Die Geschichte der elektronischen Computer, Teil 1: Prolog

Wie wir in einem früheren Artikel gesehen haben , haben Radio- und Telefoningenieure auf der Suche nach leistungsstärkeren Verstärkern ein neues technologisches Feld eröffnet, das schnell als Elektronik bezeichnet wurde. Der elektronische Verstärker könnte leicht in einen digitalen Schalter verwandelt werden, der mit einer viel höheren Geschwindigkeit arbeitet als sein elektromechanischer Verwandter - ein Telefonrelais. Aufgrund des Fehlens mechanischer Teile kann sich die elektronische Lampe innerhalb einer Mikrosekunde oder sogar schneller ein- und ausschalten und nicht innerhalb von zehn Millisekunden oder mehr, die das Relais benötigt.

Von 1939 bis 1945 wurden auf Basis dieser neuen elektronischen Komponenten drei Computer geschaffen. Die Daten ihres Baus fallen nicht zufällig mit der Zeit des Zweiten Weltkriegs zusammen. Dieser Konflikt, der in der Geschichte keine Analoga hatte, weil er die Menschen an das Joch des Kriegswagens gebunden hatte, veränderte für immer das Verhältnis zwischen Staaten sowie zwischen Wissenschaft und Technologie und brachte auch eine große Anzahl neuer Geräte auf die Welt.

Die Geschichten der ersten drei elektronischen Computer sind mit dem Krieg verflochten. Die erste war der Entschlüsselung deutscher Botschaften gewidmet und blieb bis in die 1970er Jahre unter dem Deckmantel der Geheimhaltung, als sie nur noch historisch von Interesse war. Der zweite, von dem die meisten Leser hätten hören sollen, war ENIAC, ein Militärrechner, der zu spät fertiggestellt wurde, um im Krieg zu helfen. Aber hier sehen wir uns die früheste der drei Maschinen an, die Idee von John Vincent Atanasov .

Atanasov

1930 verwirklichte Atanasov, der in Amerika geborene Sohn eines Auswanderers aus dem osmanischen Bulgarien , endlich seinen jugendlichen Traum und wurde theoretischer Physiker. Aber wie bei den meisten dieser Bestrebungen war die Realität nicht das, was er erwartet hatte. Insbesondere musste Atanasov, wie die meisten Studenten der Ingenieur- und Physikwissenschaften der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts, unter den schmerzhaften Belastungen des ständigen Rechnens leiden. Seine Dissertation an der Universität von Wisconsin über Heliumpolarisation erforderte acht Wochen langwieriges Rechnen mit einem mechanischen Tischrechner.


John Atanasov in seiner Jugend

Bis 1935, bereits Professor an der Universität von Iowa, beschloss Atanasov, etwas gegen diese Belastung zu unternehmen. Er begann mögliche Wege zu finden, um einen neuen, leistungsstärkeren Computer zu bauen. Er lehnte analoge Methoden (wie den MIT-Differentialanalysator) aus Gründen der Einschränkung und Ungenauigkeit ab und beschloss, eine digitale Maschine zu bauen, die mit Zahlen als diskreten Werten und nicht als kontinuierliche Messungen arbeitete. Seit seiner Jugend war er mit dem Binärzahlensystem vertraut und verstand, dass es viel besser auf die Struktur des Ein / Aus-Typs des digitalen Schalters als auf die üblichen Dezimalzahlen zurückzuführen ist. Also beschloss er, eine binäre Maschine zu bauen. Und schließlich entschied er, dass es elektronisch sein und elektronische Lampen für Berechnungen verwenden sollte, um am schnellsten und flexibelsten zu sein.

