Die vergessene Generation der Relaiscomputer

In unserem vorherigen Artikel wurde der Aufschwung automatischer Telefonvermittler beschrieben, die durch Relais-Schaltungen gesteuert wurden. Dieses Mal möchten wir erzählen, wie Wissenschaftler und Ingenieure Relais-Schaltungen in der ersten — mittlerweile vergessenen — Generation digitaler Computer entwickelten.

Relais im Zenit

Wenn Sie sich erinnern, basiert die Funktion eines Relais auf einem einfachen Prinzip: Ein Elektromagnet betätigt einen metallischen Schalter. Die Idee des Relais wurde in den 1830er Jahren unabhängig voneinander von mehreren Naturforschern und Unternehmern im Bereich der Telegraphie vorgeschlagen. In der Mitte des 19. Jahrhunderts verwandelten Erfinder und Mechaniker das Relais in ein zuverlässiges und unverzichtbares Element der Telegraphen-netze. In diesem Bereich erreichte das Relais seinen Höhepunkt: Es wurde miniaturisiert, und Generationen von Ingenieuren erschufen unzählige Konstruktionen, wobei sie formell Mathematik und Physik lernten.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts enthielten nicht nur automatische Schaltsysteme, sondern auch praktisch alle Geräte der Telefonnetze verschiedene Arten von Relais. Eine der frühesten Anwendungen in der Telefonie geht auf die 1870er Jahre zurück, in manuellen Vermittlungsstellen. Wenn ein Teilnehmer den Hörer drehte (die Handkurbel), erhielt die Telefonzentrale ein Signal, das den Blinker aktivierte. Der Blinker ist ein Relais, bei dessen Auslösung eine Metallklappe am Vermittlungstisch der Telefonistin herunterfiel, was den Eingang eines Anrufs signalisiert. Damals steckte die Operatorin einen Stecker in die Buchse, das Relais resetete, woraufhin die Klappe wieder angehoben werden konnte, die in dieser Position vom Elektromagneten gehalten wurde.

Bis 1924, wie zwei Ingenieure der Bell-Gesellschaft schrieben, bediente eine typische manuelle Telefonzentrale etwa 10.000 Teilnehmer. In ihrer Ausrüstung waren 40.000 bis 65.000 Relais enthalten, deren gesamte magnetische Kraft „ausreichend war, um 10 Tonnen zu heben“. In großen Telefonzentralen mit Maschinenvermittlern verdoppelte sich diese Zahl. Im gesamten Telefonnetz der USA wurden viele Millionen Relais verwendet, und ihre Anzahl nahm ständig mit der Automatisierung der Telefonzentralen zu. Eine Telefonverbindung konnte von wenigen bis zu mehreren hundert Relais bedient werden — abhängig von der Zahl und Ausstattung der beteiligten Telefonzentralen.

Die Fabriken des Unternehmens Western Electric, einem Produktionszweig der Bell Corporation, stellten ein riesiges Sortiment an Relais her. Die Ingenieure schufen so viele Varianten, dass dieses Angebot selbst die erfahrensten Hundezüchter oder Taubenzüchter neidisch gemacht hätte. Die Arbeitsgeschwindigkeit und Empfindlichkeit der Relais wurden optimiert, die Abmessungen verkleinert. Im Jahr 1921 produzierte Western Electric fast 5 Millionen Relais der wichtigsten Typen. Am weitesten verbreitet war das Universalrelais Typ E, ein flaches, nahezu rechteckiges Gerät, das mehrere Dutzend Gramm wog. Es wurde größtenteils aus gestanzten Metallteilen hergestellt, d. h. es war technologisch in der Herstellung. Das Gehäuse schützte die Kontakte vor Staub und induzierten Strömen von benachbarten Geräten: Üblicherweise wurden die Relais eng nebeneinander in Racks mit Hunderten und Tausenden von Relais montiert. Insgesamt wurden 3000 Varianten des Typ E entwickelt, die sich durch die Wickelkonfigurationen und Kontakte unterschieden.

Bald begannen diese Relais in den komplexesten Schaltanlagen Verwendung zu finden.

