Konrad Zuse

Seine Vision

Konrad Zuse
1910 – 1995

 

Horst Zuse

 

Am 12. Mai 2011 jährt sich zum 70sten Mal der Tag an dem Konrad Zuse seine funktionsfähige Rechenmaschine Z3 im Jahr 1941 einer kleinen Gruppe von Besuchern in der Methfesselstraße 7 in Berlin-Kreuzberg vorstellte. Unbemerkt von der Öffentlichkeit hatte Konrad Zuse damit seinen Traum von der vollautomatischen Rechenmaschine erfüllt und das Zeitalter des Computers eröffnet. Prof. F.L. Bauer (Universität München) hat dies einmal so zusammengefaßt: Zuse ist Schöpfer des ersten vollautomatischen, programmgesteuerten und frei programmierbaren, in binärer Gleitpunktrechnung arbeitenden Rechenanlage. Sie war 1941 betriebsfertig.

Konrad Zuse (1910-1995), geboren am 22.6.1910 in Berlin, aufgewachsen in Braunsberg / Ostpreußen, legte 1928 am Realgymnasium in Hoyerswerda sein Abitur ab. Er studierte dann bis 1934 an der Technischen Hochschule Charlottenburg, kündigte 1935 seine aussichtsreiche Stelle bei den Henschel-Flugzeugwerken in Berlin und teilte seinen verblüfften Eltern mit, daß er das Wohnzimmer benötige, um eine vollautomatische Rechenmaschine zu bauen. Die Ursache für seinen spontanen Beschluß war die Vision, die stupide Arbeit des Rechnens durch eine vollautomatische Maschine erledigen zu lassen. Wie auch andere Pioniere der Entwicklung von automatischen Rechenmaschinen war Konrad Zuse über die stupiden Rechnungen (hier im Bauingenieurwesen) schockiert. Humorvoll pflegte er oft zu sagen: Ich war zu faul zum Rechnen.

 

Konrad Zuse wollte binär arbeitende Rechner bauen, sie sollten mit bistabilen Bauelementen arbeiten. Nicht nur die Zahlen wollte er binär darstellen, sondern die gesamte Maschine sollte auf diesem Prinzip (Aussagenlogik) arbeiten. Er entwickelte dazu ein leistungsfähiges binär arbeitendes Gleitkommarechenwerk, welches erlaubte, sehr große und sehr kleine Zahlen mit hinreichender Genauigkeit zu verarbeiten. Er konstruierte einen Speicher zur Speicherung beliebiger Daten, entwarf eine Steuereinheit zur Steuerung des Rechners per Lochstreifen (auf dem das Programm stehen sollte) und implementierte Ein- bzw. Ausgabeeinheiten im Dezimalsystem.

 

Seine erste Maschine Z1, die nach diesem Prinzip arbeitete, konstruierte er von 1936-1938. Die Z1 war eine Maschine mit einem Speicher von 64 Worten mit je 22 Bits und den oben angegebenen Komponenten. Die Z1 ist die erste programmgesteuerte Rechenmaschine der Welt, basierend auf der binären Schaltungslogik und dem binären Gleitkommasystem. Die Finanzierung der Z1 erfolgte vollständig aus privaten Mitteln. Die Eltern, die Schwester, Studenten des A.V. Motiv und der Rechenmaschinenfabrikant Kurt Pannke unterstützten ihn.

 

Unzufrieden mit der Zuverlässigkeit der gewählten Bauelemente für die Z1 (Tausende von Blechen mit der Laubsäge zurechtgeschnitten) entwarf Konrad Zuse das Gerät Z2 (1938-1939). Er verwendete das Prinzip des mechanischen Speichers der Z1, setzte für das Festkommarechenwerk jedoch Telefonrelais (800 Relais) ein. Die Zuverlässigkeit der Relaistechnik überzeugte Konrad Zuse, und er baute die Z3 vollständig aus Relais (ca. 600 im Rechenwerk und 1400 im Speicher). Die Maschine Z3, teilweise gefördert durch die DVL (Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt), wurde 1941 fertiggestellt und gilt heute als der erste funktionsfähige, frei programmierbare, auf dem binären Zahlensystem (Gleitkommazahlen) und der binären Schaltungstechnik basierende Rechner der Welt.

 

Die Rechenanlage Z4, deren Bau 1942 begonnen wurde und die bis 1945 in Berlin nicht mehr fertiggestellt werden konnte, wurde als einzige Maschine vor der Zerstörung durch Bombenangriffe gerettet. Der Rechner Z4 war eine Erweiterung der Z3. Sie wurde 1949 in Neukirchen Kreis Hünfeld in Hessen restauriert und arbeitete ab 1950 für fünf Jahre erfolgreich an der ETH (Eidgenössische-Technische Hochschule) in Zürich. Sie war 1950 die einzige kommerziell eingesetzte programmgesteuerte Rechenanlage in Europa.

