Referat Die Geschichte des Computers - Zählen und Rechnen, Mathematik und Logik

Die Geschichte .. des Computers

Noch vor fünfzig Jahren fand sich das Wort "Computer" ausschließlich in einem englischsprachigen Lexikon und nur mit der Bedeutung einer Person, deren Aufgabe darin besteht, Zahlenwerte nach vorgegebenen Rechenformeln zu ermitteln, um sie z.B. in einer Tabelle zu notieren. Solche menschlichen Computer gab es bis in die Zeit des Zweiten Weltkriegs, und ihre Aufgabe bestand zuletzt darin, der Artillerie Vorgabewerte aufgrund ballistischer Berechnungen nach feststehenden Formeln zu ermitteln und in eine sogenannte Schießtabelle zu schreiben. Als Hilfsmittel dienten diesen Computern zunächst nur logarithmische Rechenstäbe oder einfache Rechenmaschinen, die auf englisch "Calculators" heißen.

Erst gegen Ende der 40er Jahre tauchte, zunächst zögernd, der Begriff "Computer" als Bezeichnung für Rechenautomaten auf. Der genaue Anlaß für diese Namengebung ist nicht feststellbar. In jener Zeit war es zunächst üblich, diesen neuartigen, roboterhaften Gerätschaften, die kaum an herkömmliche Maschinen erinnerten, menschliche Züge zu geben und man nannte sie umgangssprachlich "Electronic Brain", "Elektronengehirn". Das schien aber zu weitgehend, ja weckte unbeabsichtigt unpassende Vergleiche. So schien "Computer" treffender, oder diese Bezeichnung setzte sich einfach durch, weil sie einprägsam ist. Auf jeden Fall gilt heute der erste, frei programmierbare, rein elektronische Rechenautomat, "The ENIAC", der 1946 betriebsbereit war, als erster Computer der Welt. Erst später werden auch frühere Rechenautomaten, etwa der "Z1" von Konrad Zuse, der britische "COLOSSOS" oder der "Harvard Mark" von H. Aiken, als "Computer" bezeichnet.

Ein Computer ist, kurz gesagt, ein programmierbarer, aufgabenneutraler Automat zu Speicherung von Daten und zur Lösung beliebiger Aufgaben, sofern diese Aufgaben berechenbar sind. Ohne zusätzliche Hinweise verstehen wir heute eingeschränkt unter einem Computer einen elektronisch gesteuerten Berechnungautomaten, der Daten digital, d.h. zeichenweise, speichert und verarbeitet. Darüber hinaus ist ein Computer heute längst über seinen ursprünglichen Zweck, Zahlen zu manipulieren und Teilrechnugen zusammenzufassen, hinausgewachsen. Im Gegenteil dient er inzwischen immer mehr auch zur Hantierung von Schriftsymbolen und beliebigen Zeichen aller Art und somit auch zum Schreiben, zum Zeichnen oder zum gezielten Abfragen großer Datenbestände. Der Computer kann heute sämtliche intellektuellen Funktionen wie Schreiben, Rechnen und Zeichnen unterstützen. Er ist nicht nur ein schnelles, unermüdlich exakt arbeitendes Werkzeug, mit dem sich geistige Routinetätigkeiten ausführen lassen, sondern er gibt dem Menschen auch erstmals überhaupt die Möglichkeit, teilweise uralte Hilfsmittel, Geräte oder Maschinen wie Zirkel, Lineal, Rechenbrett oder Schreibzeug, später dann Rechen- und Schreibmaschinen, durch nur eine einzige universelle Einrichtung zu ersetzen. All diese Möglichkeiten und Fähigkeiten haben den Computer zum unentbehrlichen alltäglichen Arbeitshilfsmittel werden lassen.

Der Computer ist keinesfalls etwa in den 40er Jahren unseres Jahrhunderts neu entstanden. Zu diesem Zeitpunkt haben sich lediglich jahrhunderte-, ja jahrtausendealte historische Entwicklungen auf Gebieten wie Logik, Mathematik, Automatik und Philosophie zusammengefunden. Jetzt erst war es möglich geworden, Gedanken und Konzepte von "Denkmaschinen" technisch zu realisieren.

