1. Die ersten kommerziellen Computer

Aus der Sicht der breiten Öffentlichkeit ist Rechnen die Eigenschaft von Computern, die von geringster Bedeutung ist. Gerade deshalb wurde der Computer aber erfunden. Das breite Spektrum seines Einsatzgebietes haben die Erfinder nicht voraussehen können. Wie sich der Wandel der mathematischen Maschinen der vierziger Jahre zu vernetzten Informationsanbietern der neunziger Jahre vollzog, davon handelt dieses Buch:
Ist der Computer nur einer von vielen Hightechsystemen, die das ­zwanzigste Jahrhundert geprägt haben? Wie weit ist er einzigartig als informationsverarbeitende Maschine? Findet technologischer Fortschritt immer auf breiter Front statt? Oder treiben ihn einzelne Pioniere voran? Inwieweit war die Entwicklung ein Ergebnis sozialer und politischer Wechselwirkungen von gesellschaftlichen Gruppen (einschließlich der Ingenieure)?

Ceruzzi sieht mehrere Wendepunkte in der Entwicklung des Computers: Versuche, in den vierziger Jahren den Computer kommerziell zu nutzen, das Aufkommen kleiner Systeme in den späten Sechzigern, das Aufkommen des Personal Computers in den siebziger Jahren sowie der Aufbau von Netzwerken nach 1985.

Ceruzzi arbeitet weitere Entwicklungsstränge heraus. Ein roter Faden beschreibt den inneren Aufbau von Computern, die Art, wie Schaltkreise aufgebaut werden, um effektiv und zuverlässig arbeitende Rechner zu bauen. Dieses Design hat einen Namen: Von Neumann Architektur, benannt nach dem Mathematiker John von Neumann (1903-1957).

Das Computerzeitalter bis heute durchlief drei Generationen: Röhrencomputer, mit Transistoren bestückte Rechner und die heutigen mit auf Siliziumchips aufgebrachten integrierten Schaltkreise. Die dritte Generation der integrierten Schaltkreise hält sich schon länger als die zwei vorhergehenden. Der Standard von heute hält sich: integrierte ­Schaltkreise auf Platinen in Bussystemen. Alle 18 Monate verdoppelt sich deren Speicherkapazität, die unbezweifelbar mit ­ein Antriebsmotor für die Entwicklung der Datenverarbeitung darstellt.

Militärische Forschungsgelder ziehen sich ebenfalls wie ein roter Faden durch die Entwicklungsgeschichte des Computers.
Der Eniac , mit dem das Zeitalter der Computer begann, war zu militärischen Zwecken gebaut worden. Das Projekt Whirlwind stand für das Computerhirn der Minuteman Interkontinentalrakete.

Howard Aiken, Harvard Mathematiker und Konstrukteur des Mark I-Rechners gab 1948 elektronischen Rechnern keine Zukunft. Heute wissen wir, wie unrecht er damit hatte.

Das Ende der Lochkartensysteme

Matthias Kirschner (public domain)
Rechenanlage UNIVAC I Factronic / Deutsches Museum in München /Matthias Kirschner (public domain)

Während des zweiten Weltkrieges bauten Eckert und Mauchly den ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer). Er berechnete ballistische Raketenflugbahnen nach komplizierten mathema-
tischen Gleichungen. Sein Nachfolger UNIVAC (UNIversal Automatic Computer) löste schon allgemeinere Aufgaben. Der UNIVAC schlug die im Einsatz befindlichen Lochkartenrechner (Hollerithmaschinen) in einem wesentlichen Punkt: Auf einer Lochkarte waren alle wesentlichen Informationen über einen Vorgang gespeichert (bspw. Verkaufs-
informationen). Um diese gespeicherten Werte zu zählen, tabellieren oder zu drucken war es notwendig, die Karte physikalisch im Raum zu bewegen und zu den betreffenden Maschinen zu transportieren. Diese konnten jeweils nur einen bestimmten Arbeitsschritt oder Rechenoperation durchühren. Die digitalen Rechenmaschinen konnten mehrere Rechenoperationen aus ihrem Speicher abrufen und auf einen Wert anwenden. Hinzu kam, dass oft der nächste Rechenvorgang auf den Ergebnissen des letzten beruhte.

