Prof. Dr. habil. M. Ludwig

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1 Prof. Dr. habil. M. Ludwig TU Dresden. Fachrichtung Mathematik, Institut für Wissenschaftliches Rechnen Dresden, 1999 Von der mechanischen Rechenmaschine zum Computer Am Institut für Wissenschaftliches Rechnen der Fachrichtung Mathematik an der TU Dresden befindet sich eine Sammlung "Historische Rechenmaschinen". Sie enthält Mathematische Instrumente, mechanische und elektromechanische Rechenmaschinen und vermittelt einen Überblick über den Dresdner Beitrag zur Entwicklung "Programmierbarer elektronischer Rechenautomaten. Sie wurde 1978 anläßlich "100 Jahre Rechentechnik in Glashütte" im Rahmen einer größeren Ausstellung erstmals an der TU Dresden. gezeigt. Heute dienen die Exponate zu Lehrzwecken und können (nach Vereinbarung) im Institut für Wissenschaftliches Rechnen besichtigt werden. Ansprechpartner: Prof. M. Ludwig, TU Dresden, Institut für Wissenschaftliches Rechnen Der folgende Artikel soll keine lückenlose Entwicklungsgeschichte der Rechenmaschinen sein. Es werden lediglich einige markante Meilensteine angeführt,

2 wobei besonders die Entwicklungen hervorgehoben werden, zu denen unmittelbar lokale Beziehungen und Bezüge zu unserer Sammlung bestehen. Einige Entwicklungsetappen der " Mechanischen" Rechenmaschinen 1623 stellte Wilhelm Schickard in Tübingen ein Modell auf der Basis von Zählrädern mit 10 Raststellungen zur Addition und Subtraktion im Dezimalsystem vor. Er war somit einer der ersten Pioniere, der die Lehren von Galilei, Keppler und auch Leonardi Da Vinci verständlich machen wollte. Die ersten Schickardschen Maschinen gingen in den Wirren des 30-jährigen Krieges verloren. er selbst starb 1635 während einer Pestepidemie. Ein Modell seiner Maschine befindet sich im Rathaus der Stadt Tübingen stellte Gottfried Wilhelm Leibniz, Hannover, seine Rechenmaschine in London der Royal Society vor. Es war eine 4-Spezies-Maschine. Sie rechnete im Dezimalsystem nach dem Prinzip der Staffelwalze und war prinzipiell funktionsfähig - allerdings auf der Grundlage des damaligen Standes der mechanischen Fertigung, d.h. die Bedienung mußte äußerst vorsichtig erfolgen, um Verklemmungen zuvor zu kommen. Daraus resultiert offenbar auch die nicht gerade positive Einschätzung dieser Vorführung durch Hooke (Hookesche Gesetze in der Mechanik): " Die Addition und Subtraktion wird am zweckmäßigsten mit Schreibzeug und Papier erledigt, das ist schneller und sicherer als mit jeglichem Instrument,.... Zur Multiplikation und Division bedient man sich der aus Nepers Rhadologie bekannten Rechenstäbchen". Die Vorstellung der Rechenmaschine in London ist in einer Freske im "Mathematikgebäude" am Zelleschen Weg der TU Dresden dokumentiert. Durch Studium der Leibnizschen Unterlagen und der Funktionsweise noch heute existierender aber nicht voll funktionsfähiger Leibnitz scher Maschinen wurde unter Leitung von Lehmann an der TU Dresden 1989/90 eine Maschine mit originalen Maßen nachgebaut, die voll funktionsfähig ist. Ein weiteres Exemplar, das gerade in Arbeit ist, wird künftig im Technischen Museum Dresden seinen Platz finden baute Giovanni Polenis, Padua, eine Sprossenradmaschine. Es war eine 4- Spezies-Maschine, d. h. eine Maschine für die vier Grundrechenarten Addition, Subtraktion, Multiplikation und Division. In Weiterentwicklung dieses Prinzips durch

