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Ideen und Innovationen vieler Mathematiker, Wissenschaftler und Ingenieure ebneten den Weg zum modernen Rechner. In diesem Sinne hat der Rechner im Unterschied zu anderen Sachen gleich drei Geburtstage: als die Rechenmaschine (um 500 v. Z.), als das Konzept (1833) und als der elektronische digitale Rechner (1946).
Die erste Rechenmaschine (calculator) war der Abacus und wurde um 500 v. Z. in Babylon gebaut. Bis 1642 sollte er das Instrument bleiben, mit dem man am schnellsten Rechnen konnte. In diesem Jahr entwickelte der Wissenschaftler Blaise Pascal eine Rechenmaschine aus Rädern und Zahnrädern. Verbesserungen wurden durch Gottfried Wilhelm Leibniz, W.T. Odhner, Dorr E. Felt, Frank S. Baldwin, und Jay R. Monroe durchgeführt.
Das Konzept eines modernen Rechners wurde zu erst von dem britischen Mathematiker Charles Babbage im Jahre 1833 skizziert. Sein Entwurf einer Maschine beinhaltete alle wichtigen Teile eines modernen Computers: Eingabegeräte, ein Speicher, eine »Datenmühle« (Recheneinheit oder »Arithmetic and Logic Unit«, ALU), eine Steuereinheit und ein Ausgabegerät. Der Entwurf brauchte mehr als 50,000 bewegliche Teile, die durch eine Maschine mit Dampfkraft angetrieben wurde, die so groß wie eine Lokomotive war. Die meisten Berechnungen der analytischen Maschine wurden durch den Durchlauf von Lochkarten durchgeführt, die nach einer Anpassung der automatischen Seidewebstuhls namens Jacquards Webstuhl erst möglich wurde. Obwohl Charles Babbage (1792-1871) fasst 40 Jahre an der sogenannten analytischen Maschine arbeitete, brachte er nie einen richtig funktionierenden Prototyp zum Laufen.
Herman Hollerith (1860-1929) bemühte sich in den 1880er Jahren, eine Rechenmaschine zu entwickeln, die Zählen, Vergleichen und Informationen auf Lochkarten sortieren konnte. Die Lochkarten wurden mechanisch abgetastet, und bei einem Loch wurde ein Schaltkreis geschlossen, der weiterzählen ließ. Sie wurde das erste Mal 1890 in den Vereinigten Staaten von Amerika zur Volkszählung verwendet. Durch diese Erneuerung wurde die Auswertungszeit von 7½ Jahren auf 6 Wochen reduziert, und die totale Analyse brauchte nur noch 2½ Jahre.
1896 gründete Hollerith die »Tabulating Machine Company«, um ähnliche Rechenmaschinen herzustellen. Nach einigen Firmenzusammenführungen änderte die Firma im Jahre 1924 seinen Namen in »International Business Machines Corporation« (IBM). IBM stellte für Lochkarten Büromaschinen her, dass bis in die späten 1960er Jahre zur weit verbreiteten Büromaschine wurde. Danach wurden sie von einer neuen Generation von Lochkartenmaschinen überholt.
In den späten 1920er und den 1930er Jahren wurden verschiedene Typen von Rechenmaschinen von Vannevar Bush entwickelt. Der Differentialanalysator (differential analyzer) war der erste seiner Art, der in der Lage war, Differenzialgleichungen zu lösen. Da seine Maschine mit Dezimalzahlen arbeitete, benötigte sie hunderte von Rädern und Wellen.
1939 produzierte der Physiker V. Atanasoff und Clifford Berry einen Prototyp eines Computers, der auf binären Zahlen (= Zahlensystem mit den Ziffern 0 und 1) basierte. Außerdem hatte George Boole schon 1848 das komplette mathematische Rüstzeug für die binäre Mathematik veröffentlicht, mit der die Kluft zwischen Mathematik und Logik überbrückt wurde, indem er alle Informationen entweder mit wahr oder falsch symbolisierte.
Der moderne Computer wurde durch intensive Anstrengungen während des 2. Weltkrieges entwickelt, da das Militär schnellere ballistische Berechnungen benötigten und die britischen Kryptografen Maschinen brauchten, um die Geheimcodes der Deutschen zu knacken.
Schon 1941 entwickelte Konrad Zuse einen funktionierenden Rechner, den er Z3 nannte und für den Flugzeug- und Raketenbau verwendet wurde. Die Deutsche Regierung weigerte sich, ihn bei der Verfeinerung seiner Maschine zu helfen, so dass der Rechner nie sein ganzes Potenzial ausnützen konnte.
