Die Zuse Z3

Die Z3 war der erste funktionsfähige Digitalrechner weltweit und wurde 1941 von Konrad Zuse in Zusammenarbeit mit Helmut Schreyer in Berlin gebaut. Die Z3 wurde in elektromagnetischer Relaistechnik mit 600 Relais für das Rechenwerk und 1400 Relais für das Speicherwerk ausgeführt.[1]


Nachbau der Zuse Z3 im Deutschen Museum in München

Die Z3 verwendete wie die Z1 die von Konrad Zuse in die Rechnertechnik eingeführte binäre Gleitkommaarithmetik. Im Gegensatz zum Entwurf und der Benutzung des ENIAC genügte der Entwurf der Z3 nicht der späteren Definition eines turingmächtigen Computers und sie wurde auch nie so genutzt. Erst 1998 fand man heraus, dass sie rein theoretisch gesehen durch trickreiche Nutzung aufwendiger Umwege dennoch diese Eigenschaft hatte. Die Z3 gilt besonders in Deutschland als erster funktionsfähiger Universalrechner der Welt.[2] Am 21. Dezember 1943 wurde sie bei einem Bombenangriff zerstört.

Geschichte


Berliner Gedenktafel für die Zuse Z3 in der Methfesselstraße 7 in Berlin-Kreuzberg

Der Entwicklung der Z3 ging die Entwicklung der vollmechanischen Z1 und des Übergangsmodells Z2 voraus. Am 12. Mai 1941 wurde die Z3 schließlich einer Gruppe von Wissenschaftlern (darunter Alfred Teichmann und Curt Schmieden) vorgestellt. Das Original wurde im Krieg bei einem Bombenangriff zerstört. Ein funktionsfähiger Nachbau, der 1962 von der Zuse KG zu Ausstellungszwecken angefertigt wurde, befindet sich im Deutschen Museum in München. Am ehemaligen Standort, an der Ruine des Hauses in der Methfesselstraße im Berliner Stadtteil Kreuzberg, erinnert eine Gedenktafel an Zuses Wirkungsstätte. Seit Konrad Zuses 100. Geburtstag am 22. Juni 2010 ist zudem ein Nachbau der Z3 im Konrad-Zuse-Museum in Hünfeld ausgestellt.
Technik
Merkmale

Neben der Tatsache, dass sie der erste voll funktionsfähige programmierbare Digitalrechner war, enthielt die Z3 sehr viele Merkmale moderner Rechner:

Verwendung des binären Zahlensystems
Gleitkommazahlenberechnung
Ein- und Ausgabegeräte
Möglichkeit der Benutzerinteraktion während des Rechenvorgangs
Mikroprogramme
Pipelining von Instruktionsfolgen
Numerische Sonderwerte
Parallele Ausführung von Operationen so weit wie möglich

Auch die Z1 verfügte über fast alle der oben angeführten Merkmale, erlangte allerdings nicht so viel Aufsehen, da ihr Rechenwerk aufgrund des mechanischen Aufbaus nicht sehr zuverlässig arbeitete. Allgemein ähneln der Aufbau von Z1 und Z3 einander sehr, was insbesondere für das Rechenwerk gilt.

Aufbau


Elektromagnetischer Speicher eingebaut in den Computer vom Typ Z3, Z5, Z11

Die Z3 bestand aus

einer Relais-Gleitkommaarithmetikeinheit (600 Relais) für Addition, Subtraktion, Multiplikation, Division, Quadratwurzel, Dezimal-Dual- und Dual-Dezimal-Umwandlung. Das Rechenwerk verfügt über zwei Register R1 und R2.
einem Relais-Speicher (1400 Relais) mit einer Speicherkapazität von 64 Worten, je 22 Bit (1 Vorzeichenbit, 7 Bit Exponent, 14 Bit Mantisse)
einem Lochstreifenleser für Filmstreifen, um Programme einzulesen (nicht aber Daten)
einer Tastatur mit Lampenfeld für Ein- und Ausgabe von Zahlen und manuelle Steuerung von Berechnungen.

