Als das erste Hilfsmittel, um Rechnungen zu vereinfachen, gilt der Abakus. In einigen Ländern im südlichen Raum wird er immer noch verwendet und wurde wahrscheinlich schon im antiken Rom zur Vereinfachung von Addition und Subtraktion eingesetzt.
Ein solcher Abakus besteht aus einer Platte aus Stein oder Holz, in deren parallel verlaufenden Stäben Steine aufgereiht und nach komplizierten Verfahren verschoben werden können. Die erste Reihe stellt die Einerstelle der Zahlen dar, die zweite die Zehnerstelle, die dritte die Hunderterstelle und so fort.

Auch andere, aufgrund der nötigen Präzision zumeist von Uhrmachern hergestellte Rechenmaschinen (wie auch die des Mathematikers Leibniz) konnten sich nicht durchsetzen.
Erst zu Beginn des 19. Jahrhunderts etablierte Charles Xavier Thomas eine Rechenmaschine, die die vier Grundrechenarten und das Verwalten von Zwischenergebnissen beherrschte und - ähnlich einer mechanischen Schreibmaschine - sogar Ergebnisse ausdrucken konnte.
Derartige Rechenmaschinen wurden nach und nach immer mehr in der Wissenschaft, aber auch in der Verwaltung beim Staat eingesetzt.

Wissenschaftler, insbesondere Mathematiker, Physiker und auch Astronomen, arbeiteten zu Beginn des 19. Jahrhunderts vorwiegend mit Tabellen. Der englische Mathematiker Charles Babbage erkannte, dass eine Maschine, welche auch nach komplexen Algorithmen rechnen und die Ergebnisse ausdrucken konnte, von großer Bedeutung sein würde. Könnte er eine derartige Maschine bauen, so wären zwei Fehlerquellen in der Tabellenerstellung beseitigt: das Berechnen und das Setzen der Tabellen durch einen Menschen.
Charles Babbage arbeitete daran und hatte im Jahre 1822 ein funktionierendes Modell zu Demonstrationszwecken erstellt. Ein Jahr später wurde, mit finanzieller Unterstützung der britischen Regierung, die eigentliche Rechenmaschine fertiggestellt. Diese sogenannte "Difference Engine", also Differenzmaschine, konnte die Tabellen völlig automatisch nach einem festgelegten Programm berechnen und ausdrucken.
Babbage wurde klar, dass das starre Programm der Difference Engine, die nur Addition und Subtraktion ausführen konnte, ein Problem darstellte, da für jede Art von Tabellen eine neue Rechenmaschine in aufwendiger Arbeit erstellt werden musste.

Babbages stellte seine Pläne komplett fertig, doch die "Analytische Maschine" wurde nie gebaut: Es fehlte die Technik, um die Einzelteile der Maschine präzise genug herzustellen.
(Ein erst vor wenigen Jahren erfolgter Nachbau zeigte, dass die Pläne einwandfrei sind - die Rechenmaschine funktionierte einwandfrei!)
Doch die Arbeit des Mathematikers, der seiner Zeit weit voraus war, war nicht umsonst gewesen:
In den Plänen der "Analytische Maschine" waren bereits die heutigen Grundelemente eines Computers definiert. Die Maschine besaß bereits einen Speicher für 1000 Ziffern, der als Kurzzeitgedächtnis für temporäre Variablen genutzt werden sollte, eine Recheneinheit, die Befehle ausführen konnte sowie eine programmierbare Einheit. Diese programmierbare Einheit unterschied die "Analytische Maschine" grundlegend von der "Differenzmaschine", denn die neue Rechenmaschine kann im Prinzip jede mögliche Berechnung durchführen, sofern dafür ein Programm geschrieben wird.
Diese Programme sollten über Lochkarten in die Rechenmaschine eingegeben werden.

Auch wenn wir heute Lochkarten mit Großrechnern von IBM in Verbindung bringen, so stammt die Technik dazu aus dem 17. Jahrhundert, wo sie erstmals für Webstühle verwendet wurde. Diese lochkartengesteuerten Webstühle hatten den großen Vorteil, dass immer wieder ein und das selbe Muster gewebt werden konnte, ohne dass dies von einem Mensch durchgeführt werden musste.
Das Verfahren zur Verarbeitung von Daten mittels Lochkarten wurde von dem deutsch-amerikanischen Ingenieur Hermann Hollerith entwickelt und fand erstmals bei der amerikanischen Volkszählung 1890 Verwendung.
Die Lochkarte, die bis in die 70er Jahre des 20. Jahrhunderts verwendet wurde, stellt damit das Computermedium dar, das am längsten verwendet wurde. hängt von der verwendeten Antenne ab.