Atanasov musste den Aufgabenbereich bestimmen - für welche Berechnungen hätte sein Computer geeignet sein sollen? Am Ende beschloss er, lineare Gleichungssysteme zu lösen und sie auf eine einzige Variable zu reduzieren (unter Verwendung der Gauß-Methode ) - die gleichen Berechnungen, die in seiner Dissertation vorherrschten. Es werden bis zu dreißig Gleichungen mit jeweils bis zu dreißig Variablen unterstützt. Ein solcher Computer könnte wichtige Probleme für Wissenschaftler und Ingenieure lösen, und gleichzeitig scheint er nicht unglaublich kompliziert zu sein.

Kunstwerk

Mitte der 1930er Jahre hatte die elektronische Technologie im Vergleich zu den 25 Jahre zuvor erschienenen Quellen eine enorme Vielfalt erreicht. Zwei Entwicklungen waren für Atanasovs Projekt besonders gut geeignet: ein Relaisauslöser und ein elektronisches Messgerät.

Seit dem 19. Jahrhundert verfügten Telegraphen- und Telefoningenieure über ein praktisches Gerät, einen Schalter. Ein Schalter ist ein bistabiles Relais, das Permanentmagnete verwendet, um ihn in dem Zustand zu halten, in dem Sie ihn offen oder geschlossen gelassen haben, bis er ein elektrisches Signal zum Umschalten erhält. Aber Elektronenröhren waren dazu nicht in der Lage. Sie hatten keine mechanische Komponente und konnten „offen“ oder „geschlossen“ sein, während Strom floss oder nicht entlang des Stromkreises floss. 1918 verbanden zwei britische Physiker, William Ackles und Frank Jordan, die beiden Lampen mit Drähten, so dass sie einen „Relaisauslöser“ erhielten - ein elektronisches Relais, das nach dem Einschalten vom ersten Impuls an immer eingeschaltet bleibt. Ackles und Jordan schufen am Ende des Ersten Weltkriegs ihr Telekommunikationssystem für die britische Admiralität. Aber die Ackles-Jordan-Schaltung, die später als Auslöser bekannt wurde [dt. Flip-Flop] könnte als ein Gerät zum Speichern einer Binärziffer betrachtet werden - 1, wenn das Signal übertragen wird, und 0 in einem anderen Fall. Auf diese Weise könnte man durch n Trigger eine Binärzahl von n Bits darstellen.

Ungefähr zehn Jahre nach dem Auslöser gab es einen zweiten großen Durchbruch in der Elektronik, der sich der Computerwelt gegenübersah: elektronische Zähler. Und wieder, wie es in der frühen Geschichte des Rechnens häufig vorkam, wurde Langeweile zur Mutter der Erfindung. Physiker, die die Strahlung subatomarer Teilchen untersuchten, mussten entweder auf Klicks hören oder stundenlang fotografische Aufzeichnungen studieren und die Anzahl der Detektionen zählen, um die Geschwindigkeit der Teilchenstrahlung durch verschiedene Substanzen zu messen. Mechanische oder elektromechanische Zähler boten eine verlockende Gelegenheit, diese Aktionen zu erleichtern, aber sie bewegten sich zu langsam: Sie konnten nicht viele Ereignisse registrieren, die mit einem Unterschied von Millisekunden auftraten.

Die Schlüsselfigur bei der Lösung dieses Problems war Charles Eril Wynn-Williams , der unter der Leitung von Ernest Rutherford am Cavendish Laboratory in Cambridge arbeitete. Wynn Williams handhabte geschickt die Elektronik und hatte bereits Lampen (oder Ventile, wie sie in Großbritannien genannt wurden) verwendet, um Verstärker herzustellen, dank derer es möglich war, Ereignisse mit Partikeln zu hören. In den frühen 1930er Jahren erkannte er, dass Ventile verwendet werden konnten, um einen Zähler zu erstellen, den er als „Zähler für binäre Skalen“ bezeichnete - das heißt, einen binären Zähler. Tatsächlich war es eine Reihe von Auslösern, die Schalter in der Kette übertragen konnten (in der Praxis verwendete er Thyratrons , Lampentypen, die kein Vakuum, sondern Gas enthielten, das nach vollständiger Ionisierung des Gases in der Ein-Position bleiben konnte).

