Notebook-Festplatten gilt: Je kleiner der von der Software belegte Teil der Festplatte ist, desto geringer die Zugriffszeiten. Festplatte partitionieren und nicht mit Software zumüllen!
  • Es gibt Modelle mit zwei Festplatten. Tauschen Sie eine davon durch eine schnelle SSD-Platte aus! Das darauf installierte Betriebssystem ist sehr schnell. Größere Datenmengen finden auf der zweiten mechanischen Festplatte Platz.

Tauglichkeit für Spiele

Jeder Spieler weiß, dass man für moderne Spiele einen leistungsfähigen Prozessor, eine gute Grafikkarte und ein kräftiges Netzteil braucht – und etliche Zusatzlüfter, um die Wärme aus dem Gehäuse heraus zu bekommen. Leistungsfähige Grafikkarten verbrauchen 200 bis 400 Watt, eine gute CPU 100 bis 140 Watt. Spieler statten ihre PCs meist mit Netzteilen von mehr als 500 W aus. Kein tragbarer Akku kann 500 Watt für mehr als ein Dutzend Minuten liefern. Sie müssten schon einen Autoakku im Wägelchen hinter dem Notebook herziehen, der könnte 200 Watt für zwei Stunden liefern. Selbst wenn der Strom aus der Steckdose kommt – welche Lüfter sollen denn in der Lage sein, 500 Watt Wärmeleistung aus einem so kleinen Gehäuse herauszublasen? Eine dauerhaft zu hohe Temperatur im Notebook fördert dessen frühzeitiges Ende.

Es gibt ältere Spiele, die selbst auf einem PC mit 500 MHz schnell genug laufen. Das bekannte Solitär läuft (unter Windows 3.1) sogar auf einem PC mit 25 MHz. Aber Actionspiele auf einem Laptop erfordern Kompromisse, und mitunter scheitert ein Spiel an Hardwareproblemen. Die ­Hersteller haben das Problem erkannt. Inzwischen gibt es Notebooks, die für Spieler etwas besser geeignet sind als Durchschnitts-Notebooks.

Mindestens zwei Bedingungen muss ein Spieler-Notebook erfüllen:

  1. Die Grafikelektronik braucht einen eigenen Grafikspeicher, andernfalls muss die CPU viele Millionen mal pro Sekunde Zwangspausen einlegen, weil die Grafikelektronik beim Speicherzugriff stets Vorrang bekommt (siehe „Shared Memory“ im Kapitel über Grafikkarten).
  2. Das Notebook braucht einen separaten Grafikchip. Eine in den Chipsatz integrierte Grafikelektronik hat zu wenig Leistung für aktuelle Spiele, darüber hinaus werden die Treiber von manchen Spielen nicht akzeptiert (siehe „Onboard-Grafikkarte“ im Kapitel über Grafikkarten).

Es gibt Notebooks mit einer Grafik-Hybridlösung: Zusätzlich zum stromsparenden Onboard-Grafikchip ist eine leistungsfähigere Grafikkarte eingebaut. Bei einfachen Arbeiten wird der Onboard-Chip benutzt, die Grafikkarte einschließlich deren Lüfter ist abgeschaltet oder im Energiesparmodus. Bei Bedarf wird die leistungsfähige Grafikkarte hochgefahren und übernimmt die Grafikleistung allein oder teilt sich die Arbeit mit dem Onboard-Chip. Wahrscheinlich kommen die meisten Spiele damit klar.

Brauche ich ein Notebook?

Notebooks werden auch von Leuten gekauft, die es zu Hause auf den Tisch legen und niemals vom Platz bewegen. Als Argument hört man meist, es wäre so schön klein. Nun, jeder darf sein Geld nach Belieben verschwenden. Miniaturisierung ist nun mal teuer und aufwändig, deshalb ist ein Notebook stets deutlich teurer als ein stationäres Gerät gleicher Leistung. Sie sparen sie etwa 40% des Kaufpreises, wenn Sie statt eines Notebooks einen stationären PC gleicher Leistung kaufen (wobei PCs mit derart geringer Leistung kaum zu finden sind, allenfalls im An- und Verkauf). Ein Flachbildschirm und eine Tastatur beanspruchen nicht mehr Platz auf dem Tisch als ein Notebook, und die „große Kiste“ kann sicherlich unter dem Tisch einen Platz finden.

Berücksichtigen Sie bitte außerdem:

  • Notebooks lassen sich nur schlecht aufrüsten (am leichtesten: Festplatte und RAM). Stationäre PCs lassen sich leichter aufrüsten, wodurch sich ihre Nutzungsdauer deutlich verlängern lässt.
  • Notebooks haben eine erschreckend hohe Ausfallrate. Die Festplatte hat eine geringe Lebensdauer, und im Sommer schaltet das Gerät möglicherweise wegen Überhitzung ab. Hinzu kommen mechanische Probleme mit den Deckelscharnieren und Kabelbrüche im Scharnier. Ein defektes Notebook lässt sich nur selten reparieren. Nach Ablauf der Garantie ist eine Reparatur fast immer wirtschaftlich unsinnig. Im Gegensatz dazu sind Reparaturen an stationären PCs vergleichsweise preiswert und sinnvoll.
  • Das relativ kleine Notebook-Display ist nicht augenfreundlich.
  • Die Position des Notebook-Bildschirms ist immer an die Position der Tastatur gebunden, während bei PC-Tastaturen eine gesunde Variabilität möglich ist.

Wenn Sie einen stationären PC kaufen und als Zubehör einen größeren TFT-Bildschirm erwerben, können Sie diesen Bildschirm auch mit ihrem nächsten und übernächsten PC nutzen. Mit dem Notebook-Display geht das nicht.


Jedenfalls sollten Sie sich fragen, ob Sie viel Geld für ein leistungsschwaches Gerät ausgeben wollen, welches ergonomisch mangelhaft ist, eine enorm hohe Ausfallrate hat, kaum repariert und nicht aufgerüstet werden kann – nur weil es schick ist?

Tintendrucker


Druckverfahren

Grundprinzip

Wie heißt es richtig: Tintendrucker oder Tintenstrahldrucker?

Die ersten Drucker in den 60er Jahren waren tatsächlich Tintenstrahldrucker. Aus einer Düse kommt ein kontinuierlicher Tintenstrahl. Hinter der Düse wird der Strahl in Tröpfchen zerhackt und die Tröpfchen werden elektrisch aufgeladen. Mit Ablenkelektroden wird jedes einzelne Tröpfchen auf die gewünschte Stelle geschossen (so ähnlich wie der Elektronenstrahl im Röhrenfernseher). Nicht benötigte Tropfen werden in einen Auffangtrichter gelenkt und in den Tintenbehälter ­zurückgeführt. Der Vorzug dieser Technik ist die hohe Treffgenauigkeit auch bei variablem Abstand, z. B. beim Beschriften gekrümmter Flächen. Derartige CIJ-Drucker (Continuous Ink Jet) werden auch heute noch für spezielle Industrieanwendungen eingesetzt, z. B. für das Bedrucken von Waren mit Strichcode und Haltbarkeitsdatum.

Für den Büro- und Heimbereich gibt es DOD-Drucker (Drop on Demand, dt. „Tropfen auf Anforderung“). Sie heißen „Tintendrucker“. Während die CIJ-Drucker nur eine Düse haben (bzw. für jede Grundfarbe eine), haben die DOD-Drucker zahlreiche, übereinanderliegende Düsen. Ein Druckkopf bewegt sich waagerecht über das Blatt und schießt mit einer Geschwindigkeit von 10 bis 40 m/s (144 km/h) mikroskopische Tintentropfen auf das Papier. Wenn die Zeile vollständig ist, wird das Papier weitertransportiert. Es gibt zwei Methoden, die Tintentropfen auf das Papier zu schießen:

  • Beim „Bubble-Jet-Verfahren“ wird eine kleine Tintenmenge explosionsartig verdampft. Der entstehende Dampf schleudert einen Tropfen aus der Düse heraus.
  • Der piezoelektrische Effekt wird genutzt. Durch Anlegen einer Spannung verformt sich eine Düsenkammer und schleudert den Tropfen heraus.

Die ersten Tintendrucker haben Tropfen von 200 Picoliter verschossen (Durchmesser etwa 0,07 mm). Eine möglichst hohe Auflösung ermöglicht saubere Konturen und bessere Farbübergänge, deshalb erzeugen moderne Drucker Mikrotröpfchen von 1 Picolitern (Durchmesser etwa 0,001 mm). Moderne Drucker können Tropfen variabler Größe erzeugen. Mit großen Tropfen geht das Drucken großer einfarbiger Flächen deutlich schneller, die kleinsten Tropfen werden für feine Strukturen oder Gesichter verwendet. Moderne Geräte haben 48 bis 512 Düsen pro Farbe und verschießen aus jeder Düse bis zu 30000 Tröpfchen pro Sekunde.

Die ersten Tintendrucker verwendeten nur schwarze Farbe. Heute drucken fast alle Drucker in Farbe. Aus drei Farben (cyan, magenta, yellow) lässt sich jeder Farbton mischen. Eine vierte Patrone enthält die schwarze Tinte. Weil Schwarz am meisten gebraucht wird, hat die schwarze Patrone oft größere Abmessungen. In manchen hochwertigen Fotodruckern gibt es eine oder mehrere zusätzliche Farben: Pigment-Schwarz oder auch Hell-Cyan und Hell-magenta sowie Grau, Klar-Lack bis hin zu Grün samt entweder Orange oder Blau und Rot, um Gesichter und andere helle oder kräftige Töne naturgetreuer drucken zu können.

Extrem billige Drucker verzichten auf die schwarze Patrone und mischen Schwarz aus den drei Grundfarben zusammen. Allerdings ergibt das ein etwas bräunliches Schwarz und es erhöht die Kosten beim Schwarzdruck auf das Dreifache.

Anforderungen an die Tinte

Die Druckertinte muss zahlreiche sich widersprechende Anforderungen erfüllen.

  1. Wenn Wasser verdampft, bleibt Kalkstein zurück - sehr lästig und schwer zu entfernen. Was meinen Sie wohl, wie viele Rückstände zurückbleiben, wenn schwarze Tinte statt klarem Wasser verdampft wird? Die nachströmende Tinte muss diese Rückstände blitzschnell auflösen, damit die Düse nicht verkalkt. Aktuelle Druckermodelle verschießen bis zu 30.000 Tintentropfen pro Sekunde. Dadurch bleibt nicht viel Zeit zum Auflösen der Rückstände.
  2. Die Geschwindigkeit chemischer Prozesse hängt sehr stark von der Temperatur ab. Der Drucker muss bei wenigen Plusgraden ebenso funktionieren wie im Hochsommer, auch wenn der Druckkopf durch längeres Drucken zusätzlich aufgeheizt ist.
  3. Das nächste Problem ist die Eindringtiefe. Wenn der Tintentropfen auf das Papier trifft, muss er ein wenig in das Papier eindringen – aber nicht zu tief: Tinte, die in größere Tiefe vordringt, ist vergeudet, und außerdem sieht dann das Papier auf der Rückseite nicht mehr weiß aus. Papier mit geringer Saugfähigkeit bringt die besten Ergebnisse, aber auch bei preiswerterem Papier muss der Drucker eine akzeptable Qualität abliefern können.
  4. Eine weitere Schwierigkeit ist die richtige Durchmischung der Tropfen. Die Tintentropfen folgen in einer bestimmten Reihenfolge: Die kräftige Farbe zuunterst, also zuerst blau, dann folgt magenta, und gelb kommt obenauf. Einerseits müssen die drei Farbtröpfchen lange genug flüssig bleiben, um sich zu vermischen. Andererseits müssen sie schon angetrocknet sein, wenn der benachbarte Pixel gedruckt wird, damit scharfe Kanten nicht verwischen.
  5. Die Trockendauer der Tinte ist ebenfalls wichtig. Bei einer Druckleistung von 20 Seiten pro Minute braucht der Drucker drei Sekunden pro Seite. Wenn die Seiten nicht voll sind, folgen sie noch schneller aufeinander. Die Tinte muss schnell genug trocknen, damit das gerade gedruckte Blatt nicht die Tinte auf dem vorhergehenden Blatt verwischt, wenn es in die Ablage fällt. Außerdem möchte man das Blatt sofort nach dem Druck anfassen können.
  6. Die Tinte sollte in den Düsen nicht zu schnell eintrocknen, wenn der Drucker einige Tage nicht benutzt wird.
  7. Allzu dünnflüssige Tinten sind nachteilig. Der Hersteller muss den Feuchtigkeitsgehalt der Tinte soweit wie möglich reduzieren, sonst wellt sich bei großflächigen Bildmotiven das Papier. Macht er andererseits die Tinte zu trocken, verstopfen die Düsen. Billigtinten sind durchschnittlich „flüssiger“, um Verstopfungen zu vermeiden. Dadurch verschmutzt der zur Reinigung der Düsen verwendete „Filz“ viel schneller, und die Tinte beginnt den Drucker zu verschmutzen.
  8. Bereits 0,001% Verunreinigungen können die Düsen des Druckkopfes verstopfen.

Bei so vielen widersprüchlichen Anforderungen ist die Tinte für jeden Druckertyp eine aufwendig entwickelte Spezialmischung. In der Firma HP arbeiten bis zu 100 Chemiker an der Entwicklung neuer Tinten[46].

Die meisten Drucker verwenden Farbstofftinten, bei denen die Farbstoffe in Wasser gelöst sind. Mit diesen Tinten erhält man leuchtende Farben, doch die Ausdrucke sind licht- und wasserempfindlich. Pigmenttinten sind gegen Wasser und Licht unempfindlich, doch die Qualität ist meist weniger gut.

Papier

Auf normalem Kopiererpapier verlaufen die Tröpfchen entlang der Papierfasern. Auf Spezialpapieren mit saugfähiger Oberfläche (High Glossy Foto Paper) trocknet Farbstofftinte schneller und verläuft nicht. Achtung! Für Pigmenttinte braucht man Fotopapier mit mikroporöser Oberfläche, um beste Qualität zu erreichen. Pigmenttinte auf High Glossy Foto Paper trocknet nicht und verwischt[47]. Einige Drucker haben für Farbstoff- und Pigmenttinte je eine Patrone, um auf unterschiedlichen Papieren drucken zu können.

Druckkosten

Wie wird der Verbrauch ermittelt?

Für die Ermittlung des Verbrauchs von schwarzer Tinte wird ein typischer Geschäftsbrief gedruckt, der standardisierte „Dr.-Grauert-Brief“. Bei Tintendruckern fallen dafür zwei bis fünf Cent pro Seite an. Für Farbdrucke wird der Verbrauch nach der Norm ISO/IEC24711 ermittelt. Es werden fünf standardisierte Testseiten gedruckt, bis die erste Patrone leer ist. Teilt man die „Reichweite“ (die Seitenzahl, bis die Patrone leer ist) durch den Preis der Patrone, erhält man die Kosten pro Seite und kann Druckermodelle vergleichen.

Allerdings können Ihre Druckkosten völlig anders sein. Die verwendeten Testseiten sind nicht vollflächig bedruckt und teils schwarz, teils farbig. Eine Textseite mit Logo und ein paar farbigen Verzierungen verbraucht deutlich weniger Farbe als die Norm. Ein vollflächiges Motiv kommt Sie sehr teuer. Ein Foto von 10 x 15 cm kostet zwischen 10 bis 40 Cent auf dem eigenen Drucker, für gutes Fotopapier muss man weitere 10 Cent pro Blatt aufwenden. Im Fotolabor, bei Aldi oder im Internet gibt es Fotos schon für sieben Cent. Wenn Sie oft in Farbe drucken, sollten Sie das Druckvolumen für die nächsten drei Jahre abschätzen und kalkulieren, ob Sie vielleicht hunderte bis tausend Euro sparen können, indem Sie in die Anschaffung eines hochwertigen Druckers investieren.

Der Stromverbrauch

Tintendrucker brauchen während des Druckens viel weniger Strom als Laserdrucker. Zudem ist der Drucker nur einen kleinen Teil des Tages mit Drucken beschäftigt. Drucker der Mittel- und Oberklasse haben eine Schlummerfunktion: In den Druckpausen wird die Elektronik abgeschaltet.

Ältere sowie preiswerte Drucker brauchen auch im Standby viel Strom. Ein Verbrauch von 20 Watt kostet im Laufe eines Jahres etwa 30 Euro. Das ist vermutlich immer noch weniger als ein Satz Tintenpatronen, so dass es auch bei solchen Druckern lohnen kann, sie eingeschaltet zu lassen. Gute Drucker brauchen nur ein bis zwei Watt, was maximal drei Euro Energiekosten im Jahr verursacht. Einen solchen Drucker sollte man nie ausschalten! Allerdings steigt der Strombedarf deutlich, wenn WLAN am Drucker aktiviert ist.

Wie kommen die großen Unterschiede zustande? Jedes Netzteil hat auch im Leerlauf noch einen Eigenbedarf, der meist bei 10% bis 25% seiner Nennleistung liegt. Energieeffiziente Drucker haben deshalb zwei Netzteile. Ein kleines Stand-By-Netzteil liefert gerade genug Strom, um feststellen zu können, ob der Anwender eine Taste drückt oder ob Daten vom PC eintreffen. Nur dann wird das große Netzteil zugeschaltet, um den Rest der Elektronik und die Motoren mit Strom zu versorgen.

Hinsichtlich der Energieeffizienz sind Drucker mit Steckernetzteilen am ungünstigsten. Selbst wenn der Drucker im Ruhezustand ist, laufen viele dieser Netzteile mit voller Power, und sie werden richtig heiß dabei.

Schalten Sie den Drucker nicht aus!

„Warum sind meine Farbpatronen leer, ich habe doch nur Schwarz gedruckt?“ Das ist eine oft gestellte Frage.

Wenn der Drucker nicht benutzt wird, beginnt die Tinte in den Düsen ganz langsam einzutrocknen. Weil die Druckerelektronik nach dem Einschalten nicht „wissen“ kann, wie lange der Drucker ausgeschaltet gewesen ist und wie weit die Tinte inzwischen eingetrocknet ist, werden nach jedem Einschalten die Düsen prophylaktisch gereinigt. Bei der Reinigung wird so viel Tinte verbraucht wie für den Druck einiger Seiten. Je nach Druckermodell und Größe der Tintenpatrone kann die Patrone schon nach 40 bis 100 Reinigungen leer sein. ie verheerendsten Kosten erzielen Sie, wenn Sie nur selten drucken und den Drucker nach jeder Seite ausschalten, um Strom zu sparen. Für die meisten Drucker gilt: Schalten Sie einen Tintendrucker nur dann aus, wenn Sie mehrere Tage oder Wochen nicht drucken werden! Manche Drucker haben deshalb gar keinen Ausschalter.

Bevor Sie eine Entscheidung treffen, ist es am Vernünftigsten, den Energiebedarf des Druckers zu ermitteln: Aus dem Datenblatt oder durch eigene Messung. Ein Jahr hat 8760 Stunden. Bei einem Energiepreis von 0,30 Euro/kWh kostet Sie jedes Watt 3,60 Euro pro Jahr.

Wichtig: Tinte in einem lange nicht benutzten Drucker trocknet ein. Je nach Bauart wird der teure Permanentdruckkopf oder „nur“ die Patrone unbrauchbar. Daher sollte man jeden Monat eine kleine Seite unter Verwendung aller Farben drucken. Der Druck der Windows-Testseite sollte genügen, um das Eintrocknen zu verhindern.

Reparaturen

Wenn der Drucker streikt, sind oft nur eine Lichtschranke, ein Sensor oder Kontakte mit Papierfetzen oder Staub blockiert. Vielleicht gelingt die Reinigung mit Pressluft. Beim Hersteller oder in einer Vertragswerkstatt kostet eine Reparatur typischerweise hundert Euro und mehr. Nach Ablauf der Garantie lohnt das nur, wenn der Anschaffungspreis über 300 Euro gelegen hat. Wenn Sie großes Glück haben, finden Sie als Nachfolger ein Druckermodell, das Ihren restlichen Vorrat an Druckerpatronen verwenden kann.

Warum haben billige Drucker so hohe Folgekosten?

Bessere Drucker haben einen hochwertigen „Permanent-Druckkopf“. Diese High-Tech-Druckköpfe beherrschen tintensparende Technologien, wie beispielsweise „Mikrotröpfchen“. Ein Permanent-Druckkopf ist das Herzstück des Druckers und als Ersatzteil derart teuer, dass sich der Austausch eines defekten Permanentkopfes in der Regel nicht lohnt. Die Tinte befindet sich in vergleichsweise einfachen, austauschbaren Behältern und ist deshalb relativ preiswert.

Billige Drucker haben meist keinen fest eingebauten Druckkopf, sondern der Druckkopf ist Teil der austauschbaren Tintenpatrone. Das macht die Tintenpatrone teurer und das Grundgerät billiger. Mitunter kostet das komplette Gerät nur 20 Euro mehr als ein Satz Tintenpatronen. Wirtschaftlich sinnvoll ist ein Billigdrucker nur bei einem Druckaufkommen von wenigen hundert Seiten pro Jahr.

Bei preiswerten Druckern stecken die drei Grundfarben oft in einer gemeinsamen Kombifarbpatrone. Wenn Sie die Patrone wechseln müssen, weil die erste der Farben verbraucht ist, bleibt die Resttinte der beiden anderen Farben ungenutzt. Das ist besonders ärgerlich, wenn eine Farbe deutlich häufiger als die anderen benutzt wird. Viele hochwertige Drucker haben für jede Grundfarbe einen separaten Tintenbehälter. Dadurch kann jede Farbe bis zum letzten Tropfen ausgenutzt werden. Schwarze Patronen gibt es oft mit doppelter Kapazität, was die Druckkosten noch weiter senkt.

Fremdtinte

Es scheint, dass nur Parfüm noch teurer ist als Druckertinte, pro Milliliter gerechnet. Einige namhafte Hersteller produzieren sogenannte „kompatible“ Tintenpatronen, die deutlich billiger als die Originalpatronen sind. Druckqualität, Wischfestigkeit und Lichtechtheit reichen zwar nicht an die Originaltinte heran, doch für den Alltagsgebrauch reicht die Qualität aus. Beachten Sie aber, dass bei Verwendung von Fremdtinte die Garantie erlöscht - das steht in jedem Druckerhandbuch. Wenn Sie Originaltinte wollen, sollten Sie das beim Kauf bzw. bei der Bestellung ausdrücklich angeben.

Manche Druckköpfe sind mit einem Elektronikchip ausgestattet, um den Tintenverbrauch zu registrieren. Ein Nachbau würde Patente der Hersteller verletzen. Dann bleibt das Nachfüllen als einzige Möglichkeit. Leere Patronen und Druckköpfe kann man in einer „Tintentankstelle“ nachfüllen lassen. Mitunter wird mit dünnflüssigen „Universal-Tinten“ aufgefüllt, was die Gefahr von Verschmutzung und Beschädigung des Druckers erhöht. Zudem sind die Tintenpatronen bezüglich ihrer Lebensdauer nicht für eine mehrmalige Verwendung konzipiert.

Rundschreiben eines Druckerherstellers an Fachhändler

Sehr geehrter Servicepartner,

Es werden zunehmend „kompatible“ Verbrauchsmaterialien angeboten und eingesetzt.

Bei unseren Tintenstrahl-Geräten führt das sehr häufig zur Zerstörung des Druckkopfes (Fehler Nr. ...). Die Ursache liegt in einer chemischen Reaktion zwischen der Fremdtinte und dem Druckkopf.

Wir weisen nochmals ausdrücklich darauf hin, dass wir den Einsatz von kompatiblen Verbrauchsmaterialien ... weder empfehlen noch freigegeben haben.