2.2 Lochkartentechnik





Lochkartenmaschinen (mechanisch)
a) Der Locher (IBM 66)

Die ungelochten Karten ("Blanko-Karten") werden in das Kartenmagazin des Lochers eingelegt.
Für den Durchlauf der Lochkarte wird eine Tastatur, ähnlich einer Schreibmaschine, bedient.
Die Karte gelangt vom Kartenmagazin ins Kartenbett, von dort zur Lochstation, dann zur Abfühlstation und schließlich in die Kartenablage. Um die Karte vom Kartenmagazin ins Kartenbett zu befördern, muß die Zufuhrtaste bedient werden. Wenn sie ein zweites Mal betätigt wird, gelangt die nächste Karte ins Kartenbett und die erste in die Lochstation.
Mit einem Schalter lässt sich auch eine automatische Kartenzuführung einstellen.
In der Lochstation erfolgt die Stanzung seriell, Spalte für Spalte.
Hat die 80. Spalte die Lochstation durchschritten, wandert die Karte zur Abfühlstation und gleichzeitig die zweite Karte zur Lochstation. Erst wenn die dritte Karte zur Lochstation herangeführt wird, gelangt die erste zur Kartenablage.
Oft wiederholen sich die Angaben bei mehreren hintereinanderliegenden oder allen Karten eines Arbeitsganges in bestimmten Spalten.
Mit dem Schalter "Duplizieren" kann man sich nochmaliges Lochen ersparen.
Hierbei werden die Lochungen der Karte, die gerade unter der Abfühlstation liegt, auf die nächstfolgende Karte übertragen.

Auch die Abfühlung erfolgt seriell, Spalte für Spalte. Wenn unter der Abfühlstation die Spalte 1 der Karte A liegt, so befindet sich unter der Lochstation ebenfalls die Spalte 1 der nächsten Karte B, in die beim Duplizieren der Wert der abgefühlten Karte übertragen wird. Der Spaltenanzeiger zeigt an, welche Lochspalte sich gerade unter der Stanzung befindet. Man kann z.B. feststellen, wann das zu duplizierende Feld beendet ist und die Taste "Duplizieren" freigegeben werden muß. Sind die Lochungen auf einer Karte vor der letzten Spalte beendet, kann die Sprungtaste bedient werden. Die Stanzung der Karte wird beendet, die Karte wird sofort automatisch zur Abfühlstation geleitet und die nächstfolgende Karte zur Lochstation.


b) Der Prüfer

Nach dem Lochen kann man sich nicht sicher sein, daß tatsächlich alle abzulochenden Daten richtig und vollständig übernommen wurden. Daher wurde ein spezielles Gerät entwickelt, das die Korrektheit der Karten überprüfen kann. Es wird ein elektrischer Kontaktkreis geschlossen, wenn an der Stelle, an der eine Lochung erfolgen sollte, tatsächlich eine solche erkannt wird. Wenn dies nicht der Fall ist, leuchtet eine Prüflampe auf, und die Tastatur ist gesperrt. Die so als fehlerhaft erkannte Karte wird von Hand entfernt und es wird eine neue Karte gelocht. Die geprüften Karten erhalten eine Prüfkerbe.


c) Der Sortierer

Die Sortiermaschine wird eingesetzt, um eine Anzahl von Karten nach einem zuvor eingestellten System zu sortieren. Wie beim Lochen erfolgt auch das Ordnen von Lochkarten halbautomatisch. Die Sortiermaschine hat ein Kartenzufuhrmagazin mit einem Fassungsvermögen von ca. 800 Lochkarten. Zwischen Kartenzufuhrmagazin und den Ablagefächern liegt eine Lesestation, die in der Lage ist, jeweils eine Spalte einer Lochkarten nach den Stanzmerkmalen zu untersuchen und z.B. bei Erkennen einer 4 die Lochkarte in das Fach 4 zu steuern.


d) Der Mischer

Der Kartenmischer hat zwei Kartenzuführung und mindestens vier Ablagefächer (einige ältere Modelle hatten drei Fächer). Die Arbeiten des Mischers werden von auswechselbaren Schalttafeln (eine Schalttafel besitzt viele Buchsen mit bestimmten Funktionen, die Schaltanweisungen werden mittels Schaltschnüren aneinandergereiht) gesteuert. Er besitzt die Fähigkeit, einen Vergleich von zwei Werten vorzunehmen. Die grundsätzliche Aufgabe des Mischers besteht darin, zwei nach demselbsen Ordnungsbegriff sortierte Kartenpakete in einer sinnvolle Ordnung zusammenzuführen. Die Funktion des Mischers ist gegenüber denen einer Sortiermaschine erweitert. Die Lesegeschwindigkeit der Kartenmischer beträgt 14400 bis 39000 oder 60000 Kartendurchläufe pro Stunde.


