Computer

3

Geschichte

Die erste Addiermaschine, ein Vorläufer des Digitalcomputers, wurde 1642 von Blaise Pascal erfunden. Dieses Gerät enthielt eine Reihe von zehnzähnigen Zahnrädern, bei denen jeder Zahn einer Ziffer von null bis neun entsprach. Die Zahnräder waren so miteinander verbunden, dass Zahlen addiert wurden, wenn man die einzelnen Zahnräder um die richtige Anzahl von Zähnen weiterdrehte. In den siebziger Jahren des 17. Jahrhunderts verbesserte Gottfried Wilhelm Leibniz die Addiermaschine von Pascal. Die Konstruktion von Leibniz konnte auch Multiplikationen ausführen.

Der französische Erfinder Joseph Marie Jacquard verwendete bei dem Entwurf einer automatischen Webmaschine dünne, gelochte Holzbretter zur Steuerung komplizierter Webmuster. In der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts entwickelte der britische Mathematiker George Boole die nach ihm benannte Boole’sche Algebra. Sie bildet praktisch die mathematische Grundlage für jede digitale Rechen- und Steuerschaltung. Während der achtziger Jahre des 19. Jahrhunderts führte der amerikanische Statistiker Hermann Hollerith zur Datenverarbeitung die Idee der Lochkarten ein, die Jacquards Holzbrettern ähnelten. Mit der Herstellung eines Systems zum Analysieren der gelochten Karten mittels elektrischer Kontakte war er in der Lage, die statistischen Daten der US-amerikanischen Volkszählung von 1890 zusammenzustellen.

3.1

Die analytische Maschine

Ebenfalls im 19. Jahrhundert arbeitete der britische Mathematiker und Erfinder Charles Babbage die Prinzipien der modernen Digitalcomputer aus. Dabei entwarf er eine Reihe von Maschinen, wie beispielsweise die Differenzmaschine. Sie diente zur Lösung komplizierter mathematischer Probleme. Viele Historiker halten Babbage und seine Assistentin und Lebensgefährtin Augusta Ada Byron (Lady Lovelace, 1815-1852), die Tochter des englischen Dichters Lord Byron, für die eigentlichen Erfinder des Digitalcomputers. 1844 veröffentlichte Babbage das Konzept der Analytical Engine, die allerdings nie von ihm gebaut wurde. Erst sein Sohn konnte Teile dieser analytischen Maschine verwirklichen. Sie besaß bereits zahlreiche Eigenschaften moderner Computer. Die Konstruktion hatte einen Eingabestrom in Form eines Lochkartenstapels, einen „Speicher” zur Datensicherung und ein „Werk” für arithmetische Operationen sowie einen Drucker zur dauerhaften Aufzeichnung von Daten.

3.2

Die ersten Computer

Die ersten Analogcomputer entstanden zu Beginn des 20. Jahrhunderts. In den ersten Modellen verwendete man für die Berechnungen rotierende Stifte und mechanische Getriebe. Mit diesen Maschinen ließen sich numerische Näherungen von Gleichungen bestimmen, die zu komplex für irgendeine andere Art der Berechnung waren.

Der deutsche Ingenieur Konrad Zuse (1910-1995) baute 1936 die erste mit dem binären Zahlensystem arbeitende, programmgesteuerte Rechenmaschine – diese Anlage trug den Namen Z1. Zuse war Bauingenieur und wollte mit seinem Apparat rechnerische Routinearbeiten automatisieren. War der Z1 noch rein mechanisch, so enthielt das Nachfolgemodell Z2 bereits elektromechanische Teile. Von der Deutschen Versuchsanstalt für Luftfahrt finanziert, war der Z3 der erste betriebsfähige, programmgesteuerte Rechenautomat. Z3 war mit 2 600 Relais und mit logischen Schaltungen (Und, Oder, Nicht) ausgestattet. Dieser Automat hatte eine Speicherkapazität von 64 Zahlen zu je 22 Dualstellen und konnte in der Sekunde bis zu 20 arithmetische Grundoperationen durchführen. Vier Jahre später veröffentlichte Zuse die erste Programmiersprache der Welt: Plankalkül. Mit dem Z22 entwickelte Zuse seinen ersten Elektronenrechner, mit dem Z23 einen Transistorenrechner.