Dennoch stellen wir vermehrt fest, dass Gewährleistungs-/ Garantieansprüche gestellt werden, obwohl nachweislich nicht von uns zugelassenes Verbrauchsmaterial verwandt worden ist.

Der Gesetzgeber schließt bei Einsatz von nicht empfohlenen / freigegebenen Verbrauchsmaterialien Gewährleistungsansprüche gegen den Gerätehersteller aus, da ein Mangel im Sinne des § 434 BGB nicht vorliegt. In diesen Fällen liegt gemäß § 439 Abs. 2 BGB auch kein Grund für einen Aufwendungsersatz vor.

Auch in unseren Garantiebestimmungen wird der Einsatz von nicht zugelassenen Verbrauchsmaterialien ... ausgeschlossen.

Bitte, bedenken Sie auch, dass der Kunde ab dem 7. Monat nach Kaufdatum den Beweis führen muss, dass der Mangel bereits bei Übergabe vorhanden war.

Sollten Sie Geräte zu uns einsenden in welchen kein Mangel im Sinne des § 434 vorliegt, müssen wir Sie deshalb ... für den uns entstehenden Prüfungsaufwand mit € 30,00 belasten.

Wenn eine Patrone nicht funktioniert, muss der Händler sie nach dem Sachmängelrecht austauschen. Die Verantwortung für eventuelle Folgeschäden an Ihrem Drucker übernehmen die Verkäufer der kompatiblen Tinten und Nachfülltinten in keinem Fall. Eine defekte, angefangene Patrone muss der Verkäufer ebenfalls austauschen, eine Geldrückgabe muss er aber nicht anbieten. Oftmals lohnt sich bei den niedrigen Preisen eine Rückgabe oder Rücksendung nicht, deshalb werfen viele Leute defekte Patronen einfach weg.

Im professionellen Umfeld wird nicht nachgefüllt. Der Arbeitszeitaufwand ist zu hoch, und eine gleichmäßige Farbqualität ist nicht zu erreichen. Originaltinten bekommen bei herstellerneutralen Tests fast immer eine deutlich bessere Bewertung, was Qualität und lange Haltbarkeit betrifft. Für viele Dokumente (Finanzen u. a.) ist eine Lesbarkeit von mindestens zehn Jahren wichtig. Wenn der Finanzbeamte die Dokumente nicht mehr lesen kann, wird er die Steuer schätzen.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, Kosten zu senken:

  • Wie alt ist Ihr Drucker? Neuere Modelle verschießen Mikrotröpfchen und sparen damit teils erheblich an Tinte.
  • Wenn Sie nicht nur gelegentlich in Farbe drucken, sollten Sie einen Drucker kaufen, der für jede Farbe eine separate Patrone besitzt.
  • Manche Drucker ermöglichen es, wahlweise kleine Patronen oder Großraumpatronen einzusetzen. Eine XL-Patrone kostet größenordnungsmäßig das Doppelte und hält viermal so lange wie eine normale.
  • Bei HP gibt es „Instant Ink“ Drucker mit einem Tinten-Abo. Man kann pro Monat 50, 100 oder 300 Seiten für 2,99, 4,99 oder 9,99 Euro abonnieren. Kündigung oder Abowechsel ist monatlich möglich. Zu wenig gedruckte Seiten werden in den nächsten Monat mitgenommen. Der Drucker meldet den Tintenstand über Internet, HP schickt rechtzeitig neue Tinte und frankierten Rückumschlag für die alte Patrone. Bei erhöhtem Bedarf oder wenn man kein Abo wünscht, kann man die Patronen im Handel kaufen.


Tankdrucker

Eine Alternative sind die relativ neuen Ecotank-Tintendrucker mit riesigen fest installierten Tintentanks. Die Tinte im Epson „Ecotank ET-2750“ beispielsweise reicht für 6500 Farbseiten, bei einem „durchschnittlichen Verbrauch“ sind das drei Jahre, dann erst muss man nachtanken! Nachfülltinte kostet 10 Euro. Ein Farbseite kostet 0,52 Cent, eine monochrome Seite unschlagbare 0,21 Cent. Allerdings kostet der Drucker 350 Euro, das günstigere Modell ET2600 (ohne Duplexdruckeinheit) 250 Euro.

Canon hat den Multifunktionsdrucker Pixma G6050 für etwa 300 Euro im Angebot. Tinte kostet 0,43 Cent pro Farbseite, schwarze Tinte kostet 0,23 Cent pro Seite (Herstellerangaben) und reicht für 18000 Seiten. Die Druckqualität ist sehr gut. Sogar eine Duplexeinheit ist vorhanden. Der Multifunktionsdrucker G650 für etwa 300 Euro hat außer Cyan, Yellow, Magenta und Schwarz zusätzlich rote und graue Tinte, um beim Fotodruck die Farben zu verbessern.

HP bietet den Multifunktionsdrucker Smart Tank Plus 655 für 349 Euro an und erreicht damit Seitenpreise von 0,23 Cent monochrom und 0,41 Cent pro Farbseite. Das Modell ohne Dokumenteneinzug und ohne Fax kostet 249 Euro.

Ratschlag für Ihre Entscheidung

Einige der billigsten Drucker sind kaum teurer als ein Satz Tintenpatronen. Allerdings handelt es sich bei den beigelegten Patronen mitunter um nur teilweise gefüllte „Economy-Patronen“, die nur für wenige Ausdrucke reichen. So kann der Drucker günstiger angeboten werden. Wer nur selten eine Seite druckt, ist mit einem billigen Drucker möglicherweise gut bedient. Billige Drucker werden allerdings über den Tintenpreis subventioniert und verursachen sehr hohe Folgekosten, wenn das Druckaufkommen steigt.

Weil bei Nachfülltinte immer ein gewisses Risiko besteht, den Drucker zu ruinieren, sollte man stets die mögliche Ersparnis mit den Anschaffungskosten des Druckers vergleichen. Ruiniert man einen billigen Drucker, ist der Verlust gering. Man kauft eben den nächsten billigen Drucker, obwohl dieses Wegwerf-Verfahren leider äußerst umweltschädlich und längerfristig betrachtet auch unwirtschaftlich ist.

Wer sich einen teureren, technologisch hochwertigen Drucker oder ein Kombigerät (Drucker, Scanner, Fax) mit einem Anschaffungspreis von 150 € leisten kann, hat wesentlich niedrigere Druckkosten, selbst bei Verwendung von Originaltinte.

Wer viel druckt (etwa ab 200 Seiten pro Monat), sollte einen Laserdrucker als zweiten Drucker kaufen und den Tintendrucker nur noch für anspruchsvolle Farbdrucke verwenden.

Preiswerte Laser-Farbdrucker gibt es übrigens bereits in der Preislage unter 100 Euro. Berücksichtigen Sie aber, dass Farblaserdrucker für den Druck von hochwertigen Fotos kaum geeignet sind.

Laserdrucker


Laserdrucker

Druckverfahren

1938 wurde das Verfahren der Erfindung der Elektrofotografie erfunden. Daraus entstand 1950 der Kopierer und 1971 der Laserdrucker. Das Herzstück des Druckers ist eine Bildtrommel mit einer lichtempfindlichen Halbleiter-Beschichtung. Diese Beschichtung wird zunächst durch die sogenannte Corona gleichmäßig mit Hochspannung aufgeladen. Der Druckauftrag wird in ein Rasterbild umgerechnet. Dieses Rasterbild wird von einem Laserstrahl oder einer Zeile aus Leuchtdioden (LED-Zeile, bei günstigen Geräten) auf die aufgeladene Bildtrommel projiziert. An den Stellen, die mit Licht bestrahlt werden, verliert die Beschichtung ihre Ladung. Die unbelichteten Stellen bleiben geladen. Nun wird der Toner auf die Trommel aufgebracht. An den aufgeladenen Stellen bleibt er kleben: Je stärker die Restladung, desto mehr Toner bleibt kleben.

Nun wird die Bildtrommel auf das Papier abgerollt und dadurch der Toner auf das Papier übertragen. Das Blatt wandert anschließend durch die „Fixiereinheit“, wo der Toner durch eine erhitzte Andruckrolle bei knapp 200 °C fest mit dem Blatt verschmolzen wird. Bei einigen wenigen Geräten wird der Toner mit Blitzlicht fixiert, wodurch das Papier weniger austrocknet.

Der Laserdrucker gehört im Gegensatz zu den Tintendruckern zu den sogenannten Seitendruckern: Er druckt keine halbfertigen Seiten, sondern er wartet, bis die komplette Seite vorliegt. Da die Belichtung und der Druck in einem Durchlauf erfolgen, muss zum Druck zuerst die komplette zu druckende Seite auf den Drucker übertragen werden. Dort wird durch einen Raster Image Processor (RIP) ein Rasterbild erzeugt, mit dem die Trommel belichtet wird.

Wie werden die Grautöne erzeugt?

Bei den einfachen Druckern verliert die belichtete Stelle ihre Ladung vollständig. Der Drucker kann also nur Schwarz oder Weiß drucken. Grauabstufungen werden durch Rasterung analog zu Tintenstrahldruckern erreicht. Dabei wird jeder Bildpunkt durch ein Raster aus 8 mal 8 Mikropunkten ersetzt. Um beispielsweise ein 50%iges Grau zu erzeugen, wird die Hälfte der Punkte geschwärzt, der Rest bleibt weiß. Unter dem Mikroskop sieht das wie ein Schachbrett aus. Ohne Mikroskop kann das Auge derart feine Punkte nicht einzeln erkennen und verschmilzt sie zu einem Gesamteindruck. Durch unterschiedlich hohen Anteil schwarzer Punkte sind 256 Graustufen möglich. Wenn der Drucker z. B. 32 rote und 16 gelbe Punkte in das 8 x 8 Raster gleichmäßig verteilt und 16 Punkte weiß lässt, sieht das Auge einen hellen roten Punkt mit einem Gelbstich..

Durch die Rasterung verringert sich die Auflösung des Ausdrucks. Bei einem Drucker, der zu 2400 dpi (dot per inch, deutsch: (Mikro-)Punkte pro Zoll) fähig ist, verringern sich die sichtbaren Punkte um ein Achtel auf 300 dpi. Wo Grautöne nicht benötigt werden (z. B. Text in schwarzer Farbe) können durch Kantenglättung schärfere Konturen erzielt werden.

Hochwertige Laserdrucker, sogenannte Vollfarbdrucker, kommen ohne Rasterung aus. Die Ladung auf der Trommel wird in bis zu 256 Stufen variiert. Erreicht wird diese Abstufung entweder durch unterschiedliche Verweildauer des Lasers an einer Stelle oder durch das unterschiedlich oft erfolgende Überstreichen der entsprechenden Stelle. Weil jeder Bildpunkt unterschiedlich hell sein kann, spricht man von einem „Halbtonverfahren“. Verwirrend, nicht wahr? Ein Vollfarbdrucker arbeitet mit Halbtonsystem! Ein Vollfarbsystem kann man in der Druckqualität nicht mit einem gewöhnlichen Laserdrucker vergleichen, es ist aber auch mindestens zehnmal teurer.


Wegen der hohen Qualität des Druckergebnisses von Farblaserdruckern wurde schon früh an Maßnahmen zur Vermeidung und Verfolgung von Dokumenten- und Banknotenfälschungen gedacht. So bringen viele aktuelle Geräte auf jedem Ausdruck ein unsichtbares „Wasserzeichen“ an, den „Machine Identification Code“, um eine Rückverfolgung von Ausdrucken bis zum einzelnen Laserdrucker zu ermöglichen.

Handelsübliche Laserdrucker drucken etwa 15 bis 25 Seiten pro Minute, Geräte der Spitzenklasse drucken bis zu etwa 200 Seiten pro Minute und bei Endlospapier bis etwa 1000 Seiten pro Minute.

Softwaretreiber

Das Umwandeln von Grautönen bzw. Farbabstufungen in ein Mikromuster erfordert einen aufwändigen Rechenprozess, der von einem Raster Image Processor geleistet wird. Hierbei gibt es drei Ansätze, diesen Vorgang umzusetzen:

  • Bei Geräten der Mittelklasse erfolgt das „Rippen“ im Drucker selbst – an ihn werden also keine Rasterdaten, sondern Dokumente in Seitenbeschreibungssprachen wie PCL, Postscript oder PDF geschickt. Die Aufbereitung übernimmt der Drucker selbst. Das Rasterbild einer einzigen farbigen DIN-A4-Seite benötigt rund 60 MB Speicher. Hat der Drucker nicht genug RAM, gibt er eine Fehlermeldung aus und druckt nur ein Teil der Seite. Um das Dokument doch noch drucken zu können, kann man die Auflösung von 600 dpi auf 300 dpi oder 150 dpi verringern (und eine Speichererweiterung bestellen, um bald wieder zur ­besseren Auflösung zurückkehren zu können).
  • Bei teuren Großgeräten wird ein eigenständiger, vom Drucker getrennter RIP-Server verwendet. Es ist erstaunlich, welche Qualität des Ausdrucks damit erreicht wird. Allerdings kann solch ein Server über 10 000 € kosten. Er ist mit einer Hochgeschwindigkeitsverbindung direkt an die Belichtereinheit angeschlossen und verfügt über entsprechend viel Speicher und CPU-Leistung.
  • Preisgünstige Drucker nutzen meist das Betriebssystem des Computers für die Erzeugung des Rasterbildes. Solche Geräte werden als GDI-Drucker (Graphics Device Interface) bezeichnet und sind aufgrund des fehlenden Bild-Prozessors erheblich günstiger als Geräte mit eingebautem RIP. Der Nachteil der GDI-Methode besteht darin, dass die Drucker nur mit einem speziellen Gerätetreiber funktionieren, welcher vom Druckerhersteller geliefert wird. Viele dieser Drucker funktionieren daher nur mit den gerade populären Betriebssystemen, weil der Hersteller für Nischenlösungen keine Treiber bereitstellt. Beim Umstieg auf ein neues Betriebssystem gibt es für ältere Drucker möglicherweise keine Treiberunterstützung mehr.

Qualität, Vor- und Nachteile gegenüber anderen Druckverfahren

Laserdrucker sind in der Qualität bei reinem Textausdruck (bei Farblaserdruckern auch bei farbigem Text) sowie bei Geschäftsgrafiken unerreicht. Nur wenige Tintenstrahldrucker erreichen eine ähnliche Kantenschärfe und auf Spezialpapier eine vergleichbare Schwärzentiefe. Die wesentlichen Vorteile eines Laserdruckers sind die Unempfindlichkeit gegenüber verschiedenen Papiersorten, und es gibt prinzipbedingt kein „Ausbluten“ feiner Konturen, wie dies bei Tintenstrahldruckern oftmals zu beobachten ist.

Weitere Vorteile des Laserdruckers sind:

  1. Die Druckkosten sind meist erheblich niedriger, und die Lebenserwartung der Geräte ist viel höher als bei Tintenstrahldruckern.
  2. Wartungsfreiheit: Ein Laserdrucker kann lange Standzeiten überbrücken ohne dass eine Wartung nötig wäre. Zum Vergleich: bei einem Tintenstrahldrucker vertrocknen die Düsen, bei Nadeldruckern vertrocknen die Farbbänder.
  3. Resistenz der Ausdrucke: Die Druckerfarbe ist nicht nur resistent gegen UV-Bestrahlung, sie hält auch der Feuchtigkeit sehr gut stand. Wer viel für Unterwegs und für den Außeneinsatz druckt, sollte dafür einen Laserdrucker nehmen.
  4. Der Toner ist beständig gegen Sonneneinstrahlung, was bei Tintenstrahldrucken nur mit Spezialtinte erreicht werden kann.

Prinzipiell sind heutige Laserdrucker noch nicht die erste Wahl für das Ausdrucken von Fotos. Außerdem bleibt die Farbqualität aufgrund von Temperatur- und Feuchtigkeitsveränderungen nicht konstant. Laserdrucker arbeiten oft mit nicht-linearen Intensitätskurven, so dass dunkle Farbtöne zulaufen und helle Töne überstrahlt werden (das Dunkle wird noch dunkler, das Helle wird heller und Zwischentöne fehlen).

Handelsübliche Laserdrucker sind in Farbraum und Kontrast einem guten Tintendrucker auf Spezialpapier unterlegen. Meistens fehlt den Bildern die Tiefenwirkung und die Farbechtheit, des weiteren ist bei günstigen Geräten eventuell eine leichte Rasterung sichtbar. Zwar sind die Ergebnisse eines Laserdruckers wischfest, jedoch kann es zu Abblättern an Knickstellen kommen.

Wer mehr Zeit hat und nicht auf sofortige Ergebnisse angewiesen ist, sollte die Fotos bei einem professionellen Fotolabor bestellen. Dies ist in der Regel deutlich günstiger und bringt ­schönere Ergebnisse. Wer viel Geld hat, kauft ein Vollfarbsystem für zehntausend Euro und druckt erstklassige Fotos zu einem unschlagbaren Preis (z. B. acht Cent für eine farbige A3-Seite, was einem Cent pro Foto entspricht).

Bei Druckern unter 200 € Anschaffungspreis sind Tintendrucker pro Seite deutlich teurer als Laserdrucker. Bei neueren professionellen Tintendruckern, mit einem Anschaffungspreis von 300 bis 1000 €, gilt das nicht mehr. Durch Einzeltanks mit großem Volumen für jede Farbe erreichen Tintendrucker fast die Druckkosten von Laserdruckern.

Gesundheitsgefährdung

Ozon

Während die Bildtrommel mit Hochspannung aufgeladen wird, entsteht Ozon: Je höher die Spannung, desto mehr Ozon. Eventuell vorhandene Ozonfilter sollten regelmäßig gewechselt werden. Häufig benutzte Geräte sollten in gut belüfteten Räumen stehen. Eine eigene Abluftführung ist von Vorteil. Das Deutsche Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt rät zu guter Belüftung der Räume und zur Aufstellung möglichst weit weg von den Mitarbeitern. Die Gebläseöffnung sollte vom Nutzer wegzeigen. Die Verwendung von Geräten mit dem Prüfsiegel „Blauer Engel“ sei zu empfehlen. Der „Blaue Engel“ kennzeichnet seit 1978 ökologisch vorteilhafte Produkte. Er wird von einer Jury aus Vertretern von Umweltbundesamt, Bundesumweltministerium, Gewerkschaften, Verbraucherverbänden, Wissenschaft, Medien u. a. vergeben und ist das älteste Umweltlogo der Welt. Für Behörden und viele Großkunden ist der Blaue Engel bei Druckern ein Muss.

Bei Geräten mit niedrigen Druckgeschwindigkeiten werden die Ladungen nicht mehr mit Coronadrähten, sondern mit gezackten Metallstreifen oder Kontaktrollern auf die Walze übertragen. Die benötigten Spannungen sind kleiner, so dass die Luftionisation geringer ist und damit auch weniger Ozonemissionen auftreten. Wenn es gelingt, mit den Emissionen knapp unter dem Grenzwert zu bleiben, werden diese Geräte von den Herstellern als „ozonfrei“ angepriesen. „Ozonarm“ wäre ehrlicher. Als Anfang 2013 die Kriterien für den Blauen Engel verschärft wurden, stellte die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung fest, dass drei Viertel von den Ende 2012 im Handel erhältlichen Laserdruckern die neuen Grenzwerte nicht einhielten.

Wenn Sie zwei „ozonfreie“ Geräte in einem nicht allzu großen Büro betreiben, ist es so gut wie sicher, dass die Summe der Emissionen den Grenzwert überschreitet. Wobei Grenzwerte ohnehin industriefreundlich festgelegt werden, nicht nur in Deutschland.

Toner

Laserdrucker arbeiten ebenso wie Kopierer mit sogenannten Trockentonern, die meist Ruß als schwarzes Farbpigment und bei bestimmten Sorten auch Schwermetalle wie Blei und Cadmium enthalten, mitunter also gesundheitsschädlich sein können. Die Umweltmediziner vom Freiburger Universitätsklinikum haben nachgewiesen, dass die Emissionen mancher Laserdrucker die DNA von Lungenzellen schädigen. In Studien an Copyshop-Angestellten in Indien konnte man DNA-Schäden in Zellen der Mundschleimhaut nachweisen.

Laserdrucker sind prinzipiell nie ganz „sauber“: Ein Teil des Toners wird durch das Ventilationssystem, welches zur Kühlung der internen Komponenten unersetzlich ist, aus dem Drucker geschleudert. Es gibt Feinstaubfilter zu kaufen, die außen am Drucker angebracht werden können. Bei privater Nutzung eines Druckers ist die austretende Tonermenge nach aktuellem Wissensstand unbedenklich. Wer viel druckt, sollte aber über eine Lüftung nachdenken.

Die Tonerstaubkörner sind um Größenordnungen kleiner als der normale Hausstaub. Wenn Sie Toner verschüttet haben, greifen Sie keinesfalls zum Staubsauger! Die mikroskopischen Tonerteilchen bleiben in normalen Filtern nicht hängen und werden vom Staubsauger großräumig in der Umgebung verteilt! Es gibt Spezialstaubsauger mit Feinstfilter. Wenn man so einen nicht hat, kann man den Toner mit feuchten Reinigungstüchern aufnehmen.

Bei unsachgemäßer Handhabung oder Schäden am Gerät können größere Tonermengen freigesetzt werden und auf die Schleimhäute, insbesondere die der Atemwege, oder auf die Haut wirken. Toner verändert bereits bei Körpertemperatur seinen Zustand und kann mit den Schleimhäuten verkleben. Abhusten geht dann nicht[48].

Bei privater Nutzung eines Druckers ist die austretende Tonermenge nach aktuellem Wissensstand unbedenklich. [49] Wer viel druckt, sollte aber über eine Lüftung nachdenken. Wenn Sie einen Papierstau beheben, werden Sie vielleicht Blätter mit losem Tonerstaub herausziehen. Werfen Sie die nicht gleich in den Papierkorb, sondern packen Sie die Blätter vorher behutsam staubdicht ein.

Servicetechniker sind den Schadstoffen besonders ausgesetzt, sie sollten unbedingt Atemschutz und Einweghandschuhe verwenden. Auch Privatleute sollten dies bedenken, wenn sie selbst mit Toner hantieren.

Wichtig: Tonerstaub darf generell nicht in die Umwelt gelangen. Leere Patronen sind Sondermüll! Leere Patronen werden von vielen Herstellern und manchen Händlern zurückgenommen. Wenn Sie nicht auf das eigenhändige Nachfüllen von leeren Tonerkassetten verzichten wollen, sollten Sie unbedingt Atemschutz und Einweghandschuhe verwenden.

Verschmutzungen

Wenn Toner auf die Kleidung gelangt, diesen ausschütteln und herausklopfen (im Freien, Windrichtung beachten) und mit viel kaltem Wasser spülen, eventuell Spülmittel zusetzen. Achtung: Toner wird im Drucker durch Hitze fixiert. Den gleichen Effekt hat warmes Wasser: Es fixiert den Fleck für immer!

Fremdtoner

Auch für Laserdrucker gibt es „kompatiblen“ Toner. Was für Tinte gilt, ist im Prinzip auch für Toner richtig: Die Herstellergarantie erlischt. Wegen unterschiedlicher Druckverfahren sind die Toner aus unterschiedlichen Grundstoffen hergestellt. Kyocera-Toner im HP-Drucker (oder umgekehrt) benötigt maximal drei Minuten, um den Drucker in Schrott zu verwandeln. Auch in der Körnung gibt es Unterschiede. „Normaler“ Toner in einem Drucker, der „Microtoner“ benötigt, kann verheerend wirken. Da es keine Norm gibt, wie groß die Tonerteilchen im Microtoner sein müssen, kann der für den einen Drucker hergestellte Microtoner für einen anderen Drucker zu grob oder zu fein sein. Wenn man trotzdem Fremdtoner verwenden will, sollte man nach Tests in Fachzeitschriften suchen und einen der getesteten Toner kaufen.

