Warum brauchen wir eine neue Art von Computer?
Stellen Sie sich eine Fabrik vor, in der jeder Arbeiter den Vorarbeiter um Erlaubnis fragen muss, bevor er etwas tut. Arbeiter A beendet seine Aufgabe und legt das Ergebnis ab. Bevor Arbeiter B es aufnehmen und weiterarbeiten kann, muss er warten, bis der Vorarbeiter bemerkt, dass A fertig ist, herübergeht, die Papiere prüft und B explizit Anweisungen gibt. Währenddessen stehen die Arbeiter C bis Z an ihren Stationen untätig herum — obwohl sie alles haben, was sie zur Arbeit brauchen, und ihre Aufgaben nicht davon abhängen, was A und B tun.
So funktioniert Ihr Computer heute. Die Architektur moderner Computer wurde 1945 von John von Neumann entworfen, zu einer Zeit, als Speicher extrem teuer war, Transistoren noch nicht existierten und Parallelverarbeitung reine Science-Fiction war. Die Lösung, die von Neumann vorschlug, war für ihre Zeit elegant: eine Instruktion aus dem Speicher holen, ausführen, die nächste holen, ausführen, und so fort.
Achtzig Jahre später nutzen wir noch immer dieses Grunddesign. Wir haben es dramatisch beschleunigt — durch Milliarden Transistoren, mehrere Prozessorkerne und Taktraten im Gigahertz-Bereich. Wir haben Caches, Branch Predictors, spekulative Ausführung und unzählige weitere Optimierungen hinzugefügt. Der grundlegende Flaschenhals bleibt aber bestehen: ein einziger Strom von Instruktionen, der durch einen zentralen Prozessor fließt, einer nach dem anderen.
Dies ist der Von-Neumann-Engpass, und seine Folgen berühren jeden Aspekt der modernen Datenverarbeitung. Ihr Telefon wird heiß, wenn KI-Modelle laufen, weil der Prozessor mühsam Daten durch eine Pipeline pumpen muss, die für sequenzielle Mathematik entworfen wurde, nicht für die massiv parallelen Operationen, die neuronale Netze erfordern. Sicherheitslücken wie Spectre und Meltdown existieren, weil Prozessoren raten, welche Instruktion als nächstes kommt, und sie spekulativ ausführen — und dabei Seitenkanäle erzeugen, die Angreifer ausnutzen können.
Diese Probleme sind seit Jahrzehnten bekannt. John Backus benannte den Von-Neumann-Engpass in seiner Turing-Award-Rede von 1977. Seit den 1970er Jahren verfolgen Forscher grundsätzlich andere Architekturen — Dataflow-Maschinen am MIT und in Manchester, den Inmos-Transputer, die Connection Machine. Jeder Ansatz löste einen Teil des Problems. Keiner adressierte die volle Herausforderung: eine Architektur, die Parallelismus natürlich macht, Sicherheit intrinsisch verankert und allgemeine Berechnung praktikabel hält — und das alles aus denselben Designprinzipien heraus.