 

Mit seinem in den Jahren 1942-1945 (Endfassung 1945/46) in Hinterstein und Hopferau) entwickelten Programmiersystem, dem Plankalkül, wollte Konrad Zuse schwierige Aufgaben der Ingenieure, wie z.B. aus dem Bauwesen, in Programme fassen. Sein Plankalkül enthielt die weit über das pure Zahlenrechnen hinausgehenden Regeln des logischen Schließens der mathematischen Logik. Im Plankalkül finden wir u.a. folgende Sprachkonstrukte: Zuweisungszeichen, mächtige hierarchische Datenstrukturen, Datentypen wie Gleitkommazahlen, Festkommazahlen, komplexe Zahlen, Unterprogrammtechnik, bedingte Anfragen, sieben verschiedene Schleifenarten (u.a. die WHILE-Schleife), Listenverarbeitung, Relationen, Prädikatenkalkül, arithmetische Ausnahmebehandlungen und sechzig Seiten Schachprogramme (Es ist ein weit verbreiteter Irrtum, daß der am 23. Oktober 2000 verstorbene Claude Shannon die ersten Schachprogramme schrieb). Für Konrad Zuse war klar, daß künftige Rechner Aufgabenstellungen aus der Kombinatorik (In Zuses Worten: alle rechenbaren Probleme) lösen sollten. Neben den algebraischen Maschinen Z1-Z4, führte er 1943 das Konzept der logistischen Maschine ein, die die Programmiersprache Plankalkül verstehen sollte. In einem Bericht von 1946 gibt Konrad Zuse ein Anwendungsbeispiel für seine Idee der logistischen Maschinen, die er das erste Mal 1943 diskutierte: Es soll eine Brücke gebaut werden. Die Ausgangsangaben sind: Grundsätzliche Angaben über Konstruktion: z. B. Bogenbrücke mit drei Öffnungen; Bautechnik: z.B. Stahlbau geschweißt; Länge der Brücke, Durchfahrtsbreiten und -Höhen. Die Maschine liefert als Ergebnis: Vollständigen Entwurf des Systems mit seinen konstruktiven Einzelheiten. Statische Berechnung. Gewichts, und Massenermittlung. Kostenvoranschlag. Mechanische Anfertigung der Konstruktionszeichnungen, einschließlich aller Details. Hier sehen wir bei Konrad Zuse die Verbindung zwischen Hardware und Software.

 

Konrad Zuse wollte nie einen Lehrstuhl an einer Universität, er wollte seine Vision realisieren, vollautomatische Rechenmaschinen zu bauen und zu verkaufen. Dazu gründete er 1941 die Zuse-Apparatebau in Berlin, 1946 das Zuse-Ingenieurbüro in Hopferau im Allgäu und 1949 die Zuse KG in Neukirchen Kreis Hünfeld. Konsequent setzte er seine Vision in die Tat um, Ingenieuren das stupide Rechnen durch vollautomatische Maschinen abzunehmen. Die Zuse KG war bis 1964 im Besitz von Konrad Zuse und seiner Frau und produzierte 250 Computer im Wert von mehr als 100 Millionen DM. Die Zuse KG war für gut 15 Jahre federführend im europäischen Computerbau, danach konnte sie der (ausländischen) Konkurrenz nicht mehr widerstehen.

 

In der Vergangenheit haben Wissenschaftler, wie Ingenieure lange Debatten darüber geführt, welche Komponenten einen Computer ausmachen und wer als wahrer Erfinder anzuerkennen ist. Konrad Zuse war lange Zeit in Beweisnot für seine Z3, denn seine Z3 von 1941 wurde 1943 bei einem Bombenangriff in Berlin zerstört. Er hatte nur die Patentanmeldung Z391. Noch 1959 bat Konrad Zuse Personen zu berichten und aufzuschreiben, was sie 1941 in seiner Werkstatt in der Methfesselstraße in Berlin-Kreuzberg gesehen hatten. Howard Aiken (USA) hatte es da einfacher, denn er konnte seine Maschine MARK I ab 1944 vorführen. Konrad Zuse konnte den Beweis, die Z3 im Jahr 1941 funktionsfähig vorgestellt zu haben, erst Anfang der 60er Jahre erbringen. Im Rahmen der Weltmathematiker-Konferenz 1998 fand in Paderborn der Kongreß International Conference on History of Computing vom 14.8.-16.8.98 statt. Es trafen renommierte Experten aus aller Welt zusammen. Auf der abschließenden Podiumsdiskussion: Who invented the Computer?, sprachen die Fachleute mit überwältigender Mehrheit Konrad Zuse die größte Bewunderung für seine Leistungen auf dem Gebiet der Computerentwicklung aus. Im Jahr 1999 wurde ihm posthum der Fellow des Computer Museum History Center in Palo Alto für sein Werk verliehen. Es war die Anerkennung in den USA.

