Die vergessene Generation der Relaiscomputer

In unserem im vorherigen Artikel wird die Blütezeit der automatischen Telefonvermittlungen beschrieben, die durch Relais-Schaltungen gesteuert wurden. Diesmal möchten wir erzählen, wie Wissenschaftler und Ingenieure Relais-Schaltungen im 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 Telegraphie-Geschäft vorgeschlagen. In der Mitte des 19. Jahrhunderts verwandelten dann Erfinder und Mechaniker das Relais in eine zuverlässige und unersetzliche Komponente von Telegraphennetzen. In diesem Bereich erreichte das Relais seinen Höhepunkt: Es wurde miniaturisiert, und Generationen von Ingenieuren schufen unzählige Konstruktionen, formal ausgebildet in Mathematik und Physik.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts enthielten nicht nur automatische Vermittlungssysteme, sondern auch nahezu alle Geräte der Telefonnetze verschiedene Arten von Relais. Eine der frühesten Anwendungen in der Telekommunikation geht auf die 1870er Jahre zurück und fand in manuellen Vermittlungsstellen statt. Wenn der Abonnent am Telefon (Handkurbeltelefon) drehte, wurde ein Signal an die Telefonzentrale gesendet, das den Blinker aktivierte. Der Blinker ist ein Relais, dessen Auslösen an der Vermittlungsstelle eine metallene Klappe des Telefonoperators absenkte, was anzeigte, dass ein eingehender Anruf einging. Damals steckte die Operatorin den Stecker in die Buchse, das Relais wurde zurückgesetzt, und danach konnte die Klappe wieder angehoben werden, die in dieser Position von einem Elektromagneten gehalten wurde.

Im Jahr 1924, so schrieben zwei Ingenieure der Firma Bell, bediente eine typische manuelle Telefonzentrale etwa 10.000 Abonnenten. In ihrer Ausstattung befanden sich 40.000 bis 65.000 Relais, deren gesamte magnetische Kraft "ausreichend war, um 10 Tonnen zu heben". In großen Telefonzentralen mit automatischen Vermittlungsstellen verdoppten sich diese Werte. In dem gesamten Telefonsystem der USA kamen viele Millionen Relais zum Einsatz, und deren Anzahl stieg ständig mit der Automatisierung der Telefonzentralen. Eine Telefonverbindung konnte von einer Handvoll bis zu mehreren Hundert Relais bedient werden, je nach Anzahl und Ausstattung der beteiligten Telefonzentralen.

Die Fabriken von Western Electric, dem Produktionszweig der Bell Corporation, stellten eine riesige Auswahl an Relais her. Ingenieure entwarfen so viele Modifikationen, dass selbst die erfahrensten Hundezüchter oder Taubenzüchter neidisch wären auf diese Vielfalt. Die Arbeitsgeschwindigkeit und Sensitivität der Relais wurden optimiert, die Abmessungen verringert. Im Jahr 1921 stellte Western Electric fast 5 Millionen Relais von zehn Haupttypen her. Am häufigsten war das universelle Relais Typ E, ein flaches, nahezu rechteckiges Gerät, das nur wenige Dutzend Gramm wog. Es wurde größtenteils aus gestanzten Metallteilen gefertigt, d. h. es war technologisch fortschrittlich in der Produktion. Das Gehäuse schützte die Kontakte vor Staub und Induktionsströmen von benachbarten Geräten: Üblicherweise wurden die Relais direkt nebeneinander in Racks mit Hunderten und Tausenden von Relais montiert. Insgesamt wurden 3000 Varianten des Typs E entwickelt, die sich in Wicklungs- und Kontaktkonfigurationen unterschieden.

Bald begannen diese Relais, in den anspruchsvollsten Schaltern eingesetzt zu werden.

Koordinatenschalter

Im Jahr 1910 hatte Gotthilf Betulander, Ingenieur der Royal Telegrafverket — einer staatlichen Gesellschaft, die einen Großteil des schwedischen Telefonmarktes kontrollierte (über Jahrzehnte fast den gesamten) — eine Idee. Er glaubte, die Effizienz der Abläufe von Telegrafverket durch den Bau automatischer Vermittlungssysteme, die vollständig auf Relais basierten, erheblich verbessern zu können. Genauer gesagt, auf Relaismatrizen: Gitter aus Stahlstäben, die mit Telefonleitungen verbunden sind, mit Relais an den Kreuzungspunkten der Stäbe. Ein solches Vermittlungsgerät sollte schneller, zuverlässiger und einfacher zu warten sein als Systeme, die auf gleitenden oder rotierenden Kontakten basieren.

