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05.11.1982 - 

Als die Computer rechnen lernten (II):

Kellerspeicher erhöhten Rechengeschwindigkeit

Der erste Teil dieses Rückblicks auf die DV-Geschichte neben Zuse und anderen Altmeistern behandelte die Entwicklung bis zur ersten deutschen elektronischen Rechenmaschine, der G1 aus Göttingen. Dieser Apparat führte zwei Operationen pro Sekunde aus und arbeitete mit dem In Göttingen erfundenen Trommelspeicher für 26 Worte á 32 Bit.

Man kann sich heute kaum mehr vorstellen, daß mit einer Maschine wie dieser simplen G1 mehr geleistet werden konnte als NIM-Spiele oder allenfalls einfache Berechnungen auszufahren. Doch weit gefehlt: Die Göttinger Astrophysiker griffen begierig nach dem neuen Wunderding und berechneten damit immerhin

- die Bahnen, die die Teilchen der kosmischen Höhenstrahlung im Erdmagnetfeld beschreiben

- Fragen zur Theorie der Atomhüllen sowie der Atomkerne und

- die nichtstationären Stoßwellen, die im Rahmen der kosmischen Hydrodynamik von besonderer Bedeutung sind.

Bald waren übrigens zahlreiche Mitarbeiter auf diesem Gerät eingearbeitet, das dann auch rasch pro Monat Betriebszeiten von 300 bis 400 stunden erreichen sollte - oft nachts, denn auch damals war Rechenzeit meist knapp.

Der Rückblick anläßlich Billings Emeritierung zeigt übrigens, wie weitsichtig die Göttinger Wissenschaftler schon damals waren: Prof. Biermann, der Förderer dieser Maschine, ermutigte nämlich ausdrücklich, an der teuren Novität nicht nur unmittelbar "nützliche" Numerik zu betreiben, sondern ihr auch nichtnumerische Aufgaben, also "echte Computerei" zu übertragen.

Noch ein lobendes Wort gebührt dem Ur-Maschinchen aus Göttingen: Es fiel nur etwa fünf Prozent der gesamten Betriebszeit unvorhergesehen aus. Eine für damalige Zeiten durchaus beachtliche Leistung.

Während die G1 bei den Göttinger Forschern immer beliebter wurde, ging parallel die Entwicklung der G2 flott weiter. Hatte man bei der G1 noch bestimmte, prinzipielle Leistungsgrenzen in Kauf genommen, um die Maschine schnell einsetzen zu können so sollten der G2 keine solchen Grenzen mehr gesetzt sein, sieht man von jenen Restriktionen ab, die der vorgegebene Maximalaufwand setzte.

Von ihrer Vorläuferin G1 unterschied die G2 sich einmal durch ihr 10- bis 20fach schnelleres Arbeiten und ihren viel größeren Speicher: eine Trommel, die 2048 Zahlen mit je 15 Dezimalstellen faßte. Vor allem war sie aber durch ihre flexible Steuerung gekennzeichnet, denn nicht mehr die starre Befehlsfolge des Lochstreifens sollte ihre Arbeitsweise bestimmen: Vielmehr speicherte man die Befehle "im Zahlenspeicher" (Billing) der Maschine und konnte so natürlich alle modernen Möglichkeiten der flexiblen Programmgestaltung nutzen. Um Billing zu zitieren: "Da man die Kommandos jetzt wie Zahlen behandelte konnte die Rechenmaschine sie auch im Lauf der Rechnung selbsttätig umrechnen. . . Hierdurch ergaben sich prinzipiell neue Möglichkeiten, wie zum Beispiel das Ablesen eines Funktionswerts aus einer vorher in der Maschine gespeicherten Funktionstafel".

Sogar ein Indexregister

Man muß immer wieder versuchen, sich in die Situation unserer Computerpioniere zurückzuversetzen, will man erahnen, welche Begeisterung technische Daten wie etwa die folgenden damals hervorrufen mußten: Als "speicher-kommandierte" Maschine hatte die G2 bereits 32 (!) Befehle, wobei sie mit zwei Befehlen pro 50-Bit-Wort arbeitete. Sie hatte laut Billing etwas mehr als die (damals!) üblichen Entscheidungsbefehle und besaß sogar, Gipfel des Raffinements, ein Indexregister.

Von dieser G2 ist in den Chroniken überliefert, daß sie anfangs ein etwas launenhaftes Biest gewesen sein muß; keine zwei Stunden vergingen (im Durchschnitt) zwischen zwei Fehlern. Doch mit der Zeit besserten sich die Dinge und bis zur Außer-Dienst-Stellung 1961 erreichte auch die G2 doch noch ein, ordentliches Zuverlässigkeitsniveau.

Als "wissenschaftliche Hilfskraft" des Göttinger Max-Planck-Instituts wurde die G2 für äußerst vielfältige Aufgaben eingesetzt, keineswegs etwa nur für lange, monotone Routinearbeiten, wie ihre übrigens bis zu 100mal schnelleren Kollegen im kaufmännischen Sektor. So entstand in Göttingen bald eine Software-Bibliothek mit immer wieder benutzbaren Lochbändern für Teilprobleme. Wobei die Max-Planck-Rechenkünstler sogar so geschickt waren, der G2 zur individuellen Anpassung der jeweils vorgefundenen "Standard-Software" an ihr aktuelles Problem eine besondere Vorrichtung zu verpassen, mit deren Hilfe diese Arbeit automatisch erledigt werden konnte.