 

Oft angesprochen auf die Macht der Computer sagte Konrad Zuse: Wenn die Computer zu mächtig werden, dann zieht den Stecker aus der Steckdose.

 

Andere frühe Rechner

 

Es ist immer wieder heftig gestritten worden, wer der Erfinder des Computers ist oder ob es einen solchen überhaupt gibt, da viele Pioniere an der Entwicklung des Computers beteiligt waren. Um den Rechner Z3 und die Arbeiten von Konrad Zuse historisch einordnen zu können, werden hier die wichtigsten frühen Rechenmaschinen (Computer) vorgestellt.

 

Charles Babbage (1792-1871) entwarf zwei Rechenmaschinen, die Difference Machine (1823) und die Analytical Engine (1834). Die Maschinen wurden niemals fertiggestellt. Das lag nicht an Entwurfsfehlern, sondern an der mangelnden Präzision der Feinmechanik zu dieser Zeit. Beide Maschinen basierten auf der Dezimalarithmetik mit 50 Stellen pro Dezimalzahl. Babbage formulierte auch die ersten Ideen der Programmierung.

 

Im Jahr 1936 postuliert Alan Turing die rein theoretische Turing-Maschine (Papiermaschine) mit einem faszinierend einfachen Aufbau als eine Papiermaschine. Turing ging es darum, die Berechenbarkeit von Funktionen zu beweisen. Die Turing-Maschine ist niemals gebaut worden, aber heutzutage ein anerkanntes theoretisches Konzept. Der Begriff Turing-Universeller Rechner ist weit verbreitet.

 

Im Jahr 1939 baute George Stibitz (1904-1994) einen Rechner bei den Bell-Labs in New York (BELL I) mit Relais und einem Festkommarechenwerk zur Berechnung von komplexen Zahlen. Es war ein Spezialrechner, der nicht programmierbar oder sogar frei programmierbar war. Stibitz entwickelte dazu den Drei-Excess-(Stibitz) Code und baute als erstes einen Complex-Number-Computer speziell zum Multiplizieren und Dividieren von komplexen Zahlen. Es folgten die Modelle II bis V, die von 1943-1947 für die Landesverteidigung der USA entwickelt wurden. BELL V arbeitete in der Gleitkommadarstellung. Stibitz ist damit - wie Zuse schon 1936 - ebenfalls ein Pionier der Gleitkommarechnung im Binärsystem.

 

Der bis 1942 von Vincent Atanasoff gebaute Rechner ABC war ein nicht programmierbarer Spezialrechner in Röhrentechnik und basierte auf dem Binärprinzip (einfache Integerrechnung: Gaußsche Elimination: Lösung von linearen Gleichungssystemen). Der ABC kann als Prototyp des Parallelrechners angesehen werden.

 

Im Jahr 1944 vollendete Howard Aiken die MARK I, die noch ein dezimales Rechenwerk verwendete und die Trennung von Speicher, Steuereinheit und Rechenwerk nicht kannte. Die MARK I war frei programmierbar. Es war eine gigantische Maschine von 35 Tonnen Gewicht.

 

Die 1945/46 fertig gestellte ENIAC von Eckert und Mauchly in den USA mit ihren ca. 18000 Röhren war nicht frei programmierbare, aber konfigurierbare Maschine und arbeitete ebenfalls mit einem Dezimalrechenwerk. Die Steuerung der Maschine (Konfigurierung) wurde durch das Setzen von Hunderten von Drehschaltern und das Stecken von Kabelverbindungen erreicht.

 

Die in England von 1943-1945 gebauten zehn COLOSSUS-Rechner waren wiederum Spezialrechner mit Röhren im Binärprinzip, sie waren nicht frei programmierbar und wurden erfolgreich zur Entschlüsselung von Funksprüchen der deutschen Wehrmacht (Chiffriermaschine SZ42) eingesetzt. Angeblich wurden auf Befehl Churchills alle Maschinen und Unterlagen 1946 zerstört, aber es existiert im Bletchley Park nördlich von London ein Nachbau..

 

Der Rechner EDSAC wurde am 6.Mai 1949 in Cambridge / England von Wilkes und Renwick fertiggestellt. Es war der erste Rechner, der das Programm und die Daten zusammen im Speicher ablegte und dort auch verändern konnte.

