Kapitel 2

Die Hardware der ersten Computer (1950-1960)

Das Jahrzehnt zwischen 1950 und 1960 markierte mit der Konstruktion und Vermarktung der ersten elektronischen Computer den Übergang von der Theorie zur Praxis. Obwohl diese bahnbrechenden Maschinen riesig waren und im Vergleich zu heutigen Standards über begrenzte Rechenkapazitäten verfügten, stellten sie einen epochalen Technologiesprung dar. In diesem Kapitel werden wir die wichtigsten Hardwaretechnologien untersuchen, die diese frühe Phase charakterisierten, von Vakuumröhren bis hin zu frühen Speichersystemen und Eingabe-/Ausgabegeräten.

2.1 Thermionische Ventile:
Das elektronische Herz der ersten Computer

Frühe elektronische Computer, wie der ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), verwendeten Vakuumröhren (oder Vakuumröhren) als elektronische Schlüsselkomponenten für die Verarbeitung und Speicherung von Informationen. Eine Vakuumröhre ist ein elektronisches Vakuumgerät, das einen erhitzten Glühfaden (Kathode) enthält, der Elektronen emittiert. Diese Elektronen werden von einer positiv geladenen Elektrode (Anode) angezogen, und der Elektronenfluss kann durch ein Gitter zwischen Kathode und Anode gesteuert werden.

Vakuumröhren könnten in elektronischen Computerschaltungen mehrere entscheidende Funktionen erfüllen:

Schalter: Werden zur Implementierung der grundlegenden logischen Operationen (AND, OR, NOT) verwendet, die für die digitale Verarbeitung erforderlich sind. Das Vorhandensein oder Fehlen von Spannung im Netz könnte den Stromfluss zwischen Kathode und Anode steuern und wie ein elektronischer Schalter wirken.
Verstärker: Kann die Amplitude eines elektrischen Signals erhöhen, eine wesentliche Funktion für die Aufrechterhaltung der Signalintegrität in komplexen Computerschaltungen.

Durch den Einsatz thermionischer Ventile konnten deutlich höhere Berechnungsgeschwindigkeiten im Vergleich zu früheren relaisbasierten elektromechanischen Rechnern erreicht werden. Diese Technologie hatte jedoch auch einige wesentliche Einschränkungen:

Größe und Gewicht: Ventile waren physisch sperrig, und ein Computer wie der ENIAC, der etwa 18.000 Ventile enthielt, nahm einen ganzen Raum ein und wog mehrere Tonnen.
Stromverbrauch: Die Ventile benötigten eine erhebliche Menge elektrischer Energie, um den Glühfaden zu erhitzen, wodurch große Mengen an Wärme erzeugt wurden. Der ENIAC beispielsweise verbrauchte rund 150 kW Strom.
Zuverlässigkeit: Die Ventile waren zerbrechlich und hatten eine begrenzte Lebensdauer. Der Ausfall eines einzelnen Ventils konnte das gesamte System lahmlegen, und frühe Computer waren anfällig für häufige Fehlfunktionen. Der Austausch der Ventile war ein komplexer und zeitaufwändiger Vorgang.
Kosten: Die Herstellung und Verwendung einer großen Anzahl von Röhren machte frühe Computer extrem teuer.

Trotz dieser Einschränkungen stellten Vakuumröhren in den 1940er und 1950er Jahren die vorherrschende Technologie für den Bau elektronischer Computer dar und ebneten den Weg für neue Möglichkeiten auf dem Gebiet des automatischen Rechnens.

2.2 Die ersten Speichersysteme:
Von der elektronischen zur magnetischen Speicherung

Die Fähigkeit, Informationen (sowohl Daten als auch Anweisungen) schnell und zuverlässig zu speichern, war eine Grundvoraussetzung für das Funktionieren von Computern. In den Anfangsjahren der Informatik wurden mehrere Technologien zur Speichererzeugung entwickelt:

Williams Tubes: Williams Tubes wurden an der Universität Manchester von Freddie Williams und Tom Kilburn entwickelt und waren eine der ersten Formen von Direktzugriffsspeichern (RAM). Sie basierten auf der Verwendung einer Kathodenstrahlröhre (CRT), ähnlich denen, die in älteren Fernsehgeräten verwendet wurden. Die Informationen wurden als elektrostatische Ladung auf der Oberfläche der Röhre gespeichert. Ein Elektronenstrahl wurde verwendet, um die Ladung zu schreiben („deponieren“) oder zu lesen („detektieren“). Das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer Ladung an einem bestimmten Punkt stellte eine kleine Information dar. Williams-Röhren boten für die damalige Zeit relativ schnelle Zugriffszeiten, hatten jedoch eine begrenzte Kapazität (typischerweise einige hundert Bit) und die Ladung neigte dazu, sich schnell aufzulösen, was eine regelmäßige „Auffrischung“ erforderte.
Magnettrommelspeicher: Eine weitere frühe und weit verbreitete Speichertechnologie war der Magnettrommelspeicher. Dieser bestand aus einem rotierenden Metallzylinder, der mit einem ferromagnetischen Material beschichtet war.