Eine Statistik vom Epson-Service stellt fest, dass die meisten zur Reparatur eingesandten Laserdrucker nicht defekt, sondern durch Fremdtoner verschmutzt sind. Die Reinigung ist sehr aufwendig (der Drucker muss komplett zerlegt werden). Beim Epson-Service darf der Kunde wählen zwischen Reinigung, Rücksendung (ungereinigt, Kosten für Überprüfung und Versand entstehen) oder fachgerechter Entsorgung (kostenlos). [50]

Justizministerium verschrottet 4033 Laserdrucker

Nachdem drei Mitarbeiter des Amtsgerichts Burgwedel an Krebs erkrankt waren, untersuchte das Bremer Umweltinstitut die Drucker. Der Feinstaub-Grenzwert war bei den meisten Druckern überschritten. Ein Zusammenhang zwischen dem Feinstaub und den Krebserkrankungen konnte nicht bewiesen werden. „Zum Schutz und zur Beruhigung der Mitarbeiter“ hat das Niedersächsische Justizministerium die Drucker in allen Gerichten ausgetauscht[51].

Kompaktgeräte und modulare Geräte

Es gibt zwei grundsätzliche Strategien für den Wechsel des Verbrauchsmaterials: Modulare und Kompaktgeräte.

Bei Kompaktgeräten werden Toner, Bildtrommel und Verschleißteile zu einer handlichen Baugruppe zusammengefasst. Wenn der Toner verbraucht ist, wird der „halbe Drucker“ gewechselt. Natürlich ist dieses ­„Austauschpaket“ erheblich teurer als es der Austausch nur einer Tonerpatrone wäre. Das „Restgerät“ enthält keine Verschleißteile und ist preiswert. Genau genommen wird der Anschaffungspreis über die Verbrauchsmaterialien subventioniert, wie wir das auch von den Tintendruckern kennen.

Modulare Geräte bestehen aus hochwertigen, langlebigen Baugruppen und gehören dadurch zu der teureren Kategorie. Die Bildtrommel ist langlebig. Erst nach sechs- bis zehnmaligem Tonerwechsel (also etwa nach 50 000 Seiten oder mehr) muss erstmals die Bildtrommel gewechselt werden. Das Auswechseln ist möglicherweise nicht einfach, und billig ist die Bildtrommel auch nicht. Trotzdem erreicht man mit diesem Druckertyp die mit Abstand geringsten Kosten pro Seite und die höheren Seitenzahlen pro Minute.

Kalkulieren Sie unbedingt Ihre Kosten mit dem Druckkostenrechner! Letztlich ist es eine Rechenaufgabe. So wie man beim Autokauf anhand der jährlich geplanten Kilometerzahl berechnet, ob sich ein teurerer Dieselmotor lohnt oder nicht, sollte man auch vor dem Kauf eines Druckers ­nachrechnen. In Abhängigkeit vom Druckaufkommen kann eine Firma durch Anschaffung eines teureren Modells viele Tausend Euro Folgekosten sparen!

Nur bei sehr geringem Druckaufkommen ist die Anschaffung eines preiswerten Druckers möglicherweise sinnvoll.

Betriebskosten

Die Tonerdichte bestimmt die Menge an Toner, die beim Druck auf eine Seite aufgetragen wird. Eine Reduzierung um 5 % bis 20 % fällt im Ausdruck kaum auf. Konzeptdrucke sind auch bei 50 % Tonerdichte noch gut lesbar.

Die Bildtrommel ist meist mit Selen beschichtet. Selen ist wenig widerstandsfähig und je nach Druckermodell nach 50.000 bis 200.000 Seiten abgenutzt. Erst nach sechs- bis zehnmaligem Tonerwechsel (also etwa nach 50 000 Seiten oder mehr) muss erstmals die Bildtrommel gewechselt werden. Vielleicht ist das Auswechseln nicht einfach, und billig ist die Bildtrommel auch nicht. Trotzdem erreicht man mit diesem Druckertyp die mit Abstand geringsten Kosten pro Seite und die höheren Seitenzahlen pro Minute.

Nach Aussagen von Wartungstechnikern „stirbt“ allerdings ein erheblicher Teil von Bildtrommeln deutlich früher durch Büroklammern und andere kleine Gegenstände, die im Papierstapel enthalten sind. Das passiert besonders denjenigen Benutzern, welche einseitig bedrucktes Papier sammeln, um die Rückseiten für Konzeptausdrucke weiter zu verwenden. Im Bürostress passiert es immer wieder, dass die Blätter noch geklammert sind oder Aufkleber oder Korrekturstiftschichten oder andere Verschmutzungen haben. Jeder solche Fall kann zu einem Papierstau führen oder die Trommel ruinieren. Wenn man bedenkt, dass eine neue Trommel so viel kostet wie mehrere zehntausend Blatt Papier, lohnt sich das Risiko einer Mehrfachverwendung nicht.

Beim Bedrucken von Folien sollte man keinesfalls Haushaltsfolien oder Folien für Tintendrucker zu benutzen. Diese halten die hohen Temperaturen nicht aus und schmelzen. Das kostet Sie mindestens eine neue Bildtrommel.

Energiebedarf

Während des Druckens ist der Energiebedarf hoch, denn der Toner wird mit hoher Temperatur in das Papier „eingebrannt“. Nach dem Druck reduzieren die Drucker den Energieverbrauch. Sehr alte Drucker halten ihr Heizelement auf mittlerer Temperatur, um die Vorwärmzeit bei einem neuen Druckauftrag zu reduzieren. Neue Drucker können ihr Heizelement viel schneller auf Betriebstemperatur bringen und schalten es deshalb in Stand-by ganz ab. Das spart radikal mit Energie. Ende 2009 ergab ein Test, dass die zehn energiesparendsten Einsteigerdrucker nur zwischen zwei und 12 Euro pro Jahr im Standby-Betrieb verbrauchen. [52].

Bei den zehn energieffizientesten Farblaserdruckern liegt der typische Stromverbrauch zwischen 1 und 4 kWh/Woche, was bei 15 Cent/kWh einem Jahresverbrauch von 7,5 bis 30 Euro ergibt[53][54].

Wartung

Oft kommt es beim Tonerwechsel zu Verschmutzungen des Gerätes. Lesen Sie die Anleitung und gehen Sie überlegt vor! Sollten Sie Tonerstaub sehen, nehmen Sie ihn mit einem feuchten Reinigungstuch auf. Auch während des Betriebes gelingt es nie vollständig, den Austritt von feinem Tonerstaub zu verhindern, der sich unter anderem auf der Belichtereinheit absetzt. Lesen Sie in der Bedienungsanleitung nach, wie der Staub entfernt werden kann. Achten Sie darauf, dass die Bildtrommel während des Tonertauschs möglichst wenig dem Licht ausgesetzt wird.

Der Papiertransport erfolgt mit Gummiwalzen. Wegen der hohen Temperaturen können die Walzen spröde und rissig werden und müssen dann ausgetauscht werden.

Viele Unternehmen verwenden Banner-Seiten (Trennseiten, um mehrere Ausdrucke im Druckerfach unterscheiden zu können). Diese Banner-Seiten können in Unternehmen bis zu 20% der Tonerkosten erzeugen. In einer Studie der Firma Gartner Research wurde errechnet, dass ein Unternehmen mit 1.000 Mitarbeitern durch den Verzicht auf Banner-Seiten bis zu 1,6 Millionen Seiten jährlich sparen kann, was etwa 25.000 € entspricht. Um die Banner-Seiten überflüssig zu machen, bietet sich eine Benutzer-Authentifizierung auf allen Geräten an. Diese Benutzer-Authentifizierung könnte auf biometrischer Basis erfolgen. Durch diese Praxis wird zusätzlich Verbrauchsmaterial gespart, weil somit garantiert ist, dass alle Druckaufträge auch von den Anwendern abgeholt werden.

Farbdrucke

Die Kosten für Farbdrucke sind etwa vier mal so hoch wie die für einen Standard Schwarz-Weiß-Druck. Der Grund hierfür liegt darin, dass Farblaserdrucker vier statt nur einer Tonerkartusche verwenden, nämlich Cyan, Magenta, Gelb und Schwarz. Farbdrucke können bis zu 20 Cent pro Ausdruck kosten. Ein 10-Seitiges Dokumente kann somit bis zu 2 Euro kosten. Die meisten Büromitarbeiter haben kein legitimes Bedürfnis für Farbdrucke. Was nicht heißen soll, dass keine Abteilung begründete Verwendungszwecke für Farbdrucke haben. Bestimmte Dokumente wie Grafiken und Diagramme müssen in Farbe gedruckt werden, damit man gut zwischen Zahlen und Spalten unterscheiden kann. Farbdrucker sind grundsätzlich nichts schlechtes, allerdings können die Druckkosten deutlich reduziert werden, wenn man darauf achtet, wo man diese Drucker platziert. Während ein Farbdrucker in der Werbeabteilung durchaus angemessen ist, reicht für die Buchhaltung in der Regel ein Schwarz-Weiß-Drucker. Es kann auch Sinn machen die Anwender in einer Rundmail darauf hinzuweisen, dass Farbdrucke nicht immer nötig sind. Zum Beispiel ist es in aller Regel nicht nötig, Power Point Präsentationen auszudrucken, da diese meistens am Bildschirm angesehen werden.

Einen Druckauftrag abbrechen ohne Stau

Wie oft kommt es vor, dass man das falsche Dokument druckt oder das ganze lange Dokument druckt statt einiger ausgewählter Blätter. Mancher Anwender schaltet in so einem Fall den Drucker einfach ab. Das führt aber fast immer zu einem Papierstau. Der ist nicht nur stressig, sondern doppelt gefährlich. Die Papiertransportmechanik wird hoch belastet und verschleißt schneller. Schlimmer noch: Das Herausziehen verklemmter Seiten kann die fotoelektrische Schicht beschädigen. Langfristig betrachtet ist es günstiger, hin und wieder hundert unnütze Seiten zu drucken als den Drucker zu schädigen.

Den Stau kann man sich ganz leicht ersparen, indem man die Papierschublade herauszieht und ein paar Sekunden wartet. Der Drucker stoppt wegen Papiermangel, es gibt keinen Stau. Anschließend schaltet man den Drucker aus, löscht den Druckauftrag aus der Warteschlange, schaltet den Drucker wieder ein und schiebt die Papierkassette wieder hinein.

Wollen Sie mehr über Laserdrucker wissen?

Gedanken vor dem Kauf


Aus Montage und Reparatur von tausenden PC habe ich zahlreiche Erkenntnisse gewonnen. Trotzdem finden Sie hier keine allzu konkrete Empfehlungen, sondern nur persönliche Anmerkungen, die Sie zum Nachdenken anregen sollen. Eine Online-Kaufberatung im engeren Sinne ist nicht zu verantworten und angesichts der rasanten Entwicklung ohnehin fragwürdig. Bitte suchen Sie selbst einen kompetenten Berater!


Allgemeine Gedanken

Sogenannte Komplettsysteme werden so entwickelt, dass sie die typischen Anforderungen von möglichst vielen potentiellen Käufern erfüllen. Aus Sicht der Industrie ist das sinnvoll –  je mehr Käufer, desto größer die Serie, und je größer die Stückzahl, desto niedriger die anteiligen Entwicklungs-, Herstellungs- und Vertriebskosten.

Die Komplettsysteme der großen Ladenketten haben große Vorteile:

  • In Prospekten und Fachzeitschriften gibt es relativ gute technische Beschreibungen.
  • Die Geräte werden von vielen Fachzeitschriften verglichen und kritisch bewertet.
  • Sie können recht sicher sein, dass es die Ladenkette bis zum Ende Ihres zweijährigen Garantiezeitraums geben wird oder dass notfalls eine andere Ladenkette die Garantieleistungen übernimmt. Das Garantieversprechen eines Fachhändlers ist nichts wert, wenn er Pleite geht.
  • Kein Einzelhändler kann Ihnen die gleichen oder vergleichbare Komponenten zu diesem Preis bieten.
  • Ladenketten erhalten Software zu Sonderkonditionen (andererseits ist der Kauf ohne Software nicht möglich, sie ist zwangsweise dabei!).

Aus Sicht des Käufers haben Komplettsysteme aber auch prinzipielle Nachteile:

  • Kaum eine Funktion oder Eigenschaft ist hervorragend gut. Eine Grafikkarte der Spitzenklasse einzubauen, mit der ein Spieler glücklich wäre, ist zu teuer. Manchmal - aber viel zu selten - kann man gegen Aufpreis einzelne Komponenten auswechseln lassen. Meist bleibt nur das Austauschen von Komponenten nach dem Kauf, wobei die ausgebauten Teile übrig bleiben und es Probleme mit der Garantie geben kann.
  • Ist dennoch in einer Bauteilkategorie ein Spitzenmodell verbaut, so wird der Rest meist kaputtgespart. Eine überaus protzige Grafikkarte nützt gar nichts, wenn mangels Arbeitsspeicher ständig Daten auf die Festplatte geschoben werden. Überdimensionierte Prozessoren nutzen dem Spieler ohne passende Grafikkarte nichts. Riesige Mengen Arbeitsspeicher langweiligen sich, wenn der Rest zu nicht viel mehr als Solitär taugt. Ignorieren Sie den größten Eyecatcher einer Anzeige und hinterfragen Sie die kleiner gedruckten technischen Daten.
  • Einige Funktionen und Eigenschaften des Geräts sind besser (und teurer), als der Käufer es braucht. Wenn Sie den PC für Büroarbeit brauchen, ist beispielsweise die Grafikkarte stets überdimensioniert. Je mehr Zusatzgeräte wie TV-Empfänger verbaut sind, desto höher die Chance auf Komplikationen mit Treibern o.ä.
  • Eine Serie, ein PC-Modell muss relativ langfristig geplant und entwickelt werden, langfristige Lieferverträge über große Stückzahlen müssen mit den Zulieferern ausgehandelt werden. Dann wird das Modell ein halbes oder ganzes Jahr lang verkauft und bleibt immer mehr hinter der technischen Entwicklung zurück. Deshalb sind die verbauten Komponenten oftmals veraltet und manchmal auch minderwertig. Fachhändler können da sehr viel flexibler sein. (Allerdings gibt es natürlich auch Fachhändler, die minderwertige Teile verbauen).
  • Sehr große Ketten lassen eigene Bauteile produzieren, anstatt aus dem schon vorhandenen Pool eines Herstellers eins auszuwählen. Dann kann jede nicht bewerbbare Eigenschaft gestrichen werden – oftmals Centbeträge für einzelne Features (etwa im BIOS), die den Anwender später ärgern können. Zudem ist die Treiberunterstützung für solche beschnittenen Modelle merklich schlechter als die eines regulären Modells.
  • Eine eigene Reparaturabteilung an jedem Standort einer Ladenkette ist nicht wirtschaftlich. Um die Kosten für Garantiereparaturen zu minimieren, gibt es Zentralwerkstätten. Die defekten Geräte werden in den meisten Märkten nur einmal pro Woche abgeholt und zurückgebracht. Die Kapazität der Zentralwerkstätten ist knapp kalkuliert, damit keine Stillstandszeiten eintreten. Reparaturzeiten von zwei Wochen und mehr sind deshalb die Regel. Der Händler vor Ort würde bestimmt kürzere Reparaturzeiten haben, aber Garantie haben Sie nur dort, wo Sie das Gerät gekauft haben.

Dann gibt es noch die Komplettsysteme der großen Hersteller wie IBM, HP, Dell und andere, die meist im Direktversand vertrieben werden. Auch die großen Versandhäuser bieten PC in ihren Katalogen an. Vor dem Kauf eines dieser Versandmodelle sollten Sie beachten:

  • Beratungsbedarf nach dem Kauf sollten Sie besser nicht haben.
  • Der Versand (bei Reparaturen und Rückgabe) ist recht teuer.
  • Die verwendeten Teile (Gehäuse, Netzteile, Platinen, ...) sind meist sehr herstellerspezifisch. Abgesehen von einer RAM-Aufrüstung oder einer größeren Festplatte ist es in der Regel nicht möglich, den PC aufzurüsten oder mit preiswerten Standardkomponenten zu reparieren. Wenn die Garantiezeit vorbei ist, sind Reparaturen wirtschaftlich nicht sinnvoll.
  • Wenn der Katalog neu ist, sind die Preise gut. Wenn der Katalog schon ein dreivierteljahr bei Ihnen herum gelegen hat, sind die Preise nicht mehr gut, denn bei den Mitbewerbern ist der Preis für ein vergleichbares Gerät inzwischen deutlich gesunken.

Beispiele:

  • Firmen-PCs sind in der Regel vernetzt, und auch Familien mit mehreren PC können diese vernetzen. Dann braucht auch nicht jeder PC den allermodernsten DVD-Brenner haben – ein Brenner für gemeinsame Nutzung durch alle PC genügt möglicherweise.
  • Sie sind an den neuesten Actionspielen nicht interessiert? Dann brauchen Sie keine „durchschnittliche“ Grafikkarte, sondern eine für 40 Euro mit passiver Kühlung reicht aus. Der PC wird nicht nur billiger, sondern auch deutlich leiser.

Preisdruck

Jim Ruskin, Ökonom, um 1900:

Es gibt kaum etwas auf dieser Welt, das nicht irgend jemand etwas schlechter machen und etwas billiger verkaufen könnte, und die Menschen, die sich nur am Preis orientieren, werden die gerechte Beute solcher Machenschaften.

Es ist unklug, zu viel zu bezahlen, aber es ist noch schlechter, zu wenig zu bezahlen. Wenn Sie zu viel bezahlen, verlieren Sie etwas Geld, das ist alles.

Wenn Sie dagegen zu wenig bezahlen, verlieren Sie manchmal alles, da der gekaufte Gegenstand die ihm zugedachte Aufgabe nicht erfüllen kann.

Das Gesetz der Wirtschaft verbietet es, für wenig Geld viel Wert zu erhalten.

Nehmen Sie das niedrigste Angebot an, müssen Sie für das Risiko, das Sie eingehen, etwas hinzurechnen. Und wenn Sie das tun, dann haben Sie auch genug Geld, um für etwas Besseres zu bezahlen.

Darf es auch etwas teurer sein?

Nehmen wir mal an, dass ein durchschnittliches PC-System (mit Bildschirm) 700 Euro kostet. Bei einer Abschreibungsdauer von zwei Jahren entspricht das knapp 30 Euro pro Monat, bei einer Abschreibungsdauer von drei Jahren entspricht das etwa 65 Cent pro Kalendertag. Im Vergleich zu manch anderem Hobby ist ein PC gar nicht so teuer. Fragen Sie doch mal Ihren Händler, was er Ihnen für Verbesserungen vorschlagen kann, wenn Sie ein paar zusätzliche Euros bewilligen! Wenn Sie einem vertrauenswürdigen Händler zusätzliche 100 Euro bewilligen (auf drei Jahre verteilt sind das 10 Cent pro Kalendertag), wird er Ihnen einen wesentlich besseren PC zusammenstellen können: Schneller, zuverlässiger, leiser ... Ist Ihnen das nicht 10 Cent pro Tag wert?

Wenn Sie Firmenchef sind, vergleichen Sie diese Mehrkosten mit den tausenden Euro Lohnkosten pro Monat und Mitarbeiter! Ihr Angestellter wird (für nur 3 Euro zusätzlich pro Monat) effektiver und schneller arbeiten können, weniger PC-Probleme und Datenverluste haben, und der PC wird weniger Lärm machen, was das Arbeiten angenehmer macht. Einen überdurchschnittlich guten PC zu erhalten, wird Ihr Angestellter als Wertschätzung empfinden, und er wird seinen Bekannten davon erzählen. Auch ihre Kunden und Gäste werden sehen (einige zumindest), ob Sie „Schrott ab Werk“ kaufen oder gute PCs benutzen und sie werden daraus ihre Schlüsse ziehen.

Zahlreiche Statistiken sagen übereinstimmend, dass die laufenden Betreuungskosten von Firmen-PCs (Service, Updates usw.), ergänzt um die Ausfallkosten bei Störungen, drei- bis zehnmal höher sind als die Anschaffungskosten. Die Anschaffung eines qualitativ höherwertigeren PC kann die Folgekosten deutlich senken!

Sie sind kein Firmenchef? Denken Sie trotzdem darüber nach. Wenn Ihnen das Basteln am PC Spaß macht, werden Sie die Arbeitsstunden nicht zählen. Wenn Sie aber bei Problemen häufig einen Fachmann rufen und bezahlen müssen, sollten Sie vielleicht doch wie ein Firmenchef denken.

Die Engländer sagen „You get what you pay“ (Du bekommst das wofür du bezahlst), sehr frei übersetzt „Ich bin zu geizig, um mir billige Produkte leisten zu können“.

Muss es die neueste Technologie sein?

„Neu“ bedeutet im Unterschied zu „bewährt“ immer auch: Es ist noch nicht allzusehr in der Praxis bewährt. „Neueste Technologie“ bedeutet in der Computerbranche, dass Sie zuerst das Testobjekt für Ihr Geld kaufen müssen, um als unbezahlter Tester an einem Großversuch teilzunehmen. Drei bis sechs Monate nach der Markteinführung eines neuen Produkts hat der Hersteller das Produkt nachgebessert, und die Fachzeitschriften werden hilfreiche Tipps zur Bewältigung der übriggebliebenen Probleme veröffentlichen. Kaufen Sie also möglichst nichts, was gerade erst brandneu auf den Markt gekommen ist!

Sie halten meine Meinung für übertrieben und Sie glauben mir nicht? Das ist gut! Glauben Sie niemandem, denken Sie selber nach! Andererseits: Von den Herstellern werden immer wieder freiwillige Betatester dringend gesucht, um die Produkte zu verbessern, und im Grundgesetz steht schließlich, dass Sie an alles glauben dürfen, was Sie wollen.

Wenn Sie und andere sich als Beta-Tester betätigen, kann der Hersteller das Gerät verbessern und mir ein halbes Jahr später ein Gerät mit weniger „Kinderkrankheiten“ verkaufen. Dankeschön für Ihre Mühe!

Wo kann man einen sorgfältig geprüften, fehlerfrei funktionierenden PC kaufen?

Leider nirgends, besonders wenn er einigermaßen preiswert sein soll. Ein PC besteht aus etwa einem Dutzend Hauptbestandteilen, für jedes Teil gibt es bis zu einem Dutzend mögliche Hersteller, von denen jeder mehrere ähnliche Produkte anbietet. Bei sehr neuen Erzeugnissen wechselt die Produktversion anfangs alle paar Wochen. Das bedeutet, dass es eine unermessliche Vielfalt von Kombinationen gibt, und selbst in der Serienfertigung läuft am Ende der Woche oft ein anderes Gerät vom Band als am Anfang der Woche, weil inzwischen beim Brenner die Firmware verändert wurde oder die Grafikkarte neuerdings mit Kondensatoren eines anderen Herstellers bestückt wird (der im Moment den günstigeren Preis hat). Das bedeutet, dass Sie praktisch immer einen PC kaufen, der in Ihrer speziellen Konfiguration noch nie sorgfältig getestet wurde, sondern nach Fertigstellung nur einen Kurztest durchlaufen hat. Dieser traurige Umstand wird dadurch dramatisch verschärft, dass es erstens keine fehlerfreie Software gibt und zweitens jeder Benutzer auf seinem PC eine andere Kombination von Software-Produkten in einer anderen Reihenfolge installiert.

