Die Rechenmaschinen von Konrad Zuse

Mit diesem Buch können interessierte Leser im deutschsprachigen Raum zum ersten Mal einen detaillierten Einblick in die innere Struktur der Rechenmaschinen Z1 und Z3 gewinnen. Beide wurden von Konrad Zuse zwischen 1936 und 1941 gebaut; über sie ist viel geschrieben und diskutiert worden. Die Maschinen wurden sogar unter der Leitung des deutschen Erfinders wieder rekonstruiert — die Z1 für das Deutsche Technikmuseum in Berlin und die Z3 für das Deutsche Museum in München. Um so mehr überrascht es, daß es bis vor kurzem kaum Arbeiten gab, die die Architektur dieser Maschinen ausführlich erläutern. Es war gerade diese Lücke in der Literatur, die mich zur intensiveren Beschäftigung mit dem Thema veranlaßte. Bereits vor mehreren Jahren hatte ich aus dem Studium der Quellen den Schluß gezogen, daß die Frage nach den „wahren“ Erfinder des Computers keine einfache Antwort zuläßt. Die Rechenmaschinen in den USA, Deutschland und England sind beinahe gleichzeitig entwickelt worden, und jede davon hat auf ihre Weise zur Entstehung des Computerzeitalters beigetragen. Es schien mir deshalb wichtig, die genauere Struktur der Z1 und Z3 zu verstehen und zu dokumentieren.

Es wird ein Überblick gegeben über Zuses vielfältige Leistungen auf dem Weg zum modernen Computer; daneben wird auf einige Legenden hingewiesen, die sich, von wohlmeinender Seite gefördert, um Zuses Errungenschaften ranken.

Nur ein paar Straßen vom Deutschen Technikmuseum in Berlin-Kreuzberg entfernt, entstand vor 60 Jahren der erste programmgesteuerte Rechner der Welt, die ZUSE 1 (Z1). Dieser Aufsatz rekapituliert, wie es zu der Rekonstruktion der Maschine kam.

Dieses Kapitel bietet eine detaillierte Beschreibung der Architektur der Rechenmaschinen Z1 und Z3, die zwischen 1936 und 1941 von Konrad Zuse entworfen wurden. Die notwendigen Informationen wurden einer umfassenden Auswertung der von Zuse 1941 eingereichten und in diesem Band erstmalig gedruckten Patentanmeldung entnommen. Zusätzliche Erkenntnisse brachte eine Softwareemulation der Z3. Die Z1 wurde ausschließlich mit mechanischen Komponenten gebaut, die Z3 benutzte elektromagnetische Relais. Beide Maschinen hatten jedoch eine gemeinsame logische Struktur und das Programmiermodell war identisch. Es wird gezeigt, daß die Z1 und die Z3 Eigenschaften besaßen, die in heutigen Computern selbstverständlich sind: Speicher und Prozessor waren getrennte Einheiten, der Prozessor konnte Gleitkommazahlen bearbeiten und beherrschte die vier arithmetischen Grundrechenarten ebenso wie die Quadratwurzelberechnung. Das Programm wurde auf einem Lochstreifen gespeichert und sequentiell gelesen. Durch die Analyse der Architektur der Z1 und Z3 vermittelt dieses Kapitel das notwendige Hintergrundwissen für ein leichteres und effektiveres Verständnis der Patentanmeldung der Z3.

Konrad Zuse, der 1941 den ersten programmgesteuerten Rechenautomaten funktionsfähig vorführen konnte, bemühte sich seit 1936 um ein grundsätzliches Patent, das sämtliche Computer berührt hätte. Waren es bis zum Kriegsende die Anforderungen des Patentamts an die korrekte Abfassung einer Patentanmeldung, so waren es seit 1953 zahlreiche Einsprüche, denen er gerecht zu werden bemüht war. Das Verfahren endete 1967 mit der Ablehnung aller Ansprüche Zuses durch das Bundespatentgericht.

Der nachfolgende Text von Konrad Zuse war bisher nicht veröffentlicht wor­den. Es handelt sich um die Patentanmeldung, die der deutsche Erfinder am 16.7.1941 über seinen Patentanwalt einreichte. Das ursprüngliche Akten­zeichen war Z26476. Nach der Wiedereröffnung des Patentamts wurde das Anmeldungsverfahren 1951 unter dem Aktenzeichen Z391 neu aufgenommen (siehe Seite 73).

Vorliegende Erfindung bedeutet die Kombination zum größten Teil bekannter Einzelvorrichtungen zu einem Aggregat, das ermöglicht, häufig wiederkehrende Rechnungen beliebiger Länge und beliebigen Aufbaues, die sich aus elementaren Rechenoperationen zusammensetzen, mit Hilfe von Rechenmaschinen selbsttätig durchzuführen.

In diesem Kapitel wird ein Programm vorgestellt, das den Aufbau und die Wirkungsmechanismen der Rechenmaschine Z3 von Konrad Zuse simuliert. Das Programm kann als Ergänzung zu der in diesem Band enthaltenen Dokumentation der Z3 genutzt werden. Erstmalig beschreibt eine Simulation die Z3 in ihrer Gesamtheit mit Berücksichtigung interner Rechenabläufe. Das Programm ist nicht für eine spezielle Rechnerplattform bzw. ein bestimmtes Betriebssystem entwickelt, sondern in der Programmiersprache JAVA geschrieben worden, um die Simulation einem breiten Publikum über das Internet zugänglich zu machen. Damit wird demonstriert, wie moderne Informationstechnologie genutzt werden kann, um ein kulturelles Erbe der Technik zu erhalten.

Es ist bekannt, daß sich Rechenmaschinen mit elektrischen Relais als einzigem Arbeitsglied aufbauen lassen (z.B. Patentschrift 458 481). Diese Tatsache findet ihre logische Begründung darin, daß sich sämtliche Rechenoperationen aus den logischen Grundoperationen Konjunktion (A + B), Disjunktion (A ⋁ B) und Negation (Ā) aufbauen lassen. Die Konjunktion wird durch Hintereinanderschalten, die Disjunktion durch Parallelschalten von Kontakten und die Negation durch Ruhekontakt gelöst, wobei die Kontakte mit Hilfe von Elektromagneten durch die Ausgangsangaben (A, B) gesteuert werden. Die so ermittelten Werte (im Sinne der Aussagenlogik) stellen neue Angaben dar, die wiederum mit Hilfe der Grundoperationen kombiniert werden können, bis sich schließlich die Resultate ergeben. Die bei der Einzeloperation auftretenden Elementarangaben sind zweifach variabel (Ja-Nein-Werte). Aus diesem Grunde eignet sich die Methode besonders für das Rechnen im Sekundalsystem, da hierbei die Ziffern bereits zweifach variable Angaben darstellen (0; 1).