Und fortan parallel...

Waren die G1 und die G2 noch seriell arbeitende Maschinen, so sollte das nächste Göttinger Projekt, Billings G3, alle Ziffern zweier Zahlen erstmals parallel addieren. Das war bislang nicht möglich, da ein hinreichend schnelles Speichermedium fehlte, erinnert sich Billing; aber wieder einmal half Ideen-Import weiter.

Da gab es in den USA nämlich seit 1952 die kleinen Ferritkerne als schnelles, magnetisches Speichermedium, und sie halfen, die Zugriffszeit von 2000 bis auf 10 Mikrosekunden zu verkürzen. Solche Kerne, bald auch aus deutscher Produktion zu haben (die Max-Planck-Computeure regten eigens deren Herstellung durch die Firma Stemag an) kosteten damals pro Bit noch 50 Pfennig. Mit ihnen entwickelten die Forscher einen Kernspeicher für 4096 Worte zu je 42 + 1 Bit.

In eigener Entwicklung entstanden in Göttingen außerdem ganze Ketten von Ferritkernen als Schieberegister, mit deren Hilfe die aus England stammende Idee der "Mikroprogrammierung" realisiert werden sollte. Das heißt, komplexere Befehle wie etwa das Wurzelziehen, werden aus einer Reihe von Elementarbefehlen zusammengestellt, die auf ein Kommando hin aus dem Mikroprogrammspeicher geholt und abgearbeitet werden.

Die Mikroprogramm-Ferritkern-Ketten, berichtet Billing, konnten von Impulsen im Abstand von je fünf Mikrosekunden aktiviert werden, wobei die Impulse bei jedem einzelnen Ketten-Glied eben die zugehörige Mikrooperation auslösten. Da je eine Kette einem Rechenbefehl entsprach und die einzelnen Ketten Verzweigungen, Verknüpfungen und Schleifen bilden konnten, boten sie den Programmierern sehr flexible Gestaltungsmöglichkeiten.

Diese Flexibilität betraf aber nicht allein die Zusammenstellung eines Rechenprogramms, sondern auch spätere Änderungen der Hardware. Denn sie boten ja die Möglichkeit, auch nach der Inbetriebnahme der G3 neue Maschinenbefehle mittels weiterer Mikroketten, die übrigens ebenso billig wie betriebssicher waren (fast nur Ferritkerne und Dioden) hinzuzufügen.

Sicherheitshalber nur ein Rechner

Bei der Konzeption der G3 hatte Zuverlässigkeit Vorrang vor Tempo und deshalb versuchte man, mit möglichst wenigen der störanfälligen Röhren auszukommen, erinnert sich Billing. Deshalb wurde "die notwendige Modifizierung der abgelesenen Befehle und deren Ausführung nacheinander im gleichen Rechenwerk ausgeführt", schreibt Billing, obwohl man natürlich mit zwei Rechenwerken ein rascheres, überlappendes Arbeiten hätte erreichen können. Mit etwa zehn Prozent mehr Röhren wären die Maschinen dabei um etwa 15 Prozent schneller geworden.

Mußten die Benutzer der G2 noch mit nur einem Indexregister auskommen, so besaß die G3 deren sieben. Außerdem erhielt die Maschine einen "Kellerspeicher" für 16 Worte zur automatischen Aufnahme von Zwischenergebnissen, der die Behandlung von Klammerausdrücken erleichterte.

Die Klammerbefehle, die der erst relativ spät konzipierte Kellerspeicher ermöglichte, erleichterten den Benutzern den Umgang mit der G3 erheblich, sagt Billing. Denn diese Maschine besaß weder einen Compiler noch ein Betriebssystem, dafür allerdings einen sehr guten Assembler. Und tatsächlich konnte man bei Billings Emeritierung auch wiederholt hören, daß die G3 damals dennoch als "ausgesprochen benutzerfreundliche" Maschine angesehen wurde, die auch in späteren Jahren (bei freier Wahlmöglichkeit) noch vielfach einem weit schnelleren IBM-Rechner gegenüber bevorzugt wurde. Vor allem für die wissenschaftlichen Aufgabenstellungen, erinnerte sich beispielsweise Prof. Biermann, war die G3 besonders geeignet und das maschinennahe Programmieren gab den Benutzern einen tiefen, auch bei späteren Computern nutzbringenden Einblick in die Arbeitsweise ihres Rechenwerkzeugs.

Dennoch darf natürlich nicht übersehen werden, daß die G3 wegen der vielfältigen, zeitraubenden Verbesserungen im Zuge ihrer Entwicklung schon 1960, im Jahr ihrer Inbetriebnahme, fast ein Anachronismus war. Denn damals gab es bereits einsatzfähige Transistor-Computer, denen natürlich die Zukunft gehörte.

Dafür haben die Konstrukteure dieser G3 aber ihr Hauptziel, "zuverlässiges Arbeiten", erreicht. Die Ausfallrate von 1, 1 Prozent der Betriebszeit war erstaunlich gering, bedenkt man, daß hier immerhin 1500 Röhren gleichzeitig in Betrieb waren. Bis zu ihrer Stillegung 1972 kam die Maschine immerhin auf 57 300 Betriebsstunden.

*Peter Lange ist freier Wissenschaftsjournalist in München.