e) Der Kartendoppler

Der Kartendoppler (z.B. IBM Modell A514 oder Modell 519 mit je 6000 Kartendurchläufen je Stunde) kann als eine Zusatzmaschine zu den Grundmaschinen - Locher und Sortiermaschine - des Lochkartenverfahrens bezeichnet werden. Die Bezeichung "Zusatzmaschine" sollte aber keineswegs über deren Nutzwert hinwegtäuschen. Der Kartendoppler besteht aus der Kartenlese- und Kartenstanzeinheit und vereinigt die Funktionen Doppeln, Stanzen, Summenstanzen, Zeichenlochen, Vergleichen.


f) Der Rechenstanzer

Grundsätzlich sind zwei Kategorien von Rechenstanzern zu unterscheiden, nämlich der rein mechanische Rechenstanzer und der elektronische Rechenstanzer (z.B. IBM Modell 602 mit 6000 Kartenstanzungen pro Stunde oder IBM Modell 609 mit 12000 Kartenstanzungen pro Stunde). Bei beiden Kategorien ist das Prinzip der mechanischen Ein- und Ausgabe mit Hilfe der Lochkarten identisch. Der wesentliche Unterschied besteht in der unterschiedlichen Durchführung der Rechenoperationen und Speicherung der Informationen.
Während der rein mechanische Rechenstanzer mit mechanischen Zählwerken und Speichern arbeitet, werden die Operationen und Ergebnisse beim elektronischen Stanzer mit Hilfe von Elektronenröhren oder Kernspeichern (siehe "5. Die Einteilung in Computergenerationen": Durch diese sogenannten "Kernspeicher" liefen drei Drähte, wodurch die gespeicherten Informationen mittels elektrischer Impulse verändert werden konnten. Zehntausende solcher scheibenförmiger Kerne wurden in einem quadratischen Gehäuse mit einer Seitenlänge von mehreren Zentimetern miteinander verbunden.) durchgeführt bzw. gespeichert, und zwar nach dem Dualsystem, das später auch bei den elektronischen Datenverarbeitungsanlagen mit Erfolg angewandt wurde. Das Dualsystem bietet den Vorteil einer enormen Rechengeschwindigkeit, die bei rein mechanisch arbeitenden Rechenstanzern niemals erreicht werden kann, obwohl beiden Rechenstanzer-Kategorien das Rechnen der vier Grundrechenarten und deren Kombinationen untereinander gmeinsam ist.


g) Die Tabelliermaschine

Die Steuerung der Daten erfolgt mit bestimmten Instruktionen, die der Tabelliermaschine über eine Schalttafel vorgegeben werden können. Mit einer Tabelliermaschine können Werte auch addiert, subtrahiert und mit einer Sondereinrichtung multipliziert und dividiert werden. Damit können in den zu erstellenden Berichten Zwischen- und Endsummen gebildet werden, die als Dispositionsgrundlage unerläßlich sind. Ein Schreibwerk ermöglicht schließlich, auf Grund der Eingabedaten Berichte zu erstellen, und zwar mit einer Geschwindigkeit von bis 9000 Zeilen in der Stunde.



Diese mechanischen oder halbmechanischen Anlagen waren sehr störanfällig. Zudem versuchten die Angestellten, die die Lochkartenmaschinen bedienten, desöfteren diese zu manipulieren, um zusätzliche Ruhepausen bei den monotonen Tätigkeiten zu erhalten.
Auch wenn die Lochkartenmaschinen funktionierten, fehlte ihnen noch immer etwas, was Babbage bei seiner "Analytischen Maschine" vorgesehen hatte: der Speicher. Die Maschine sollte diesen Speicher als leicht zugängliches "Kurzzeitgedächtnis" verwenden, in der Art, wie man bei komplexen Berechnungen Zwischenergebnisse notiert.




2.3 Die Erfindung des Speichers

Die bis dahin verwendeten mechanischen Rechenanlagen besitzen den großen Nachteil, dass alle Bauteile sich nahe beeinander befinden müssen, da eine mechanische Übertragung über weite Strecken nicht möglich ist. Außerdem müssen alle Bauteile umständlich miteinander in Verbindung gebracht werden. Mittels elektrischer Energie lässt sich dieses Problem lösen. Elektrizität lässt sich problemlos kilometerweit übertragen und auch sehr leicht verstärken.
Als signalverstärkendes Bauelement wurde das Relais eingesetzt. Bei einem Relais wird eine kleine Spannung in eine Bewegung umgewandelt, welche wiederum einen Schalter ansteuert. Solche Relais kamen schon sehr früh zum Einsatz, und zwar in der telefonischen Vermittlungstechnik, da hier die Speicherung der aufeinanderfolgenden Ziffern der angewählten Telefonnummern notwendig war.

