Verkehrswege

Niemand bestellt im Laden eine Multilayer-Leiterplatte für Computer – stattdessen verlangt man ein Main- oder Motherboard, zu Deutsch Hauptplatine. Diese Namen rücken die Funktion des Mainboards in den Vordergrund: Es ist die zentrale Verbindungsplattform für die Teile, die einen Computer zum Computer machen. Hauptsächlich sind das Prozessor, Arbeitsspeicher und einige spezielle Chips. Durch weitere Schnittstellen finden bei Bedarf Erweiterungskarten, Festplatten oder optische Laufwerke Anschluss. Schließlich halten jede Menge elektronische Bauelemente wie Kondensatoren oder Widerstände, integrierte Schaltkreise und natürlich Leiterbahnen das Rechensystem am Laufen.

Die rund zwei Millimeter dicken Computer-Mainboards bestehen aus vier bis acht Lagen (daher "Multilayer") aus einer Mischung aus Glasfaser und Harz. Dazwischen und teilweise auch quer durch die Schichten hindurch führen Leiterbahnen aus Kupfer. Auf ihnen leitet das Board elektrische Signale zwischen den Rechenelementen hin und her (daher "Leiterplatte"). Die meisten Hauptplatinen für Desktop-Rechner haben das ATX-Format von der ungefähren Größe eines 15-Zoll-Bildschirms. Es gibt jedoch auch andere Formate, etwa für Notebooks oder eingebettete Systeme wie Mobiltelefone.

Tempo zu dritt

Der Prozessor ist die kraftvollste Komponente. Er führt Anwendungen aus und reagiert auf Anfragen der Geräte, zum Beispiel der Tastatur bei Dateneingabe. Jedes Mainboard ist für bestimmte Prozessoren ausgelegt, für die es spezielle Sockel (englisch Sockets) mitbringt. Je nach Spezialisierung passen verschiedene Prozessoren in einen Sockel. Das schlägt sich in Bezeichnungen nieder wie "Sockel F" für den AMD Opteron, in den auch der Cell-Prozessor passt, oder "Sockel 479" für den Intel Core Duo, der auch den Celeron M aufnimmt. Ein Sockel ist meistens eine quadratischen Steckfläche mit Löchern für die Pins an der Unterseite der CPU, über die sie Verbindung mit den Leiterbahnen des Boards aufnimmt (Abbildung 1, rot markiert).

Eine spezielle Leiterbahn, der Front Side Bus (FSB), gibt die Höchstgeschwindigkeit vor, mit der Elemente des Bords mit dem Prozessor reden. Als tüchtigen Verkehrspolizisten auf dieser Datenrennstrecke braucht der Prozessor einen Vermittlungs-Chip, die Speicherkontrolleinheit (Memory Control Unit, MCU). Intel hat sich dafür die inzwischen geläufige Bezeichnung Northbridge ausgedacht. Sie verbindet über den FSB Prozessor, Arbeitsspeicher und die komplementäre Southbridge, die sich um die restlichen Hardware-Teile am Mainboard kümmert (Input Output Unit, IOU). Befindet sich allerdings ein AGP-Steckplatz auf dem Board, managt die Northbridge auch diesen, damit die Grafikdaten ohne Umweg zum Arbeitsspeicher gelangen.

Abbildung 1: Für diese ATX-Platine hat Asus ein fortgeschrittenes Kühlungssystem entworfen, das die Wärme der North- und Southbridges (pink markiert) zu einem Kühlelement ableitet.

North- und Southbridge ergeben zusammen den Chipsatz eines Mainboards. Der Northbridge-Chip sitzt oben in unmittelbarer Nähe des Prozessors, der Southbridge-Chip unten bei den Steckplätzen der Erweiterungskarten (Abbildung 1, pink markiert). Die langsamere Southbridge bindet den PCI-Bus und Peripheriegeräte ein, also Festplatte oder DVD-Laufwerk. Inzwischen übernimmt die Southbridge oft zusätzlich Kontrollfunktionen zum Beispiel für die USB-Schnittstellen, wofür in älteren Boards noch ein eigener Chip oder eine Controller-Karte zuständig war. Die Southbridge arbeitet der Northbridge zu.

Ohne Arbeitsspeicher nützte dem Prozessor seine Geschwindigkeit wenig, da ihm die Southbridge dann alle Daten von einer Festplatte holen müsste. Festplatten übertragen derzeit maximal 300 MByte pro Sekunde, Arbeitsspeicher über den FSB hingegen bis zu 12 GByte. Im Anwenderbereich kommen beim Arbeitsspeicher heute meistens die Übertragungsart DDR (Double Data Rate) und ihre Nachfolger DDR2 sowie DDR3 zum Einsatz: Sie nutzen Datenleitungen doppelt. Beim Kauf von RAM-Modulen ist wichtig, dass DDR2-Module nicht in die Steckplätze von DDR-Modulen passen. Außerdem gibt es die RAM-Module mit verschiedenen Übertragungsgeschwindigkeiten, die zum FSB passen müssen.

Parkzonen

Ihr gemeinsames Zuhause finden RAM-Chips auf länglichen Riegeln, den DIMMs (Dual Inline Memory Module). Die Steckplätze (englisch Slots) für RAM-Riegel sind am leichtesten zu erkennen: Mit einem halben Zentimeter sind sie am niedrigsten, mit 14 Zentimetern am längsten, und sie sitzen so nah an der CPU wie möglich (Abbildung 1, grün markiert). Zu einem Slot gehört immer ein Bussystem, das die im Slot steckende Karte in das System einbindet. Beim Arbeitsspeicher ist das der FSB, bei Erweiterungskarten ist das heute normalerweise PCI Express. Bei allen Slots sehen die Löcher entlang der Schlitz-Wände länglich aus, weil RAM- und Karten-Platinen nicht mit spitzen Pins arbeiten, sondern mit Kontaktflächen.

Steckplätze für PCI-Express-Karten reichen einen knappen Zentimeter hoch, kommen aber in verschiedenen Längen vor. Der längste PCI-E-Slot für den Anwenderbereich misst neun Zentimeter und trägt den Zusatz "x16". Eine PCI-E-x16-Karte hat 16 Datenbahnen und ist länger und schneller als beispielsweise eine PCI-E-x1-Karte (Abbildung 2, dunkelblau markiert). PCI Express überträgt Daten seriell. Sein Vorgänger PCI arbeitete noch parallel und ist seit einigen Jahren überholt. Auch PCI war mal Sieger: Mitte der 1990er Jahre hatte es die alte ISA-Technologie abgelöst (Industry Standard Architecture). PCI-Slots sind gut acht Zentimeter lang, etwas höher als PCI-E-Steckplätze und wirken etwas plumper. PCI-Karten verschieben höchstens 133 MByte pro Sekunde, während PCI-Express-Karten bis zu 250 MByte/s erreichen. ISA schleppte nur etwa 15 MByte Daten pro Sekunde über die Bahn.

Eine schnelle x16-Schnittstelle ersetzt heute meistens auch den Accelerated Graphic Port, AGP. Seinerzeit band er die Grafikkarte flott an die Northbridge und den Arbeitsspeicher an. Ein AGP-Slot ähnelt einem PCI-Slot, nur der Steg ist etwas weiter in der Mitte. AGP sollte im Sinne schneller Grafikdatenübertragung das langsame PCI ablösen, ist aber inzwischen durch PCI-E überflüssig geworden. Im Unterschied zum PCI-Bus verfügt der PCI-Express-Bus über eine direkte Anbindung an die Northbridge.