Zuses Z3-Nachbau: Ein Kleiderschrank, der rechnen kann
Was tun, wenn sich die Tore des Arbeitsplatzes zum letzten Mal schließen? Der eine kauft sich eine Harley Davidson und durchquert damit die USA, der andere eine Yacht, mit der er die Erde umrundet. Horst Zuse(öffnet im neuen Fenster) hat sich einer anderen Herausforderung gestellt: Er baut einen Computer.
Den Computer erklären
Horst Zuse ist der Sohn des Computerpioniers Konrad Zuse(öffnet im neuen Fenster) , der 1941 in Berlin die Z3(öffnet im neuen Fenster) herstellte, den ersten programmierbaren Computer. Diese Maschine will Zuse Junior nachbauen – um "die Frage zu beantworten: Was ist ein Computer, wie funktioniert eine solche Maschine?" Baue man einen modernen Computer auseinander, sagt Zuse, lasse sich das anhand von dessen Einzelteilen nämlich nicht erklären.
Am 12. Mai 1941 führte Konrad Zuse seine Rechenmaschine in einer Wohnung im Berliner Stadtteil Kreuzberg vor. Was die Maschine gegenüber anderen Rechenmaschinen auszeichne, sei, dass sie von der Architektur und der Logik her "eine hohe Ähnlichkeit" mit den Strukturen eines modernen PC und Großrechners aufweise, erzählt Zuse im Gespräch mit Golem.de. Sein Vater habe "genau richtig gelegen. Das verblüfft auch heute noch Wissenschaftler."
Z3, Turing-Bombe, Colossus
Und noch etwas hatte die Z3 den anderen Rechenmaschinen ihrer Zeit voraus, den riesigen Bomben(öffnet im neuen Fenster) und Colossus'(öffnet im neuen Fenster) , mit denen der britische Geheimdienst in Bletchley Park Funksprüche der Deutschen knackte, die mit den Chiffriergeräten wie der Enigma(öffnet im neuen Fenster) oder der Lorenz-Schlüsselmaschine(öffnet im neuen Fenster) codiert waren.
Die Colossus' seien "fantastische Maschinen" gewesen, sagt Zuse. Doch anders als sie konnte die Z3 etwas, das sie zum Vorgänger der modernen Computer machte: "Sie war programmierbar." Mit anderen Worten: Der Nutzer konnte die Z3 dazu bringen, verschiedene Rechenoperationen selbstständig nacheinander durchzuführen. "Das war einer der großen Fortschritte 1941."
Speicherschränke statt Speicherriegel
Den Plan, diesen Meilenstein der Computergeschichte wieder neu entstehen zu lassen, fasste Zuse 2008 bei einem Glas Bier mit seiner Frau. Die Idee hätte er da schon länger mit sich herumgetragen, erzählt er. Anlässe gab es genug: 2010 trat er selbst in den Ruhestand, sein Vater wäre in dem Jahr 100 geworden. 2011 wurde die Z3 70 Jahre alt. So entschloss er sich zu dem Projekt.
Pläne im Patentantrag
Material gab es reichlich. Zwar wurden alle Fotos der Z3 im Krieg zerstört, doch die Baupläne überlebten als Teil der Patentanmeldung aus dem Jahr 1941(öffnet im neuen Fenster) . Weiteres Material fand Zuse in dem Buch von Raúl Rojas(öffnet im neuen Fenster) , einem Informatiker der Freien Universität Berlin. "Aber vieles musste ich neu entwerfen" , berichtet er. Denn er habe nicht einfach die Z3 nachbauen, sondern ein Anschauungsobjekt schaffen wollen, an dem sich zeigen lässt, was ein Computer ist und wie er funktioniert.
Dafür brauchte er zunächst Platz. Der war schnell gefunden: Über einen gemeinsamen Bekannten kam der Kontakt zum Berliner Anlagenbauunternehmen Elsame(öffnet im neuen Fenster) zustande, das seinen Sitz in einem Industriehof im Stadtteil Wilmersdorf hat. Der Bekannte habe ihn gefragt, ob Elsame Platz zur Verfügung stellen könne für den Bau eines Computers, erzählt Elsame-Chef und Gründer Andreas Schöler. Dessen Dimensionen waren ihm wohl nicht klar. Die Mitarbeiter seien schon "etwas überrascht" gewesen, als die Möbelpacker mit dem Gehäuse für Zuses Computer anrückten, sagt Schöler.
Drei Schränke voller Relais
Der Computer hat nämlich die Ausmaße eines dreiflügeligen Kleiderschranks. Er besteht aus einigen tausend, mehrere Zentimeter großen Relais, die im Nanomaßstab milliardenfach in einem modernen Computer stecken. Die Relais funktionierten genau wie die Telefonrelais, die sein Vater vor 70 Jahren verwendet habe, sagt Zuse. Sie schalten ein und aus, 1 oder 0. Der Unterschied: Die heutigen Modelle haben ein Gehäuse, das die Kontakte schützt. Früher seien sie freiliegend gewesen und leicht verbogen worden oder korrodiert, erklärt Zuse. Damit sie wieder funktionierten, hätten sie erst wieder in Form gebogen oder mit Schmirgelpapier bearbeitet werden müssen. Das könne heute nicht mehr passieren. Außerdem hätten die neuen Relais eine Leuchtdiode, die anzeige, wie das Relais gerade geschaltet sei.
