Notes

Vorgeschichte
- erste bekannte Rechenhilfe – Hände und Füße
- ca. 30.000 v. Chr. Erstes Kerbholz - Einritzen von Kerben in Holz
- ca. 2700 bis 2300 v. Chr. Erster Abakus - auf Sumer zurückzuführen - Holz- oder Tontafel in Spalten unterteilt im Sexagesimalsystem (Stellenwertsystem bis 60) - in Spalten wurden gleichgroße Steine oder kurze Schilfrohre gelegt
- ca. 2000 v. Chr. Anpassung des Abakus ins Dezimalsystem - durch Babyloner
- Napiersche Rechstäbchen von John Napier (erste Erwähnung 1617) - erste Multiplikationshilfe → Grundlage für die Rechenmaschine von Wilhelm Schickard

0. Generationen (Mechanischen Rechenmaschinen und Relaisrechner)
- ab ca. 1600 bis ca. 1940
- Merkmal - Berechnung mithilfe von mechanischen Bauteilen
- Relais durch Elektromagnetismus auslösender Schalter, dabei durch einen Anker die Arbeitskontakte geschlossen damit ist es ein elektromechanisches Bauelement
- Nennenswerte Beispiele der Mechanischen Rechenmaschinen:
Rechenuhr – von Wilhelm Schickard - 1623 in Brief beschrieben
- hatte Addier- und Subtrahierwerk
- Multiplikation und Division durch eine den Napierschen Rechenstäben nachempfundene Vorrichtung
- konnte bis zu sechsstellige Zahlen addieren und subtrahieren

Pascaline
- von Blaise Pascal
- erfunden 1642
- galt bis ins 20. Jahrhundert als älteste Rechenmaschine bis Konstruktionen der „Rechenuhr“ von Wilhelm Schickard aufgefunden wurden
- auch in der Lage sechsstellige Zahlen zu addieren und subtrahieren
- komplizierte Handhabung – nicht für den alltäglichen Einsatz verwendet

Staffelwalzen-Maschine
- von Gottfried Wilhelm Leibniz
- 1673 der Royal Society in London vorgestellt
- funktioniert nach Staffelwalzenprinzip (siehe Bild)

Tabelliermaschine
- von Herman Hollerith erfunden
- kam 1887 zur Volkszählung in USA zum Einsatz
- Besonderes Merkmal - arbeitete mit Lochkarten
- man schob Lochkarte per Hand rein und die Maschine diente als Zähler
- 1880 dauerte Auszählung 8 Jahre – 1890 nur 1 Jahr!

Zuse 1
- von Konrad Zuse
- 1937 fertiggestellt in seinem Wohnzimmer
- arbeitete mit binären Zahlen und besaß ein Eingabe-, Ausgabe-, Rechen-, Speicher- und Programmwerk
- Programme von gelochten Filmstreifen abgelesen
- Nachteil – Schaltglieder verhakten sich des Öfteren
- im 2. Weltkrieg zerstört – 1989 stellte Konrad Zuse den Nachbau fertig

Relaisrechner/Elektromechanische Rechner

Beispiele für Relaisrechner

Zuse 2
- von Konrad Zuse
- 1939 fertiggestellt und diente als Prototyp zum Überprüfen ob Relais zuverlässiger sind
- Taktfrequenz ca. 10 Hertz, beherrscht vier Grundrechenarten, 16-Bit Speicher, wog 300 Kilogramm

Zuse 3
- von Konrad Zuse und Helmut Schreyer
- 1941 vorgestellt und gilt als erste programmierbarer Digitalrechner
- bestand aus 600 Relais, konnte vier Grundrechenarten, Quadratwurzel ziehen, Dezimal-Dual und Dual-Dezimalzahlen umwandeln
- Relais-Speicher aus 1400 Relais
- Programme wurde bei ihr über Lochstreifenleser eingelsen

Mark 1
- von Howard Hathaway Aiken, und IBM-Ingenieuren: Clair Lake, Frank E. Hamilton, Benjamin Durfee, James W. Bryce entwickelt und von IBM gebaut zwischen 1943 und 1944 gebaut
- nach dem Zuse 3 zweiter universell programmierbarer Rechner
- verfügte über In- und Output über Lochstreifen
- Ausmaße waren 16m lang, 2,4m hoch, 0,6m tief und wog etwa 4500kg.

1. Generation (Elektronenröhrenrechner)
- ab 1946 bis 1955
- basieren auf Elektronenröhren – rein elektrisch!
- Elektronenröhren wurden für den Speicher und die Schaltung die den CPU darstellt verwendet
- Merkmale: produzierten viel Abwärme, teuer, störanfällig (z.B. durchbrennen), verbrauchten viel Energie und Platz
- Ein- und Ausgang mit Lochkarten/-streifen und Magnetbändern realisiert
- programmiert anfangs noch mit Steckverbindungen die abfotografiert wurden, später Lochkarten
- unterstützten nur Maschinensprache – Instruktionen die vom Prozessor direkt ausgeführt wurden können

Beispiel: ENIAC
- Inbetriebnahme 14. Februar 1946
- Berechnung ballistischer Tabellen für die US-Armee entwickelt (Ballistik Lehre = Lehre für den geworfenen Körper, in diesem Fall speziell Projektile [Gewehr und Raketen])
- bestand aus ca. 20.000 Elektronenröhren, 70.000 Widerständen, geschätzten 5.000.000 händig gelöteten Verbindungen, wog etwa 27 Tonnen, hatte eine Grundfläche von 167m² und seine Leistungsaufnahme betrug 150.000 Watt
- Kosten der Konstruktion und Entwicklung betrugen 487.000$, (entspricht 6.887.000$ im Jahr 2017)
- Input durch IBM gefertigten Lochkartenleser und Output mit Lochkartenstanzer von IBM
- Weitere Beispiele für Elektronenröhrenrechner EDVAC, UNIVAC, IBM-701 und IBM-650