Konrad Zuse

Konrad Zuse gebührt ein besonderer historischer Platz in der Geschichte der Computerentwicklung. Zuse hat schon in seiner rein mechanischen Rechenmaschine Z1 1936 konsequent die Umsetzung des binären Zahlensystems verfolgt. In den frühen 40er Jahren schrieb er eine Arbeit mit dem Titel: „Ansätze einer Theorie des allgemeinen Rechnens, unter besonderer Berücksichtigung des Aussagenkalküls und dessen Anwendung auf die Relaistechnik“.

Trennung Programm- Mechanismus

Zuses Rechenmaschinen unterschieden sich in ihrem Design von allen anderen Rechenmaschinen der damaligen Zeit. Zuses Rechnerarchitektur trennte die Komponenten für das Speichern, das Rechnen und die Ein-/Ausgabeeinheiten. Keine andere Maschine wies diese zukunftsweisende Trennung wie Zuses 1941 fertig gestellter, frei programmierbare Rechenautomat Z3 auf. Es gab noch keine Speichermöglichkeit des Programms, als Programm- und Datenträger verwendete er gelochte Kinofilmstreifen. Die Maschine brauchte vier Sekunden für eine Multiplikation. Zuse gründete 1949 eine Firma, die wir heute als Start-up bezeichnen würden. Zuse war im Gegensatz zu anderen Entwicklern klar, das es nicht reichen würde, einen Computer zu entwickeln.
Man musste der Welt klar machen, wofür sie ihn überall einsetzen können würde.
In den USA setzte das „defense establishment“ die Kommerzialisierung des Computers erst richtig in Gang. Ohne diesen Einsatz enormer Kapitalmengen und Arbeitskräfte wäre diese Entwicklung nicht möglich gewesen. Zuse hatte diese wirtschaftliche Unterstützung nicht.

Der kartenprogrammierbare Rechner

Aufgrund der hohen Kosten setzten sich die frei programmierbaren Rechner nur langsam durch. In vielen Rechenzentren wurden weiterhin leistungsfähige Lochkartenrechner eingesetzt. Die IBM 604 und 605 wurden zwischen 1949 und 1958 über fünftausendmal verkauft. Diese kartenprogrammierbaren Rechen- und Tabelliermaschinen bildeten den Übergang zu den ersten richtigen Rechnern, wie dem UNIVAC.

Der UNIVAC konnte mit seinen tausenden von Röhren Daten auf Bändern speichern. Der größte Unterschied lag in seinem inneren Aufbau, er war einer der ersten Computer mit einem gespeicherten Programm. Das unterschied ihn mehr als alles andere von den Maschinen, die er ersetzen sollte. Der UNIVAC hatte im Gegensatz zu seinem Vorläufer ENIAC einen Speicher, in dem Daten und Programme abgelegt werden konnten. Dieses Speicherkonzept war der Schlüssel zum Erfolg. Zwischen 1945- und 1995 blieb dieses Konzept bemerkenswert konstant. Erst das Aufkommen der parallelgeschalteten Prozessoren brach mit dem Konzept der „von-Neumann-Architekturen“.

