Digitalrechner

Datei:Z3 Deutsches Museum.JPG

Nachbau der Zuse Z3<ref>Konrad Zuse: Der Computer – Mein Lebenswerk. 2010, doi:10.1007/978-3-642-12096-1. </ref> im Deutschen Museum, einer der ersten funktionsfähigen Digitalrechner. (2008)

Digitalrechner (engl. digit, Ziffer, aus lat. digitum, Finger) sind Rechenmaschinen, die ihre Berechnungen auf der Basis symbolischer, diskreter Zahlenrepräsentationen (meistens in binärer Form, mit den Werten 0 und 1 – auch bekannt als Bits) durchführen.

Digitalrechner bauen auf Digitallogik und Digitaltechnik auf und haben über die Jahrzehnte eine rasante Entwicklung der Rechner- oder Prozessorarchitekturen (programmierbare Rechenwerke) hinter sich. Sie bestehen aus integrierten Schaltkreisen (ICs) oder „Computerchips“ und basieren auf Mikroprozessoren und anderen IC-Bausteinen, wie Speicher. Seit den 1980er Jahren sind alle gebräuchlichen Personal Computer (PC) oder andere computerbasierte Geräte wie Smartphones auch Digitalrechner. Das Gegenstück zu Digitalrechner sind die Analogrechner und unterscheiden sich von Dezimalrechnern.

Digitalrechner bzw. ICs werden von Unternehmen der Halbleiterindustrie entwickelte und produziert. Computer als Systeme für Endanwender werden dagegen von Unternehmen der IT-Branche vertrieben. Spezialisierte Unternehmen entwickeln und vertreiben Großrechner, Supercomputer oder Rechenzentren.

Begriff

Mit Digitalrechnern sind heutzutage im allgemeinen Sprachgebrauch die Computer gemeint, welche seit den 1980er Jahren für Verbraucher verfügbar sind. Die Verwendung des Begriffs Digitalrechner zur Beschreibung des Rechengerätes ist daher relativ begrenzt und der Begriff Binärrechner wird nicht verwendet. Ausschlaggebend ist das Digital, jedoch arbeiten moderne Rechner mit analogen und digitalen Signalen, sogar innerhalb integrierter Schaltkreise (ICs), da auch andere Bauelemente<ref>Klaus Beuth, Olaf Beuth: Bauelemente (= Elektronik. Nr. 2). 21., überarbeitete und erweiterte Auflage. Vogel Communications Group, Würzburg 2022, ISBN 978-3-8343-3499-2. </ref> aus der Elektronik relevante Eigenschaften für Schaltungen besitzen, welche, neben Logikgattern, ebenfalls mikrostrukturiert werden. Der Digitalrechner zielt dabei in der Essenz auf die zentrale Recheneinheit, also den heutigen Prozessor, ab. Allgemein gesprochen spricht man heute von der Computerarchitektur dessen funktional unabdingbarer Kern, der Mikroprozessor ist.<ref></ref> Der gesamte Computer setzt sich jedoch aus vielen weiteren Komponenten um die CPU herum zusammen.

Es existieren viele weitere Geräte, welche man als Digitalrechner bezeichnen kann, z. B. Mikrocontroller, welche ebenfalls „Digital“ und transistorbasiert aufgebaut sind. Diese werden aber häufig nicht direkt als vollständiger Computer (Universalrechner) bezeichnet, da sie meist stark spezialisiert sind.

Geschichte

Die erste systematisierte Verwendung von Zahlen und Zeichen zu Rechenzwecken erfolgte als Teil der Mathematik im Alten Ägypten.<ref></ref><ref>H.-W. Alten u. a.: 4000 Jahre Algebra: Geschichte – Kulturen – Menschen. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 2014, ISBN 978-3-642-38238-3, doi:10.1007/978-3-642-38239-0. </ref> Das Fingerrechnen gilt jedoch als das älteste, triviale Rechenverfahren. Mit den zehn Fingern kann man nicht nur zählen, sondern auch rechnen. Als erster Digitalrechner gilt der Abakus, der in verschiedenen Ausgestaltungen vorkommt: Rechentafel (Rechenbrett), Rechentisch, Zählrahmen (Kugelrechner), Rechentuch. Wie das Fingerrechnen hat sich das „Abakusrechnen“ in gewissen Gegenden bis heute erhalten. Bekannteste Kugelrechner waren der chinesische, der japanische und der russische Abakus.

Erst mit der Entwicklung der Elektrontechnik seit dem Ende des 19. Jahrhunderts und der Elektronik im 20. Jahrhundert kamen Digitalrechner auf. Digitalrechner sind seit spätestens den 1960er Jahren vollständig transistorbasierte Geräte. Als erster Computeringenieur gelang es Dick Grimsdale im Jahr 1956, die Metrovick 950 vollständig mit Transistoren zu bauen. Dies stellte einen bedeutenden Meilenstein in der Computertechnik dar und läutete das Zeitalter der Digitalrechner ein.

