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Informatik

Bei der Informatik handelt es sich um die Wissenschaft von der systematischen Darstellung, Speicherung, Verarbeitung und Übertragung von Informationen, wobei besonders die automatische Verarbeitung mit Digitalrechnern betrachtet wird. Sie ist zugleich Grundlagen- und Formalwissenschaft als auch Ingenieurdisziplin.

Inhaltsverzeichnis

Ursprung

Bereits Gottfried Wilhelm Leibniz hatte sich mit binären Zahlendarstellungen beschäftigt. Gemeinsam mit der Booleschen Algebra, die zuerst 1847 von George Boole ausgearbeitet wurde, bilden sie die wichtigsten mathematischen Grundlagen späterer Rechensysteme. 1937 veröffentlicht Alan Turing seine Arbeit On Computable Numbers with an application to the Entscheidungsproblem, in welcher die nach ihm benannte Turingmaschine vorgestellt wird, ein mathematisches Maschinenmodell, das bis heute für die Theoretische Informatik von größter Bedeutung ist. Dem Begriff der Berechenbarkeit liegen bis heute universelle Modelle, wie die Turingmaschine und die Komplexitätstheorie zu Grunde, die sich ab den 1960er Jahren zu entwickeln begann. Die Berechenbarkeit greift bis in die Gegenwart auf Varianten dieser Modelle zurück.

Etymologie

Das Wort Informatik entstand durch das Anhängen des Suffix -ik an den Wortstamm von Information. Geprägt wurde die Bezeichnung Informatik von Karl Steinbuch und kann auf seine erste Publikation „Informatik: Automatische Informationsverarbeitung“ von 1957 zurückgeführt werden, die er bei Standard Elektrik AG (SEG) veröffentlichte. Um die Bedeutung der Automation oder Mathematik für die Informatik zu betonen, wird Informatik manchmal auch als Kofferwort aus Information und Automatik oder Information und Mathematik ausgegeben.

Nach einem internationalen Kolloquium in Dresden am 26. Februar 1968 setzte sich Informatik als Bezeichnung für die Wissenschaft nach französischem (informatique) und russischem Vorbild (Информатика) auch im deutschen Sprachraum durch. Im Juli des gleichen Jahres wurde der Begriff Informatik erstmals als deutscher Name für ein neu einzurichtendes Studienfach in einer Berliner Rede des Ministers Gerhard Stoltenberg verwendet. Während im englischen Sprachraum die Bezeichnung Computer Science üblich ist, konnte sich die deutsche Entsprechung Computerwissenschaften nicht durchsetzen. Jedoch wird der Ausdruck Informatics im Englischen für bestimmte Teile der Angewandten Informatik verwendet – etwa im Falle der Bioinformatics oder der Geoinformatics. Bei Übersetzungen ins Englische wird im deutschen Sprachraum teilweise die Bezeichnung Informatics gegenüber Computer Science bevorzugt.

Entwicklung der Informatik zur Wissenschaft

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In Deutschland gehen die Anfänge der Informatik auf das Institut für praktische Mathematik (IPM) der Technischen Hochschule Darmstadt (TH Darmstadt) zurück, das der Mathematiker Alwin Walther seit 1928 aufbaute. 1956 konnten sich die ersten Studenten am Darmstädter Elektronischen Rechenautomaten mit den Problemen von Rechenautomaten befassen. Zeitgleich wurden an der TH Darmstadt die ersten Programmiervorlesungen- und praktika angeboten. Aufgrund des Renommees, den die TH Darmstadt zu dem Zeitpunkt in der Rechenautomatenforschung hatte, fand der erste, im deutschsprachigen Raum abgehaltene Kongress zum Fachgebiet Informatik (elektronische Rechenmaschinen und Informationsverarbeitung) mit internationaler Beteiligung im Oktober 1955 an der TH Darmstadt statt.

Deutschland mangelte es in den 1960er Jahren an Wettbewerbsfähigkeit im Gebiet der Datenverarbeitung (DV). Um dem entgegenzuwirken, verabschiedete der Bundesausschuss für wissenschaftliche Forschung am 26. April 1967 das Programm für die Förderung der Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Datenverarbeitung für öffentliche Aufgaben. Für die Umsetzung war der sogenannte „Fachbeirat für Datenverarbeitung“ zuständig, der überwiegend aus Vertretern der Hochschulen und außeruniversitären Forschungseinrichtungen bestand. Auf der siebten Sitzung des Fachbeirates am 15. November 1967 signalisierte Karl Ganzhorn, der zu dem Zeitpunkt für Forschung und Entwicklung bei IBM Deutschland zuständig war, die Probleme der Industrie, Fachpersonal zu finden. Der Direktor des Instituts für Nachrichtenverarbeitung an der TH Darmstadt, Robert Piloty, wies darauf hin, dass die deutschen Hochschulen dafür zuständig seien, qualifiziertes Personal auszubilden. Daraufhin bildete sich der Ausschuss „DV-Lehrstühle und -Ausbildung“. Den Vorsitz übernahm Piloty. Der Ausschuss formulierte Empfehlungen für die Ausbildung von Informatikern, welche die Einrichtung eines Studiengangs der Informatik an mehreren Universitäten und Technischen Hochschulen vorsahen.

1967 bot die TU München einen Studienzweig Informationsverarbeitung im Rahmen des Mathematikstudiums auf Initiative Friedrich Ludwig Bauers an. 1968 führte die TH Darmstadt den ersten Informatikstudiengang ein. 1969 folgte der Studiengang "Datentechnik (Technische Informatik)" und 1970 ein Mathematikstudiengang, der mit dem Grad "Diplomingenieur im Fach Mathematik mit Schwerpunkt Informatik" abschloss. Am 1. September 1969 begann die Technische Universität Dresden als erste Hochschule der DDR mit der Ausbildung von Dipl.-Ing. für Informationsverarbeitung. Ebenfalls 1969 begann die Ingenieurschule Furtwangen (später Fachhochschule Furtwangen) mit der Ausbildung, hier noch Informatorik genannt. Im Wintersemester 1969/70 bot die Universität Karlsruhe (heute Karlsruher Institut für Technologie) als erste bundesdeutsche Hochschule ein Informatikstudium an, der mit dem Grad "Diplom-Informatiker" abschloss.

Die Johannes Kepler Universität (JKU) Linz startete im Wintersemester 1969/70 als erste österreichische Universität mit der Studienrichtung Informatik und der Ausbildung zum Diplomingenieur. Im Wintersemester 1970/71 folgte die Technische Universität Wien. Wenige Jahre darauf gründeten sich die ersten Fakultäten für Informatik, nachdem bereits seit 1962 an der Purdue University ein Department of Computer Science bestanden hatte.

In englischsprachigen Ländern wird die Einzelwissenschaft als computer science bezeichnet. Der erste universitäre Abschluss war das Diploma in Numerical Analysis and Automatic Computing an der University of Cambridge. Das einjährige postgraduale Studium konnte ab Oktober 1953 aufgenommen werden.

Organisationen

Die Gesellschaft für Informatik (GI) wurde 1969 gegründet und ist die größte Fachvertretung im deutschsprachigen Raum. International bedeutend sind vor allem die beiden großen amerikanischen Vereinigungen Association for Computing Machinery (ACM) seit 1947 und das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) seit 1963. Die bedeutendste deutschsprachige Organisation, die sich mit ethischen und gesellschaftlichen Effekten der Informatik auseinandersetzt ist, das Forum InformatikerInnen für Frieden und gesellschaftliche Verantwortung. Die Association for Computing Machinery vergibt jährlich den Turing Award, der vom Rang her in der Informatik in etwa vergleichbar mit dem Nobelpreis ist.

Rechenmaschinen – Vorläufer des Computers

Ein japanischer Soroban

Als erste Vorläufer der Informatik jenseits der Mathematik können die Bestrebungen angesehen werden, zwei Arten von Maschinen zu entwickeln: solche, mit deren Hilfe mathematische Berechnungen ausgeführt oder vereinfacht werden können („Rechenmaschinen“), und solche, mit denen logische Schlüsse gezogen und Argumente überprüft werden können („Logische Maschinen“). Als einfache Rechengeräte leisteten Abakus und später der Rechenschieber unschätzbare Dienste. 1641 konstruierte Blaise Pascal eine mechanische Rechenmaschine, die Additionen und Subtraktionen inklusive Überträgen durchführen konnte. Nur wenig später stellte Gottfried Wilhelm Leibniz eine Rechenmaschine vor, die alle vier Grundrechenarten beherrschte. Diese Maschinen basieren auf ineinandergreifenden Zahnrädern. Einen Schritt in Richtung größerer Flexibilität ging ab 1838 Charles Babbage, der eine Steuerung der Rechenoperationen mittels Lochkarten anstrebte. Erst Herman Hollerith war dank dem technischen Fortschritt ab 1886 in der Lage, diese Idee gewinnbringend umzusetzen. Seine auf Lochkarten basierenden Zählmaschinen wurden unter anderem bei der Auswertung einer Volkszählung in den USA eingesetzt.

Die Geschichte der logischen Maschinen wird oft bis ins 13. Jahrhundert zurückverfolgt und auf Ramon Llull zurückgeführt. Auch wenn seine rechenscheibenähnlichen Konstruktionen, bei denen mehrere gegeneinander drehbare Scheiben unterschiedliche Begriffskombinationen darstellen konnten, mechanisch noch nicht sehr komplex waren, war er wohl derjenige, der die Idee einer logischen Maschine bekannt gemacht hat. Von diesem sehr frühen Vorläufer abgesehen, verläuft die Geschichte logischer Maschinen eher sogar zeitversetzt zu jener der Rechenmaschinen: Auf 1777 datiert ein rechenschieberähnliches Gerät des dritten Earl Stanhope, dem zugeschrieben wird, die Gültigkeit von Syllogismen (im aristotelischen Sinn) zu prüfen. Eine richtige „Maschine“ ist erstmals in der Gestalt des „Logischen Pianos“ von Jevons für das späte 19. Jahrhundert überliefert. Nur wenig später wurde die Mechanik durch elektromechanische und elektrische Schaltungen abgelöst. Ihren Höhepunkt erlebten die logischen Maschinen in den 1940er und 1950er Jahren, zum Beispiel mit den Maschinen des englischen Herstellers Ferranti. Mit der Entwicklung universeller digitaler Computer nahm – im Gegensatz zu den Rechenmaschinen – die Geschichte selbständiger logischen Maschinen ein jähes Ende, indem die von ihnen bearbeiteten und gelösten Aufgaben zunehmend in Software auf genau jenen Computern realisiert wurden, zu deren hardwaremäßigen Vorläufern sie zu zählen sind.

Entwicklung moderner Rechenmaschinen

Eine der ersten größeren Rechenmaschinen ist die von Konrad Zuse erstellte, noch immer rein mechanisch arbeitende Z1 von 1937. Zu dieser Zeit waren in großen Verwaltungen Tabelliermaschinen die herrschende Technik, wobei Zuse der Einsatz im Ingenieursbereich vorschwebte. Vier Jahre später realisierte Zuse seine Idee mittels elektrischer Relais: Die Z3 von 1941 trennte als weltweit erster funktionsfähiger frei programmierbarer Digitalrechner bereits Befehls- und Datenspeicher und Ein-/Ausgabepult.

Etwas später wurden in England die Bemühungen zum Bau von Rechenmaschinen zum Knacken von deutschen Geheimbotschaften unter maßgeblicher Leitung von Alan Turing (Turingbombe) und von Thomas Flowers (Colossus) mit großem Erfolg vorangetrieben. Parallel entwickelte Howard Aiken mit Mark I (1944) den ersten programmgesteuerten Relaisrechner der USA, wo die weitere Entwicklung maßgeblich vorangetrieben wurde. Weitere Relaisrechner entstanden in den Bell-Labors (George Stibitz). Als erster Röhrenrechner gilt der Atanasoff-Berry-Computer. Einer der Hauptakteure ist hier John von Neumann, nach dem die bis heute bedeutende Von-Neumann-Architektur benannt ist. 1946 erfolgte die Entwicklung des Röhrenrechners ENIAC, 1949 wurde der EDSAC gebaut – mit erstmaliger Implementation der Von-Neumann-Architektur.