Ein Mathematiker an der Harvard Universität, der Howard Aiken hieß, leitete die Entwicklung des »Harvard-IBM Automatic Sequence Controlled Calculator«, der später als Mark I bekannt werden sollte. Es war ein elektronischer Rechner, der 3,304 elektromechanische Spulen als Schalter verwendete. Als er 1944 fertig war wurde er hauptsächlich verwendet, um für die ballistische Tabellen für die Kanonen der Marine zu erstellen.
Der erste voll elektronische Rechner, den der Mathematiker Alan Turing 1943 entwickelte, verwendete an Stelle von Spulen Röhren. Er wurde derart geheim gehalten, dass jahrzehntelang niemand wusste, dass es ihn gibt. Mit dem Colossus konnten britische Kryptografen die geheimen Militärcodes der Deutschen knacken. Mit einer Geschwindigkeit von 25.000 Zeichen/s verglich er schon geknackten Code mit Zeichen auf Papierstreifen, die den zu entziffernden Text beinhalteten.
ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator), erster moderner allgemeiner elektronischer Rechner, der einen Raum von 140 m² ausfüllte.
Da Colossus nur für die eine Aufgabe entworfen war, wird heute der erste moderne Rechner für allgemeine Probleme als der ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator) gesehen, der von John W. Mauchly und J. Presper Eckert, Jr. entworfen bei der University of Pennsylvania 1946 zum Einsatz kam. Sie hatte eine Masse von 27 t, war 5.5 m hoch und 24 m lang. 17,468 Röhren verbindeten 800 Kilometers Kabel. ENIAC rechnete 100,000 Operationen/s. Die ersten Berechnungen beinhalteten Rechnungen, die Machbarkeit einer Wasserstoffbombe festzustellen. Die Theorie für allgemeine Computer wurde zu erst von Turing skizziert und später vom Mathematiker John von Neumann verfeinert.
Die Erfindung des Transistors 1948 führte zu einer Revolution in der Rechnerentwicklung. Heiße, unzuverlässige Röhren wurden durch kleine Transistoren ersetzt. Der Durchbruch in der Miniaturisierung konnte aber erst durch die Microchips erreicht werden, die das erste Mal 1958 hergestellt wurden.
Mitte der 1970er Jahren haben Mikrochips und Mikroprozessoren die Kosten von tausenden elektronischen Teilen im Rechner drastisch reduziert. Der erste erschwingliche Tischrechner (desktop computer), der speziell für die private Nutzung hergestellt war, war der Altair 8800 und wurde von Micro Instrumentation Telemetry Systems 1974 vertrieben. 1977 wurde Tandy Corporation die erste Firma, die persönliche Rechner oder Personalcomputer auf den Markt brachte. Man fügte eine Tastatur und einen Bildschirm dem Rechner hinzu und bietete als Massenspeicher für Programme und Daten das Tonband an. Kurz danach brachte eine kleine Firma namens Apple Computer, die von dem Ingenieur Stephen Wozniak und dem Unternehmer Steven Jobs gegründet war, einen besseren überlegeneren Rechner auf den Markt.
IBM verkaufte seinen Personal Computer, oder PC, das erste Mal im Jahre 1981. Durch die starke Konkurrenz der Nachahmer dieses Produkts, die kompatible mit dem IBM-PC waren und sind, fiel der Preis des PCs drastisch. Am Ende des 20. Jahrhunderts sind die PCs mehr als 400 Mal schneller als der ENIAC, 3.000 Mal leichter und viele Millionen Dollars billiger. In kurzer Folge schrumpften die neuen Modelle von Tischplatten- zur Schoß- (lap-top) und schließlich zur Hand- und Handtellergröße (hand held, palm size). Mit einigen PCs, die pen-pads genannt werden, kann man direkt auf ein geätztes Glas, was Flüssigkristalle verwendet, mit einem kleinen Stift schrieben, und die Wörter erscheinen auf dem Bildschirm in Buchstabenschrift.
Künstliche Intelligenz und Expertensysteme
Die Entwicklungen in den Geräten (Hardware) und der Programmierung (Software) beeinflussen sich gegenseitig. Viele Hardwaresysteme grenzen schon an natürliche Limits. Der lesbare und schreibbare elektronische Speicher RAM (Random Access Memory), der 64 Megabits (0 / 1) sichern kann, sind schon auf dem Markt. Die verbindenden Leiterbahnen haben schon nur noch das Mehrfache eines Atomdurchmessers als Breite. Bei so kleinen Strukturen steigt die Wahrscheinlichkeit, dass Temparaturunterschiede oder Höhenstrahlung zu Datenverlusten führen kann, indem ein Bit von 0 auf 1 kippt. Neuere Mikroprocessoren haben Millionen von Schaltern in sich. Obwohl jeder von ihnen nur sehr wenig Energie verbraucht, wird bei der Dichte die Wärmeabstrahlung ein Problem. Deshalb könnte in der näheren Zukunft der Fortschritt möglicherweise nicht mehr mit weiterer Miniaturisierung, sondern durch bessere Rechnerarchitekturen möglich werden, z. B. durch Parallelisierung. Das Gehirn soll nur mit 1000 Befehle/s arbeiten, aber massivst parallel. Und die Leistung von einem Mausehirn ist in vielen Bereichen unvorstellbar besser als die des schnellsten Rechners.
