70 Jahre freiprogrammierbare Computer Einblicke in den legendären Zuse-Computer Z3

Autor / Redakteur: Andreas Heck * / Kristin Rinortner

Anlässlich des 70. Geburtstages des Computers hat Horst Zuse, Sohn des Computerpioniers Konrad Zuse, den legendären Z3 nachgebaut. Wir werfen einen Blick ins Innere des Ur-Computers mit 2400 Relais.

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Z3-Nachbau: Der nach rund einjähriger Bauphase fertig gestellte, voll funktionsfähige Nachbau des Z3 ist wie das Original mit 5 Hz getaktet und besteht aus einer Bedienkonsole, dem Rechenwerk und dem Speicher, der alleine zwei mannshohe Schränke füllt.
Z3-Nachbau: Der nach rund einjähriger Bauphase fertig gestellte, voll funktionsfähige Nachbau des Z3 ist wie das Original mit 5 Hz getaktet und besteht aus einer Bedienkonsole, dem Rechenwerk und dem Speicher, der alleine zwei mannshohe Schränke füllt.
(Bild: Finder)

Als der Ingenieur Konrad Ernst Otto Zuse im Mai 1941 im elterlichen Wohnzimmer in Berlin-Kreuzberg den ersten frei programmierbaren Computer der Welt, den Z3, zusammenbaute, ahnte er wahrscheinlich nicht, dass 70 Jahre später die Mikroprozessoren zum unentbehrlichen und integralen Bestandteil unseres Lebens und Alltags werden würden. Anlässlich des runden Geburtstags des Urvaters aller Computer hat Konrad Zuses Sohn, Prof. Dr. Horst Zuse, einen funktionsfähigen Nachbau des Z3 geschaffen.

Computer sind aus unserem Leben heute kaum mehr wegzudenken – nicht nur bei den ganz offensichtlichen Anwendungen, wie PCs und Rechenzentren, sondern auch in Telefonen, in der Medizin bis hin zu Ampelschaltungen oder Spielzeug. Die Anfänge der modernen Computertechnik liegen in den 30er Jahren des 20. Jahrhunderts, während zuvor nur mechanische „Computer“ ohne freie Eingabemöglichkeit entwickelt wurden.

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Einer der Pioniere dieser Ingenieurskunst war Konrad Zuse (*1910, †1995), der im Mai 1941 mit dem Zuse Z3 den ersten frei programmierbaren und turing-vollständigen Computer mit Gleitkommaarithmetik konstruierte und erfolgreich in Betrieb nahm.

Für seine zukünftigen Computerprototypen entwickelte Konrad Zuse schon Mitte der 30er-Jahre die Methode der binären Gleitkommazahlenberechnung auf der Grundlage von Mantisse und Exponent – ein Verfahren, das bis heute das Rechenprinzip jedes modernen Computers ist. Zum ersten Mal zum praktischen Einsatz kam dieser Algorithmus 1938 bei Zuses elektrisch angetriebenem mechanischen Rechner Z1. Dieser verfügte bereits über Ein-/Ausgabewerk, ein Rechen-, Speicher- sowie ein Programmwerk und bekam seinen „Input“ über Lochstreifen.

Aufgrund der mechanischen Arbeitsweise litt die Konstruktion allerdings noch an häufig klemmenden Schaltwerken und Rechenfehlern. Daher entschied sich Zuse bereits während der Konstruktion der Z1 dafür, bei späteren Prototypen elektromechanische Relais zu verwenden. Nach der Konstruktion des Prototypen Z2 im Jahr 1939 gelang Konrad Zuse dann 1941 mit dem Z3 die Fertigstellung des ersten funktionsfähigen programmierbaren Computers der Welt.

Hoher Konstruktionsaufwand beim Ur-Computer

Die benötigten Relais für das Herzstück der Z3 bezog Konrad Zuse vom Berliner Fernmeldezeugamt. Dort erhielt er ausrangierte Telefonrelais, die für die Fernmeldetechnik nicht mehr zu verwenden waren. Nachdem er zusätzliche Kontakte an den Relais angebracht hatte, justierte Konrad Zuse diese mühsam einzeln per Zange.

Bereits vorhandene, korrodierte Kontakte hingegen mussten mit Schleifpapier wieder leitfähig gemacht werden – bei 2400 verwendeten Relais ein schweres Stück Arbeit. Um zu verhindern, dass beim Schalten ein Abreißfunken die Kontakte verbrennt, verwendete Zuse eine Schaltwalze, die im Moment des Schaltvorgangs die Spannung unterbrach.

