Silicon Valley an der Limmat aber mit Schweizer Akzent

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1 ETH Zürich Science City Informatik Silicon Valley an der Limmat aber mit Schweizer Akzent Carl August Zehnder em. Professor für Informatik ETH Zürich C.A. Zehnder, ETH Zürich

2 Inhalt Zeittafel Computer Wissenschaft Anwendungen Industrieforschung Ausbildung 2

3 Zeittafel: Informatikentwicklung an der Limmat Numer.Rechnen Inst.f.angew.Math. Supercomputing Algorithmik Inst.f.ang.Math. Computer Science/Informatik/D-INFK Progr.Sprachen x Algol Pascal Modula Oberon Eiffel System SW, SW Eng. Compiler Systeme Datennetze/ICT Elektrotechnik D- ITET Comp.Entwicklg. [Z4] ERMETH Comp.Produktion Lilith Ceres Industrieforschung IBM ABB Anwendungen Rentenanstalt Versg. Banken Chemie Swissair alle Ausbildung: Hochschulen: [US,GB] [D,F] Berufslehre: CH UBS Google Disney,... CH 3

4 Computerentwicklung 1: Das Institut für angewandte Mathematik 1948 wird an der ETH ein Institut für angewandte Mathematik gegründet. Chef Eduard Stiefel (seit 1944 Prof. für Geometrie.) Ziel: neuartige Problemlösungen ermöglichen mit numerischen Berechnungen. Kleinere Rechnungen brauchen Papier, Bleistift und Rechenschieber oder Rechenmaschine. Grössere Rechnungen rufen nach einem programmierbaren Rechenautomaten. Solche kann man damals nicht kaufen; aber es gab sie seit dem 2. Weltkrieg in USA und GB (und D!). 4

5 Computerentwicklung 2:... aber die Z4 von Konrad Zuse existiert Der Bauingeineur Konrad Zuse ( ) entwickelte ab 1936 in Berlin programmierbare Rechenautomaten zur Lösung linearer Gleichungssysteme. Die Prototypen Z1 und Z2 (rein mechanisch) kamen nie richtig zum Laufen, jedoch die Z3 und Z4 (mit Relais- Technik). Z1, Z2, Z3 wurden im Krieg zerstört. In den letzten Kriegsmonaten 1945 konnte Zuse die Z4 aus Berlin auf abenteuerlichen Wegen nach Oberbayern evakuieren; sie war nur leicht beschädigt erfuhr Eduard Stiefel davon und konnte die Z4 für fünf Jahre ( ) mieten; die ETH hatte 1950 als erste kontinentale Hochschule einen Rechenautomaten. 5

6 Computerentwicklung 3: Der Rechenautomat Zuse Z4 Die Z4 besteht aus Bedienungspult mit Eingabetastatur und Programmabtaster, Schreibmaschine (Datenausgabe), Relaisschrank und mechanischem Datenspeicher (nicht sichtbar). 6

7 Computerentwicklung 4: Zuse Z4 Hier der Programmspeicher. Er besteht aus zwei Lochstreifen mit eingestanzten Befehlen, die zu Schleifen zusammengeklebt sind. So sind Schleifen von Schleifen möglich, z.b. für die Gauss sche Elimination bei Gleichungssystemen. Die Daten sind separat in einem mechanischen Riegelsystem gespeichert. 7

8 Computerentwicklung 5: ERMETH Elektronische Rechen-Maschine der ETH 1949 studieren Heinz Rutishauser und Ambros Speiser an US-Universitäten frühe elektronische Rechenautomaten projektieren und bauen sie die ERMETH in Zürich. Diese steht im Einsatz Die ERMETH ist eine von-neumann-maschine (d.h. Programme und Daten im gleichen Arbeitsspeicher) und arbeitet voll dezimal (!). Das Rechenwerk benützt Elektronenröhren. Der Arbeitsspeicher für stellige Dezimalzahlen ist eine Magnettrommel; diese wiegt 1.5 Tonnen. Als Sekundärspeicher dienen Lochkarten. 8

