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Name des Autors	Florian Jirschitzka
Titel der Arbeit:	Aktuelle Entwicklung von Mainboard-Architekturen unter besonderer Berücksichtigung von Soft- und Hardwaredesign
Hochschule und Studienort:	FOM Düsseldorf

Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 2 Bestandteile des Mainboards 2.1 Hardware 2.1.1 Prozessorsockel 2.1.2 Steckplatz für Arbeitsspeicher 2.1.3 Erweiterungssteckplätze 2.1.3.1 Peripheral Component Interconnect Express 2.1.3.2 Peripheral Component Interconnect 2.1.4 On Board Komponenten 2.1.4.1 Universal Serial BUS 2.1.4.2 Festplatte (Serial Advanced Technology Attachment) 2.1.4.3 Laufwerke 2.1.4.4 Bluetooth 2.1.4.5 Netzwerkadapter 2.1.4.6 Sound 2.2 Software 2.2.1 Basic Input Output System 2.2.2 Extensible Firmware Interface 2.2.3 Unified Extensible Firmware Interface 3 Aktuelle Entwicklungen 3.1 One-Chip-Desing 3.2 Steckplätze 3.3 UEFI 4 Zukünftige Erwartungen 4.1 Hardware 4.2 Software 5 Bewertung 5.1 Kosten 5.2 Nutzen 5.3 Notwendigkeit 6 Schlusswort 7 Fußnoten 8 Abkürzungsverzeichnis 9 Abbildungsverzeichnis 10 Tabellenverzeichnis 11 Quellenverzeichnis

1 Einleitung

Wenn der Prozessor das Gehirn eines Computers ist, dann ist wohl das Mainboard sein Herz.
Viele Menschen benutzen PCs (Personal Computer) für ihre tägliche Arbeit, aber auch im privaten Bereich. PCs und Mainboards begleiten uns also durch unseren Alltag. Ob in der Medizintechnik, als Sensorsysteme im Automobil oder auch am Arbeitsplatz, Computer sind überall zu finden und damit auch Mainboards. Doch was macht ein Mainboard als so wichtiger Teil eines Computers aus? Es ist seine Hardware und seine Software, beides ist nötig, damit ein PC funktioniert.
Mainboards stellen die grundlegende Hardwarestruktur und bieten Steckplätze für alle heute gängigen Komponenten. Doch ein Computer hat nicht nur Hardwarekomponenten sondern auch Software. Das Mainboard stellt hier vor allem Software zur Verfügung, die zum Starten des PCs benötigt wird. Es fungiert nicht nur als Träger der Hardware sondern verfügt über weitere Funktionen, wie die Bereitstellung des zentralen BUS (Binary Unit System).
Ziel dieser Arbeit soll deshalb sein, einen Überblick über aktuelle Entwicklungen in Hinblick auf Mainboardarchitekturen zu geben, Komponenten kurz zu beschreiben und einen Ausblick in die Zukunft zu werfen, um zu beschreiben, wie eine Entwicklung im Bereich der Mainboards weitergehen könnte. Das Augenmerk wird hier sowohl auf Hard-, als auch auf Software des Mainboards gelegt. Primär wird hierzu Literatur gesichtet, hauptsächliche Informationsquellen werden so genannte Whitepapers der Mainboardhersteller sein. Wenn im Rahmen dieser Arbeit von Prozessoren und Sockeln gesprochen wird, so wird sich auf die Prozessorengenerationen von Intel bezogen, da diese einen höheren Marktanteil besitzen als AMD. Im Folgenden werden die Begriffe Mainboard, Motherboard und Hauptplatine Synonym verwendet.

2 Bestandteile des Mainboards

2.1 Hardware

Die Hardware beschreibt die nicht virtuellen Komponenten eines PCs, also diejenigen die physisch verbaut sind. Hauptträger dieser Hardware-Komponenten eines PC ist das Mainboard.

2.1.1 Prozessorsockel

Der Prozessorsockel ist der Steckplatz für die CPU (Central Processing Unit). Je nach Prozessorhersteller unterscheidet er sich in seiner Beschaffenheit. Die Größten Prozessorhersteller sind Intel und AMD, wobei der Marktanteil von Intel überwiegt. Über PINs wird der Prozessor ich den Sockel eingesetzt, diese schließen den Kontakt. Das Mainboard steuert über seine interne Software die Stromversorgung des Prozessors und somit auch die reale Geschwindigkeit. Bei entsprechender Kühlung ist also auch eine Geschwindigkeit über der vom Hersteller Angegebenen möglich (Übertaktung). Hierfür ist bei einigen Mainboards bereits eine Möglichkeit innerhalb der Mainboardsoftware gegeben. Ein Übertackten des Prozessors ist allerdings nicht zu empfehlen, da damit regelmäßig die Garantie und Gewährleistung des Herstellers erlischt.
Zur Zeit befindet sich noch der Pentium 4 Prozessor mit dem Sockel 775 in älteren PCs im Einsatz. Aktuelle Ausführungen für PCs sind die Prozessoren der Intel ix Generation also Intel i3, i5 und i7, diese benötigen den LGA (Land Grid Array) 1156 Sockel, wobei die Zahl 1156 für die Anzahl der Kontakte des Prozessors steht.

2.1.2 Steckplatz für Arbeitsspeicher

Der Steckplatz für den Arbeitsspeicher dient als Halterung für den RAM (Random Access Memory). Er unterscheidet sich je nach Art des RAM, z.B. in der Position der Kerbe innerhalb des Steckplatzes, welche gewährleisten soll, dass auch nur kompatibler Arbeitsspeicher in den Steckplatz eingebracht wird. Aktuelle Varianten des Arbeitsspeichers sind DDR2 (Double Data Rate 2) RAM und DDR3 RAM. Diese unterscheiden sich beispielweise in der Versorgungsspannung, 1,8 Volt bei DDR2 RAM und 1,5 Volt bei DDR3 RAM. Ein Wechsel von DDR2 zu DDR3 RAM verursacht also möglicherweise Kosten für neue Hardware auf Grund fehlender Kompatibilität. Kann aber auf Dauer eine Energiekostenreduktion mit sich bringen.