3 Roth 1843 (Paris) und Odhner 1874 (Petersburg) baute die Firma Grimme, Natalis & Co eine Maschine "Brunsviga" (auch Wather, Tales u.a.), die Bestand dieser Ausstellung ist wurde von Gersten, Gießen eine Additions/Subtraktionsmaschine mit Längenwandlungsprinzip entwickelt. Sie war Vorbild für ein Rechengerät von W. S. Burrough (USA)-1888, für die Astra-Addiermaschine von John E. Greve (Chemnitz) 1922 und auch für die 4-Spezies-Proportionalhebel-Rechenmaschine Mercedes (Zella-Mehlis) von Christel Hamann stellte Antonius Braun einen dosenförmigen 4-Spezies-Kalkulator vor. Die Addition wurde seriell ausgeführt. Er verwendete ein zentral angeordnetes Sprossenrad. Der Antrieb erfolgte mittels Kurbel. Der Kalkulator ist im Wiener Technisches Museum zugänglich. Eine weitere Rechenmaschine von Braun, eine funktionsfähige Schaltklinkenmaschine aus dem Jahre 1728 ist im Deutschen Museum für Naturwissenschaften und Technik München ausgestellt baute der Pfarrer und Mechaniker Philipp Matthäus Hahn eine Staffelwalzenmaschine. Die Motivation für den Bau kam in Verbindung mit seinem Beruf. In seinem Tagebuchnotizen findet man: "Was Rechenmaschinen, was astronomische Maschinen, das ist Dreck! Jedoch um Ruhm und Ehre zum Eingang und Ausbreitung des Evangelii zu erlangen, will ich die Last noch weiter tragen." Aufgeschlossene Menschen empfanden offensichtlich, daß mit der Rechenmaschine neue geistige Horizonte erschlossen werden konnten. Der Pfarrer versicherte, daß seine technischen Arbeiten stets im Auftrag "zum Lobe Gottes" erfolgten. 1818/1820 entwickelte Charles Xavier Thomas eine Staffelwalzenmaschine mit funktionsfähigem parallelen Addierwerk, wofür er 1818 ein Patent einreichte begann die Produktion des Arithmeters. Bis 1900 wurden in der Thomas schen Fabrik 1500 Exemplare hergestellt, wobei ständig mechanische Verbesserungen vorgenommen wurden. Für diese Gründerzeit der Rechenmaschinenentwicklung kann zusammengefaßt werden, daß es alle Pioniere schwer hatten. Lassen wir ein Zitat von Sedlaczek aus seinem Buch über Visier- und Recheninstrumente, das 1856 in Wien erschien, sprechen: "Rechenmaschinen sind sehr komplizierte und kostspielige Instrumente, welche selten dem wahren Bedürfnissen der Rechnung entsprechen und eher staunenswerte als praktisch vorteilhafte Resultate liefern."