Darüber hinaus entwickelte Betulander die Idee, Teile des Systems, die für die Wahl und Verbindung verantwortlich sind, in unabhängige Relais-Schaltungen zu trennen. Der verbleibende Teil des Systems sollte nur zur Einrichtung des Sprachkanals verwendet werden und dann für die Wartung 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 in der Matrix nach verfügbaren Anschlüssen sucht und diese „markiert“, nannte er „Marker“. Der Autor patentierte sein System. Mehrere solche Stationen wurden in Stockholm und London installiert. 1918 erfuhr Betulander von einer amerikanischen Neuerung: einem koordinierenden Schalter, der vor fünf Jahren von dem Ingenieur Bell, John Reynolds, entwickelt wurde. Dieser Schalter ähnelte Betulanders Entwicklung, nutzte jedoch n + m Relais zur Steuerung n + m von Matrixknoten, was viel bequemer für die weitere Erweiterung der Telefonstationen war. Bei der Herstellung der Verbindung drückte die Halteschiene die „Finger“ aus den Klavierseiten zusammen, während sich die Auswahlleiste durch die Matrix bewegte, um eine Verbindung zu einem anderen Anruf herzustellen. Im nächsten Jahr integrierte Betulander diese Idee in den Entwurf seines Switches.

Die meisten Ingenieure hingegen hielten die Kreation von Betulander für seltsam und übermäßig kompliziert. Als es an der Zeit war, das Vermittlungssystem für die Automatisierung der Netzwerke der größten schwedischen Städte auszuwählen, entschied sich das Telegrafverket für eine Konstruktion, die von Ericsson entwickelt wurde. Die Betulander-Vermittler wurden nur in kleinen Telefonzentralen im ländlichen Raum eingesetzt: Relais waren zuverlässiger als die motorisierte Automatik der Ericsson-Vermittler und benötigten keine Wartungstechniker an jeder Station.

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

Das interessanteste Element des Koordinatenschalters Nr. 1 war der neue, komplexere Marker, der von Bell entwickelt wurde. Er war dazu gedacht, einen freien Weg vom Anrufer zum Angerufenen durch mehrere miteinander verbundene Koordinatenmodule zu finden, wodurch eine Telefonverbindung entstand. Zudem sollte der Marker jede Verbindung auf den Status „frei“/„belegt“ testen. Dies erforderte die Anwendung bedingter Logik. Wie der Historiker Robert Chapuis schrieb:

Die Wahl ist bedingt, da eine freie Verbindung nur dann gehalten wird, wenn sie Zugang zur Koordinatenleiste gewährt, die als Ausgang eine freie Verbindung zur nächsten Ebene hat. Wenn mehrere Verbindungssets die erforderlichen Bedingungen erfüllen, wählt die „prioritäre Logik“ eines der [vorhandenen] wenigen Verbindungen aus...

Der Koordinatenschalter ist ein ausgezeichnetes Beispiel für die gegenseitige Bereicherung technischer Ideen. Betulander entwickelte seinen vollständig relaisgesteuerten Schalter, verbesserte ihn dann mit der Reynolds-Schaltmatrix und bewies die Funktionalität der resultierenden Konstruktion. Ingenieure von AT&T überarbeiteten später diesen hybriden Schalter, verbesserten ihn und schufen das Koordinatensystem Nr. 1. Dieses System wurde dann Bestandteil zweier früher Computer, von denen einer heute als Meilenstein in der Geschichte der Informatik bekannt ist.

Mathematische Berechnungen (Mathematical labor)

Um zu verstehen, wie und warum Relais und ihre elektronischen Verwandten eine Revolution in der Informatik ermöglichten, benötigen wir einen kurzen Ausblick auf die Welt der mathematischen Berechnungen. Nach diesem wird klar, warum ein versteckter Bedarf an der Optimierung von Berechnungsprozessen bestand.

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 der Text der Begriff Berechner. — Anmerkung d. Übers.]. Schon in den 1820er Jahren entwickelte Charles Babbage die Differenzmaschine (obwohl sein Gerät ideelle Vorläufer hatte). Ihre Hauptaufgabe war die Automatisierung der Erstellung mathematischer Tabellen, beispielsweise für die Navigation (Berechnung trigonometrischer Funktionen mit polynomialen Approximationen bei 0 Grad, 0,01 Grad, 0,02 Grad usw.). Auch in der Astronomie gab es eine große Nachfrage nach mathematischen Berechnungen: Es war notwendig, rohe Ergebnisse von teleskopischen Beobachtungen in festgelegten Bereichen der Himmelsphäre zu verarbeiten (abgesehen von der Abhängigkeit von Zeit und Datum der Beobachtungen) oder die Bahnen neuer Objekte (z. B. des Halleyschen Kometen) zu bestimmen.

Seit den Zeiten von Babbage ist der Bedarf an Rechenmaschinen enorm gestiegen. Energieversorgungsunternehmen mussten das Verhalten komplexer Übertragungssysteme mit äußerst komplizierten dynamischen Eigenschaften verstehen. Geschütze aus Bessemerstahl, die in der Lage waren, Geschosse über den Horizont hinaus zu schleudern (und somit durch die direkte Zielbeobachtung nicht mehr nachjustiert wurden), erforderten immer genauere ballistische Tabellen. Neue statistische Werkzeuge, die einen hohen Umfang an mathematischen Berechnungen implizierten (wie beispielsweise die Methode der kleinsten Quadrate), wurden sowohl in der Wissenschaft als auch im wachsenden Staatsapparat zunehmend eingesetzt. In Universitäten, Regierungsbehörden und Industrieunternehmen entstanden Rechenabteilungen, in die häufig Frauen eingestellt wurden.