Der Wynn-Williams-Zähler stellte schnell die notwendigen Laborgeräte für alle ein, die sich mit Teilchenphysik befassen. Physiker bauten sehr kleine Zähler, die oft jeweils drei Zeichen enthielten (dh bis zu sieben zählen können). Dies reichte aus, um einen Puffer für einen langsamen mechanischen Zähler zu erstellen und Ereignisse aufzuzeichnen, die schneller auftreten, als ein Zähler mit sich langsam bewegenden mechanischen Teilen sie registrieren konnte.



Theoretisch könnten solche Zähler jedoch auf Zahlen beliebiger Größe oder Genauigkeit erweitert werden. Dies waren streng genommen die ersten digitalen elektronischen Rechenmaschinen.

Atanasov-Berry Computer

Atanasov war mit dieser Geschichte vertraut, die ihn von der Möglichkeit überzeugte, einen elektronischen Computer zu bauen. Aber er verwendete keine direkten Binärzähler oder Trigger. Zuerst versuchte er, leicht veränderte Zähler als Grundlage für das Zählsystem zu verwenden - was ist schließlich eine Addition, wie das nicht wiederholte Zählen? Aber aus irgendeinem Grund konnte er die Zählschaltungen nicht zuverlässig genug machen und musste seine eigenen Additions- und Multiplikationsschemata entwickeln. Er konnte keine Trigger für die temporäre Speicherung von Binärzahlen verwenden, da er ein begrenztes Budget hatte und ein ehrgeiziges Ziel gesetzt wurde, gleichzeitig dreißig Koeffizienten zu speichern. Wie wir bald sehen werden, hatte diese Situation schwerwiegende Folgen.

Bis 1939 beendete Atanasov die Entwicklung seines Computers. Jetzt brauchte er einen Mann mit dem richtigen Wissen, um es zu bauen. Er fand eine solche Person in der Person eines Absolventen des Department of Engineering am Iowa Institute namens Clifford Berry. Bis Ende des Jahres bauten Atanasov und Berry einen kleinen Prototyp. Im folgenden Jahr vervollständigten sie die Vollversion des Computers mit dreißig Gewinnchancen. In den 1960er Jahren nannte ihn ein Schriftsteller, der ihre Geschichte entdeckte, Atanasoff-Berry Computer (ABC), und der Name blieb erhalten. Es konnten jedoch nicht alle Mängel behoben werden. Insbesondere gab ABC einen Fehler von ungefähr einer Binärziffer pro 10.000 an, was für jede größere Berechnung fatal wäre.


Clifford Berry und ABC im Jahr 1942

In Atanasov und seinem ABC finden Sie jedoch die Wurzeln und die Quelle aller modernen Computer. Hat er nicht (mit der geschickten Hilfe von Berry) den ersten binären elektronischen Digitalcomputer geschaffen? Sind dies nicht die Hauptmerkmale der Milliarden von Geräten, die die Volkswirtschaften, Gesellschaften und Kulturen auf der ganzen Welt formen und regieren?

Aber lass uns zurück gehen. Adjektive digital und binär sind nicht das Vorrecht von ABC. Beispielsweise war der etwa zur gleichen Zeit entwickelte CNC-Rechner (Bell Complex Number Computer) ein digitaler, binärer, elektromechanischer Computer, der Berechnungen auf der komplexen Ebene durchführen konnte. Außerdem waren ABC und CNC insofern ähnlich, als sie Aufgaben in einem begrenzten Bereich lösten und im Gegensatz zu modernen Computern keine willkürliche Folge von Anweisungen akzeptieren konnten.