2. Generation (Transisorenrechner)
- von 1955 bis ca. Mitte der 60er Jahre
- Transistor erfunden 1947
- Eigenschaften: größere Zuverlässigkeit, kompaktere Größe, weniger erzeugte Abwärme, geringerer Stromverbrauch, kostenintensiv
- unterstützten Assembler- (Anstatt das Verwenden von Zahlen konnten die Programmierer einzelne Wörter für bestimmte Befehle verwenden – nur unter bestimmten Computer-Architekturen) und Höhere Programmiersprachen (Verwendbarkeit der Programmiersprache auf verschiedenen Architekturen möglich)
- Beispiele TRADIC, Harwell CADET, UNIVAC 1108, IBM 1620, IBM 7094, CDC 1604 und CDC 3600

3. Generation (Integrierte Schaltkreise)
- ab Mitte der 60er Jahre bis Anfang der 70er Jahre
- Computer nutzen sogenannte ICs (Integrated Circiuts = Integrierte Schaltkreise) anstelle von Transistoren
- einzelner IC besitzt viele Transistoren, Dioden, Widerstände und Kondensatoren mit den damit verbundenen Schaltkreisen und wird aus einem Halbleiter hergestellt
- ersten Varianten aus Germanium, später und bis heute aus Silizium
- erste IC wurde von Jack Kilby, der der Firma Texas Instruments zugehörig war, auf Germanium hergestellt
- Vorteile: noch kleiner, noch weniger Abwärme, schneller, weniger Stromverbrauch, zuverlässiger und durchgehende Unterstützung Höherer Programmiersprachen
- weitere Neuerung - nicht mehr über Lochkarten sondern über Keyboard, Monitor und Betriebssystem interagiert
- Betriebssystem ermöglichten das Ausführen mehrerer Programme zur gleichen Zeit
- kleineres Format und günstiger - größere Menge an Leuten konnten sich Computer für ihr Unternehmen leisten
- Beispiele: IBM-360 series, Honeywell-6000 series, PDP (Personal Data Processor), IBM-370/168 und TDC-316

4. Generation (Mikroprozessoren)
- Eingeläutet von Intel 4004 - 1971 entwickelt (stellt den ersten in Serie produzierten sowie auf dem freien Markt erhältlichen Mikroprozessor dar)
- bis jetzt kein Ende
- arbeitete mit einer Frequenz von 740kHz, besaß 2300 Transistoren
- brachte das was in der 1. Generation noch Räume gefüllt hatte auf etwa 12mm² unter
- Merkmale: noch kleiner, günstiger und vor allem leistungsfähiger
- dadurch „PCs“ (Personal Computer) traten in Erscheinung
- 4. Generation brachte auch Entwicklung von Grafischen-Benutzeroberflächen, Maus und Internet mit sich
- Mikroprozessor findet bis heute und wahrscheinlich auch bis in weite Zukunft seine Verwendung in allen möglichen elektronischen Geräten

5. Generation (künstliche Intelligenz, Quantencomputer, Supraleiter und Parallelrechner)
- ab ca. 1981 durch die Ankündigung eines zehnjährigen Forschungsprogramms der Japanischen Regierung, zur Entwicklung der nächsten Computergeneration (https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-642-69706-7_4)
- Künstliche Intelligenz oder kurz KI (englisch = AI = Artificial Intelligence) schon in alltäglichen Produkten z.B. Handy Spracherkennung (Stichwort Siri, Cortana und Google Now), Autos Fahrassistenzsystemen und Autonomen Fahrzeugen, Videospiele
- Ziel der KI → Computer zu denkenden Maschinen zu machen, sprich von Fehler zu lernen und sich ständig zu verbessern
- Parallelrechner und Supraleiter sollen bei Entwicklung der Künstlichen Intelligenz helfen → da diese hohe Rechenleistung benötigt
- Parallelrechner Vorstellung → ein großes Gehäuse in dem viele Prozessoren untergebracht werden (diese können CPUs oder GPUs sein)
- all diese Prozessoren in der Lage jeweils einzeln eine eigene Aufgabe zu erledigen und deren Ergebnisse an andere Prozessoren mitzuteilen bzw. zu teilen
- „Supraleiter sind einfach Materialien, deren elektrischer Widerstand beim Unterschreiten der sogenannten „Sprungtemperatur“ abrupt auf null fällt.“
- Nachteil an Superleiter → auf extrem niedriger Temperaturen gebracht werden müssen.
- Kühlung erfolgt meist mit siedenden Helium (-269°C) oder Stickstoff (-196°C)
- Quantencomputer→enorme Rechenleistung
- in Zukunft in der Lage sein, „…Moleküle in wenigen Minuten zu simulieren, während „traditionelle“ Rechensysteme 5 Tage brauchen.“
- beruhen auf Gesetzen der Quantenmechanik
- im Kontrast dazu funktionieren heutige Computer auf Gesetzen klassischer Physik und Informatik
- Quantencomputer nicht für die Erstellung von Power-Point Präsentationen geeignet, sondern zur Lösung von Problemen in der Quantenchemie
- Anwendungsbeispiel → Simulation von Materialien um deren elektronische Struktur von Atomen und Molekülen zu ermitteln