Ab 1948 stieg IBM in die Entwicklung von Computern ein und wurde innerhalb von zehn Jahren Marktführer. Einen Meilenstein in der Firmengeschichte stellte 1964 die Einführung des System/360 dar. Der Großrechner ist der Urahn der heutigen Z-Systems-Mainframes und folgte zeitlich den IBM 700/7000 series. Bereits 1959 wurde mit der IBM 1401 ein Rechner auch für mittelgroße Unternehmen eingeführt, der oftmals wegen seinen Verkaufszahlen als der Ford Modell T der Computerindustrie bezeichnet wird. Mit der Entwicklung der Transistortechnik und der Mikroprozessortechnik wurden Computer immer leistungsfähiger und preisgünstiger. Im Jahre 1982 öffnete die Firma Commodore schließlich mit dem C64 den Massenmarkt speziell für Heimanwender, aber auch weit darüber hinaus.

Programmiersprachen

Hauptartikel: Programmiersprachen

Bedeutsam für die Entwicklung der Programmiersprachen war die Erfindung der "automatischen Programmierung" durch Heinz Rutishauser (1951). 1956 beschrieb Noam Chomsky eine Hierarchie formaler Grammatiken, mit denen formale Sprachen und jeweils spezielle Maschinenmodelle korrespondieren. Diese Formalisierungen erlangten für die Entwicklung der Programmiersprachen große Bedeutung. Wichtige Meilensteine waren die Entwicklung von Fortran (aus Englisch: "FORmula TRANslation", Formelübersetzung; erste höhere Programmiersprache, 1957), ALGOL (aus englisch: "ALGOrithmic Language", Algorithmensprache; strukturiert/imperativ; 1958/1960/1968), Lisp (aus englisch: "LISt Processing", Verarbeitung von Listen; funktional, 1959), COBOL (aus englisch: "COmmon Business Orientated Language", Programmiersprache für kaufmännische Anwendungen, 1959), Smalltalk (objektorientiert, 1971), Prolog (logisch, 1972) und SQL (Relationale Datenbanken, 1976). Einige dieser Sprachen stehen für typische Programmierparadigmen ihrer jeweiligen Zeit. Weitere über lange Zeit in der Praxis eingesetzte Programmiersprachen sind BASIC (seit 1960), C (seit 1970), Pascal (seit 1971), Objective-C (objektorientiert, 1984), C++ (objektorientiert, generisch, multi-paradigma, seit 1985), Java (objektorientiert, seit 1995) und C# (objektorientiert, um 2000). Sprachen und Paradigmenwechsel wurden von der Informatik-Forschung intensiv begleitet oder vorangetrieben.

Wie bei anderen Wissenschaften gibt es auch einen zunehmenden Trend zur Spezialisierung.

Alan-Turing-Gedenkstatue im Sackville Park in Manchester

Die Informatik unterteilt sich in die Teilgebiete der Theoretischen Informatik, der Praktischen Informatik und der Technischen Informatik.

Die Anwendungen der Informatik in den verschiedenen Bereichen des täglichen Lebens sowie in anderen Fachgebieten, wie beispielsweise der Wirtschaftsinformatik, Geoinformatik und Medizininformatik werden unter dem Begriff der Angewandten Informatik geführt. Auch die Auswirkungen auf die Gesellschaft werden interdisziplinär untersucht.

Die Theoretische Informatik bildet die theoretische Grundlage für die anderen Teilgebiete. Sie liefert fundamentale Erkenntnisse für die Entscheidbarkeit von Problemen, für die Einordnung ihrer Komplexität und für die Modellierung von Automaten und Formalen Sprachen.

Auf diese Erkenntnisse stützen sich Disziplinen der Praktischen und der Technischen Informatik. Sie beschäftigen sich mit zentralen Problemen der Informationsverarbeitung und suchen anwendbare Lösungen.

Die Resultate finden schließlich Verwendung in der Angewandten Informatik. Diesem Bereich sind Hardware- und Software-Realisierungen zuzurechnen und damit ein Großteil des kommerziellen IT-Marktes. In den interdisziplinären Fächern wird darüber hinaus untersucht, wie die Informationstechnik Probleme in anderen Wissenschaftsgebieten lösen kann, wie beispielsweise die Entwicklung von Geodatenbanken für die Geographie, aber auch die Wirtschafts- oder Bioinformatik.

Theoretische Informatik

Hauptartikel: Theoretische Informatik

Als Rückgrat der Informatik befasst sich das Gebiet der Theoretischen Informatik mit den abstrakten und mathematikorientierten Aspekten der Wissenschaft. Das Gebiet ist breit gefächert und beschäftigt sich unter anderem mit Themen aus der theoretischen Linguistik (Theorie formaler Sprachen bzw. Automatentheorie), Berechenbarkeits- und Komplexitätstheorie. Ziel dieser Teilgebiete ist es, fundamentale Fragen wie „Was kann berechnet werden?“ und „Wie effektiv/effizient kann man etwas berechnen?“ umfassend zu beantworten.

Automatentheorie und Formale Sprachen

Hauptartikel: Automatentheorie und Formale Sprache

Automaten sind in der Informatik „gedachte Maschinen“, die sich nach bestimmten Regeln verhalten. Ein endlicher Automat hat eine endliche Menge von inneren Zuständen. Er liest ein „Eingabewort“ zeichenweise ein und führt bei jedem Zeichen einen Zustandsübergang durch. Zusätzlich kann er bei jedem Zustandsübergang ein „Ausgabesymbol“ ausgeben. Nach Ende der Eingabe kann der Automat das Eingabewort akzeptieren oder ablehnen.

Der Ansatz der formalen Sprachen hat seinen Ursprung in der Linguistik und eignet sich daher gut zur Beschreibung von Programmiersprachen. Formale Sprachen lassen sich aber auch durch Automatenmodelle beschreiben, da die Menge aller von einem Automaten akzeptierten Wörter als formale Sprache betrachtet werden kann.

Kompliziertere Modelle verfügen über einen Speicher, zum Beispiel Kellerautomaten oder die Turingmaschine, welche gemäß der Church-Turing-These alle durch Menschen berechenbaren Funktionen nachbilden kann.

Berechenbarkeitstheorie

Hauptartikel: Berechenbarkeitstheorie

Im Rahmen der Berechenbarkeitstheorie untersucht die theoretische Informatik, welche Probleme mit welchen Maschinen lösbar sind. Ein Rechnermodell oder eine Programmiersprache heißt Turing-vollständig, wenn damit eine universelle Turingmaschine simuliert werden kann. Alle heute eingesetzten Computer und die meisten Programmiersprachen sind Turing-vollständig, das heißt man kann damit dieselben Aufgaben lösen. Auch alternative Berechnungsmodelle wie der Lambda-Kalkül, WHILE-Programme, μ-rekursive Funktionen oder Registermaschinen stellten sich als Turing-vollständig heraus. Aus diesen Erkenntnissen entwickelte sich die Church-Turing-These, die zwar formal nicht beweisbar ist, jedoch allgemein akzeptiert wird.

Den Begriff der Entscheidbarkeit kann man veranschaulichen als die Frage, ob ein bestimmtes Problem algorithmisch lösbar ist. Ein entscheidbares Problem ist zum Beispiel die Eigenschaft eines Texts, ein syntaktisch korrektes Programm zu sein. Ein nicht-entscheidbares Problem ist zum Beispiel die Frage, ob ein gegebenes Programm mit gegebenen Eingabeparametern jemals zu einem Ergebnis kommt, was als Halteproblem bezeichnet wird.

Komplexitätstheorie

Hauptartikel: Komplexitätstheorie

Die Komplexitätstheorie befasst sich mit dem Ressourcenbedarf von algorithmisch behandelbaren Problemen auf verschiedenen mathematisch definierten formalen Rechnermodellen, sowie der Güte der sie lösenden Algorithmen. Insbesondere werden die Ressourcen „Laufzeit“ und „Speicherplatz“ untersucht und ihr Bedarf wird üblicherweise in der Landau-Notation dargestellt. In erster Linie werden die Laufzeit und der Speicherplatzbedarf in Abhängigkeit von der Länge der Eingabe notiert. Algorithmen, die sich höchstens durch einen konstanten Faktor in ihrer Laufzeit bzw. ihrem Speicherbedarf unterscheiden, werden durch die Landau-Notation derselben Klasse, d. h. einer Menge von Problemen mit äquivalenter vom Algorithmus für die Lösung benötigter Laufzeit, zugeordnet.

Ein Algorithmus, dessen Laufzeit von der Eingabelänge unabhängig ist, arbeitet „in konstanter Zeit“, man schreibt O ( 1 ) {\displaystyle {\mathcal {O}}(1)} . Beispielsweise wird das Programm „gib das erste Element einer Liste zurück“ in konstanter Zeit arbeiten. Das Programm „prüfe, ob ein bestimmtes Element in einer unsortierten Liste der Länge n enthalten ist“ braucht „lineare Zeit“, also O ( n ) {\displaystyle {\mathcal {O}}(n)} , denn die Eingabeliste muss schlimmstenfalls genau einmal gelesen werden.

Die Komplexitätstheorie liefert bisher fast nur obere Schranken für den Ressourcenbedarf von Problemen, denn Methoden für exakte untere Schranken sind kaum entwickelt und nur von wenigen Problemen bekannt (so zum Beispiel für die Aufgabe, eine Liste von Werten mit Hilfe einer gegebenen Ordnungsrelation durch Vergleiche zu sortieren, die untere Schranke Ω ( n log ( n ) ) {\displaystyle \Omega (n\log(n))} ). Dennoch gibt es Methoden, besonders schwierige Probleme als solche zu klassifizieren, wobei die Theorie der NP-Vollständigkeit eine zentrale Rolle spielt. Demnach ist ein Problem besonders schwierig, wenn man durch dessen Lösung auch automatisch die meisten anderen natürlichen Probleme lösen kann, ohne dafür wesentlich mehr Ressourcen zu verwenden.

Die größte offene Frage in der Komplexitätstheorie ist die Frage nach P = NP?“. Das Problem ist eines der Millennium-Probleme, die vom Clay Mathematics Institute mit einer Million US-Dollar ausgeschrieben sind. Wenn P nicht gleich NP ist, können NP-vollständige Probleme nicht effizient gelöst werden.

Theorie der Programmiersprachen

Dieser Bereich beschäftigt sich mit der Theorie, Analyse, Charakterisierung und Implementierung von Programmiersprachen und wird sowohl in der praktischen als auch der theoretischen Informatik aktiv erforscht. Das Teilgebiet beeinflusst stark angrenzende Fachbereiche wie Teile der Mathematik und der Linguistik.

Theorie der formalen Methoden

Die Theorie der formalen Methoden beschäftigt sich mit einer Vielzahl an Techniken zur formalen Spezifikation und Verifikation von Software- und Hardwaresystemen. Die Motivation für dieses Gebiet entstammt dem ingenieurwissenschaftlichen Denken – eine strenge mathematische Analyse hilft, die Zuverlässigkeit und Robustheit eines Systems zu verbessern. Diese Eigenschaften sind insbesondere bei Systemen, die in sicherheitskritischen Bereichen arbeiten, von großer Bedeutung. Die Erforschung solcher Methoden erfordert unter anderem Kenntnisse aus der mathematischen Logik und der formalen Semantik.

Praktische Informatik

Hauptartikel: Praktische Informatik

Die Praktische Informatik entwickelt grundlegende Konzepte und Methoden zur Lösung konkreter Probleme in der realen Welt, beispielsweise der Verwaltung von Daten in Datenstrukturen oder der Entwicklung von Software. Einen wichtigen Stellenwert hat dabei die Entwicklung von Algorithmen. Beispiele dafür sind Sortier- und Suchalgorithmen.

Eines der zentralen Themen der praktischen Informatik ist die Softwaretechnik (auch Softwareengineering genannt). Sie beschäftigt sich mit der systematischen Erstellung von Software. Es werden auch Konzepte und Lösungsvorschläge für große Softwareprojekte entwickelt, die einen wiederholbaren Prozess von der Idee bis zur fertigen Software erlauben sollen.

C-Quelltext Maschinencode (schematisch)
→ Compiler →
Skizze eines B-Baums

Ein wichtiges Thema der Praktischen Informatik ist der Compilerbau, der auch in der Theoretischen Informatik untersucht wird. Ein Compiler ist ein Programm, das andere Programme aus einer Quellsprache (beispielsweise Java oder C++) in eine Zielsprache übersetzt. Ein Compiler ermöglicht es einem Menschen, Software in einer abstrakteren Sprache zu entwickeln als in der von der CPU verwendeten Maschinensprache.

Ein Beispiel für den Einsatz von Datenstrukturen ist der B-Baum, der in Datenbanken und Dateisystemen das schnelle Suchen in großen Datenbeständen erlaubt.