Zu den wesentlichen Gebieten und Fähigkeiten, die die Entstehung des Computers ermöglichten, gehören:

das Zählen und Rechnen

die klassischen Wissenschaften "Logik" und "Mathematik"

Automaten und ihre Regelung und Steuerung

die Kommunikation und die sich hieraus ableitende Nachrichtentechnik

die verschiedenen technischen Möglichkeiten, Wissen zu bewahren, sowie

die Entdeckung der Elektrizität und die daraus abgeleitete Elektronik, die der EDV den Namen gab.

1) Zählen und Rechnen

Mit dem Wertetausch, dem Handel, begann auch der Wunsch und sogar die Notwendigkeit Mengen, deren Elemente man zählen und fixieren kann, miteinander zu verknüpfen. Dabei manipuliert man die Elemente, etwa die Tiere einer Herde, nicht selbst, sondern ersetzt sie durch Steinchen, Stäbchen, Münzen oder ähnliche handliche Gegenstände, die ihre Anzahl symbolisch repräsentieren. Wer nun feststellen will, ob eine Menge größer, gleich oder kleiner als eine Vergleichsmenge ist, entfernt von zwei Haufen, die den Umfang der Mengen repräsentieren, ein Steinchen nach dem anderen gleichzeitig. Die Verwendung von Zählsteinchen unterschiedlicher Größe, Form oder Farbe verbesserte die Rechentechnik. So läßt sich beispielsweise eine bestimmte Anzahl kleiner Steine durch einen größeren ersetzen. Wir finden dieses Prinzip noch heute bei unseren Geldmünzen, deren Größe und Farbe unterschiedliche Werte repräsentieren. Außerdem stellt es den ersten Schritt zu den uns geläufigen Stellenwertsystem dar, bei denen beispielsweise innerhalb einer Zahl die Ziffer "1" den Wert "1", "10", "100" usw. repräsentiert, je nachdem, an welcher Stelle in der Ziffernfolge eines Dezimalsystems sie steht.

Bekannt geworden und sehr bewährt haben sich schon in der Antike die heute unter dem Begriff "Abakus" (abacus lat.; abax griech.  "Rechenbrett) bekannten Rechengeräte, die im Grunde genommen nur die ursprünglich frei im Sand gezogenen Linien ersetzen. Außerdem lassen sich beim Abakus die Steinchen nicht mehr frei bewegen, sondern sind in Rillen oder auf Schnüren geführt und nach bestimmten Rechenregeln verschiebbar.

Die Urform des Abakus ist wahrscheinlich etwa 1000 v. Chr. In China entstanden und basierte -in Anlehnung an die zweimal fünf Finger der menschlichen Hände- auf einem aus zweimal fünf Ziffern bestehenden, einem sogenannten biquintalen Zahlensystem. Auf Stäben gleitende Kugeln repräsentieren abzuzählende Einheiten oder Mehrfaches davon.

Das Rechnen mittels einfacher Geräte wie Rechentischen, Münzbrettern oder dem Abakus oder mit Hilfe des Linienrechners sowie Zirkel und Lineal erwies sich bald als zu umständlich und zu langsam. Man dachte an Verbesserungen. Da kam eine kulturelle Entwicklung zu Hilfe, deren Ursprung ausnahmsweise einmal nicht im klassischen Altertum der Griechen und Römer liegt, sondern in den fernen Ländern Asiens. Es sind Inder und Chinesen, die in den ersten Jahrhunderten Zahlensysteme und dazugehörige Zahlensymbole entwickelten. Es entstanden die uns heute geläufigen Stellenwertsysteme, bei denen nicht nur die Ziffer einen Wert, sondern auch deren Stellung innerhalb einer Ziffernfolge eine Bedeutung hat. In Indien entstand deshalb auch die Null, eine wertfreie Ziffer, ursprünglich als Kreis dargestellt die die Leere symbolisiert, sobald in einem Zahlensystem eine Stelle ohne Werte bleiben soll.

2) Mathematik und Logik

Im Computerzeitalter haben Mathematik und Logik eine besondere praktische Bedeutung erlang.