2.1.3 Erweiterungssteckplätze

Hierbei handelt es sich um Steckplätze für verschiedene Komponenten, diese sind nicht explizit auf einen Komponententyp beschränkt.

2.1.3.1 Peripheral Component Interconnect Express

Der PCI-E (Peripheral Component Interconnect Express) Steckplatz wird für Grafikkarten, aber auch immer mehr für weitere Komponenten wie die Sound- und Netzwerkkarte verwendet. Es werden verschiedene Versionen des PCI-E Steckplatzes unterschieden. Zum einen nach Version, möglich sind 1.0, 2.0, 3.0, wobei 3.0 die aktuellste darstellt. Zum anderen nach der Geschwindigkeit. Diese setzt sich zusammen aus der Zahl hinter der Kennung PCI-E, für die Anzahl der sogenannten Lanes, also die Wege zur Datenübertragung und der Grundgeschwindigkeit pro Lane. Z.B. PCI-E x16 für einen PCI-E Steckplatz mit 16 Lanes. Es gibt Steckplätze von x1 bis x32. Die theoretisch mögliche Geschwindigkeit liegt bei einen PCI-E 3.0 x32 Steckplatz bei einer Datenrate von 32 Gigabyte pro Sekunde^[1]. Wichtige beschreibende Eigenschaften sind neben den Abmessungen die Busbreite und die Taktrate.

2.1.3.2 Peripheral Component Interconnect

Der PCI (Peripheral Component Interconnect) Anschluss dient als Steckplatz für die meisten gängigen Komponenten wie TV- oder auch Soundkarte. Er beschreibt ein Vorgängermodell des PCI-E und wird diesem ähnlich über Abmessung Busbreite und Taktrate identifiziert.

2.1.4 On Board Komponenten

Bei diesen Komponenten handelt es sich um diejenigen, die in das Mainboard integriert sind.

2.1.4.1 Universal Serial BUS

Bei dem USB (Universal Serial BUS) handelt es sich um einen Anschluss für verschiedenste Komponenten. Einige Beispiele hierfür sind Digital Cameras und MP3-Player, aber auch Tastaturen und Computermäuse, welche nicht mehr seriell angeschlossen werden. Das Mainboard bietet hierfür sowohl den Anschluss, als auch dem Controller zur Verwaltung. USB-Anschlüsse werden in der Regel aus dem Gehäuse gelegt, da diese mit häufig wechselnden Geräten belegt werden. Und es unpraktisch ist, bei jedem Wechsel den Rechner öffnen zu müssen. Aktuell im Einsatz befindet sich die USB 2.0 Spezifikation.

2.1.4.2 Festplatte (Serial Advanced Technology Attachment)

Das Mainboard stellt sowohl den Festplattencontroller, als auch die physischen Anschlüsse für die Festplatten zur Verfügung. Das aktuell gängigste Anschlussformat ist SATA(Serial Advanced Technology Attachment). Früher Formate und Verkabelungen wie IDE (Integrated Drive Electronics) werden heute kaum noch genutzt.

2.1.4.3 Laufwerke

Für die Anbindung von CD- und DVD- sowie Diskettenlaufwerken wird vom Mainboard ein Komponentencontroller angeboten. Ein entsprechender Anschluss befindet sich auf dem Mainboard, gängig hierfür ist ähnlich zu den Festplatten die Verwendung von SATA. Ältere Mainboards und Laufwerke verwenden IDE.

2.1.4.4 Bluetooth

Bluetooth als On Board Komponente des Mainboards wurde weitestgehend durch das Aufkommen von billigeren Bluetooth-USB-Sticks verdrängt. Einige Boards bieten aber trotzdem die entsprechende Technik, samt den dazugehörigen Controllern, an.

2.1.4.5 Netzwerkadapter

Nahezu alle heute auf dem Markt erhältlichen Mainboards verfügen über einen integrierten Netzwerkadapter samt Netzwerkcontroller, was das Einsetzen einer zusätzlichen Netzwerkkarte überflüssig macht. Je nach Güte des Mainboards und der zu vergleichenden Netzwerkkarte können jedoch Unterschiede in der Geschwindigkeit vorliegen.

2.1.4.6 Sound

Nahezu jedes, im Moment im Handel erhältliche, Mainboard bietet einen Anschluss für Sound an den Boxen bzw. Kopfhörer angeschlossen werden können. Einige Mainboards bieten neben dem einfachen Anschluss weitere für den Einsatz eines Mikrofons oder eines 5.1 Systems^[2]. Dem zu Folge ist auch die vom Mainboard angebotene Software, z.B. für die Verarbeitung von Stereo Signalen, komplexer. Ein dem entsprechend ausgestattetes Mainboard kann eine zusätzliche Soundkarte überflüssig machen.

2.2 Software

Bei der Software eines Mainboards handelt es sich zu meist um Programme und Umgebungen für die Verbindung zwischen Hardware und Betriebssystem. Es werden Einstellmöglichkeiten, z.B. für das Energiemanagement, aber auch der Bootloader zum Starten des Betriebssystems bereitgestellt. Alle Nachfolgenden Varianten bilden also die Grundschicht des Aufbaus eines heutigen PCs. Die Verwendung einer Software zum Starten des Betriebssystems ist heute nicht mehr wegzudenken.

2.2.1 Basic Input Output System

Das BIOS (Basic Input Output System) findet man in fast allen, heute üblichen Mainboards. Beim BIOS handelt es sich um die Software, welche ursprünglich für das Laden des Betriebssystems, sowie den POST (Power On Self Test) zur Überprüfung der angeschlossenen Festplatten und Arbeitsspeicher, sowie Prozessor auf Fehler konzipiert ist. Es ist im ROM (Read Only Memory) verankert und kann somit nicht vom Benutzer entfernt werden. Es können lediglich Konfigurationen vorgenommen und im CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) gespeichert werden. Das CMOS bezeichnet den Chip auf dem sich das BIOS befindet. Das BIOS bietet somit eine Grundschicht des PCs, noch unter dem Betriebssystem gelagert. Es enthält unter anderem Teile des Energiemanagements, aber auch den Bootloader zum Starten des Betriebssystems.