4 In Glashütte - einem kleinen Ort im Erzgebirge - wurde 1851 die Grundlage für die noch heute wegen ihrer hohen Qualität international bekannte Herstellung von Uhren geschaffen. Daraus resultieren die guten Voraussetzungen für die einsetzende Entwicklung von mechanischen Rechenmaschinen baute Curt Dietzschold eine erste Rechenmaschine.(Ein Modell von drei fertiggestellten Maschinen ist im Mathematisch-Physikalischen Salon des Dresdner Zwingers zu sehen.). Erstmalig fand eine Schaltwerk mit Schaltklinken für Paralleladdition - in Anlehnung an die Erfahrungen aus der Uhrenindustrie - Verwendung gründete Arthur Burkhardt, ein Studienfreund von Dietzschold in Glashütte die "Erste Rechenmaschinenfabrik in Deutschland". Er erkannte die Unzulänglichkeiten der Dietzschold schen Maschine und produzierte nach dem Muster des Arithmeters von Thomas mit konstruktiven Verbesserungen die ersten Maschinen. Da der Betrieb letztlich mehr schlecht als recht ging, äußerte Dietzschold (1882) sarkastisch: "Praktischen Wert hat dieselbe (gemeint ist jede Additions- /Sibtraktionsmaschine) heute keinen, obgleich beständig zu ihrem Baue, namentlich von Seiten der Kaufleute, gedrängt wird, die sie dann aber nicht kaufen, weil sie ihnen das Kolonnenaddieren durchaus nicht erleichtert, vielmehr noch die Erlangung einer neuen Fertigkeit aufladet. Auch sonst bietet ihre Fabrikation nur Aussicht auf Mißerfolge; denn das, was eine Maschine bezweckt, nämlich die Vermeidung von Fehlern, wird nicht erreicht, weil neue Fehlerquellen hinzugebracht werden." Burkhardt widmete sich (auch deshalb) in den Folgejahren vor allem der Einführung einer technologiefreundlichen Produktion (Übergang von Einzel- zur Kleinserienfertigung, Nutzung von Fertigungsvorrichtungen, Reparaturservice) und erreichte, daß 1895 die jährlichen Produktionszahlen des Thomas-Arithmeters deutlich übertroffen werden konnten. In Glashütte wurden noch zwei weitere Firmen zur Herstellung von Rechenmaschinen gegründet die Firma "Saxonia" durch Schumann und 1904 die Firma "Archimedes" durch Reinhold Pöthig. Die Produkte beider Firmen basierten auf dem Staffelwalzenprinzip von Burkhardt. Eine analoge Entwicklung vollzog sich in Deutschland insbesondere im sächsischthüringischen Raum. Es entstanden eine große Zahl von Rechenmaschinenfabriken die Mercedes-Werke in Zella-Mehlis mit der Proportionalhebelmaschine "Mercedes-Euklid" 1921 Rheinmetall in Sömmerda (vor allem Staffelwalzenmaschinen) 1916 Wanderer Werke in Chemnitz mit der Continental-Addiermaschine und 1921 Astra-Werke ebenfalls in Chemnitz mit einer druckende Additionsmaschine mit Zehnertastatur.

5 So befand sich 1938 etwa 75% der Büromaschinenindustrie auf dem Gebiet der heutigen neuen Bundesländer. Etwa 1960 wurde die Produktion von (elektromechanischen) Rechenmaschinen eingestellt. Bis dahin fertigte beispielsweise Archimedes in Glashütte insgesamt 42 Maschinentypen in etwa Exemplaren nach dem Staffelwalzenprinzip. Programmierbare Rechenmaschinen Einen vollkommen anderen Weg beschritt der Engländer Charles Babbage. Er legte bereits 1833 ein Konzept eines Analytischen Rechenautomaten (Analytical Engine) mit Speichereinheit (für 1000 Zahlen zu 50 Stellen) Rechenwerk mit dezimalen Zählern und Schaltgetrieben Steuereinheit zur Steuerung des Weiterrechnens in Abhängigkeit vom jeweiligen Rechenergebnis Ein- und Ausgabeeinheit (unter Verwendung von Lochkarten) vor. Entsprechend dem damaligen Stand der Technik, konnte eine praktische Umsetzung des Konzeptes nur mit Mitteln der Mechanik erfolgen mit dem Ergebnis, daß die Maschine zu seinen Lebzeiten nie zum Laufen gebracht wurde. Erst sein Sohn vollendete 1910 die Maschine. Eine enge Vertraute von Babbage, Ada Augusta Countess of Lovelace ( ), griff das Konzept auf und erstellte auf dieser Basis - als erste Programmiererin - ein Programm (fast im heutigen Standard und Notation) zur Berechnung der Bernoulli- Zahlen. Die genialen Ideen von Charles Babbage lassen ihn als geistigen Vater aller späteren Rechenautomaten in die Geschichte eingehen. Es vergingen allerdings noch etwa 100 Jahre bis diese Ideen praktisch umgesetzt werden konnten. Möglichkeiten boten sich jedoch mit dem Einzug zuverlässiger elektromagnetischer und elektronischer Bauelemente, wie Relais und Elektronenröhren. Nicht unerwähnt bleiben soll die Entwicklung der sogenannten Hollerithmaschine durch Hermann Hollerith, einer Auswerte-/ Zählmaschine für Informationen auf Lochkarten (Lochkarten-Format: 20$ Schein), für die er 1889 ein Patent erhielt. Sie