3.3

Elektronische Computer

Während des 2. Weltkrieges entwickelte eine Gruppe Wissenschaftler und Mathematiker ein Gerät, das heute als erster elektronischer Digitalcomputer angesehen wird: Colossus. Im Dezember 1943 war Colossus mit seinen 1 500 Vakuumröhren betriebsbereit. Er wurde von der Gruppe unter dem Vorsitz von Alan Turing für den größtenteils erfolgreichen Versuch gebraucht, verschlüsselte Funksprüche zu decodieren. Unabhängig davon wurde schon 1939 in den USA der Prototyp eines elektronischen Rechners von John Atanasoff und Clifford Berry am Iowa State College gebaut. Diesem Prototyp folgte 1945 der ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer). Der ENIAC bekam ein Patent erteilt, das allerdings 1973, aufgrund eines Verstoßes gegen das Urheberrecht, aufgehoben wurde. Das Grundkonzept basierte auf dem Atanasoff-Berry-Computer (ABC). Der ENIAC enthielt insgesamt 18 000 Elektronenröhren und konnte mehrere hundert Multiplikationen pro Minute durchführen. Allerdings war sein Programm fest im Prozessor verankert und musste für die jeweilige Aufgabe per Hand geändert werden. Ein Nachfolger des ENIAC mit einem Programmspeicher wurde nach den Konzepten des ungarisch-amerikanischen Mathematikers John von Neumann gebaut. Die Befehle wurden in einem Speicher abgelegt. Dadurch ließen sich die Geschwindigkeitseinschränkungen durch den Papierstreifenleser während der Programmausführung beseitigen. Außerdem ermöglichte dieser Programmspeicher die Lösung verschiedener Probleme, ohne den Computer neu zu verdrahten.

Der Einsatz von Transistoren in Computern, zum Ende der fünfziger Jahre, ermöglichte den Bau von kleineren, schnelleren und vielseitiger verwendbaren Logikelementen, als dies mit Elektronenröhrenrechnern jemals erreichbar gewesen wäre. Weil Transistoren weniger Strom verbrauchen und eine längere Lebensdauer aufweisen, war allein diese Entwicklung verantwortlich für die verbesserten Rechner, die als Computer der zweiten Generation bezeichnet werden.

3.4

Integrierter Schaltkreis

Gegen Ende der sechziger Jahre entwickelte man den integrierten Schaltkreis (IC: Integrated Circuit). Bei diesem Bauteil sind praktisch eine bestimmte Anzahl von Transistoren auf einem Siliciumsubstrat vereinigt, wobei die Verbindungsdrähte ebenfalls direkt integriert werden. Der IC führte zu einer weiteren Preissenkung. Außerdem sind ICs wesentlich kleiner (Platzersparnis) und weniger fehleranfällig als Transistoren. Etwa Mitte der siebziger Jahre kamen die ersten Mikroprozessoren auf den Markt. Ihre Entwicklung wurde insbesondere durch hochintegrierte (LSI: Large Scale Integrated) und durch sehr-hochintegrierte (VLSI: Very Large Scale Integrated) Schaltungen technisch möglich. Bei Mikroprozessoren sind viele tausend miteinander verbundene Transistoren – also wesentlich mehr als beim IC – auf ein einzelnes Siliciumsubstrat geätzt.

Zurück zu den „schalterlesenden” Fähigkeiten eines modernen Computers: Die Computer der siebziger Jahre konnten im Allgemeinen acht Schalter gleichzeitig überprüfen. Sie waren also in der Lage, acht binäre Datenziffern, so genannte Bits (BInary digiTs), in jedem Takt auszuwerten. Eine Gruppe von acht Bits bezeichnet man als Byte. Jedes Byte kann eine der 256 möglichen Kombinationen von AN- und AUS-Einstellungen (oder Einsen und Nullen) enthalten. Jedes dieser Muster entspricht einer kompletten Anweisung, einem Teil einer Anweisung oder nur einem bestimmten Datenelement – z. B. eine Zahl, ein Zeichen oder ein graphisches Symbol. Das Muster 11010010 kann beispielsweise die Binärdaten eines Originals darstellen – in diesem Fall die Dezimalzahl 210 (siehe Zahlensysteme). Hinter diesem Muster kann sich auch eine Handlungsanweisung für einen Vergleich von Daten verbergen, die in den Computerschaltungen gespeichert sind.

Mit Hilfe von Prozessoren, die 16, 32 oder 64 Datenbits gleichzeitig verarbeiten können, ließ sich die Verarbeitungsgeschwindigkeit weiter erhöhen. Unter dem Befehlssatz versteht man die vollständige Liste der erkennbaren Schaltmuster – also die Liste aller Operationen, die ein Computer beherrscht. Sowohl die Anzahl der gleichzeitig verarbeitbaren Bits, als auch der Umfang des Befehlssatzes vergrößerte sich kontinuierlich mit der voranschreitenden, technischen Entwicklung.