2.2.2 Extensible Firmware Interface

Bei dem EFI (Extensible Firmware Interface), frei übersetzt erweiterbare Firmware Schnittstelle, handelt es sich um eine Schnittstelle zwischen Firmware des Mainboards und dem Betriebssystem^[3]. Das EFI deckt somit den Bootvorgang, also das Laden des Betriebssystems, aber auch das Öffnen von Pre-Boot-Applikationen ab. Beim EFI handelt es sich um eine Standardumgebung, welche aus Datentabellen besteht. In diesen Tabellen sind platformspezifische Informationen enthalten. Die Weiterentwicklung wurde 2005 mit der Version 1.10 eingestellt. Seite dem wird EFI als UEFI (Unified Extensible Firmware Interface) weiterentwickelt^[4]. EFI dient somit als Ausgangspunkt für UEFI.

2.2.3 Unified Extensible Firmware Interface

Während EFI noch alleinig von Intel entwickelt und lizenziert wurde, wird UEFI von der UEFI Industry Group entwickelt und lizenziert. Intel stellte hierfür sein EFI bereit. Die UEFI Industry Group bemüht sich um einen einheitlichen Standard, worauf das Wort "Unified", also standardisiert, im Begriff hinweist. UEFI ist eine Weiterentwicklung des EFI, an der einige Änderungen vorgenommen wurden. Im Gegensatz zum BIOS ist UEFI nicht spezifisch für eine bestimmte Prozessorstruktur^[5]. Das BIOS setzt auf ein 16 Bit Interface, wie es von Intel x86 Prozessoren angeboten wird. Und ist deshalb in Verbindung mit diesen typisch. UEFI soll das BIOS nicht komplett ersetzen, sondern wird als Ergänzung auf das BIOS aufgesetzt und erweitert somit dessen Funktionalität. UEFI kann allerdings auch mit einem nicht-BIOS-System verwendet werden.

3 Aktuelle Entwicklungen

3.1 One-Chip-Desing

Alle Komponenten von IT-Systemen (Informationstechnik-Systemen) unterliegen einem hohen Neu- und Weiterentwicklungsdruck. Besondere Berücksichtigung sollte hierbei dem One-Chip-Design oder System-On-A-Chip gelten. Durch die Miniaturisierung von PC-Komponenten insbesondere für Laptops wird versucht möglichst viel Funktionalität in einen Chip bzw. eine Platine, also eine Stück Silizium, zu integrieren. Im Falle des Mainboards bedeutet dies, dass immer mehr externe Komponenten in die Hauptplatine integriert werden. So ist z.B. auf fast allen aktuellen Mainboards Soft- und Hardware für die Verarbeitung von Sound- bzw. Netzwerksignalen verbaut. Die Hauptplatine bietet dabei Anschlüsse für ein Netzwerkkabel oder die Klinkenstecker eines Lautsprechersystems. Dies bedeutet eine zusätzliche Netzwerkkarte wird nur dann benötigt, wenn die vom Mainboard unterstütze Übertragungsgeschwindigkeit für die Zwecke des Anwenders zu gering erscheint. Ähnliches trifft auch für eine Soundkarte zu, die meisten Motherboards bieten Anschlüsse für Lautsprecherkonfigurationen bis 7.1 sowie Mikrofon.
In diesem Zusammenhang besonders erwähnenswert ist, dass die One-Chip-Technologie auch für den Grafikprozessor verwendet wird. Dies trifft insbesondere bei Laptops zu, da diese besonders leicht und energieeffizient sein müssen. Deshalb wird auf zusätzliche Komponenten zumeist verzichtet. Eine integrierte Grafikverarbeitung heißt dann On-Board-Grafik und wird wie folgt umgesetzt. Es wird ein zusätzlicher Prozessorchip auf dem Mainboard angebracht. Dieser Arbeitet unabhängig von der CPU und wird GPU (Graphics Processing Unit) genannt. Diese GPU nutzt den Hauptspeicher gemeinsam mit der CPU. Dies enthält eine Gewisse Komplexität. Da Zugriffe beider Prozessoren verwaltet werden müssen. Ebenfalls sind einige Grafikprozesse sehr Speicherintensiv. Die gemeinsame Nutzung des Arbeitsspeichers ist also nur dann sinnvoll, wenn der Rechner über genügend RAM verfügt. Da die meisten Rechner allerdings über vier Gigabyte Speicher verfügen, stellt eine gemeinsame Nutzung kein großes Problem dar. Allerdings ist zu bedenken, dass je nachdem, welche Wünsche der Anwender hat eine One-Board-Grafiklösung nicht ausreichend ist. Will der Anwender z.B. Computerspiele spielen, so kann die Fähigkeit eines On-Board-Grafikchips nicht ausreichend sein. Einige dieser Chips unterstützen nicht alle 3D Berechnungen, wie Licht- und Schattenberechnungen und Kantenglättung, die eine gleichwertige Grafikkarte mit eigenem Speicher leisten kann. Ein One-Chip-Design, kann also sowohl Vor-, als auch Nachteile bieten, welche aber vom Anwender und dessen Interessen abhängig zu bewerten sind.
Da IT-Technik umweltfreundlicher werden soll und Green-IT immer mehr eine Rolle spielt, sind Faktoren wie die Energieverwaltung nicht zu vernachlässigen. Viele Hersteller versuchen sich durch von Ihnen beworbene Entwicklungen in diesem Bereich von Konkurrenz abzugrenzen. Ein Beispiel hierfür wäre die Dual Intelligent Processors Konfiguration von ASUS, also ein Zusammenstellung von zwei intelligenten Prozessoren. EPU (Energy Processing Unit), zur Energieverwaltung und TPU (Turbo Processing Unit), zur Entlastung der CPU und Systemoptimierung. Diese Konfiguration soll den PC laut Hersteller um 37% schneller machen und 80% der Energie einsparen. Allerdings gibt es hierzu keine verlässlichen Informationen, lediglich Werbeanzeigen.^[6]. Deshalb sind solche Abgrenzungsmerkmale kritisch zu bewerten. Eine Konfiguration die mehr Leistung und trotzdem einen geringeren Energieverbrauch bieten soll, klingt zumindest unrealistisch.