Bleibt "elektronisch". Obwohl ABCs mathematische Interna elektronisch waren, arbeitete er mit elektromechanischen Geschwindigkeiten. Da Atanasov und Berry aus finanziellen Gründen keine elektronischen Lampen zum Speichern von Tausenden von Binärziffern verwenden konnten, verwendeten sie dafür elektromechanische Komponenten. Mehrere hundert Trioden, die grundlegende mathematische Berechnungen durchführten, waren von rotierenden Trommeln und summenden Perforiermaschinen umgeben, in denen Zwischenwerte aller Rechenschritte gespeichert waren.

Atanasov und Berry haben heldenhaft Daten auf Lochkarten mit großer Geschwindigkeit gelesen und geschrieben und sie mit Elektrizität verbrannt, anstatt sie mechanisch zu bohren. Dies führte jedoch zu Problemen: Es war die Brennmaschine, die für 1 Fehler pro 10.000 Zahlen verantwortlich war. Darüber hinaus konnte die Maschine trotz größter Anstrengungen nicht schneller als eine Zeile pro Sekunde „stanzen“, sodass ABC mit jedem der dreißig Rechengeräte nur eine Berechnung pro Sekunde durchführen konnte. Die verbleibende Zeit saßen die elektronischen Lampen im Leerlauf und trommelten ungeduldig "mit den Fingern auf dem Tisch", während sich all diese Maschinen schmerzhaft langsam um sie drehten. Atanasov und Berry befestigten ein Vollblutpferd mit Heu an einem Karren. (Der Projektmanager für die Rekonstruktion von ABC in den neunziger Jahren schätzte die maximale Geschwindigkeit der Maschine unter Berücksichtigung der gesamten Zeit, einschließlich der Aufgabenzuweisung des Bedieners, auf fünf Additionen oder Subtraktionen pro Sekunde. Dies ist natürlich schneller als ein menschlicher Taschenrechner, aber nicht diese Geschwindigkeit die wir mit elektronischen Computern verbinden.)


ABC-Schema. Die Trommeln speicherten temporären Ein- und Ausgang auf Kondensatoren. Die Thyratron-Karten-Stanzschaltung und der Kartenleser zeichneten die Ergebnisse eines ganzen Schrittes des Algorithmus auf und lasen sie (wobei eine der Variablen aus dem Gleichungssystem entfernt wurde).

Die Arbeiten am ABC wurden Mitte 1942 eingestellt, als Atanasov und Berry sich für die schnell wachsende US-Militärmaschine anmeldeten, für die nicht nur Leichen, sondern auch Gehirne erforderlich waren. Atanasov wurde in das Naval Artillery Laboratory in Washington berufen, um das Team bei der Entwicklung akustischer Minen zu leiten. Berry heiratete Atanasovs Sekretär und fand eine Stelle in einer vertraglich vereinbarten Militärfirma in Kalifornien, damit er nicht zum Krieg einberufen wurde. Atanasov versuchte einige Zeit, seine Kreation in Iowa zu patentieren, aber ohne Erfolg. Nach dem Krieg nahm er andere Dinge auf und nahm Computer nicht mehr ernst. Der Computer selbst wurde 1948 auf eine Mülldeponie geschickt, um einem neuen Absolventen des Instituts im Büro Platz zu machen.

Vielleicht hat Atanasov einfach zu früh angefangen zu arbeiten. Es basierte auf bescheidenen Universitätsstipendien und konnte nur ein paar tausend Dollar für die Schaffung von ABC ausgeben, sodass die Wirtschaft alle anderen Probleme in seinem Projekt ablöste. Wenn er bis Anfang der 1940er Jahre gewartet hätte, hätte er einen staatlichen Zuschuss für ein vollwertiges elektronisches Gerät erhalten können. Und in diesem Zustand - mit begrenzter Verwendung, mit komplexen Steuerungen, unzuverlässig, nicht sehr schnell - wurde ABC keine vielversprechende Werbung für die Vorteile des elektronischen Rechnens. Die amerikanische Kriegsmaschine warf das ABC trotz des rechnerischen Hungers in der Stadt Ames in Iowa zum Rosten.