6 wurde 1890 bei einer gesamtamerikanischen Volkszählung im großen Stil praktisch eingesetzt gründete Hollerith eine eigene Firma, aus der später durch Zusammenschluß mit anderen Gesellschaften die International Business Machines Corporation (IBM) hervorging. Damit vollzog sich ein geschichtlicher Wandel in der Entwicklung der "Rechentechnik": "Nicht mehr Querulanten, Tagträumer und Elfenbeinturmwissenschaftler bestimmen die Entwicklung des maschinellen Rechnens, sondern kluge Geschäftsleute, deren Todesursache dann aber auch Herzschlag (Hollerith) und nicht mehr die Pest (Schickard) ist." Einen wesentlichen Beitrag zur theoretischen Entwicklung und auch zur praktischen Umsetzung auf dem Gebiet der Rechentechnik leistete Konrad Zuse ( ). Er beschrieb einen "Aussagenkalkül" für die Arbeitsweise von dualen Rechenautomaten, und erkannte, daß mit den Grundoperationen der Logik "Und", "Oder" und "Negation" die Zahlenrechnungen mit den arithmetischen Operationen ausführbar sind. Dieses Konzept der Aussagenlogik für die Dual-Zahlenrechnung setzte er 1937 in seinem Z1 um, der mit mechanische Bauelemente arbeitete und deshalb wohl nicht in allen Teilen funktionstüchtig war. Bereits 1941 stellte Zuse die erste voll arbeitsfähige programmgesteuerte (elektromechanische) Rechenanlage der Welt vor. Wesentliche Merkmale waren ein Rechenwerk bestehend aus 600 Relais, Relaisspeicher für 64 Zahlen zu 22 Dualstellen und eine Eingabevorrichtung für Kinofilmlochstreifen (8 Spuren) entwickelte Newman aus England die "Colossul parallele binäre Arithmetik" mit 1500 Elektronenröhren nach Konzepten von Turing (Berechenbarkeitstheorie). Diese Entwicklung wurde erst nach Öffnung der Geheimarchive Englands Anfang der siebziger Jahre bekannt stellte der Amerikaner Aiken den Elektromechanischen Rechenautomat Mark I auf der Basis von Relais mit Programmsteuerung vor. Er verwendete 23-stellige Zählwerke für Dezimalzahlen. Der Rechner bestand aus 17 Gestellen mit einer Gesamtlänge von 17 m. Ein erster Röhrenrechner wurde 1946 in den USA entwickelt, die ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) nach den Plänen von Eckert und Mauchly. Der Rechner arbeitete dezimal. Einige technische Daten: Röhren, 1500 Relais, 30 t, (Addition: 0,2 ms, Multipl. 2,8 ms) Taktfrequenz 100 khz. Er war ein Gerät mit gigantischen Ausmaßen. Damit war allerdings auch der "Wettbewerb" eröffnet,

7 Rechner zu bauen, die leistungsstärker und vor allem kleiner sein sollten. ( Dieser Wettbewerb ist auch heute noch im vollen Gange.) Auf dem Gebiet der alten Bundesländern sind neben den ständigen Weiterentwicklungen von Zuse (u.a. 1956: Z11 Rechner auf Röhrenbasis mit Magnettrommel als Speicher) die "geförderte Entwicklungen" in Göttingen (Billing), München (Piloty) und Darmstadt (Walther) zu nennen. In Dresden begann bereits im Jahre 1948 Lehmann parallel zu seiner Promotion mit dem Entwurf von Rechenwerken und vor allem mit der Umsetzung von Speichereinheiten mittels rotierender Magnetsysteme, um, wie er selbst immer wieder zum Ausdruck brachte, dem "Monster" ENIAC der USA eine einfachere nicht so voluminöse Lösung entgegen zu setzen. N. Joachim Lehmann geb in Camina in Sachsen, 1998 in Dresden verstorben war von 1956 bis zu seiner Emeritierung im Jahr 1986 Leiter des Institutes für Maschinelle Rechentechnik, später des Wissenschaftsbereiches Mathematische Kybernetik und Rechentechnik an der TH/TU Dresden stellte er den Entwurf für ein vollständiges Rechen-, Steuer- und Speicherwerk (auf Magnettrommelbasis) fertig. Betrachtet man die damalige Zeit, ist es nicht verwunderlich, daß Nachrichten über ähnliche Entwicklungen von Zuse und Billing oder gar aus England oder Österreich sehr spärlich und dann noch mit großer Zeitverzögerung nach Dresden gelangten. Zudem kam noch, daß die Wirtschaft am Boden lag und die Mittel, sowohl finanziell als auch materiell für die Umsetzung der Ideen zum Bau einer Rechenmaschine an der damaligen Technischen Hochschule Dresden einfach nicht vorhanden waren. N. J. Lehmann gelang es trotz aller Schwierigkeiten 1950 mit dem damaligen Funkwerk Dresden erste Industriekontakte aufzunehmen. Es dauerte allerdings noch bis 1956, bis der erste Rechner D1 (Dresden 1) in zwei Exemplaren betriebsbereit fertiggestellt werden konnte. Ein Exemplar befand sich in den Räumen der TH Dresden, das zweite im Funkwerk Dresden. Der D1 rechnete mit einer Wortlänge von 72 Bits (etwa 20 Dezimalstellen), benutzte eine rotierende Trommel als Speichermedium mit 2 x 1024 Speicherplätzen. Mit einer Taktfrequenz von 100 khz realisierte er etwa 100 arithmetische Operationen /sec. Als Bauelemente kamen 760 Röhren (Wehrmachtsbestände), 1000 Selendioden und etwa 100 Relais zum Einsatz. Das Eingabemedium war ein Filmstreifen (ausrangierte alte UFA-Filme) mit einem Lochcode - entsprechend der auszuführenden Befehle