Einige Wissenschaftler nehmen an, dass es Biochips geben wird, wo Proteinmoleküle zwischen Glas und Metall gepresst werden. Sie würden eine ungeheuer größere Speicherkapazität haben wird als die Technologie am Ende des 20. Jahrhunderts. Einige unter ihnen arbeiten sogar an einer Mischung von organischen und anorganischen Substanzen, um damit Rechner zu bauen.
Das Roboter mit ihren Sensoren, Effektoren, Kontoll- und Leistungssystemen menschenähnlicher werden wird auch erwartet. Sollte man aber die Prognosen für das Jahr 2000 anschauen, die 40 Jahre vorher gemacht wurden, so ist es angebracht, nicht allzu große Erwartungen in Richtung künstliche Intelligenz mit den derzeitigen Rechnerarchitekturen zu setzen.
Die Softwareentwicklung hat auch große Fortschritte gemacht. Programme oder komplexe Softwarewerkzeuge werden immer benutzerfreundlicher, so dass Laien sie in Kürze benutzen können. Derzeit hat die Softwareindustrie nicht das Problem, die Hardware auszuschlachten, denn die Entwicklungen dort sind so rasant, dass man nicht allzusehr letzte Reserven ausnützen muss. Dies wird sich aber ändern, wenn die stark steigende Entwicklungskurve der Hardware abflacht. Man wird mit Rechnerressourcen dann vorsichtiger umgehen müssen. Die Programme der Zukunft werden sicherlich auch intelligenter werden und sich an ihre Umgebung, wie z. B. den Benutzer selbst, anpassen können. Die Sprach- oder Schrifterkennungsprogramme gehen schon heute in diese Richtung.
Jobs, die mit Computern zutun haben, gehören zu den am schnellsten wachsenden Beschäftigungssparten in den Vereinigten Staaten von Amerika. Wirtschaftstudien sagen voraus, dass ein Fünftel des Kapitals am Ende des 20. Jahrhunderts Computerhardware und -software sein wird. Alleine in den Vereinigten Staaten von Amerika werden hunderdtausende von Mitarbeiter an der Produktion, der Bedienung, Programmierung der Rechner und zur Leitung dieser Industrie notwendig sein wird. Die meist gesuchten Computerspezialisten werden Systemanalytiker, Programmierer und Operatoren sein.
Systemsanalytiker entwickeln Methoden, um Firmen und Wissenschaftzentren mit Rechner zu unterstützen.. Sie und Autoritäten dieses Sektors verbessern auch die Effizienz bestehender Systeme. Computersicherheitspezialisten werden sehr gefragt sein, um die Integrität der riesigen Informationsdatenbanken zu sichern, die für die Industrie und den Staat entwickelt wurden.
Programmierer schreiben die Anweisungen, die aus einer Maschine ein persönliches Werkzeug machen, das nicht nur die Produktivität steigert, sonder auch erfreut und unterhaltet. Applikationsprogrammierer schreiben Programme, die von Firmen, Wissenschaftzentren und Haushalten verwendet werden. Systemsprogrammierer schreiben die komplexen Programme, welche das Innenleben der Rechner definiert. Es bestehen zahlreiche Spezialisationsgebiete zwischen diesen großen Gruppen, wie z. B. Datenbank- oder Kommunikationsprogrammierer.
Wissenschaftler, die das Wissen weiter
geben, Geräteentwickler (hardware designer) und Ingenieure,
die Mikrochips entwerfen oder bei der Peripheriegeräteindustrie
arbeiten, oder Datenbankadministratoren, die die Informationspeicher
bedienen, werden auch gefragt sein. Und schließlich wird
es immer mehr Bedarf nach Leuten geben, die mit den Anwendungen
auf dem Markt umgehen können, Werke von Autoren technischer
Werke dieser Sparte gesucht sein, Schulungspersonal in größerer
Anzahl eingesetzt werden. Diese Spezialisten müssen neben
einem Allgemeinwissen über Rechner sich nur in ihrem Gebiet
auskennen [L8]