Koordinatenschalter

Im Jahr 1910 hatte Gotthilf Betulander, ein Ingenieur der Royal Telegrafverket – einer staatlichen Gesellschaft, die den Großteil des schwedischen Telefonmarktes kontrollierte (über Jahrzehnte hinweg fast den gesamten) – eine Idee. Er glaubte, die Effizienz der Abläufe bei Telegrafverket erheblich steigern zu können, indem er automatische Schaltsysteme baute, die vollständig auf Relais basierten. Genauer gesagt auf Relaismatrizen: Gitter aus Stahlstäben, die an Telefonleitungen angeschlossen waren, mit Relais an den Kreuzungspunkten der Stäbe. Ein solcher Schalter sollte schneller, zuverlässiger und einfacher zu warten sein als Systeme mit gleitenden oder rotierenden Kontakten.

Darüber hinaus hatte Betulander die Idee, die Teile des Systems, die für die Auswahl und Verbindung zuständig waren, in unabhängige Relais-Schaltungen auszugliedern. Der verbleibende Teil des Systems sollte nur zur Einrichtung des Sprachkanals verwendet werden und anschließend für die Bearbeitung eines anderen Anrufs freigegeben werden. Das heißt, Betulander kam auf die Idee, die später als „gemeinsame Steuerung“ (common control) bezeichnet wurde.

Das Schema, das die Nummer des eingehenden Anrufs speichert, nannte er „Recorder“ (ein weiterer Begriff ist „Register“). Das Schema, das im Raster ein verfügbares Verbindungsmuster „markiert“, nannte er „Marker“. Der Autor patentierte sein System. Mehrere solcher Stationen entstanden in Stockholm und London. 1918 erfuhr Betulander von einer amerikanischen Innovation: einem Koordinaten-Schaltegerät, das der Ingenieur Bell, John Reynolds, vor fünf Jahren entwickelt hatte. Dieses Schaltegerät ähnelte sehr Betulanders Entwurf, allerdings verwendete es n + m Relais zur Steuerung n + m der Matrixknoten, was viel praktischer für die zukünftige Erweiterung von Telefonanlagen war. Bei der Verbindung hielt eine Haltestange die „Finger“ der Klavierseiten fest, während eine Auswahlstange sich über die Matrix bewegte, um mit einem anderen Anruf zu verbinden. Im nächsten Jahr integrierte Betulander diese Idee in das Design seines Schaltegerätes.

Doch die meisten Ingenieure hielten Betulanders Schöpfung für seltsam und übermäßig kompliziert. Als es Zeit war, ein Schaltersystem für die Automatisierung von Netzwerken in den größten schwedischen Städten auszuwählen, bevorzugte Telegrafverket das Design, das von der Firma Ericsson entwickelt worden war. Betulanders Schaltegeräte wurden nur in kleinen Telefonanlagen auf dem Land verwendet: Die Relais waren zuverlässiger als die motorisierten Automatiksysteme der Ericsson-Schaltegeräte und benötigten auf jeder Station keine Wartungstechniker.

Die amerikanischen Telefoningenieure hatten jedoch eine andere Meinung. 1930 kamen Spezialisten von Bell Labs nach Schweden und waren „sehr beeindruckt von den Parametern des Koordinaten-Schaltegerätes“. Nach ihrer Rückkehr begannen die Amerikaner sofort mit der Arbeit an dem, was später als „Koordinatensystem Nr. 1“ bekannt wurde, das die Schaltertafeln in großen Städten ersetzte. Bis 1938 waren zwei solcher Systeme in New York installiert. Bald wurden sie zur Standardausstattung für städtische Telefonanlagen, bis sie nach mehr als 30 Jahren von elektronischen Schaltegeräten abgelöst wurden.