2.1) Die Mathematik

Das Wort Mathematik stammt aus dem antiken Griechenland und kommt von "manthanein" griechisch für "lernen". Mathematik ist die Wissenschaft von der Verknüpfung von Zahlen und Figuren, sie untersucht deren wechselseitige Beziehung und ist ursprünglich die Bezeichnung für die aus dem praktischen Aufgaben des Rechnens und Messens erwachsene Geisteswissenschaft von Zahlen und Raumgrößen.

2.2) Die Logik

Ursprünglich ist die Logik ein eher hochgeistig-wissenschaftliches Thema gewesen, dessen Bedeutung zu kennen oder gar dessen Anwendung zu pflegen einer besonderen Art von Experten vorbehalten blieb: den Philosophen.

Logik kommt vom griechischen Wort "logos", was sich mit "Wort" oder "Gedanke", auch "Rede" oder "Vernunft" übersetzen läßt. Im Grunde genommen bezeichnet die Logik die Gesamtheit der Wissenschaften von den Gesetzen und Formen des Denkens. Alle diese Wissenschaften haben zum Ziel, bestimmte Aspekte des menschlichen Denkens, das die Widerspiegelung der objektiven Wirklichkeit zum Ziele hat, zu untersuchen. Der Pferdefu0 bei dieser anscheinend zu umfassenden Definition liegt allerdings darin, daß Menschen eben auf die unterschiedlichste Art und Weise zu denken in der Lage sind und dies natürlich auch tun.

Die klassische Logik hat ihren Ursprung in der antiken Philosophie, die zu ihrer Zeit das gesamte Wissen über die objektive Welt, über die Menschen und über deren Denken vereinte. Man identifizierte damals die Gesetze des Denkens mit den Gesetzen des Seins überhaupt. "Nichts entsteht ohne Ursache", sagte der frühe griechische Philosoph Demokrit, "sondern alles entsteht aus einem Grunde und mit Notwendigkeit."

Und auch heute noch versteht man unter Logik im klassischen Sinn die Wissenschaft vom richtigen Verknüpfen der Gedanken durch richtiges Folgern. "Das ist unlogisch" heißt es im Alltag, wenn etwas der als richtig erkannten Erfahrung zu widersprechen scheint.

Die Dyadik von Leibnitz und die Boolesche Algebra begründeten die formale oder mathematische Logik, eine neue Form der Logik, ohne die kaum ein Computer entstanden wäre. Semantisch-logische Fragen ließen sich jetzt mit Hilfe formalisierbarer Sprachen untersuchen. Zunächst wurde die mathematische Logik fast ausschließlich - getreu der Leibnizschen Dyadik - als ein zweiwertiges System betrachtet, das nur von den beiden Wahrheitswerten "wahr" und "falsch" ausgeht. Eine Aussage kann eben nur "wahr" oder "falsch" sein. Jedoch bereits Aristoteles analysierte Urteile mit dem Wert "möglich", was einem dritten Wahrheitswert gleichkommt. Es blieb aber dem polnischen Mathematiker Jan Lukasiewicz (1878 - 1956) vorbehalten, erstmals eine dreiwertige mathematische Logik zu veröffentlichen, deren dritter Wahrheitswert "neutral" heißt. Inzwischen haben Mathematiker darüber hinausgehend allgemeingültige mehrwertige logische Methoden entwickelt, die beliebig große Mengen endlicher oder unendlicher Wahrheitswerte umfassen können.

3) Die Automatik und Steuerung

Die Benutzung von Recheninstrumenten und Rechenautomaten setzt grundsätzlich voraus, daß ihr Benutzer den Weg zur Lösung seiner Aufgabe bereits formuliert und den dazugehörigen Lösungsweg, die Algorithmen, im Kopf hat. Rechenautomaten gehen einen wesentlichen Schritt weiter. "Automat" ein Fremdwort für eine selbsttätige Vorrichtung. Es kommt vom griechischen Wort "automatos" für "sich selbst bewegend". Automaten führen meist mehrere Funktionen schrittweise nach einem zuvor festgelegten Plan "automatisch" hintereinander aus, sobald der Gesamtvorgang auf einen Befehl oder Anstoß hin ausgelöst worden ist.