Rechenmaschinen des Krieges

Der Erste Weltkrieg schuf und startete ein System des massiven Pumpens von Investitionen in Wissenschaft und Technologie und bereitete es auf den Zweiten Weltkrieg vor. In nur wenigen Jahren wurde die Praxis, Krieg an Land und auf See zu führen, auf den Einsatz giftiger Gase, magnetischer Minen, Luftaufklärung und Bombenangriffe usw. umgestellt. Kein einziger politischer und militärischer Führer konnte es versäumen, solch schnelle Veränderungen zu bemerken. Sie waren so schnell, dass Studien, die früh genug begannen, die Waage in die eine oder andere Richtung kippen konnten.

Den Vereinigten Staaten fehlten Materialien und Köpfe (von denen viele aus Nazideutschland geflohen waren), und sie waren weg von den direkten Kämpfen um Überleben und Dominanz, die andere Länder berührten. Dadurch konnte das Land diese Lektion besonders deutlich lernen. Dies zeigte sich in der Tatsache, dass enorme industrielle und intellektuelle Ressourcen für die Schaffung der ersten Atomwaffe aufgewendet wurden. Eine weniger bekannte, aber nicht weniger wichtige oder kleinere Investition war die Investition in die Schaffung von Radartechnologie, deren Zentrum sich am MIT im Rad Lab befand.

Das aufstrebende Gebiet des automatischen Rechnens hat also seinen Anteil an der Militärfinanzierung erhalten, wenn auch in viel geringerem Umfang. Wir haben bereits die Vielfalt der durch den Krieg hervorgerufenen elektromechanischen Computerprojekte festgestellt. Relativ gesehen war das Potenzial von relaisbasierten Computern bekannt, da die Telefonvermittlung mit Tausenden von Relais seit vielen Jahren in Betrieb war. Elektronische Komponenten haben ihre Funktionsfähigkeit in einem solchen Maßstab noch nicht bewiesen. Die meisten Experten glaubten, dass ein elektronischer Computer unweigerlich unzuverlässig sein würde (ABC diente als Beispiel), oder dass seine Konstruktion zu viel Zeit in Anspruch nehmen würde. Trotz des plötzlichen Zuflusses von Regierungsgeldern gab es nur wenige militärische elektronische Computerprojekte. Nur drei wurden auf den Markt gebracht, und nur zwei von ihnen führten zum Auftreten effizienter Maschinen.

In Deutschland hat der Telekommunikationsingenieur Helmut Schreyer seinem Freund Konrad Zuse den Wert einer elektronischen Maschine vor dem elektromechanischen „V3“ bewiesen, den Zuse für die Luftfahrtindustrie (später bekannt als Z3) baute. Tsuse erklärte sich schließlich bereit, mit Schreyer an einem zweiten Projekt zu arbeiten, und das Aviation Research Institute bot an, Ende 1941 einen Prototyp mit 100 Lampen zu finanzieren. Aber zuerst nahmen die beiden Männer vorrangige militärische Arbeit auf, und dann wurde ihre Arbeit durch die durch die Bombenangriffe verursachten Schäden erheblich verlangsamt, und infolgedessen konnten sie ihr Auto nicht zuverlässig zum Arbeiten bringen.


Zuse (rechts) und Schreyer (links) arbeiten an einem elektromechanischen Computer in Zuses Berliner Wohnung

Der erste elektronische Computer, der nützliche Arbeit leistete, wurde in einem geheimen Labor in Großbritannien entwickelt, wo ein Telekommunikationsingenieur einen neuen radikalen Ansatz für die ventilbasierte Kryptoanalyse vorschlug. Diese Geschichte werden wir beim nächsten Mal enthüllen.

Was noch zu lesen:

• Alice R. Burks und Arthur W. Burks, Der erste elektronische Computer: Die Atansoff-Geschichte (1988)
• David Ritchie, Die Computerpioniere (1986)
• Jane Smiley, Der Mann, der den Computer erfunden hat (2010)