Was können Sie trotzdem tun, um einen möglichst zuverlässigen PC zu kaufen?

  • Verwenden Sie Komponenten von Marktführern oder zumindest von renommierten Herstellern.
  • Werden Sie nicht zum Beta-Tester. Keine Komponenten einbauen, die weniger als drei bis sechs Monate auf dem Markt sind!
  • Kein brandneues Betriebssystem einsetzen, bevor das erste Servicepack zwei Monate auf dem Markt ist!
  • Geizen Sie nicht mit RAM. Reichlich RAM von bester Qualität ist ein bedeutender Beitrag zur Stabilität.

Wenn Sie mehrere PCs für eine Firma kaufen wollen, suchen Sie nach einem spezialisierten Händler. Gegen einen deutlich höheren Preis können Sie gut geprüfte PCs von Markenherstellern kaufen, wobei Ihnen garantiert wird, dass Sie einen baugleichen PC jederzeit in den nächsten zwei Jahren nachkaufen können. Zwar sind diese PCs nicht auf dem allerneuesten Stand (sonst wären Sie nicht gut geprüft), aber sie sind einschließlich Chipsatz identisch. Sie können alle PC nach dem gleichen Muster installieren bzw. kopieren. Das reduziert dauerhaft den Aufwand bei der Systemadministration.

Wo kauft man einen PC?

Wenn Ihre Ansprüche an die Leistung eher gering sind, die Nutzung nur gelegentlich und der Preis wichtig ist: Kaufen Sie bei einer großen Ladenkette. Wenn Sie allerdings Probleme mit dem PC bekommen, könnte die Reparatur Wochen dauern.

Wenn Sie den PC intensiv nutzen wollen und/oder Ansprüche haben, sollten Sie sich einen vertrauenswürdigen Computerhändler suchen, keine Handelskette. Handelsketten locken die Käufer mit aufwändiger Werbung an. Kleine Händler haben wenig Geld für Werbung. Langfristig überleben sie nur, wenn sie gut sind und von ihren Kunden weiterempfohlen werden. Die kleinen Computerläden stehen seit Jahren unter großem Druck durch die großen Elektronikmärkte. Nur wer sich zu einem guten Fachmann entwickelt hat, übersteht die ersten drei bis fünf Jahre.

Jedes Jahr gibt es eine Menge frisch ausgebildeter EDV-Leute, die keinen Job finden. Dazu kommen noch diejenigen, die die Prüfung nicht geschafft haben (die IHK-Prüfung ist nicht leicht) sowie jene, die auch ohne Ausbildung glauben, genug über Computer zu wissen. So wird eben mal eine Computerfirma gegründet. Ein bis zwei Jahre überleben sie mit der Förderung des Arbeitsamtes, mit Hilfe der Verwandtschaft und mit 70 Wochenarbeitsstunden. Außerdem gibt es eine Menge Fachhändler anderer Branchen (Fernsehen, Elektronik, Mobilfunk, Büroartikel, Copyshops), die als zusätzliches Standbein Computerdienstleistungen anbieten. Produktgenerationen wechseln rasend schnell. Wer sich nur nebenbei und vierteltags mit Computerkonfiguration beschäftigt, wird bestenfalls ein Halbspezialist. Bei kleinen Arbeiten, z.  B. der Nachrüstung eines DVD-Brenners, reicht das aus. Wenn das Problem größer ist und Sie keine aktuelle Datensicherung haben, reicht das eventuell nicht.

Wie kauft man einen PC?

Schreiben Sie auf, was Sie mit dem Computer machen wollen und was nicht. Denken Sie mindestens einen Tag darüber nach. Welche Schnittstellen brauchen Sie? FireWire, serielle Schnittstelle, parallelen Druckeranschluss, externen SATA, optische Links zur Stereoanlage? Reichen Ihnen 5+1 Lautsprecheranschlüsse?

Vielleicht kann Ihr vorhandener PC sinnvoll umgebaut werden (nicht raten, sondern fragen!) –  dann nehmen Sie ihn mit zum Händler. Lassen Sie sich von einem Fachhändler ein detailliertes Angebot machen (geben Sie ihm mindestens einen Tag Zeit dafür). Jedes Teil muss genau bezeichnet sein! Zeigen Sie dieses Angebot dem nächsten Fachhändler und fragen Sie ihn, was er anders machen würde. Gehen Sie mit beiden Angeboten vielleicht noch zu einem dritten Fachhändler (oder auch mal in einen Supermarkt) und abschließend noch mal zu dem ersten Fachhändler. Fragen Sie Freunde und Bekannte. Für Komplettsysteme der Ladenketten gibt es Testberichte. Denken Sie selbst nach und glauben Sie nicht alles, was Sie hören - auch wenn es der Freund erzählt (der ganz andere Dinge mit seinem PC macht als Sie). Entscheiden Sie sich zügig - schon nach ein bis zwei Wochen haben sich Preise und Verfügbarkeit wichtiger Komponenten verändert. Überlegen Sie sich, ob Sie den PC bei einem Fachhändler oder einer Ladenkette kaufen. Falls Sie sich wenig mit PCs auskennen, erhalten Sie bei Fachhändlern meist die bessere Beratung, auch noch nach dem Kauf.

Und noch etwas: Lassen Sie sich vom Händler Ihres Vertrauens alles erläutern, aber nerven Sie ihn nicht mehr als nötig, sonst wird er Ihnen bei späteren Problemen etwas weniger Kulanz entgegenbringen. Insbesondere sollten Sie sich nicht ein halbes Jahr lang jeden Monat ein neues Angebot machen lassen.

PC mit alternativen Betriebssystemen

Alternative Betriebssysteme wie beispielsweise Linux können in vielen Bereichen längst mit Windows mithalten, in anderen Bereichen wurde Windows schon überholt. Um jedoch ein solches System möglichst schmerzfrei zu nutzen, sollten Sie auf Hardwarekomponenten achten, die gut unterstützt werden. Beachten Sie: Wenn Sie einen Standard-PC mit Windows kaufen und Sie Linux darauf nicht zum Laufen bekommen, ist das - juristisch gesehen - kein Reklamationsgrund, außer Sie haben sich eine schriftliche Zusicherung geben lassen, dass der PC für die Linux-Distribution (genaue Angabe, welche) geeignet ist.

Wollen Sie beispielsweise 3D-Anwendungen wie Spiele oder Rendering nutzen, ist eine Grafikkarte von NVIDIA eine sicherere Wahl, ATI hängt hingegen in der Treiberprogrammierung teilweise hinterher, so dass neuere Karten nur mit Einschränkungen oder komplizierter Mehrarbeit genutzt werden können.

Massenspeicher, DVD-Brenner, USB-Sticks, USB-Platten, Mäuse, Tastaturen etc. sind kein Problem.

Weitere kritische Punkte können Drucker und Scanner sein. Bei letzteren hilft ein Blick auf die Liste der unterstützten Scanner des SANE Projekts unter http://www.sane-project.org/.

Die Verfügbarkeit von Druckertreibern können Sie in diversen Linuxcommunities oder in der Hardwaredatenbank Ihrer Distribution erfragen. Vorsicht jedoch allgemein bei Canon-Tintendruckern! Diese lassen sich bislang nur mit den japanischen Treibern von Canon mit viel Mehrarbeit oder dem kommerziellen Druckertreiber Turboprint (für rund 30 € erhältlich) nutzen.

Das Gleiche gilt für komplexere Hardware wie beispielsweise TV-Karten. Wenn Ihr Fachverkäufer Ihnen hierbei nicht weiterhelfen kann (und „Fachverkäufer“ in Großmärkten können das in der Regel nie) müssen Sie selbst selektiv an die Wahl Ihrer Komponenten gehen. Nach Empfehlungen zu fragen kostet jedoch nichts. Bestimmt hat Ihr Fachhändler ein Vorführexemplar für Sie. Sie probieren es gleich auf dem Ladentisch des Händlers mit Ihrem mitgebrachten PC aus. Als treuer Kunde dürfen Sie das Teil vielleicht sogar für einige Tage zum Test nach Hause mitnehmen.

Profi-PC für Filmbearbeitung und Programmentwicklung

Hier sollte man nicht mit der Prozessorleistung geizen. Gegenwärtig gibt kaum eine sinnvolle Alternative zu einer Intel Dual Core oder Quad Core CPU. Dann sollte auch der Chipsatz der Hauptplatine von Intel sein. Schnelle Festplatten, möglichst als RAID-System und sehr viel RAM sind wichtig. Programmentwicklung erfordert meist großzügig mit Hauptspeicher ausgestattete PCs.

Gerade beim Bearbeiten von Filmen sollten Sie auf eine große Festplattenkapazität achten, denn meist will man bis zur Fertigstellung eines Projektes und auch darüber hinaus dieses in einem verlustfreien Format vorhalten. Dies erfordert jedoch auch sehr viel Speicherplatz.

Einen solchen PC gibt es nicht „von der Stange“. Es besteht erheblicher Beratungsbedarf, um die oft sehr individuellen Anforderungen mit dem Budget in Übereinstimmung zu bringen. Der Wunsch nach einer bestimmten, speziellen Software scheitert oft an Problemen mit den Treibern mancher Grafikkarten.

PC für Spieler

Da viele Spieler jung und knapp bei Kasse sind, müssen sie mehr auf den Anschaffungspreis achten als Firmen. Daher könnte eine AMD-CPU vom Preis-Leistungs-Verhältnis empfehlenswert sein, zumal AMD ihre neuen Prozessoren immer auch in Richtung Spiele optimiert. Zudem lassen sich AMD-Prozessoren besser übertakten. Das ist zwar arbeitsaufwändig, aber Zeit ist kein Kostenfaktor.

Ein weiterer wichtiger Punkt ist der Chipsatz der Hauptplatine. Intel-Chipsätze stehen für Boards mit AMD-CPUs nicht zur Verfügung. NVIDIA hat über viele Jahre bei den Chipsätzen eine etwas bessere Qualität als die Konkurrenten geliefert. Zu einem NVIDIA Chipsatz passt eine Grafikkarte von NVIDIA am besten. Im Wettkampf um die höchste Grafikleistung stehen NVIDIA und ATI etwa gleichauf und haben die anderen Konkurrenten abgehängt. NVIDIA hat das etwas bessere Qualitätsmanagement und die etwas besseren Treiber.

Hauptplatine und Grafikkarte sollten natürlich über einen PCI-Express-Steckplatz die Daten austauschen. Bei der Wahl von Dual-Core Prozessoren sollten Sie jedoch bedenken, dass die Anzahl der multithreading-fähigen Spiele nur langsam zunimmt. In der Regel wird nur ein Prozessorkern ausgelastet, während der andere vom Spiel völlig unberührt bleibt.

Darüber hinaus sollten Sie überlegen, ob Ihre Spieleauswahl nicht auch von einer Konsole abgedeckt wird. Im Vergleich zu den Einstandspreisen hochgerüsteter Spieler-PCs oder auch den Updatekosten für Grafikkarte und Prozessor ist dies meist die wirtschaftlichere, ruhigere und - besonders im Hochsommer - kühlere Entscheidung. Einige Genres, beispielsweise First-Person-Shooter, MMORPGs (Massen-Mehrspieler-Online-Rollenspiele) und Strategiespiele sind auf Konsolen jedoch kaum vertreten, weshalb diese Entscheidung wie bisher auch, hauptsächlich von ihrem Anwendungsprofil abhängt. Bei z.B. einer Playstation oder XBox müssen Sie nichts installieren oder konfigurieren, jedes Spiel läuft auf Anhieb.

Wohnzimmer-PC für Internet und kleine Projekte sowie Büro-PC für Office-Anwendungen

Die Prozessorleistung wäre selbst mit der kleinsten aktuellen CPU groß genug. Nehmen Sie trotzdem nicht die langsamste aller CPUs, denn einige hundert zusätzliche Megahertz kosten nur wenige Euro mehr. Wenn Sie z. B. einen Celeron von Intel oder Sempron von AMD nehmen, sparen Sie im Vergleich zu einer „voll“-CPU (Pentium oder Athlon) 20 bis 40 Euro. Auch eine Single-Core-CPU kann sinnvoll sein. Wenn Sie einen Teil des am Prozessor eingesparten Geldes für ein zusätzliches Gigabyte RAM verwenden, gleichen Sie die etwas geringere Leistung eines Celeron oder Sempron mehr als aus.

Wenn Sie sich nur gelegentlich mit leistungshungrigen Spielen amüsieren, reicht Ihnen vermutlich eine Grafikkarte für etwa 70 Euro mit passiver Kühlung. Mit ein paar Einschränkungen (z. B. Abschalten von ein paar Schatten und Spezialeffekten) reicht diese notfalls auch für aktuelle 3D-Actionspiele, verursacht aber kein Lüftergeräusch und erzeugt nur wenig Wärme.

Achten Sie auf ein Netzteil mit großem 12 cm Lüfter. 350 W bis 400 W Leistung reichen auch für zukünftige Erweiterungen. Computernetzteile haben bei Teillast einen schlechten Wirkungsgrad, so dass ein allzu üppig dimensioniertes Netzteil vor allem Ihre Stromrechnung erhöht und mehr Verlustwärme erzeugt, wodurch das Lüftergeräusch ansteigt.

Wählen Sie eine Festplatte, die in Testberichten als leise eingeschätzt wird.

Wie steht es mit der Kühlung? Über und unter der Festplatte sollte ein Einschub frei sein. Ein Zusatzlüfter an der Gehäusevorderwand direkt vor der Festplatte kann nützlich sein. Dessen Luftstrom kommt auch anderen Komponenten zugute.

Die Festplattenhersteller haben in den letzten Jahren den Energiebedarf der Festplatten reduziert. Wenn Sie eine Festplatte mit „Eco“ in der Typbezeichnung gekauft haben, brauchen Sie keine Zusatzkühlung. Andernfalls ist eine Zusatzkühlung für die Festplatte ratsam. Ein Zusatzlüfter an der Gehäuserückwand würde bei der Kühlung der Festplatte fast gar nichts nützen, deshalb sollten Sie einen Festplattenlüfter direkt vor oder unter die Festplatte schrauben. Wenn Sie geräuschempfindlich sind, betreiben Sie diesen (aber nur diesen!!!) Lüfter mit 7 Volt statt mit 12 Volt, indem sie ihn zwischen die 5 V und 12 V schalten. Alternativ gibt es im Fachhandel entsprechende Adapter (etwa 2 bis 4 Euro), die einfach zwischen Lüfter und Stromanschluss gesteckt werden. Die verringerte Drehzahl reicht völlig aus, und der Lüfter wird praktisch unhörbar. Überprüfen Sie aber, ob der Lüfter mit der verringerten Spannung noch zuverlässig anläuft!

Eine weitere Möglichkeit sind Lüfter, die mit reduzierter Drehzahl von 500 oder 800 Umdrehungen laufen. Deren Geräuschpegel ist sehr gering.

Wählen Sie kein miniaturisiertes Gehäuse, Sie bezahlen dafür mit Hitzestaus und folglich mit verringerter Lebensdauer und höherem Lüftergeräusch. Quetschen Sie den PC nicht in ein Möbelstück und beachten Sie die Hinweise zur Aufstellung des PC. Bei einem normalgroßen Gehäuse können Sie oft auf einen zusätzlichen Gehäuselüfter verzichten.

Diese beschriebene Konfiguration erzeugt nur wenig Wärme, so dass drei Lüfter (CPU, Netzteil und Festplatte) ausreichen und nur wenig Geräusch entsteht.


Gebrauchte PC


Gebrauchte komplette PC

Der Kauf eines gebrauchten PC wird oft aus Gründen der Sparsamkeit erwogen. Man kann ein sehr gutes Preis-Leistungs-Verhältnis erreichen, aber die Risiken sind nicht gering. Die PC kommen oft nicht aus privatem Vorbesitz, zahlreiche Händler und Hinterhofwerkstätten verkaufen gebrauchte PC. Die Gefahr ist groß, einen irgendwie aus Aufrüstungs-Resten zusammengeschraubten Rechner oder ein Gerät mit versteckten Fehlern zu erwerben.

Beim üblichen „gekauft wie gesehen“ haben Sie keine Gewährleistung und keine Herstellergarantie, kein Schutz vor versteckten Fehlern, meist kein Betriebssystem, keine Dokumentation und keine Treiber. Das Fehlen von Treibern wäre ein Grund, den Kaufpreis herunterzuhandeln, denn die Suche nach Treibern kann aufwändig sein. Und wenn Sie keinen Treiber für die Netzwerkkarte haben, kommen Sie erst gar nicht ins Internet, um dort nach Treibern zu suchen.

  • Vereinbaren Sie mit dem Verkäufer, dass er für einen kleinen Aufpreis das von Ihnen gewünschte Betriebssystem installiert (dann muss er sich selbst um die Treiber kümmern).
  • Einen PC mit Windows 7 darauf sollten Sie keinesfalls kaufen. Die Gefahr ist groß, dass sich der PC nicht auf Windows 10 aufrüsten lässt, weil Treiber fehlen. Bestehen Sie darauf, dass der Verkäufer Windows 10 selbst installiert. Vielleicht hat er das schon versucht und ist dabei gescheitert.
  • Der Wertverlust bei PCs ist dramatisch, vor allem bei ehemals "preiswerten" Komplettsystemen. Als Faustformel kann man rechnen, dass ein PC pro Jahr die Hälfte seines Wertes verliert. Allerdings sehe ich zwei Ausnahmen:
    • Ein PC, der vor ein paar Jahren zu den höhenwertigen gezählt hatte, kann durchaus noch einige Jahre eine vernünftige Leistung bringen.
    • Bei einem PC mit einer Magnetfestplatte darin lässt sich diese preiswert durch eine SSD ersetzen, was einen enormen Gewinn an Geschwindigkeit bringt.
  • Führen Sie eine Sichtprüfung des PC-Innenlebens durch. Es muss sauber sein und insbesondere Kondensatoren dürfen nicht aufgebläht sein.
  • Bei einem Notebook brauchen Sie mit ziemlicher Sicherheit einen neuen Akku. Informieren Sie sich über dessen Preis.

Wenn Sie den PC bei Ebay kaufen, fallen nicht unerhebliche Versandkosten an. Falls der PC nicht richtig funktioniert und Sie ihn zurückschicken wollen, kann das durchaus 40 Euro kosten. Daher ist der Kauf eines selbst getesteten Systems aus unmittelbarer Umgebung vorzuziehen. Wer eine sehr hohe Rechenleistung benötigt, sollte nicht gebraucht kaufen, da man neu für nur 1000 Euro bereits in der Oberklasse ist, was vor 25 Jahren gerade für die Einsteigerklasse reichte. Wer nur anspruchslose Standardanwendungen nutzt, sollte die 300€-Billigstgeräte meiden und sich für einen Bruchteil ein besseren Gebrauchten holen.

Gebrauchte Komponenten

PC-Komponenten gehen oftmals nicht schlagartig kaputt. Oft sind Alterung und Mikroschäden die Ursache für eine allmählich zunehmende Anzahl von Problemen. Stellen Sie sich vor, Ihr PC - neu oder gebraucht - stürzt hin und wieder ab. Sie bringen ihn in eine Werkstatt oder zu einem Bekannten, der sich auskennt. Dort tritt der Fehler aber nicht oder viel zu selten auf. Ob Hauptplatine, CPU, RAM, Festplatte oder Netzteil schuld sind - wer weiß? Wenn es nicht gelingt, den Kunden abzuwimmeln, bleibt nur ein Austausch mehrerer Teile auf Verdacht. Oder dem Kunden wird die „Flucht nach vorn“ in Form einer Aufrüstung empfohlen.

Anschließend sitzt der Händler vor einem Häufchen Teile, von den wahrscheinlich möglicherweise eins defekt ist. Vielleicht war am PC des Kunden nur ein Treiber defekt und alle Teile sind völlig in Ordnung. Was tun mit den Teilen? Als Reklamation an den Großhändler schicken lohnt nicht, denn wenn der Großhändler in einem kurzen Test keinen Fehler findet, schickt er das Teil kostenpflichtig an den Fachhändler zurück. Also bleibt nur, es selbst zu testen. Wenn dabei kein Fehler zu finden ist, was glauben Sie, was mit den Teilen passiert? Sie werden gebraucht verkauft oder sogar als angeblich neuwertig in den nächsten PC eingebaut.

Eigenbau


Lohnt sich Eigenbau?

Selbstbau ist ein Hobby und kostet wie jedes Hobby viel Zeit und auch Geld.
Kauft man die Teile einzeln, hat man viel Lauferei und/oder Versandkosten. Funktioniert etwas nicht, haben Sie keinen Ansprechpartner, viele Händler werden die „Schuld“ auf die Komponenten schieben, die bei anderen Händlern gekauft wurden. Bei der enorm schnellen Weiterentwicklung kann es auch Fachleuten passieren, dass Komponenten nicht zueinander passen oder erstklassige Komponenten beim Zusammenwirken nicht die erwartete Leistung bringen. Der Händler hat einige Alternativen für Experimente im Regal, Sie nicht.

Muss ein Teil umgetauscht werden, hat man wieder Versandkosten und meist wochenlange Wartezeiten auf die Bearbeitung von Reklamationen. Während Sie auf das Ersatzteil warten, verlieren Ihre anderen Teile jede Woche an Wert und liegen ungenutzt herum.

Andererseits können Sie beim Selbstbau eines PCs, im Gegensatz zu Fertigangeboten, selbst auswählen, was Sie benötigen – also wofür Sie auch etwas bezahlen möchten. Heutige „Angebote“ enthalten oftmals viele unterschiedliche Komponenten, die nicht unbedingt nötig wären. Brauchen Sie beispielsweise wirklich eine TV-Karte, um auf Ihrem PC fernsehen zu können? Für jede möglicherweise entbehrliche Komponente müssen Treiber installiert werden. Durch Weglassen von Unnötigem gewinnen Sie Stabilität und Geschwindigkeit. Muss es eine der modernsten Grafikkarten für aufwendige Spiele sein, oder reicht für Ihre Büroarbeit auch das günstigere Modell vom letzten Jahr völlig aus? Sind Ihnen eine kabellose Maus und Tastatur so wichtig? All diese Dinge sind zwar für sich genommen Kleinigkeiten, zusammengenommen können Sie aber gerade hier schon bei der Montage bares Geld sparen.

Was man beachten sollte

Achten Sie immer darauf, dass Sie nicht elektrostatisch aufgeladen sind. Elektrostatische Energie kann Computer-Komponenten zerstören, da die Spannungen bei einer Entladung („Blitzen“) kurzzeitig sehr hoch sein können. „Erden“ Sie sich vor dem Um- oder Aufbau eines Computers deswegen unbedingt, indem Sie einen ins Erdreich führenden Metallleiter berühren; beispielsweise eine herkömmliche Heizung an einer nicht lackierten Stelle.

Eine der wichtigsten Regeln bei der Montage ist es weiterhin, keine mechanischen Spannungen zuzulassen und eine Durchbiegung der Hauptplatine oder der Steckkarten unbedingt zu vermeiden. Auch beim Anstecken von Kabeln darf sich die Platine nicht mal kurzzeitig verbiegen, sonst entstehen Haarrisse. Das Problem: Winzige Risse wirken wie Mini-Kondensatoren und verschlechtern die Qualität der elektrischen Signale, führen aber nicht immer zu einem Ausfall.