Solange es an geeigneten Mitteln zur technischen Realisierung fehlte, blieb es meist bei sehr wenigen Schritten, die durch einen einzigen Anstoß ausgelöst wurden. Dennoch gabes recht raffinierte technische Automaten bereits in der Antike, beispielsweise das automatische Tempeltor von Alexandria.

Das Tempeltor des Heron

Der griechische Ingenieur Heron konstruierte für den Tempel

von Alexandria um das Jahr 100 herum eine automatisch wirkende Vorrichtung.

Die Opferfeuer im Tempel erwärmten die Luft in einem geschlossenen Gefäß.

Die warme Luft dehnte sich aus und drückte Wasser durch ein Rohr

in ein zweites Gefäß. Sobald dieses Gefäß schwerer geworden ist als ein Gegengewicht,

öffnete sich durch Seilzug das Tempeltor. Das Tor schloß sich ebenso

geheimnisvoll und selbsttätig, sobald die Feuer erloschen waren

und das Wasser zurückfließen konnte.

Alle Überlegungen, die im Zusammenhang mit Automaten zu durchdenken waren, hat G. W. von Leibniz systematisch zusammengefaßt. Darüber hinaus versuchte er erstmals, Automaten zum Umgang mit Zahlen zu verwenden, jedoch noch nicht zum Rechnen an sich, sondern zunächst nur dazu, mögliche Fehler beim manuellen Erstellen umfangreicher Rechentabellen zu vermeiden. Seine diesbezüglichen Arbeiten und seine damals völlig neuartigen Überlegungen kamen zu früh, gerieten in Vergessenheit und wurden erst in unserer Zeit im Zusammenhang mit der Weiterentwicklung der Rechenautomaten zu Computern aufgegriffen.

Die Eigenschaften der automatischen Selbststeuerung sind ein Grund für die beispiellose Entwicklung und Verbreitung des Computers überhaupt. Schon in den 60er Jahren, als Computer noch teuer, klobig und relativ unzuverlässig waren, vereinfachten sie bereits Zahllose industrielle Arbeitsabläufe und entlasteten die Menschen spürbar von geistigen Routinearbeiten. Damals entstand das Schlagwort von der Automatisierung. Viele fürchteten, ihren angestammten Arbeitsplatz zu verlieren. Fast machte sich eine Stimmung breit wie ein Jahrhundert früher, als die Dampfmaschine sich durchsetzte. Dem Maschinensturm ähnelnde Ereignisse, etwa ein Computersturm, fanden jedoch nicht statt.

4) Kommunikation und Nachrichtentechnik

Die Entwicklung des modernden Computers ist auch wesentlich mit der Entwicklung der Nachrichtentechnik auf zwei Arten verknüpft. Einmal ging die Entstehung maschinell lesbarer Schriftzeichen, wie sie seit Morse in der Nachrichtentechnik verwendet werden, nahtlos auf das Prinzip über, nach dem Daten im Computer verschlüsselt werden. Zum anderen waren es die Vermittlungseinrichtungen im Telefonverkehr, die elektromechanischen Relais, die einige frühe Computerpioniere auf den Gedanken brachten, solche Bauteile auch zur Konstruktion geeigneter Rechenschaltungen zu verwenden.

Schwerpunkt der jüngeren Nachrichtentechnik war die Entwicklung geeigneter Übertragungsleitungen, Verbindungsnetze und Vermittlungssysteme. Zunächst stellten Vermittler jede telefonische Verbindung durch Stöpseln von Verbindungsleitungen an sogenannten Klappenschränken manuell her, sobald ein Teilnehmer sich meldete, d. h. am Ende seiner Leitung eine elektromagnetische fixierte Klappe herabgefallen war. Bald ersetzen elektromechanische Relais die manuelle Vermittlungstätigkeit. Dann dient der sogenannte Hebdrehwähler bis in die 60er Jahre hinein zur automatischen Telefonvermittlung.