Funktionsweise

Die Z3 ist eine getaktete Maschine. Die Taktung wird von einem Elektromotor übernommen, der eine Taktwalze antreibt. Diese ist eine Trommel, die sich ca. 5,3 Mal pro Sekunde dreht und während einer Drehung die Steuerung der einzelnen Relaisgruppen übernimmt. Die Drehgeschwindigkeit der Trommel entspricht dabei dem Verarbeitungstakt moderner Hauptprozessoren, womit bei diesem Rechner eine Geschwindigkeit von 5,3 Hz gegeben ist. Der Arbeitsspeicher des Z3 umfasst 200 Byte.[3] Die Z3 verfügt über folgende Maschinenbefehle:
Befehl Beschreibung Dauer (Zyklen)
Pr z Speicherzelle z in Register R1/R2 laden 1
Ps z R1 in Speicherzelle z schreiben 0–1
La Addition: R1 ← R1 + R2 3
Ls Subtraktion: R1 ← R1 - R2 4–5
Lm Multiplikation: R1 ← R1 × R2 16
Li Division: R1 ← R1 / R2 18
Lw Quadratwurzel: R1 ← √(R1) 20
Lu Dezimalzahl einlesen in R1/R2 9–41
Ld R1 als Binärzahl ausgeben 9–41

Die Eingabe numerischer Daten muss über die Tastatur erfolgen, das heißt, Zahlen können nicht auf dem Lochstreifen kodiert werden. Über die Tastatur können alle Operationen außer den Speicherzugriffen (Pr und Ps) direkt ausgeführt werden. Der Lochstreifen kann nur Befehle enthalten, wobei jeder Befehl mit 8 Bit kodiert wird. Die genaue Kodierung auf Lochstreifen findet sich im Artikel Opcode.

Die Z3 kennt keine Sprungbefehle, ist jedoch mit Hilfe geschickter Ausnutzung der endlichen Rechengenauigkeit turingmächtig, wie Raúl Rojas 1998 zeigte.[4] Allerdings ist dieses Resultat nur von theoretischer Bedeutung, da Programme mit Sprunganweisungen umständlich transformiert werden müssen und die Programmlaufzeit steigt.
Rechenwerk

Jede Rechenoperation der Z3 basiert auf der Addition zweier natürlicher Zahlen. Diese Basisoperation der Addition wird durch XOR(XOR(x, y), CARRY(x, y)) berechnet, wobei CARRY(x, y) die Übertragsfunktion ist, z. B. CARRY(0011011, 1010110) = 0111100.

Eine Addition zweier Gleitkommazahlen ist realisiert durch Berechnung der Differenz der Exponenten, anschließend entsprechendem Angleichen der Mantisse einer Zahl und schließlich Addition der Mantissen.
Eine Subtraktion entspricht einer Addition, bei der das Zweierkomplement der zweiten Mantisse verwendet wird
Eine Multiplikation entspricht einer Addition der Exponenten und anschließender Multiplikation der Mantissen. Die Multiplikation der Mantissen wird dabei durch eine iterative Addition realisiert: 1011×0101 = 1011 + 10110×010 = 1011 + 101100×01 = 110111 + 1011000×0 = 110111.
Eine Division entspricht einer Multiplikation, jedoch werden die Exponenten subtrahiert und eine iterative Subtraktion für die Division der Mantissen verwendet.
Der Algorithmus zum Ziehen einer Wurzel ist durch eine iterative Division realisiert (siehe Patentschrift).

Allgemein besteht das Rechenwerk aus zwei Teilen, einem Werk für die Rechnung mit Exponenten und ein Werk für die Rechnung mit Mantissen. Für Befehle, bei denen iterative Methoden zum Einsatz kommen (Lm, Li, Lw, Lu, Ld), wird ein Sequenzer benutzt, um einzelne Teile des Rechenwerks anzusteuern. Dies entspricht grob modernen Mikroprogrammen.