In modernen Hauptplatinen sind die Leiterbahnen in sechs bis acht Ebenen übereinander angeordnet und sehr schmal. Die Temperatur der Platine schwankt zwischen Raumtemperatur und 80 Grad, die Platine dehnt sich bei Erwärmung aus. Mikroskopische Haarrisse und Lötschäden vergrößern sich dadurch und führen nach Monaten und Jahren zu wachsenden Störungen.

Deshalb sollten Sie so vorsichtig und überlegt wie möglich vorgehen, um jegliche Schäden beim Montieren zu vermeiden.

Hinweise zum Einbau einzelner Komponenten finden Sie als Link in den einzelnen Kapiteln.

Reklamationen und Umtausch


Die meisten Probleme des Computers befinden sich zwischen Stuhl und Bildschirm. Dass die Hardware versagt, ist relativ selten. Etwa 70 bis 90 Prozent aller Reklamationen haben Software-Probleme als Ursache und sind deshalb keine Garantiefälle. Wohl aus diesem Grund sind zahlreiche (die meisten?) Elektronik-Großmärkte dazu übergegangen, bei zur Reparatur abgegebenen Geräten grundsätzlich die Festplatte einschließlich Ihrer Daten zu löschen! Bevor Sie ein Gerät zur Reparatur abgeben oder einsenden, informieren Sie sich genau über die Garantiebedingungen! Lassen Sie sich gegebenenfalls schriftlich zusichern, dass Ihre Daten erhalten bleiben, und/oder versehen Sie sicherheitshalber Ihren Computer mit einem unübersehbaren Aufkleber: „Achtung! Festplatte enthält wichtige Daten, die wegen Computerdefekt nicht gesichert werden konnten. Tel. xxxxxxx für Rücksprachen!“ Fotografieren Sie den PC mit diesem Aufkleber zu Beweiszwecken! Auch wenn die Reparatur in einem örtlichen Fachgeschäft erfolgen soll, ist ein solcher Aufkleber sinnvoll. Es sind schon Festplatten in Werkstätten gelöscht worden mit der Begründung „ich wusste nicht, dass Daten drauf sind“ (Mancher Kunde hat wirklich keine Daten drauf, weil die auf einem Server liegen, oder er hat sie vorher gesichert). Der Mitarbeiter, der im Laden den Reparaturauftrag annimmt, führt die Reparatur nur selten selbst aus. Wenn die Werkstatt voller Arbeit steht, hat der Techniker mehrere PC gleichzeitig in Arbeit: Während der eine PC gerade neu startet, läuft auf den zweiten eine Installation, auf den dritten PC läuft ein Update und der Techniker zerbricht sich vor dem vierten PC den Kopf. Dabei kommen Informationsverluste und Verwechslungen leider vor.

Kosten minimieren

Weil die meisten Computerprobleme auf Software-Probleme zurückzuführen sind, auf die es keine Garantie gibt, lohnt es sich, über Kostenreduzierung nachzudenken.

  1. Schreiben Sie den Wortlaut von Fehlermeldungen genau auf, auch wenn die Meldung englisch ist! Ausnahme: Wenn in der Meldung viele lange Zahlen vorkommen, sind meist nur die ersten beiden Zahlen wichtig.
  2. Notieren Sie alle Fehler und nicht nur den nervigsten. Gab es bereits früher Probleme?
  3. Notieren Sie, in welcher Reihenfolge Sie vorgegangen sind, bevor der Fehler auftritt! Ist der Fehler zuverlässig reproduzierbar?
  4. Eine Fehlersuche kann leicht einige Stunden dauern, wenn der Fehler nicht regelmäßig auftritt. Wenn Sie Pech haben, berechnet Ihnen der Händler fünf Stunden Fehlersuche mal 50 Euro pro Stunde. Wenn Sie Glück haben, schämt sich der Händler zuzugeben, dass er so lange für die Fehlerlokalisierung gebraucht hat, und berechnet Ihnen nur hundert Euro. Ihre qualifizierte Mitarbeit kann Ihnen eine Menge Geld sparen!
  5. Bringen Sie ihre Betriebssystem-CD mit Seriennummer, Installations-CD/DVD aller Programme und Treiber für alle Geräte mit, denn die Fehlersuche nimmt oft überraschende Wendungen.
  6. Ohne das BIOS-Passwort, das Benutzer- und Administratorpasswort ist eine Reparatur unmöglich. Die Liste Ihrer sonstigen Passwörter sollten Sie griffbereit haben. Passwörter sollte man zwar nur im Notfall weitergeben, aber eine Reparatur ist ein Notfall.
  7. Besuchen Sie Ihren Händler nicht ohne ein Blatt Papier mit folgenden Angaben:
    1. Ihren Namen (leserlich), Adresse, Telefon und Erreichbarkeit für Rückfragen (tagsüber von - bis und abends von - bis über welche Telefonnummer)
    2. Beschreibung Ihres Problems
    3. Was gemacht werden soll und was nicht gemacht werden soll
    4. Wie lange die Reparatur dauern darf. Sind Sie eventuell bereit, einen Expresszuschlag zu zahlen?
    5. Wie viel die Problemlösung höchstens kosten darf oder beim Überschreiten welcher voraussichtlichen Kosten Rücksprache zu nehmen ist.

Sonstiges

Wenn Sie eine schnelle Reparatur wünschen, sollten Sie den PC im Winter nicht auskühlen lassen (z. B. im Auto über Nacht). Wenn der kalte PC in einen warmen Raum gestellt wird, muss er mehrere Stunden akklimatisierten, sonst entsteht Kondenswasser auf den Platinen.

Wenn Sie die Hotline anrufen müssen, wird es teuer. Stiftung Warentest ermittelte Kosten von durchschnittlich sechs Euro pro Anruf[55]. Halten Sie die genaue Typenbezeichnung und die Seriennummer bereit, bevor Sie anrufen. Schalten Sie das defekte Gerät ein, soweit möglich. Die Fehlermeldung sollte auf dem Bildschirm stehen.


Umtausch

Viele hundert Hersteller weltweit entwickeln und produzieren Computerkomponenten. Es ist nicht ungewöhnlich, dass es beim Zusammenwirken mitunter zu Problemen kommt. Was kann man tun, wenn das neue, in Fachzeitschriften angepriesene Teil ausgerechnet in Ihrem Computer nicht arbeiten will? Muss der Händler es zurücknehmen?

Grundsätzlich gilt: Gekauft ist gekauft. Allerdings sind viele Händler bereit, unbeschädigte Ware aus Kulanz zurückzunehmen. Wenn die Rücknahme freiwillig geschieht, darf der Händler festlegen, zu welchen Bedingungen das geschieht. Wenn er Aufwendungen hat, die Ware in einen verkaufsfähigen Zustand zu bringen (z. B. Windows neu zu installieren) oder er die zurückgenommene Ware nur noch preisgesenkt als gebrauchte Ware weiterverkaufen kann, wird er Ihnen nicht den vollen Preis erstatten. Wenn Sie die Originalverpackung weggeworfen oder sichtbar beschädigt haben, vermindert das ebenfalls die Weiterverkaufsmöglichkeiten.

Allerdings gibt es eine Ausnahme. Wenn Sie als Computerlaie um eine Beratung bitten und der Fachhändler Sie falsch beraten hat, hat er die Folgen selbst zu vertreten. Wenn Sie jedoch einen fachkundigen Eindruck erwecken und, einen Testbericht schwenkend, ein ganz bestimmtes Teil verlangen, muss Ihnen der Händler keine Beratung aufzwingen und Sie tragen das Risiko selbst.

In einem Computergroßmarkt ist eine Beratung die Ausnahme. Zu behaupten, Sie wären falsch beraten worden, dürfte wenig glaubhaft sein. In kleinen Fachgeschäften ist die Beratung die Norm und die Behauptung, falsch beraten worden zu sein, ist etwas glaubhafter.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, solchen Problemen aus dem Weg zu gehen:

  • Lassen Sie sich auf der Rechnung oder in einem schriftlichen Angebot zusichern, dass das Teil die gewünschte Eigenschaft hat (z. B. dass es mit Windows 7 kompatibel ist).
  • Bringen Sie Ihren Computer in den Laden und lassen Sie das gekaufte Teil vom Händler einbauen.
  • Lassen Sie sich mindestens mündlich zusichern, dass ein Kulanzumtausch möglich ist. Probieren Sie zu Hause das gekaufte Teil sofort aus und bringen Sie es möglichst noch am gleichen Tag zurück, wenn Sie nicht zufrieden sind. Wenn sich der Verkäufer noch an das Gespräch mit Ihnen erinnern kann, ist es optimal für beide Seiten.

Warum altern Computer?


Welche Prozesse führen dazu, dass Computer altern?

Kondensatoren

Im Netzteil, auf der Hauptplatine, den Erweiterungskarten und anderen Komponenten sind insgesamt fünfzig bis hundert Elkos (Elektrolyt-Kondensatoren) verbaut, um die Betriebsspannungen zu glätten. Leider hat das Elektrolyt die Neigung auszutrocknen: Je wärmer es im Computer ist, umso schneller. Dadurch verringert sich die Fähigkeit der Elkos, Ladung zu speichern und die Spannung zu glätten.

Leider werden oftmals minderwertige Kondensatoren eingebaut, um die Platinen billiger zu machen. Dabei gehen manche Firmen durchaus selektiv vor: Auf Platinen für professionelle Computer werden die besseren Elkos eingebaut. Platinen für Spieler werden mit verwertbarem Schrott bestückt, weil Hardcore-Gamer ohnehin jedes Jahr einen neuen PC kaufen, wozu also eine Haltbarkeit von zwei Jahren vorsehen?

Verschärft wird die Lage durch die Unsitte, unterdimensionierte Elkos einzusetzen. Es wird empfohlen, Elkos nur mit der Hälfte ihrer zulässigen Maximalspannung zu betreiben[56][57].

Laut Spezifikation der Netzteile darf beispielsweise die 12-Volt-Spannung um 5% schwanken, also von 11,4 bis 12,6 Volt. Ein Elko mit einer zulässigen Höchstspannung von 12,6 Volt ist offensichtlich zu knapp dimensioniert, es gibt keine Sicherheitsreserve. Trotzdem werden solche Kondensatoren verbaut. Damit spart der Hersteller ein bis zwei Euro pro Hauptplatine.

Die Unsitte, minderwertige Kondensatoren zu verwenden, hat so weit um sich gegriffen, dass erste Hersteller in ihrer Werbung Garantien für die Lebensdauer der verwendeten Kondensatoren geben. Nebenstehend ein Ausschnitt von der Verkaufsverpackung einer Hauptplatine. Der Hersteller meint, dass jeder einzelne Elko mindestens 5000 Stunden durchhält. Das sind jedoch nur 625 Tage zu je acht Arbeitsstunden! Abgesehen davon dürfte es schwierig sein, bei einer defekten Hauptplatine nachzuweisen, dass einer von 50 bis 100 Elkos am Defekt schuld ist. Selbst wenn Sie mit bloßem Auge sehen können, dass ein Kondensator kaputt ist - weisen Sie mal dem Hersteller der Hauptplatine nach, dass nicht eine Überspannung aus dem Netzteil die Ursache des Schadens ist!

Wenn dieser Hersteller 5000 Stunden für einen so guten Wert hält, um damit zu werben - wie hoch ist dann wohl die durchschnittliche Lebenserwartung von Boards, die nicht beworben werden?

Die Lebensdauer von Kondensatoren hängt stark von der Temperatur ab. Ein Temperaturanstieg um 10°C halbiert die Lebensdauer, weitere 10°C halbieren sie noch einmal.

Mechanischer Verschleiß

Die Lager der Festplatte sind hoch beansprucht. Normalerweise halten sie einige Jahre durch. Hohe Temperaturen, Vibration und Erschütterungen können die Lebensdauer deutlich verringern.

Am schnellsten jedoch versagen die Lager der Lüfter. Der Staub verringert die Drehzahl der Lüfter. Beim Anlaufen hat der Lüftermotor den größten mechanischen Widerstand zu überwinden. Irgendwann schafft er es nach dem Einschalten nicht mehr, anzulaufen.

Elektromigration

Ränder eines Leiters, die durch Elektromigration „angefressen“ sind

Kleiner werdende Prozessorstrukturen führen zu neuen Problemen. Die Leiterbahnen im Inneren moderner CPUs und GPUs sind teilweise nur noch 15 bis 20 Atome dick. Die Magnetfelder um jeden Leiter herum, verbunden mit den hohen Temperaturen im Inneren des Chips, bewirken, dass vereinzelte Atome ihren Platz im Kristallgefüge verlassen, das nennt man „Elektromigration“. Wenn dadurch ein hauchdünner Leiterzug noch dünner wird, steigt sein elektrischer Widerstand. Es kann zu einem sich verstärkenden Effekt kommen: Je größer der Widerstand wird, desto mehr erwärmt sich der Leiter durch den Stromfluss. Die Abwanderung der Atome beschleunigt sich, bis der Leiterzug durchbrennt. [58]

Dieser Alterungseffekt tritt vor allem auf

  • bei den letzten Pentiums auf, die vor der Entwicklung der Dual-Core-Technologie produziert wurden (die aktuellen Dual-Core-CPUs werden nicht sehr warm, im Leerlauf ist ihre Temperatur nur drei bis fünf °C höher als die Temperatur der Hauptplatine).
  • wenn die Elektronik übertaktet wird,
  • in Notebooks mit deren steigendem Alter. Notebooks werden wegen ihrer kompakten Bauweise sehr warm. Die Kunden wünschen eine flache Bauweise, also ist kein Platz für Luftkanäle da. Ein kräftiger Lüfter könnte die Wärme heraus blasen, doch das würde viel Strom kosten. Der Akku ist das schwerste Teil eines Notebooks und die Kunden wünschen ein geringes Gewicht bei langer Akkulaufzeit. Also werden weiterhin Wegwerf-Notebooks gebaut.

Dreck und Hitze

Es ist manchmal kaum zu glauben, wie verdreckt ein PC nach einem Jahr oder schon nach einem halben aussehen kann. Staub und Fusseln setzen die Kühlrippen zu, besonders beim Prozessorkühler. Ein Desktop-Prozessor verwandelt 60 bis 140 Watt in Wärme. Können Sie sich im Zeitalter von Stromsparlampen noch daran erinnern, wie heiß eine 100-Watt-Glühlampe wird? Wenn der Lüfter keine Luft mehr durch den Kühler pressen kann, wohin geht dann die Wärme? Sie heizt die Hauptplatine auf. Die Elektrolytkondensatoren trocknen schneller aus, besonders in der Nähe der CPU. Die Elektromigration in der CPU wird verstärkt.

Nicht anders sieht es mit der Kühlung von Grafikkarten aus, besonders bei den teuren. Auch im Netzteil sammeln sich beachtliche Mengen Dreck.

Mikrorisse

Die Leiterzüge in den achtlagigen Leiterplatten sind sehr dünn und empfindlich. Wenn sich beim Bestücken der Hauptplatine mit Arbeitsspeicher und Flachbandkabeln die Hauptplatine durchbiegt, werden die Leiterzüge gedehnt und können einreißen. Nach dem Einschalten erwärmt sich die Hauptplatine und dehnt sich aus, wobei Trägermaterial, Leiterzüge und Bauelemente unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben. Nach dem Ausschalten des PC schrumpft sie wieder. Diese mechanische Belastung kann vorhandene Mikrorisse vergrößern.

Lötstellen

Lötstellen haben eine begrenzte Lebensdauer. Die Temperaturschwankungen zwischen aus- und eingeschaltetem Gerät führen wegen der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zur mechanischen Belastung der Lötstellen.

In einer Fachzeitschrift wurde deshalb sogar dazu geraten, den Computer nicht auszuschalten. Doch bis auf Sonderfälle (rund um die Uhr ständig gleichmäßig belastete Server) ist das ein schlechter Ratschlag. Zum einen hängt die Leistungsaufnahme eines PCs von der Belastung ab: Sobald der PC in den Ruhezustand geht, sinkt die Stromaufnahme auf einen geringfügigen Wert und die Temperatur sinkt fast auf den gleichen Wert wie bei einem ausgeschalteten Wert. Zweitens verkürzt sich die Lebensdauer anderer Komponenten, vor allem der Festplatten und Lüfter.

Die EU hat vor einiger Zeit die Verwendung von bleihaltigem Lötzinn verboten. Alternative bleifreie Lote sind von minderer Langzeitstabilität, wenn sie nicht 100% korrekt verarbeitet werden. Einen Vorgeschmack bietet die Ausfallrate bei der XBox 360, einer Spielkonsole von Microsoft. Der Temperaturunterschied zwischen ein- und ausgeschaltetem Gerät ist bei derart kleinen Computern besonders groß, was bei etwa einem Drittel aller Geräte das Lötzinn brüchig werden ließ[59].

Anders als die ungewollten Ausfälle bei Microsoft können Lötstellen auch bewusst auf eine gewisse Lebensdauer dimensioniert werden. Da Notebookreparaturen mangels Bauteilstandards fast nur beim Hersteller zu hohen Preisen durchgeführt werden können, ist eine Lötstelle mittlerer Qualität ein lukratives Unterfangen. Als „Serienfehler“ deklariert können sie nach Ablauf der vom Hersteller gewollten Lebensdauer des Geräts, nämlich des Garantiezeitraums, plötzlich gehäuft auftreten.

Lange Lagerung

Das Ergebnis zu großen Reststroms: Drei Kappen wurden abgesprengt

Durch einen Elko fließt ständig ein kleiner Verluststrom, „Reststrom“ genannt. Wenn Elkos längere Zeit spannungsfrei sind, finden im Inneren chemische Prozesse statt, die zur Vergrößerung des Reststroms führen. Normalerweise stört das nicht. Wird Spannung angelegt, regeneriert sich der Elko innerhalb einiger Stunden. Werden Elkos jedoch nach mehrmonatiger Lagerung unter Spannung gesetzt, fließt ein hoher Anfangsstrom, der fast an einem Kurzschluss heranreichen kann. Selbst wenn es nicht für einen Kurzschluss reicht, erwärmt sich der Elko stark durch den hohen Strom, das Elektrolyt verdunstet schneller und der Elko ist seinem Lebensende ein großes Stück nähergerückt [60]. Der kritische Zeitraum bei hochwertigen Elkos liegt bei zwei Jahren, aber die Hauptplatine ist vermutlich nicht mit hochwertigen Elkos bestückt. Gehen Sie sicherheitshalber davon aus, dass sechs Monate ohne Spannung gerade noch ungefährlich sind.

Was man dagegen tun kann? Schalten Sie einen ungenutzten PC jeden Monat oder jedes Quartal für einige Stunden ein. Sie brauchen dazu Tastatur, Maus und Bildschirm nicht anzuschließen. Lassen Sie den PC einige Stunden eingeschaltet und drücken Sie dann kurz auf die Power-On-Taste, dann fährt er herunter.

Falls Sie im Schrank eine alte Festplatte mit Daten haben, die Sie aufheben wollen, sollten Sie auch diese hin und wieder für einige Stunden an die Stromversorgung eines Computers anstecken. Ein Datenkabel braucht nicht angeschlossen zu werden, es genügt, wenn sich die Festplatte dreht.

Wollen Sie mehr über Alterung wissen?

Ist Ihnen eigentlich aufgefallen, wie vielfältig schädlich eine zu hohe Temperatur im PC ist?


Schlusswort


Ich finde den Fehler nicht, die Werkstatt auch nicht

Als junger Ingenieur arbeitete ich in einem Rechenzentrum. Eines Tages erschien ein Professor der Astronomie mit ein paar Lochkarten. Er behauptete, unser Großrechner, ein Serienmodell aus den USA, würde die darauf befindliche Gleitkommadivision völlig falsch ausführen. Leider hatte er recht.

Gleitkommazahlen nimmt man, um mit sehr großen und sehr kleinen Zahlen zu rechnen. Ein Beispiel für eine Gleitkommadivision: 1,496 × 1011 m (mittlere Entfernung Erde-Sonne) geteilt durch 2,99792458 × 108 m/s (Lichtgeschwindigkeit) ergibt 499 Sekunden = 8,31 Minuten (so lange braucht das Licht von der Sonne zur Erde).

Verdrahtungsseite von 3 Steckkarten der CPU.
Auf jeder Steckkarte befanden sich etwa fünf Transistoren plus Dioden, Widerstände und Kondensatoren. Jeweils 40 Steckkarten nebeneinander und davon 25 Reihen passten in einen Gestellrahmen von 200 × 80 cm. Acht solche Rahmen bildeten die CPU. In Ihr Wohnzimmer hätte diese CPU von 1971 nicht gepasst.

Der Großrechner arbeitete mit 48 Bit Genauigkeit und war − für die damalige Zeit − fast ein Superrechner. Jeden Morgen absolvierte er ein umfassendes Prüfprogramm. Und doch rechnete er falsch. Was war da kaputt gegangen?

Alle, die imstande waren, eine Gleitkommadivision mit 48-stelligen Dualzahlen Bit für Bit nachzurechnen, wurden zusammengetrommelt. Auf riesigen Blättern und Tapetenrollen rechneten wir nach. Der Großrechner führte endlos nur noch diese eine Division durch. Zwei Kollegen fuhren in der CPU mit dem Oszilloskop umher, um nachzuprüfen, an welcher Stelle Theorie und Praxis nicht mehr übereinstimmten.

Am nächsten Tag hatten wir das Problem gefunden: Der Rechner war nicht kaputt gegangen, sondern er und alle Rechner der Serie waren schon defekt ausgeliefert worden. Auf irgend einer Etappe des Entwurfs hatten die Konstrukteure etwas umgebaut und dabei vergessen, einen überflüssig gewordenen Draht aus den Fertigungsunterlagen zu streichen. Wir mussten „nur“ den überzähligen Draht aus der Zentraleinheit herausschneiden, und schon rechnete der Computer richtig.

Der Computer hatte nicht nur diese eine Division falsch gerechnet. Es gab unendlich viele Zahlenkombinationen, deren Division schon immer ein falsches Ergebnis geliefert hatte. Nur hatte es noch niemand bemerkt.

Natürlich haben wir uns gefragt, warum die Konstrukteure den Computer vor der Auslieferung nicht vollständig getestet hatten, mussten aber einsehen, dass sie das nicht gekonnt hatten.

Stellen Sie sich vor, Sie wollen Ihren PC allumfassend testen. Sie beginnen mit der Addition: 1+1, 1+2, 1+3, 1+4, ... bis 1+264. Dann 2+1, 2+2, 2+3 usw. bis 2+264. Insgesamt sind das 264 × 264 = 2128 Additionen. Nehmen wir an, Ihr PC läuft mit 3 GHz Takt und bewältigt drei Milliarden Additionen pro Sekunde, dann braucht er 1,134 × 1029 Sekunden oder 3,596 ×1021 Jahre. Sie können sich eine so lange Zeit nicht vorstellen? Ich auch nicht. Teilen wir die Jahre durch das Alter des Universums: 13,75 Milliarden Jahre sind seit dem Urknall vergangen. Der vollständige Test der Addition würde also 261 582 619 898 mal so lange dauern wie das Alter des Universums.

Und das war nur die Addition. Sorgfältige Konstrukteure würden noch die Subtraktion, Multiplikation und Division überprüfen und die komplexeren Funktionen wie Kehrwert, Wurzel, Potenz, Logarithmus, Sinus, Tangens ... Also halten Sie bitte weder sich noch die Techniker vom Computerservice für Idioten, wenn sie einen Fehler nicht finden können.

Auch in der Hardware Ihres PC stecken Fehler, die noch niemand gefunden hat. Aber deshalb brauchen Sie Ihren PC nicht wegwerfen. Sie selbst machen − ohne Sie beleidigen zu wollen − viel mehr Fehler als Ihr PC. Ob Jumbojet, Spaceshuttle oder Atomkraftwerk − sie werden von Menschen gebaut, die manchmal Fehler machen. Und wenn der PC ein merkwürdiges Ergebnis ausrechnet, denken Sie nie „weil es der Computer berechnet hat, muss es richtig sein“. Bleiben Sie kritisch. Benutzen Sie Ihren „gesunden Menschenverstand“.