Die drei Schränke hat Zuse inzwischen mit Leben gefüllt: Gut 2.500 Relais tickern los, wenn er die Maschine startet. Sie besteht aus drei Komponenten. Das Herzstück des Rechners befindet sich im mittleren Schrank. In heutiger Terminologie heißt dieser Teil zentrale Verarbeitungseinheit oder Prozessor. Zuse nennt ihn Rechenwerk. Genauer gesagt ist es ein Additionswerk, denn es kann nur addieren und subtrahieren. Alle anderen Operationen werden in diese beiden transponiert.
Teurer, größer, lauter, langsamer
Das Rechenwerk besteht hauptsächlich aus den blauen Relais. Hinzu kommen einige Schieberegister und der Taktgeber. Der gibt an, wie oft eine Rechenmaschine schalten kann. Bei der Z3 liegt die Frequenz bei etwa 5 Hertz, also bei fünf Schaltvorgängen in einer Sekunde. Ein moderner Rechner schaltet in der gleichen Zeit drei Milliarden Mal. Die Schieberegister dienen als Kurzzeitspeicher für die Gleitkommarechnung sowie für die Umwandlung dezimaler Zahlen in binäre und umgekehrt.
Flüchtiger Speicher
Die beiden Schränke links und rechts beherbergen den Hauptspeicher. Dort werden Zwischenergebnisse der Berechnungen gespeichert und später wieder für weitere Berechnungen ausgelesen. Allerdings: Der Speicher ist flüchtig. Wird dem Gerät der Strom abgedreht, verliert er den ganzen Speicherinhalt.
"Das" , sagt Zuse, "ist schon das einfache Prinzip eines Computers." Die Funktionsweise der Z3 entspricht also der eines heutigen Computers. Nur die Dimensionen haben sich verändert: In einem handlichen Speicherriegel mit einer Kapazität von 2 GByte stecken 16 Milliarden Relais. Die Speicherschränke kommen auf je 768 Bit – jeweils knapp 800 Relais. Auch preislich bewegt sich der Speicher in anderen Dimensionen. Ein Relais, erzählt Zuse, koste 1 Euro.
1 bis 9.999
Fehlt nur noch die Ein- und Ausgabe. Die erfolgt über ein und dasselbe Gerät, die Konsole. Das ist ein klobiger, schwarzer Kasten, der an eine altmodische Registrierkasse erinnert. Sie verfügt über eine Tastatur mit vier Ziffernreihen. Mit diesen Tasten können Zahlen bis 9.999 eingegeben werden. Die Tasten leuchten, wenn sie gedrückt werden. Hinzu kommen Tasten für acht Kommastellen sowie für Rechenoperationen – vier Grundrechenarten und die Quadratwurzel.
Das Additionswerk arbeitet im binären Zahlenmodus. Wenn die Z3 Berechnungen durchführen soll, müssen die dezimalen zunächst in binäre Zahlen umgewandelt werden. Schon das dauert eine ganze Weile. Einfacher geht es, wenn die Zahl an einem der Register direkt als binäre Zahl eingegeben wird. "Ich zeige das mal" , sagt Zuse. Er aktiviert die ersten beiden Bits der Register, eine 3, im Register darunter noch einmal das erste, eine 1. Dann lässt er die Maschine rechnen. Es klappert etwa zwei, drei Sekunden lang. Dann leuchtet im unteren Register das dritte Bit auf: die 4.
Programmieren mit der Stanze
Das Register, das das Ergebnis anzeigt, ist das Pendant zu einer Grafikkarte. Der Grafikkartenvorläufer ist zuständig für die Rückübersetzung des binären in ein dezimales Ergebnis. Langwieriger wird es, wenn die Ausgabe der binären als dezimale Zahl auf der Konsole erfolgen soll. Bevor auf der Konsole die entsprechenden Ziffern aufleuchteten, rattere die Maschine 30 bis 40 Sekunden, erzählt Zuse.
Wissenschaftliche Berechnungen
Gedacht war die Maschine für wissenschaftliche Anwendungen wie Formelberechnungen oder Determinantenrechnungen. Eine Rechnung mit Buchstaben war noch nicht vorgesehen. Technisch wäre der Speicher jedoch dazu in der Lage gewesen.
Die Zahl der Kommandos, die die Rechenmaschine verstand, war beschränkt: Sie beherrschte nur die vier Grundrechenarten, konnte die Quadratwurzel ziehen, Zahlen in den Speicher laden oder von dort auslesen, eine neue Zahl von der Konsole anfordern oder das Ergebnis auf der Konsole ausgeben. Diese Befehle ließen sich über einen Lochstreifen an die Maschine übertragen. Die Zahlen wurden an der Konsole eingegeben, über den Lochstreifen wusste die Z3, was sie damit anfangen sollte. Mit einem entsprechend langen Lochstreifen hätte die Z3 tagelang rechnen können.
Eingabe über Lochstreifen
Der Streifen läuft über ein Zahnrad – vergleichbar mit einem analogen Film. In den Streifen sind Lochkombinationen eingestanzt, die angeben, welche Operationen die Maschine durchführen soll. Der Streifen wird mechanisch mit Stiften abgetastet, die gegen den Streifen drücken. Acht dieser Stifte stehen in einer Reihe nebeneinander. Hat der Streifen an einer Stelle ein Loch, steht der Stift dort weiter hinaus. Dadurch wird ein elektrischer Impuls ausgelöst und an die Maschine geschickt, die die Impulse interpretiert.
Programmieren sei allerdings "sehr umständlich" gewesen, erzählt Zuse: Stanzer, die wussten, welche Kombination für welche Operation stand, knipsten die Löcher in den Streifen. Einfacher wurde es bei der Nachfolgerin: Die Z4 wurde zwar immer noch mit Lochstreifen gefüttert, aber sie hatte schon eine Tastatur, mit der sich die Streifen einfacher beschreiben ließen.
Zur Sensation wurde die Z3 erst später
Ganz fertig ist die Wundermaschine von Horst Zuse noch nicht. Noch hängen diverse Drähte wild aus den Rechenwerk. "Da muss noch etwas gemacht und getestet werden" , erklärt er. Wenn die Verpflichtungen dem emeritierten Informatiker Zeit lassen, dann fährt er nach Wilmersdorf, um an seinem Projekt zu arbeiten. "Das macht auch Spaß, zu sehen, wenn die Maschine richtig klappert und die Bits alle richtig leuchten – so wie man es haben will" , erzählt Zuse mit leuchtenden Augen. "Da spielen Samstag und Sonntag auch keine Rolle."
So enthusiastisch wie der Sohn des Erfinders heute waren Konrad Zuses Zeitgenossen nicht. Die erste Vorführung der Maschine sei "keine Sensation" gewesen, sagt Horst Zuse. Gerade mal fünf Personen seien damals gekommen, Mitarbeiter der Henschel Flugzeugwerke. Von der Presse keine Spur. "Eigentlich wussten nur diese fünf Wissenschaftler und Freunde von meinem Vater, was er da gebaut hat und was man damit machen könnte."
Zerstört bei Bombenangriff
Dass die Z3 so wenig Einfluss hatte, war historisch bedingt: Ab Sommer 1941 flog die sowjetische Luftwaffe, ab 1942 auch die Westalliierten Bombenangriffe auf die deutsche Hauptstadt, die nach und nach im Chaos versank. Gut anderthalb Jahre nach ihrer Vorstellung, am 21. Dezember 1943, fiel auch die Z3 dem Krieg zum Opfer. Die Sensation folgte erst nach dem Krieg, 1950, als Konrad Zuse das Nachfolgemodell der Z3, die 1944 fertiggestellte Z4(öffnet im neuen Fenster) , an die Eidgenössische Technische Hochschule in Zürich lieferte. Am dortigen Institut für Angewandte Mathematik wurde fünf Jahre lang mit ihr gerechnet. Bei Inbetriebnahme war die Z4 der einzige funktionsfähige Computer in Europa.
Auch die Bedeutung der Z3 in der Geschichte des Computers sei überschaubar, sagt Horst Zuse: In den USA wurden Rechenmaschinen wie die Mark I(öffnet im neuen Fenster) oder die Electronic Numerical Integrator and Computer(öffnet im neuen Fenster) (Eniac) entwickelt, die aber auf anderen logischen Prinzipien basierten als die Z3. Die Entwicklungen liefen parallel, die Amerikaner hätten, obwohl sie später dran waren als sein Vater, nicht bei ihm abgekupfert – "obwohl sie es hätten tun können, weil kein Patentschutz da war." Die Z3 war zwar "ein Meilenstein" , resümiert Zuse. "Aber ich bin ziemlich sicher, es wäre zum iPhone auch gekommen, wenn es die Z3 nicht gegeben hätte."
Nachtrag vom 11.Mai 2021, 16:45 Uhr
Vor 80 Jahren, im Mai 1941, stellte Konrad Zuse mit der Z3 den ersten programmierbaren Computer fertig. 70 Jahre später baute sein Sohn den Rechner nach. Golem.de traf Horst Zuse vor zehn Jahren und ließ sich den Rechner vorführen, der heute im Konrad-Zuse-Museum in Hünfeld zu sehen ist.
Anlässlich des 80. Jubiläum empfehlen wir diesen Artikel aus unserem Archiv.