8 und der einzugebenden Daten, das Ausgabemedium eine elektronische Schreibmaschine. Der Rechner nahm die Länge einer Wand von etwa 6m ein. Eine parallele Entwicklung programmgesteuerter Rechenmaschinen erfolgte bei Carl Zeiss in Jena unter Leitung von Kämmerer. Ab1958 wurde eine Maschine unter der Bezeichnung ZRA 1 produziert und bildete lange Zeit in der damaligen DDR das Herzstück der Rechenbüros. Der D1 wurde in Dresden am damaligen Institut für Maschinelle Rechentechnik durch Lehmann weiterentwickelt. Das Nachfolgemodell unter der Bezeichnung D2 konnte 1959 fertiggestellt werden. Seine technischen Daten waren: Wortlänge: 56 Bits (15 Dezimalstellen), Magnettrommel 4096 Speicherplätze, (18000 Umdrehungen/min), 320 Speicherplätze Schnellspeicher, 270 khz, 1400 Röhren, 2000 Dioden, 100 Relais. Damit konnte mit etwa doppeltem Aufwand gegenüber dem D1 die Rechenleistung verzehnfacht werden. Für den Einsatz in der Lehre wurde 1958 am Institut für Maschinelle Rechentechnik ein Modellrechenautomat gebaut, der die Funktionsweise eigentlich auch der heutigen PCs mit Hilfe von "Lämpchen" verdeutlicht. Er befindet sich zur Zeit noch an der TU Dresden, soll aber demnächst seinen Platz im Technischen Museum Dresden finden entwarf Lehmann einen Kleinrechenautomaten, der auf einem Tisch Platz hatte (60cm *42cm*45cm). Er war einer der ersten Rechenautomaten nach dem PC- Prinzip. Er sollte vom Nutzer direkt eingesetzt werden und nicht nur von Spezialisten in Rechenzentren wurde das erste Exemplar mit der Bezeichnung D4a an seinem Institut fertiggestellt. Damit stand ein programmierbarer Rechenautomat zur Verfügung, der mit relativ kleinem Aufwand (etwa 200 Transistoren in Modulbauweise, Trommelspeicher mit 4000 Speicherplätzen, Tastatur- und Lochstreifeneingabe, Streifendruckerausgabe) etwa 150 Gleitkommaoperationen /sec. (2000 Elementarop./sec) ausführen konnte. In Schreibtischformat wurde der D4a als Cellatron 820x in Zella Mehlis gefertigt und vor allem in vielen Kleinbetrieben eingesetzt. Seit etwa 1966 und später mit der Gründung des Kombinates Robotron in Dresden zeichnete sich immer mehr ab, daß der Trend zu" Großrechnern" eingeschlagen wurde, woraus der Bau der "ESER-Rechner" - eine weitestgehende Adaption an Entwicklungen bei IBM resultierte. Damit war einer Weiterentwicklung von