3.2 Steckplätze

Aktuelle Entwicklungen im Hinblick auf Steckplätze bewegen sich primär im Bereich von Prozessorsockeln. Erwähnenswert hierbei sind der Sockel 1366 - für Intel Core i7 Prozessoren und der Sockel 1155 für die in der Entwicklung befindlichen Intel Sandybridge Prozessoren.

Aktuell befinden sich die Intel Core i7 Prozessoren auf dem Markt, diese lösen die Generation der Pentium D Prozessoren im Bereich der Einprozessorsystem ab. Dem entsprechend setzen aktuelle Mainboards auf den zugehörigen Sockel 1366. Ein Beispiel hierfür ist das GA-X58A-UD9 Mainboard von Gigabyte.^[7]. Es bietet zusätzlich 4 PCI-E Steckplätze und 6 Steckplätze für Arbeitsspeicher.

Für den Sockel 1155, bei dem sich die zugehörige Prozessorengeneration noch in der Entwicklung befindet, tauchten im Internet erste Informationen zu Mainboards verschiedener Hersteller auf. Diese sind bis jetzt aber noch nicht verlässlich. Klar ist allerdings, dass die Mainboardhersteller auf Kurz oder Lang eine Unterstützung des 1155 Sockels gewährleisten müssen. Die Prozessoren für den Sockel 1155 werden von Intel unter dem Namen Sandy Bridge entwickelt.
Aktuelle Hauptplatinen verfügen zu meist über vier Steckplätze für Arbeitsspeicher. Einige Boards setzen seit Neuestem auf sechs statt vier Steckplätze. Dies bedeute im Allgemeinen keine große Änderung, kann aber für den einzelnen Anwender durchaus von Interesse sein. Eine Entwicklung zu immer mehr Steckplätzen auf einem Mainboard ist zu erkennen. Dies ist vor allem im Rahmen von PCI-E und PCI Steckplätzen, bedingt durch die hohe Anzahl verschiedener Komponenten^[8], zu erkennen.
Allerdings werden von neuen Mainboards immer mehr nur noch PCI-E Steckplätze angeboten. Der PCI Steckplatz verliert somit seine Bedeutung. Und wird letztendlich vollständig durch den schnelleren PCI-E Steckplatz ersetzt werden. Weiterhin werden primär die Geschwindigkeiten erhöht. So werden SATA-Anschlüsse für Festplatten mit Geschwindigkeiten bis zu 6 Gigabyte pro Sekunde angeboten. Auch eine Integration von USB 3.0 Anschlüssen ist Ziel der Hersteller, was dem Kunden einen Geschwindigkeitsvorteil ermöglichen soll^[9]. USB 3.0 konnte sich allerdings bisher noch nicht am Markt durchsetzen, unter anderem deshalb, weil ein großer Kompromiss für die Abwärtskompatibilität zu USB 2.0 in Kauf genommen wurde. Dies zeigt sich auch am etwas fremd anmutenden Aussehen der USB 3.0 Stecker.
Neben der Erhöhung der Geschwindigkeiten versuchen viele Hersteller sich über besondere Energiesparsamkeit oder besondere Funktionen von der Konkurrenz abzuheben.
Ein Beispiel hierfür ist z.B. ON/OFF Charge Funktion von Gigabyte für schnelles und effizientes Aufladen von iPhone, iPad oder iPod^[10]. Dies funktioniert laut Hersteller bei ein- und ausgeschaltetem PC. Dazu liefert Gigabyte einen Anschluss für Appels Geräte und verhindert durch das Erkennen der Ladespannung ein Überladen.
Ebenfalls im Hinblick auf die Steckplätze eines Mainboards zu erwähnen, sind Mehrprozessorsysteme. Bei diesen Systemen werden erhöhte Anforderungen an die Hauptplatine gestellt. Das Mainboards muss dann Steckplätze für mehrere Prozessoren bieten und diesen die entsprechenden Betriebsspannungen zuordnen. Diese Mehrprozessorsysteme sind allerdings aktuell nicht für den Privatanwender bestimmt.

3.3 UEFI

Wie schon beschrieben setzt der UEFI Standard auf EFI auf und arbeitet demzufolge genau wie das BIOS als Schnittstelle zwischen ROM und Betriebssystem^[11]. Er wird zusätzlich zum BIOS verwendet und bildet eine Art Kapsel um das BIOS herum. UEFI bietet also alle Funktionen des BIOS und ergänzt diese um einige weitere. Somit ist UEFI eine Möglichkeit für einen neuen Standard in Bezug auf Bootprogramme. Da das BIOS alleine im Einundzwanzigsten Jahrhundert an seine Grenzen stößt, soll UEFI einen Fortschritt bringen. Dazu bietet UEFI die Möglichkeit Shell Skripte laufen zu lassen, also Rechenabläufe, die noch vor dem Start des Betriebssystems ausgeführt werden. UEFI gibt es in verschiedenen, so genannten, Support Levels, bis hin zur Interaktivität. UEFI Shell Skripte können also vom Benutzer als auch von einem Programm aufgerufen werden. UEFI bietet auch hier eine klare Strukturierung in 4 Kategorien von Support Levels. Minimal, als Level 0, wenn UEFI nur zum Starten des Betriebssystems genutzt wird. Level 1, Skripitng, hier wird UEFI mit einfachen Skripten genutzt, es stehen nicht alle Befehle zur Verfügung, so zum Beispiel Zeit- und Datumsfunktionen. Ab Level 1 erlaubt UEFI das Starten von Batch Skripten. Weiterhin gibt es Level 2, Basic, hier kommen Befehle der Datums- und Zeitfunktionen zum Einsatz. Und schließlich Level 3, Interactive, hier kann UEFI interaktiv genutzt werden, somit kann der Benutzer einfacher auf den Startvorgang Einfluss nehmen^[12]. UEFI versucht den Sprung in die Interaktivität, welche beim BIOS teilweise zu vermissen ist.
Um die Vorteile von UEFI auch auf Maschinen nutzen zu können, welche eine UEFI Implementierung nicht vorgesehen haben bietet UEFI eine Lösung über ein so genanntes DUET(Developers UEFI Emulation). Das DUET bietet eine virtuelle, bootbare Datei, welche als Standard gebootet werden soll. Somit bietet DUET auch auf einen nicht UEFI System, also z.B. BIOS, die Möglichkeit UEFI zu starten^[13].
Das BIOS ist ursprünglich nicht für die modernen PCs gedacht und definiert keinen einheitlichen Standard^[14]. Daraus ergeben sich einige Einschränkungen und Nachteile des BIOS'. Rothman beschreibt diese wie folgt:"