Anubis85 KH, Creative Commons
Anubis85 KH, Creative Commons

Das Konzept der Von-Neumann-Architektur spiegelte sich in folgender Bauweise wieder:
  1. Interne Speicherung von Programmen
  2. Trennung der Einheiten, die Daten verarbeiten und speichern
  3. Eine (!) Verbindung zwischen diesen Einheiten (Neumannsche Flaschenhals)

Die Arbeitsweise bestand darin,  Befehle und Daten im gleichen Speicher abzulegen, um sie schnell abzurufen. Der Arbeitszyklus eines Von-Neumann-Computers sah folgendermaßen aus:

  1. Übertragung eines Befehles vom Speicher zum Prozessor
  2. Entschlüsselung des Befehles
  3. Holen der Daten aus dem Speicher, auf die der Befehl angewendet werden soll, falls sie nicht im Prozessor liegen.
Lukas Grossar, Creative Commons
Lukas Grossar, Creative Commons

Das Konzept, einen linearen Strom von Befehlen zu holen und abzuarbeiten, ist das am längsten durchgehaltene Konzept überhaupt: Alan Perils merkte einst an: „Etwas, von dem ich sicher bin, das es das einzig Universelle in der Computerwelt ist, ist der Holen-Ausführen-Zyklus.“ Der UNIVAC beherrschte ihn und konnte zwei Zahlen in ungefähr einer halben Millisekunde addieren.

Vom Eniac zum Univac: Die erste Umwälzung

Der EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) hatte als Nachfolger des ENIAC die Von-Neumann-Architektur umgesetzt. Er behandelte die Befehle des Programms wie die zu verarbeitenden Daten, kodierte sie binär und verarbeitete sie in seinem internen Speicher. Viele prominente Gegner dieses Projektes hielten die Lochkartenmaschinen für ausreichend und trauten den digitalen Rechnern keine Zukunftsperspektive zu. Howard Aiken konnte sich beispielsweise nicht vorstellen, dass „die Grundlogik einer Maschine, die für die numerische Lösung von Differentialgleichungen ausgelegt ist, mit der Logik einer Maschine vereinbar sei, die Rechnungen für ein Kaufhaus ausstellen solle“. Eckert und Mauchly verließen die Universität von Pennsylvanien, da zur damaligen Zeit Forschung und Lehre und wirtschaftliche Interessen auseinander gehalten werden sollten. Die beiden gründeten eine Firma, hatten aber aufgrund der wissenschaftlichen Zweifel an ihrer Erfindung massive Probleme, an Kapital heranzukommen. Andererseits gab es zahlreiche Anfragen von Firmen, die diese neuen Maschinen nachfragten. Versicherungsgesellschaften, Fluglinien, Hersteller von militärischen Gütern.

Der UNIVAC

„Ich freue mich, wenn die Geschichte den ersten würdigt, der etwas erfindet, aber eigentlich bin ich mehr an der Person interessiert, die es zum Laufen bringt.“ – Grace Hopper

Im Zeitraum zwischen 1951 und 1954 verkauften Eckert und Mauchly 20 Großrechner des Typs Univac zu dem damaligen Preis von je einer Million Dollar pro Komplettsystem. Die Taktfrequenz des UNIVAC betrug 2,25 MHZ. Er konnte etwa 465 Multiplikationen pro Sekunde ausführen. Sein Magnetbandsystem und seine Speicherbandarchitektur machten ihn jedoch zu einer weit schnelleren Maschine. Magnetbandeinheiten speicherten bis zu einer Million Zeichen auf Bandspulen von einem halben Zoll Breite. Zur Zeit der Lochkartenrechner hätten diese Daten physikalisch auf Lochkarten gestanzt werden und bewegt werden müssen.
Der UNIVAC lief robust und zuverlässig. Sein Prozessor enthielt über fünftausend Röhren in Schränken.

Zahlreiche UNIVAC Käufer waren private Großunternehmen. Militärische Stellen nutzen sie ebenfalls zur Bestandsaufnahme und logistischen Zwecken. Der UNIVAC lautete die Äre der Großrechner für das ein, was man heute elektronische Datenverarbeitung nennt.

