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12. Mai 1941: Konrad Zuse stellt den ersten Computer vor

de Raúl Rojas
Beinahe im Alleingang verfolgte der 1910 in Berlin geborene Bauingenieur Konrad Zuse seinen Traum: die Entwicklung einer bahnbrechenden neuen Technologie. Mit der Z3 präsentierte er 1941 den ersten funktionsfähigen programmgesteuerten Rechenautomaten der Welt.

Weltweit hat der Computer viele Väter, aber nur einen einzigen in Deutschland: den Berliner Konrad Zuse. Am 12. Mai 2021 jährt sich zum achtzigsten Mal die Vorstellung der Rechenmaschine Z3, die der Erfinder an jenem Tag einer ausgewählten Anzahl von Experten vorführte. In einem Eintrag in Zuses Besucherbuch wurden die Namen der Ingenieure festgehalten, die in der Methfesselstraße in Kreuzberg anwesend waren: A. Teichmann, K. Koch, C. Schmieden und P. Mayer, allesamt leitende Mitarbeiter der Deutschen Versuchsanstalt für Luftfahrt (DVL), zusammen mit Zuses Studienfreund Helmut Schreyer. Die DVL hatte die Entwicklung der Rechenmaschine teilfinanziert und die erfolgreiche Vorführung war die Grundlage für die weitere Unterstützung zur Herstellung einer noch anspruchsvolleren Rechenmaschine, der späteren Z4.

Der 12. Mai 1941 war damit der vorläufige Höhepunkt eines Abenteuers, das heute vielleicht Startups, die in der Garage anfangen, durchaus vertraut ist. Für die damalige Zeit war es aber nicht selbstverständlich, dass ein Erfinder fast im Alleingang die Entwicklung einer bahnbrechenden Technologie in Angriff nahm und jahrelang daran festhielt. Der Bau von Rechenmaschinen war ein Traum, den Konrad Zuse als Bauingenieurstudent nach und nach verwirklichte. Er wollte umfangreiche statische Berechnungen durch einen Mechanismus durchführen lassen, aber einen solchen, der die einzelnen Operationen selbständig nach einem vorgegebenen Plan ausführen könnte. Im Jahr 1936 fing er ernsthaft an, eine derartige Maschine zu bauen, zuerst mit mechanischen Mitteln, später mit Telefonrelais. Die Z3 war damit das Ergebnis von fünf Jahren intensiver Arbeit, die er sogar nach der Entfesselung des Zweiten Weltkriegs durch Hitler fortführte.

 

Konrad Zuse – ein Multitalent

Konrad Zuse wurde am 22. Juni 1910 in Berlin Wilmersdorf geboren, im selben Jahr wie der ebenfalls wegweisender Computerpionier Alan Turing. Zwei Jahre danach wurde sein Vater, ein Postbeamter, nach Braunsberg (heute Braniewo in Polen) versetzt und wiederum 1923 nach Hoyerswerda in Sachsen. Nach dem Abitur fing Zuse an, Maschinenbau an der damaligen Technischen Hochschule Charlottenburg (heute TU Berlin) zu studieren. Er war hochbegabt, vielseitig interessiert und ein Multitalent, so dass er das Studium zweimal wechselte: zuerst zur Architektur und schließlich zum Bauingenieurwesen. Dort traf er auf die statischen Berechnungen, die für den Bau von Gebäuden und Brücken notwendig sind, aber auch für die Herstellung von vollmetallischen Flugzeugen. Nach dem Studium wurde er dementsprechend „Statiker“ bei den Henschel-Flugzeug-Werken in Schönefeld. Dort blieb er nur wenige Monate, denn die Idee zum Bau eines kommerziellen Rechners war gereift. Er gründete kurzerhand die Firma „Zuse Ingenieurbüro und Apparatebau, Berlin“, sicherlich die erste Computerfirma der Welt. So machte sich Zuse mit Hilfe von Kommilitonen der Technischen Hochschule in der Wohnung seiner Eltern ans Werk. Unter Zuses Anleitung fertigten seine Freunde hunderte von metallischen Teilen an, aber nur Zuse wusste genau wie die Rechenmaschine einmal funktionieren würde. Der Prototyp wurde V1 genannt (Versuchsmodell 1) aber nach dem Krieg wurde er in Z1 umbenannt.