9 Computerentwicklung 6: ERMETH (Elektronische Rechenmaschine der ETH, ) 9

10 Computerentwicklung 7: Rechner + Speicher an der ETH Jahr: Prozessor: Arbeits- Sekundärspeicher: speicher: Z4 1944/50 el.magn. mechanisch x 100 ERMETH 1955/57 elo.röhren Magnettrom. Lochk. x 400 CDC-1604A 1964 Transistor M-Kernsp. M-Bänder CDC Transistor M-Kernsp. M-Platten moderne PC Transistor Transistor M-Platten Leistungserhöhung: 10

11 Computerentwicklung 8: Lilith + Modula 1978 begann Niklaus Wirth, von Haus aus Elektroingenieur, komplette "persönliche Computer" zu bauen (Gerät Lilith mit Maus, Betriebssystem Modula, Anwenderprogramme) 11

12 Computerentwicklung 9: Ceres + Oberon Um 1990 entwickelte Wirth mit seinen Mitarbeitern eine zweite Generation eigener PCs: schnörkellos einfach, leistungsfähig, stabil, konsistent, leise. Die Ceres war so energiesparsam, dass sie keinen Ventilator mehr brauchte. Sie blieb an der ETH 11 Jahre im Studentenbetrieb im Einsatz. Aber ein Industrieprodukt wurde nicht daraus. 12

13 Wissenschaft: Numerisches Rechnen 1 Grosse Berechnungen früher Bis zum 2. Weltkrieg konnten mechanische Rechenmaschinen zwei Zahlen addieren und subtrahieren, selten auch multiplizieren und dividieren. Die Zahlen wurden von Hand eingetippt, die Resultate angezeigt oder gedruckt. Programmierbare Rechenautomaten (wie Z4, ERMETH) erlaubten erstmals automatische Serienrechnungen und damit die Lösung viel grösserer numerischer Probleme. Bsp.: Brückenbau, Flugzeugtragflächen, Wärmefluss. Diese Rechenautomaten speicherten und bearbeiteten nur Ziffern und Zahlen, keine Buchstaben, keine Texte. Ab 1970 kamen erste Taschenrechner mit ähnlichen Fähigkeiten in den Handel. 13

14 Wissenschaft: Numerisches Rechnen 2 Wissenschaft auf drei Pfeilern Theorie Experiment Alte Griechen: Beobachten, Denken Bsp. Ptolemäus: Erde im Zentrum frühe Neuzeit: genau beobachten Bsp. Kopernikus, Galilei: Sonne numerisches Modell seit 1950: Simulation mit Rechenautomaten Bsp. Satelliten, Mondlandung 14

15 Wissenschaft: Numerisches Rechnen 3 Numerische Modelle Mit der zunehmenden Leistungsfähigkeit der Computer stiegen die Möglichkeiten, immer grössere Teilprobleme der realen Welt mit numerischen Modellen nachzubilden. Bsp.: Chemische Prozesse, Verbrennungsmotoren, Plasmaphysik, Wetterprognosen, Finanzmärkte usw. Der Einsatz solcher Modelle erfordert aber immer auch sorgfältige Beachtung ihrer Grenzen (Fehlerabschätzungen usw.). Die Entwicklung von Supercomputern geht voerst noch unentwegt weiter (Moore s Law). Zürcher Panne: In den 1970-er Jahren verstellten die neuen Taschenrechner die Sicht auf das kommende Superrechnen. 15

16 Wissenschaft: Algorithmik Neue Möglichkeiten und Grenzen Die Informatik stösst zu ihrem wissenschaftlichen Kern vor (Theoretische Informatik): Algorithmen und Datenstrukturen ergänzen sich gegenseitig immer besser (Jürg Nievergelt, Peter Widmayer). Grenzen der Berechenbarkeit werden erkennbar (Erwin Engeler, Peter Läuchli). Kryptographische Methoden erhöhen die Sicherheit bei Datenübermittlung und -speicherung (Ueli Maurer). Zürcher Abgrenzung: Die "künstliche Intelligenz" findet an der ETH keinen Platz. Rolf Pfeifer wird Professor an der Uni. 16