9 Kleinrechnern, vor allem an Hochschuleinrichtungen mehr oder weniger der Nährboden genommen. In Dresden hatte dies zur Folge, daß man sich am "Lehmann schen Institut nunmehr vorrangig den Problemen zur Softwareentwicklung widmete. Allerdings wurde in den Jahren in Dresden noch ein Beitrag zur Rechentechnik geleistet. Mit der Verbreitung von Rechnern entstand der Bedarf, diese Geräte auch für Konstruktionsarbeiten einzusetzen. Dazu wurden graphische periphere Geräte (Bildschirmeinheiten) benötigt, die in Verbindung mit den Rechnern eine graphische Ein-/Ausgabe ermöglichten. (Heute ist dies eine Selbstverständlichkeit.) Derartige Entwicklungen erfolgten an unserem Institut in Dresden in enger Verbindung mit der ungarischen Akademie und Robotron. So konnte 1975 ein gekoppeltes System Großrechner-Kleinrechner -Display einschließlich der erforderlichen Programmsysteme fertiggestellt werden. Dieses System kam in einigen Großbetrieben der damaligen DDR zum Einsatz. Rechenmaschinen auf der Grundlage eines Modells Eine Entwicklung vollkommen anderer Art basierte auf der Nutzung von Modellen, die die gewünschten Rechenoperationen möglichst genau widerspiegeln. Ein allgemein bekanntes Beispiel dafür ist der Rechenstab. Auf ihm sind logarithmische Skalen aufgetragen. Durch Anwendung der Logorithmengesetze kann beispielsweise durch "Addieren" von zwei Strecken die Multiplikation zweier Zahlen realisiert werden. Aus diesem Beispiel ist sofort ersichtlich, daß das Ergebnis von der "Güte" des Modells und der subjektiven Ablesgenauigkeit abhängt. Auf diesem "Analogieprinzip" entstanden vor allem in der ersten Hälfte dieses Jahrhundert eine Reihe von mechanischen "Analogiegeräte" für verschiedenste Anwendungen. Als Beispiele seien einige aufgeführt: Kurvenmesser: Mechanismen mit Rädchen und Meßrolle zur Bestimmung der Länge einer Kurve Flächenmesser: Geräte zur Bestimmung des Flächeninhaltes einer Fläche mit geschlossener Randkurve: Polarplanimeter, Linearplanimeter Bestimmung des Wertes bestimmter Integrale: Integrimeter (Integraph zur Bestimmung der Integralkurve)

10 Harmonischer Analysator zur Bestimmung der Koeffizienten der Fourier-Reihe Differentialgleichungsmaschinen Integriermaschinen (mechanisch): Bush 1920, London, Walther-Ott (1935). Mit der Einführung elektronischer Bauelemente und damit der Nutzung der Ohmschen Gesetze, gelang es 1947 in den USA einen Analogrechner zur Lösung von Differentialgleichungen zu entwickeln, dessen Grundoperation die "Integration" war. Es entstanden aber auch "Analoggeräte" zur Lösung spezieller Aufgabenklassen. Drei Beispiele aus Dresden sollen angeführt werden: 1957 Adler: Analogrechner zur Nullstellenbestimmung eines Polynomes 9. Grades Neidhold: Analogrechner zur Lösung von 10 Linearen Gleichungen mit 10 Unbekannten (Beide Maschinen hat das technische Museum Dresden übernommen.) 1965 Analogrechner zur Lösung partieller Differentialgleichungen (wurde eingesetzt zur Berechnung von Bohrlochsimulation für Erdölbohrungen in Mecklenburg) wurde an traditioneller Stätte in Glashütte die Produktion eines Elektronischen Analogrechners ENDIM 2000 aufgenommen. (Röhrenrechner mit 32 Integratoren) und Ansätzen zur Hybridrechentechnik), jedoch bald wieder eingestellt, da zwischenzeitlich in Prag ein leistungsfähiger Analogrechner auf Transistorbasis serienmäßig in Produktion ging.

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