Die Z1 war ein Wunder der Technik. In der ganzen Welt wurden damals Rechenmaschinen als Dezimalgeräte gebaut. Die International Business Machines Corporation (IBM) zum Beispiel, die Lochkartenzähler und noch keine Computer anfertigte, verwendete Zahnräder, um mit Dezimalziffern zu rechnen. Jedes Zahnrad konnte auf zehn verschiedenen Positionen gedreht werden; jede davon repräsentierte eine gespeicherte Ziffer. Zuses Konkurrenten, die amerikanischen Erfinder des Computers Mark I in Harvard (vollendet 1944) und die Erbauer der ENIAC, der elektronischen Rechenmaschine der Universität von Pennsylvania, verwendeten allesamt eine interne Dezimaldarstellung durchmischt mit binären Komponenten. Damit waren sie konzeptionell nicht viel weitergekommen als der britische Erfinder Charles Babbage, der sich ab 1833 vorgenommen hatte, die erste mechanische vollautomatische Dezimalrechenmaschine der Welt zu bauen. Babbages Zahnrädercomputer wurde allerdings nie vollendet.

 

Zuses Innovation: Die Verwendung des Binärprinzips

Dagegen entschied Konrad Zuse sehr früh, das binäre Zahlensystem durchgehend für die Z1 zu verwenden. Heute arbeiten fast alle Computer nach dem Binärprinzip. Mit Folgen von Nullen und Einsen können Dezimalzahlen umcodiert werden. Die für arithmetische Operationen notwendigen Schaltungen werden damit vereinfacht. Intern rechnen Computer im Binärsystem und die Ergebnisse werden von der Maschine für die Ausgabe ins Dezimalsystem übersetzt, so dass Menschen damit weiterarbeiten können. Für Zuse war der Schritt vom Dezimal- zum Binärsystem einigermaßen natürlich, da seine Z1 aus Blechen und Stangen bestand. Ein Blech das stehenblieb, konnte eine Null darstellen, ein Blech, das seine Position änderte repräsentierte eine Eins. Die mechanischen Komponenten konnten sich nur in eine Richtung verstellen und zwei vordefinierten Positionen einnehmen. Heute wird mit elektronischen Schaltungen gearbeitet, wobei eine Nullspannung eine Null und eine positive Spannung eine Eins darstellt. Elektronische Komponenten können recht einfach verkabelt werden und daraus resultiert eine hohe Flexibilität. In der Z1 musste aber jede Komponente ihre Bewegung mechanisch auf die nächste Komponente übertragen. Die richtige dreidimensionale Anordnung der Teile wurde dadurch kritisch. Man muss sich das so vorstellen: der Absolvent Zuse nimmt sich vor, eine neue Welt zu erobern; er entscheidet dann, mit dem Binärsystem alles ganz anders als seine Vorgänger zu machen und er muss dazu noch eine Art dreidimensionales Schach spielen, um alle metallischen Teile an der richtigen Stelle unterbringen zu können. In den 1980er Jahren fertigte Zuse aus seinen wenigen verbliebenen Unterlagen einen Nachbau der Z1 an, der heute im Deutschen Technikmuseum in Berlin steht. Dort kann man eine Maschine bestaunen, die viel komplexer und bemerkenswerter ist als jede Schweizer Uhr auch nur im Ansatz sein könnte. Wer den Nachbau der Z1 nicht kennt, sollte unbedingt zum Technikmuseum pilgern.

Die Z1 war nicht nur binär, sie arbeitete auch mit Fließkommazahlen (die heutige wissenschaftliche Notation mit Mantisse und Exponent), führte eine strenge Trennung zwischen Prozessor und Speicher ein, und Befehle wurden auf einem Lochstreifen untergebracht. Die Befehle (die vier arithmetischen Rechenoperationen und weitere) wurden der Reihe nach abgearbeitet, bis das Resultat im Speicher vorlag und ausgegeben werden konnte. Die Z1 war praktisch fertig, bevor Zuse zu Kriegsbeginn für wenige Monate einberufen wurde. Nach seiner Freistellung und der Wiederaufnahme seiner Tätigkeit bei den Henschel-Werken konnte er weiter an seinen Rechenmaschinen arbeiten. Die mechanische Z1 wurde allerdings nicht weiter gebaut, da beraten von seinem Freund Schreyer Zuse sich dazu entschied, für seine nächsten Maschinen Telefonrelais zu verwenden. Die Relais waren zuverlässiger als die mechanischen Komponenten, sie waren auch schneller, und außerdem konnte die Verkabelung beliebig gelegt werden. Der logische Entwurf der Rechenmaschine erlangte damit eine größere Unabhängigkeit gegenüber den zuvor benutzten mechanischen Teilen.