Betrieb

Für die Z3 wurden einige Prüfprogramme und ein Programm für die Berechnung einer komplexen Matrix geschrieben, das zur Berechnung von kritischen Flatterfrequenzen bei Flugzeugen verwendet wurde. Der Einsatz des Rechners wurde aber damals nicht als dringlich eingestuft, so dass es nie zu einem Routinebetrieb kam.[5]

Vergleich der Z3 mit dem ENIAC


Der ENIAC (im Vordergrund Betty Snyder, im Hintergrund Glen Beck)

In den USA und weiten Teilen der Welt wird der 1944 gebaute ENIAC als der erste Computer angesehen, was sich damit begründen lässt, dass die beiden Rechner unterschiedliche Eigenschaften besitzen und zur Definition des Begriffs Computer unterschiedliche Kriterien herangezogen werden.

Die Z3 war der erste Digitalrechner und gleichzeitig der erste binäre, programmierbare und turingmächtige. Allerdings war sie im Gegensatz zum ENIAC, der Röhren benutzte, nicht elektronisch (ein Förderantrag durch Helmut Schreyer für ein elektronisches Nachfolgemodell wurde von der Reichsregierung als nicht kriegswichtig abgelehnt)[6]; außerdem wird die Turingmächtigkeit nur dank eines vom Konstrukteur nicht vorhergesehenen Tricks ermöglicht. Der ENIAC war der fünfte Digitalrechner der Geschichte und der erste, der die Kriterien elektronisch, programmierbar und turingmächtig gleichzeitig erfüllte. Er arbeitete mit dem Dezimalsystem, das heißt, er war kein Binärcomputer wie die Z3 und wie alle modernen Computer. In Deutschland wird im Allgemeinen aufgrund ihres höheren Alters und ihrer binären Arbeitsweise, mit der auch heute noch alle Computer arbeiten, der Z3 dieser Titel zugesprochen, wohingegen man dem Aspekt der Hardwareausführung eine geringere Bedeutung zuweist.

Die historische Präferenz für den ENIAC mag auch darin begründet liegen, dass diesem nach dem Zweiten Weltkrieg in den USA eine ungleich größere Aufmerksamkeit zuteilwerden konnte als der Z3, die bei einem Bombenangriff zerstört wurde.
Eigenschaften der ersten Computer Computer Land Inbetriebnahme Gleitkomma-
arithmetik Binär Elektronisch Programmierbar Turingmächtig
Zuse Z3 Deutschland Mai 1941 Ja Ja Nein Ja, durch Lochstreifen Ja, ohne Praxisnutzen
Atanasoff-Berry-Computer USA Sommer 1941 Nein Ja Ja Nein Nein
Colossus UK 1943 Nein Ja Ja Teilweise, durch Neuverkabelung Nein
Mark I USA 1944 Nein Nein Nein Ja, durch Lochstreifen Ja
Zuse Z4 Deutschland März 1945 Ja Ja Nein Ja, durch Lochstreifen Ja
ENIAC USA 1946 Nein Nein Ja Teilweise, durch Neuverkabelung Ja
1948 Nein Nein Ja Ja, durch eine Matrix aus Widerständen Ja

Weitere Zuse-Rechner (Auswahl)


2011 fertiggestellter Zuse Z3-Nachbau mit Finder-Relais


Zuse Z1 (1937)
Zuse Z2 (1939)
Zuse Z4 (1942)
Zuse Z22 (1955)
Zuse Z25 (1962)


Quelle



Das dürfte den Bildungsbürger 2.0 komplett aus der Fassung hauen, wo er doch meint das der PC eine Neuentwicklung des 21.Jahrhunderts ist.
Aber so sind sie halt die Bildungsbürger 2.0, immer etwas Klüger als der rest der Welt.