Glossar


Diese Liste stellt eine kurze Übersicht über wichtige Fachbegriffe dar.

Inhaltsverzeichnis: A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z

3,5" Festplatten

Standard-Festplatte mit einem Scheibendurchmesser von 3,5 Zoll = 89 mm. Daraus ergeben sich Gehäusemaße von etwa 10 cm Breite, 14,5 cm Länge und 2,5 cm Höhe. In Notebooks werden kleinere Festplatten mit 2,5" und 1,8" Breite verwendet. Bild

8-Bit-Prozessor

Ein 8-Bit-Prozessor kann Zahlen aus 8 Bit, also Zahlen von Null bis 255 (2 8) in einem Rechenschritt verarbeiten. Das in der Schule gelernte „kleine Einmaleins“ geht bis 100, bei einer 8-Bit-CPU bis 255. Rechnungen mit größeren Zahlen muss der Computer nach den gleichen Rechenregeln in einfachere Rechenschritte zerlegen wie wir. Bild

64-Bit-Prozessor

16-Bit-CPUs verarbeiten Zahlen bis 65.535 (2 16) in einem Schritt, 32-Bit-CPUs verarbeiten Zahlen bis 2 32, also etwa vier Milliarden, in einem Rechenschritt. 64-Bit-CPUs schaffen das mit Zahlen bis 2 64, also etwa 18 Trillionen (18 Milliarden Milliarden). Eine Multiplikation wie beispielsweise 72 057 594 037 927 936 x 122 = 8 791 026 472 627 208 192 gehört für eine 64-Bit-CPU noch zum „kleinen Einmaleins“.

A

abgesicherter Modus

Eine funktionell eingeschränkte Betriebsart. Nur die allernotwendigsten Treiber werden geladen, wodurch nach schweren Abstürzen oder Installationsfehlern auch ein beschädigtes Windows oft noch starten kann.

AC97

Ein Verfahren, den Sound mit der CPU zu berechnen, um auf eine Soundkarte verzichten zu können.

Access Control List

Eine Liste im Dateisystem NTFS mit den Zugangsberechtigungen der Benutzer.

Access Point

Basisstation für ein WLAN, z. B. der DSL-Router.

Account

Account (deutsch: Nutzerkonto) ist eine Zugangsberechtigung zu Computerdaten oder zu einem Internetdienst, z. B. zu einem Shop, einem E-Mail-Dienst oder einer Webseite. Für die Anmeldung brauchen Sie einen Benutzernamen (z. B. Ihre E-Mail-Adresse) und ein Passwort.

ACPI

Advanced Configuration and Power Interface ist seit 1996 die Weiterentwicklung von APM mit verbesserten Stromsparfunktionen.

Add-On

von engl. add = hinzufügen, on = auf, sinngemäß "Erweiterungspaket". Es erweitert ein Programm um neue Funktionen, z. B. gibt es für Spiele neue Figuren und Scenen oder den Mehrspielermodus als Add-Ons.

Administrator

der Systemverwalter in Windows-Betriebssystemen, der Benutzer mit den umfangreichsten Rechten. In Linux-Systemen wird der Systemverwalter als „Root“ bezeichnet.

Adobe Flash Player

Software-Komponente, um Filme oder Animationen auf Webseiten darzustellen. Flash kann auch Eingaben über Maus, Tastatur, Mikrofon und Kamera verarbeiten.

Adobe Reader

Lese-/Betrachterprogramm für die weitverbreiteten PDF-Dokumente.

ADSL

Asymetric Digital Subscriber Line: Ein schnelles Datenübertragungsverfahren über Standard-Kupfertelefonkabel. Der Datentransport erfolgt in beide Richtungen unterschiedlich schnell.

Adwords

ein Angebot von Google, Anzeigen zu schalten, die genau zu den Suchanfragen der Nutzer passen. Der Inserent zahlt für die Klicks, die von den Interessenten ausgeführt werden.

AES

Advanced Encryption Standard: Ein Standard für symmetrischer Verschlüsselung von Datenblöcken mit Schlüssellängen von 128, 192 oder 256 Bit, Nachfolger von DES und 3DES.

AFR

Annualized Failure Rate: die jährliche Ausfallrate einer Festplatte. Sie gibt an, wie viel Prozent der Festplatten innerhalb des ersten Jahres ausfallen. Der Wert sollte deutlich unter einem Prozent liegen.

AGP

Advanced Graphic Port: Eine schnelle Schnittstelle für Grafikkarten, Nachfolger des PCI-Interfaces. Ist veraltet. Neue PC benutzen PCI-Express, vor allem für Grafikkarten.

AHCI

Advanced Host Controller Interface: Neuerer Standard für den Festplattenzugriff. Ermöglicht es der Festplatte, eintreffende Lese- und Schreibanforderungen in geänderter, optimierter Reihenfolge abzuarbeiten.

Aktivierung

Übermittlung der Seriennummer an den Software-Hersteller zwecks Bestätigung der Lizenz.

Algorithmus

Eine endliche Folge von Befehlen, die mit absoluter Sicherheit zum Ziel führt.

Alias

Ein leicht zu merkender Stellvertreter für eine schwer zu merkende Zeichenfolge. Beispiel: „Schulze@t-online.de“ statt „315796343762@t-online.de“. „Schulze“ dient hier als Alias.

AMD

Bedeutender Hersteller von hochwertigen Halbleitern, vor allem von Prozessoren.

Analog

Eine Größe, die beliebig viele Zwischenwerte haben kann. Das Gegenteil ist „Digital“.

Android

Ein auf Linux basierendes Betriebssystem, das auf den meisten Smartphones, Mobiltelefonen, Netbooks und Tablet-Computern installiert ist. Es wird von der „Open Handset Alliance“ weiterentwickelt, deren Hauptmitglied Google ist.

Anschluss

Steckverbinder für zusätzliche Baugruppen. Fast alle Steckverbinder haben eine andere Form, so dass es nicht zu Verwechslungen und Schäden kommen kann.

ANSI

Amerikanisches Nationales Standardisierungs Institut: Normungsinstitut der USA, das die gleiche Aufgabe wie das Deutsche Institut für Normung e.V. (DIN) hat.

ANSI-Zeichensatz

Bezeichnung für einen Zeichensatz mit 256 Zeichen. Die ersten 127 Zeichen stimmen mit dem ASCII-Zeichensatz überein. Der Nachfolger ist Unicode.

Anwendungsprogramm

Ein Programm, das eine für den Anwender nützliche Tätigkeit verrichtet.

APM

Das Advanced Power Management“ ist ein Standard für Energiesparmethoden aus den 1990er Jahren. Das BIOS entscheidet je nach Art und Dauer der Inaktivität darüber, welche Komponenten abgeschaltet oder in den Energiesparmodus versetzt werden können. Zwischen einem normalen Betrieb (Aktivitätsmodus „S1“) und Ausgeschaltet („Soft-Off“,x Aktivitätsmodus „S5“) gibt es weitere drei Aktivitätsstufen. APM wurde weitgehend durch ACPI abgelöst.

Apple

Führender Hersteller von Smartphones und Tablets

Arbeitsspeicher (Memory)

Kurzzeitspeicher aus DRAM-Chips für Zwischenspeicherung von Daten und Programmen, meist 4 – 16 GB, in Servern teils deutlich mehr! Verliert die gespeicherten Daten bei Stromausfall.

ASCII

American Standard Code for Information Interchange: weitverbreitete Zeichencodetabelle. Nachfolger: ANSI

ASP

Active Server Pages, Aktive Serverseiten. Ein Verfahren, mit dem ein Server die Webseiten erst auf Anforderung generiert. In diesen HTML-Seiten können dann beispielsweise die Ergebnisse von Datenbankanfragen enthalten sein.

Assembler

Elementare, prozessorspezifische Programmiersprache.

Assistent

Hilfsprogramm, das bei der Konfigurierung von Anwendungen unterstützt.

ATA

Standard für Massenspeicher-Schnittstellen (Festplatte, DVD u.a.)

Athlon

Markenname für die Prozessoren des Herstellers AMD. Siehe auch  Athlon.

ATI

bedeutender Hersteller von Grafikprozessoren (GPU), wurde von AMD übernommen.

Attachement

Anhang, meist ist der Dateianhang an einer E-Mail gemeint.

ATX

Aktueller Formfaktor für PCs, vor allem für Gehäuse, Platinen und Netzteile.

ATX12V

vierpoliger Stecker für die Stromversorgung der CPU mit 12 Volt. Bild

ATX12V 4+4

vierpoliger Stecker für die Stromversorgung der CPU mit vier Zusatz-Pins, die zusammen als EPS12V Anschluss dienen. Bild

Auflösung

Anzahl der Bild- oder Druckpunkte in waagerechter und senkrechter Richtung auf Bildschirm oder Drucker.

Auslagerungsdatei

engl.: swapfile. Bereich der Festplatte für die kurzzeitige Zwischenlagerung von momentan nicht benötigten Daten und Programmen.

Authentifizierung

Echtheitsbestätigung, Kontrolle der Identität, typischerweise mit Name und Kennwort.

Authentizität

So nennt man bei einer verschlüsselten Übermittlung die Gewissheit, dass eine Nachricht, die von XXX zu kommen scheint, tatsächlich von XXX ist.

B

Backbone

besonders leistungsfähige Netzwerkverbindungen, die das „Rückgrat“ einer Firma bilden.

Ball bearing

Kugellager-Lagerung

Bandbreite

Ein Maß für die Übertragungsleistung eines Datenkanals. In der Computertechnik wird sie in Bit pro Sekunde angegeben, in der Kommunikationstechnik in Baud (was etwa dasselbe ist).

Beacon

von einer WLAN-Basisstation regelmäßig ausgesandtes Synchronisationssignal.

Befehlssatz

Die Menge aller Maschinensprachebefehle einer CPU.

Benchmark

Testprogramm zum Messen und Vergleichen der Leistung von Computern.

Bereitschaftsspannung

Eine Spannung von 5 Volt, mit der es Maus, Tastatur, Netzwerkkarte und Netztaster möglich wird, den „ausgeschalteten“ PC aufzuwecken.

Betatester

Kunde, der ein unausgereiftes Produkt gekauft hat und es unter Nutzung von Fachzeitschriften, Internet und Hotline mühsam in einen brauchbaren Zustand bringen muss.

Betriebssystem

Eine aufwändige Software, welche die grundlegende Steuerung des PC, die Verwaltung seiner Ressourcen und das Management der Anwendungen übernimmt.

Big-Tower-Gehäuse

Großes Computergehäuse, 50 cm hoch oder mehr.

Bildtrommel

Lichtempfindliche Trommel eines Laserdruckers, meist mit Selen beschichtet.

Bildwiederholspeicher

RAM der Grafikkarte, der für jeden Bildpunkt Farbe und Helligkeit speichert. Siehe BWS.

Binärsystem

auch: Dualsystem. Zahlensystem mit zwei Ziffern: 0 und 1

Bit

Als Bit (Wortkreuzung von engl.: binary digit; dt.: Binärziffer) wird eine Stelle einer Binärzahl bezeichnet. Ein Bit ist die kleinste binäre Informationseinheit und kann die Ziffern (Werte) „0“ oder „1“ darstellen.

BIOS

Basic Input/Output System. Das fest eingebaute Programm, welches die ersten Befehle enthält, die der Prozessor nach dem Einschalten auszuführen hat. Außerdem sind einige grundlegende Hilfsprogramme eingebaut. Die Weiterentwicklung dieses rudimentären Systems ist das  UEFI (Unified Extensible Firmware Interface).

BIOS-ROM

Festwertspeicher, der das BIOS-Programm enthält.

Blauer Engel

Das älteste Umweltlogo der Welt kennzeichnet seit 1978 ökologisch vorteilhafte Produkte. Er wird von einer Jury aus Vertretern von Umweltbundesamt, Bundesumweltministerium, Verbraucherverbänden, Gewerkschaften, Wissenschaft, Medien u. a. vergeben.

Blu-ray

Optischer Datenträger mit einer Kapazität von 25 GB oder mehr.

Bluescreen

Fehlermeldung des PC in weißer Schrift auf blauem Hintergrund nach einem Absturz.

Bluetooth

Funkverfahren mit geringer Sendeleistung für den Nahbereich.

Booten

Vorgang des „Hochfahrens“ nach dem Einschalten des Computers, bei dem die Hardware erkannt und das Betriebssystem in den Arbeitsspeicher geladen wird.

Branch Prediction

Teil der CPU, der den weiteren Programmablauf vorherzusagen versucht.

BrightView

Eine der Bezeichnungen für Bildschirme mit hochglänzender Oberfläche

BTX

„Balanced Technology eXtended), ein veralteter Gehäuse-Formfaktor

Buffer-Underrun

nennt man es, wenn es beim Brennen zu Stockungen im Datennachschub kommt. Bei früheren Brennern wurde der CD/DVD/BD-Rohling unbrauchbar. Moderne Brenner können kurze Unterbrechungen tolerieren.

Bulldozer

Markenname für eine Prozessorgeneration von AMD. Bild

Bus

Verbindungssystem zwischen den PC-Komponenten, bestehend aus Daten-, Adress- und Steuerleitungen.

BWS

Der „BildWiederholSpeicher“ ist derjenige Teil des Speichers der Grafikkarte, in dem ein Abbild des aktuellen Bildschirminhalts gespeichert ist.

Byte

Maßeinheit für digitale Daten, besteht aus 8 Bit.

C

Cache

Zwischenspeicher: schneller Halbleiterspeicher zur Beschleunigung eines langsameren Speichers.

CAD

CAD = Computer Aided Design = Design-Entwurf am Computer. Mit einem solchen Programm kann man Werkstücke und Autos entwickeln, und auch eine Küche dreidimensional planen.

Celeron

Bezeichnung der Herstellers Intel für CPUs mit halbiertem Cache.

Chip oder Schaltkreis

Hochintegrierte Schaltung in einem kleinen Plast- oder Keramikgehäuse.

Chipsatz

Eine Gruppe von hochintegrierten Schaltkreisen auf der Hauptplatine, welche den Datenverkehr zwischen dem Prozessor, den anderen Hauptbaugruppen und den Anschlüssen steuert.

Cinch

 Cinch ist eine umgangssprachliche Bezeichnung für genormte Steckverbinder, vorzugsweise mit abgeschirmten Leitung bzw. Koaxialkabeln. Die drei Stecker einer Component-Video-Verbindung

Client

PC in einem Netzwerk, der Dienste anderer Computer in Anspruch nimmt.

Cluster

Zusammenfassung mehrerer Sektoren der Festplatte zu einer Verwaltungseinheit.

CMOS-RAM

Extrem stromsparender RAM, in dem das BIOS Konfigurationseinstellungen speichert. Dabei steht CMOS für Complementary metal-oxide-semiconductor.

Compiler

Computerprogramm, das die Anweisungen einer Programmiersprache in Maschinensprache übersetzt. Er unterscheidet sich grundlegend vom Interpreter. Der Interpreter liest Code zeilenweise, wohingegen der Compiler das gesamte Script kompiliert und z.B. als auszuführende Datei auf dem Computer speichert.

Convertible

Bezeichnung für ein Notebook, das durch Umklappen des Deckels in ein Tablet verwandelt werden kann.

Core Duo

Bezeichnung für eine Intel-CPU mit zwei Kernen. Siehe „Multikernprozessor“.

Core Quad

Bezeichnung für eine Intel-CPU mit vier Kernen. Siehe „Multikernprozessor“.

CPU

Central Processor Unit, Hauptprozessor: oberste Steuerungs- und Recheneinheit des Computers.

Crossfire

eine Technologie von AMD bzw. ATI, um die Grafikberechnungen auf zwei Grafikkarten aufzuteilen.

Crossover-Kabel

Bezeichnung für ein Kabel für die Direktverbindung zwischen Computern, an dem die Eingangs- und Ausgangssignale vertauscht sind.

CUDA

eine von NVIDIA entwickelte Technologie, einen Teil der CPU-Arbeit auf den Grafikprozessor zu verlagern.

D

DDR-RAM

Das sind die gegenwärtig in PC verwendeten Speicherbausteine. DDR (von engl.: double data rate) steht für Doppelte Daten-Rate: Die RAM-Vorgängergeneration „SD-RAM“ konnte einmal pro Takt Daten liefern, DDR-RAM können zweimal pro Takt und häufiger Daten lesen bzw. schreiben.

Defragmentierung

Daten werden weder auf der HDD- noch auf der SSD-Festplatte zusammenhängend gespeichert, sondern zumeist Sektor-unabhängig verteilt. Dieses Muster entspricht der Fragmentierung. Durch ein Defragmentierungsprogramm, können die Daten sinnvoll und zusammenhängend angeordnet (defragmentiert) werden, wodurch ein PC mit Magnetfestplatteum einige wenige Prozente schneller werden kann. Dies gilt insesondere für den Datenzugriff ausgehend von HDDs - bei SSD spielt dieser Vorgang keine Rolle mehr! Einige moderne Dateisysteme achten bereits beim Speichern auf eine sinnvollere Verteilung der Daten und brauchen daher selten eine manuelle Defragmentierung - meist geschieht dies im Hintergrund und wird vom OS verwaltet.

Desktop-PC

Bezeichnung für einen nicht-mobilen PC, der auf oder unter dem Tisch (Desktop) seinen Platz hat.

DHCP

Dynamic Host Configuration Protokoll: ein Verfahren, um PCs und Netzwerkgeräten eine geeignete IP-Adresse aus einem Nummernkontingent automatisch zuzuteilen.

Digital

bezeichnet eine Größe, die nur genau definierte Werte annehmen kann. Zwischenwerte müssen auf den nächsten Zahlenwert gerundet werden. Das Gegenteil ist „Analog“.

Direct-LED

Hintergrundbeleuchtung von Flachbildschirmen mit mehreren LED.

DirectX

Schnittstelle von Windows zu den Treibern der Grafikkarte.

Diskette

Veralteter magnetischer Massenspeicher mit 1,4 MByte Kapazität.

DisplayPort

Schnittstelle zum Anschließen von Ausgabegeräten - vor allem von Bildschirmen.

Dockingstation

wird verwendet, um tragbare Geräte mit geringem Aufwand mit dem Netzwerk, der Energieversorgung und externen Geräten zu verbinden, z. B. Tastatur, Maus, Zweitbildschirm, Lautsprecher usw.

DOS

Das ist die Abkürzung von Disk Operation System, deutsch etwa „Disk-Betriebssystem“, wobei Disk sowohl für Hard-Disk (Festplatte) als auch für Floppy-Disk (Diskette) steht. Dieses Betriebssystem wurde in den achziger Jahren von den Firmen Microsoft (MS-DOS) und Digital Research (DR-DOS) angeboten. DOS funktionierte ohne Maus, ohne Farben und ohne Grafik (hinderte aber die Anwendungen nicht, das alles zu benutzen).

Dotierung

Hinzufügen von winzigsten Spuren eines Stoffes zu einem anderen hochreinen Material, um dessen Eigenschaften zu ändern. In der Regel kommt ein „Fremdatom“ auf viele Milliarden Siliziumatome.

Übertragungskanal vom Internet zum PC oder – allgemeiner formuliert – vom Provider zum Kunden, z. B. zu einem Mobilfunkgerät.

Download

Datenübertragung vom Internet zum PC (eingehende Daten). Gegenrichtung: Upload.

DPI

Dot Per Inch (Pixel pro Zoll), Maßeinheit für die Auflösung von Druckern und Bildschirmen.

DRAM

Dynamischer RAM, wird als Arbeitsspeicher verwendet.

Dual Channel

Verfahren zur Geschwindigkeitssteigerung, indem zwei Speichermodule abwechselnd, zeitlich überlappend angesprochen werden. Ein neuer Standard ist der Quad-Channel, wobei der Arbeitsspeicher im Vierkanalverfahren von dem Prozessor angesprochen werden kann!

DSC

Display Stream Compression: Verlustfreie Komprimierungsmethode für hochaufgelöste Bildsignale.

Dualsystem

auch: Binärsystem. Zahlensystem mit zwei Ziffern: 0 und 1

Dual-BIOS

Auf dem Mainboard integrierte Sicherheitskopie vom BIOS, die bei Fehlern im BIOS einspringt.

Duron

Bezeichnung der Herstellers AMD für CPUs mit halbiertem Cache, die bis 2004 hergestellt wurden. Nachfolger im unteren Leistungssegment ist der Sempron.

DVB-T

Digital Video Broadcasting Terrestrial, deutsch: Digitales erdgebundenes Antennenfernsehen. Fernsehnorm, sogenanntes „Überallfernsehen“. Wird 2016 bis 2019 durch das (nicht kompatible) DVB-T2 HD abgelöst. Der Empfang von öffentlich-rechtlichen Sendern ist kostenlos.

DVD

Digital Versatile Disc, deutsch: digitale vielseitige Disk. Datenträger mit 4,7 GB oder mehr Kapazität.

DVD-RAM

Besonders langlebige vielmals beschreibbare DVD, die wie eine Festplatte beschrieben werden kann. Das wird - im Vergleich zur herkömmlichen DVD - durch eine veränderte Beschichtungs- bzw. Bedampfungsmethodik des optischen Datenträgermaterials realisiert.

DVI

Digital Visual Interface: eine digitale Verbindung zwischen Grafikkarte und moderneren Flachbildschirmen, die zunehmend durch modernere Schnittstellen (HDMI, Displayport, Thunderbolt) abgelöst wird.

E

ECC-RAM

RAM mit Error Correction Code kann einzelne Bitfehler automatisch korrigieren.

EDGE

Enhanced Data Rates for GSM Evolution: Standard zur Beschleunigung von GSM. Auch: Browser von Microsoft.

EEPROM

Elektrisch löschbarer und beschreibbarer ROM, wird zum Speichern des BIOS verwendet.

Eingabeaufforderung

Blinkender Kursor in schwarzem Fenster, der auf das Eintippen eines Kommandozeilenbefehls wartet.

Elektrosmog

Umgangssprachliche Bezeichnung für den Umstand, dass ständig elektromagnetische Wellen (Mobilfunknetze, WLAN, Mikrowellen, 240V-Netz) auf uns einwirken. Auch bei Einhaltung aller gesetzlichen Grenzwerte ist es möglich, dass das Zusammenwirken aller Strahlungsarten zu Schädigungen führen könnte.

Elko

Elektrolyt-Kondensator, elektronisches Bauteil zum Speichern und der Abgabe von Energie.

Embedded Computer

Spezialisierte und zumeist energieeffiziente Kleincomputer in Navis, Handys, MP3-Playern, Waschmaschinen usw. Diese Systeme werden ab Werk i.d.R. nur für einen bestimmten Zweck programmiert und müssen z.T. starken Umwelteinflüssen widerstehen.

EPROM

Löschbarer und erneut beschreibbarer Festwertspeicher.

Erdung

Elektrische Geräte mit einem Metallgehäuse müssen über den Schutzkontakt des Steckers geerdet sein, damit bei einem Schaden an der Stromversorgung das Gehäuse nicht unter Spannung steht. Durch Berühren dieses Schutzkontaktes, des über Schutzkontakt geerdeten Gehäuses oder eines Heizungsrohrs kann man elektrostatische Ladungen (ESD) ableiten, die bei Arbeiten im Computer zu Schäden führen könnten.

eSATA, auch e-SATA

Extern SATA: nach außen geführter, abgeschirmter SATA-Anschluss.

