Geschichte Des Maschinellen Rechnens Ss 2019 Bonn

Berechnen Sie die Rechenleistung historischer Maschinen im Vergleich zu modernen Systemen

Die Vorlesung “Geschichte des maschinellen Rechnens” im Sommersemester 2019 an der Universität Bonn bot eine umfassende Untersuchung der Entwicklung computergestützter Rechensysteme von den ersten mechanischen Apparaten bis zu den modernen Supercomputern. Dieser Leitfaden fasst die wichtigsten Themen zusammen und bietet zusätzliche Einblicke in die technologischen Meilensteine, die unsere digitale Welt geprägt haben.

Die Ursprünge mechanischer Rechenmaschinen

Die Geschichte des maschinellen Rechnens beginnt lange vor der Erfindung des elektronischen Computers. Schon im 17. Jahrhundert entwickelten Pioniere wie Blaise Pascal und Gottfried Wilhelm Leibniz mechanische Apparate, die grundlegende arithmetische Operationen automatisieren konnten.

Pascaline (1642)

• Erfunden von Blaise Pascal im Alter von 19 Jahren
• Konnte Addition und Subtraktion durchführen
• Verwendete ein System von Zahnrädern mit 10 Zähnen (für das Dezimalsystem)
• Begrenzung: Keine direkte Multiplikations- oder Divisionsfunktion

Leibniz-Rechenmaschine (1673)

• Erweiterte Pascals Design um Multiplikation und Division
• Verwendete das Staffelwalzenprinzip, das später in vielen Rechenmaschinen verwendet wurde
• Erstes Gerät, das alle vier Grundrechenarten beherrschte

Der Übergang zu elektromechanischen Systemen

Das frühe 20. Jahrhundert brachte bedeutende Fortschritte durch die Kombination mechanischer Komponenten mit elektrischer Steuerung. Diese Entwicklung ebnete den Weg für die ersten wirklich programmierbaren Computer.

Maschine	Jahr	Erfinder/Land	Operationen pro Sekunde	Programmierbar
Zuse Z1	1938	Konrad Zuse (Deutschland)	1 Hz	Ja (mechanisch)
Harvard Mark I	1944	Howard Aiken (USA)	3 Hz	Ja (Lochstreifen)
ENIAC	1945	Eckert & Mauchly (USA)	5000 Additionen/s	Neuverkabelung nötig
EDVAC	1949	von Neumann-Architektur	1000 Operationen/s	Ja (gespeicherte Programme)

Konrad Zuses Beiträge

Der deutsche Ingenieur Konrad Zuse gilt als Pionier des modernen Computers. Seine Maschinen waren bahnbrechend:

1. Z1 (1938): Erste frei programmierbare Rechenmaschine der Welt (mechanisch)
2. Z3 (1941): Erster funktionsfähiger programmgesteuerter Rechner mit binärer Gleitkommarechnung
3. Plankalkül (1945): Erste höhere Programmiersprache der Welt
4. Z4 (1945): Einziger funktionsfähiger Computer in Europa während des Zweiten Weltkriegs

Zuses Arbeit war besonders bemerkenswert, weil er unabhängig von den amerikanischen Entwicklungen arbeitete und viele Konzepte vorwegnahm, die später in der von-Neumann-Architektur standardisiert wurden.

Die Ära der elektronischen Computer

Mit der Erfindung der Vakuumröhre wurde der Übergang von mechanischen zu elektronischen Computern möglich. Diese Entwicklung ermöglichte deutlich höhere Rechengeschwindigkeiten.

ENIAC (1945)

• Erster voll elektronischer, digitaler, programmierbarer Computer
• 17.468 Vakuumröhren, 7.200 Kristalldioden
• 30 Tonnen schwer, 167 m² Fläche
• 5000 Additionen pro Sekunde (1000mal schneller als elektromechanische Systeme)
• Nachteil: Programmierung durch Neuverkabelung (kein gespeichertes Programm)

Von-Neumann-Architektur (1945)

John von Neumann formulierte die Prinzipien, die noch heute die Basis fast aller Computer bilden:

• Gespeicherte Programme (Programm und Daten im gleichen Speicher)
• Binäre Darstellung von Daten
• Sequentielle Abarbeitung von Befehlen
• Zentrale Recheneinheit (CPU)
• Ein-/Ausgabeeinheiten

Der erste Computer mit dieser Architektur war der EDVAC (1949), der bereits 1000 Operationen pro Sekunde durchführen konnte.

Die Entwicklung in Deutschland: Bonn und andere Standorte

Die Universität Bonn spielte eine wichtige Rolle in der frühen Computerforschung in Deutschland. Nach dem Krieg gab es Bestrebungen, die durch den Krieg unterbrochene Entwicklung fortzusetzen.

Die G1, G2 und G3 Computer

In den 1950er Jahren wurden in Deutschland die G1, G2 und G3 Computer entwickelt:

Modell	Jahr	Entwickler	Leistung	Besonderheiten
G1	1952	Max Planck Institut für Physik, Göttingen	200 Operationen/s	Erster deutscher Röhrencomputer nach dem Krieg
G2	1955	Göttingen	500 Operationen/s	Verbesserte Version der G1
G3	1960	Göttingen	5000 Operationen/s	Erster deutscher Transistorcomputer

Diese Maschinen waren wichtig für die deutsche Computerindustrie und wurden auch in Bonn für wissenschaftliche Berechnungen eingesetzt. Die G3 war besonders bedeutend, da sie den Übergang von Röhren zu Transistoren vollzog.

