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Computer
Computer sind faszinierende Entwicklungen - ohne sie wäre die technische Gegenwart mit Sicherheit nicht mehr zu bewältigen. In jedem modernen Prozessor steckt mehr Rechenleistung als in den Prozessoren der Apollo-Missionen der 1960er Jahre zusammen. Die dreifach redundanten Lagekontrollcomputer des Apollo-11-Landemoduls hatten weniger Rechenkapazität als ein heutiger Schultaschenrechner für 10 Euro! Wenn Armstrong und Aldrin seinerzeit nicht im letzten Augenblick auf Handsteuerung umgestellt hätten, wäre “Eagle” auf der Mondoberfläche zerschellt (siehe Apollo-11-Seite, Link unten)
Die Funktionen von Computern haben sich in den letzten zehn bis 20 Jahren massiv verändert bzw. erweitert. Während Rechner in den 1960er Jahren (Apollo-Missionen, siehe auch Apollo 11) genau das taten, wonach sie benannt wurden, nämlich rechnen (lat. con-putare: zusammenrechnen), hat sich ihr Einsatzspektrum mit der Entwicklung passender Software geradezu dramatisch ausgedehnt.
Der Rechner soll an dieser Stelle keineswegs vergöttert werden. Der Computer sollte in erster Linie “Werkzeug des Denkens” sein und den Menschen bzw. das menschliche Gehirn von stupiden Routinetätigkeiten entlasten. Das war übrigens auch die Grundidee von Konrad ZUSE gewesen (siehe weiter unten).
Die Grenzen des Computereinsatzes sind jedoch dann erreicht, wenn wir, wie bei der aktuellen Weltwirtschaftskrise geschehen, dem Rechner Entscheidungsbefugnisse übertragen, welche so komplex sind, dass sie - wenn überhaupt - nur näherungsweise berechnen werden können. Oftmals gaukelt der Computer eine Präzision vor, die in Wirklichkeit gar nicht existiert, weil die Algorithmen, auf Basis derer er arbeitet, fehlerbehaftet sind.
Der Computer arbeitet nur so präzise, wie der Mensch, der ihn programmiert hat.
Ohne Anspruch auf Vollständigkeit zu erheben, im Folgenden eine Zusammenstellung von Funktionen und Aufgaben, die Computer heute übernehmen:
- Office-Software-Programme bilden ein komplettes Büro mit Textverarbeitung, Tabellenkalkulation, Präsentationsprogramm samt Terminplaner ab
- Rechner können ein komplettes Tonstudio emulieren, mit allen Soundeffekten etc.
- Recherche- und Suchfunktion in Verbindung mit Suchmaschinen und Internet. Sie wissen nicht, was es mit dem “Perpendikularen Speicherprinzip” auf sich hat? Dann schlagen Sie doch hier nach: http://de.wikipedia.org/wiki/Perpendicular_Recording. Dank “WIKIPEDIA” sind Sie in kürzester Zeit im Bilde
- Wissenschaftlicher “Taschenrechner” mit unübertroffener Genauigkeit
- Der Computer ersetzt mittlerweile komplette Entwicklungslabors für Bild- und Photobearbeitung. Die Rohdaten liegen nicht mehr analog, sondern digital vor
- Über Internet-Datenstreams können Sie Radio- und Fernsehprogramme in Top-Qualität empfangen
- Sound-/TV- und Grafikkarte haben in Verbindung mit der Festplatte den analogen Videorekorder bzw. das Tonbandgerät ersetzt. Die billigste Soundkarte klingt - horribile dictu - besser als eine ReVox A 77, die Referenz-Bandmaschine der 1970er Jahre, und in Klang und Frequenzgang mindestens ebenso gut wie ein teurer (auch schon wieder veralteter) HIFI-Stereo-Videorekorder
- Computer konstruieren unter Umgehung des Prototypenbaus komplexe Maschinen in digitaler Form (Beispiel Airbus A 380) mithilfe von CAD-Softwareprogrammen
- Bunte, actionreiche und leistungsfähige Spiele dienen der Jugend als Zeitvertreib (wobei ich diesen Punkt nicht unkritisch sehe!)
- Per Email, Voice Over IP und Internet können Sie theoretisch Verbindung mit jedem Menschen auf dieser Erde aufnehmen
- Edu-Infotainment. User stellen Usern im Internet ihr Wissen zur Verfügung.