ESD

Elektrostatische Entladung (engl. electrostatic discharge) ist ein Funke oder Stromstoß, der elektronische Komponenten zerstören kann. Ursache ist meist eine Aufladung durch Reibung. Beim Laufen über einen Teppichboden kann ein Mensch bis auf 30 000 Volt aufgeladen werden.

Ethernet

Übertragungsstandard für Netzwerke.

Even

deutsch: gerade. Meist bei der Angabe der Parität und im Druckertreiber („Even Pages = gerade Seiten) verwendet. Gegenteil: Odd = ungerade.

F

Farbtiefe

Anzahl der möglichen Farben für einen Bildpunkt.

Farbtripel

Eine Gruppe von drei Farbpunkten (rot, grün und blau) auf dem Bildschirm. Das Auge verschmilzt die Farbpunkte wegen ihrer Kleinheit zu einem einzigen Farbeindruck.

Fernsehkarte

Erweiterungsbaugruppe (meist Steckkarte), die den Fernsehempfang auf dem Computermonitor und das Mitschneiden von Sendungen ermöglicht.

Festplatte

Massenspeicher. Die klassische Festplatte (HDD) enthält schnell drehende Metallscheiben in einem hermetischen Gehäuse. Die Scheibenoberfläche ist mit einem Material beschichtet, in dem durch Magnetisieren gewaltige Informationsmengen gespeichert werden. Siehe auch  Festplatte. Wird allmählich durch SSD abgelöst, die aus Flash-Speichern bestehen.

Festplattenaktivitätsanzeige

Ein meist rotes Lämpchen an der Vorderfront des PC, das beim Zugriff auf die Festplatte flackert. Die Diodenaktivität (An/Aus-Zustand) wird über das Ansprechen eines Anschlusses, der mit der Diode über ein Schwachstromkabel verbrückt ist, von einem Controller (bzw. einem IC) der Hauptplatine realisiert.

FireWire

auch als iLink oder IEEE1394 bezeichnet, ist ein Datenübertragungssystem ähnlich USB (aber veraltet!).

Firmware

bezogen auf Computer handelt es sich um die BIOS/UEFI-Software.

Flash-ROM

mit relativ hoher Geschwindigkeit wiederbeschreibbarer nichtflüchtiger Speicher.

Flatrate

Bezeichnung für einen Tarif, der nicht von der übertragenen Datenmenge oder der Dauer der Verbindung abhängt.

Front Side Bus

Eine Bezeichnung für die schnellsten Datenwege im PC, die von der CPU zum RAM und zum Chipsatz führen (mittlerweile in dieser Bezeichnung obsolet).

Full-HD

Bezeichnung für die High-Density-Auflösung von 1920 × 1080 Pixeln. "Nachfolger": WQHD, 4K, 8K etc.

Full-Speed

Höhere Geschwindigkeit von USB 2.0 (12 Mbit/s). Zum Vergleich: High Speed 480 Mbit/s, Low Speed 1,5 Mbit/s.

G

Gamer

Meist ein junger Mensch, der viel Zeit damit verbringt, an einem hochgerüsteten Computer-Boliden in anspruchsvollen Spielen (meist 3D-Actionspiele) den Sieg gegen den Computer oder (über das Internet und auf LAN-Partys) gegen Gleichgesinnte zu erringen. Andere Bezeichnung: Zocker oder einfach nur Spieler. Zuweilen werden Profi-Spieler in bestimmten Spielen sehr gut bezahlt (viele tausend Euro/Monat [inkl. Werbeverträge]) und bereisen - als Team - die ganze Welt.

GDI-Drucker

Drucker mit minimierter Elektronik, dessen Bildaufbereitung im PC geschieht.

Gigabit-Ethernet

Netzwerkprotokoll mit einer theoretischen Übertragungsrate von 1 Milliarde Bit pro Sekunde.

Gleitkomma

In der Wissenschaft gebräuchliche Zahlenschreibweise, mit der auch sehr große und kleine Zahlen dargestellt werden können, z. B. 3 × 108 m/s = 300 000 000 m/s = Lichtgeschwindigkeit.

GPU

Die Graphics Processor Unit ist der Prozessorchip auf der Grafikkarte. Die GPU übernimmt rechenintensive Aufgaben der 2D- und 3D-Computergrafik und entlastet damit den Hauptprozessor, die CPU. Moderne GPUs haben eine mit der CPU vergleichbare Rechenleistung.

Grafikkarte

Diese Steckkarte wandelt die vom Computer kommenden Signale in eine Form um, die vom Bildschirm dargestellt werden kann.

GUI

Grafisches User Interface, deutsch: Grafische Bedienoberfläche.

GSM

Global System for Mobile Communication: Mobilfunk-Standard für Sprache, SMS und Daten.

H

Hauptplatine

Größte Leiterplatte im Computer, welche den Prozessor, den Chipsatz und viele andere wichtige Komponenten trägt.

HD-Ready

Bezeichnung für einen Fernseher, der Vollbilder der Auflösung 1280 × 720 oder Halbbilder mit 1920 × 1080 Pixeln wiedergeben kann.

HDD

Hard Disk Drive = Festplatte. Massenspeicher mit magnetischer Aufzeichnung.

HDMI

High Definition Multimedia Interface: Schnittstelle für die digitale Übertragung von Bild- und Tonsignalen.

HDTV

High Definition TV: Fernsehnorm für hochauflösendes Fernsehen mit 1920 × 1080 Pixeln.

Headcrash

Zerstörung einer Festplatte durch Aufsetzen eines Magnetkopfes, während sich die Scheiben drehen.

Heatpipe

Spezialkühler für CPUs und Grafikkarten, die ähnlich wie eine „Wärmepumpe“ arbeiten.

Hexadezimalsystem

Zahlensystem mit 16 Ziffern: 0 bis 9 sowie A B C D E F

Hibernation

deutsch: Winterschlaf. Ein Energiesparzustand, bei dem der PC nach dem Ausschalten viel schneller hochfährt als bei einem Neustart.

High Dynamic Range Image (HDRI)

deutsch: Hochkontrastbild, Bild mit hohem Kontrastumfang. Das Auge kann Helligkeitsunterschiede von mehr als 1 : 100000 unterscheiden, während Displays und Drucker nur mit 256 Helligkeitsstufen pro Farbe darstellen können. Daher sind auf Bildschirmen Details in sehr hellen und sehr dunklen Bereichen nicht sichtbar. Kameras und 4k-Bildschirme mit höherem Kontrastumfang sind in Entwicklung.

Hot Plug

Verfahren, um Geräte im laufenden Betrieb anschließen und abkoppeln zu können, wie z. B. USB.

Hot Spot

Stelle an der Oberfläche eines Chips, wo sich die Wärme konzentriert.

Hot Swapping

Austausch der Festplatten von RAID-Systemen im laufenden Betrieb.

Hot Spare

Ein betriebsbereites, noch ausgeschaltetes Reservelaufwerk in einem RAID-System.

HT

Hyper Threading: Eigenschaft eines CPU-Kerns, zwischen zwei Programmteilen umschalten zu können.

Hub

Netzwerk-Verteiler im LAN. Veraltet, wurde durch „Switch“ abgelöst.

Hyper Memory

Technologie von ATI, die einen zu knapp dimensionierten Grafikspeicher mit einem Teil des Hauptspeichers ergänzt. Bei NVIDIA heißt die gleiche Technologie TurboCache.

I

IBM

Bedeutender Hersteller von (vor allem großen) Computern, der die Computerfamilie "PC" bzw. "IBM_kompatibel" begründete.

IC

Integrated Circuit, deutsch: integrierter Schaltkreis, Mikrochip.

IDE

Integrated Device Electronic: Schnittstelle von älteren Festplatten.

IEEE

Das „Institute of Electrical and Electronics Engineers“ ist ein weltweiter Berufsverband von Ingenieuren der Elektrotechnik, Elektronik und Informatik. In 38 Fachbereichen werden Standards erarbeitet.

IEEE 1394

Standard für den Anschluss schneller Geräte, vorzugsweise Videokameras. Auch als „Firewire“ bezeichnet.

IEEE 802.11

Gruppe von Standards des IEEE für WLAN.

Image

Eine komplette Kopie einer Festplatte oder Partition, mit der eine identische, sofort startfähige Kopie erstellt werden kann.

Intel

Bedeutender Hersteller von hochwertigen Halbleitern, vor allem von Prozessoren.

Interlacing

Methode des Bildaufbaus aus zwei Halbbildern.

Interrupt

Eine Unterbrechung der Befehlsfolge des Prozessors durch ein unvorhergesehenes Ereignis, z. B. eine Bewegung der Maus.

iOS

Betriebssystem der Apple-Geräte iPhone und iPad, basierend auf OS X, dem Betriebssystem der „großen“ Apple-Computer.

IP-Adresse

Damit Computer Daten austauschen können – sei es untereinander oder mit dem Internet – braucht jeder Computer eine eigene Adresse. Diese „Internet-Protokoll-Adresse“ ist 32 Bit lang. Die Adresse wird mit Punkten in vier Gruppen zu je acht Bit unterteilt. Jede der vier Gruppen wird in eine Dezimalzahl umgewandelt. Diese Schreibweise heißt „punktierte Dezimalnotation“ (dotted decimal notation). Jede der vier Dezimalzahlen darf einen Wert zwischen 0 und 255 haben. Jede „öffentliche“ Adresse darf es weltweit nur einmal geben. Eine IP-Adresse wird Ihnen von Ihrem Provider für die Dauer der Internetverbindung zugeteilt. Einige Adressbereiche sind für private Verwendung freigegeben.

Mit 32 Bit sind zwei hoch 32 Adressen möglich, etwa vier Milliarden. Das reicht nicht mehr. Deshalb wird die gegenwärtige vierte Version des Internet-Protokolls schrittweise durch die sechste Version (IPv6) abgelöst, die mit 128 Bit Adresslänge ausreichend viele Adressen ermöglicht.

ISO

Die „International Standardisation Organization“ ist die Dachorganisation der Normierungsinstitute von 89 Staaten, darunter DIN und ANSI. Die ISO erarbeitet internationale Standards, die aber nicht verbindlich sind. ISO-Normen werden verbindlich, indem sie von den nationalen Normierungsorganisationen (z. B. DIN) in nationale Normen umgesetzt werden.

ISO-Image

Datei, die ein Abbild einer startfähigen CD oder DVD enthält.

Jewel Case

Hartplastehülle für CD, DVD und BD, Abmessungen 140 x 125 x 10 mm.


K

Kommandozeilenbefehl

Diese Befehle können nach dem Öffnen des Zubehör-Programms Eingabeaufforderung mit der Tastatur eingetippt werden. Zu den klassischen DOS-Befehlen sind neuere Befehle dazugekommen. Ein Beispiel: Der folgende Befehl listet alle Programme im Windows-Verzeichnis auf: dir c:\%SystemRoot%\*.exe /s /p

Kompatibilität

Kompatibilität bzw. Abwärtskompatibilität ist die Strategie, bei der Entwicklung einer neuen Hard- oder Software alle Eigenschaften der Vorgängerversion beizubehalten und sie um neue Funktionen zu ergänzen. Dadurch funktioniert eine Software, die für ein bestimmtes Computermodell entworfen wurde, auch mit den Nachfolgermodellen.

L

LAN

Local Area Network: Lokal begrenztes Netzwerk mit einer Ausdehnung von wenigen hundert Metern.

Lane

Bezeichnung für einen Datenübertragungskanal einer PCI-Express-Verbindung. Pro Lane können zwischen 0,25 bis 4 GByte pro Sekunde übertragen werden. PCIe kann mit 1, 4, 8 oder 16 parallelen Kanälen arbeiten.

Level-1-Cache und Level-2-Cache

kleiner Zwischenspeicher zwischen CPU und Arbeitsspeicher, der langsamer als die CPU und schneller als der Arbeitsspeicher ist.

LightScribe

Das ist eine Technik zur Beschriftung optischer Datenträger. Der DVD- oder BD-Rohling wird mit der speziell beschichteten Beschriftungsseite nach unten in den Brenner eingelegt und mit dem Laser bearbeitet.

Live-CD

auch als Boot-CD bezeichnet. CD mit startfähigem Betriebssystem. Startet man den PC von Live-CD, wird die Festplatte nicht benutzt. Mit einer Live-CD kann man Daten retten, wenn Windows nicht mehr startet, oder einen PC auf Malware überprüfen.

Low-Speed

Geschwindigkeit von USB 1.1 (1,5 Mbit/s).

LTE

Long Term Evolution: Moderne, schnelle Datenübertragung über Funknetz, Nachfolger von UMTS.

M

M.2

Neuer Standard auf höherwertigen Hauptplatinen für Massenspeicher und andere Steckkarten. Die eingesteckten Karten können auf ein SATA-6Gbit/s-Interface und gleichzeitig auf vier PCIe-Lanes (Kanäle) zugreifen. Im Profibereich wird das U.2 Interface verwendet.

MAC-Adresse

weltweit einzigartige Seriennummer von Netzwerkkarten und anderen netzwerkfähigen Geräten.

Mainboard, auch Motherboard

Hauptplatine, Träger von Prozessor, Arbeitsspeicher und Steckkarten.

Mainframe

Großrechner

Malware

Sammelbezeichnung für Viren, Trojaner, Spyware und andere schädliche Software.

Micro ATX

Formfaktor für 24,5 × 20,5 cm große Mainboards. Maximal 2 Erweiterungssteckplätze (PCI) sind möglich.

Miracast

Ein offener Standard, um den Fernseher und (große) Displays als Ausgabegerät für Mobilgeräte nutzen zu können, wobei die Übertragung über WLAN erfolgt.

MLC

Multi-Level-Cell, eine Technologie für Speichersticks und SSD-Festplatten.

MMX

Multimedia-Extension, ein spezieller Befehlssatz der CPU.

MO

Magneto-Optische Speicher kombinieren Magnetfelder mit der Zielgenauigkeit von Lasern, um eine Datenlebensdauer von 10 bis 30 Jahren zu erreichen, bei Kapazitäten bis 9 GB.

Modding

Verändern des eigenen PCs, um dessen Aussehen zu verändern. Beliebt sind Fenster und Beleuchtungen.

Modem

Ein Kunstwort aus Modulation und Demodulation. Weil Einsen und Nullen nicht über Telefonkabel übertragen werden können, verwandelt sie das Modem in eine Folge von Tönen. Auf dem Empfängerseite werden die Töne demoduliert, d. h. in Einsen und Nullen zurückverwandelt.

Motherboard

auch Mainboard: Hauptplatine

MTBF

Mean Time Between Failures: Bezeichnung für die mittlere Zeit bis zum Ausfall einer Komponente. Wenn eine Festplatte eine MTBF von 1 200 000 Stunden (137 Jahre) hat, übersteht sie fünf Jahre mit einer Wahrscheinlichkeit von 96,4 %.

Multikernprozessor

Eine CPU besteht intern aus Rechen-, Speicher-, Verwaltungs- und anderen Komponenten. Wenn die Rechenkomponenten mehrfach vorhanden sind, ist es ein Multikernprozessor.

Multisession

die Fähigkeit eines CD-Laufwerks, CDs zu lesen, die in mehreren Durchgängen beschrieben wurden. Ist heute selbstverständlich.

Multitasking

ist die Fähigkeit eines Betriebssystems, mehrere verschiedene Programme oder auch verschiedene Teile eines Programms gleichzeitig abarbeiten zu können.

N

Nano ITX

Formfaktor für 12 × 12 cm große Mainboards.

NAND-Speicher

Bezeichnung für Flash-Speicher, der in Tablet-Computern statt einer Festplatte verwendet wird.

NAS

Network Attached Storage ist ein lokaler Netzwerkspeicher für die gemeinsame Nutzung durch mehrere PC, im Prinzip ist es ein Mikro-Fileserver.

NAT

Network Address Translation: Austausch der internen IP-Adresse durch eine externe, um die PC vor Angriffen zu verstecken und damit zu schützen.

Native Auflösung

die echte, „natürliche“ Auflösung eines Bildschirms. Die höchste Auflösung, die man einstellen kann.

NIC

Network Interface Card, deutsch: Netzwerkkarte.

Netzteil

Englisch: Power Supply. Netzteile für mobile Geräte liefern meist eine Niederspannung zwischen 5 und 19 Volt. Netzteile für Desktop-Computer erzeugen stabilisierte Spannungen von 3,3 Volt, 5 Volt, 12 Volt und -12 Volt mit Stromstärken bis 40 Ampere bei einer Gesamtleistung von typisch 450 bis über 1000 Watt.

Netzwerkkarte

Komponente zur Verbindung der Computer untereinander oder mit dem Internet. Früher nur als Steckkarte, heute meist auf der Hauptplatine integriert.

Northbridge

Hochintegrierter Schaltkreis auf der Hauptplatine, zuständig für schnelle Verbindungen ­zwischen CPU, RAM, Steckplätzen und Southbridge. Teil des Chipsatzes.

Nullmodemkabel

Crossover-Kabel für die serielle Schnittstelle, bei dem Eingangs- und Ausgangsleitungen gekreuzt sind. Damit konnte man zwei PC ohne Verwendung von zwei Modems (Modem-Anzahl = null) verbinden. Veraltet.

NVIDIA

bedeutender Hersteller von Grafikprozessoren.

O

Odd

deutsch: ungerade. Meist bei der Angabe der Parität und im Druckertreiber („Odd Pages = Ungerade Seiten) verwendet. Gegenteil: Even = gerade.

OEM

Original Equipment Manufakturer: ein Hersteller, der Hard- oder Software anderer Hersteller unverändert in seine Produkte übernimmt.

Onboard-Grafikkarte

in den Chipsatz oder in die CPU integrierte Grafikelektronik.

Open Source

deutsch: Öffentlicher Quellcode. Bezeichnet kostenlos nutzbare Software, wobei aber Lizenzbedingungen zu beachten sind.

Optane

Neue Speichertechnologie mit „3D Xpoint“ Speichermodulen. Optane soll die Flash-Technologie in SSD und USB-Speichersticks ablösen.

Overclocking

ist das Übertakten von Prozessor und Hauptplatine, um einen bescheidenen Geschwindigkeitszuwachs zu erhalten. Nicht empfehlenswert, weil es oft zu Instabilität des Systems und verkürzter Lebensdauer führt.

Ozonfrei

Beschönigende Bezeichnung für einen Drucker, dessen Ozonausstoß geringer ist als der gesetzliche Grenzwert.

P

P-ATA

Schnittstelle für Massenspeicher, unter Verwendung von Flachbandkabel.

Parallelisierung

Mehrere Aufgaben gleichzeitig ausführen.

Parallelport

25-poliger Anschluss für einen älteren Drucker.

Parität

Fehlerkorrekturverfahren, mit dem eventuelle Einzelbitfehler erkannt werden können.

PATA oder P-ATA

veralternde Schnittstelle für Festplatten mit Parallelübertragung.

PCI

Peripheral Computer Interface: Schnittstelle für Erweiterungskarten. Auf einer Hauptplatine lassen sich theoretisch bis zu acht PCI-Karten unterbringen, z. B. Soundkarte oder Netzwerkkarte. Üblich sind zwei bis fünf Steckplätze. Wird in neuen PC durch PCI-Express-Steckplätze ergänzt.

PCI-Express

Allerneuester Schnittstellen-Standard für Erweiterungskarten. Hat AGP und auch nahezu das klassische PCI abgelöst.

PCI Express oder PCIe

Allerneuester Schnittstellen-Standard für Erweiterungskarten. Hat AGP und PCI abgelöst.

PCMCIA

Schnittstellenstandard für Notebook-Erweiterungskarten.

PEG

PCI Express Graphics. Eine Grafikkarte kann maximal 25 Watt über ihren PCIe-Slot erhalten. Über PEG-Zusatzstecker kann der Grafikkarte zusätzliche Leistung zugeführt werden: 150 Watt über einen 8-poligen und/oder 75 Watt über einen 6-poligen Stecker.

Permanent-Druckkopf

nicht austauschbarer Druckkopf in hochwertigen Tintendruckern.

Piezoelektrischer Effekt

Verformung von Kristallen durch Anlegung von Spannung, wird in Tintendruckern verwendet.

Pivot-Funktion

ist die Möglichkeit, den Bildschirm hochkant zu drehen (und das Bild anzupassen).

Pixel

ist die Abkürzung von Picture Element und bezeichnet den kleinsten Leuchtpunkt auf einem Bildschirm oder den kleinsten druckbaren Punkt auf dem Papier.

Pixelgrafik

Darstellung eines grafischen Objekts als Matrix von Pixeln. Der Speicherbedarf ist zur Bildfläche proportional.

Platine

Isolierplatte mit aufgebrachten Leiterzügen und aufgelöteten elektronischen Bauelementen.

Plotter

Gerät zur Anfertigung technischer Zeichnungen. Ursprünglich wurde ein Zeichenstift, von Präzisionsmotoren gesteuert, über ein Zeichenblatt geführt. Siehe auch  Plotter.

Plug-and-Play

Wird mit PnP abgekürzt und bedeutet „Einstecken und Loslegen“. Gemeint ist, dass sich neue Hardware teilweise selbst konfiguriert.

PnP

Plug and Play: automatische Zuteilung von Ressourcen an elektronische Baugruppen.

Port

Anschluss, Schnittstelle für ein Gerät oder ein Netzwerk.

Portable Software

Software, die nicht installiert werden muss. Sie kann direkt vom USB-Speicherstick o. ä. ausgeführt werden, ohne das installierte Windows zu verändern.

POST

Power On Self Test: vom BIOS nach dem Einschalten durchgeführter Test des PCs.

PowerLAN

Das 240 Volt Stromnetz wird für Netzwerkübertragungen genutzt.

Prefetch

Verfahren zur Startbeschleunigung bei Windows XP, wurde seit Windows Vista durch Superfetch abgelöst.

PROM

Programmierbarer ROM: einmalig programmierbarer, nicht löschbarer Festwertspeicher.

Proprietäre Software

Bezeichnung für eine herstellereigene Software, deren Einzelheiten geheim gehalten werden, im Unterschied zu „quelloffener“ Software.

Provider

Anbieter von Internet-Dienstleistungen.

Prozessor

Zentrale Steuer- und Recheneinheit im PC. Engl. „CPU“.

PS/2

Standard von IBM, wird für runde Tastatur- und Mausstecker verwendet.

Q

Quelloffene Software

Software, die in allen Details offengelegt ist und die jeder kostenlos nutzen darf, z. B. Linux. Wird auch als „Open Source Software“ oder „freie Software“ bezeichnet, im Unterschied zu proprietärer Software.

R

RAID

Redundant Array of Independent Disk: Festplattenverband, bei dem der Ausfall einer Festplatte nicht zu Datenverlust und Arbeitsunterbrechung führt.

RAM

Bedeutet Random Access Memory. Schneller Halbleiterspeicher für Arbeitsdaten und -ergebnisse.

RAMDAC

RAM-Digital-Analog-Converter: Teil der Grafikkarte. Wandelt den digitalen Inhalt des Bildwiederholspeichers in ein analoges VGA-Signal.

Raster Image Prozessor

Ein Programm oder Gerät, welches die Daten einer Seitenbeschreibungssprache (PDF, PCL oder PostScript) in eine Rastergrafik umrechnet, die auf einem Drucker ausgegeben werden kann. Jeder PCL- oder PostScript-fähige Laserdrucker hat ein RIP-Programm in seiner Firmware.

Read Only Memory

Speicher „nur zum Lesen“, Festwertspeicher, siehe „ROM“.

Redundanz

Hinzufügen von Kontrollsummen o. a., um die Gefahr von Datenübertragungsfehlern zu verringern.