Das interessanteste Element des Koordinatenschalters Nr. 1 war der neue, komplexere Marker, der bei Bell entwickelt wurde. Er war dafür gedacht, einen freien Weg vom Anrufer zum Angerufenen über mehrere miteinander verbundene Koordinatenmodule zu finden, was die Telefonverbindung ermöglichte. Zudem sollte der Marker jede Verbindung auf den Status "frei"/"besetzt" testen. Dies erforderte den Einsatz von bedingter Logik. Wie der Historiker Robert Chapuis schrieb:

Die Auswahl ist bedingt, da eine freie Verbindung nur dann gehalten wird, wenn sie Zugang zur Koordinatenschiene bietet, die als Ausgang eine freie Verbindung zur nächsten Ebene hat. Wenn mehrere Verbindungssätze die erforderlichen Bedingungen erfüllen, wählt die "Prioritätslogik" (preferential logic) eine der [vorhandenen] am wenigsten frequentierten Verbindungen aus…

Der Koordinatenschalter ist ein hervorragendes Beispiel für den gegenseitigen Austausch technologischer Ideen. Betulander entwickelte seinen vollständig relayschalter, verbesserte ihn dann mit der Reinaldschen Schaltmatrix und bewies die Funktionsfähigkeit des entstandenen Designs. Ingenieure von AT&T überarbeiteten später diesen hybriden Schalter, verbesserten ihn und schufen das Koordinatensystem Nr. 1. Dieses System wurde dann Bestandteil zweier früher Rechenmaschinen, von denen eine heute als Meilenstein in der Geschichte der Computertechnik bekannt ist.

Mathematische Berechnungen (Mathematical labor)

Um zu verstehen, wie und warum Relais und ihre elektronischen Verwandten eine Revolution in der Computertechnik auslösten, benötigen wir einen kurzen Exkurs in die Welt der mathematischen Berechnungen. Danach wird klar, warum eine latente Nachfrage nach der Optimierung von Berechnungsprozessen entstand.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts basierte das gesamte System der modernen Wissenschaft und Technik auf der Arbeit von Tausenden von Menschen, die mathematische Berechnungen durchführten. Sie wurden genannt Computer (computers) [Um Verwirrung zu vermeiden, wird im weiteren Verlauf des Textes der Begriff Rechner. — Anm. des Übersetzers]. Bereits in den 1820er Jahren entwickelte Charles Babbage eine Differenzmaschine (obwohl es ideelle Vorgänger seines Apparats gab). Ihre Hauptaufgabe war die Automatisierung der Erstellung mathematischer Tabellen, zum Beispiel für die Navigation (Berechnung trigonometischer Funktionen mit polynomialen Approximationen bei 0 Grad, 0,01 Grad, 0,02 Grad usw.). Auch in der Astronomie gab es großen Bedarf an mathematischen Berechnungen: Es war erforderlich, rohe Ergebnisse von teleskopischen Beobachtungen in festgelegten Bereichen der Himmelskugel (abhängig von der Zeit und dem Datum der Beobachtungen) zu verarbeiten oder die Umlaufbahnen neuer Objekte (zum Beispiel den Halle-Kometen) zu bestimmen.

Seit Babbage ist der Bedarf an Rechenmaschinen massiv gestiegen. Energieversorgungsunternehmen mussten das Verhalten von Übertragungsnetzen mit extrem komplexen dynamischen Eigenschaften verstehen. Geschütze aus Bessemer-Stahl, die Geschosse über den Horizont schießen konnten (was bedeutete, dass sie aufgrund der direkten Beobachtung des Ziels nicht mehr justiert wurden), erforderten immer genauere ballistische Tabellen. Neue statistische Werkzeuge, die einen hohen Aufwand an mathematischen Berechnungen erforderten (zum Beispiel die Methode der kleinsten Quadrate), wurden sowohl in der Wissenschaft als auch im wachsenden Staatsapparat immer häufiger eingesetzt. An Universitäten, Regierungsstellen und in Industriekonzernen entstanden Rechenabteilungen, in die in der Regel Frauen eingestellt wurden.

Mechanische Rechner erleichterten lediglich die Berechnungen, lösten sie jedoch nicht. Rechner beschleunigten arithmetische Operationen, aber jede komplexe wissenschaftliche oder technische Aufgabe erforderte Hunderte oder Tausende von Operationen, von denen jede vom Rechner (Menschen) manuell ausgeführt werden musste, während alle Zwischenresultate sorgfältig aufgezeichnet wurden.