Mechanische Rechner erleichterten lediglich die Berechnungen, lösten sie jedoch nicht. Taschenrechner beschleunigten die arithmetischen Operationen, aber bei komplexen wissenschaftlichen oder ingenieurtechnischen Aufgaben waren Hunderte oder Tausende von Operationen erforderlich, die jeder Rechner (Mensch) manuell durchführen musste, während er alle Zwischenergebnisse sorgfältig notierte.

Mehrere Faktoren trugen zur Entwicklung neuer Ansätze für das Problem mathematischer Berechnungen bei. Junge Wissenschaftler und Ingenieure, die nachts verzweifelt ihre Aufgaben berechneten, wollten ihren Händen und Augen eine Pause gönnen. Projektleiter mussten zunehmend mehr Geld für die Gehälter zahlreicher Rechner ausgeben, insbesondere nach dem Ersten Weltkrieg. Schließlich waren viele hochmoderne wissenschaftliche und ingenieurtechnische Aufgaben nur schwer manuell zu berechnen. All diese Faktoren führten zur Entwicklung von Serien von Rechenmaschinen, an deren Entwurf Vannevar Bush, ein Elektroingenieur des Massachusetts Institute of Technology (MIT), beteiligt war.

Differentialanalysator

Bis zu diesem Zeitpunkt war die Geschichte oft anonymisiert, doch jetzt werden wir mehr über konkrete Personen sprechen. Der Ruhm umging die Schöpfer des Panel-Switches, des Relais Typs E und des Koordinatenmarkers. Es sind nicht einmal biografische Anekdoten über sie erhalten geblieben. Die einzigen zugänglichen Beweise für ihr Leben sind die fossilen Überreste der Maschinen, die sie erschaffen haben.

Jetzt können wir tiefere Einblicke in die Menschen und ihre Vergangenheit gewinnen. Doch wir werden nicht mehr auf die stoßen, die hart auf Dachböden und in Werkstätten zu Hause gearbeitet haben — Morse und Vail, Bell und Watson. Am Ende des Ersten Weltkriegs war die Ära der heroischen Erfinder fast beendet. Thomas Edison kann als Übergangsfigur betrachtet werden: Zu Beginn seiner Karriere war er ein angestellter Erfinder, am Ende jedoch der Eigentümer einer „Erfindungsfabrik“. Zu diesem Zeitpunkt war die Entwicklung der bemerkenswertesten neuen Technologien in den Händen 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 an das MIT. Etwas mehr als 20 Jahre später gehörte er zu den Personen, die den Einfluss der USA auf den Zweiten Weltkrieg prägten, und half, die staatliche Finanzierung zu erhöhen, was die Beziehung zwischen Regierung, akademischer Welt und der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie für immer veränderte. Im Rahmen des Artikels interessieren wir uns jedoch für eine Reihe von Maschinen, die in Bushs Labor in den frühen 1920er Jahren entwickelt wurden und zur Lösung von mathematischen Berechnungsproblemen gedacht waren.

Das MIT, das kürzlich von der Central Boston an die Ufer der Charles River in Cambridge gezogen ist, war eng mit den Bedürfnissen der Industrie verbunden. Bush hatte neben seiner Professur auch finanzielle Interessen an mehreren Unternehmen in der Elektronikbranche. Daher sollte es nicht überraschen, dass das Problem, das Bush und seine Studenten zur Entwicklung eines neuen Rechengeräts führte, aus der Energiebranche stammte: Es war notwendig, das Verhalten von Hochspannungsleitungen unter Spitzenlastbedingungen zu modellieren. Offensichtlich war dies nur eine von vielen möglichen Anwendungen für Rechenmaschinen: mühsame mathematische Berechnungen wurden überall durchgeführt.

Bush und seine Kollegen bauten zunächst zwei Maschinen, die als Produktintegraphen (product integraphs) bezeichnet wurden. Aber die bekannteste und erfolgreichste Maschine des MIT wurde eine andere — Differentialanalysator, abgeschlossen im Jahr 1931. Er löste Probleme bei der Übertragung von Elektrizität, berechnete die Bahnen von Elektronen, die Trajektorien von kosmischer Strahlung im Erdmagnetfeld und vieles mehr. Forscher weltweit, die Rechenleistung benötigten, schufen in den 1930er Jahren Dutzende von Kopien und Varianten des Differentialanalysators. Einige sogar aus Meccano (dem britischen Pendant zu den amerikanischen Spielzeugbaukästen der Marke Erector Set).

