| Es begab sich aber zu der Zeit, daß ein Gebot von
dem Kaiser Augustus ausging, daß alle Welt geschätzt würde.
Und diese Schätzung war die allererste und geschah zu der Zeit, da Cyrenius
Landpfleger in Syrien war.Und jedermann ging, daß er sich schätzen
ließe... Lukas, 2.1 |
Vereinigte Staaten von Amerika, Ende des 19ten Jahrhunderts. Die Regierung plant eine Volkszählung - die elfte. Alle zehn Jahre wird gezählt, um eine Basis für die Repräsentation der Bürger im Kongress zu haben. Die Volkszählung von 1880 erforderte 7 Jahre Auswertezeitraum - die Zensusbehörde hat zuviel Arbeit und zuwenig Etat. Der Staat aber will Informationen, sehr viele Informationen. Die herkömmlichen Zähltechniken mit Bleistift, Papier und Strichlisten sind aufgrund der Größe des Vorhabens von vornherein zum Scheitern verurteilt. Herman Hollerith (*1869- 1929) erdenkt sich ein neues Verfahren: basierend auf der Lochkartentechnik des Jacquard- Webstuhles entwickelt er Stanzgeräte und Kontaktpressen, die alle Lochpositionen auf einmal einlesen können. Die gestanzten Lochkarten werden auf diese Art mit elektromechanischen Zählgeräten ausgewertet. 1889 erhält Hollerith sein Patent für "Art of Compiling Statistics". Im Jahr darauf wird die neue Technik erfolgreich bei der Volkszählung eingesetzt.
Bild Kontaktpresse
Auf Herman Hollerith geht das auch heute noch verwendete Lochkartenformat zurück: 12 Zeilen mit 80 Spalten auf einem Kartonblatt von der Größe der damaligen Ein-Dollar-Note.
Nicht nur bei öffentlichen Stellen bewährte sich Holleriths Lochkartentechnik; auch Banken führten kaufmännische Berechnungen auf diesen Maschinen durch. Innerhalb weniger Jahre wurde die Hollerith Electric Tabulating System Company ein sehr erfolgreicher Betrieb, selbst für amerikanische Verhältnisse. Sie war eines der drei Gründungsunternehmen, aus denen die heutige IBM (1924) hervorging.
Hollerith war nicht der einzige, der in den Vereinigten Staaten mit Rechenmaschinen Erfolg hatte: William S. Borroughs läßt sich 1885 eine mechanische Addiermaschine patentieren. Das Unternehmen ist ebenfalls erfolgreich - 1926 hat es seine erste Million dieser Geräte verkauft. Auch Elmer Sperry macht sich einen Namen auf dem Gebiet der Feinmechanik - seine 1910 gegründete Firma baut Kreiselkompasse, später dann Autopiloten. 1955 fusioniert Sperry mit der Firma Remington Rand. Damit erwirbt sie Computer-Knowhow, denn der ENIAC wurde bei Remington Rand entwickelt. 1986 treffen sich die Wege der beiden Unternehmen. Aus der Firma Borroughs und der Sperry Rand (sie baute unter anderem den UNIVAC-Computer) ging 1986 die noch heute bestehende Unisys hervor.
Ein angehender Bauingenieur ist verärgert: Rechnen, Rechnen, Rechnen. Die Formeln, die seinen statischen Berechnungen zugrundeliegen, hat er verstanden. Er sieht auch die Notwendigkeit ein, Beispiele zu rechnen. Aber nur Beispiele rechnen? Soll das die Praxis des Bauingenieurs sein? Der Ärger ist fruchtbar: der Ingenieursstudent - niemand anders als Konrad Zuse (1910-1995) vergräbt sich im heimischen Bastelkeller und konstruiert eine Rechenmaschine. Eine elektromechanische Maschine soll es werden, aber das Geld ist knapp. Relais zu beschaffen stellt sich als fast unmöglich heraus. Zuse verfällt auf einen genialen Gedanken: Es genügen wenige Magnete, die spezielle Steuerbleche bewegen. Bei der Verschiebung gegen feststehende Bleche werden Metallstifte bewegt, die für den Rechnungsgang steuernd wirken. Der Nachteil des Verfahrens liegt darin, daß in die Bleche Schlitze hineinmüssen. Konservendosen liefern brauchbares Blech. Zuse steht weder eine Fräsmaschine noch eine Presse zum Stanzen zur Verfügung. So sägt er abends, manchmal von Freunden unterstützt, Hunderte von Schlitzen in die Bleche - mit der Laubsäge. Endlich, im Jahr 1938 funktioniert die Maschine, die Z1: sie rechnet, wenn auch nicht sehr zuverlässig. Die Mechanik ist komplex, der Präzision der Laubsäge waren Grenzen gesetzt. Für Zuses Idee des programmgesteuerten Rechenautomaten lassen sich die Herren aus Berlin nicht begeistern: der junge Ingenieur mit seiner Rechenmaschine wird als Spinner betrachtet.