Die Entstehung neuer Ansätze zur Problematik der mathematischen Berechnungen wurde durch mehrere Faktoren begünstigt. Junge Wissenschaftler und Ingenieure, die nachts quälend ihre Aufgaben berechneten, wollten ihren Händen und Augen eine Pause gönnen. Projektleiter sahen sich gezwungen, immer mehr Geld für die Gehälter zahlreicher Rechner aufzubringen, insbesondere nach dem Ersten Weltkrieg. Schließlich ließen sich viele fortschrittliche wissenschaftliche und ingenieurtechnische Aufgaben nur schwer manuell berechnen. All diese Faktoren führten zur Schaffung von Reihen von Rechenmaschinen, deren Entwicklung unter der Leitung von Vannevar Bush — einem Elektroingenieur des Massachusetts Institute of Technology (MIT) — stattfand.

Differentialanalysator

Bis zu diesem Zeitpunkt war die Geschichte oft anonymisiert, aber jetzt werden wir mehr über konkrete Personen sprechen. Ruhm ging an den Erfindern des Plattenumschalters, des Relais Typ E und des Koordinatenmarkiers vorbei. Über sie gibt es nicht einmal biografische Anekdoten. Die einzigen allgemein zugänglichen Zeugnisse ihres Lebens sind die fossilen Überreste der von ihnen geschaffenen Maschinen.

Jetzt können wir ein tieferes Verständnis für die Menschen und ihre Vergangenheit gewinnen. Aber wir werden diejenigen nicht mehr treffen, die unermüdlich auf den Dachböden und in den Werkstätten ihrer Heimat arbeiteten — Morse und Vail, Bell und Watson. Gegen Ende des Ersten Weltkriegs war die Ära der heldenhaften Erfinder fast zu Ende. Thomas Edison kann als Übergangsfigur betrachtet werden: Zu Beginn seiner Karriere war er ein angestellter Erfinder, während er am Ende der Eigentümer einer „Erfindungsfabrik“ wurde. Zu diesem Zeitpunkt wurde die Entwicklung der bemerkenswertesten neuen Technologien zum Vorrecht von Organisationen — Universitäten, Forschungseinheiten von Unternehmen, staatlichen Laboren. Die Personen, über die wir in diesem Abschnitt sprechen werden, gehörten genau zu solchen Organisationen.

Zum Beispiel Vannevar Bush. Er kam 1919 mit 29 Jahren zum MIT. Etwas mehr als 20 Jahre später gehörte er zu den Menschen, die den Eintritt der USA in den Zweiten Weltkrieg beeinflussten, und half dabei, die staatlichen Mittel zu erhöhen, was die Beziehungen zwischen Regierung, akademischer Gemeinschaft und der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie für immer veränderte. Doch im Rahmen des Artikels interessiert uns eine Reihe von Maschinen, die ab Mitte der 1920er Jahre in Bushs Labor entwickelt wurden und zur Lösung von Problemen mathematischer Berechnungen gedacht waren.

Das MIT, das kürzlich von der Innenstadt Bostons an das Ufer des Charles River in Cambridge umgezogen ist, war eng mit den Bedürfnissen der Industrie verbunden. Bush hatte neben seiner Professur auch finanzielle Interessen an mehreren Elektronikunternehmen. Es sollte also nicht überraschen, dass das Problem, das Bush und seine Schüler zur Arbeit an einem neuen Rechengerät führte, in der Energiebranche auftrat: es war notwendig, das Verhalten von Hochspannungsleitungen unter Bedingungen von Spitzenbelastungen zu modellieren. Offensichtlich war dies nur eine von vielen möglichen Anwendungen von Rechenmaschinen: mühsame mathematische Berechnungen wurden überall durchgeführt.

Bush und seine Kollegen bauten zunächst zwei Maschinen, die Produktintegraphen (product integraphs) genannt wurden. Doch die bekannteste und erfolgreichste Maschine des MIT wurde eine andere — differentielle Analyzer, die 1931 fertiggestellt wurde. Sie löste Probleme mit der Energieübertragung, berechnete die Bahnen von Elektronen, die Trajektorien von kosmischer Strahlung im Erdmagnetfeld und vieles mehr. Forscher auf der ganzen Welt, die Rechenleistungen benötigten, schufen in den 1930er Jahren Dutzende von Kopien und Varianten des Differentialanalysators. Einige sogar aus Meccano (dem englischen Pendant zu den amerikanischen Konstruktionsspielen von Erector Set).