• Das BIOS ist 16-bit basiert, der Prozessorenaufbau hingegen beruht auf einer 64-bit Architektur.
  
• Das BIOS bringt ein festes Limit für die Größe des zur Ausführung des Optionen ROMS nötigen Speicherplatzes mit sich, und begrenzt die Unterstützung bootfähiger Festplatten bei Servern, zum einen in Hinsicht auf die Größe der ausführbaren Dateien, zum anderen in Hinsicht auf die Anzahl der Festplatten, welche gestartet werden könnten.
  
• Das BIOS hängt von der alten Methode des PC-AT Interrupt Routing und der Timer Hardware ab und begrenzt damit die Freiheit bezüglich des Hardwaredesigns. In Vergleich dazu setzen die gängigsten Betriebssysteme auf fortgeschrittene Interrupt Controller und hoch präzise Timer.
  
• BIOS Erweiterung werden aus dem Stegreif geschaffen und sind deshalb anfällig für Konflikte^[15] und auch für Probleme, die sich aus dem Zusammenspiel mehrerer Komponenten ergeben.
• Viele BIOS Umsetzungen sind nicht modular aufgebaut und machen das weiterverwenden von Code oder Codeteilen sehr schwer^[16]."
  

Ein weiteres Problem des BIOS ergibt sich durch die Verwendung Partitionen Tabelle im Master Boot Record zur Adressierung der Festplattenpartitionen beim Startvorgang. Wobei eine Einschränkung der maximalen Partitionsgröße erfolgt. Partitionen, welche über mehr als zwei Terrabyte Speicher verfügen, sind mit dem BIOS nicht möglich^[17] UEFI bietet hier eine Lösung, durch die Verwendung der Guided Partition Table, welche Partitionen über zwei Terrabyte ermöglicht^[18]. Mit dem wachsenden, verfügbaren Festplattenspeicher steigen also auch die Ansprüche an die Systemsoftware. Eine ähnliche Entwicklung zeigt sich im Hinblick auf die Hardwarekomponeten, diese entsprechen nicht mehr einem gleichen Design, sondern werden immer verschiedener. UEFI wirkt hier mit einem modularen Aufbau, der Treiberumgebung entgegen. Das BIOS wurde nicht für die Verwendung dieser unterschiedlichen Hardware konzipiert und unterstützt diesen Modularen Aufbau nicht^[19].
Diese Aussagen zeigen, dass UEFI einen Fortschritt zum BIOS darstellt. Da die Software des Mainboards eine elementare Komponente darstellt, ist dies eine wichtige Entwicklung.

4 Zukünftige Erwartungen

Für die Zukunft lassen sich folgende Aussagen treffen:

4.1 Hardware

Mainboards werden sich immer am aktuellen Prozessorstandard orientieren und entsprechende Sockel implementieren. Dies hat zum einen die Geschichte gezeigt, zum anderen erscheint logisch, dass sich mit der Unterstützung der neuesten Prozessorengeneration, der meiste Gewinn erwirtschaften lässt. Da in der IT der Innovationsdruck sehr hoch ist und sich Hardwarekomponeten schnell weiterentwickeln werden die Mainboardhersteller auch ihre Mainboards schnell weiterentwickeln. Möglich wäre auch, dass sich Mehrprozessorsysteme für den Privatanwender etablieren, was den Herstellern von Motherboards einen weiteren Markt eröffnen würde.
Steckplätze des Mainboards werden sich in Hinblick auf die Geschwindigkeit weiter verbessern, diese stetige Entwicklung hat bereits begonnen. Besonders im Bereich der PCI-E Steckplätze ist hier einer Weiterentwicklung zu erwarten, da PCI-E momentan zum Standard für den Anschluss von wechselbaren Hardwarekomponeten wird. Auch im Bereich der USB-Schnittstelle sind ähnliche Entwicklungen zu erwarten, da diese als meist genutzter, äußerer Anschluss für Peripherie gilt. Wobei hier USB 3.0 noch kein Durchbruch gelungen ist. Auch der Arbeitsspeicher wird sich weiter verbessern so ist eine höhere Speichergröße zu erwarten, ein geringerer Stromverbrauch und eine kleinere Bauweise. Hierdurch werden sich auf die Steckplätze für den Arbeitsspeicher verkleinern. Diese werden außerdem auf den geringeren Stromverbrauch eingestellt werden müssen.
Im Rahmen der Miniaturisierung werden Mainboards wahrscheinlich immer kleiner werden. Dies ist zum einen für die Verwendung in Laptops, aber auch als Teilkomponenten in Fahrzeugen nötig. Auch die Intention des One-Chip-Designs wird weiter verfolgt werden. Diese könnte dazu führen, dass wirklich alle Komponenten eines PCs in die Hauptplatine integriert sind. Mainboards könnten Komponenten wie Sound- und Netzwerkkarten vollständig vom Markt verdrängen.
Auch Energieeffizienz wird weiterhin ein Thema für die Entwicklung von Mainboardhard- und Software sein. Da Energie in Zukunft weiterhin als Knappe Ressource eingeschätzt werden kann. Im Rahmen von Green IT als Imagevorteil von Unternehmen werden Energiebedarf und Energieeffizienz eine wichtige Rolle spielen.
Viele Hersteller von Mainboards werden weiterhin versuchen sich von der Konkurrenz abzuheben, indem sie ihre Mainboards mit zusätzlichen Komponenten ausstatten. Diese können von Energiemanagement bis hin zu Anschlüssen zum Laden externer Geräte z.B. von Mobiltelefonen reichen. Dies wird unter Konkurrenzdruck auch nötig sein, da ein Mainboard im weitesten Sinne immer den gleichen Aufbau hat.
Deshalb ist auch das sichtbare Design des Mainboards als Verkaufskriterium nicht von der Hand zu weisen. Besonders deswegen, weil es auch Möglichkeiten gibt Mainboards nach außen sichtbar zu machen. Z.B. ist es unter so genannten Case Moddern üblich das Gehäuse eines PCs so umzubauen, das durch eine Kunststoffscheibe innere Komponenten wie das Mainboard sichtbar sind und diese zusätzlich zu beleuchten. Hier entscheidet das Aussehen eines Mainboards über den Kauf.
Vor allem im Bereich von Embedded Systems, also Systemen in Geräten wie z.B. Waschmaschinen, werden Mainboards in Zukunft häufiger zum Einsatz kommen. Dies bringt einige Anforderungen an Mainboards mit sich. Zum einen wird ein geringer Energiebedarf gefordert werden, zum anderen müssen diese Mainboards besonders klein sein. Weiterhin ist es günstig alle Komponenten auf der Platine zu vereinigen also ein One-Chip-Design umzusetzen. Es müssen an dieser Stelle Sensoren an das Mainboard angeschlossen werden können, denn auch im Bereich von Sensorsystemen werden Hauptplatinen benötigt. Hier kommt zusätzlich die Schwierigkeit hinzu verschiedene physikalische Größen auf elektrische Signale umzusetzen. An dieser Stelle werden allerdings keine Mainboards im üblichen Sinne zum Einsatz kommen, sondern auf wesentliche Komponenten beschränkte Platinen verwendet werden. Hierzu wird es nötig sein, die Platine an die jeweiligen Bedürfnisse des Systems, ob Sensor oder Bordcomputer eines Autos, anzupassen.