 

Es ist keine Frage, dass es vieler hervorragender Wissenschaftler, Ingenieure und Manager bedurfte, den heutigen Computer bzw. den PC zu konstruieren und zu der heutigen Verbreitung zu verhelfen. Das ist nicht das Werk einer einzelnen Person. Konrad Zuse ist nicht alleiniger Erfinder der Programmsteuerung, auch nicht des binären Zahlensystems, aber Konrad Zuse hat die dezimalen und besonders die binären Gleitkommazahlen konsequent in seine Maschine eingeführt. Auch der Speicher ist keine alleinige Erfindung von Konrad Zuse. Vieles geht auf Charles Babbage zurück. Auch haben andere Personen, wie z.B. Valtat oder Couffignal Ideen zum Binärsystem formuliert oder einige erste Relaisschaltungen für Binärschaltungen beschrieben.

 

Aus unserer Sicht liegt Konrad Zuses geniale Leistung darin, als erster eine funktionierende Maschine Z3 mit einer Architektur verwirklich zu haben, die die größte Ähnlichkeit von den historischen Rechenmaschinen mit den heutigen modernen Computern hat. Dies hat er in Unkenntnis und Isolation anderer Pioniere getan. Dazu gehören:

• Die freie Programmierung der Maschine mit binär kodierten Lochstreifen. Dies beinhaltet die Befehle und die Adressierung des Speichers über das Wählwerk.
• Ein binäres Gleitkommarechenwerk, welches sich von der logischen Struktur her in fast jedem modernen Prozessor wieder findet. Die Gleitkommazahlendarstellung in Computern ist Konrad Zuses Erfindung.
• Die abstrakte Schaltungstechnik, die alle Funktionen der Maschine auf die aussagenlogischen Grundoperationen AND, OR und NOT zurückführt.
• Der einschrittige Übertrag für die binäre Addition von Binärzahlen. Es ist Konrad Zuses Erfindung.
• Das Minimalprinzip des Entwurfs seiner Maschinen, d.h. die Z-Maschinen sind mit minimalen Aufwand konstruiert.
• Seine über das reine Zahlenrechnen formulierten Ideen der Anwendung solcher Maschinen, wie das Abbilden von Daten, Buchstaben, usw. in Bitketten.
• Die Schaffung des Programmiersystems Plankalkül mit der Endfassung im Jahr 1945/46. Es ist eine bemerkenswerte vollständige Programmiersprache mit arithmetischen Operationen, dem Zuweisungszeichen, der Listenverarbeitung, der umfassenden Datenstrukturen, der Anwendung der Prädikatenlogik, usw. /ZUSE45/.

 

Aus unserer Sicht kann man sagen, dass Konrad Zuse enorme Beiträge zum modernen Computer geleistet hat, was z.B. auch bei F.L. Bauer anerkannt /ROJA98a/ wird. In der Vergangenheit haben Wissenschaftler wie Ingenieure lange Debatten darüber geführt, welche Komponenten einen Computer ausmachen und wer als wahrer Erfinder anzusprechen ist. Im Rahmen der Weltmathematiker-Konferenz 1998 fand in Paderborn der Kongreß International Conference on History of Computing vom 14.8.-16.8.98 statt. Hier trafen renommierte Experten aus aller Welt zusammen. Auf der abschließenden Podiumsdiskussion: Who invented the Computer? sprachen die Fachleute mit überwältigender Mehrheit Konrad Zuse die größte Bewunderung für seine Leistungen auf dem Gebiet der Computerentwicklung aus.

 

Das Computer Museum History Center in Mountain View / Kalifornien hat extra seine Satzung geändert, um Konrad Zuse im Jahr 1999 posthum den Fellow zuerkennen zu können. Die Begründung lautet: In 1941, Konrad Zuse created the first fully-automated, program-controlled, and freely-programmable computer for binary floating-point calculations, and later, the basic programming system, "Plankalkül". His contributions were so striking, and made under such adversity, that the History Center has made an exception to its usual practice and named him a Fellow posthumously.

 

Übersetzung des Autors: In 1941 schuf Konrad Zuse den ersten vollautomatischen programmgesteuerten Computer für Rechnungen mit binären Gleitkommazahlen, und später das grundlegende Programmiersystem Plankalkül. Seine Beiträge sind so beeindruckend / außergewöhnlich und wurden unter solchen Widrigkeiten vollbracht, dass das History Center eine Ausnahme von der gängigen Praxis gemacht hat, und ihn posthum zum "Fellow" ernennt.

 

Der Fellow für Konrad Zuse wurde am 30. September 1999 von seinem Sohn Horst Zuse in Palo Alto / Kalifornien in Empfang genommen.