Der Differentialanalysator ist ein Analogrechner. Mathematische Funktionen wurden mit rotierenden Metallstangen berechnet, deren Drehgeschwindigkeit einen quantitativen Wert widerspiegelte. Ein Motor trieb eine unabhängige Stange — den Variablen (meistens stellte er die Zeit dar) — an, die wiederum durch mechanische Verbindungen andere Stangen (verschiedene differentielle Variablen) drehte, und aus der Eingangsdrehgeschwindigkeit wurde die Funktion berechnet. Die Berechnungsergebnisse wurden auf Papier in Form von Kurven dargestellt. Die wichtigsten Komponenten waren Integratoren — Räder, die mit Scheiben rotierten. Die Integratoren konnten das Integral einer Kurve berechnen, ohne mühsame handschriftliche Berechnungen durchzuführen.

Differentialanalysator. Integrationsmodul — mit hochgeklappter Abdeckung, auf der Fensterseite befinden sich Tische mit Berechnungsergebnissen, in der Mitte ein Komplex von Berechnungstangen.

Keine der Komponenten des Analysators enthielt diskrete Schaltrelais oder digitale Schalter. Warum erzählen wir also von diesem Gerät? Die Antwort gibt die vierte Maschine der Familie.

Anfang der 1930er Jahre begann Bush, sich beim Rockefeller-Stiftung um Mittel für die Weiterentwicklung des Analysators zu bemühen. Warren Weaver, der Leiter der Abteilung für Naturwissenschaften der Stiftung, konnte zunächst nicht überzeugt werden. Ingenieurwesen fiel nicht in seinen Kompetenzbereich. Doch Bush bewarb das grenzenlose Potenzial seiner neuen Maschine in Bezug auf wissenschaftliche Anwendungen — insbesondere in der mathematischen Biologie, Weavers Lieblingsprojekt. Auch versprach Bush zahlreiche Verbesserungen des Analysators, darunter „die Möglichkeit, den Analysator schnell von einem Problem auf ein anderes umzuschalten, wie ein Telefonvermittler“. 1936 wurden seine Bemühungen mit einem Zuschuss von 85.000 Dollar belohnt, der für die Entwicklung eines neuen Geräts, das später den Namen Differentialanalysator von Rockefeller erhielt, zur Verfügung gestellt wurde.

Als praktischer Rechner war dieser Analysator kein herausragender Durchbruch. Bush, der Vizepräsident des MIT und Dekan der Ingenieurfakultät wurde, konnte nicht viel Zeit in die Leitung der Entwicklung investieren. Tatsächlich zog er sich bald zurück und widmete sich den Aufgaben als Vorsitzender des Carnegie-Instituts in Washington. Bush spürte den Kriegsnahen und hatte einige wissenschaftliche und produktive Ideen, die den Bedürfnissen der Streitkräfte dienen könnten. Das heißt, er wollte näher am Zentrum der Macht sein, wo er effektiver auf die Lösung bestimmter Fragen Einfluss nehmen konnte.

Zur gleichen Zeit wurden die technischen Probleme, die durch das neue Design diktiert waren, von den Mitarbeitern des Labors gelöst, und bald wurden sie abgezogen, um an militärischen Aufgaben zu arbeiten. Die Rockefeller-Maschine wurde erst 1942 fertiggestellt. Die Militärs fanden sie nützlich für die Serienproduktion von ballistischen Tabellen für die Artillerie. Doch bald wurde dieses Gerät von rein digitalen Computern übertroffen, die Zahlen nicht als physikalische Größen, sondern abstrakt mittels Schalterpositionen darstellten. Es stellte sich heraus, dass in dem Analysator von Rockefeller viele solcher Schalter verwendet wurden, die aus Relais-Schaltungen bestanden.

Shannon

1936 war Claude Shannon gerade einmal 20 Jahre alt, hatte aber bereits die University of Michigan mit einem Bachelor-Abschluss in zwei Fächern beendet: Elektrotechnik und Mathematik. Ein Werbeflyer, der an die Pinnwand geheftet war, führte ihn zum MIT. Vannevar Bush suchte einen neuen Assistenten für die Arbeit am differentialen Analysator. Shannon reichte ohne Zögern seine Bewerbung ein und begann bald, sich mit neuen Problemen zu befassen, und erst danach begann das neue Gerät, Form anzunehmen.