4.2 Software

Im Bezug auf Mainboardsoftware wird auf kurz oder lang die Ablösung des BIOS als Bootsoftware thematisiert werden. Ob diese durch UEFI oder möglicherweise eine anderes, bislang unbekanntes Produkt, erfolgt ist bislang ungewiss. EFI wird dabei vermutlich keine Rolle spielen, da mit UEFI bereits eine Weiterentwicklung erfolgt ist.
UEFI bietet einige Vorteile gegenüber dem BIOS, welche nicht außer Acht zu lassen sind. Zum Beispiel die Erweiterung der Partitionsgröße, die Modularisierung von Treibern und die Schaffung eines einheitlichen Standards durch das UEFI Forum. Das BIOS gilt weithin als veraltet, z.B. im Hinblick auf die Architektur, dies ergibt sich durch den Aufbau an Hand einer 16 Bit basierten Struktur. Weiterhin fehlt dem BIOS eine interaktive Benutzeroberfläche, welche es auch einem Laien ermöglicht grundlegende Einstellungen vorzunehmen. Diese Gründe sprechen für UEFI als Option zur Ablösung des BIOS. Ob allerdings UEFI alleinig genutzt werden wird, oder ob sich eher eine Kombination aus UEFI und BIOS durchsetzt ist ungewiss.

5 Bewertung

5.1 Kosten

Die Kosten für neue Mainboards können für den Kunden durchaus hoch sein. Da es üblich ist, zusätzlich zu den Material und Arbeitskosten auch die Entwicklungskosten mit in den Preis einzurechnen. Auch ist es möglich, dass durch besondere Innovation auch eine besonders hoher Preis erzielt werden soll. Grundsätzlich ist es so, dass IT-Produkte die gerade am Markt erscheinen grundsätzlich teurer sind, als diese, welche sich bereits einige Zeit am Markt befinden. Ein Beispiel für Mainboardkosten an Hand eines Elektronikfachhandels: Der Elektronikfachhandel Conrad Elektronik SE bietet Mainboards im Preisbereich von 40€ bis 90€^[20], und somit eher preiswertere Modelle. Mainboards können im Premium bzw. High End Segment weit höhere Preise aufweisen.
Die Überlegung, eher Mainboardmodelle zu kaufen, welche sich schon einige Zeit am Markt befinden, ist sinnvoll. Allerdings ist hierbei zu bedenken, dass diese unter Umständen nicht den neuesten Stand der Technik repräsentieren und eine geringere Leistung aufweisen können als neu am Markt erschienene Modelle. Je nach dem, auf was ein Unternehmen oder ein Privatkunde Wert legt, maximale Leistung oder möglichst niedriger Preis ist durchaus die eine oder die andere Variante als die bessere zu sehen. Zu berücksichtigen sind also vor allem die Interessen und Ansprüche des Kunden. Wobei für höhere Kosten auch ein höherer Nutzen geboten werden kann.

5.2 Nutzen

Durch die Verwendung neuester Technik ergibt sich immer ein gewisser Nutzen. Im Allgemeinen beispielsweise eine höhere Energieeffizienz und eine damit verbundene Kosteneinsparung. Dies bietet natürlich Vorteile, im Rahmen von Green IT und ökologischer Nachhaltigkeit und könnte deshalb vor allem für die IT Bereiche der Kommunen von Interesse sein.
Im speziellen Fall Mainboard bieten schneller Komponentensteckplätze mehr Leistung, die Verwendung eines One-Chip-Designs verringert den benötigen Platz und ein verbessertes Energiemanagement verringert den Stromverbrauch. Mehr Leistung wird durch die Verwendung von Steckplätzen für die neueste Prozessorengeneration, aber auch durch die Verbesserung von Komponentensteckplätzen erreicht. Eine Verbesserung der Energieeffizienz ist z.B. durch UEFI realisierbar. Durch die Verbesserung der Einstellmöglichkeiten und der dahinter liegende Management- und Verwaltungssoftware kann Eine Verringerung des Energieverbrauchs erreicht werden.
Ob zusätzliche vom Hersteller angebotene Erweiterungen und beworbene Komponenten wirklich einen Nutzen bringen ist hingegen fraglich.
Klar ist allerdings, dass sich Notwendigkeit von Fortschritt und dessen Nutzen gegenseitig bedingen.