 

Schrittweise Entwicklung der Z4

Nach der Anfertigung der Z2, ein einfacher Relaisrechner als proof of concept, arbeitete Zuse von 1939 bis 1941 an der Z3. Diese hatte die gleiche logische Struktur wie die Z1, sie war eine Art Techniktransfer zwischen Mechanik und Relaistechnologie. Allerdings war die Z3 viel zuverlässiger als die Z1. Überdies war die Z3 komplett, wohingegen in der Z1 einige wichtige Funktionen nur im Ansatz vorhanden waren. Die Z1 konnte z.B. nicht mit Null arbeiten, da dies einer besondere Kodierung in Zuses Fließkommaformat und zusätzlicher Schaltungen bedurfte. Der Aufwand wurde, bereits mit dem Blick auf die nächste zu bauende Maschine, der Z3, in Grenzen gehalten.

Die Z3 war freilich auch nur eine Zwischenstation. Nach der erfolgreichen Vorführung im Mai 1941 machte sich Zuse wieder an die Arbeit. Die nachfolgende Maschine, die Z4, sollte der Rechner sein, den Zuse im Grunde immer bauen wollte. Für die Maschine waren mehr als tausend Speicherzellen angedacht. Der Befehlssatz sollte erweitert werden und viel mehr Komfort für die Programmierer bieten. Die Programme konnten in der Konsole der Rechenmaschine per Tastendruck, als Folge von Befehlen eingegeben werden, und die Z4 konnte dann die binären Lochstreifen selbst herstellen. Man konnte Bibliotheken von Programmen in Lochstreifen unterbringen und der Operator brauchte dann nur die für ein Problem passenden Lochstreifen zu verwenden.

Die Z4 war bei Kriegsende praktisch fertig. Zuse konnte sie wenige Wochen vor der Kapitulation Berlins vom 2. Mai 1945 von Kreuzberg nach Göttingen, und dann nach Bayern transportieren, wo die Maschine die nächsten vier Jahre in einer Scheune verbrachte. Es war dem Zufall zu verdanken, dass 1949 die Mathematiker der ETH Zürich von der deutschen Maschine hörten. Prof. Eduard Stiefel besuchte Zuse, inspizierte die Z4, und entschied, sie mittels eines Mietkaufvertrags zu übernehmen. Mit dem Geld konnte Zuse seine Firma wiederbeleben, die dann in Neukirchen neugestartet wurde. Das war die Zuse KG, die dann 1967 von Siemens übernommen wurde.

 

Einbau des bedingten Sprungs

Bevor die Z4 von Neukirchen nach Zürich verschickt wurde, verlangte Stiefel einige Änderungen an der Maschine. Die wichtigste war der Einbau des „bedingten Sprunges“. Das ist eine Operation, die in Abhängigkeit vom vorherigen Resultat (z.B. ob dieses Null ist oder nicht) den Programmfluss ändert.  D.h. der Computer überspringt einige Befehle und macht an einer anderen Stelle weiter. Eine solche Operation ist schlichtweg notwendig, wenn das ganze Spektrum des numerischen Rechnens abgedeckt werden soll. Die Operation erlaubt es, Fallunterscheidungen in Programmen zu treffen („falls A geschieht tue B, ansonsten tue C“) und ermöglicht auch die Wiederholung von Befehlsblöcken in sogenannten Schleifen. Der Einbau des bedingten Sprunges in der Z4 war für Zuse leicht, da nur minimale Änderungen notwendig waren. Aber gerade das Fehlen des bedingten Sprunges war das wesentliche Manko der Architekturen der Z1, Z3 und Z4.

Zuse war 1941 seinen Konkurrenten sehr weit voraus, mit einer komplett binären Maschine mit Fließkommaformat und außerdem einer eleganten Bauweise, die heutigen Computern entspricht. Aber ohne den bedingten Sprung hat eine Rechenmaschine nicht das, was man „Universalität“ nennt, d.h. die Möglichkeit, jede Art von durchführbarer Berechnung auch implementieren zu können. Die Z4 wurde schließlich im Jahr 1950 an die ETH geliefert, mit all den gewünschten Änderungen, auch dem bedingten Sprung, und war damit der erste kommerzielle Rechner in Kontinentaleuropa. Das erste kommerzielle amerikanische Pendant wurde erst 1951 geliefert, allerdings in elektronischer Ausführung mit Röhren und nicht mit Telefonrelais.

 

Weitere Innovationen

In Konrad Zuses Kopf sprudelte es nur so von Ideen, die erst nach dem Krieg veröffentlicht wurden. So dachte er, man könne Planfertigungsautomaten herstellen, die dann die Programme für seine Rechner anfertigen könnten, wenn die Ingenieure die notwendigen Formeln dafür bereitstellten. Zuse erfand auch das „Plankalkül“, ohne Zweifel die erste höhere Programmiersprache der Welt. Mit seinem Plankalkül schrieb er den Code für eines der ersten Programme für Computerschach, etwas das nur Alan Turing und Claude Shannon etwa zur gleichen Zeit untersuchten.