Technische Informatik

Hauptartikel: Technische Informatik

Die Technische Informatik befasst sich mit den hardwareseitigen Grundlagen der Informatik, wie etwa Mikroprozessortechnik, Rechnerarchitektur, eingebetteten und Echtzeitsystemen, Rechnernetzen samt der zugehörigen systemnahen Software, sowie den hierfür entwickelten Modellierungs- und Bewertungsmethoden.

Wirkungsspektrum der Technischen Informatik

Mikroprozessortechnik, Rechnerentwurfsprozess

Die Mikroprozessortechnik wird durch die schnelle Entwicklung der Halbleitertechnik dominiert. Die Strukturbreiten im Nanometerbereich ermöglichen die Miniaturisierung von hochkomplexen Schaltkreisen mit mehreren Milliarden Einzelbauelementen. Diese Komplexität ist nur mit ausgereiften Entwurfswerkzeugen und leistungsfähigen Hardwarebeschreibungssprachen zu beherrschen. Der Weg von der Idee zum fertigen Produkt führt über viele Stufen, die weitgehend rechnergestützt sind und ein hohes Maß an Exaktheit und Fehlerfreiheit sichern. Werden wegen hoher Anforderungen an die Leistungsfähigkeit Hardware und Software gemeinsam entworfen, so spricht man auch von Hardware-Software-Codesign.

Architekturen

Die Rechnerarchitektur bzw. Systemarchitektur ist das Fachgebiet, das Konzepte für den Bau von Computern bzw. Systemen erforscht. Bei der Rechnerarchitektur wird z. B. das Zusammenspiel von Prozessoren, Arbeitsspeicher sowie Steuereinheiten (Controller) und Peripherie definiert und verbessert. Das Forschungsgebiet orientiert sich dabei sowohl an den Anforderungen der Software als auch an den Möglichkeiten, die sich über die Weiterentwicklung von Integrierten Schaltkreisen ergeben. Ein Ansatz ist dabei rekonfigurierbare Hardware wie z. B. FPGAs (Field Programmable Gate Arrays), deren Schaltungsstruktur an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden kann.

Aufbauend auf der Architektur der sequentiell arbeitenden Von-Neumann-Maschine, bestehen heutige Rechner in der Regel aus einem Prozessor, der selbst wieder mehrere Prozessorkerne, Speicher-Controller und eine ganze Hierarchie von Cache-Speichern enthalten kann, einem als Direktzugriffsspeicher (Random-Access Memory, RAM) ausgelegten Arbeitsspeicher (Primärspeicher) und Ein/Ausgabe-Schnittstellen unter anderem zu Sekundärspeichern (z. B. Festplatte oder SSD-Speicher). Durch die vielen Einsatzgebiete ist heute ein weites Spektrum von Prozessoren im Einsatz, das von einfachen Mikrocontrollern, z. B. in Haushaltsgeräten über besonders energieeffiziente Prozessoren in mobilen Geräten wie Smartphones oder Tabletcomputern bis hin zu intern parallel arbeitenden Hochleistungsprozessoren in Personal Computern und Servern reicht. Parallelrechner gewinnen an Bedeutung, bei denen Rechenoperationen auf mehreren Prozessoren gleichzeitig ausgeführt werden können. Der Fortschritt der Chiptechnik ermöglicht heute schon die Realisierung einer großen Zahl (gegenwärtige Größenordnung 100…1000) von Prozessorkernen auf einem einzigen Chip (Mehrkernprozessoren, Multi/Manycore-Systeme, „System-on-a-Chip“ (SoCs)).

Ist der Rechner in ein technisches System eingebunden und verrichtet dort weitgehend unsichtbar für den Benutzer Aufgaben wie Steuerung, Regelung oder Überwachung, spricht man von einem eingebetteten System. Eingebettete Systeme sind in einer Vielzahl von Geräten des Alltags wie Haushaltsgeräten, Fahrzeugen, Geräten der Unterhaltungselektronik, Mobiltelefonen, aber auch in industriellen Systemen z. B. in der Prozessautomation oder der Medizintechnik im Einsatz. Da eingebettete Computer immerzu und überall verfügbar sind, spricht man auch von allgegenwärtigem oder ubiquitärem Rechnen (Ubiquitous computing). Immer häufiger sind diese Systeme vernetzt, z. B. mit dem Internet („Internet of Things“). Netzwerke von interagierenden Elementen mit physikalischer Eingabe von und Ausgabe zu ihrer Umwelt werden auch als Cyber-Physical Systems bezeichnet. Ein Beispiel sind drahtlose Sensornetze zur Umweltüberwachung.

Echtzeitsysteme sind darauf ausgelegt, dass sie auf bestimmte zeitkritisch ablaufende Prozesse der Außenwelt mit angemessener Reaktionsgeschwindigkeit rechtzeitig antworten können. Dies setzt voraus, dass die Ausführungszeit der Antwortprozesse entsprechende vorgegebene Zeitschranken garantiert nicht überschreitet. Viele eingebettete Systeme sind auch Echtzeitsysteme.

Eine zentrale Rolle bei allen Mehrrechnersystemen spielt die Rechnerkommunikation. Diese ermöglicht den elektronischen Datenaustausch zwischen Computern und stellt damit die technische Grundlage des Internets dar. Neben der Entwicklung von Routern, Switches oder Firewalls, gehört hierzu auch die Entwicklung der Softwarekomponenten, die zum Betrieb dieser Geräte nötig ist. Dies schließt insbesondere die Definition und Standardisierung von Netzwerkprotokollen, wie TCP, HTTP oder SOAP, ein. Protokolle sind dabei die Sprachen, in denen Rechner untereinander Information austauschen.

Bei Verteilten Systemen arbeitet eine große Zahl von Prozessoren ohne gemeinsamen Speicher zusammen. Üblicherweise regeln Prozesse, die über Nachrichten miteinander kommunizieren, die Zusammenarbeit von einzelnen weitgehend unabhängigen Computern in einem Verbund (Cluster). Schlagworte in diesem Zusammenhang sind beispielsweise Middleware, Grid-Computing und Cloud Computing.

Modellierung und Bewertung

Als Basis für die Bewertung der genannten Architekturansätze sind – wegen der generellen Komplexität solcher Systemlösungen – spezielle Modellierungsmethoden entwickelt worden, um Bewertungen bereits vor der eigentlichen Systemrealisierung durchführen zu können. Besonders wichtig ist dabei zum einen die Modellierung und Bewertung der resultierenden Systemleistung, z. B. anhand von Benchmark-Programmen. Als Methoden zur Leistungsmodellierung sind z. B. Warteschlangenmodelle, Petri-Netze und spezielle verkehrstheoretische Modelle entwickelt worden. Vielfach wird insbesondere bei der Prozessorentwicklung auch Computersimulation eingesetzt.

Neben der Leistung können auch andere Systemeigenschaften auf der Basis der Modellierung studiert werden; z. B. spielt gegenwärtig auch der Energieverbrauch von Rechnerkomponenten eine immer größere, zu berücksichtigende Rolle. Angesichts des Wachstums der Hardware- und Softwarekomplexität sind außerdem Probleme der Zuverlässigkeit, Fehlerdiagnose und Fehlertoleranz, insbesondere bei sicherheitskritischen Anwendungen, von großer Bedeutung. Hier gibt es entsprechende, meist auf Verwendung redundanter Hardware- bzw. Softwareelemente basierende Lösungsmethoden.

Beziehungen zu anderen Informatikgebieten und weiteren Fachdisziplinen

Die Technische Informatik hat enge Beziehungen zu anderen Gebieten der Informatik und den Ingenieurwissenschaften. Sie baut auf der Elektronik und Schaltungstechnik auf, wobei digitale Schaltungen im Vordergrund stehen (Digitaltechnik). Für die höheren Softwareschichten stellt sie die Schnittstellen bereit, auf denen wiederum diese Schichten aufbauen. Insbesondere über eingebettete Systeme und Echtzeitsysteme gibt es enge Beziehungen zu angrenzenden Gebieten der Elektrotechnik und des Maschinenbaus wie Steuerungs-, Regelungs- und Automatisierungstechnik sowie zur Robotik.

Informatik in interdisziplinären Wissenschaften

Unter dem Sammelbegriff der Angewandten Informatik „fasst man das Anwenden von Methoden der Kerninformatik in anderen Wissenschaften … zusammen“. Rund um die Informatik haben sich einige interdisziplinäre Teilgebiete und Forschungsansätze entwickelt, teilweise zu eigenen Wissenschaften. Beispiele:

Computational sciences

Dieses interdisziplinäre Feld beschäftigt sich mit der computergestützten Analyse, Modellierung und Simulation von naturwissenschaftlichen Problemen und Prozessen. Entsprechend den Naturwissenschaften wird hier unterschieden:

  • Die Bioinformatik (englisch bioinformatics, auch computational biology) befasst sich mit den informatischen Grundlagen und Anwendungen der Speicherung, Organisation und Analyse biologischer Daten. Die ersten reinen Bioinformatikanwendungen wurden für die DNA-Sequenzanalyse entwickelt. Dabei geht es primär um das schnelle Auffinden von Mustern in langen DNA-Sequenzen und die Lösung des Problems, wie man zwei oder mehr ähnliche Sequenzen so übereinander legt und gegeneinander ausrichtet, dass man eine möglichst optimale Übereinstimmung erzielt (sequence alignment). Mit der Aufklärung und weitreichenden Funktionsanalyse verschiedener vollständiger Genome (z. B. des Fadenwurms Caenorhabditis elegans) verlagert sich der Schwerpunkt bioinformatischer Arbeit auf Fragestellungen der Proteomik, wie z. B. dem Problem der Proteinfaltung und Strukturvorhersage, also der Frage nach der Sekundär- oder Tertiärstruktur bei gegebener Aminosäuresequenz.
    • Die Biodiversitätsinformatik umfasst die Speicherung und Verarbeitung von Informationen zur biologischen Vielfalt. Während die Bioinformatik sich mit Nucleinsäuren und Proteinen beschäftigt, sind die Objekte der Biodiversitätsinformatik Taxa, biologische Sammlungsbelege und Beobachtungsdaten.
    • Künstliches Leben (englisch Artificial life) wurde 1986 als interdisziplinäre Forschungsdisziplin etabliert. Die Simulation natürlicher Lebensformen mit Software- (soft artificial life) und Hardwaremethoden (hard artificial life) ist ein Hauptziel dieser Disziplin. Anwendungen für künstliches Leben gibt es heute unter anderem in der synthetischen Biologie, im Gesundheitssektor und der Medizin, in der Ökologie, bei autonomen Robotern, im Transport- und Verkehrssektor, in der Computergrafik, für virtuelle Gesellschaften und bei Computerspielen.
  • Die Chemoinformatik (englisch chemoinformatics, cheminformatics oder chemiinformatics) bezeichnet einen Wissenschaftszweig, der das Gebiet der Chemie mit Methoden der Informatik verbindet und umgekehrt. Sie beschäftigt sich mit der Suche im chemischen Raum, welcher aus virtuellen (in silico) oder realen Molekülen besteht. Die Größe des chemischen Raumes wird auf etwa 1062 Moleküle geschätzt und ist weit größer als die Menge der bisher real synthetisierten Moleküle. Somit lassen sich unter Umständen Millionen von Molekülen mit Hilfe solcher Computer-Methoden in silico testen, ohne diese explizit mittels Methoden der Kombinatorischen Chemie oder Synthese im Labor erzeugen zu müssen.

Ingenieurinformatik, Maschinenbauinformatik

Die Ingenieurinformatik, englisch auch als Computational Engineering Science bezeichnet, ist eine interdisziplinäre Lehre an der Schnittstelle zwischen den Ingenieurwissenschaften, der Mathematik und der Informatik an den Fachbereichen Elektrotechnik, Maschinenbau, Verfahrenstechnik, Systemtechnik.
Die Maschinenbauinformatik beinhaltet im Kern die virtuelle Produktentwicklung (Produktionsinformatik) mittels Computervisualistik, sowie die Automatisierungstechnik.