Shannon war überhaupt nicht wie Bush. Er war weder Geschäftsmann, noch Baumeister eines akademischen Imperiums, noch Administrator. Sein ganzes Leben liebte er Spiele, Rätsel und Unterhaltung: Schach, Jonglieren, Labyrinthe, Kryptogramme. Wie viele Männer seiner Epoche widmete er sich während des Krieges einer ernsthaften Angelegenheit: Er war in Bell Labs mit einem Regierungsvertrag beschäftigt, was seinen fragilen Körper vor dem Militärdienst schützte. Seine Forschungen zur Feuerleitung und Kryptografie führten zu jener Zeit zur Veröffentlichung eines grundlegenden Werkes über Informationstheorie (auf das wir hier nicht eingehen werden). In den 1950er Jahren, als der Krieg und seine Folgen abklangen, kehrte Shannon an das MIT zurück, wobei er seine Freizeit mit Spielereien verbrachte: einem Rechner, der ausschließlich mit römischen Ziffern arbeitete; einer Maschine, bei deren Einschaltung eine mechanische Hand aus der Maschine hervorkam und diese ausschaltete.

Die Struktur der Rockefeller-Maschine, mit der Shannon konfrontiert wurde, war logisch gesehen die gleiche wie die des Analysegeräts von 1931, aber sie war aus völlig anderen physischen Komponenten aufgebaut. Bush erkannte, dass Stangen und mechanische Übertragungen in den alten Maschinen die Effizienz ihrer Nutzung verringerten: Um Berechnungen durchzuführen, musste die Maschine eingestellt werden, was viele Arbeitsstunden qualifizierter Mechaniker erforderte.

Der neue Analysator hatte diesen Nachteil nicht mehr. Der Bau seiner Konstruktion basierte nicht auf einem Tisch mit Stangen, sondern auf einem Koordinatenschalter – ein überflüssiger Prototyp, den Bell Labs gespendet hatte. Anstelle der Leistungstransfer vom Centralwelle wurde jedes integrierte Modul unabhängig von einem Elektromotor angetrieben. Um die Maschine auf die Lösung einer neuen Aufgabe einzustellen, genügte es, das Relais in der Koordinatenmatrix so zu konfigurieren, dass die Integratoren in der gewünschten Reihenfolge verbunden wurden. Der Perforiertenleser (entnommen aus einem anderen Telekommunikationsgerät, einer rollenden Telegraphenmaschine) las die Konfiguration der Maschine aus, während die Relais-Schaltung das Signal von der Band in Steuersignale für die Matrix umwandelte – dies war vergleichbar mit der Herstellung einer Reihe von Telefonanrufen zwischen den Integratoren.

Das neue Gerät war nicht nur viel schneller und einfacher einzustellen, sondern arbeitete auch schneller und genauer als sein Vorgänger. Es konnte komplexere Aufgaben bewältigen. Heute kann dieser Computer als primitiv, sogar extravagant, betrachtet werden, aber damals erschien er den Beobachtern als eine Art großes – oder möglicherweise schreckliches – arbeitendes Gehirn:

Es handelt sich im Grunde um einen mathematischen Roboter. Ein elektrisch betriebenes Automaton, das nicht nur dazu geschaffen wurde, die Last schwerer Berechnungen und Analysen vom menschlichen Geist zu nehmen, sondern auch um sich mathematischen Problemen zu widmen, die dem menschlichen Verstand unzugänglich sind, und diese zu lösen.

Shannon konzentrierte sich darauf, Daten von Papierbändern in Anweisungen für das "Gehirn" umzuwandeln, und diese Operation wurde durch ein Relais-Schaltbild gesteuert. Er bemerkte die Übereinstimmung zwischen der Struktur des Schaltbildes und den mathematischen Strukturen der Booleschen Algebra, die er in der Oberstufe in Michigan studiert hatte. Dies ist eine Algebra, deren Operanden WAHRHEIT und FALSCHHEIT, während die Operatoren – UND, ODER, NICHT usw. war. Es handelte sich um eine Algebra, die den logischen Aussagen entsprach.