Ein Differentialanalysator ist ein analoger Computer. Mathematische Funktionen wurden mithilfe von drehenden Metallstangen berechnet, deren Drehgeschwindigkeit einen quantitativen Wert widerspiegelte. Ein Motor trieb eine unabhängige Stange an – die Variable (üblicherweise die Zeit) –, die wiederum durch mechanische Verbindungen andere Stangen (verschiedene Differentialvariablen) drehte, und auf Basis der Eingangsdrehgeschwindigkeit wurde die Funktion berechnet. Die Berechnungsergebnisse wurden auf Papier in Form von Kurven dargestellt. Die wichtigsten Komponenten waren Integratoren – Räder, die sich mit Scheiben drehten. Integratoren konnten das Integral einer Kurve ohne mühsame manuelle Berechnungen ermitteln.

Differentialanalysator. Integrationsmodul – mit geöffnetem Deckel, auf der Fensterseite stehen Tische mit den Berechnungsergebnissen, und in der Mitte befindet sich ein komplexes System von Rechnungsstangen.

Kein einziges der Komponenten des Analysators enthielt diskrete Schaltrelais oder digitale Schalter. Warum also sprechen wir über dieses Gerät? Die Antwort gibt vierter die Maschinenfamilie.

Anfang der 1930er Jahre begann Bush, den Rockefeller-Stiftungsfonds zu umwerben, um Finanzierung für die weitere Entwicklung des Analysators zu erhalten. Warren Weaver, der Leiter der Abteilung für Naturwissenschaften der Stiftung, war zunächst nicht zu überzeugen. Ingenieurwissenschaften gehörten nicht zu seinem Fachgebiet. Dennoch pries Bush das unbegrenzte Potenzial seiner neuen Maschine für wissenschaftliche Anwendungen — insbesondere in der mathematischen Biologie, Weavers Lieblingsprojekt. Außerdem versprach Bush zahlreiche Verbesserungen des Analysators, darunter die "Möglichkeit, den Analysator schnell von einem Problem auf ein anderes umzuschalten, wie bei einem Telefonwechsel". 1936 wurden seine Bemühungen mit einem Zuschuss von 85.000 Dollar belohnt, der zur Schaffung eines neuen Geräts verwendet wurde, das später als Rockefeller-Differenzialanalysator bezeichnet wurde.

Als praktischer Rechner war dieser Analysator kein herausragender Durchbruch. Bush, der Vizepräsident des MIT und Dekan der Ingenieurfakultät wurde, konnte nicht viel Zeit für die Leitung der Entwicklung aufbringen. Tatsächlich zog er sich bald zurück, um sich den Aufgaben als Vorsitzender des Carnegie-Instituts in Washington zu widmen. Bush spürte den heranrückenden Krieg und hatte mehrere wissenschaftliche und produktive Ideen, die den Bedürfnissen der Streitkräfte dienen konnten. Das bedeutet, dass er näher am Zentrum der Macht sein wollte, um Einfluss auf die Lösung bestimmter Fragen zu nehmen.

Gleichzeitig lösten die Mitarbeiter des Labors die technischen Probleme, die sich aus dem neuen Design ergaben, 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 digitalem Überholt. Computer — sie stellten Zahlen nicht als physische Größen dar, sondern abstrahiert durch die Positionen von Schaltern. Zufälligerweise wurden im Rockefeller-Analysator eine ganze Reihe solcher Schalter verwendet, die aus Relais-Schaltungen bestanden.

Shannon

Im Jahr 1936 war Claude Shannon gerade mal 20 Jahre alt, hatte aber bereits die University of Michigan mit einem Bachelor-Abschluss in zwei Disziplinen: Elektrotechnik und Mathematik abgeschlossen. Ein Werbeflyer, der an das schwarze Brett geheftet war, brachte ihn zum MIT. Vannevar Bush suchte einen neuen Assistenten für die Arbeit am Differenzialanalysator. Shannon reichte ohne Zögern seine Bewerbung ein und begann bald, an frischen Herausforderungen zu arbeiten, und erst danach nahm das neue Gerät Gestalt an.

Shannon war ganz anders als Bush. Er war weder ein Geschäftsmann, noch ein Erbauer eines akademischen Imperiums, noch ein Administrator. Sein ganzes Leben lang liebte er Spiele, Rätsel und Unterhaltung: Schach, Jonglieren, Labyrinthe und Kryptogramme. Wie viele Männer seiner Zeit widmete sich Shannon während des Krieges einer ernsthaften Beschäftigung: Er hatte eine Position bei Bell Labs in einem Regierungsauftrag inne, die seinen fragilen Körper vor dem Militärdienst schützte. Seine Forschungen zur Geschosskontrolle und Kryptographie führten zu einem grundlegenden Werk über die Informationstheorie (auf das wir hier nicht eingehen werden). In den 1950er Jahren, als der Krieg und seine Folgen sich gelegt hatten, kehrte Shannon an das MIT zurück und verbrachte seine Freizeit mit Unterhaltungen: einem Rechner, der ausschließlich mit römischen Zahlen arbeitete, und einer Maschine, bei deren Einschalten ein mechanischer Arm hervorkam und die Maschine abschaltete.