Wirtschaftsinformatik, Informationsmanagement

Hauptartikel: Wirtschaftsinformatik

Die Wirtschaftsinformatik (englisch (business) information systems, auch management information systems) ist eine „Schnittstellen-Disziplin“ zwischen der Informatik und den Wirtschaftswissenschaften, besonders der Betriebswirtschaftslehre. Sie hat sich durch ihre Schnittstellen zu einer eigenständigen Wissenschaft entwickelt und kann sowohl an Wirtschafts- als auch an Informatik-Fakultäten studiert werden. Ein Schwerpunkt der Wirtschaftsinformatik liegt auf der Abbildung von Geschäftsprozessen und der Buchhaltung in relationalen Datenbanksystemen und Enterprise-Resource-Planning-Systemen. Das Information Engineering der Informationssysteme und das Informationsmanagement spielen im Rahmen der Wirtschaftsinformatik eine gewichtige Rolle. Entwickelt wurde dies an der Fachhochschule Furtwangen bereits 1971. Ab 1974 richteten die damalige TH Darmstadt, die Johannes-Kepler-Universität Linz und die TU Wien einen Studiengang Wirtschaftsinformatik ein.

Sozioinformatik

Die Sozioinformatik befasst sich mit den Auswirkungen von IT-Systemen auf die Gesellschaft, wie sie z. B. Organisationen und Gesellschaft in ihrer Organisation unterstützen, aber auch wie die Gesellschaft auf die Entwicklung von sozial eingebetteten IT-Systemen einwirkt, sei es als Prosumenten auf kollaborativen Plattformen wie der Wikipedia, oder mittels rechtlicher Einschränkungen, um beispielsweise Datensicherheit zu garantieren.

Sozialinformatik

Die Sozialinformatik befasst sich zum einen mit dem IT-Betrieb in sozialen Organisationen, zum anderen mit Technik und Informatik als Instrument der Sozialen Arbeit, wie zum Beispiel beim Ambient Assisted Living.

Medieninformatik

Die Medieninformatik hat die Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine als Schwerpunkt und befasst sich mit der Verbindung von Informatik, Psychologie, Arbeitswissenschaft, Medientechnik, Mediengestaltung und Didaktik.

Computerlinguistik

In der Computerlinguistik wird untersucht, wie natürliche Sprache mit dem Computer verarbeitet werden kann. Sie ist ein Teilbereich der Künstlichen Intelligenz, aber auch gleichzeitig Schnittstelle zwischen Angewandter Linguistik und Angewandter Informatik. Verwandt dazu ist auch der Begriff der Kognitionswissenschaft, die einen eigenen interdisziplinären Wissenschaftszweig darstellt, der u. a. Linguistik, Informatik, Philosophie, Psychologie und Neurologie verbindet. Anwendungsgebiete der Computerlinguistik sind die Spracherkennung und -synthese, automatische Übersetzung in andere Sprachen und Informationsextraktion aus Texten.

Umweltinformatik, Geoinformatik

Die Umweltinformatik beschäftigt sich interdisziplinär mit der Analyse und Bewertung von Umweltsachverhalten mit Mitteln der Informatik. Schwerpunkte sind die Verwendung von Simulationsprogrammen, Geographische Informationssysteme (GIS) und Datenbanksysteme.
Die Geoinformatik (englisch geoinformatics) ist die Lehre des Wesens und der Funktion der Geoinformation und ihrer Bereitstellung in Form von Geodaten und mit den darauf aufbauenden Anwendungen auseinander. Sie bildet die wissenschaftliche Grundlage für Geoinformationssysteme (GIS). Allen Anwendungen der Geoinformatik gemeinsam ist der Raumbezug und fallweise dessen Abbildung in kartesische räumliche oder planare Darstellungen im Bezugssystem.

Andere Informatikdisziplinen

Weitere Schnittstellen der Informatik zu anderen Disziplinen gibt es in der Informationswirtschaft, Medizinischen Informatik, Logistikinformatik, Pflegeinformatik und der Rechtsinformatik, Informationsmanagement (Verwaltungsinformatik, Betriebsinformatik), Architekturinformatik (Bauinformatik) sowie der Agrarinformatik, Archäoinformatik, Sportinformatik, sowie neue interdisziplinäre Richtungen wie beispielsweise das Neuromorphic Engineering. Die Zusammenarbeit mit der Mathematik oder der Elektrotechnik wird aufgrund der Verwandtschaft nicht als interdisziplinär bezeichnet. Mit dem Informatikunterricht, besonders an Schulen, befasst sich die Didaktik der Informatik. Die Elementarinformatik beschäftigt sich mit der Vermittlung von grundlegenden Informatikkonzepten im Vorschul- und Grundschulbereich.

Künstliche Intelligenz

Hauptartikel: Künstliche Intelligenz
Eine Kohonenkarte beim Lernen

Die Künstliche Intelligenz (KI) ist ein großes Teilgebiet der Informatik mit starken Einflüssen aus Logik, Linguistik, Neurophysiologie und Kognitionspsychologie. Dabei unterscheidet sich die KI in der Methodik zum Teil erheblich von der klassischen Informatik. Statt eine vollständige Lösungsbeschreibung vorzugeben, wird in der Künstlichen Intelligenz die Lösungsfindung dem Computer selbst überlassen. Ihre Verfahren finden Anwendung in Expertensystemen, in der Sensorik und Robotik.

Im Verständnis des Begriffs „Künstliche Intelligenz“ spiegelt sich oft die aus der Aufklärung stammende Vorstellung vom Menschen als Maschine wider, dessen Nachahmung sich die sogenannte „starke KI“ zum Ziel setzt: eine Intelligenz zu erschaffen, die wie der Mensch nachdenken und Probleme lösen kann und die sich durch eine Form von Bewusstsein beziehungsweise Selbstbewusstsein sowie Emotionen auszeichnet.

Die Umsetzung dieses Ansatzes erfolgte durch Expertensysteme, die im Wesentlichen die Erfassung, Verwaltung und Anwendung einer Vielzahl von Regeln zu einem bestimmten Gegenstand (daher „Experten“) leisten.

Im Gegensatz zur starken KI geht es der „schwachen KI“ darum, konkrete Anwendungsprobleme zu meistern. Insbesondere sind dabei solche Anwendungen von Interesse, zu deren Lösung nach allgemeinem Verständnis eine Form von „Intelligenz“ notwendig scheint. Letztlich geht es der schwachen KI somit um die Simulation intelligenten Verhaltens mit Mitteln der Mathematik und der Informatik; es geht ihr nicht um Schaffung von Bewusstsein oder um ein tieferes Verständnis der Intelligenz. Ein Beispiel aus der schwachen KI ist die Fuzzylogik.

Neuronale Netze gehören ebenfalls in diese Kategorie – seit Anfang der 1980er Jahre analysiert man unter diesem Begriff die Informationsarchitektur des (menschlichen oder tierischen) Gehirns. Die Modellierung in Form künstlicher neuronaler Netze illustriert, wie aus einer sehr einfachen Grundstruktur eine komplexe Mustererkennung geleistet werden kann. Gleichzeitig wird deutlich, dass diese Art von Lernen nicht auf der Herleitung von logisch oder sprachlich formulierbaren Regeln beruht – und somit etwa auch die besonderen Fähigkeiten des menschlichen Gehirns innerhalb des Tierreichs nicht auf einen regel- oder sprachbasierten „Intelligenz“-Begriff reduzierbar sind. Die Auswirkungen dieser Einsichten auf die KI-Forschung, aber auch auf Lerntheorie, Didaktik und andere Gebiete werden noch diskutiert.

Während die starke KI an ihrer philosophischen Fragestellung bis heute scheiterte, sind auf der Seite der schwachen KI Fortschritte erzielt worden.

Informatik und Gesellschaft

„Informatik und Gesellschaft“ (IuG) ist ein Teilbereich der Wissenschaft Informatik und erforscht die Rolle der Informatik auf dem Weg zur Informationsgesellschaft. Die dabei untersuchten Wechselwirkungen der Informatik umfassen die unterschiedlichsten Aspekte. Ausgehend von historischen, sozialen, kulturellen Fragen betrifft dies ökonomische, politische, ökologische, ethische, didaktische und selbstverständlich technische Aspekte. Die entstehende global vernetzte Informationsgesellschaft wird für die Informatik als zentrale Herausforderung gesehen, in der sie als technische Grundlagenwissenschaft eine definierende Rolle spielt und diese reflektieren muss. IuG ist dadurch gekennzeichnet, dass eine interdisziplinäre Herangehensweise, insbesondere mit den Geisteswissenschaften, aber auch z. B. mit den Rechtswissenschaften notwendig ist.

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Wikibooks: Regal:EDV – Lern- und Lehrmaterialien
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Normdaten (Sachbegriff): GND:4026894-9(OGND, AKS)