Die damalige Öffentlichkeit nahm den UNIVAC weniger als Rechner, denn als Magnetbandmaschine wahr. Im Focus stand seine Fähigkeit, gewünschte Daten auf seinen Magnetbändern durch Hin-und-her-Spulen zu finden, um sie aufbereiten zu können. Ein UNIVAC berechnete 1954 den Jahresetat einer Nachschubeinheit für fünfhunderttausend Einzelposten. Er führte diese Berechnung an einem Tag durch. Für General Electric stand der UNIVAC für „Automation“, Automatisierung. Diebold sprach von einer Zeit, in der „der Knopfdruck schon veraltet ist; die Knöpfe drücken sich jetzt selbst.“ General Electric musste seinen Aktionären versichern, dass sie sich nicht auf den Holzweg begeben hatten, exotische, anfällige und teure Gerätschaften zu kaufen, nur weil „langhaarige“ Akademiker ohne jeden Sinn für Profit sie dazu gebracht hätten.

IBMs Antwort

IBM musste auf die Konkurrenzsituation seitens des UNIVAC und seiner Hersteller reagieren. Die Antwort hieß IBM 701. IBM vermied absichtlich das Wort „Computer“ und vermarktete die Rechenmaschine als „elektronische Datenverarbeitungsmaschine“. Die Bauweise setzte wie der UNIVAC auf die von-Neumann-Architektur auf. Die produzierten 19 Maschinen wurden alle im militärischen Sektor installiert. Die Käufer benutzten die Maschine für geheime Projekte zur Waffenentwicklung, Berechnung von Raumschiffbahnen und zur Codeentschlüsselung. IBM verkaufte die Rechner nicht, sondern vermietete sie. Ab 1955 lieferte IBM 14 Maschinen des Nachfolgers IBM 702 aus.

Trommelspeicher_180
Trommelspeicher aus einem polnischen ZAM-41 Computer, Creative Commons

Die Engineering Research Associates
Engineering Research Associates (ERA) verkaufte in den frühen fünfziger Jahren als dritte Firma digitale Großrechner. Zu den angestellten Ingenieuren gehörte unter anderem Seymor R. Cray. ERA war eine private Firma, die geheime Aufträge zur Codeentschlüsselung von der Navy erhielt. Die Gründer konnten genauso wenig wie Eckert und Mauchly genügend Kapital zur Entwicklung ihrer Großrechner aufbringen und wurden genau wie Eckert und Mauchly von Remington Rand aufgekauft. Die zwanzig produzierten Großrechner wurden wie die IBM 701 an militärische Auftraggeber verkauft. Konzeptionell neu an den Maschinen waren der Speicher-Magnetkern anstelle der Williamsröhren und ein Programmunterbrecher.

Die Idee eines Speichers, verwirklicht durch eine rotierende Magnettrommel, hatte erstmals J.V.Atanasoff in den späten dreißiger Jahren. Er bestückte eine Magnettrommel mit 1600 Kondensatoren, die in 32 Reihen aufgesetzt waren. 1947 baute ERA eine Magnettrommel mit einer Speicherkapazität von zwei Millionen Bits. Die Zugriffszeiten lagen zwischen acht und vierundsechzig Millisekunden. Mitte der fünfziger Jahre kam eine zweite Generation von verbesserten Magnettrommelmaschinen auf den Markt. Die Magnettrommelspeicher nahmen 4096 Worte bei einer Zugriffszeit von 2,3 ms auf. Ein- und Ausgabe erfolgte mit einem Flexowriter.

Zusammenfassung:

Das Jahrzehnt zwischen 1950 und 1960 sah die Computer der ersten Generation. Sie konnten Programme intern speichern und arbeiteten mit Vakuumröhren. Als Speicher wurden akustische Verzögerungsstrecken, Williamsröhren oder Magnettrommeln eingesetzt. Die kleinen Entwicklungsbüros wurden in der Regel von großen, kapitalkräftigen Firmen aufgekauft. Der UNIVAVC und der IBM 701 leiteten die Epoche kommerzieller speicherprogrammierbarer Computer ein. Diese Großrechner erfüllten die Erwartungen der Kunden in zufrieden stellender Weise.