Die Struktur der Rockefeller-Maschine, die Shannon begegnete, blieb logischerweise die gleiche wie die des Analysators von 1931, aber sie wurde aus ganz anderen physischen Komponenten gebaut. Bush erkannte, dass die Stangen und mechanischen Getriebe in alten Maschinen die Effizienz ihrer Nutzung verringerten: Um Berechnungen durchzuführen, musste die Maschine eingestellt werden, was viel Arbeitszeit qualifizierter Mechaniker in Anspruch nahm.

Der neue Analysator hatte dieses Manko nicht mehr. Anstelle einer Tischkonstruktion mit Stangen basierte er auf einem Koordinatenschalter – einem überflüssigen Prototyp, der von Bell Labs zur Verfügung gestellt wurde. Anstatt die Leistung von einer zentralen Welle zu übertragen, wurde jedes integrierte Modul unabhängig von einem Elektromotor betrieben. Um die Maschine für eine neue Aufgabe zu konfigurieren, reichte es aus, einfach die Relais in der Koordinatenmatrix einzustellen, um die Integratoren in der gewünschten Reihenfolge zu verbinden. Der Lochstreifenscanner (entlehnt von einem anderen Telekommunikationsgerät, dem Rollentelegraphen) las die Konfiguration der Maschine aus, und die Relais-Schaltung wandelte das Signal vom Streifen in Steuersignale für die Matrix um – es war, als würde eine Reihe von Telefonanrufen zwischen den Integratoren hergestellt.

Die neue Maschine war nicht nur wesentlich schneller und einfacher einzustellen, sondern arbeitete auch schneller und präziser als ihr Vorgänger. Sie konnte komplexere Aufgaben lösen. Heute könnte man diesen Computer als primitiv, sogar extravagant betrachten, aber damals erschien er den Beobachtern wie ein großes – oder vielleicht schreckliches – funktionierendes Wesen:

Im Grunde genommen handelt es sich um einen mathematischen Roboter. Ein elektrisch betriebenes Automaton, das nicht nur dafür geschaffen wurde, die schwere Last von komplexen Berechnungen und Analysen vom menschlichen Geist zu nehmen, sondern auch um sich auf mathematische Probleme zu stürzen, die dem Verstand unzugänglich sind, und sie zu lösen.

Shannon konzentrierte sich darauf, Daten von Papierbändern in Anweisungen für das „Gehirn“ zu verwandeln, und dieser Vorgang wurde durch ein Relais-Schaltbild gesteuert. Er bemerkte die Entsprechung 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 waren WAHR und FALSCH, und deren Operatoren — UND, ODER, NICHT usw. Eine Algebra, die logischen Aussagen entsprach.

Nachdem er den Sommer 1937 mit der Arbeit bei Bell Labs in Manhattan verbracht hatte (ein idealer 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 ein Jahr zuvor entstandenen Arbeit von Alan Turing legte Shannons Dissertation das Fundament für die Wissenschaft der Rechenmaschinen.

In den 1940er und 1950er Jahren baute Shannon mehrere rechnerische/logische Maschinen: einen Rechner mit römischen Ziffern THROBAC, eine Maschine für Schach-Endspiele sowie Theseus – ein Labyrinth, durch das eine elektromechanische Maus (siehe Foto) fuhr.

Shannon stellte fest, dass das System von Aussagenlogik direkt mechanistisch in ein physikalisches Schaltelement von Relais umgewandelt werden kann. Er schloss: „Tatsächlich kann jede Operation, die mit einer endlichen Anzahl von Schritten unter Verwendung von Wörtern beschrieben werden kann, WENN, UND, ODER usw., automatisch mit Relais ausgeführt werden.“ Zum Beispiel bilden zwei gesteuerte Relais-Schalter, die in Reihe geschaltet sind, eine logische Und: Der Strom fließt nur dann durch den Hauptleiter, wenn beide Elektromagnete aktiviert werden, um die Schalter zu schließen. Gleichzeitig bilden zwei parallel geschaltete Relais ODER: Der Strom fließt durch das Hauptschema, aktiviert durch einen der Elektromagnete. Die Ausgaben eines solchen logischen Schaltkreises können wiederum die Elektromagnete anderer Relais steuern, um komplexere logische Operationen wie (A Und B) oder (V Und G).

Shannon schloss seine Dissertation mit einem Anhang ab, der mehrere Schaltbeispiele enthielt, die nach seiner Methode erstellt wurden. Da die Operationen der Booleschen Algebra den arithmetischen Operationen im binären System sehr ähnlich sind (d.h. unter Verwendung von binären Zahlen), zeigte er, wie man aus Relais einen „elektrischen Addierer im binären System“ bauen kann – wir nennen das den binären Addierer. Einige Monate später baute einer der Wissenschaftler von Bell Labs einen solchen Addierer auf einem Küchentisch.