Bild: Funktionsschema Steuerblech
Da wendet sich das Blatt: der zweite Weltkrieg erfordert plötzlich neue, präzisere Schußtafeln, die alle berechnet sein wollen. Zuse erhält seine Chance, und was noch wichtiger ist, er kann einige tausend Telephonrelais ergattern, mit denen er seine Z3 baut. Die Z3 ist lochstreifengesteuert - alter Kinofilm hat sich wegen seiner mechanischen Festigkeit und der Stabilität gegen Dehnung als Streifenmaterial bewährt. Außerdem hat er eine Randlochung für den exakten Transport. Die geforderte Genauigkeit der Berechnungen ist hoch - und wieder hat Zuse einen hervorragenden Gedanken: Die Rechnerei findet nicht im Festkommaformat statt, sondern die Zahlenwerte werden durch Mantisse und Exponent dargestellt. Damit ist die Gleitpunkt-Darstellung erfunden, die eine gleichbleibende Anzahl gültiger Stellen liefert.
Zuse und sein Zeitgenosse Turing in England (wir hören noch von ihm) haben auch die Programmschleife erfunden: ein Stück Lochstreifen, der die Befehle enthält wird zu einem Ring zusammengeklebt - fertig.
Anmerkung:
Die Originalmaschine Z1 hat, ebenso wie die Z3, den zweiten Weltkrieg nicht überstanden. Eine von Konrad Zuse erst kürzlich fertiggestellte Rekonstruktion der Z1 ist allerdings seit 1989 im Museum für Verkehr und Technik in Berlin zu besichtigen. Um den Einblick zu erleichtern, sind bei diesem Gerät wesentliche Gehäuseteile aus transparentem Kunstoffmaterial gefertigt. Ein Nachbau der Z3 findet sich im Deutschen Museum zu München, ebenso wie spätere Rechner und Plotter, die von Zuse konstruiert wurden.
Der englische Geheimdienst ist besorgt: die Überfälle der deutschen U-Boote auf englische Schiffe werden immer dreister und bleiben erfolgreich. Das Geschehen des zweiten Weltkriegs spitzt sich zu. Zugegeben: Deutsche Funksprüche fängt man auf, aber sie sind verschlüsselt. Und der Code trotzt allen Entschlüsselungsversuchen. Durch einen glücklichen Zufäll erhält man von der polnischen Seite Teile eines erbeuteten deutschen Chiffriergerätes, der Enigma. Obwohl nun das Gerät zur Verfügung steht, kann man die Funksprüche immer noch nicht entziffern. Das liegt an der ungeheueren kombinatorischen Vielfalt von Codes, derer die Enigma fähig ist. Man engagiert einen brillianten Mathematiker: Alan Turing (*- ). Er hat als Zahlentheoretiker und Algebraiker einen hervorragenden Ruf. Turing ist der geeignete Mann für diese Arbeit. Die Enigma benutzt ein sogenanntes K-Rotor-Verfahren. Der heute vom amerikanischen Verteigungsministerium propagierte Data Encryption Standard (DES) ist ebenfalls ein K-Rotor-Verfahren, das auf denselben Grundlagen basiert.
Funktionsprinzip der Enigma: Rotorscheiben, Reflektor und Schrittschaltwerk
Turing hatte gute theoretische Vorarbeit geleistet: Aufgrund seiner Untersuchungen über bereits entschlüsselte Funksprüche oder zufällige Klartextmeldungen konnte er herausfinden, welcher Klasse eine Nachricht angehörte. Da die Enigma ein k-Rotor-Verfahren (mit bekannter Zyklenlänge) benutzte, konnte Turing einen Dechiffrier-Computer ersinnen, der die Codierung einer nichtentschlüsselten Nachricht brach. Dieser Computer, Colossus, verwendete im Gegensatz zu Zuses Z3 nicht nur Relais, sondern auch Radioröhren. Damit konnte eine deutlich gesteigerte Arbeitsgeschwindigkeit erzielt werden. An Turings Erfolgen war allerdings die deutsche Wehrmacht nicht unbeteiligt: Sie verwendete zu viele stereotype Formulierungen, die - einmal bekannt - einen Ansatz zu weiterer Entschlüsselung boten.
In den Vereinigten Staaten von Amerika bearbeitet John von Neumann () das Gebiet des automatisierbaren Rechnens.