Informationen wurden von festen Magnetköpfen aufgezeichnet und gelesen, die in der Nähe der Oberfläche der Trommel positioniert waren. Jede kreisförmige Spur auf der Trommel könnte eine Folge von Bits speichern. Um auf bestimmte Informationen zuzugreifen, musste man warten, bis sich der richtige Teil der Trommel drehte, bis er den Lese-/Schreibkopf erreichte. Magnetische Trommelspeicher boten eine größere Kapazität als Williams-Röhren (bis zu Zehntausende von Bits), hatten jedoch deutlich langsamere Zugriffszeiten, da auf die mechanische Drehung der Trommel gewartet werden musste. Sie wurden in frühen Computern als Hauptspeicher oder sekundärer (Massen-)Speicher verwendet.

Quecksilberverzögerungsleitungen: Quecksilberverzögerungsleitungen wurden im EDVAC und anderen frühen Computern verwendet und speicherten Daten als Schallimpulse, die sich durch eine mit Quecksilber gefüllte Röhre ausbreiteten. Ein Wandler an einem Ende der Röhre wandelte die elektrischen Impulse in Schallwellen um, die sich durch das Quecksilber ausbreiteten und am anderen Ende wieder in elektrische Impulse umgewandelt wurden. Die Geschwindigkeit der Schallausbreitung in Quecksilber bestimmte die Verzögerungszeit, und die Daten konnten zur Speicherung durch die Röhre „rezirkuliert“ werden. Quecksilber-Verzögerungsleitungen boten eine größere Kapazität als Williams-Röhren, reagierten jedoch empfindlich auf Temperaturänderungen und hatten sequentielle Zugriffszeiten.
Ferritkernspeicher (Magnetkernspeicher): Gegen Ende der 1950er Jahre entstand eine zuverlässigere und leistungsfähigere Speichertechnologie: Ferritkernspeicher. Dieses bestand aus einem Gitter aus kleinen Ringen (Kernen) aus ferromagnetischem Material. Jeder Kern konnte in zwei entgegengesetzte Richtungen magnetisiert werden, was die Binärwerte 0 und 1 darstellte.

Die Kerne waren von leitenden Drähten durchzogen, die das Schreiben und Lesen des Magnetisierungszustands ermöglichten. Ferritkernspeicher boten schnellere Zugriffszeiten und eine höhere Zuverlässigkeit als frühere Technologien und wurden in den 1960er und 1970er Jahren zur vorherrschenden Primärspeichertechnologie für Computer.

2.3 Die Architektur der ersten Großrechner:
ENIAC und UNIVAC I

Frühe elektronische Computer waren oft riesige Maschinen, die für wissenschaftliche und militärische Rechenaufgaben konzipiert waren. Zwei symbolträchtige Beispiele dieser Ära sind die ENIAC und die UNIVAC I:

ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer): Der zwischen 1943 und 1945 an der University of Pennsylvania gebaute ENIAC wird oft als der erste elektronische Allzweckcomputer angesehen. Es wurde in erster Linie zur Berechnung der Schusstabellen für die Artillerie der US-Armee entwickelt. Das ENIAC nutzte fast 18.000 Vakuumröhren und nahm eine Fläche von etwa 167 Quadratmetern ein. Die Programmierung war ein manueller und komplexer Prozess, der die physische Neukonfiguration der Verbindungen über Kabel und Schalter erforderte. Trotz seiner Einschränkungen demonstrierte der ENIAC das Potenzial des elektronischen Rechnens und konnte Berechnungen hunderte Male schneller durchführen als frühere mechanische Rechner. Der ENIAC folgte nicht der von Neumann-Architektur, da die Programmanweisungen von den Daten getrennt waren.
UNIVAC I (Universal Automatic Computer I): Der UNIVAC I wurde von J. Presper Eckert und John Mauchly (den gleichen Erfindern des ENIAC) entworfen und von ihrer Firma, der Eckert-Mauchly Computer Corporation, gebaut. Er war der erste elektronische Computer, der in den Vereinigten Staaten kommerziell hergestellt wurde.