Stibitz

George Stibitz, ein Forscher der mathematischen Abteilung bei Bell Labs in Manhattan, brachte an einem dunklen Novemberabend 1937 ein seltsames Set an Geräten nach Hause. Trockene Batteriezellen, zwei kleine Lampen für die Hardware-Boards und ein paar flache Relais des Typs U, die er im Mülleimer gefunden hatte. Mit ein paar Drähten und einigen anderen Gegenständen baute er ein Gerät, das in der Lage war, zwei einstellige Binärzahlen (dargestellt durch das Vorhandensein oder Fehlen einer Eingangsspannung) zu addieren und eine zweistellige Zahl mit Hilfe von Lampen auszugeben: Eins — eingeschaltet, Null — ausgeschaltet.

Der Binär-Additionator von Stibitz

Stibitz, ausgebildeter Physiker, wurde gebeten, die physikalischen Eigenschaften von Relaismagneten zu bewerten. Zuvor hatte er keinerlei Erfahrung mit Relais und begann daher mit dem Studium ihrer Verwendung in den Telefon-Schaltungen von Bell. Bald bemerkte George Ähnlichkeiten zwischen einigen Schaltungen und arithmetischen Operationen mit Binärzahlen. Fasziniert baute er auf seinem Küchentisch an seinem kleinen Nebenschauplatz.

Zunächst erregte die Spielerei von Stibitz mit Relais kaum das Interesse der Geschäftsleitung von Bell Labs. Doch im Jahr 1938 fragte der Leiter der Forschungsgruppe George, ob seine Rechner für arithmetische Operationen mit komplexen Zahlen verwendet werden könnten (zum Beispiel a + bi, wobei i — die Quadratwurzel einer negativen Zahl). Es stellte sich heraus, dass mehrere Rechenabteilungen bei Bell Labs bereits darüber stöhnten, dass sie ständig solche Zahlen multiplizieren und dividieren mussten. Die Multiplikation einer komplexen Zahl erforderte vier arithmetische Operationen auf einem Desktop-Rechner, die Division — 16 Operationen. Stibitz behauptete, das Problem lösen zu können, und entwickelte einen Plan für eine Maschine zur Durchführung solcher Berechnungen.

Die endgültige Konstruktion, die der Telefoningenieur Samuel Williams verwirklichte, wurde Complex Number Computer genannt — oder zur Kurzfassung Complex Computer — und 1940 in Betrieb genommen. Für die Berechnungen wurden 450 Relais verwendet, die Zwischenergebnisse wurden in zehn Koordinatenschaltern gespeichert. Die Daten wurden über einen Rollenteleprinter eingegeben und empfangen. In den Abteilungen von Bell Labs wurden drei solcher Teleprinter installiert, was auf einen großen Bedarf an Rechenleistung hinweist. Relais, Matrix, Teleprinter — in jeder Hinsicht war dies ein Produkt des Bell-Systems.

Die Sternstunde des Complex Computer schlug am 11. September 1940. Schtibitz präsentierte einen Bericht über den Computer auf einem Treffen der Amerikanischen Mathematikgesellschaft am Dartmouth College. Er hatte vereinbart, dass dort auch ein Fernschreiber mit einer Telegraphenverbindung zum Complex Computer in Manhattan, 400 Kilometer entfernt, installiert wird. Interessierte konnten am Fernschreiber Platz nehmen, die Bedingungen der Aufgabe auf der Tastatur eingeben und sehen, wie innerhalb einer Minute der Fernschreiber wie durch Zauberhand das Ergebnis ausdruckt. Zu denjenigen, die die Neuheit erlebten, gehörten John Mauchly und John von Neumann, die beide eine wichtige Rolle in der Fortsetzung unserer Geschichte spielen werden.

Die Teilnehmer der Sitzung erlebten einen kurzen Ausblick auf die zukünftige Welt. Später wurden Computer so teuer, dass Administratoren es sich nicht mehr leisten konnten, sie untätig stehen zu lassen, während der Benutzer nachdenklich über der Steuerkonsole brütete, was er als Nächstes eingeben sollte. In den nächsten 20 Jahren werden Wissenschaftler darüber nachdenken, wie man universelle Computer schaffen kann, die immer darauf warten, dass Sie Daten eingeben, selbst während sie an etwas anderem arbeiten. Und dann wird es weitere 20 Jahre dauern, bis dieser interaktive Rechenmodus zur Norm wird.

Stibitz hinter dem interaktiven Terminal von Dartmouth in den 1960ern. Dartmouth College war ein Pionier im Bereich interaktives Rechnen. Stibitz wurde 1964 Professor am College.

Es ist erstaunlich, dass der Complex Computer, trotz der Aufgaben, die er lösen konnte, nach heutigen Maßstäben überhaupt kein Computer war. Er war in der Lage, arithmetische Operationen mit komplexen Zahlen durchzuführen und wahrscheinlich auch andere ähnliche Aufgaben zu lösen, jedoch keine allgemeinen Aufgaben. Er war nicht programmierbar. Er konnte keine Operationen in beliebiger Reihenfolge oder wiederholt ausführen. Es war ein Taschenrechner, der in der Lage war, bestimmte Berechnungen viel besser durchzuführen als seine Vorgänger.