Die Rolle der Universität Bonn

An der Universität Bonn wurden in den 1960er Jahren verschiedene Computer für Forschungszwecke eingesetzt:

• IBM 650 (1956): Einer der ersten kommerziell erfolgreichen Computer, der auch in Bonn für administrative und wissenschaftliche Aufgaben genutzt wurde
• Telefunken TR4 (1962): Erster deutscher Großrechner in Serienproduktion, der in Bonn für physikalische Simulationen eingesetzt wurde
• Siemens 4004 (1967): Wurde in der mathematischen Fakultät für numerische Analysen verwendet

Der Einfluss auf die moderne Informatik

Die Entwicklungen des 20. Jahrhunderts legten den Grundstein für die moderne Informatik. Viele Konzepte, die in den frühen Maschinen implementiert wurden, sind noch heute relevant:

1. Binäre Logik: Alle modernen Computer verwenden das binäre Zahlensystem, das bereits von Leibniz vorgeschlagen und von Zuse implementiert wurde
2. Gespeicherte Programme: Das von-Neumann-Prinzip ist noch immer die Basis fast aller Computerarchitekturen
3. Modularität: Die Trennung von Rechenwerk, Steuerwerk, Speicher und Ein-/Ausgabe geht auf frühe Designs zurück
4. Parallelverarbeitung: Schon der ENIAC konnte bestimmte Operationen parallel ausführen – ein Prinzip, das heute in Mehrkernprozessoren und GPUs weiterentwickelt wird

Vergleich historischer und moderner Systeme

Um die Fortschritte zu veranschaulichen, hier ein Vergleich der Rechenleistung:

• Zuse Z3 (1941): ~5-10 Hz Taktfrequenz, ~200 Relais
• ENIAC (1945): 100 kHz Taktfrequenz, 17.468 Röhren
• IBM 701 (1952): 2 MHz Taktfrequenz, ~4.000 Röhren
• Intel 4004 (1971): 740 kHz, 2.300 Transistoren
• Moderner CPU (2023): 5 GHz+, ~50 Milliarden Transistoren

Die Rechenleistung hat sich in den letzten 80 Jahren um einen Faktor von etwa 10¹² (eine Billion) erhöht – eine Entwicklung, die durch das Mooresche Gesetz beschrieben wird.

Primärquellen und weiterführende Literatur

Für vertiefende Studien zum Thema empfehlen sich folgende autoritative Quellen:

1. Computer History Museum – Umfassende Sammlung historischer Computer und Dokumente
2. Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Berlin (ZIB) – Offizielle Seite mit Informationen zu Zuses Werk
3. National Institute of Standards and Technology (NIST) – Technische Standards und historische Dokumente zur Computerentwicklung
4. Stadtarchiv Bonn – Lokale Dokumente zur Computerforschung an der Universität Bonn

Besonders empfehlenswert für Studierende der Informatik ist die Lektüre der Originalpublikationen:

• Zuse, Konrad (1945): “Plankalkül” – Die erste Beschreibung einer höheren Programmiersprache
• von Neumann, John (1945): “First Draft of a Report on the EDVAC” – Grundlagenwerk der modernen Computerarchitektur
• Eckert, J. Presper & Mauchly, John (1946): “Automatic High Speed Computing: A Progress Report on the EDVAC” – Technische Beschreibung des EDVAC

Die Bedeutung für die heutige Informatikausbildung

Das Studium der Geschichte des maschinellen Rechnens bietet mehrere Vorteile für moderne Informatiker:

1. Verständnis der Grundprinzipien: Viele moderne Optimierungen basieren auf Lösungen für Hardware-Beschränkungen früherer Systeme
2. Appreciation von Fortschritt: Das Bewusstsein für die enorme Leistungssteigerung hilft bei der Einschätzung zukünftiger Entwicklungen
3. Kreatives Problemlösen: Frühe Programmierer mussten mit extrem begrenzten Ressourcen arbeiten – eine Fähigkeit, die heute bei Embedded Systems wieder wichtig wird
4. Historische Kontextualisierung: Viele Algorithmen und Datenstrukturen wurden für spezifische Hardware-Charakteristika entwickelt
5. Ethische Reflexion: Die Geschichte zeigt, wie technologische Entwicklungen gesellschaftliche Veränderungen bewirken

Die Vorlesung “Geschichte des maschinellen Rechnens” an der Universität Bonn im SS 2019 vermittelte diese Zusammenhänge und zeigte, wie die Universität selbst zur Computerentwicklung beigetragen hat. Besonders interessant war der Fokus auf die lokalen Pioniere, die in Bonn und der Region gearbeitet haben.

Zukunftsperspektiven: Quantencomputing und darüber hinaus

Während wir die Geschichte des maschinellen Rechnens betrachten, steht die Informatik vor der nächsten großen Revolution: dem Quantencomputing. Diese Technologie könnte ähnliche disruptive Auswirkungen haben wie der Übergang von mechanischen zu elektronischen Computern.

Vergleich klassisches vs. Quantencomputing

Aspekt	Klassischer Computer	Quantencomputer
Grundeinheit	Bit (0 oder 1)	Qubit (Superposition von 0 und 1)
Parallelität	Begrenzt durch Kernanzahl	Exponentiell (2^n Zustände für n Qubits)
Geschwindigkeit für bestimmte Probleme	Polynomiale Zeit	Exponentielle Beschleunigung möglich
Anwendungen	Allgemeine Berechnungen	Spezialisiert (Kryptographie, Simulation)
Aktueller Stand (2023)	~10^18 Operationen/s	~100-1000 Qubits (experimentell)

Die Universität Bonn forscht heute an der Schnittstelle zwischen klassischer und Quanteninformatik, wobei die historischen Wurzeln der Computerwissenschaften eine wichtige Inspirationsquelle bleiben.