Informatik
informatik, wissenschaft, systematischen, verarbeitung, informationen, sprache, beobachten, bearbeiten, handelt, sich, wissenschaft, systematischen, darstellung, speicherung, verarbeitung, übertragung, informationen, wobei, besonders, automatische, verarbeitun. Informatik Wissenschaft von der systematischen Verarbeitung von Informationen Sprache Beobachten Bearbeiten Bei der Informatik handelt es sich um die Wissenschaft von der systematischen Darstellung Speicherung Verarbeitung und Ubertragung von Informationen wobei besonders die automatische Verarbeitung mit Digitalrechnern betrachtet wird 1 Sie ist zugleich Grundlagen und Formalwissenschaft als auch Ingenieurdisziplin 2 Inhaltsverzeichnis 1 Geschichte der Informatik 1 1 Ursprung 1 2 Etymologie 1 3 Entwicklung der Informatik zur Wissenschaft 1 4 Organisationen 1 5 Rechenmaschinen Vorlaufer des Computers 1 6 Entwicklung moderner Rechenmaschinen 1 7 Programmiersprachen 2 Disziplinen der Informatik 2 1 Theoretische Informatik 2 1 1 Automatentheorie und Formale Sprachen 2 1 2 Berechenbarkeitstheorie 2 1 3 Komplexitatstheorie 2 1 4 Theorie der Programmiersprachen 2 1 5 Theorie der formalen Methoden 2 2 Praktische Informatik 2 3 Technische Informatik 2 3 1 Mikroprozessortechnik Rechnerentwurfsprozess 2 3 2 Architekturen 2 3 3 Modellierung und Bewertung 2 3 4 Beziehungen zu anderen Informatikgebieten und weiteren Fachdisziplinen 2 4 Informatik in interdisziplinaren Wissenschaften 2 4 1 Computational sciences 2 4 2 Ingenieurinformatik Maschinenbauinformatik 2 4 3 Wirtschaftsinformatik Informationsmanagement 2 4 4 Sozioinformatik 2 4 5 Sozialinformatik 2 4 6 Medieninformatik 2 4 7 Computerlinguistik 2 4 8 Umweltinformatik Geoinformatik 2 4 9 Andere Informatikdisziplinen 2 5 Kunstliche Intelligenz 2 6 Informatik und Gesellschaft 3 Siehe auch 4 Literatur 5 Weblinks 6 EinzelnachweiseGeschichte der Informatik BearbeitenUrsprung Bearbeiten Bereits Gottfried Wilhelm Leibniz hatte sich mit binaren Zahlendarstellungen beschaftigt Gemeinsam mit der Booleschen Algebra die zuerst 1847 von George Boole ausgearbeitet wurde bilden sie die wichtigsten mathematischen Grundlagen spaterer Rechensysteme 1937 veroffentlicht Alan Turing seine Arbeit On Computable Numbers with an application to the Entscheidungsproblem in welcher die nach ihm benannte Turingmaschine vorgestellt wird ein mathematisches Maschinenmodell das bis heute fur die Theoretische Informatik von grosster Bedeutung ist Dem Begriff der Berechenbarkeit liegen bis heute universelle Modelle wie die Turingmaschine und die Komplexitatstheorie zu Grunde die sich ab den 1960er Jahren zu entwickeln begann Die Berechenbarkeit greift bis in die Gegenwart auf Varianten dieser Modelle zuruck Etymologie Bearbeiten Das Wort Informatik entstand durch das Anhangen des Suffix ik an den Wortstamm von Information Gepragt wurde die Bezeichnung Informatik von Karl Steinbuch und kann auf seine erste Publikation Informatik Automatische Informationsverarbeitung von 1957 zuruckgefuhrt werden die er bei Standard Elektrik AG SEG veroffentlichte 3 4 Um die Bedeutung der Automation oder Mathematik fur die Informatik zu betonen wird Informatik manchmal auch als Kofferwort aus Information und Automatik oder Information und Mathematik ausgegeben 5 Nach einem internationalen Kolloquium in Dresden am 26 Februar 1968 setzte sich Informatik als Bezeichnung fur die Wissenschaft nach franzosischem informatique und russischem Vorbild Informatika auch im deutschen Sprachraum durch 6 7 Im Juli des gleichen Jahres wurde der Begriff Informatik erstmals als deutscher Name fur ein neu einzurichtendes Studienfach in einer Berliner Rede des Ministers Gerhard Stoltenberg verwendet 8 Wahrend im englischen Sprachraum die Bezeichnung Computer Science ublich ist konnte sich die deutsche Entsprechung Computerwissenschaften nicht durchsetzen Jedoch wird der Ausdruck Informatics im Englischen fur bestimmte Teile der Angewandten Informatik verwendet etwa im Falle der Bioinformatics oder der Geoinformatics Bei Ubersetzungen ins Englische wird im deutschen Sprachraum teilweise die Bezeichnung Informatics gegenuber Computer Science bevorzugt 9 Entwicklung der Informatik zur Wissenschaft Bearbeiten Dieser Artikel oder nachfolgende Abschnitt ist nicht hinreichend mit Belegen beispielsweise Einzelnachweisen ausgestattet Angaben ohne ausreichenden Beleg konnten demnachst entfernt werden Bitte hilf Wikipedia indem du die Angaben recherchierst und gute Belege einfugst In Deutschland gehen die Anfange der Informatik auf das Institut fur praktische Mathematik IPM der Technischen Hochschule Darmstadt TH Darmstadt zuruck das der Mathematiker Alwin Walther seit 1928 aufbaute 10 1956 konnten sich die ersten Studenten am Darmstadter Elektronischen Rechenautomaten mit den Problemen von Rechenautomaten befassen Zeitgleich wurden an der TH Darmstadt die ersten Programmiervorlesungen und praktika angeboten Aufgrund des Renommees den die TH Darmstadt zu dem Zeitpunkt in der Rechenautomatenforschung hatte fand der erste im deutschsprachigen Raum abgehaltene Kongress zum Fachgebiet Informatik elektronische Rechenmaschinen und Informationsverarbeitung mit internationaler Beteiligung im Oktober 1955 an der TH Darmstadt statt Deutschland mangelte es in den 1960er Jahren an Wettbewerbsfahigkeit im Gebiet der Datenverarbeitung DV Um dem entgegenzuwirken verabschiedete der Bundesausschuss fur wissenschaftliche Forschung am 26 April 1967 das Programm fur die Forderung der Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Datenverarbeitung fur offentliche Aufgaben Fur die Umsetzung war der sogenannte Fachbeirat fur Datenverarbeitung zustandig der uberwiegend aus Vertretern der Hochschulen und ausseruniversitaren Forschungseinrichtungen bestand Auf der siebten Sitzung des Fachbeirates am 15 November 1967 signalisierte Karl Ganzhorn der zu dem Zeitpunkt fur Forschung und Entwicklung bei IBM Deutschland zustandig war die Probleme der Industrie Fachpersonal zu finden Der Direktor des Instituts fur Nachrichtenverarbeitung an der TH Darmstadt Robert Piloty wies darauf hin dass die deutschen Hochschulen dafur zustandig seien qualifiziertes Personal auszubilden Daraufhin bildete sich der Ausschuss DV Lehrstuhle und Ausbildung Den Vorsitz ubernahm Piloty Der Ausschuss formulierte Empfehlungen fur die Ausbildung von Informatikern welche die Einrichtung eines Studiengangs der Informatik an mehreren Universitaten und Technischen Hochschulen vorsahen 10 1967 bot die TU Munchen einen Studienzweig Informationsverarbeitung im Rahmen des Mathematikstudiums auf Initiative Friedrich Ludwig Bauers an 10 11 12 1968 fuhrte die TH Darmstadt den ersten Informatikstudiengang ein 1969 folgte der Studiengang Datentechnik Technische Informatik und 1970 ein Mathematikstudiengang der mit dem Grad Diplomingenieur im Fach Mathematik mit Schwerpunkt Informatik abschloss 10 Am 1 September 1969 begann die Technische Universitat Dresden als erste Hochschule der DDR mit der Ausbildung von Dipl Ing fur Informationsverarbeitung Ebenfalls 1969 begann die Ingenieurschule Furtwangen spater Fachhochschule Furtwangen mit der Ausbildung hier noch Informatorik genannt 13 Im Wintersemester 1969 70 bot die Universitat Karlsruhe heute Karlsruher Institut fur Technologie als erste bundesdeutsche Hochschule ein Informatikstudium an der mit dem Grad Diplom Informatiker abschloss 14 Die Johannes Kepler Universitat JKU Linz startete im Wintersemester 1969 70 als erste osterreichische Universitat mit der Studienrichtung Informatik und der Ausbildung zum Diplomingenieur 15 Im Wintersemester 1970 71 folgte die Technische Universitat Wien 16 Wenige Jahre darauf grundeten sich die ersten Fakultaten fur Informatik nachdem bereits seit 1962 an der Purdue University ein Department of Computer Science bestanden hatte In englischsprachigen Landern wird die Einzelwissenschaft als computer science bezeichnet Der erste universitare Abschluss war das Diploma in Numerical Analysis and Automatic Computing an der University of Cambridge Das einjahrige postgraduale Studium konnte ab Oktober 1953 aufgenommen werden 17 18 Organisationen Bearbeiten Die Gesellschaft fur Informatik GI wurde 1969 gegrundet und ist die grosste Fachvertretung im deutschsprachigen Raum International bedeutend sind vor allem die beiden grossen amerikanischen Vereinigungen Association for Computing Machinery ACM seit 1947 und das Institute of Electrical and Electronics Engineers IEEE seit 1963 Die bedeutendste deutschsprachige Organisation die sich mit ethischen und gesellschaftlichen Effekten der Informatik auseinandersetzt ist das Forum InformatikerInnen fur Frieden und gesellschaftliche Verantwortung Die Association for Computing Machinery vergibt jahrlich den Turing Award der vom Rang her in der Informatik in etwa vergleichbar mit dem Nobelpreis ist Rechenmaschinen Vorlaufer des Computers Bearbeiten Ein japanischer Soroban Als erste Vorlaufer der Informatik jenseits der Mathematik konnen die Bestrebungen angesehen werden zwei Arten von Maschinen zu entwickeln solche mit deren Hilfe mathematische Berechnungen ausgefuhrt oder vereinfacht werden konnen Rechenmaschinen und solche mit denen logische Schlusse gezogen und Argumente uberpruft werden konnen Logische Maschinen Als einfache Rechengerate leisteten Abakus und spater der Rechenschieber unschatzbare Dienste 1641 konstruierte Blaise Pascal eine mechanische Rechenmaschine die Additionen und Subtraktionen inklusive Ubertragen durchfuhren konnte Nur wenig spater stellte Gottfried Wilhelm Leibniz eine Rechenmaschine vor die alle vier Grundrechenarten beherrschte Diese Maschinen basieren auf ineinandergreifenden Zahnradern Einen Schritt in Richtung grosserer Flexibilitat ging ab 1838 Charles Babbage der eine Steuerung der Rechenoperationen mittels Lochkarten anstrebte Erst Herman Hollerith war dank dem technischen Fortschritt ab 1886 in der Lage diese Idee gewinnbringend umzusetzen Seine auf Lochkarten basierenden Zahlmaschinen wurden unter anderem bei der Auswertung einer Volkszahlung in den USA eingesetzt Die Geschichte der logischen Maschinen wird oft bis ins 13 Jahrhundert zuruckverfolgt und auf Ramon Llull zuruckgefuhrt Auch wenn seine rechenscheibenahnlichen Konstruktionen bei denen mehrere gegeneinander drehbare Scheiben unterschiedliche Begriffskombinationen darstellen konnten mechanisch noch nicht sehr komplex waren war er wohl derjenige der die Idee einer logischen Maschine bekannt gemacht hat Von diesem sehr fruhen Vorlaufer abgesehen verlauft die Geschichte logischer Maschinen eher sogar zeitversetzt zu jener der Rechenmaschinen Auf 1777 datiert ein rechenschieberahnliches Gerat des dritten Earl Stanhope dem zugeschrieben wird die Gultigkeit von Syllogismen im aristotelischen Sinn zu prufen Eine richtige Maschine ist erstmals in der Gestalt des Logischen Pianos von Jevons fur das spate 19 Jahrhundert uberliefert Nur wenig spater wurde die Mechanik durch elektromechanische und elektrische Schaltungen abgelost Ihren Hohepunkt erlebten die logischen Maschinen in den 1940er und 1950er Jahren zum Beispiel mit den Maschinen des englischen Herstellers Ferranti Mit der Entwicklung universeller digitaler Computer nahm im Gegensatz zu den Rechenmaschinen die Geschichte selbstandiger logischen Maschinen ein jahes Ende indem die von ihnen bearbeiteten und gelosten Aufgaben zunehmend in Software auf genau jenen Computern realisiert wurden zu deren hardwaremassigen Vorlaufern sie zu zahlen sind Entwicklung moderner Rechenmaschinen Bearbeiten Siehe auch Der Siegeszug des elektronischen Digitalrechners im Artikel Computer Konrad Zuse Eine der ersten grosseren Rechenmaschinen ist die von Konrad Zuse erstellte noch immer rein mechanisch arbeitende Z1 von 1937 Zu dieser Zeit waren in grossen Verwaltungen Tabelliermaschinen die herrschende Technik wobei Zuse der Einsatz im Ingenieursbereich vorschwebte Vier Jahre spater realisierte Zuse seine Idee mittels elektrischer Relais Die Z3 von 1941 trennte als weltweit erster funktionsfahiger frei programmierbarer Digitalrechner 19 bereits Befehls und Datenspeicher und Ein Ausgabepult Etwas spater wurden in England die Bemuhungen zum Bau von Rechenmaschinen zum Knacken von