Beispiele:
- Mathe lernen http://www.mathe-paradies.de/mathe/start/index.htm
- Englischvokabeln http://www.ego4u.de/de/cram-up/vocabulary
- Biologie Online http://www.biokurs.de/skripten/12/bs12.htm
- Internetradio http://www.surfmusik.de/
Der Computer ist also ohne Übertreibung eine echte “Multi-Media-Maschine”!
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Konrad Zuse, der wahre Erfinder des Computers
Es war der Berliner Konrad Zuse (1910 - 1995), der schon 1937/38 in Berlin den ersten funktionsfähigen digitalen Computer baute, die ‘Z1’ (im Zweiten Weltkrieg zerstört).
Das Nachfolgemodell, die ‘Z3’, war der erste turingmächtige “von-Neumann-Rechner”, der nach dem EVA-Prinzip (Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe) arbeitete. Die Z3 lief nachweislich - mit allen Macken eines Prototyps - im Jahre 1941. Ein Nachbau der Z3 steht im Technikmuseum Berlin.
Konrad Zuse baute nichts Geringeres als den ersten programmgesteuerten, frei programmierbaren, binären (also auf den zwei Zuständen Null und Eins basierenden) Gleitkommarechner der Welt. Die Z3 hatte bereits Relais, im Gegensatz zu ausländischen Entwicklungen, die noch auf Röhrenbasis arbeiteten.
Und nicht nur das! Zuse entwickelte sogar schon ein Betriebssystem für die Z3, den sogenannten “Plankalkül” [dieser Link führt zu einer Z3-Simulation].
Konrad Zuses Lebenswerk wurde leider sehr spät gewürdigt. Erst 1998, während einer Fachtagung der renommiertesten Computerspezialisten, und drei Jahre nach seinem Tode, wurde Konrad Zuse in Paderborn unisono als “Erfinder des Computers” bezeichnet und geehrt.
Bis dahin galten US-amerikanische und britische Entwicklungen als die ersten Digitalrechner.
Bis weit in die 1970er Jahre hinein war es politisch nicht gewollt (“political not correct”), den technologischen Vorsprung der USA in Frage zu stellen. Alle technischen Errungenschaften kamen aus Amerika, und damit basta! Es ging auch nicht an, dagegenzuhalten, dass die Russen mindestens gleichwertige Hightech für die Luft- und Raumfahrt entwickelten.
Von ENIAC und Colossus las ich schon, in “Reader’s Digest”, Mitte der Neunzehnhundertsechziger.
Von Konrad Zuse dagegen, und das war eine schockierende Erfahrung für mich, hörte ich erst Anfang der 1990er-Jahre!
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Zwei Beispiele: ENIAC (USA) und Colossus (GB).
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ENIAC
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D e z i m a l e r Röhrenrechner
Baujahr 1945,
USA
- Anwendung: Ballistische Flugbahnberech-nungen der US-Army
- 18.000 Röhren
- 220 Röhren für eine Dezimalzahl
- Ein- und Ausgabe mittels Lochkarten (Hollerithkarten)
- Fest verdrahtetes Programm im Prozessor
- 5.000 Berechnungen/s
- Leistungsaufnahme 174.000 Watt
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COLOSSUS
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D i g i t a l e r Röhrenrechner
Baujahr 1943,
GB
- zunächst 1.500, dann 2.500 Röhren
- Zeichenverar-
beitung 5.000/s
- Funktion: Dechiffrierung der “Enigma”
- Leistungsaufnahme 4.500 Watt.
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Zum Vergleich: ZUSE Z3 (Baujahr 1941)
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Zuse Z3 (Nachbau)
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Konrad Zuse vor der Z3
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Datenblatt Zuse Z 3
Technik
600 Relais Rechenwerk, 1600 Relais im Speicherwerk
Taktfrequenz
5-10 Hertz
Rechenwerk
Gleitkomma-Rechenwerk 16 Takte Multiplikation, 3 Takte Addition, 18 Takte Division
Mittlere Rechengeschwindigkeit
Multiplikation 3 Sekunden, Division 3 Sekunden, Addition 0,7 Sekunden
Eingabe
Dezimaltastatur mit 20 Stellen rechts vom Komma, Umwandlung nach Binärcode
Ausgabe
Mit Lampen, 4 Dezimalstellen mit Kommaanzeige
Wortlänge
22 Bit, Gleitkomma: Mantisse, Exponent und Vorzeichen
Anzahl Relais
2000
Anzahl Schrittschalter
10 für Mikroprogrammsteuerung im Gleitkommarechenwerk
Speicheraufbau
1400 Relais, 64 Worte à 22 Bit
Leistungsaufnahme
ca. 4000 Watt
Gewicht
ca. 1000 kg
Potentielles Einsatzgebiet
Flugzeugbau: Flügelberechnungen
Strömungsmechanik: Flatterproblem
Anzahl verkaufter Rechner: 0
Kein ermittelbarer Verkaufspreis
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Wie funktionierten Konrad Zuses Computer genau?