17 Wissenschaft: Programmiersprachen Hier hat Zürich Weltruf 1951 beschreibt Heinz Rutishauser das Compiler-Konzept entwickelt die ETH Zürich (mit TU München und anderen) in der ALGOL-Gruppe eine maschinenunabhängige Programmiersprache (Algol 58, Algol 60). Compiler von H.R. Schwarz (auf ERMETH) kommt Niklaus Wirth von Stanford zurück an die ETH und entwickelt Pascal (1972, strukturiert und schnell), Modula-2 (1978, modular, auf Lilith), Oberon (1991, objektorientiert, auf Ceres) wird Bertrand Meyer an die ETH berufen; er entwickelt seit 1985 die Programmiersprache Eiffel. 17

18 Wissenschaft: System Software, Software Engineering Kerngebiet für Informatikingenieure Die Programmiermethodik entwickelt sich: Maschinenprogrammierung höhere Programmiersprachen (maschinenunabhängig) Objektorientierung Parellele Programmierung Einige Beispiele von Software-Werkzeugen: Compiler Betriebssysteme Datenbanksysteme 18

19 Anwendungen 1: Datenverarbeitung Die administrative Datenverarbeitung hat eine lange Vorgeschichte mit Lochkarten, auch in Zürich: 1928 hat die Rentenanstalt eine Lochkartenabteilung eingerichtet. Dort standen Tabellier-, Misch-, Sortiergeräte und sog. Rechenlocher, fest programmiert über verdrahtete Schalter. Lieferant war der Norweger F.R. Bull. 1931, in der grossen Krise, bat Bull den jungen Versicherungsmathematiker Emile Marchand, bei den Schweizer Uhrenfabrikanten einen Käufer für seine Patente zu suchen. Erfolglos. Schweizer Panne: Bull ging nach Frankreich und gründete dort die später grosse Compagnie des Machines Bull. 19

20 Anwendungen 2: Wissenschaftliches Rechnen Auf Z4 und ERMETH wurden neue numerisch-mathematische Methoden entwickelt. Aber rasch kamen auch Aufgaben aus der Industrie dazu: Z4: Kritische Schwingungen von Wellen, Spannungen in Staumauer (Grand Dixence), Flugbahnen, Abfluss der Juraseen. ERMETH: Flatterverhalten eines Flugzeugflügels, Molekularstrukturen, Temperaturverteilungen, gekrümmte Autobahnbrücken. 20

21 Anwendungen 3: Datenbanken Bsp. um 1970: Flugreservationssystem der Swissair Ticketcounter ZRH Ticketcounter JFK... Reisebüro X... Check-In ZRH gemeinsame Datenbasis zentral, zuverlässig, stabil Lösung vor Informatik: "Turnhalle" mit Feldstecher Lösung mit Informatik: Datenbank 1967: American Airlines > IMS, 1969 Swissair 21

22 Anwendungen 4: Grosse Nutzer Die Schweiz gehört seit den 1960-er Jahren zu den stärksten Nutzern von Computern. Im Vordergrund standen immer Versicherungen und Banken, aber auch Chemie, Maschinenindustrie und viele andere kamen schon früh dazu. Im Bereich der Forschung waren seit den 1960-er Jahren nicht mehr die Informatiker die grössten Nutzer, sondern Chemiker Physiker [siehe auch CERN, WWW 1993] Maschineningenieure und andere 22