Die erste Lösung für einen elektromechanischen Speicher in Rechenanlagen bestand aus einem solchen Relais.
Der Schalter wird von einer Feder in einer Position gehalten und kann durch einen Elektromagneten in eine andere Position gebracht werden. Wenn kein Strom durch den Elektromagneten fließt, bleibt der Schalter in der Position "Reset" (Null), fließt ausreichend Strom durch den Elektromagneten, so wird der Schalter auf "Set" (Eins) gebracht.

Ein Relais bietet aber noch weitere Vorteile. Bereits 1854 hat George Boole nachgewiesen, dass man mit Hilfe einfachster Logikelemente alle Rechenfunktionen durchführen kann. Und so wurde die Funktion des Relais erweitert: Das Relais war nun nicht mehr nur ein Speicherelement, sondern diente auch als Rechenelement.

Die Verwendung elektromechanischer Relais setzte sich durch. An der Harvard University wurde zu Beginn der 40er Jahre ein riesiger Computer mit dem Namen MarkI gebaut. MarkI konnte Daten und Befehle von Lochkarten lesen und bestand auf fast einer Million Einzelteilen.
Wenn er in Betrieb war, erzeugte das An- und Ausschalten der Relais ein klickendes Geräusch.

eine Umwandlung der Zahlen von binär nach dezimal und umgekehrt.

Welche Technik hat Konrad Zuse für den Rechenautomaten Z3 verwendet?
Da Konrad Zuse nur mit geringen finanziellen Mitteln ausgestattet war, entschied er sich zunächst dafür, mechanische Schaltglieder zu verwenden, die er selbst herstellen konnte. Das Rechen- und Leitwerk sowie der Speicher des ersten Versuchsmodells, der Z1, waren gänzlich aus diesen selbstentwickelten Schaltgliedern aufgebaut. Bei der Z2 wurde für das Rechenwerk bereits die Relaistechnik eingesetzt.

Der endgültige Rechenautomat, Z3, besaß nicht nur ein auf Relaistechnik basierendes Rechenwerk, sondern auch einen ebensolchen Speicher. Damit war die Z3 in der Lage, eine Additions- bzw. Subtraktions-operation in 50 bis 70 ms und eine Multiplikation in etwa vier bis fünf Sekunden durchzuführen.

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4. Der Beginn des elektronischen Zeitalters - Elektronenröhren

In der nächsten Stufe der Entwicklung der Computer wurden die elektromagnetischen Komponenten (Relais) durch viel schnellere elektronische Bauelemente ersetzt.
Das Speichern eines einzigen Bits - einer Null oder einer Eins - benötigt mindestens zwei Vakuumröhren, die in einem einfachen Schaltkreis, "Flip-Flop" genannt, angeordnet waren.





4.1 Die Diode

In der Röhrentechnik besteht die Diode aus einer vakuumgefüllten Glas- oder Stahlhülle mit zwei Elektroden: die Kathode, ein erhitzter Glühfaden oder eine erwärmte Metallröhre, welche durch die Erwärmung Elektronen abgibt, sowie die Anode, eine Platte, die die Elektronen aufnimmt.
Die Schaltungseigenschaften entsprechen denen heutiger Halbleiterdioden: Es fließt nur dann Strom, wenn die Anode an den positiven Pol angeschlossen ist; ist die Anode negativ geschaltet, so fließt kein Strom. Wird ein Wechelstrom an die Anode angelegt, lässt die Diode nur während der positiven Hälfte des Zyklus Strom durch und kann daher als Gleichrichter verwendet werden.

Die erste Vakuumröhrendiode wurde von dem englischen Physiker John Fleming im Jahre 1904 entwickelt.

4.2 Die Triode

Die Triode war über viele Jahre hinweg das wichtigste elektronische Bauelement zur Verstärkung von Strom. Mittels einer Triode lassen sich elektrische Ströme steuern und elektrische Signale bearbeiten. Die Triode stellt eine Erweiterung der Diode dar. Zwischen Kathode und Anode ist eine dritte Elektrode, das sogenannte Gitter, eingebaut, deren Funktion in der Steuerung des Stromflusses besteht. Ab einem bestimmten negativen Potential kann das Gitter den Elektronenfluss verhindern, da die Elektronen abgestoßen werden. Bei niedrigen negativen Potentialen hängt der Stromfluss vom Gitterpotential ab. Die Eigenschaft einer Triode, den Strom zu verstärken, beruht darauf, dass kleine Spannungsänderungen zwischen Gitter und Kathode große Änderungen in der Anzahl der Elektronen verursachen, die die Anode erreichen.

4.3 ENIAC und andere Rechenanlagen

Der erste elektronische Rechner war ENIAC (Electronic Numeral Integrator And Computer), der Ende 1945 an der University of Pennsylvania feriggestellt wurde und bis 1955 in Betrieb war. ENIAC enthielt 18.000 Elektronenröhren und beanspruchte eine Fläche von 170 Quadratmetern.