Schüler des Gymnasiums Oberwil in der Schweiz haben sich viel Mühe gemacht und eine Simulation entwickelt, mit der man die einzelnen Rechenabläufe Schritt für Schritt nachvollziehen kann.
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Nach dem START des Simulationsrechners geben Sie bitte in der Zeile “1. Summand” eine Abfolge von Nullen und Einsen ein (Klick auf die Felder “0” bzw. “1”. Dasselbe gilt für den zweiten Summanden. Das Ergebnis wird als digitale Summe in der letzten Zeile ausgegeben. In diesem Beispiel: 86 + 128 = 214.
Ein dickes Kompliment an die Schülerinnen und Schüler des Gymnasiums Oberwihl/Schweiz!
http://gymoberwil.educanet2.ch/a.hu/projektarbeit/zuse/index.htm
Konrad Zuse entwickelte als einer der Ersten Hardware u n d Software gleichzeitig!
Zuses visionäres Potential erschöpfte sich nicht in der Erfindung des ersten Computers. Er entwickelte auch die erste höhere Programmiersprache der Welt, den “PLANKALKÜL” (1941-1945). Programmiersprachen sind das Bindeglied zwischen der Rechnerhardware (Prozessor, Chipsatz, Hauptplatine, Arbeitsspeicher, Festplatte) und der Software.
Konrad ZUSE war ein Genie, das seiner Zeit um Jahre voraus war. Leider war es ihm nicht vergönnt, den ersten PC auf den Markt zu bringen. Dieser geniale Coup blieb Bill GATES (mit dem Betriebssystem “Windows”) und Stephen JOBS (“Apple”-Computer) vorbehalten. Beide waren zur richtigen Zeit mit der richtigen Idee am richtigen Ort.
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Analogrechner, Dezimalrechner, Digitalrechner
Analogrechner
Beispiele: Abakus, Rechenschieber, “Mechanismus von Antikythera”
Abakus
Der Abakus ist das älteste Recheninstrument überhaupt. Erfunden ca. 1100 v.Chr. im indo-chinesischen Kulturraum. Prototyp des analogen Rechengerätes. Geübte rechnen mit dem Abakus schneller als mit dem elektronischen Taschenrechner. Wird heute noch in Asien und dem Nahen Osten vielfach verwendet. Näheres bei Wikipedia.
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Rechenschieber
Bis zum Auftauchen der ersten wissenschaftlichen Taschenrechner zu Beginn der 1970er Jahre war der Rechenschieber aus Schule und Wissenschaft nicht wegzudenken.
Der Rechenschieber lieferte sehr schnell gute Näherungswerte. Das Ablesen war ab und an mühsam. Die Ergebnisgenauigkeit konnte mit der eines elektronischen Taschenrechners oder eines Computers nicht mithalten.
Die Einführung des Taschenrechners als legales Rechenhilfsmittel in den Schulen bedeutete das Ende des Rechenschiebers. Näheres bei Wikipedia.
“Mechanismus von Antikythera”
schematische Darstellung
Bei diesem Sensationsfund könnte es sich um eine mechanische Rechenmaschine handeln, welche die alle 4 Jahre stattfindenden (antiken) Olympischen Spiele auf den Tag genau berechnen sollte. Jedenfalls legen sich einige Wissenschaftler auf diese Deutung fest.
Das Gerät, 1902 in einem Schiffswrack entdeckt und in die Jahre 80 - 150 v. Chr. datiert, besaß schon ein Differentialgetriebe aus exakt gegossenen und geschliffenen Zahnrädern. Offiziell wurde dieses Getriebe jedoch erst im 13. Jh. n. Chr. erfunden! Die Funktionen des M. v. A. sind noch nicht vollständig geklärt.
Fazit: Wenn in der Antike die Konstruktion solch hochkomplexer Strukturen möglich war, dann dürften uns noch einige Überraschungen erwarten. Näheres bei Wikipedia.