23 Industrieforschung: Zürich zieht Informatikforschung an 1956 eröffnet IBM ihr erstes Forschungslabor ausserhalb der USA in Rüschlikon. Gründungsdirektor Ambros Speiser eröffnet BBC (heute ABB) ihr Forschungszentrum in Baden-Dättwil. Gründungsdirektor Ambros Speiser. Informatikforschung beginnt aber dort erst nach eröffnet die SBG (heute UBS) ein eigenes Informatikforschungszentrum, ab 1990 als "Ubilab". Sie stellt die Informatikforschung aber 1999 wieder ein. Leider eröffnet Google sein European Engineering Center Microsoft eröffnet ein Developer Center kommt Disney-Research zur ETH. 23

24 Ausbildung 1: Hochschulen Forschung im Bereich des automatischen Rechnens betrieb die ETH seit 1948; seit den frühen 1950-er Jahren begann auch die entsprechende Lehre, aber nur als Nebenfach werden in USA und Grossbritannien Diplomstudien in Computer Science angeboten. Seit 1969/70 gibt es Diplomstudien in Informatik in Frankreich und Deutschland. Ab 1970 bemühen sich die ETH-Informatiker um ein eigenes Diplomstudium. Drei Anläufe, Erfolg erst 1981! Um 1980 gelingt der Durchbruch der Informatik aber auch an vielen andern Schweizer Unis und HTL (heute FH). 24

25 Ausbildung 2: 3000 Terziäre Profi-Abschlüsse (total Schweiz seit Beginn) Uni/ETH FH höhfsch höh+bpr 25

26 Ausbildung 3: Abschlüsse Profi-Berufslehre Sekundarstufe II (total Schweiz seit Beginn) Informatiker Geräteinformatiker 26

27 Ausbildung 4: Nach dem 2001-Hype tiefe Einbrüche Erstsemestrige in Informatik und Wirtschaftsinformatik an allen Schweizer Hochschulen: Informatik Uni/ETH Wi'Infk Uni/ETH Informatik FH Wi'Infk FH

28 Ausbildung 5: Total Schweiz: "Informatiker/innen" Grossmehrheitlich Quereinsteiger mit schwachem Informatikrucksack, heute knapp 70 % % Quereinsteiger ohne Informatikabschluss (Terziär oder Sek.II) Ausgebildete 30 % Ausgebildete Quereinsteiger 2005

29 Zeittafel: Informatikentwicklung an der Limmat Numer.Rechnen Inst.f.angew.Math. Supercomputing Algorithmik Inst.f.ang.Math. Computer Science/Informatik/D-INFK Progr.Sprachen x Algol Pascal Modula Oberon Eiffel System SW, SW Eng. Compiler Systeme Datennetze/ICT Elektrotechnik D- ITET Comp.Entwicklg. [Z4] ERMETH Comp.Produktion Lilith Ceres Industrieforschung IBM ABB Anwendungen Rentenanstalt Versg. Banken Chemie Swissair alle Ausbildung: Hochschulen: [US,GB] [D,F] Berufslehre: CH UBS Google Disney,... CH 29

30 Ausblick: Informatik an der Limmat Der Standort Schweiz, und insbesondere Zürich, war und ist hervorragend positioniert für Informatik-Forschung, -Ausbildung und -Anwendung (und trotz einzelnen Flops). Die grösste Schwachstelle besteht seit Jahren beim Mangel an qualifizierten Informatikfachleuten. Unser Ausbildungssystem liefert heute nur die Hälfte des Bedarfs! Ungenügend ist auch die Informatik-Allgemeinbildung in unseren Schulen. In den Gymnasien müsste im 21. Jhdt. Informatik auf die gleiche Stufe gehören wie Physik, Chemie und Biologie seit 100 Jahren. Andere Länder sind voraus. Die Informatik hierzulande ist gesund und prosperiert aber Lücken gilt es zu füllen! Für eine gute Zukunft für alle. 30

31 Links Informatikgeschichte Departement Informatik ETH: ( Informatikgeschichte: Museum für Kommunikation, Bern Dauerausstellung (mit Original ERMETH) "As Time Goes Byte: Computer und digitale Kultur" ( Informatikbegriffe: Wikipedia ( C.A. Zehnder, ETH Zürich