5.3 Notwendigkeit

Durch den technischen Fortschritt sind Weiterentwicklungen von Mainboards genauso nötig, wie die Weiterentwicklung aller anderen PC-Komponenten. Eine höhere Geschwindigkeit der PC Komponenten wird gefordert, damit Roboter noch präziser arbeiten und PCs Daten noch schneller verarbeiten können. Dies erfordert natürlich die Weiterentwicklung der Mainboards. Zum einen in Hinsicht auf die Geschwindigkeit von Steckplätzen, zum anderen müssen Mainboards die neueste Generation von Prozessoren unterstützen. In diesem Fall die noch in der Entwicklung befindlichen Sandy Bridge Prozessoren. Auch wird vom Anwender die Möglichkeit gewünscht die Vorhandenen Ressourcen frei und effektiv zu nutzen, z.B. im Rahmen der Gestaltung der Partitionsgröße. Hier bietet UEFI eine Lösung. Der Anwender möchte wahrscheinlich nicht durch die im Mainboard verankerte Software eine Einschränkung in der Nutzung seiner Hardware erleiden.
Auch macht die Spielebranche eine Weiterentwicklung von Mainboards zur Notwendigkeit. Viele Computerspiele benötigen eine hohe Leistung, auch des Mainboards, um 3D Effekte, Schatten und Kanten richtig darzustellen. Computerspiele werden immer effektvoller und versuchen durch eine hohe Auflösung zu überzeugen. Gerade dies zählt bei vielen Spielefans als Kaufargument. Interessant ist hierbei, dass durch die Notwendigkeit Spiele zu verschönern, auch die Notwendigkeit entsteht Mainboards zu verbessern. Dadurch werden Synergieeffekte für die Spielehersteller und Mainboardhersteller in Kombination frei. Wer die neuesten Spiele spielen möchte wird wahrscheinlich auf lange Sicht ein neues Mainboard kaufen müssen.
All diese Entwicklungen sind demzufolge notwendig. Skeptisch zu sehen sind allerdings Entwicklungen, wie eine Ladefunktion für das IPhone. Dies ist zwar eine Erleichterung für die Besitzer eines IPhones. Allerdings besitzt nicht jeder ein IPhone. Es ist zusätzlich zumindest fraglich ob ein Laden am PC wirklich notwendig ist, da ein Ladegerät für die Steckdose vom Hersteller mitgeliefert wird und ein PC ebenfalls Strom aus einer Steckdose benötigt um arbeiten zu können. Hiervon ausgenommen sind natürlich Laptops, allerdings verringert ein Laden des Mobiltelefons am Laptop den Batteriestand des Laptops und damit dessen Einsatzdauer ohne Laden. Auch Entwicklungen wie Prozessoren zur Energieverwaltung sind nicht unbedingt notwendig, da zum einen alternativ eine Softwarelösung verwendet werden kann und zum anderen kein Nachweis erbracht ist, in welchem Maße eine Stromeinsparung durch einen zusätzlichen Prozessor stattfindet. Zu Bedenken ist hierbei, dass dieser Prozessor ebenfalls Strom benötigt.

6 Schlusswort

Abschließend lässt sich sagen, dass zur Zeit einige Entwicklungen in Hinblick auf Mainboard-Architekturen zu beobachten sind. Sowohl unter Berücksichtigung von Hardware, als auch von Software. Besonderes Augenmerk ist hierbei auf UEFI zu richten, da dieses die weitest reichenden Änderungen mit sich bringt.
Im Hinblick auf Hardware wird sich vor allem die Baugröße verkleinern als auch die Geschwindigkeit einzelner Mainboardkomponenten erhöhen. So z.B durch den Einsatz von PCI-E statt PCI. Auch die Leistung des Arbeitsspeicher wird sich weiter erhöhen. Dies macht schneller Steckplätze erforderlich.
Interessant zu beobachten sollte wohl auch der Versuch der Hersteller sein, sich von ihrer Konkurrenz abzuheben. Denn fraglich ist ob dies einem Hersteller gelingen wird und ob neue Entwicklungen einen wirklichen Vorteil für den Kunden bringen. Oder ob hier mit Vorteilen geworben wird, die in der Realität nicht existent sind.
Technischer Fortschritt ist nicht aufzuhalten, dies gilt auch für Mainboards. So wird es auch in der Zukunft weitere, neue Entwicklungen geben. Fortschritt für Mainboards ist auch notwendig, da immer schnellere PCs in Technik, Medizin und im Alltag benötigt werden. Der Kunde wünscht den Fortschritt, auch die Branche für Computerspiele trägt diese Richtung mit. Da Spiele immer effektvoller werden und auch dem Mainboard eine hohe Leistung abverlangen.
Die neueste Mainboardtechnik bringt sowohl Kosten, als auch Nutzen mit sich. Wobei je nach Bedürfnissen des Anwenders oder Kunden eines Mainboardherstellers der Nutzen die Kosten übersteigt oder umgekehrt. Besonders im Rahmen von Green-IT kann es sinnvoll sein auf die neueste Mainboardgeneration zu setzen um Energie zu sparen. Hier entsteht ein Vorteil durch die Energiekostenreduktion durch und das gute Image von Green-IT.
Mainboards werden uns weiterhin durch unseren Alltag begleiten, wenn vielleicht auch nicht immer sichtbar, z.B. dann, wenn Computerchips immer kleiner werden und ganze Geräte vielleicht nur noch aus einem Bauteil bestehen.