Ab 1950 war Zuse mehr Unternehmer als Erfinder. Seine wichtigste Schaffensperiode erlebte er von 1936 bis 1950, von der Z1 bis zur Fertigstellung der modifizierten Z4. In diesen sechzehn Jahren entwickelte er quasi im Alleingang die Grundlagen der Computertechnologie und dies in einer Form, die heutigen Computer näherkommt als die amerikanischen Maschinen jener Zeit. Die ENIAC zum Beispiel war ein Ungetüm mit hunderten von Rechenröhren und gewiss sehr schnell, aber die Programme mussten von Technikern festverdrahtet werden. Das heißt die ENIAC hatte keine Software, es war pure Hardware, eingefrorene Rechenkapazität, ohne die Flexibilität der sofortigen Umprogrammierung.

 

Beginn des Computerzeitalters

Ich habe Konrad Zuse 1994 kennengelernt und mit ihm viel über seine ersten Maschinen geredet. Er verstand sich, ohne Wenn und Aber, als der Schöpfer des ersten Computers der Welt. Aber wenn man die Bauweise und Architektur jener Maschinen der ersten Stunden, in den USA, Großbritannien und eben Deutschland studiert, erkennt man, dass jeder etwas fehlte um als echter Computer zu gelten. Bei Zuse fehlte der bedingte Sprung, bei den anderen Maschinen mangelte es an anderen Stellen. So war die Entstehung der Computerindustrie letztlich ein internationales Unterfangen, mit Beiträgen aus vielen Regionen. Konrad Zuses eigener Anteil war jedoch enorm und wurde viele Jahre nicht wirklich gewürdigt, da der Krieg für seine Bemühungen eher ein Hürdenlauf als förderlich war. Was wäre gewesen, wenn der Krieg nicht stattgefunden hätte? Wie hätte sich die erste Computerfirma der Welt in Berlin entwickeln können?

Aber die Geschichte kann man nicht kontrafaktisch schreiben. Sie war, wie sie war. Nach dem Krieg brach an, was man heute als neue industrielle Revolution einordnet. Alle zehn Jahren hat sich seitdem die Basistechnologie geändert. Von den Elektronenröhren der ersten Stunde sind die Entwickler zum Transistor und danach zu integrierten Schaltungen gelangt. Milliarden von binären Elementen passen heute in kleine Chips. In den achtziger Jahren entstand ein Weltmarkt für den Personal Computer, in den neunziger Jahren wurden all diese Computer vernetzt und an die sogenannte Datenautobahn angeschlossen. In diesem Jahrhundert wurden die Computer zu smarten Telefonen und heute reden wir über das „Internet der Dinge“, das heißt einen weltumspannenden Verbund von vernetzten Geräten, die als Sensoren für das Wetter dienen, zu Hause Bestellungen sprachlich entgegennehmen und im Auto Navigationshilfe anbieten, während sie in der Fabrik die Produktion steuern.

Das angebrochene Jahrzehnt wird weiterhin von der Computertechnologie geprägt. Unsere Welt dematerialisiert sich vor unseren Augen. Die Schallplatten, die CD-Player und sogar die großen Desktoprechner sind Vergangenheit. Heute sind alle unsere Daten in der „Cloud“ und wir können vom Telefon oder kleinen Laptops aus darauf zugreifen. Sogar das Büro ist dabei, sich in Luft aufzulösen, da wir von überall, auch von zu Hause, arbeiten können. Mit der Künstlichen Intelligenz werden gegenwärtig viele Erwartungen aber auch viele Ängste verbunden. Es ist einerseits großartig, dass Computer „menschlicher“ werden, indem man sich mit Ihnen per Mikrofon und nicht nur über eine Tastatur unterhalten kann. Aber diese Computer hören uns und heben alle diese Daten in der Cloud auf, ohne dass wir sicher sein können, ob unsere Privatsphäre verletzt wird. Gewiss: Informationstechnologie ist flexibel und wir möchten nicht mehr auf sie verzichten, jedoch möchten wir die Technologie beherrschen, nicht umgekehrt von der Technologie beherrscht werden.

All dies war am 12. Mai 1941 noch kein Diskussionsthema. Die Besucher von Konrad Zuse wollten nur eine Rechenmaschine besichtigen, ohne wirklich zu ahnen, dass in der kleinen Werkstatt in Berlin Kreuzberg an jenem Tag eine neue Ära angebrochen war, das Zeitalter des Computers.

 

Raúl Rojas ist Professor für Informatik an der Freien Universität Berlin.

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