Auf der Grundlage der Schreibtelegraphen, auch englisch Teleprinter genannt, entwickelt sich in der Mitte der 30er Jahre ein besonderer Telegraphendienst, der automatische Nachrichtenaustausch über Teleprinter, der Teleprinter Exchange, kurz "Telex" genannt. Dieses zunächst in Deutschland öffentlich verfügbare Kommunikationsmittel, dessen Endgeräte mehrfach verbessert und dessen Übertragungsleistung durch Modernisierung der Telefonleitungen stetig erhöht wurden, existiert noch heute und verschmilzt allmählich über die allgemeine Digitalisierung der einheitlich und weltweit auch für den Telefonverkehr und den automatischen Datenaustausch zwischen Computern genutzten Datenübertragungsnetze zu einem standardisierten Kommunikationsmittel.

5.1) Wie sich Wissen speichern läßt

Speichern, also das Bewahren von Informationen über den Augenblick hinaus, gehört zu den wichtigsten Eigenschaften eines Computers. In der Möglichkeit, Daten nicht nur zu verarbeiten, sondern diese sowie das zur Verarbeitung notwendige Programm auch zu speichern, unterscheidet sich ferner der Computer als Datenverarbeitungsautomat von einer Rechenmaschine. Diese fundamentalen Eigenschaft moderner Datenverarbeitungseinrichtungen liegen die seit der Vorzeit bekannten Versuche zugrunde, Wissen zu bewahren.

Die einst verfügbaren Speichermedien waren teuer und die Tätigkeit des Aufzeichnens sehr mühsam. Sparsamkeit tat not. Symbole und Abkürzungen helfen, Informationsinhalt so sparsam wie möglich darzustellen. Zu den frühen Symbolen gehörten konkrete, bildartige Zeichen, die - ähnlich unserer heute üblichen Piktogramme - auch dem unkundigen Leser den Inhalt verdeutlichen können. Die Verwendung abstrakter Zeichen, wie es beispielsweise unsere Buchstaben sind, stellte einen großen Entwicklungssprung dar. Weitere Vereinfachungen bildeten Abkürzungen, die bereits im Römischen Reich gang und gäbe waren. Wir können darin einen Vorläufer unserer Computer-Kurzsprache sehen.

Lochkarten und die mit ihnen verwandten Lochstreifen sind mechanische Speichermedien, die in geradezu idealer Weie die Möglichkeiten miteinander verbinden, Inhalte sowohl in einer für uns mehr oder minder direkt lesbaren Form aufzunehmen als auch die Steuerung von Maschinen zu ermöglichen. Diese Doppelfunktion ist von keinem anderen Speichermedium erreicht worden. Lochkarten haben sich schon seit vielen Jahrzehnten bewährt, lange bevor es Computer gab.

5.2) Speichern mittels Elektrizität

Speichern durch Magnetisierung ist auch auf der Oberfläche dünner, glatter magnetisierbarer Schichten möglich. Das hatte bereits V. Poulsen 1898 entdeckt und nach dieser Methode mit einem Stahldrahtspeicher versucht, einen klanglich verbesserten Phonographen, einen Tonspeicher, zu entwickeln. Diese physikalische Entdeckung griff der deutsche Techniker Fritz Pleumer wieder auf und meldete 1928 das Magnetband zum Patent an. Dabei handelt es sich um eine Methode, die Oberfläche von Kunstoffbändern, Trommeln oder Platten mit einer dünnen, magnetisierbaren Ferritschicht zu überziehen. Eine entsprechende Anordnung elektrischer Spulen, die über der Oberfläche schweben, ermöglichen es, diese Oberfläche durch Stromimpulse punktweise zu magnetisieren oder den Zustand bereits magnetisierter Stellen zu erkennen.

Solche Dünnfilmspeicher stellen eine wesentliche Verbilligung gegenüber den Magnetkernspeichern dar und eignen sich zum Speicherung beliebig großer Datenmengen. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß der Speicherzustand unabhängig von jeder elektrischen Spannung normalerweise erhalten bleibt. Die Fachleute sprechen hierbei von einem nichtflüchtigen Speichermedium. Jedoch der Zugriff auf einzelne Stellen der Oberfläche erst nach dem mechanischen Ansteuern des Schreib- /Lesekopfes möglich, weshalb diese Speicherungsform in erster Linie für Daten gewählt wird, die nicht unmittelbar zur Verarbeitung anstehen.