deutschen Geheimbotschaften unter massgeblicher Leitung von Alan Turing Turingbombe und von Thomas Flowers Colossus mit grossem Erfolg vorangetrieben Parallel entwickelte Howard Aiken mit Mark I 1944 den ersten programmgesteuerten Relaisrechner der USA wo die weitere Entwicklung massgeblich vorangetrieben wurde Weitere Relaisrechner entstanden in den Bell Labors George Stibitz Als erster Rohrenrechner gilt der Atanasoff Berry Computer Einer der Hauptakteure ist hier John von Neumann nach dem die bis heute bedeutende Von Neumann Architektur benannt ist 1946 erfolgte die Entwicklung des Rohrenrechners ENIAC 1949 wurde der EDSAC gebaut mit erstmaliger Implementation der Von Neumann Architektur Ab 1948 stieg IBM in die Entwicklung von Computern ein und wurde innerhalb von zehn Jahren Marktfuhrer Einen Meilenstein in der Firmengeschichte stellte 1964 die Einfuhrung des System 360 dar Der Grossrechner ist der Urahn der heutigen Z Systems Mainframes und folgte zeitlich den IBM 700 7000 series Bereits 1959 wurde mit der IBM 1401 ein Rechner auch fur mittelgrosse Unternehmen eingefuhrt der oftmals wegen seinen Verkaufszahlen als der Ford Modell T der Computerindustrie bezeichnet wird Mit der Entwicklung der Transistortechnik und der Mikroprozessortechnik wurden Computer immer leistungsfahiger und preisgunstiger Im Jahre 1982 offnete die Firma Commodore schliesslich mit dem C64 den Massenmarkt speziell fur Heimanwender aber auch weit daruber hinaus Programmiersprachen Bearbeiten Hauptartikel Programmiersprachen Bedeutsam fur die Entwicklung der Programmiersprachen war die Erfindung der automatischen Programmierung durch Heinz Rutishauser 1951 1956 beschrieb Noam Chomsky eine Hierarchie formaler Grammatiken mit denen formale Sprachen und jeweils spezielle Maschinenmodelle korrespondieren Diese Formalisierungen erlangten fur die Entwicklung der Programmiersprachen grosse Bedeutung Wichtige Meilensteine waren die Entwicklung von Fortran aus Englisch FORmula TRANslation Formelubersetzung erste hohere Programmiersprache 1957 ALGOL aus englisch ALGOrithmic Language Algorithmensprache strukturiert imperativ 1958 1960 1968 Lisp aus englisch LISt Processing Verarbeitung von Listen funktional 1959 COBOL aus englisch COmmon Business Orientated Language Programmiersprache fur kaufmannische Anwendungen 1959 Smalltalk objektorientiert 1971 Prolog logisch 1972 und SQL Relationale Datenbanken 1976 Einige dieser Sprachen stehen fur typische Programmierparadigmen ihrer jeweiligen Zeit Weitere uber lange Zeit in der Praxis eingesetzte Programmiersprachen sind BASIC seit 1960 C seit 1970 Pascal seit 1971 Objective C objektorientiert 1984 C objektorientiert generisch multi paradigma seit 1985 Java objektorientiert seit 1995 und C objektorientiert um 2000 Sprachen und Paradigmenwechsel wurden von der Informatik Forschung intensiv begleitet oder vorangetrieben Wie bei anderen Wissenschaften gibt es auch einen zunehmenden Trend zur Spezialisierung Disziplinen der Informatik Bearbeiten Alan Turing Gedenkstatue im Sackville Park in Manchester Die Informatik unterteilt sich in die Teilgebiete der Theoretischen Informatik der Praktischen Informatik und der Technischen Informatik Die Anwendungen der Informatik in den verschiedenen Bereichen des taglichen Lebens sowie in anderen Fachgebieten wie beispielsweise der Wirtschaftsinformatik Geoinformatik und Medizininformatik werden unter dem Begriff der Angewandten Informatik gefuhrt Auch die Auswirkungen auf die Gesellschaft werden interdisziplinar untersucht Die Theoretische Informatik bildet die theoretische Grundlage fur die anderen Teilgebiete Sie liefert fundamentale Erkenntnisse fur die Entscheidbarkeit von Problemen fur die Einordnung ihrer Komplexitat und fur die Modellierung von Automaten und Formalen Sprachen Auf diese Erkenntnisse stutzen sich Disziplinen der Praktischen und der Technischen Informatik Sie beschaftigen sich mit zentralen Problemen der Informationsverarbeitung und suchen anwendbare Losungen Die Resultate finden schliesslich Verwendung in der Angewandten Informatik Diesem Bereich sind Hardware und Software Realisierungen zuzurechnen und damit ein Grossteil des kommerziellen IT Marktes In den interdisziplinaren Fachern wird daruber hinaus untersucht wie die Informationstechnik Probleme in anderen Wissenschaftsgebieten losen kann wie beispielsweise die Entwicklung von Geodatenbanken fur die Geographie aber auch die Wirtschafts oder Bioinformatik Theoretische Informatik Bearbeiten Hauptartikel Theoretische Informatik Als Ruckgrat der Informatik befasst sich das Gebiet der Theoretischen Informatik mit den abstrakten und mathematikorientierten Aspekten der Wissenschaft Das Gebiet ist breit gefachert und beschaftigt sich unter anderem mit Themen aus der theoretischen Linguistik Theorie formaler Sprachen bzw Automatentheorie Berechenbarkeits und Komplexitatstheorie Ziel dieser Teilgebiete ist es fundamentale Fragen wie Was kann berechnet werden und Wie effektiv effizient kann man etwas berechnen umfassend zu beantworten Automatentheorie Berechenbarkeitstheorie Komplexitatstheorie QuantencomputerAutomatentheorie und Formale Sprachen Bearbeiten Hauptartikel Automatentheorie und Formale Sprache Ein DFA gegeben als Zustandsubergangsdiagramm Kellerautomat 1 Band Turingmaschine Automaten sind in der Informatik gedachte Maschinen die sich nach bestimmten Regeln verhalten Ein endlicher Automat hat eine endliche Menge von inneren Zustanden Er liest ein Eingabewort zeichenweise ein und fuhrt bei jedem Zeichen einen Zustandsubergang durch Zusatzlich kann er bei jedem Zustandsubergang ein Ausgabesymbol ausgeben Nach Ende der Eingabe kann der Automat das Eingabewort akzeptieren oder ablehnen Der Ansatz der formalen Sprachen hat seinen Ursprung in der Linguistik und eignet sich daher gut zur Beschreibung von Programmiersprachen Formale Sprachen lassen sich aber auch durch Automatenmodelle beschreiben da die Menge aller von einem Automaten akzeptierten Worter als formale Sprache betrachtet werden kann Kompliziertere Modelle verfugen uber einen Speicher zum Beispiel Kellerautomaten oder die Turingmaschine welche gemass der Church Turing These alle durch Menschen berechenbaren Funktionen nachbilden kann Berechenbarkeitstheorie Bearbeiten Hauptartikel Berechenbarkeitstheorie Im Rahmen der Berechenbarkeitstheorie untersucht die theoretische Informatik welche Probleme mit welchen Maschinen losbar sind Ein Rechnermodell oder eine Programmiersprache heisst Turing vollstandig wenn damit eine universelle Turingmaschine simuliert werden kann Alle heute eingesetzten Computer und die meisten Programmiersprachen sind Turing vollstandig das heisst man kann damit dieselben Aufgaben losen Auch alternative Berechnungsmodelle wie der Lambda Kalkul WHILE Programme m rekursive Funktionen oder Registermaschinen stellten sich als Turing vollstandig heraus Aus diesen Erkenntnissen entwickelte sich die Church Turing These die zwar formal nicht beweisbar ist jedoch allgemein akzeptiert wird Den Begriff der Entscheidbarkeit kann man veranschaulichen als die Frage ob ein bestimmtes Problem algorithmisch losbar ist Ein entscheidbares Problem ist zum Beispiel die Eigenschaft eines Texts ein syntaktisch korrektes Programm zu sein Ein nicht entscheidbares Problem ist zum Beispiel die Frage ob ein gegebenes Programm mit gegebenen Eingabeparametern jemals zu einem Ergebnis kommt was als Halteproblem bezeichnet wird Komplexitatstheorie Bearbeiten Hauptartikel Komplexitatstheorie Die Komplexitatstheorie befasst sich mit dem Ressourcenbedarf von algorithmisch behandelbaren Problemen auf verschiedenen mathematisch definierten formalen Rechnermodellen sowie der Gute der sie losenden Algorithmen Insbesondere werden die Ressourcen Laufzeit und Speicherplatz untersucht und ihr Bedarf wird ublicherweise in der Landau Notation dargestellt In erster Linie werden die Laufzeit und der Speicherplatzbedarf in Abhangigkeit von der Lange der Eingabe notiert Algorithmen die sich hochstens durch einen konstanten Faktor in ihrer Laufzeit bzw ihrem Speicherbedarf unterscheiden werden durch die Landau Notation derselben Klasse d h einer Menge von Problemen mit aquivalenter vom Algorithmus fur die Losung benotigter Laufzeit zugeordnet Ein Algorithmus dessen Laufzeit von der Eingabelange unabhangig ist arbeitet in konstanter Zeit man schreibt O 1 displaystyle mathcal O 1 Beispielsweise wird das Programm gib das erste Element einer Liste zuruck in konstanter Zeit arbeiten Das Programm prufe ob ein bestimmtes Element in einer unsortierten Liste der Lange n enthalten ist braucht lineare Zeit also O n displaystyle mathcal O n denn die Eingabeliste muss schlimmstenfalls genau einmal gelesen werden Die Komplexitatstheorie liefert bisher fast nur obere Schranken fur den Ressourcenbedarf von Problemen denn Methoden fur exakte untere Schranken sind kaum entwickelt und nur von wenigen Problemen bekannt so zum Beispiel fur die Aufgabe eine Liste von Werten mit Hilfe einer gegebenen Ordnungsrelation durch Vergleiche zu sortieren die untere Schranke W n log n displaystyle Omega n log n Dennoch gibt es Methoden besonders schwierige Probleme als solche zu klassifizieren wobei die Theorie der NP Vollstandigkeit eine zentrale Rolle spielt Demnach ist ein Problem besonders schwierig wenn man durch dessen Losung auch automatisch die meisten anderen naturlichen Probleme losen kann ohne dafur wesentlich mehr Ressourcen zu verwenden Die grosste offene Frage in der Komplexitatstheorie ist die Frage nach P NP Das Problem ist eines der Millennium Probleme die vom Clay Mathematics Institute mit einer Million US Dollar ausgeschrieben sind Wenn P nicht gleich NP ist konnen NP vollstandige Probleme nicht effizient gelost werden Theorie der Programmiersprachen Bearbeiten Dieser Bereich beschaftigt sich mit der Theorie Analyse Charakterisierung und Implementierung von Programmiersprachen und wird sowohl in der praktischen als auch der theoretischen Informatik aktiv erforscht Das Teilgebiet beeinflusst stark angrenzende Fachbereiche wie Teile der Mathematik und der Linguistik Typentheorie Compilerbau ProgrammiersprachenTheorie der formalen Methoden Bearbeiten Die Theorie der formalen Methoden beschaftigt sich mit einer Vielzahl an Techniken zur formalen Spezifikation und Verifikation von Software und Hardwaresystemen Die Motivation fur dieses Gebiet entstammt dem ingenieurwissenschaftlichen Denken eine strenge mathematische Analyse hilft die Zuverlassigkeit und Robustheit eines Systems zu verbessern Diese Eigenschaften sind insbesondere bei Systemen die in sicherheitskritischen Bereichen arbeiten von grosser Bedeutung Die Erforschung solcher Methoden erfordert unter anderem Kenntnisse aus der mathematischen Logik und der formalen Semantik Praktische Informatik Bearbeiten Hauptartikel Praktische Informatik Die Praktische Informatik entwickelt grundlegende Konzepte und Methoden zur Losung konkreter Probleme in der realen Welt beispielsweise der Verwaltung von Daten in Datenstrukturen oder der Entwicklung von Software Einen wichtigen Stellenwert hat dabei die Entwicklung von Algorithmen Beispiele dafur sind Sortier und Suchalgorithmen Eines der zentralen Themen der praktischen Informatik ist die Softwaretechnik auch Softwareengineering genannt Sie beschaftigt sich mit der systematischen Erstellung von Software Es werden auch Konzepte und Losungsvorschlage fur grosse Softwareprojekte entwickelt die einen wiederholbaren Prozess von der Idee bis zur fertigen Software erlauben sollen C Quelltext Maschinencode schematisch Berechnung des ggT zweier Zahlen nach dem Euklidischen Algorithmus int ggt int zahl1 int zahl2 int temp while zahl2 0 temp zahl1 zahl2 zahl1 zahl2 zahl2 temp return zahl1 Compiler 0010 0100 1011 0111 1000 1110 1100 1011 0101 1001 0010 0001 0111 0010 0011 1101 0001 0000 1001 0100 1000 1001 1011 1110 0001 0011 0101 1001 0111 0010 0011 1101 0001 0011 1001 1100 Skizze eines B Baums Ein wichtiges Thema der Praktischen Informatik ist der Compilerbau der auch in der Theoretischen Informatik untersucht wird Ein Compiler ist ein Programm das andere Programme aus einer Quellsprache beispielsweise Java oder C in eine Zielsprache ubersetzt Ein Compiler ermoglicht