Mit dem Beginn des Zweiten Weltkriegs wurde unter der Leitung von Stibitz bei Bell eine Reihe von Computern mit den Namen Model II, Model III und Model IV entwickelt (der Complex Computer erhielt entsprechend den Namen Model I). Die meisten von ihnen wurden auf Anfrage des National Defense Research Committee gebaut, das von Vannevar Bush geleitet wurde. Stibitz verbesserte die Maschinenarchitektur in Bezug auf eine größere Vielseitigkeit der Funktionen und Programmierbarkeit.

Zum Beispiel wurde der Ballistic Calculator (später Model III) für die Bedürfnisse von Luftabwehrsystemen entwickelt. Er wurde 1944 in Fort Bliss, Texas, in Betrieb genommen. Das Gerät enthielt 1400 Relais und konnte mathematische Programme ausführen, die durch eine Anweisungskette auf einem endlos laufenden Papierband definiert waren. Separat wurde ein Band mit Eingabedaten und separat tabellarische Daten bereitgestellt. Dies ermöglichte eine schnelle Ermittlung von Werten, wie beispielsweise trigonometrischen Funktionen, ohne tatsächliche Berechnungen. Ingenieure von Bell entwickelten spezielle Suchschaltungen (Hunting-Circuits), die das Band vorwärts und rückwärts scannten und die Adresse des benötigten Tabellenwerts fanden, unabhängig von den Berechnungen. Stibitz stellte fest, dass sein Computer Model III, der Tag und Nacht Relais klickte, 25-40 Rechner ersetzte.

Relais-Ständer Bell Model III

Die Maschine Model V hatte ihren militärischen Dienst bereits hinter sich. Sie wurde noch universeller und leistungsstärker. Wenn man die Anzahl der von ihr ersetzten Rechner betrachtet, übertraf sie Model III etwa zehnmal. Mehrere Rechenmodule mit 9.000 Relais konnten Eingabedaten von verschiedenen Stationen empfangen, an denen Benutzer die Bedingungen verschiedener Aufgaben eingaben. Jede dieser Stationen verfügte über einen Bandleser zur Dateneingabe und fünf für Anweisungen. Dies ermöglichte es, bei der Berechnung der Aufgabe von dem Hauptband verschiedene Unterprogramme aufzurufen. Das zentrale Steuerungmodul (praktisch das Äquivalent eines Betriebssystems) verteilte die Anweisungen je nach Verfügbarkeit auf die Rechenmodule, und die Programme konnten bedingte Sprünge ausführen. Dies war bereits mehr als nur ein Taschenrechner.

Das Jahr der Wunder: 1937

Das Jahr 1937 kann als Wendepunkt in der Geschichte der Rechenmaschinen betrachtet werden. In diesem Jahr erkannten Shannon und Stibitz die Ähnlichkeit zwischen Relais-Schaltungen und mathematischen Funktionen. Diese Erkenntnisse führten bei den Bell Labs zur Schaffung einer ganzen Reihe wichtiger digitaler Maschinen. Es war eine Art Exaptation — oder sogar eine Ersetzung, — als das bescheidene Telefonrelais, ohne seine physische Form zu verändern, die Verkörperung abstrakter Mathematik und Logik wurde.

Im gleichen Jahr erschien im Januarheft der Proceedings of the London Mathematical Society ein Artikel des britischen Mathematikers Alan Turing mit dem Titel „Über berechenbare Zahlen in Bezug auf die Entscheidungsproblem“ (On Computable Numbers, With an Application to the Entscheidungsproblem). Darin wurde eine universelle Rechenmaschine beschrieben: Der Autor behauptete, dass sie Aktionen ausführen könnte, die logisch äquivalent zu den Handlungen menschlicher Rechner sind. Turing, der im Vorjahr sein Doktoratsstudium an der Princeton University begonnen hatte, war ebenfalls von Relais-Schaltungen fasziniert. Und wie Bush war er besorgt über die wachsende Kriegsgefahr mit Deutschland. Daher nahm er ein externes kryptographisches Projekt in Angriff — einen binären Multiplizierer, der zur Verschlüsselung militärischer Nachrichten verwendet werden konnte. Turing baute ihn aus Relais, die er in der mechanischen Werkstatt der Universität zusammenstellte.

Im selben Jahr 1937 dachte Howard Aiken über den Entwurf einer automatischen Rechenmaschine nach. Der Harvard-Student und Elektrotechniker Aiken führte einen Großteil der Berechnungen nur mit einem mechanischen Taschenrechner und gedruckten Büchern mit mathematischen Tabellen durch. Er schlug einen Entwurf vor, der diese Routine überflüssig machen sollte. Im Gegensatz zu bestehenden Rechenmaschinen sollte sie automatisch und wiederholt Prozesse durchführen, wobei die Ergebnisse früherer Berechnungen als Eingabewerte für die nächsten verwendet werden.