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Ausblick auf die Zukunft
Speichermedien
Der Trend bei den Computern geht immer weiter in Richtung Miniaturisierung, Schnelligkeit und Erhöhung der Speicherkapazität. Am Horizont lässt sich schon erkennen, dass in Zukunft keine drehenden oder beweglichen Teile mehr im Rechner verbaut werden, sondern Solid-State-Festplatten in Form von Flashspeichern ihren Dienst versehen.
Mit der Perpendikularen Speicherung sind die Kapazitäten der modernen drehenden Festplatten wohl erschöpft.
Was kommen wird, sind holographische Speicher (“Tesa-ROM”) oder die 3-D-Speicherung auf Basis von Lithium-Niob-Trioxid. Beim Holo-Speicher graviert ein spezieller Laser die Information in das Medium, während ein von diesem Laser abgezweigter kohärenter Strahl die Daten wieder ausliest.
Bildschirme
Heute (2010) sind TFT-Bildschirme (TFT=Thin Film Technology, Dünnfilmtechnologie) längst Stand der Dinge. Sie haben die Kathodenstrahlröhren abgelöst und die Zeiten des Flimmerns und Flackerns beendet. Ergonomisch sind TFT-Monitore zu bevorzugen, da die Flüssigkristalle (LCDs) ein stehendes Bild ermöglichen. Die Zukunft wird rollbare, ultradünne Folien-TFTs bringen, die überall hin mitgenommen werden können.
Prozessoren
Bei Einzelkern-Prozessoren ist das Ende der Fahnenstange erreicht, denn die Miniaturisierung der Prozessorarchitektur stößt an ihre Grenzen. Nur durch den “Trick” des Einsatzes von Mehrkernprozessoren und die damit einhergehende Lastenverteilung auf mehrere Prozessorkerne verschiebt die Grenzen noch etwas in die Zukunft.
Am Ende der Entwicklung könnte der Quantencomputer* stehen. Dieser verwendet unterschiedliche Spinzustände der Atome als Unterscheidungsmerkmal von “Null” und “Eins”. Dies würde in der Tat ganz neue Dimensionen der Raumbeanspruchung und Schnelligkeit von Prozessoren eröffnen.
Am binären Prinzip der Datenübertragung wird sich jedoch nichts ändern.
Rechnerdesign
Es wird der Tag kommen, an dem ein ganzer Rechner (mit Ausnahme des Displays natürlich) auf die Unterseite der Tastatur passt.
Lassen wir uns überraschen, was uns die Zukunft bringt!
*siehe auch http://de.wikipedia.org/wiki/Quantencomputer
Exkurs: Computer und menschliches Gehirn - Versuch eines Vergleichs
Häufig wird der Computer als Analogie des menschlichen Gehirns betrachtet. Jedoch: können Computer wirklich “denken”? Solange weder Neurowissenschaftler noch Philosophen eindeutig definieren können, was “denken” eigentlich ist, sollte man vorsichtig mit Vergleichen sein.
Tony Buzan, ein britischen Mentaltrainer (der auch den Begriff “MindMapping” prägte), zitiert den russischen Hirnforscher Pjotr Anoghin, demzufolge das Gehirn mit seinen 100 Milliarden Neuronen eine Kapazität von 10800 (zehn hoch achthundert) Denkmöglichkeiten habe. Derselbe Forscher revidierte später seine eigene Schätzung und erklärte, es gäbe überhaupt keine Grenze nach oben!
Zum Vergleich: Die Anzahl aller Atome im bislang bekannten Universum beläuft sich nach Schätzungen von Astrophysikern auf circa 10100.
Ohne Übertreibung könnte also jeder Mensch von sich behaupten, dass das komplette Universum in seinem Schädel abgebildet ist.
- Computer “denken” nicht im Sinne der Arbeitsweise des menschlichen Gehirns, weil sie keine körperlich-somatischen Rückmeldungen wie beim Menschen erhalten.
- Computer sind Maschinen, die alle Berechnungen auf Additionen bzw. Subtraktionen reduzieren.
- Rechner sind nicht zu Gefühlen oder zu Intuitionen fähig.
- Rechner sind das, was eine Schaufel für die Hand ist: sie “verlängern” das Gehirn und entlasten es in der Ausführung von stupiden Berechnungsroutinen.
- Computer bzw. Prozessoren sind nicht kreativ. Aber sie sind enorm schnell.
Mehr zu diesem Thema im Buch von
Joseph Weizenbaum: “Die Macht der Computer und die Ohnmacht der Vernunft”.
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aktualisiert 2.2.2010
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