Registry

Datenbank mit zehntausenden Einträgen im Kern des Windows-Betriebssystems, in der die Parameter von Hard- und Software gespeichert sind.

RIP-Server

Server zur Druckaufbereitung für hochwertige Laserdrucker.

Rendern

Verarbeitung eines geschnittenen Videos zu einer fertigen Videodatei, was viele Stunden dauern kann.

Rendern

Konvertieren einer Vektorgrafik oder eines TrueType-Textes in die Pixeldarstellung (vor dem Ausdrucken).

Rippen

vom engl. „to rip“ = (herunter)reißen: Das Kopieren von einer Datenquelle auf einen anderen Speicher, z. B. die eigene Festplatte. Datenquelle können DVDs, Audio-CDs oder Daten aus dem Internet, z. B. Internetradio sein. Häufig werden die Daten (Audio oder Video) in ein anderes Format umgewandelt. Wenn ein Kopierschutz vorhanden ist, wird dieser entfernt, was für rein private Zwecke meist urheberrechtlich erlaubt ist.

RMA

Return Material Authorization: deutsch etwa „Genehmigung zur Rücksendung“. Bei Hardwareherstellern muss im Garantiefall eine Rücksendung angemeldet werden.

RoHS-Verordnung

Verordnung der EU, dass bleihaltiges Lötzinn nur noch in genau definierten Ausnahmefällen verwendet werden darf.

ROM

"Read Only Memory". Speicher für grundlegende Daten und Programme, die während der Herstellung von Hauptplatine, Grafikkarte, Brenner o. ä. gespeichert werden und danach nicht mehr verändert werden können.

Router

Verbindet Netzwerke und sucht Transportwege für Datenpakete.

S

Samplingrate

bei der Digitalisierung von Tönen: die Häufigkeit, mit der die Lautstärke gemessen wird.

SATA, auch S-ATA

Serial ATA: Moderne serielle Schnittstelle für Festplatten und optische Laufwerke.

Scanner

Ein Gerät zum Digitalisieren von Vorlagen. Texte, Zeichnungen und Fotos werden in eine Form umgewandelt, die vom PC gespeichert und weiterverarbeitet werden kann. Siehe auch  Scanner.

Schaltkreis

kompakte Schaltung in kleinem Plastgehäuse, engl.: chip.

Schnittstelle

engl. „Interface“. Standardisierte Kopplung zwischen Komponenten. Steckerart, Kabelbelegung, Spannungen und Timing (zeitliche Abfolge der Signale) sind präzise vorgeschrieben.

SCSI

Abkürzung für Small Computer System Interface, wird „Skasi“ ausgesprochen. Es handelt sich um eine sehr flexible, sehr schnelle, sehr zuverlässige und sehr teure Technik zur Ansteuerung von Festplatten und anderen Massenspeichern, die fast nur in Profi-Systemen zum Einsatz kommt.

SDRAM

Synchroner dynamischer RAM, eine veraltete RAM-Bauart, Vorgänger von DDR-RAM.

Seitendrucker

Drucker, der keine einzelnen Zeilen, sondern nur komplette Seiten drucken kann.

Sektor

Kleinste Speichereinheit auf Diskette und Festplatte, enthält 512 oder neuerdings 4096 Datenbyte.

Server

Computer, der Speicherplatz, Drucker, Internet oder andere Ressourcen für die gemeinsame Nutzung durch andere Computer bereitstellt.

Shared Memory

Grafikkarte ohne eigenen Speicher, die einen Teil des Arbeitsspeichers benutzt.

Slate

eine besonders leichte und flache Bauform eines Tablets.

SLC

Single Level Cell, eine Technologie für Speichersticks und SSD-Festplatten.

SLI

Scalable Link Interface − eine Technik von NVIDIA, um mehrere GPUs zusammenzuschalten.

Slot

Steckplatz für Einsteckkarten auf der Hauptplatine.

SMART

Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology: in die Festplattenelektronik integriertes Diagnose- und Verwaltungsprogramm.

SMD

Surface Monted Device: Oberflächen-montiertes Bauteil. Indem Elektronikbauteile direkt auf die Oberfläche der Leiterplatte gelötet werden, können Bohrungen eingespart werden.

Socket

Steckfassung für die CPU.

Software

Oberbegriff für Computerprogramme jeder Art.

Solid Caps

Solid Capacitors: Diese Feststoffkondensatoren sind im Unterschied zu Elektrolytkondensatoren teurer, haben aber eine mehrfache Lebensdauer.

Solid State Drive

Abkürzung: SSD. So heißen die Geräte, die anstelle von Festplatten verwendet werden. Im Inneren haben sie keinerlei Mechanik, sondern nur Flash-ROM und sind dadurch schnell, stromsparend und lautlos.

Software

Oberbegriff für Computerprogramme jeder Art.

Soundkarte

Diese Steckkarte wandelt die vom Computer kommenden Signale in eine Form um, die vom Lautsprecher wiedergegeben werden kann. Wird ein Mikrofon angeschlossen, können Tonaufzeichnungen gemacht werden. Mittlerweile ist ein Onboard-Soundchip auf der Hauptplatine gängiger Standard.

Southbridge

Hochintegrierter Schaltkreis auf der Hauptplatine, zuständig für „langsame“ Komponenten. Teil des Chipsatzes.

SPD-ROM

Ein auf dem RAM-Modul aufgelötetes ROM-Modul, in dem der Hersteller die technischen Daten des Speicherriegel hinterlegt hat. In mehr als hundert Byte stehen Details über Zugriffszeiten, Modulaufbau und Fehlerkorrektur.

Mehr dazu im Kapitel SPD-ROM.

Speedstep

Verfahren, um den Energiebedarf der CPU zu verringern, wenn sie gering belastet oder im Leerlauf ist.

Speicherbank

Gruppe von Steckplätzen (Slots) auf der Hauptplatine zur Aufnahme von Speichermodulen.

Speicherbus

Verbindungsleitungen (Adress-, Daten- und Steuerleitungen), die vom Chipsatz oder der CPU zu den Speichermodulen führen.

Speichermodul oder Speicherriegel

kleine Leiterplatte mit aufgelöteten RAM-Speicherbausteinen. 133 mm breit, etwa 30 mm hoch.

Spiegelung

Duplizierung von Daten auf zwei (meist identische) Speicher, um bei Ausfall von einem der Speicher die Daten nicht zu verlieren. Es können auch Computer und ganze Rechenzentren gespiegelt werden.

Splitter

Frequenzweiche zum Aufteilen eines Eingangssignals in Telefon- und Datensignale. Seit VoIP veraltet.

SRAM

Statischer RAM. Sehr schnell, wird deshalb vor allem als Cache-Speicher in der CPU verwendet.

SSD

Solid State Disk: So heißen die Massenspeichergeräte, die anstelle von Festplatten verwendet werden. Im Inneren haben sie keinerlei Mechanik, sondern nur Flash-ROM und sind dadurch schnell, stromsparend, robust und lautlos.

SSID

Service Set Identifier: der Netzwerkname eines WLAN-Routers.

Stand-By

Bereitschaftsmodus, wenn der PC nicht benutzt wird und möglichst viele Komponenten abschaltet, um Energieverbrauch und Verschleiß zu verringern. Der Strom darf aber nicht abgeschaltet werden. Das System kann in wenigen Sekunden wieder hochfahren.

Steckkarte

Bestückte Leiterplatte, die in einen Steckplatz (Slot) der Hauptplatine gesteckt wird.

Strukturbreite

Halber Abstand zwischen den Leiterbahnen in Prozessoren und anderen Mikrochips.

Super Speed

Bezeichnung für die höchste Übertragungsrate einer USB 3.0-Schnittstelle (5 Gbit/s).

Supercomputer

Bezeichnung für die leistungsfähigsten Großcomputer der Welt, mit einem Stückpreis von einer knappen Milliarde Euro.

Superfetch

Speichermanagement ab Windows Vista, bei dem häufig benötigte Dateien einer Magnetfestplatte vorsorglich im Arbeitsspeicher bereitgehalten werden.

Suspend To Disk

Bevor der PC in den Ruhezustand geht, wird der aktuelle Zustand (z. B. Inhalt des Arbeitsspeichers) auf Festplatte gespeichert. Danach darf der PC vom Stromnetz getrennt werden.

Suspend To RAM

Bevor der PC in den Standby-Modus geht, wird der aktuelle Zustand (z. B. der CPU) im RAM gespeichert. Im Standby-Modus darf der Strom nicht ausfallen.

Switch

Netzwerk-Verteiler im LAN, der sich die Adressen der angeschlossenen Geräte merkt und dadurch die Datenpakete zielgerichtet zustellen kann.

Systemeinheit

Kernstück eines Computersystems: Gehäuse mit Hauptplatine, Festplatte, DVD u. a.

T

Taskleiste

Bei Windows die graue Leiste am unteren Bildrand, die links den Start-Button, rechts die Uhr und dazwischen die laufenden Programme („Tasks“) anzeigt. (Sie lässt sich an jeden Bildschirmrand verschieben).

Tastatur-Kontroller

Ein integrierter Schaltkreis, der das Drücken und Loslassen jeder Taste registriert und daraus unter Berücksichtigung der Feststell- und Sondertasten einen Zeichencode an den Prozessor schickt.

TBW

Tera-Bytes Written ist eine Angabe zur Lebensdauer von SSD: Welche Datenmenge kann man schreiben, bis die Speicherzellen verschlissen sind. Wer täglich 20 GB auf die SSD schreibt, kommt auf 7 TB pro Jahr. Für aktuelle SSDs werden Werte von 80 bis 200 TBW angegeben.

TDP

Thermal Design Power: Herstellerangabe zur maximalen Leistungsaufnahme einer CPU oder anderer elektronischer Bauteile. Auf Grundlage der TDP wird die Kühlung und der Strombedarf geplant.

Thunderbolt

Moderne Schnittstelle für den Anschluss von Bildschirmen und Massenspeichern (wichtigster Port von Apple-Geräten).

Tool

wird ins Deutsche als „Werkzeug“ übersetzt. Als PC-Werkzeug ist eine kleine Anwendungssoftware oder Dienstprogramm gemeint.

Touchpad

Ersatz für die Maus in Notebooks. Wird mit einem oder mehreren Fingern bedient.

Touchscreen

Bildschirm mit berührungsempfindlicher Oberfläche. Der Computer kann mit einem oder mehreren Fingern gesteuert werden. Wird vor allem in Smartphones und Tablets verwendet.

Transferjet

Nahbereichsübertragungstechnik, die auf Entfernungen von max. 3 cm um mehrere Größenordnungen schneller ist als Bluetooth oder NFC. Dient zur schnellen Übertragung großer Datenmengen zwischen Mobilgeräten oder zu Drucker oder Fernseher.

True-Type

(„Echte Schrift“): Verfahren für Vektorschriften. In den 80er Jahren wurden Buchstaben als ein Muster von Bildpunkten definiert (sogenannte Bitmap-Schriften). Für jede Kombination von Schriftmerkmalen (kursiv, fett, normal) und Schriftgröße wurde eine andere Tabelle benötigt. Bei Vektorschriften wird das Aussehen der Buchstaben mit Linien, Kreis- und Ellipsenabschnitten beschrieben. Für jeden Buchstaben ist eine Formel gespeichert, mit der das Aussehen eines Buchstabens in jeder Schriftgröße ohne Qualitätsverlust errechnet werden kann.

Tuner

Empfangsbaugruppe in Radio- und Fernsehgeräten. Der Tuner filtert aus der Vielzahl von Frequenzen die gewünschte Senderfrequenz heraus.

Turbo-Cache

Technologie von NVIDIA, die einen zu knapp dimensionierten Grafikspeicher mit einem Teil des Hauptspeichers ergänzt. Bei ATI heißt die gleiche Technologie HyperMemory.

Turbo-Modus

Wenn in einem Mehrkernprozessor einzelne Kerne zeitweilig nicht gebraucht werden, können die benutzten Kerne höher getaktet werden.

U

Übertakten

Ein Art von Tuning, bei der es darum geht, durch Erhöhung der Taktfrequenzen und Verändern der Betriebsspannungen über die vom Hersteller vorgegebenen Grenzen hinaus einige wenige Prozent mehr Leistung aus dem PC herauszuholen.

UEFI-BIOS

Neue BIOS-Generation mit grafischer Bedienung, das Festplatten über 2 TB nutzen kann. Der Startvorgang wird beschleunigt und eine Festplatten-Komplettverschlüsselung ist möglich.

UMTS

Datenübertragungsverfahren über das Mobilfunknetz.

Unicode

Standard für einen Zeichensatz mit bis zu 65536 Zeichen, der alle gegenwärtig weltweit verwendeten Schriftzeichen enthält. Mit der UCS-Erweiterung sind 4 Milliarden Zeichen möglich.

Unterbrechungsleitung

Eingänge der CPU für Meldungen von der Peripherie über unerwartete Ereignisse.

Übertragungskanal vom PC in Richtung Internet oder – allgemeiner – vom Kunden zum Provider.

Upload

Datenübertragung vom PC ins Internet (Senden). Die Gegenrichtung ist der Download.

USB

Universal Serial Bus mit Übertragungsgeschwindigkeiten Low-Speed (1,5 Mbit/s), Full-Speed (12 Mbit/s), High-Speed (480 Mbit/s), Super-Speed (5000 Mbit/s) und weitere.

USV

Eine Unterbrechungsfreie Stromversorgung, englisch: Uninterruptible Power Supply (UPS) erzeugt bei Ausfall der Stromversorgung eine Versorgungsspannung aus der in Akkumulatoren gespeicherten Energie und kann die angeschlossenen Verbraucher für einige Minuten versorgen. Längere Ausfälle können mit Dieselgeneratoren überbrückt werden.

Utility

deutsch: Dienstprogramm. Ein Programm oder eine Programmsammlung, welches das Betriebssystem bei Verwaltungs- und Wartungsarbeiten unterstützt. Utilities gehören zur Systemsoftware, nicht zur Anwendungssoftware. Einige Beispiele: Anzeige und Bearbeiten von Dateien, Defragmentierer, Statistiken und Auslastungsanzeige, Konvertieren von Dateien, Datensicherungsprogramme.

V

Vektorgrafik

Ein Bild (oder Buchstabe) wird durch eine Folge von Linien und geometrischen Figuren (z. B. Kreisabschnitte) beschrieben.

W

Wear Leveling

Verfahren des Speichercontrollers von SSD-Platten, um eine möglichst gleichmäßige Abnutzung der Speicherblöcke zu sichern.

WEP

Wired Equivalent Privacy: veralteter Verschlüsselungsstandard für WLAN. Die Nachfolger sind WPA und WPA-2.

WiDi (Wirecess Display)

Microsoft’s Proprietäre Realisierung des Miracast-Standards, um Videos über WLAN von einem Mobilgerät auf einen großen Bildschirm zu übertragen.

Wi-Fi

Auch WiFi. Bezeichnung für ein Funknetzwerk (WLAN), das nach den IEEE 802.11-Normen funktioniert.

WiFi Alliance

Ein Konsortium von Firmen, das WLAN-Geräte zertifiziert und WLAN-Standards entwickelt, wie z. B. die Verschlüsselungsverfahren WEP, WPA und WPA-2.

Workstation

So bezeichnet man besonders leistungsfähige Computerarbeitsplätze. Bei einem Preis von vielen zehntausend Euro haben sie eine mehr als zehnfache Leistung eines bestens ausgestatteten PC.

WPA

WiFi-Protected Access: Verschlüsselung für WLAN, WPA-2 ist der aktuelle Standard.

X

XEON

Bezeichnung für hochwertige Server-CPUs von Intel.







Autoren

An diesem Buch haben mehrere Dutzend Autoren mitgearbeitet. Das Buch besteht aus mehr als 30 Kapiteln. Die Liste der Kapitel ist auf der Diskussionsseite zu finden. Jedes Kapitel hat seine eigene Autorenliste. Es gibt leider keine Möglichkeit, aus den Autorenlisten der einzelnen Kapitel eine Gesamtliste der Autoren automatisch zu erstellen oder eine solche, wenn es sie gäbe, aktuell zu halten.

Literatur und Referenzen
  1. ↑ Google hat eine Million Server http://www.spiegel.de/fotostrecke/fotostrecke-53882.html
  2. ↑ Intel beginnt mit 22-nm-Fertigung von Prozessoren http://ht4u.net/news/22702_intel_beginnt_mit_22-nm-fertigung_von_prozessoren/
  3. ↑ Die Zukunft der intel-Prozessoren http://www.intel.de
  4. ↑ 32 nm Technologie http://www.intel.com/cd/corporate/pressroom/emea/deu/archive/2008/410929.htm
  5. ↑ Herstellung von CPUs (Lithografie) http://www.techtower.de/pdf/techtower_mikroelektronik_Lithographie.pdf
  6. ↑ 50 Gbit/s Datenübertragung mit Halbleiter-Lasern http://www.storage-insider.de/themenbereiche/storage-hardware/forschung-und-wissenschaft/articles/276138/
  7. ↑ „Wear Leveling“ erhöht die Lebensdauer von Flash-ROM-Speicher http://www.siliconsystems.com/silicondrive/whitepapers/SSWP03-Endurance-R.pdf
  8. ↑ Foto und Datenblatt der ersten Festplatte der Welt http://www-03.ibm.com/ibm/history/exhibits/storage/storage_350.html
  9. ↑ Festplatten werden kleiner w:Festplattenlaufwerk#Chronologische_.C3.9Cbersicht
  10. ↑ Chronik von Seagate http://www.seagate.com/www/en-us/about/corporate_information/company_milestones/
  11. ↑ Perpendicular recording http://www.tecchannel.de/storage/komponenten/401602/grundlagen_festplattentechnik/index7.html
  12. ↑ Festplatten mit 150.000 Spuren pro Zoll http://www.seagate.com/staticfiles/support/disc/manuals/notebook/momentus/5400_3/100398882d.pdf
  13. ↑ Headcrash: Aquaplaning für die Festplatte http://www.it-service24.com/datenrettung/headcrash/#aquaplaning-fuer-die-festplatte
  14. ↑ Festplatte setzt Lageänderungen Widerstand entgegen wie ein Gyroskop http://de.wikipedia.org/wiki/Gyroskop
  15. ↑ Rechenzentrum durch Feuerlöschübung zerstört http://www.availabilitydigest.com/public_articles/0505/westhost.pdf
  16. ↑ Moderne Festplatten sind geräuschempfindlich http://www.webhosternews.com/2010/12/festplatten-tonfrequenzen-rechenzentrum-zerstoert-wagner-schutzvorkehrungen/?tlid=Array
  17. ↑ Schalldruck über 100 dB verursacht Festplattenschäden http://www.webhosternews.com/wp-content/uploads/2010/12/WAGNER_Silent_Schalldaempfer.pdf?tlid=Array
  18. ↑ Studie von Google über Festplattenausfälle, 2007: http://labs.google.com/papers/disk_failures.html
  19. ↑ Polymerschicht schützt vor Kopfaufsetzern http://www.golem.de/0607/46302.html
  20. ↑ Spindelmotor als Bremse: w:Elektromotorische_Bremse
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  23. ↑ SSD-Hybride relativ erfolglos http://www.channelpartner.de/index.cfm?pid=266&pk=299939&p=4
  24. ↑ Geschwindigkeit von Hybrid-HDD im Vergleich http://www.channelpartner.de/_misc/galleries/detail.cfm?galleryid=31824&imageid=397392
  25. ↑ 22000 DM für einen CD-Brenner (w:Brenner_(Hardware)Brenner
  26. ↑ Opto-Wheel http://www.genius-europe.com/aktuelles_presse.php?sid=92&ar=-1
  27. ↑ VGA nur noch bis 2015 http://www.dotnetpro.de/news3947.aspx
  28. ↑ Hintergrundinfos zu HDMI http://www.hifi-regler.de/hdmi/hdmi.php#hdmi_04
  29. ↑ Karte der Empfangsbereiche für DVB-T http://www.ueberallfernsehen.de/empfangsprognose.html
  30. ↑ 42% Ausfälle bei Spielkonsolen http://www.nofussreviews.com/survey-results-2010.php
  31. ↑ w:Xbox_360#Bekannte_Probleme
  32. ↑ Lärm macht krank: Siehe http://www.baua.de/de/Publikationen/Fachbeitraege/Suga-2007.pdf;jsessionid=BBB1E57C33295F27F9E289E8187357E2?__blob=publicationFile&v=4 auf Seite 23
  33. ↑ Lautstärke von Netzteilen http://www.au-ja.de/review-be-quiet-e7-400+be-quiet-l7-430+lc-power-lc420h-8+noname-sps-400xpe-p+xigmatek-nrp-pc402-13.phtml
  34. ↑ Typische Schalldruckpegel http://de.wikipedia.org/wiki/Schalldruckpegel#Schalldruckpegel_und_Schalldruck_diverser_Schallquellen
  35. ↑ WLAN können stärker strahlen als DECT http://www.izgmf.de/Aktionen/Meldungen/Archiv_03/WLAN_Access_Points/wlan_access_points.html
  36. ↑ WLAN an Schulen soll eingeschränkt werden http://diepresse.com/home/techscience/hightech/402167/index.do
  37. ↑ Heise über PowerLAN http://www.heise.de/tp/r4/artikel/16/16435/1.html
  38. ↑ NiMH-Akkus unter dem Gefrierpunkt nicht mehr verwenden http://de.wikipedia.org/wiki/Nickel-Metallhydrid-Akkumulator#Einschränkungen
  39. ↑ Gefährdet Winterkälte Festplattendaten? http://www.server-datenrettung.de/datenrettung-service/haeufige-fragen/gefaehrdet-winterkaelte-festplattendaten/
  40. ↑ SSD sind nicht frosttauglich http://www.kuert-datenrettung.de/pressebereich/vorsicht-mit-mobilen-ssds-und-nand-flash-bei-klirrender-kalte.html
  41. ↑ Ausfallhäufigkeit bei Notebooks 1997 http://www.heise.de/mobil/artikel/Notebooks-fuer-den-rauen-Alltagseinsatz-223587.html
  42. ↑ Austausch Hauptplatine bei Notebooks ist teuer http://www.focus.de/digital/computer/stiftung-warentest-notebook-reparaturen-sind-zu-teuer_aid_523090.html
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  52. ↑ Die zehn sparsamsten SW-Laserdrucker ChannelPartner 47/09 S. 16
  53. ↑ Die zehn sparsamsten Farblaserdrucker ChannelPartner 09/2010 S. 42
  54. ↑ Energieeffiziente Geräte finden http://www.stromeffizienz.de/index.php?id=8827
  55. ↑ Hotlines sind teuer http://computer.t-online.de/stiftung-warentest-notebook-reparatur-oft-teuer-und-langsam/id_42070796/index
  56. ↑ Die Betriebsspannung von Elkos sollte die Hälfte der Nennspannung nicht überschreiten: http://www.controllersandpcs.de/lehrarchiv/pdfs/elektronik/pass02_02x.pdf (Seite 4)
  57. ↑ Eine möglichst kleine Betriebsspannung erhöht die Lebensdauer von Elkos http://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/1011281.htm
  58. ↑ Alterung von CPUs durch Elektromigration: http://www.heise.de/ct/Ploetzlicher-Pentium-4-Tod-durch-Uebertakten--/hintergrund/meldung/34186
  59. ↑ Bleifreies Lot wird brüchig http://de.wikipedia.org/wiki/Xbox_360#.C3.9Cberhitzung
  60. ↑ Langzeitverhalten von Kondensatoren http://www.tonbandmuseum-koeln.de/joomla1015/content/view/16/31/


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