ENIAC war ursprünglich dafür vorgesehen, ihn zur schnellen Berechnung von militärischen Geschossen unter den verschiedensten Bedingungen zu verwenden.
Doch als ENIAC fertig war, war der zweite Weltkrieg bereits vorbei. Die erste von ENIAC ausgeführte Berechung diente dem Zweck, die Machbarkeit einer Wasserstoffbombe zu überprüfen. Man sprach davon, das die Berechnung eine Million Lochkarten erfordern würde. Die Lochkarten wurden von ENIAC verarbeitet und eine Million neuer Lochkarten erzeugt, die wiederum als Input für einen neuen Berechnungsdurchgang dienten. Welches genaue Problem bearbeitet wurde, ist noch immer nicht bekannt.

ENIAC konnte zwar seine Ausgangsdaten von Lochkarten ablesen, aber das Programm zu verändern war nur möglich, indem man die Drähte auf einer Schalttafel anders steckte.

John von Neumann, der Mathematiker, der auf die Idee kam, das Programm für die Wasserstoffbombe auf d em ENIAC laufen zu lassen, entwickelte einen neuen Computer, der es dem Benutzer ermöglichte, das Programm mittels Lochkarten einzugeben.
Dieser Computer erhielt den Namen EDVAC (Electronic Discret Variable Automatic Computer).

Beim Speichern von Informationen, besonders bei Programmen, liegen die technischen Schwierigkeiten darin, dass die Rechenmaschine auf die gespeicherten Anweisungen schnell zugreifen muss.
Daten lassen sich leicht auf festen Datenträgern, ähnlich einem Tonband, abspeichern, da die Daten in einer festen Reihenfolge abgerufen werden. Bei Programmen ist dies nicht der Fall - die Instruktionen werden nicht in einer festen Reihenfolge abgerufen; es gibt Schleifen, Verzweigungen und Sprünge.
Man benötigt also eine Möglichkeit, das Programm so im Speicher abzulegen, dass die Maschine auf alle Teile des Programms schnell zugreifen kann.

Bei den Computern, die daraufhin entstanden, wandte man eine heutzutage sehr eigenartig wirkende Speichertechnik an: Informationsbits wurden als akustische Wellen in flüssigem Quecksilber gespeichert! Die Tanks oder Röhren, in denen sich das Quecksilber befand, nannte man "mercury delay lines". Ein solcher Tank war ungefähr 1,4 Meter lang und hatte einen Durchmesser von 30 Zentimetern. An jedem Ende des Tanks befand sich ein piezoelektrischer Kristall.
Ein piezoelektrischer Kristall ist ein Kristall, der vibriert, wenn man eine oszillierende Spannung an den Kristall leitet und umgekehrt.

Die Idee war nun folgende: Die binäre Information, also die Abfolge von Einsen und Nullen, wurde in elektrische Oszillationen umgesetzt. An einem Ende der Quecksilberleitung wurde das Signal eingegeben, die Vibrationen liefen durch das Quecksilber und erzeugten am anderen Ende wieder eine Oszillation. Dieses leicht abgeschwächte Signal konnte ohne großen Aufwand wieder verstärkt werden, woraufhin die Information wieder ausgelesen werden konnte. War eine weitere Speicherung erwünscht, so konnte die Information auf die gleiche Art und Weise wieder und wieder durch das Quecksilber laufen.

Die Geschwindigkeit von Vibrationen beträgt in Quecksilber etwa 1000 Meter pro Sekunde, daher braucht ein Signal in etwa eine Tausendstel Sekunde, um einen Tank von einem Meter Länge zu durchqueren. Indem man die Impulse eine Millionstel Sekunde lang machte, war es möglich, ca. 1000 Bits (oder ungefähr 128 Bytes) am Beginn des Quecksilbertanks einzugeben, bis sie am Ausgang einzutreffen begannen und von dort wieder zurückgesendet wurden.

Im Mai 1949 wurde an der Cambrigde University ein Computer mit derartigem Speicher in Betrieb gesetzt. Aufgrund der Speichertanks benötigte der EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator, "Delay Storage" bezieht sich auf die zum Speichern verwendeten Quecksilberleitungen) lediglich 3000 Vakuumröhren.

Über die vom verwendeten Quecksilber ausgehende Gesundheitsgefährdung für mit der Anlage beschäftigte Techniker und Hilfskräfte machte man sich damals übrigens keine Gedanken.

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5. Die Einteilung in Computergenerationen

Die Geschichte der Computer zwischen den 50er und 70er Jahren wird in vier Computergenerationen aufgeteilt.