Rechner zum Berechnen von Telefonleitungen in komplexen Zahlen
Deutschland, 1945. Man hat andere Sorgen als die wissenschaftliche Forschung. Und selbst wenn: Die Entwicklung programmgesteuerter Rechenapparaturen ist von den Alliierten verboten worden. Doch als das Verbot fällt, sind wieder Einige da, die Rechner bauen. Zunächst sind es Forschungsgeräte; entwickelt, um sich von langwierigen Rechenarbeiten zu entlasten.
In Göttingen forscht Heinz Billing (* ) an seinen Anlagen G1, G2 und G3. Röhren sind Mangelware, und die Erfahrung der Amerikaner mit Eniac zeigten, daß zuviele Röhren der Betriebssicherheit des Rechners abträglich sind - vom Stromverbrauch und der damit verbundenen Wärmeentwicklung ganz zu schweigen. Billings Verdienst liegt in der Anwendung der seriellen Verarbeitung. Eine Addition wird nicht durch einen Paralleladdierer ausgeführt, sondern durch die bitweise Addition der Daten in einem Ein-bit-Addierer. Der große schaltungstechnische Aufwand für das Rechenwerk wird so reduziert. Die serielle Verarbeitung kommt Billing ohnehin entgegen: Ein Arbeitsspeicher in Röhrentechnik ist ausgeschlossen, also verwendet Billing den Magnettrommelspeicher, den er selbst erfand. Die Daten werden - ähnlich wie bei einem Tonbandgerät - magnetisch aufgezeichnet. Das Lesen erfolgt seriell, so daß eine Umsetzung von parallel vorliegenden Daten in serielle Muster vermieden werden kann.
Alle Grundverknüpfungen, die zum Aufbau eines Rechenwerkes nötig sind, lassen sich mit Röhren realisieren. Setzt man Röhren mit sogenannten Doppelsystemen ein, so kann jede Verknüpfung (Und, Oder, Nicht, Flipflop) mit nur einer Röhre aufgebaut werden. Die zum Betrieb notwendigen Widerstände werden direkt an die Röhrenfassung gelötet; damit ist ein sehr kompakter Aufbau zu erzielen. Das Handbuch für Hochfrequenz- und Elektrotechniker 16 gibt hierfür die nachstehenden Grundschaltungen an:
Schaltskizze & Funktionsweise Röhrenflipflop
Schieberegister werden in aller Regel mit Flipflops realisiert, was bei einem 32-Bit-Register einen erheblichen schaltungstechnischen Aufwand bedeutet. Erheblich kleinere Schieberegister konnten mit Transfluxoren gebaut werden. Bei Ihnen handelt es sich um eine Abart des hartmagnetischen Ferrit-Ringes, der neben der Hauptöffnung noch über mindestens 2 weitere, kleinere Öffnungen verfügt. Eine Kette von Transfluxoren ist ein ideales Schieberegister für die Geschwindigkeitsmaßstäbe der Röhrentechnik.
In München konstruiert ein Team unter Leitung von Friedrich L. Bauer (*1921) die PERM. Sie kann bereits als ausgereifter Computer gelten:
Konrad Zuse wird ebenfalls nach dem zweiten Weltkrieg tätig. Er ist der erste deutsche Hersteller von Rechenanlagen, die kommerziell verkauft werden. Für die Wissenschaft ersinnt Zuse ein Ausgabegerät zum direkten Zeichnen der errechneten Daten auf Papier: der Plotter ist erfunden.
Im Jahr 1947 findet eine der umwälzendsten Entdeckungen dieses Jahrhunderts statt. Die Physiker Brattain, Bardeen und Shokley finden den Transistoreffekt. Der erste Transistor wird 1948 bei den Bell-Laboratories vorgestellt. Die Nachrichtentechnik hat ein neues Bauteil! Ein Bauteil mit ungeahnten Möglichkeiten, wenngleich es schwierig zu fertigen ist. Im Gegensatz zu den heutigen Transistoren sind die ersten Bauteile dieser Art feinmechanischer Natur. Auf einen geeignet dotierten Kristall werden zwei federnde Drahtspitzen gesetzt. Der Abstand der Aufsetzstellen muß genau eingehalten werden. Ein kurzer Stromstoß führt zu einer lokalen Erhitzung des Halbleiters um die Spitzen, so daß die Fremdatome der Dotierung wieder ausdiffundieren. Der entstandene Defizit an Fremdatomen liefert den nötigen pn-Übergang. Die gesamte Konstruktion wird in ein Glasgehäuse eingeschmolzen und lackiert, da die Halbleiter lichtempfindlich sind. Die Preise ? Die ersten kommerziell verkauften Transistoren sind teurer als Röhren, deren Technologie ausgereift und sicher ist. Die neuen Bauteile haben nur wenige Vorteile: Sie benötigen keine Heizung und sie fordern keine hohe Anodenspannung. Die erreichbaren Verstärkungsbandbreiten sind mit denen der Röhre noch nicht vergleichbar. Das ändert sich schnell. Der gezogene Transistor wird erdacht, später (19xx) der diffundierte Flächentransistor. Er ist das ideale Schaltelement für die aufblühende Computerindustrie.