Nachdem er den Sommer 1937 mit Arbeiten bei Bell Labs in Manhattan verbracht hatte (der ideale Ort, um über Relais-Schaltungen nachzudenken), schrieb Shannon seine Masterarbeit mit dem Titel "Symbolische Analyse von Relais- und Schaltkreisen" (A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits). Neben der Arbeit von Alan Turing, die ein Jahr zuvor erstellt wurde, bildete Shannons Dissertation das Fundament der Computerwissenschaft.

In den 1940er und 1950er Jahren baute Shannon mehrere Rechner-/Logikmaschinen: einen Rechner mit römischen Ziffern, THROBAC, eine Maschine für Schach-Endspiele sowie Theseus – ein Labyrinth, in dem eine elektromechanische Maus (auf dem Bild) fuhr.

Shannon stellte fest, dass ein System von Gleichungen der Aussagenlogik direkt mechanistisch in ein physisches Schaltbild von Relais-Schaltern umgewandelt werden kann. Er schlussfolgerte: „Faktisch kann jede Operation, die mit einer endlichen Anzahl von Schritten unter Verwendung von Wörtern beschrieben werden kann, WENN, UND, ODER usw. automatisch mithilfe von Relais ausgeführt werden.“ Zum Beispiel bilden zwei in Serie geschaltete, gesteuerte Relais-Schalter eine logische Und: Der Strom fließt nur dann durch das Hauptkabel, wenn beide Elektromagnete die Schalter schließen. Gleichzeitig bilden zwei parallel geschaltete Relais ODER: Der Strom fließt im Hauptschema, das von einem der Elektromagnete aktiviert wird. Die Ausgabe einer solchen logischen Schaltung kann wiederum die Elektromagnete anderer Relais steuern, um komplexere logische Operationen wie (A Und B) oder (V Und G) zu erzielen.

Shannon schloss seine Dissertation mit einem Anhang ab, der mehrere Beispiele von Schaltungen beinhaltete, die nach seiner Methode erstellt wurden. Da die Operationen der booleschen Algebra sehr ähnlich zu arithmetischen Operationen im Binärsystem sind (d.h. unter Verwendung binärer Zahlen), zeigte er, wie man aus Relais einen 'elektrischen Summierer im Binärsystem' zusammenstellen kann – wir nennen das einen binären Summierer. Einige Monate später baute einer der Wissenschaftler von Bell Labs einen solchen Summierer auf dem Küchentisch.

Stibitz

George Stibitz, ein Forscher aus der Mathematikabteilung der Bell Labs-Zentrale in Manhattan, brachte an einem dunklen Abend im November 1937 ein seltsames Set von Geräten nach Hause. Trockene Zellenbatterien, zwei kleine Lampen für technische Steuerungen und ein paar flache Relais vom Typ U, die er im Mülleimer gefunden hatte. Nachdem er einige Drähte und etwas Schrott hinzugefügt hatte, baute er ein Gerät, das zwei einstellige binäre Zahlen (dargestellt durch das Vorhandensein oder Fehlen von Eingangsspannung) addieren und eine zweiziffrige Zahl durch die Lampen ausgeben konnte: Eins – an, Null – aus.

Der binäre Summierer von Stibitz

Stibitz, der einen Abschluss in Physik hatte, wurde gebeten, die physikalischen Eigenschaften der Relaismagneten zu bewerten. Zuvor hatte er überhaupt keine Erfahrung mit Relais und begann daher, deren Verwendung in Telefonanlagen von Bell zu studieren. Bald bemerkte George Ähnlichkeiten zwischen einigen Schaltungen und arithmetischen Operationen mit binären Zahlen. Neugierig baute er sein Nebenprojekt auf dem Küchentisch zusammen.

Zunächst weckte Stibitz' Spielerei mit den Relais wenig Interesse bei der Leitung von Bell Labs. Aber 1938 fragte der Leiter der Forschungsgruppe George, ob seine Rechner für arithmetische Operationen mit komplexen Zahlen (zum Beispiel, a + bi