Die Computer der ersten Generation gab es von 1950 bis 1959. Diese Maschinen besaßen noch Vakuumröhren für ihren Speicher sowie für die Schaltkreise und Prozessoren.
Die Speicher aus Quecksilberleitungen, wie sie im EDSAC Verwendung fanden, wurden durch magnetische Speicher ersetzt. Durch diese sogenannten "Kernspeicher" liefen drei Drähte, wodurch die gespeicherten Informationen mittels elektrischer Impulse verändert werden konnten. Zehntausende solcher scheibenförmiger Kerne wurden in einem quadratischen Gehäuse mit einer Seitenlänge von mehreren Zentimetern miteinander verbunden.

Die Computer der zweiten Generation gab es zwischen 1959 und 1963. Während dieser Zeit wurden die Vakuumröhren durch Transistoren ersetzt. Die meisten derartigen Rechenanlagen wurden mittlerweile von IBM hergestellt, doch einer der leistungsfähigsten Computer der zweiten Generation, der PDP (Programmed Data Processor) wurde von der Digital Equipment Corporation hergestellt. Der PDP-1 stellte den ersten in Echtzeit benutzbaren Computer dar.

Anstatt mehrere Tage warten zu müssen, bis man die verarbeiteten Ergebnisse erhielt, konnte der programmierbare PDP seine Ergebnisse gleich mittels einer elektrischen Schreibmaschine ausdrucken. Er verfügte auch über einen Bildschirm, auf dem jeweils zwölf Zeichen angezeigt werden konnten.

Die dritte Generation begann 1964 mit den 360-Computern von IBM.
Diese Computer entsprachen, betrachtet man nicht die Leistungsfähigkeit, sondern ihren Aufbau, den heutigen Computern. Die verschiedenen elektronischen Bauteile waren auf einer Keramikplatte verlötet, wenig später wurden die elektronischen Komponenten bereits auf einem einzelnen Silikonelement eingeätzt. Innerhalb eines Jahrzehnts wurden die integrierten Schaltkreise immer komplizierter und verwandelten sich in die sogenannten VLSI (Very Large Scale Integrated)-Schaltkreise.
1975, als die vierte Generation der Computer begann, war die Technik bereits so weit fortgeschritten, dass die gesamten logischen und arithmetischen Schaltkreise eines Computers auf einen einzigen Chip, einen Mikroprozessor, passten. Der Mikroprozessor stellt das Herz jedes PCs dar - egal ob Textverarbeitungssystem, Kalkulationscomputer oder Grafikworkstation.

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6. Computer für jeden - der erste PC

Die Verkleinerung der elektronischen Bauteile stellt einen entscheidenen Schritt dar; der Computer für jeden rückte in greifbare Nähe. Eine große Rechenmaschine ist teuer in der Herstellung und in der Wartung - einmal abgesehen davon, dass ein privater Nutzer gar nicht den Platz für einen solchen Computer hätte.

1975 begann die Firma Intel einen integrierten Chip herzustellen, der einen ganzen Computerprozessor enthielt. Die ersten Chips, sie verwendeten "Worte" aus vier Bits, wurden 4004 genannt. Kurz darauf wurden 8080er Chips hergestellt, die "Worte" mit acht Bits verwendeten.

Diese 8080er Chips bildeten die Grundlage für den ersten "Heimcomputer", den Altair. Der von der Firma MITS (Model Instrumentation Telemetry Systems) hergestellte Altair 8800 wurde im Januar 1975 auf der Titelseite der Zeitschrift Popular Electronics vorgestellt, woraufhin sich viele Interessenten meldeten. Der Altair, der einen Speicher von rund 4000 Zeichen besaß, wurde als Baukasten verschickt und die einzige Möglichkeit der Programmierung bestand darin, Schalter zu verstellen (acht Schalter für ein Byte Programmcode). Die Ausgabe bestand in einer Reihe von acht winzigen Leuchtdioden.

Ein solcher Computer war aufgrund seiner komplizierten Bedienung zwar noch nicht für das breite Publikum gedacht, aber wegen seines Preises von 397 Dollar konnte ihn sich jeder leisten, der sich dafür interessierte. Angesteckt von der Faszination des Computers, versuchten einige Menschen, selbst Computer aus Einzelteilen zu bauen.

Ende der siebziger Jahre brachten Steve Wozniak und Steve Jobs einen Computer für 666,66 Dollar auf den Markt - den ersten Apple. Der AppleII, 1978 gebaut, erbrachte bereits die Leistung der alten Mainframes aus den sechziger Jahren - für viel weniger Geld, aber plus Ton und farbiger Anzeige auf einem Monitor.