Währenddessen untersuchte der Telekommunikationsingenieur Akira Nakashima bei Nippon Electric Company seit 1935 die Verbindungen zwischen Relais-Schaltungen und Mathematik. Schließlich bewies er 1938 eigenständig die Äquivalenz von Relais-Schaltungen zur booleschen Algebra, die Shannon ein Jahr zuvor entdeckt hatte.

In Berlin suchte Konrad Zuse, ein ehemaliger Luftfahrtingenieur, der von den endlosen Berechnungen, die für seine Arbeit erforderlich waren, ermüdet war, nach Mitteln, um eine zweite Rechenmaschine zu bauen. Es war ihm nicht gelungen, sein erstes mechanisches Gerät – die V1 – zuverlässig zum Laufen zu bringen, also wollte er einen Relaiscomputer bauen, den er gemeinsam mit seinem Freund, dem Telekommunikationsingenieur Helmut Schreyer, entwarf.

Die Vielseitigkeit von Telefonrelais, die Erkenntnisse der mathematischen Logik und das Bestreben brillanter Köpfe, sich von lähmender Arbeit zu befreien – all dies verband sich und führte zur Vorstellung einer neuen Art von logischer Maschine.

Eine vergessene Generation

Die Früchte der Entdeckungen und Entwicklungen von 1937 mussten einige Jahre reifen. Der Krieg erwies sich als das stärkste Düngemittel, und mit seinem Einsetzen begannen Relaiscomputer überall dort zu erscheinen, wo die notwendige technische Expertise vorhanden war. Mathematische Logik wurde zum Gitternetz der Elektroengineering. Neue Formen programmierbarer Rechenmaschinen entstanden – der erste Entwurf der modernen Computer.

Neben den Stibitz-Maschinen konnten die USA bis 1944 mit dem Harvard Mark I / IBM Automatic Sequence Controlled Calculator (ASCC) aufwarten, einem Ergebnis des Vorschlags von Aiken. Der Doppelname entstand aus der Verschlechterung der Beziehungen zwischen der akademischen Welt und der Industrie: Alle erhoben Anspruch auf das Gerät. Der Mark I / ASCC verwendete gesteuerte Relais-Schaltungen, während der Hauptarithmetikmodul nach der Architektur mechanischer IBM-Taschenrechner gebaut war. Die Maschine wurde für die Bedürfnisse des US-Schiffbaubüros entwickelt. Ihre Nachfolgerin Mark II begann 1948 auf dem Testgelände der Marine zu arbeiten, und alle ihre Operationen basierten ausschließlich auf Relais — auf 13.000 Relais.

Cuse baute während des Krieges mehrere relätschaltende Computer, die immer komplexer wurden. Der Höhepunkt war der V4, der wie das Bell Model V über Einrichtungen zur Unterprogrammaufrufen verfügte und bedingte Sprünge ausführte. Aufgrund von Materialmangel in Japan konnte keine der Entwicklungen Nakamuras und seiner Landsleute in Metall umgesetzt werden, bis das Land sich nach dem Krieg erholte. In den 1950er Jahren finanzierte das neu gegründete Ministerium für Außenhandel und Industrie den Bau zweier relätschaltender Maschinen, von denen die zweite ein Monster mit 20.000 Relais war. Das Unternehmen Fujitsu, das an der Entwicklung beteiligt war, stellte seine eigenen kommerziellen Produkte her.

Heute sind diese Maschinen fast vollständig vergessen. Ein Name ist in Erinnerung geblieben — ENIAC. Der Grund für das Vergessen hat nichts mit ihrer Komplexität, ihren Möglichkeiten oder ihrer Geschwindigkeit zu tun. Die Rechen- und logischen Eigenschaften von Relais, die von Wissenschaftlern und Forschern entdeckt wurden, beziehen sich auf jede Art von Geräten, die als Schalter dienen können. Und so kam es, dass ein anderes ähnliches Gerät verfügbar war — elektronisch Ein Schalter, der Hunderte Male schneller reagieren konnte als Relais.

Die Bedeutung des Zweiten Weltkriegs in der Geschichte der Rechenmaschinen sollte bereits offensichtlich sein. Der schrecklichste Krieg wurde zum Impuls für die Entwicklung elektronischer Maschinen. Sein Beginn setzte die Ressourcen frei, die notwendig waren, um die offensichtlichen Mängel elektrischer Schalter zu überwinden. Die Herrschaft der elektromagnetischen Computer war nur von kurzer Dauer. Ähnlich wie Titanen wurden sie von ihren Nachkommen gestürzt. Wie Relais entstand die elektronische Schaltung aus den Bedürfnissen der Telekommunikationsindustrie. Um herauszufinden, woher sie stammt, müssen wir unsere Geschichte bis zum Anfang des Zeitalters des Radios zurückverfolgen.

Quelle: habr.com