7 Fußnoten

1. ↑ Vgl. Universität zu Köln (2010)
2. ↑ Ein 5.1 Soundsystem beschreibt ein Kombination aus fünf Hochtonlautsprechern und einem Tieftonlautsprecher.
3. ↑ Firmware beschreibt Software, die fest in einem Gerät verankert ist und zu meist nicht durch den Anwender entfernt oder verändert werden kann.
4. ↑ Vgl. Intel (2010).
5. ↑ Vgl. UEFI (2010a)
6. ↑ Vgl. ASUS (2010)
7. ↑ Vgl. Gigabyte (2010b)
8. ↑ Beispielsweise Sound-, Netzwerk- und TV-Karten.
9. ↑ Vgl. Gigabyte (2010b)
10. ↑ Vgl. Gigabyte (2010a)
11. ↑ Vgl. Rothman (2009a), S. 1
12. ↑ Vgl. Rothman (2009b), S. 3
13. ↑ Vgl. Rothman (2009b), S. 4
14. ↑ Vgl. Rothman (2009a), S. 6
15. ↑ Hier sind Konflikte in der Adressierung mehrerer Hardwarekomponenten gemeint.
16. ↑ Rothman (2009a), S. 7: "
    
    • BIOS is 16-bit based, while the processor architecture has mostly evolved to 64-bit
      
    • BIOS presents a hard limit on the size of Option ROM execution space, severely restricting the support of bootable devices
      on servers, both in term of the executable image size and the number of devices supported for booting
      
    • BIOS depends on legacy PC-AT interrupt routing and timer hardware, severly limiting server hardware design freedom. By
      comparison, the mainstream OSes have moved to rely on advanced interrupt control and high precision timer
      
    • BIOS interface extensions are ad hoc, prone to conflicts as well as interoperability issues
    • Most BIOS implementations are not modular, making code decomposition and sharing very difficult"
17. ↑ Vgl. Rothman (2009a), S. 4.
18. ↑ Vgl. Rothman (2009a), S. 4.
19. ↑ Vgl Rothman (2009a), S. 3
20. ↑ Vgl. Conrad (2010), S. 3-6

8 Abkürzungsverzeichnis

Abkürzung	Begriff
BIOS	Basic Input Output System
BUS	Binary Unit System
CMOS	Complementary Metal-Oxide Semiconductor
CPU	Central Processing Unit
DDR	Double Data Rate
DUET	Developers UEFI Emulation
EFI	Extensible Firmware Interface
EPU	Energy Processing Unit
GPU	Graphics Processing Unit
IDE	Integrated Drive Electronics
IT	Informationstechnik
LGA	Land Grid Array
PC	Personal Computer
PCI	Peripheral Component Interconnect
PCI-E	Peripheral Component Interconnect Express
POST	Power On Self Test
RAM	Random Access Memory
ROM	Read Only Memory
SATA	Serial Advanced Technology Attachment
TPU	Turbo Processing Unit
UEFI	Unified Extensible Firmware Interface
USB	Universal Serial BUS

9 Abbildungsverzeichnis

Abb.-Nr.	Abbildung
1	Das GA-X58A-UD9 Mainboard von Gigabyte. Quelle: Gigabyte (2010c)

10 Tabellenverzeichnis

Tabelle Nr.	Quelle

11 Quellenverzeichnis

Kurzform	Quelle
ASUS (2010)	ASUSTeK Computer Inc.: Dual Intelligent Processors, Taipeh 2010, http://event.asus.com/mb/2010/Dual_Intelligent_Processors/ (Abgerufen 15.11.2010 16:05)
Conrad(2010)	Conrad Electronik SE: Ihre Suche: 262 Treffer für "Mainboard", Hirschau 2010, http://www.conrad.de/ce/de/search/?search=mainboard&s_categories1=conrad_b2c_shop_b2c_tab_computer&initial=true&s_po=100&s_ps=20&s_of0=grossprice_vko_1000&s_oa0=true&s_of1=&s_oa1=true (Abgerufen 29.11.2010 11:24)
Gigabyte (2010a)	Gigabyte Technology Co., Ltd.: Nachrichten - GIGABYTE On/Off Charge funktioniert mit dem iPhone 4, Taipeh 2010, http://www.gigabyte.de/press-center/news-page.aspx?nid=-11 (Abgerufen 15.11.2010 15:17)
Gigabyte (2010b)	Gigabyte Technology Co., Ltd.: GA-X58A-UD9, Taipeh 2010, http://www.gigabyte.de/products/product-page.aspx?pid=3434#ov (Abgerufen 19.11.2010 12:17)
Gigabyte (2010c)	Gigabyte Technology Co., Ltd.: Bild: GA-X58A-UD9, Taipeh 2010, http://www.gigabyte.de/fileupload/product/2/3434/2992.jpg (Abgerufen 07.12.2010 11:13)
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Intel (2010)	Intel Corporation: EFI, Santa Clara, Kalifornien 2010 http://www.intel.com/technology/efi/ (Abgerufen 08.11.2010 11:35)
Phoenix (2010)	Phoenix Technologies Ltd.: Core System Software (BIOS), Milpitas, Kalifornien 2010, http://www.phoenix.com/pages/bioscss (Abgerufen 29.10.2010 15:19 Uhr)
Rothman (2009a)	Michael Rothman et al.: A Tale of Two Standards, Intel Corporation, Santa Clara, Kalifornien 2009 http://www.uefi.org/learning_center/A_Tale_of_Two_Standards.pdf (Abgerufen 23.11.2010 09:41)
Rothman (2009b)	Michael Rothman et al.: The UEFI Shell in Detail , Intel Corporation, Santa Clara, Kalifornien 2009 http://www.intel.com/intelpress/articles/The_UEFI_Shell_in_Detail.pdf (Abgerufen 23.11.2010 10:00)
UEFI (2010a)	UEFI Forum Administration: UEFI FAQ, Beaverton, Oregon 2010, http://www.uefi.org/about/ (Abgerufen 08.11.2010, 16:21)
UEFI (2010b)	UEFI Forum Administration: UEFI, Beaverton, Oregon 2010, http://www.uefi.org/home/ (Abgerufen 08.11.2010 14:14)
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Universität zu Köln (2010)	Universität zu Köln: PCI-Express, Köln 2010, http://lehre.hki.uni-koeln.de/seminare/basisinformationstechnologie-i/rechnertechnologie-i/pci-express (Abgerufen 08.11.2010 12:16)