Den nächste große Schritt in der Entwicklung des PCs machte IBM; eine Firma, die bisher nur als Hersteller von Großrechnern bekannt war. Der IBM PC, der 1981 auf den Markt kam, war nicht so gut konstruiert wie der AppleII, doch das Revolutionäre lag daran, dass IBM die Details der Funktionsweise seines Systems veröffentlichte. Als Prozessor wurde ein 8-Bit-Prozessor von Intel verwendet, der allerdings bald von dem 16-Bit-Prozessor 8086 abgelöst wurde. Die IBM-Computer waren zwar nicht so leistungsfähig wie die Apple-Computer, aber die Tatsache, dass durch die offene Architektur billig IBM-kompatible Rechner hergestellt werden konnten, sicherte ihnen einen hohen Marktanteil.
Computer mit Intel-Chips und Windows-Software setzten sich durch.

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7. Das Mooresche Gesetz

1965 hat Gordon Moore, der später zusammen mit Bob Noyce Intel gründete, die Prognose abgegeben, dass sich die Kapazität eines Computerchips alle 18 Monate verdoppeln würde.



Doch diese Entwicklung kann nicht bis in alle Ewigkeit fortgeführt werden. Um das Jahr 2020 wird die Entwicklung an ihre physikalischen Grenzen stoßen. Leiterbahnen auf Computerchips lassen sich nicht beliebig verkleinern - bei der Größe von Atomen angelangt, gibt es keine weitere Möglichkeit der Verkleinerung. Doch bereits weitaus früher, nicht erst bei der Größe eines Atoms, kommt man mit seltsamen Gesetzmäßigkeiten in Konflikt: Zustände können sich "überlagern", das heißt, man kann nicht mehr genau sagen, ob ein Bit den Wert 1 oder 0 hat.

Aber gerade diese Art der Überlagerung, "Superposition" genannt, könnte der Ausweg sein.

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8. Quantencomputer

Ein derartiger Computer basiert auf sogenannten "Quanten", also der kleinsten und damit auch unteilbaren Energiemenge, die von einem Atom aufgenommen, bzw. abgegeben, werden kann.
Die Schaltelemente eines Quantencomputers sind einzelne Atome. Teilchen können gleichzeitig an verschiedenen Orten sein (sogenannte "Superposition"), sie können schneller als mit Lichtgeschwindigkeit Signale austauschen oder übergangslos von einen Ort zum anderen springen.
Über gewisse Vorgänge kann man nicht genau aussagen, ob und in welcher Weise sie eintreten - man kann nur eine Wahrscheinlichkeit dafür angeben.
Für einen Computer, der zuverlässig arbeiten soll, sind solche Zustände, die nicht genau vorhersagbar sind, eine merkwürdige Grundlage.



8.1 Quantencomputer - Die Grundlagen

Bekanntlich rechnen herkömmliche Computer digital, das heißt, mit konkreten Werten. Jegliche Eingabe wird in Bits mit den Werten 0 (NEIN) und 1 (JA) dargestellt. Diesen klassischen Bits entsprechend lassen sich die quantenmechanischen Bits (sogenannten "Q-Bits") und definieren.
In der Quantenmechanik treten darüber hinaus aber auch Überlagerungen von und auf, nämlich was, einfach gesagt bedeutet, dass der Zustand 0 auch "ein bisschen 1 ist". Ein besonderer Fall tritt auf, wenn , dann befindet sich das Q-Bit in einem Zustand genau zwischen 0 und 1, den man mit "JEIN" umschreiben könnte.
Die Q-Bits eines Quantencomputers unterscheiden sich damit grundlegend von den Bits digitaler Computer, da sie jeden erdenklichen Wert zwischen 0 und 1 annehmen können.
Diese Überlagerung von Zuständen ermöglicht extremes Parallelrechnen. (Hierbei ist zu beachten, dass die Überlagerug und das Parallelrechnen immer stattfinden, es also nicht einer speziellen Technik bedarf, um dies herbeizuführen. Es kann sogar nicht vermieden werden.)
Mit zwei Q-Bits kann man bereits vier Zustände realisieren (00; 01; 10; 11), mit 32 Q-Bits ergeben sich bereits vier Milliarden Kombinationen.
Wichtig zum Verständnis der Abläufe in einem Quantencomputer ist ferner, zu wissen, dass die Überlagerung von Zuständen nur so lange gilt, wie der Zustand nicht gemessen wird - führt man eine Messung durch, so "entscheidet" sich das Q-Bit entweder für 0 oder 1.



8.2 Theoretische Ansätze und Algorithmen

Damit ein Quantencomputer funktionieren kann, müssen zwei Bedingungen erfüllt werden: Es müssen Algorithmen geschaffen werden, mit denen sich Programme erzeugen lassen, die die Eigenschaften der Quantenwelt nutzen können, und es müssen Computer gebaut werden können, die diese Algorithmen verarbeiten können. 8.2.1 Durchsuchung von Datensätzen

Problemstellung: Aus einer großen Menge von Datensätzen in einer Datenbank soll ein bestimmter herausgefunden werden.
Als anschauliches Beispiel kann man sich hierbei eine einzige rote Kugel (der Datensatz, der der Suchanfrage entspricht) inmitten eines Haufens von N weißen Kugeln (die Datensätze, die nicht der Suchabfrage entsprechen) vorstellen.