es einem Menschen Software in einer abstrakteren Sprache zu entwickeln als in der von der CPU verwendeten Maschinensprache Ein Beispiel fur den Einsatz von Datenstrukturen ist der B Baum der in Datenbanken und Dateisystemen das schnelle Suchen in grossen Datenbestanden erlaubt Technische Informatik Bearbeiten Hauptartikel Technische Informatik Die Technische Informatik befasst sich mit den hardwareseitigen Grundlagen der Informatik wie etwa Mikroprozessortechnik Rechnerarchitektur eingebetteten und Echtzeitsystemen Rechnernetzen samt der zugehorigen systemnahen Software sowie den hierfur entwickelten Modellierungs und Bewertungsmethoden Wirkungsspektrum der Technischen Informatik Mikroprozessortechnik Rechnerentwurfsprozess Bearbeiten Die Mikroprozessortechnik wird durch die schnelle Entwicklung der Halbleitertechnik dominiert Die Strukturbreiten im Nanometerbereich ermoglichen die Miniaturisierung von hochkomplexen Schaltkreisen mit mehreren Milliarden Einzelbauelementen Diese Komplexitat ist nur mit ausgereiften Entwurfswerkzeugen und leistungsfahigen Hardwarebeschreibungssprachen zu beherrschen Der Weg von der Idee zum fertigen Produkt fuhrt uber viele Stufen die weitgehend rechnergestutzt sind und ein hohes Mass an Exaktheit und Fehlerfreiheit sichern Werden wegen hoher Anforderungen an die Leistungsfahigkeit Hardware und Software gemeinsam entworfen so spricht man auch von Hardware Software Codesign Architekturen Bearbeiten Die Rechnerarchitektur bzw Systemarchitektur ist das Fachgebiet das Konzepte fur den Bau von Computern bzw Systemen erforscht Bei der Rechnerarchitektur wird z B das Zusammenspiel von Prozessoren Arbeitsspeicher sowie Steuereinheiten Controller und Peripherie definiert und verbessert Das Forschungsgebiet orientiert sich dabei sowohl an den Anforderungen der Software als auch an den Moglichkeiten die sich uber die Weiterentwicklung von Integrierten Schaltkreisen ergeben Ein Ansatz ist dabei rekonfigurierbare Hardware wie z B FPGAs Field Programmable Gate Arrays deren Schaltungsstruktur an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden kann Aufbauend auf der Architektur der sequentiell arbeitenden Von Neumann Maschine bestehen heutige Rechner in der Regel aus einem Prozessor der selbst wieder mehrere Prozessorkerne Speicher Controller und eine ganze Hierarchie von Cache Speichern enthalten kann einem als Direktzugriffsspeicher Random Access Memory RAM ausgelegten Arbeitsspeicher Primarspeicher und Ein Ausgabe Schnittstellen unter anderem zu Sekundarspeichern z B Festplatte oder SSD Speicher Durch die vielen Einsatzgebiete ist heute ein weites Spektrum von Prozessoren im Einsatz das von einfachen Mikrocontrollern z B in Haushaltsgeraten uber besonders energieeffiziente Prozessoren in mobilen Geraten wie Smartphones oder Tabletcomputern bis hin zu intern parallel arbeitenden Hochleistungsprozessoren in Personal Computern und Servern reicht Parallelrechner gewinnen an Bedeutung bei denen Rechenoperationen auf mehreren Prozessoren gleichzeitig ausgefuhrt werden konnen Der Fortschritt der Chiptechnik ermoglicht heute schon die Realisierung einer grossen Zahl gegenwartige Grossenordnung 100 1000 von Prozessorkernen auf einem einzigen Chip Mehrkernprozessoren Multi Manycore Systeme System on a Chip SoCs Ist der Rechner in ein technisches System eingebunden und verrichtet dort weitgehend unsichtbar fur den Benutzer Aufgaben wie Steuerung Regelung oder Uberwachung spricht man von einem eingebetteten System Eingebettete Systeme sind in einer Vielzahl von Geraten des Alltags wie Haushaltsgeraten Fahrzeugen Geraten der Unterhaltungselektronik Mobiltelefonen aber auch in industriellen Systemen z B in der Prozessautomation oder der Medizintechnik im Einsatz Da eingebettete Computer immerzu und uberall verfugbar sind spricht man auch von allgegenwartigem oder ubiquitarem Rechnen Ubiquitous computing Immer haufiger sind diese Systeme vernetzt z B mit dem Internet Internet of Things Netzwerke von interagierenden Elementen mit physikalischer Eingabe von und Ausgabe zu ihrer Umwelt werden auch als Cyber Physical Systems bezeichnet Ein Beispiel sind drahtlose Sensornetze zur Umweltuberwachung Heimrouter Echtzeitsysteme sind darauf ausgelegt dass sie auf bestimmte zeitkritisch ablaufende Prozesse der Aussenwelt mit angemessener Reaktionsgeschwindigkeit rechtzeitig antworten konnen Dies setzt voraus dass die Ausfuhrungszeit der Antwortprozesse entsprechende vorgegebene Zeitschranken garantiert nicht uberschreitet Viele eingebettete Systeme sind auch Echtzeitsysteme Eine zentrale Rolle bei allen Mehrrechnersystemen spielt die Rechnerkommunikation Diese ermoglicht den elektronischen Datenaustausch zwischen Computern und stellt damit die technische Grundlage des Internets dar Neben der Entwicklung von Routern Switches oder Firewalls gehort hierzu auch die Entwicklung der Softwarekomponenten die zum Betrieb dieser Gerate notig ist Dies schliesst insbesondere die Definition und Standardisierung von Netzwerkprotokollen wie TCP HTTP oder SOAP ein Protokolle sind dabei die Sprachen in denen Rechner untereinander Information austauschen Bei Verteilten Systemen arbeitet eine grosse Zahl von Prozessoren ohne gemeinsamen Speicher zusammen Ublicherweise regeln Prozesse die uber Nachrichten miteinander kommunizieren die Zusammenarbeit von einzelnen weitgehend unabhangigen Computern in einem Verbund Cluster Schlagworte in diesem Zusammenhang sind beispielsweise Middleware Grid Computing und Cloud Computing Modellierung und Bewertung Bearbeiten Als Basis fur die Bewertung der genannten Architekturansatze sind wegen der generellen Komplexitat solcher Systemlosungen spezielle Modellierungsmethoden entwickelt worden um Bewertungen bereits vor der eigentlichen Systemrealisierung durchfuhren zu konnen Besonders wichtig ist dabei zum einen die Modellierung und Bewertung der resultierenden Systemleistung z B anhand von Benchmark Programmen Als Methoden zur Leistungsmodellierung sind z B Warteschlangenmodelle Petri Netze und spezielle verkehrstheoretische Modelle entwickelt worden Vielfach wird insbesondere bei der Prozessorentwicklung auch Computersimulation eingesetzt Neben der Leistung konnen auch andere Systemeigenschaften auf der Basis der Modellierung studiert werden z B spielt gegenwartig auch der Energieverbrauch von Rechnerkomponenten eine immer grossere zu berucksichtigende Rolle Angesichts des Wachstums der Hardware und Softwarekomplexitat sind ausserdem Probleme der Zuverlassigkeit Fehlerdiagnose und Fehlertoleranz insbesondere bei sicherheitskritischen Anwendungen von grosser Bedeutung Hier gibt es entsprechende meist auf Verwendung redundanter Hardware bzw Softwareelemente basierende Losungsmethoden Beziehungen zu anderen Informatikgebieten und weiteren Fachdisziplinen Bearbeiten Die Technische Informatik hat enge Beziehungen zu anderen Gebieten der Informatik und den Ingenieurwissenschaften Sie baut auf der Elektronik und Schaltungstechnik auf wobei digitale Schaltungen im Vordergrund stehen Digitaltechnik Fur die hoheren Softwareschichten stellt sie die Schnittstellen bereit auf denen wiederum diese Schichten aufbauen Insbesondere uber eingebettete Systeme und Echtzeitsysteme gibt es enge Beziehungen zu angrenzenden Gebieten der Elektrotechnik und des Maschinenbaus wie Steuerungs Regelungs und Automatisierungstechnik sowie zur Robotik Informatik in interdisziplinaren Wissenschaften Bearbeiten Unter dem Sammelbegriff der Angewandten Informatik fasst man das Anwenden von Methoden der Kerninformatik in anderen Wissenschaften zusammen 1 Rund um die Informatik haben sich einige interdisziplinare Teilgebiete und Forschungsansatze entwickelt teilweise zu eigenen Wissenschaften Beispiele Computational sciences Bearbeiten Dieses interdisziplinare Feld beschaftigt sich mit der computergestutzten Analyse Modellierung und Simulation von naturwissenschaftlichen Problemen und Prozessen Entsprechend den Naturwissenschaften wird hier unterschieden Die Bioinformatik englisch bioinformatics auch computational biology befasst sich mit den informatischen Grundlagen und Anwendungen der Speicherung Organisation und Analyse biologischer Daten Die ersten reinen Bioinformatikanwendungen wurden fur die DNA Sequenzanalyse entwickelt Dabei geht es primar um das schnelle Auffinden von Mustern in langen DNA Sequenzen und die Losung des Problems wie man zwei oder mehr ahnliche Sequenzen so ubereinander legt und gegeneinander ausrichtet dass man eine moglichst optimale Ubereinstimmung erzielt sequence alignment Mit der Aufklarung und weitreichenden Funktionsanalyse verschiedener vollstandiger Genome z B des Fadenwurms Caenorhabditis elegans verlagert sich der Schwerpunkt bioinformatischer Arbeit auf Fragestellungen der Proteomik wie z B dem Problem der Proteinfaltung und Strukturvorhersage also der Frage nach der Sekundar oder Tertiarstruktur bei gegebener Aminosauresequenz Die Biodiversitatsinformatik umfasst die Speicherung und Verarbeitung von Informationen zur biologischen Vielfalt Wahrend die Bioinformatik sich mit Nucleinsauren und Proteinen beschaftigt sind die Objekte der Biodiversitatsinformatik Taxa biologische Sammlungsbelege und Beobachtungsdaten Kunstliches Leben englisch Artificial life wurde 1986 als interdisziplinare Forschungsdisziplin etabliert 20 21 Die Simulation naturlicher Lebensformen mit Software soft artificial life und Hardwaremethoden hard artificial life ist ein Hauptziel dieser Disziplin 22 Anwendungen fur kunstliches Leben gibt es heute unter anderem in der synthetischen Biologie im Gesundheitssektor und der Medizin in der Okologie bei autonomen Robotern im Transport und Verkehrssektor in der Computergrafik fur virtuelle Gesellschaften und bei Computerspielen 23 Die Chemoinformatik englisch chemoinformatics cheminformatics oder chemiinformatics bezeichnet einen Wissenschaftszweig der das Gebiet der Chemie mit Methoden der Informatik verbindet und umgekehrt Sie beschaftigt sich mit der Suche im chemischen Raum welcher aus virtuellen in silico oder realen Molekulen besteht Die Grosse des chemischen Raumes wird auf etwa 1062 Molekule geschatzt und ist weit grosser als die Menge der bisher real synthetisierten Molekule Somit lassen sich unter Umstanden Millionen von Molekulen mit Hilfe solcher Computer Methoden in silico testen ohne diese explizit mittels Methoden der Kombinatorischen Chemie oder Synthese im Labor erzeugen zu mussen Ingenieurinformatik Maschinenbauinformatik Bearbeiten Die Ingenieurinformatik englisch auch als Computational Engineering Science bezeichnet ist eine interdisziplinare Lehre an der Schnittstelle zwischen den Ingenieurwissenschaften der Mathematik und der Informatik an den Fachbereichen Elektrotechnik Maschinenbau Verfahrenstechnik Systemtechnik Die Maschinenbauinformatik beinhaltet im Kern die virtuelle Produktentwicklung Produktionsinformatik mittels Computervisualistik sowie die Automatisierungstechnik Wirtschaftsinformatik Informationsmanagement Bearbeiten Hauptartikel Wirtschaftsinformatik Die Wirtschaftsinformatik englisch business information systems auch management information systems ist eine Schnittstellen Disziplin zwischen der Informatik und den Wirtschaftswissenschaften besonders der Betriebswirtschaftslehre Sie hat sich durch ihre Schnittstellen zu einer eigenstandigen Wissenschaft entwickelt und kann sowohl an Wirtschafts als auch an Informatik Fakultaten studiert werden Ein Schwerpunkt der Wirtschaftsinformatik liegt auf der Abbildung von Geschaftsprozessen und der Buchhaltung in relationalen Datenbanksystemen und Enterprise Resource Planning Systemen Das Information Engineering der Informationssysteme und das Informationsmanagement spielen im Rahmen der Wirtschaftsinformatik eine gewichtige Rolle Entwickelt wurde dies an der Fachhochschule Furtwangen bereits 1971 13 Ab 1974 richteten die damalige TH Darmstadt die Johannes Kepler Universitat Linz und die TU Wien einen Studiengang Wirtschaftsinformatik ein Sozioinformatik Bearbeiten Die Sozioinformatik befasst sich mit den Auswirkungen von IT Systemen auf die Gesellschaft wie sie z B Organisationen und Gesellschaft in ihrer Organisation unterstutzen aber auch wie die Gesellschaft auf die