Wegen seiner geringen Baugröße findet der Transistor bevorzugt in den Schreib-/Leseverstärkern der Ferritkernspeicher Verwendung. Die Packungsdichten lassen sich dadurch erheblich steigern. Die Zugriffszeiten konnten bis auf 800ns reduziert werden, ein Wert der von MOS-Halbleiterspeichern erst ca. 1975 erreicht wurde.
Sichtgerät (Vektor-Graphik)
Die Magnettrommel und das Magnetband sind neben der Lochkarte und dem Lochstreifen nicht die einzigen Speichermedien, die erprobt wurden. Speicher auf der Basis von Kathodenstrahlröhren, akustischer Signale in Quecksilber (Laufzeitspeicher) oder Ferritkerne wurden erfunden. Lediglich der Ferritkernspeicher konnte sich lange Zeit behaupten. Seine Vorteile sind neben der hohen Packungsdichte die geringe Stromaufnahme bei Nicht-Aktivierung und die Sicherheit von Datenverlusten bei Stromausfall. Eine Abart des Ferritkernspeichers ist der Twistor, der aus magnetisierbaren Drähten aufgebaut ist. Die Drähte werden zu einem Netz gewoben. Durch mechanische Spannung oder magnetische Behandlung wird ein spiralige Vorzugsrichtung des magnetischen Flusses in den Drähten erzielt. An den Kreuzungsstellen der Drähte kann dieser Fluß, ähnlich wie beim Ferritkernspeicher zur Informationsspeicherung verwendet werden.
Bild & Funktionsweise Ferrit-Kernspeicher, Hinweis auf Packungsdichten
Die Programmierung in Maschinensprache ist nur etwas für Eingeweihte. Und selbst die sind unzufrieden: Das Eingeben von Befehlen in Form von Zahlenkolonnen ist unübersichtlich und fehleranfällig. Mit der gestiegenen Leistung der Computer ist bald aber das Programmieren in Assembler möglich. Der Assembler ist ein Programm, das aus Anweisungen in Klartext - sogenannten Mnemonics - die Maschinenbefehle generiert. Die immer neuen Anwendungen erfordern leistungsfähigere Sprachen als Assembler. 1957 wird die Sprache Cobol aus der Taufe gehoben; Fortran und Algol folgen 1958.
sss
1960 - Die grundlegenden Erfindungen sind getan. Röhrenrechner werden langsam durch transistorbestückte Computer abgelöst: Die zweite Rechnergeneration entsteht. Die kommerziellen Systeme finden reißenden Absatz. Die Preise sind astronomisch, aber Käufer finden sich. Lästig ist nur, daß die Maschinen nicht transportabel sind - jedenfalls nicht ohne LKW. In der Luftfahrt und der jungen Raumfahrt ist Gewichtseinsparung nötig, aber auf die Rechenknechte will man nicht verzichten. Strom brauchen sie auch viel zu viel. Dann: der Durchbruch. xxx wird der integrierte Schaltkreis erfunden. Anfangs bescheiden, zwei, drei Transistoren sind das äußerste. Man kämpft zäh. Wichtig ist, daß genügende Mengen reinstes Silizium zur Verfügung stehen. Die Technologie zur Aufbereitung der Halbleiterwerkstoffe wird zur Wissenschaft.
1967 sind die ersten Minicomputer verfügbar. Sie enthalten bereits viele IC's und sind nicht mehr ausschließlich mit diskreten Bauelementen bestückt. Die Firma Digital Equipment ist einer der Vorreiter. Die PDP8 wird zum Erfolg. Viele Labors und Forschungseinrichtungen kaufen sich den Computer, der nur noch einen zwei Meter hohen Schaltschrank füllt. Selbst bei vergleichsweise hoher Rechenleistung wiegt er kaum über 300 kg. Und man ist sich einig: er ist bezahlbar. Je nach Ausstattung kostet er um die 200000,-- DM. Mit Computern dieser Art beginnt der Erfolg der Minicomputer.
Die ersten MOS-Schaltungen werden gebaut. Plötzlich sind Packungsdichten von mehreren Dutzend Transistoren pro mm2 möglich.
| Stand: 19.11.2002 / |
|