Der erste UNIVAC I wurde 1951 an das U.S. Census Bureau geliefert. Im Gegensatz zum ENIAC wurde der UNIVAC I sowohl für wissenschaftliche als auch für kommerzielle Anwendungen entwickelt und war der erste Computer, der Magnetband für die Dateneingabe und -ausgabe verwendete, was einen erheblichen Fortschritt gegenüber Lochkarten darstellte. Der UNIVAC I übernahm eine Architektur, die dem von Neumann-Modell näher kommt, wobei Anweisungen und Daten in derselben Speichereinheit gespeichert sind (wenn auch mit einigen Unterschieden). Seine Einführung markierte den Beginn des kommerziellen Computerzeitalters und eröffnete neue Perspektiven für die Automatisierung von Geschäftsprozessen.

Zusätzlich zu ENIAC und UNIVAC I wurden in dieser Zeit zahlreiche weitere bahnbrechende Computer entwickelt, beispielsweise der EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator) an der Universität Cambridge, der einer der ersten Computer war, der die von Neumann-Architektur vollständig implementierte, und der IBM 701, der erste wissenschaftliche Computer von IBM.

2.4 Die ersten Ein-/Ausgabegeräte:
Lochkarten und Magnetbänder

Die Interaktion mit frühen Computern erforderte den Einsatz spezifischer Geräte zur Eingabe von Daten und Anweisungen sowie zur Ausgabe von Ergebnissen:

Lochkarten: Lochkarten waren eine der primären Eingabemethoden für frühe Computer. Die Informationen wurden kodiert, indem an bestimmten Stellen Löcher in eine Pappkarte gestanzt wurden. Jede Spalte auf der Karte repräsentierte ein Zeichen oder eine Zahl. Lochkartenleser interpretierten das Vorhandensein oder Fehlen von Lochungen, um Daten und Anweisungen in den Computer einzugeben. Lochkarten waren eine relativ langsame und fehleranfällige Methode, waren aber damals Standard.
Magnetband: Der UNIVAC I war der erste Computer, der Magnetband als primäres Medium für die Dateneingabe und -ausgabe verwendete. Die Daten wurden als magnetische Muster auf einem mit ferromagnetischem Material beschichteten Kunststoffband gespeichert. Magnetbänder boten eine höhere Speicherdichte und Übertragungsgeschwindigkeit als Lochkarten, aber der Datenzugriff erfolgte sequentiell, was bedeutete, dass man, um auf eine bestimmte Information zuzugreifen, das gesamte Band bis zu diesem Punkt durchblättern musste. Magnetbänder wurden zu einem wichtigen Medium zur Speicherung großer Datenmengen.
Drucker: Berechnungsergebnisse wurden oft über Drucker auf Papier ausgegeben. Frühe Drucker waren oft mechanisch oder elektromechanisch und hatten eine begrenzte Druckgeschwindigkeit.

2.5 Herausforderungen und Innovationen

Der Bau und Betrieb früher Computer stellte zahlreiche technische und logistische Herausforderungen dar. Die Komplexität der auf Vakuumröhren basierenden Schaltkreise machte die Systeme teuer, energieintensiv und störanfällig. Die Programmierung war eine gewaltige Aufgabe, die oft ein detailliertes Verständnis der Hardware-Architektur erforderte. Das Verwalten und Speichern von Daten mit Lochkarten und Magnetbändern war ein manueller und arbeitsintensiver Prozess.

Trotz dieser Herausforderungen waren die 1950er Jahre eine Zeit intensiver Innovation. Der Schwerpunkt der Forschung und Entwicklung lag auf der Verbesserung der Zuverlässigkeit, Geschwindigkeit und Kapazität von Computern. Die Einführung von Ferritkernspeichern gegen Ende des Jahrzehnts stellte einen bedeutenden Schritt hin zu effizienteren Speichersystemen dar.

Ein wachsendes Verständnis der Prinzipien der Computerarchitektur und die Entstehung der ersten höheren Programmiersprachen würden den Grundstein für die anschließende Explosion der Computertechnik legen.

Die Hardware der ersten Computer der 1950er Jahre war durch den Einsatz neuer Technologien wie Vakuumröhren und frühe Speichersysteme (Williams-Röhren und Magnettrommeln) gekennzeichnet. Die Architektur früher Großrechner wie ENIAC und UNIVAC I stellte eine radikale Innovation auf dem Gebiet des automatischen Rechnens dar. Die Verwendung von Lochkarten und Magnetbändern zur Ein-/Ausgabe spiegelte die technologischen Einschränkungen der Zeit wider. Trotz der Herausforderungen legte diese Pionierzeit die technologischen und konzeptionellen Grundlagen für die spätere Entwicklung der Informatik und ebnete den Weg für eine Zukunft, in der Computer zu einer transformativen Kraft für die Gesellschaft werden würden.