Entwicklung von sozial eingebetteten IT Systemen einwirkt sei es als Prosumenten auf kollaborativen Plattformen wie der Wikipedia oder mittels rechtlicher Einschrankungen um beispielsweise Datensicherheit zu garantieren Sozialinformatik Bearbeiten Die Sozialinformatik befasst sich zum einen mit dem IT Betrieb in sozialen Organisationen zum anderen mit Technik und Informatik als Instrument der Sozialen Arbeit wie zum Beispiel beim Ambient Assisted Living Medieninformatik Bearbeiten Die Medieninformatik hat die Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine als Schwerpunkt und befasst sich mit der Verbindung von Informatik Psychologie Arbeitswissenschaft Medientechnik Mediengestaltung und Didaktik Computerlinguistik Bearbeiten In der Computerlinguistik wird untersucht wie naturliche Sprache mit dem Computer verarbeitet werden kann Sie ist ein Teilbereich der Kunstlichen Intelligenz aber auch gleichzeitig Schnittstelle zwischen Angewandter Linguistik und Angewandter Informatik Verwandt dazu ist auch der Begriff der Kognitionswissenschaft die einen eigenen interdisziplinaren Wissenschaftszweig darstellt der u a Linguistik Informatik Philosophie Psychologie und Neurologie verbindet Anwendungsgebiete der Computerlinguistik sind die Spracherkennung und synthese automatische Ubersetzung in andere Sprachen und Informationsextraktion aus Texten Umweltinformatik Geoinformatik Bearbeiten Die Umweltinformatik beschaftigt sich interdisziplinar mit der Analyse und Bewertung von Umweltsachverhalten mit Mitteln der Informatik Schwerpunkte sind die Verwendung von Simulationsprogrammen Geographische Informationssysteme GIS und Datenbanksysteme Die Geoinformatik englisch geoinformatics ist die Lehre des Wesens und der Funktion der Geoinformation und ihrer Bereitstellung in Form von Geodaten und mit den darauf aufbauenden Anwendungen auseinander Sie bildet die wissenschaftliche Grundlage fur Geoinformationssysteme GIS Allen Anwendungen der Geoinformatik gemeinsam ist der Raumbezug und fallweise dessen Abbildung in kartesische raumliche oder planare Darstellungen im Bezugssystem Andere Informatikdisziplinen Bearbeiten Weitere Schnittstellen der Informatik zu anderen Disziplinen gibt es in der Informationswirtschaft Medizinischen Informatik Logistikinformatik Pflegeinformatik und der Rechtsinformatik Informationsmanagement Verwaltungsinformatik Betriebsinformatik Architekturinformatik Bauinformatik sowie der Agrarinformatik Archaoinformatik Sportinformatik sowie neue interdisziplinare Richtungen wie beispielsweise das Neuromorphic Engineering Die Zusammenarbeit mit der Mathematik oder der Elektrotechnik wird aufgrund der Verwandtschaft nicht als interdisziplinar bezeichnet Mit dem Informatikunterricht besonders an Schulen befasst sich die Didaktik der Informatik Die Elementarinformatik beschaftigt sich mit der Vermittlung von grundlegenden Informatikkonzepten im Vorschul und Grundschulbereich Kunstliche Intelligenz Bearbeiten Hauptartikel Kunstliche Intelligenz Eine Kohonenkarte beim Lernen Die Kunstliche Intelligenz KI ist ein grosses Teilgebiet der Informatik mit starken Einflussen aus Logik Linguistik Neurophysiologie und Kognitionspsychologie Dabei unterscheidet sich die KI in der Methodik zum Teil erheblich von der klassischen Informatik Statt eine vollstandige Losungsbeschreibung vorzugeben wird in der Kunstlichen Intelligenz die Losungsfindung dem Computer selbst uberlassen Ihre Verfahren finden Anwendung in Expertensystemen in der Sensorik und Robotik Im Verstandnis des Begriffs Kunstliche Intelligenz spiegelt sich oft die aus der Aufklarung stammende Vorstellung vom Menschen als Maschine wider dessen Nachahmung sich die sogenannte starke KI zum Ziel setzt eine Intelligenz zu erschaffen die wie der Mensch nachdenken und Probleme losen kann und die sich durch eine Form von Bewusstsein beziehungsweise Selbstbewusstsein sowie Emotionen auszeichnet Die Umsetzung dieses Ansatzes erfolgte durch Expertensysteme die im Wesentlichen die Erfassung Verwaltung und Anwendung einer Vielzahl von Regeln zu einem bestimmten Gegenstand daher Experten leisten Im Gegensatz zur starken KI geht es der schwachen KI darum konkrete Anwendungsprobleme zu meistern Insbesondere sind dabei solche Anwendungen von Interesse zu deren Losung nach allgemeinem Verstandnis eine Form von Intelligenz notwendig scheint Letztlich geht es der schwachen KI somit um die Simulation intelligenten Verhaltens mit Mitteln der Mathematik und der Informatik es geht ihr nicht um Schaffung von Bewusstsein oder um ein tieferes Verstandnis der Intelligenz Ein Beispiel aus der schwachen KI ist die Fuzzylogik Neuronale Netze gehoren ebenfalls in diese Kategorie seit Anfang der 1980er Jahre analysiert man unter diesem Begriff die Informationsarchitektur des menschlichen oder tierischen Gehirns Die Modellierung in Form kunstlicher neuronaler Netze illustriert wie aus einer sehr einfachen Grundstruktur eine komplexe Mustererkennung geleistet werden kann Gleichzeitig wird deutlich dass diese Art von Lernen nicht auf der Herleitung von logisch oder sprachlich formulierbaren Regeln beruht und somit etwa auch die besonderen Fahigkeiten des menschlichen Gehirns innerhalb des Tierreichs nicht auf einen regel oder sprachbasierten Intelligenz Begriff reduzierbar sind Die Auswirkungen dieser Einsichten auf die KI Forschung aber auch auf Lerntheorie Didaktik und andere Gebiete werden noch diskutiert Maschinelles Lernen Bildverarbeitung Mustererkennung Kognitionswissenschaft Data Mining Evolutionary computation Information Retrieval Wissensreprasentation Natural language processing Robotik Wahrend die starke KI an ihrer philosophischen Fragestellung bis heute scheiterte sind auf der Seite der schwachen KI Fortschritte erzielt worden Informatik und Gesellschaft Bearbeiten Hauptartikel Informatik und Gesellschaft Informatik und Gesellschaft IuG ist ein Teilbereich der Wissenschaft Informatik und erforscht die Rolle der Informatik auf dem Weg zur Informationsgesellschaft Die dabei untersuchten Wechselwirkungen der Informatik umfassen die unterschiedlichsten Aspekte Ausgehend von historischen sozialen kulturellen Fragen betrifft dies okonomische politische okologische ethische didaktische und selbstverstandlich technische Aspekte Die entstehende global vernetzte Informationsgesellschaft wird fur die Informatik als zentrale Herausforderung gesehen in der sie als technische Grundlagenwissenschaft eine definierende Rolle spielt und diese reflektieren muss IuG ist dadurch gekennzeichnet dass eine interdisziplinare Herangehensweise insbesondere mit den Geisteswissenschaften aber auch z B mit den Rechtswissenschaften notwendig ist Siehe auch Bearbeiten Portal Informatik Ubersicht zu Wikipedia Inhalten zum Thema Informatik Liste bedeutender Personen fur die Informatik Gesellschaft fur Informatik Osterreichische Computer Gesellschaft Schweizer Informatik Gesellschaft InformatikstudiumLiteratur BearbeitenHerbert Bruderer Meilensteine der Rechentechnik Band 1 Mechanische Rechenmaschinen Rechenschieber historische Automaten und wissenschaftliche Instrumente 2 stark erw Auflage Walter de Gruyter Berlin Boston 2018 ISBN 978 3 11 051827 6 Heinz Peter Gumm Manfred Sommer Einfuhrung in die Informatik 10 Auflage Oldenbourg Munchen 2012 ISBN 978 3 486 70641 3 A K Dewdney Der Turing Omnibus Eine Reise durch die Informatik mit 66 Stationen Ubersetzt von P Dobrowolski Springer Berlin 1995 ISBN 3 540 57780 7 Hans Dieter Hellige Hrsg Geschichten der Informatik Visionen Paradigmen Leitmotive Berlin Springer 2004 ISBN 3 540 00217 0 Jan Leeuwen Theoretical Computer Science Springer Berlin 2000 ISBN 3 540 67823 9 Peter Rechenberg Gustav Pomberger Hrsg Informatik Handbuch 3 Auflage Hanser 2002 ISBN 3 446 21842 4 Vladimiro Sassone Foundations of Software Science and Computation Structures Springer Berlin 2005 ISBN 3 540 25388 2 Uwe Schneider Dieter Werner Hrsg Taschenbuch der Informatik 6 Auflage Fachbuchverlag Leipzig 2007 ISBN 978 3 446 40754 1 Gesellschaft fur Informatik Was ist Informatik Positionspapier der Gesellschaft fur Informatik PDF ca 600 kB Bonn 2005 oder Was ist Informatik Kurzfassung PDF rund 85 kB Les Goldschlager Andrew Lister Informatik Eine moderne Einfuhrung Carl Hanser Wien 1986 ISBN 3 446 14549 4 Arno Schulz Informatik fur Anwender de Gruyter Verlag Berlin New York 1973 ISBN 3 11 002051 3 Horst Volz Das ist Information Shaker Verlag Aachen 2017 ISBN 978 3 8440 5587 0 Horst Volz Wie wir wissend wurden Nicht Alles ist Information Shaker Verlag Aachen 2018 ISBN 978 3 8440 5865 9 Horst Volz Information und Medienwissenschaft Shaker Verlag Duren 2020 ISBN 978 3 8440 7641 7 Weblinks Bearbeiten Wiktionary Informatik Bedeutungserklarungen Wortherkunft Synonyme Ubersetzungen Commons Informatik Sammlung von Bildern Videos und Audiodateien Wikibooks Regal EDV Lern und Lehrmaterialien Wikiversity Fachbereich Informatik Kursmaterialien Linkkatalog zum Thema Informatik Fachbereiche an Hochschulen bei curlie org ehemals DMOZ Gesellschaft fur Informatik GI Schweizer Informatik Gesellschaft SI Informatik fur Lehrerinnen und Lehrer im ZUM Wiki Einstieg Informatik www einstieg informatik deEinzelnachweise Bearbeiten a b Duden Informatik A Z Fachlexikon fur Studium Ausbildung und Beruf 4 Aufl Mannheim 2006 ISBN 978 3 411 05234 9 Gesellschaft fur Informatik Was ist Informatik Unser Positionspapier S 8 ff Abgerufen am 9 Februar 2021 Friedrich L Bauer Historische Notizen zur Informatik Springer Science amp Business Media 2009 ISBN 978 3 540 85789 1 S 36 eingeschrankte Vorschau in der Google Buchsuche abgerufen am 25 Februar 2017 Arno Pasternak Fach und bildungswissenschaftliche Grundlagen fur den Informatikunterricht in der Sekundarstufe I Dissertation PDF 14 0 MB 17 Mai 2013 S 47 abgerufen am 31 Juli 2020 mit einem Faksimile des einleitenden Abschnitts aus den SEG Nachrichten 4 1957 Tobias Haberlein Eine praktische Einfuhrung in die Informatik mit Bash und Python Oldenbourg Verlag 2011 ISBN 978 3 486 71445 6 S 5 eingeschrankte Vorschau in der Google Buchsuche abgerufen am 25 Februar 2017 Prasentation zur 40 jahrigen Geschichte der GI und der Informatik Memento vom 23 Dezember 2012 im Internet Archive PDF 3 1 MB Friedrich L Bauer Historische Notizen zur Informatik Springer Science amp Business Media 2009 ISBN 978 3 540 85789 1 S 36 eingeschrankte Vorschau in der Google Buchsuche abgerufen am 25 Februar 2017 Wolfgang Coy Geschichten der Informatik Visionen Paradigmen Leitmotive Hrsg Hans Dieter Hellige Springer 2004 ISBN 3 540 00217 0 S 475 Start of study as from winter semester 2012 2013 Fakultat fur Informatik der Technischen Universitat Munchen In www in tum de Abgerufen am 7 September 2015 a b c d Christine Pieper Hochschulinformatik in der Bundesrepublik und der DDR bis 1989 1990 In Wissenschaft Politik und Gesellschaft 1 Auflage Franz Steiner Verlag Stuttgart 2009 ISBN 978 3 515 09363 7 Fakultat fur Informatik Geschichte Abgerufen am 13 September 2019 40 Jahre Informatik in Munchen 1967 2007 Festschrift Memento vom 17 Mai 2011 im Internet Archive PDF S 26 auf in tum de abgerufen am 5 Januar 2014 a b Geschichte der HS Furtwangen Geschichte des Universitatsbereichs im KIT https www jku at die jku ueber uns geschichte Kurze Geschichte der Technischen Universitat Wien Memento vom 5 Juni 2012 im Internet Archive University of Cambridge A brief informal history of the Computer Laboratory University of Cambridge Cambridge Computing The First 75 Years S 96 Konrad Zuse der Namenspatron des ZIB abgerufen am 27 Juli 2012 Christopher Langton Studying Artificial Life with Cellular Automata In Physics 22ID 120 149 Christopher Langton What is Artificial Life 1987 pdf Memento vom 11 Marz 2007 im Internet Archive Marc A Bedau Artificial life organization adaptation and complexity from the bottom up Wolfgang Banzhaf Barry McMullin Artificial Life In Grzegorz Rozenberg Thomas Back Joost N Kok Hrsg Handbook of Natural Computing Springer 2012 ISBN 978 3 540 92909 3 Print ISBN 978 3 540 92910 9 Online Normdaten Sachbegriff GND 4026894 9 OGND AKS Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Informatik amp oldid 213513571, wikipedia, wiki, deutsches

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