Dieses Problem kann man auf das oben genannte JA-NEIN-Schema übertragen. Der Zustand = NEIN bedeutet, der Suchalgorithmus befindet sich noch im Ausgangszustand und hat noch nicht mit der Durchsuchung der Datenbank begonnen. Der Endzustand = JA bedeutet, dass die rote Kugel (der entsprechene Datensatz) gefunden wurde. Dazwischen gibt es Überlagerungen , die anzeigen, "wie sicher es sich bei dem aktuellen Element um das gesuchte Element handelt". (Die Einzelheiten des 1997 von Low Gover bei den Bell-Entwicklungslabors entwickelten Algorithmus sind sehr kompliziert, sodass im Umfang dieser Arbeit nicht genauer darauf eingegangen werden kann.)

Ein entsprechender Prototyp, der fast sicher aus vier Elementen in einem einzigen Schritt das gesuchte Element heraussuchen kann, ist bereits getestet worden. (Derartige Tests erfolgen als Simulation auf einem herkömmlichen Computer oder mittels aufwendigster physikalischer Experimente, zum Beispiel mit Laser.) Ein herkömmlicher Algorithmus würde im Mittel etwas mehr als zwei Schritte benötigen. Das ist mit folgender Situation vergleichbar: Im klassischen Algorithmus befinden sich die Kugeln in einer undurchsichigen Kiste und müssen einzeln daraufhin überprüft werden, ob ihre Eigenschaften mit den gesuchten Eigenschaften übereinstimmen. Für den Quantenalgorithmus ist die Kiste teilweise durchsichtig und der Computer "sieht" (zumindest bei vier Elementen) mit einem einzigen Blick, welche Kugel rot ist.

Das System kann dadurch mehrere Datensätze gleichzeitig überprüfen; die Tabelle verdeutlicht, welch enormer Geschwindigkeitszuwachs dadurch möglich wäre:

Ein klassischer Computer muss durchschnittlich die Hälfte der Datensätze durchsuchen, bis er den speziellen Datensatz gefunden hat. Ein Quantencomputer arbeitet viel effizienter - er benötigt deutlich weniger Schritte (Wurzel aus der Zahl der Datensätze).



8.2.2 Erzeugung perfekter Zufallsfolgen

Wenn man auf einem klassischen Computer einen Zufallsgenerator verwendet, so erhält man nur "Pseudo -Zufallszahlen", das heißt, die ausgegebenen Zahlen werden durch einen Algorithmus berechnet.
Die einem Quantencomputer zugrunde liegende Theorie liefert allerdings eine Möglichkeit, mittels eines solchen Computers echte Zufallsfolgen zu erzeugen.
Dazu verwendet man ein Q-Bit im JEIN-Zustand, das also "zu gleichen Anteilen" 0 und 1 ist. Wenn man eine Messung dieses Q-Bits durchführt, so entscheidet es sich für einen eindeutigen Zustand 0 und 1. Die Wahrscheinlichkeit, mit der das Q-Bit in den eindeutigen Zustand 0 bzw. 1 übergeht, beträgt jeweils 50%. Ob der Wert also 1 oder 0 ist, ist absolut zufällig und in keinster Weise vorhersagbar.



8.2.3 Kryptographie

Quanten-Algorithmen ähnlicher Art könnten auch in der Kryptographie eingesetzt werden.
Die Sicherheit moderner Verschlüsselungstechniken mit dem Public-Key-Verfahren (bekanntestes Beispiel: "Pretty Good Privacy") beruht darauf, dass es selbst einem Supercomputer nicht möglich ist, den Schlüssel innerhalb eines Jahres zu berechnen. Dazu müsste immerhin eine vierhundertstellige Zahl in ihre Primfaktoren zerlegt werden.
Peter Shor von den AT&T-Entwicklungslabors schuf einen Quantenalgorithmus, der exponentiell schneller als jeder klassische Algorithmus arbeiten soll. Dadurch wäre ein Quantencomputer in der Lage, mit dem Public-Key-Verfahren verschlüsselte Daten innerhalb viel kürzerer Zeit zu entschlüsseln, als dies mit dem leistungsfähigsten möglichen elektronischen Rechner machbar wäre.



8.3 Realisierung ist (noch) kompliziert

Wie lassen sich solche Systeme technisch realisieren? Man benötigt Objekte, die hinreichend klein sind, um Gesetzmäßigkeiten der Quantentheorie zuzulassen und die Zustände besitzen, die man mit 0 und 1 benennen kann und zwischen denen "umgeschaltet" werden kann. Hierzu kann man verwenden: