Rechnen ohne Strom

Stellen Sie sich vor: Der Strom fällt aus, Ihr Bildschirm wird dunkel, die Lampen erlöschen. Sie sitzen im Dunkeln. An der ETH Zürich bricht ein Computerprogramm, das seit zwei Tagen Berechnungen anstellt, zusammen. – Das konnte Wissenschaftlern in früheren Jahrhunderten nicht passieren, denn sie rechneten im Kopf und mit Papier und Bleistift. – Oder etwa doch nicht? Wie schafften sie es, in Mathematik, Astronomie oder Physik ganz ohne Strom bahnbrechende Entdeckungen zu machen?

Frühe Anleitungen zum Rechnen beinhalten die sogenannten Rechenbücher, von denen sich einige Exemplare aus dem 16. Jahrhundert im Bestand der ETH-Bibliothek befinden. Diese Publikationen richteten sich insbesondere an Kaufleute, kamen aber auch in der Vermessungstechnik, der Astronomie und in der Schule zum Einsatz. Es war den Autoren ein Anliegen, die Bücher praxisnah und auf Deutsch zu verfassen sowie mit vielen Beispielen anzureichern. Die Mathematik sahen sie als Grundlage für andere Künste. Adam Ries bezieht sich im Vorwort seines Buches auf Platon, der auf die Frage, wodurch sich der Mensch von den Tieren unterscheide, geantwortet habe, dass er „rechnen kan unnd verstand der zale hab“ 1 .

Neben theoretischen Ausführungen waren auch konkrete Hilfsmittel zum Rechnen wichtig. Die ETH-Bibliothek ist im Besitz von Rechenmaschinen, die ohne Strom funktionieren – als Teil der „Sammlung Sternwarte“, einer Sammlung historischer Instrumente. Anhand ausgewählter Geräte wird in dieser Geschichte ausschnitthaft deren Entwicklung nachgezeichnet. Hierbei wird deutlich, dass die Rechenmaschinen dank ihrer kontinuierlichen Verbesserung und Erweiterung Wegbereiter des Computers sind.

Sogar in der Schule kamen die Schüler bereits vor Jahrhunderten in den Genuss von Abakussen und Rechenschiebern 2 . Vermutlich hätten viele aber trotzdem alles darum gegeben, Geräte zur Hand zu haben, die ihnen die mühselige Denkarbeit abnehmen…

Seit Jahrtausenden erfinden die Menschen Hilfsmittel, um in der Wissenschaft, im Handel 3 und anderen Gebieten komplexere Aufgabenstellungen bewältigen und schneller rechnen zu können. Das Streben nach einfacher Bedienung und schnellem Rechnen stand bei der Entwicklung der Rechenhilfsmittel denn auch stets im Zentrum: vom Fingerrechnen bis zu den heutigen Rechnern – bekannter als Computer. Dennoch besitzen gewisse historische Rechenhilfsmittel auch in der heutigen Zeit ihre Berechtigung, wie ETH-Professor Roy Wagner ausführt.

Rechenhilfsmittel wurden schon bald für verschiedene Berufsgruppen und Zwecke hergestellt und verkauft: Bei den Rechenschiebern zum Beispiel gab es neben den gewöhnlichen logarithmischen Rechenschiebern auch Rechenstäbe zur Ausführung tachymetrischer Rechnungen oder speziell für Maschinen- und Elektroingenieure. 4 So wie heute Software für unterschiedliche Anwendungen und Berufsgruppen von spezialisierten Firmen entwickelt wird, wurden bereits im 19. Jahrhundert Rechengeräte für unterschiedliche Funktionen und Kundengruppen gezielt produziert. Damit verbunden war die Werbung in Zeitschriften und Büchern.

Die Fähigkeit, Rechenhilfsmittel bedienen zu können, bildete bereits früher eine Voraussetzung, um sich im Berufsalltag zu bewähren: „Sicherheit im Rechnen mit dem Rechenschieber und Gewandtheit in Benützung von Tabellen muss bei uns jeder über 18 Jahre alte technische Beamte besitzen, andernfalls sofortige Entlassung.“ 6 Dies gilt, wenn auch anders formuliert, bis heute: Gibt es doch kaum eine Branche, in der nicht „Sicherheit“ und „Gewandtheit“ in der Benutzung von Computern vorausgesetzt wird.

Rechenmaschinen und Rechenhilfsmittel ganz allgemein fanden nicht nur in Industrie und Verwaltung breite Anwendung, sondern auch in der Forschung. Vor allem die mechanischen Rechenmaschinen waren im 19. und 20. Jahrhundert ein ausgesprochen beliebtes „Werkzeug zur Bewältigung von zeitraubenden Rechenarbeiten“Zum Tweeten klicken 7 .

Die Objekte der vom ersten Astronomie-Professor der ETH Zürich, Rudolf Wolf 8 , angelegten Sammlung für naturwissenschaftliche Forschungen und universitäre Lehre gehören heute zum wissenschaftlichen Kulturerbe der ETH Zürich. Unter den 296 Objekten der Sammlung der ehemaligen Eidgenössischen Sternwarte Zürich befindet sich neben den unterschiedlichsten wissenschaftlichen Instrumenten auch eine Gruppe von Rechengeräten. 9

Wissenschaftler wie zum Beispiel Wilhelm Schickard 16 (1592–1635), Blaise Pascal (1623–1662), Gottfried Wilhelm Leibniz 17 (1646–1716), Caspar Schott (1608–1666) oder der Versicherungsfachmann Charles Xavier Thomas (1785–1870) entwickelten bereits in früheren Jahrhunderten Geräte, die als Vorläufer heutiger Computer bezeichnet werden können. In alten Drucken lassen sich entsprechende Abbildungen von diesen und anderen Erfindern entdecken.

Der Engländer Charles Babbage entwickelte zu Beginn des 19. Jahrhunderts mit der „arithmetischen Maschine“ einen Vorläufer des Computers 18 . Wesentliche Vorteile sah er in betriebswirtschaftlichen Überlegungen: in der Vermeidung von Fehlern, der Fähigkeit stundenlang in gleichbleibendem Tempo zu arbeiten, der Schnelligkeit und dem geringeren Einsatz von Menschen:

Als Vergleich zieht er „the most stupendous monument of arithmetical calculation which the world has yet produced“ heran, das im Auftrag der französischen Regierung von Gaspard de Prony durchgeführt worden war. Babbage legt dar, dass mithilfe einer Maschine anstatt der eingesetzten 96 Personen nur 12 notwendig gewesen wären.

Nach dieser als Differenzmaschine bekannten mechanischen Rechenmaschine beschrieb Babbage 1837 eine analytische Maschine, mit der er dem Computer einen entscheidenden Schritt näherkam, wenn auch die Maschine nicht gebaut werden konnte. (Danach gelang es erst rund 100 Jahre später Konrad Zuse, mit dem Z3 den ersten funktionierenden Computer zu bauen 20 .) Für Babbages „Analytical Engine“ 21 entwickelte Ada Lovelace – britische Mathematikerin und Programmiererin – ein komplexes Programm. Sie hatte verstanden, dass die analytische Maschine mit Algorithmen und somit selbständig funktioniert und dass deren Anwendung über Rechenoperationen hinausgehen könnte. 22

Mit dem Beginn der Industrialisierung nahm die Menge der Erfindungen und die Begeisterung für Maschinen merklich zu. So wurden denn auch an der ersten Weltausstellung „The great exhibition of the works of industry of all nations“ in London 1851 Rechenmaschinen präsentiert 23 . Als beste wurde ein Modell des polnischen Erfinders Izrael Abraham Staffel 24 angesehen, der – nachdem er in den Jahren davor bereits mehrere Preise erhalten hatte – dafür eine Medaille gewann. Die Maschine konnte neben addieren, subtrahieren, multiplizieren und dividieren auch Quadratwurzeln ziehen. 25

Mit dem Begriff „Rechenmaschinen“ werden Rechenapparate bezeichnet, die mit einer automatischen Zehnerübertragung ausgestattet sind 26 . In der Sammlung Sternwarte der ETH Zürich sind zwei seltene Rechenmaschinen dieser Art zu finden: eine Tastenaddiermaschine von Jean-Baptiste Schwilgué und ein Arithmometer von Charles Xavier Thomas de Colmar. 27

Thomas de Colmar, Erfinder und Versicherungsdirektor in Paris, erhielt am 18. November 1820 ein Patent für eine „machine appelée arithmomètre, propre à suppléer à la mémoire et à l’intelligence dans toutes les opérations d’arithmétique“ 28 . Er nahm mit seinem weiterentwickelten Arithmometer auch an der Weltausstellung 1851 in London teil und erhielt ebenfalls eine Medaille: die Jury stufte sie hinter jener von Staffel als zweitbeste ein 29 . Die im Jahr 1822 entwickelte Maschine war die erste Rechenmaschine, die in höheren Stückzahlen produziert und für einen grösseren Verbraucherkreis auf den Markt gebracht wurde 30 . Trotzdem kann jede einzelne Anfertigung als Unikat gesehen werden, da die Geräte bei der Serienproduktion laufend verbessert wurden 31 . Die Bedeutung dieser Maschine liegt in ihrem Vorbildcharakter, bildet sie doch den Grundtyp für alle späteren erweiterten Additionsmaschinen 32 und stellt somit einen Meilenstein in der Geschichte der Rechentechnik dar. 33

Die Schwilgué-Tastenaddiermaschine beherrscht im Gegensatz zum Thomas-Arithmometer nur die Addition. Zusammen mit einem älteren Exemplar im Historischen Museum in Strassburg ist die Maschine an der ETH Zürich aus dem Jahr 1851 die weltweit älteste erhaltene Tastenrechenmaschine. 34 Gebaut wurde sie von Jean-Baptiste Schwilgué (1776–1856), Uhrmacher und Mathematiklehrer aus Strassburg. Dieser beantragte im Jahr 1844 ein Patent für seine Addiermaschine, der „additionneur mécanique“ 35 . Diese gehört zu den ersten tastengesteuerten Rechnern auf dem Jahrhunderte langen Weg zu der „heute selbstverständlichen Tastatur“ 36 .

Die Tastenaddiermaschine von Schwilgué fand in alltäglichen Buchungsarbeiten Einsatz. Wie auch die späteren weit verbreiteten Tastenaddierer hält Bruderer das Exemplar der ETH Zürich als besonders geeignet für die Buchhaltung und speziell für das Zusammenzählen langer Zahlenfolgen, Kolonnen genannt. Denn leistungsfähigere Maschinen, wie der Thomas-Arithmometer, waren für diesen Zweck eher umständlich und teuer. 37

Der Einsatz dieser beiden Maschinen in der Arbeit der Eidgenössischen Sternwarte bzw. des Institutes für Astronomie ist nicht dokumentiert. Erst als ihre technischen Grenzen den weiteren Einsatz in der Praxis erschwerten, wurden die beiden Maschinen offizieller Bestandteil der Sammlung Sternwarte: die Schwilgué-Tastenaddiermaschine durch den undatierten handschriftlichen Nachtrag auf Seite 187 des Verzeichnisses, der Thomas-Arithmometer sogar erst im Jahr 1980, als die Eidgenössische Sternwarte geschlossen wurde.

Viele Institute der ETH Zürich verfügten bis in die 1970er Jahre über ohne Strom funktionierende Rechenhilfsmittel, die in der täglichen wissenschaftlichen Arbeit eingesetzt wurden. Dies betraf im Besonderen die Durchführung von Berechnungen, sei dies in der Meteorologie, der Kernphysik oder der Astronomie. Den Rechenmaschinen und vor allem deren Weiterentwicklung wurde grosses Potenzial für die Wissenschaft zugeschrieben 38 . Der Mathematiker John von Neumann (1903–1957) war als einer der ersten der Überzeugung, dass „mit Hilfe schneller elektronischer Rechenanlagen ausgeführte Berechnungen die Lösung vieler schwieriger, ungelöster wissenschaftlicher Probleme wesentlich erleichtern würden […]“. 39 Strombediente Rechner beschleunigten in der Tat ab der Mitte des 20. Jahrhunderts das wissenschaftliche Rechnen und Arbeiten und ermöglichten grosse Entwicklungsschritte.

Auch an der ETH Zürich wurde im 20. Jahrhundert in diesem Bereich Pionierarbeit geleistet. Das Ziel war, den wachsenden Bedürfnissen der Forschung gerecht zu werden. 40 Mit der „Zuse Z4“ von Konrad Zuse 41 setzte die ETH Zürich ab 1950 als erste Hochschule in Kontinentaleuropa einen elektromechanischen Relaisrechner ein 42 . Die ersten Eigenentwicklungen beim computergestützten Rechnen entstanden jedoch im Departement Mathematik. Am dort angesiedelten Institut für Angewandte Mathematik wurde in den 1950er Jahren die ERMETH (Elektronische Rechenmaschine der ETH) entwickelt: ein elektronischer Röhrenrechner (Elektronenrechner). Zum 100-Jahr-Jubiläum der ETH Zürich 1955 konnte die – zwar noch nicht ganz fertiggestellte – ERMETH schliesslich präsentiert werden. 43

Jörg Waldvogel, Prof. emerit. des Instituts für Angewandte Mathematik (Departement Mathematik), ist Zeitzeuge der damaligen Ereignisse und erinnert sich:

Für Waldvogel ist klar, dass wissenschaftliche Durchbrüche wie die amerikanische Mondlandung 1969 nur dank der gewaltigen Fortschritte in der elektronischen Rechentechnik in den 1960er Jahren möglich geworden waren. Dies gilt bis heute.

Die in der aktuellen Forschung zu verarbeitenden Datenmengen erfordern gigantische Rechenkapazitäten, vergleicht man sie zum Beispiel mit der Rechenleistung der ERMETH. Dass man sich heutzutage in ganz anderen Dimensionen bewegt, zeigt das von der ETH Zürich betriebene Centro Svizzero di Calcolo Scientifico CSCS in Lugano 44 , wo sich mit dem Supercomputer „Piz Daint“ der leistungsstärkste Hochleistungsrechner Europas befindet 45 . Die Europäische Kommission hat eine Absichtserklärung zum High Performance Computing (HPC) 46 auf den Weg gebracht, nach der bis zum Jahr 2023 in Europa eine EuroHPC Infrastruktur aufgebaut werden soll 47 .

Die Verbesserung der Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit war während Jahrhunderten Antrieb für die Entwicklung der Rechenhilfsmittel. Die zu verarbeitenden Datenmengen in Industrie und Wissenschaft werden weiter zunehmen. Wie in den vergangenen Jahrhunderten und Jahrtausenden werden die Menschen weiterhin Hilfsmittel erfinden, die die dafür benötigten Kapazitäten und Anforderungen aufweisen. Als technische Hochschule wird die ETH Zürich hierzu ihren Beitrag leisten. Ob diese Hilfsmittel in Zukunft von der ETH-Bibliothek auch in einer Sammlung für die Nachwelt aufbewahrt werden, wird sich zeigen.

• Abakus: Einfaches mechanisches Rechenhilfsmittel, bestehend aus einem Rahmen mit eingebauten parallelen Stäben, an denen durchbohrte Kugeln hin und her geschoben werden können. 48 zurück >
• Analytische Maschine: Entwurf einer mechanischen Rechenmaschine für allgemeine Anwendungen. Stammend vom britischen Mathematikprofessor Charles Babbage (1791–1871). Stellt einen wichtigen Schritt in der Geschichte des Computer dar. 49 zurück >
• Arithmetische Maschine: Maschine, die mit der Operation von natürlichen Zahlen funktioniert. 50 zurück >
• High Performance Computing (HPC): Hochleistungsrechner, welcher alle Rechenarbeiten umfasst, deren Bearbeitung eine hohe Rechenleistung oder Speicherkapazität benötigt. 51 zurück >
• Rechenscheiben: Entspricht dem Rechenschieber, unterscheidet sich aber in der runden Form. 52 zurück >
• Rechenschieber: Analoges Rechenhilfsmittel zur mechanisch-grafischen Durchführung von Grundrechenarten, vorzugsweise der Multiplikation und Division. 53 zurück >
• Röhrenrechner: Computer der ersten Generation. Besteht bei den zentralen Schaltelementen aus Elektronenröhren. 54 zurück >
• Zehnerübertragung: Hierbei handelt es sich um einen notwendigen Zwischenschritt beim Zählen in Stellenwertsystemen. Sobald die Anzahl der Elemente in einer Stelle die Basiszahl des Stellenwertsystems erreicht, werden diese entfernt und durch die Addition einer Eins in der nächst höheren Stelle ersetzt, es erfolgt also eine Bündelung bzw. Streichung mit Übertrag. 55 zurück >
• Zuse Z4: Erster kommerzieller Computer 56 zurück >
• Tachymetrisch: Stammt von Tachymetrie ab und ist eine Form der «Schnellmessung». Sie ermöglicht gleichzeitige Aufnahme der Lage und Höhe. 57 zurück >