Die Programmierung des Z3 erfolgte über Lochstreifen – verwendet wurden dazu normale Filmstreifen aus Zelluloid. Getaktet war der Computer mit rund 5 Hz, eine Multiplikation dauerte damit etwa drei Sekunden.

Eingesetzt wurde die Z3 in der Flugzeugkonstruktion: Sie berechnete komplexe Matrizes, die bei der Untersuchung des Phänomens des Flügelflatterns bei Flugzeugen benötigt wurden. Am 21. Dezember 1943 ging die Z3 bei einem Bombenangriff verloren – übrig blieben lediglich eine Zeichnung und die Patentunterlagen. Seit 1962 befindet sich ein Nachbau der Z3 zu Ausstellungszwecken im Deutschen Museum in München.

Funktionaler Nachbau mit Koppel-Relais

Im Jahr 2010, anlässlich des 100. Geburtstags Konrad Zuses, entschloss sich sein ältester Sohn, der Informatikprofessor Horst Konrad Zuse,einen funktionalen Nachbau der Z3 zu realisieren.Ziel sollte dabei nicht sein, ein Museumsstück „zum Angucken“ zu schaffen, sondern vielmehr die Technik und Funktionsweise des Computers im Geiste des Vaters nachzubilden.

Statt der von Konrad Zuse 1941 verwendeten 2400 ausgemusterten elektromechanischen Telefonrelais – solche Relais sind heute nicht mehr erhältlich – setzte Horst Zuse industrielle Koppel-Relais mit ein bis vier Umschaltkontakten vom Relaisspezialisten Finder ein. Diese funktionieren nach dem gleichen Grundprinzip wie die Telefonrelais vor 70 Jahren – sind allerdings zuverlässiger, besser ausgestattet und technisch ausgereifter als ihre Urahnen. Die gekapselten Relais mit Silberkontakten verhindern zudem Kontaktabbrände durch Abreißfunken, so dass Horst Zuse auf den Nachbau der alten Schaltwalze verzichten konnte.

Neben den 600 Koppel-Relais für das Rechenwerk und den 1800 für den Speicher sind im Z3-Nachbau auch noch rund 100 Zeitrelais von Finder im Einsatz, die in einer getakteten Kette den ursprünglichen Schrittschalter ersetzen und die Mikrosequenzen steuern. „Es ist schon erstaunlich, wie aufwendig die Realisierung des Schrittschalters durch eine getaktete Relaiskette ist“, erinnert sich Horst Zuse.

Der nach rund einjähriger Bauphase fertig gestellte Nachbau ist wie das Original mit 5 Hz getaktet und besteht aus einer Bedienkonsole, dem Rechenwerk und dem Speicher, der alleine zwei mannshohe Schränke füllt. Letzterer enthält insgesamt 64 Plätze für Worte mit einer Länge von jeweils 22 Bit. Zusammen mit dem Wählwerk zum Schalten der Adressen ergibt dies die Summe von 1800 Speicherrelais.

Für den Betrieb sind zwei Rechenmodi möglich: entweder ein Lochkarten-Programmmodus oder ein Dialogmodus, bei dem wie bei einem Taschenrechner die Zahlen über Taster an der Konsole eingegeben werden. Da die Z3 mit binären Gleitkommazahlen arbeitet, müssen die eingegebenen Dezimalzahlen zuerst ins Binärformat umgewandelt werden, bevor die Z3 mit den Grundrechenarten arbeiten kann.

So werden beispielsweise bei der Addition die Mantissen bei gleichen Exponenten zusammengezählt. Daher ist es notwendig, die beiden Exponenten anzugleichen, was mit sogenannten Shiftern geschieht, die aus rund 200 Finder-Relais aufgebaut sind.

Den Nachbau der Z3 präsentierte Zuse erstmals auf der Hannover Messe 2011 – genau 70 Jahre nach der Originalkonstruktion. Ein Blickfang neben dem Finder-Messestand, der die zahlreichen Besucher anschaulich in die Anfänge der Computerisierung zurück versetzte.

Nach mehreren Vorführungen in verschiedenen Ausstellungen findet der Nachbau seinen endgültigen Platz im Konrad-Zuse-Museum in Hünfeld.

* * Andreas Heck ist Produktmanager bei Finder in Trebur-Astheim.

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