Digitalrechner arbeiten auf elektronischer Basis. Es ist jedoch wichtig zu wissen, dass auch röhrenbasierte Rechner, wie der ENIAC, bereits elektronisch arbeiteten. ENIAC u. a. zählten dabei zu den Dezimalrechnern. Historisch sind jedoch auch andere Rechneraufbauten möglich, zum Beispiel auf mechanischer, pneumatischer und optischer Grundlage. Auch Rechner auf den Bauelementen wie Relais existieren. Eine bekannte mechanische Handrechenmaschine war die Curta.

Abgrenzung

→ Hauptartikel: Analogrechner

Der Begriff Digitalrechner wird häufig zur Abgrenzung von Analogrechnern benutzt, die Werte häufig analog (nicht-diskret und nicht algorithmisch) repräsentieren und verarbeiten. Ein Rechenwert wird dabei meist als Elektrische Spannung oder Strom repräsentiert und die Verrechnung durch geeignete elektrische Schaltkreise vorgenommen. Daher sind Analogrechner im Allgemeinen keine Universalrechner.

Allerdings ist diese Sichtweise Digital/Analog nicht eindeutig festgelegt und wird von einzelnen Autoren in Frage gestellt. Der zentrale Kritikpunkt ist, dass eine Definition anhand der verarbeiteten Signalform einer genaueren Betrachtung nicht standhält und – was die eigentlich zentrale Arbeitsweise solcher Rechner betrifft – wenig Sinn ergibt. Es gäbe daher alternativ auch das deutlich ältere, und daher vermutlich auch historisch richtigere, Paradigma nach welchem Analogrechner mit Analogien, also Modellen arbeiten. Dagegen arbeiten speicherprogrammierte Digitalrechner mit Algorithmen, wie es bei so gut wie allen heute üblichen Computersystemen der Fall ist.<ref>Bernd Ulmann: Kolloquium zur Geschichte der Naturwissenschaften, mathematik und Technik 2008. In: www.analogmuseum.org. Bernd Ulmann, 2008, abgerufen am 5. Januar 2025 (deutsch). </ref><ref>DDA on FPGA – A modern Analog Computer. In: Cornell University. Abgerufen am 4. Januar 2025 (). </ref>

Eine andere Art von Rechner sind die Quantenrechner. Sie entstehen seit den 1990er Jahren und befinden sich noch in der Entwicklung. Sie arbeiten nicht mit binären Größen (0/1), sondern mit Quantenzuständen, den Qubits, vgl. auch die Quantenzahlen.

Liste bekannter Computer der 1. Generation

Computermodell	Land	Inbetriebnahme	Gleitkomma- arithmetik	Binär	Elektronisch	Programmierbar	Turingmächtig
Zuse Z3	Deutschland	Mai 1941	Ja	Ja	Nein	Ja, mittels Lochstreifen	über Umwege, nie genutzt
Atanasoff-Berry-Computer	USA	Sommer 1941	Nein	Ja	Ja	Nein	Nein
Colossus	UK	1943	Nein	Ja	Ja	Teilweise, durch Neu­ver­kabelung	Nein
Mark I	USA	1944	Nein	Nein	Nein	Ja, mittels Lochstreifen	Ja
Zuse Z4	Deutschland	März 1945	Ja	Ja	Nein	Ja, mittels Lochstreifen	keine bedingte Sprunganweisung
		um 1950	Ja	Ja	Nein	Ja, mittels Lochstreifen	Ja
ENIAC	USA	1946	Nein	Nein	Ja	Teilweise, durch Neu­ver­kabelung	Ja
		1948	Nein	Nein	Ja	Ja, mittels Wider­stands­matrix	Ja

Auf diese Rechenmaschinen und erste Architekturen folgten kommerzielle Maschinen wie die IBM 701 (Binär- oder Digitalrechner) oder die IBM 7070 (Dezimalrechner). Die Entwicklung der Geräte wurde durch die Mikroelektronik (integrierte Schaltkreise und Transistorbauteile) schlagartig beschleunigt. Man ging von Mikro- zu Nanostrukturen über, d. h., die Bauelemente wurden verkleinert oder im Umkehrfall zu Millionen bis Milliarden Teilen hochskaliert. Die Entwicklung ab den 1970er Jahren wurde vom Mooreschen Gesetz begleitet und bis heute spiegelt die Struktur der Halbleitertechnologie die Entwicklung wider, bis in den Sub-Nanometerbereich (< 10 nm) modernster Mikroprozessoren.

Aufgrund immer kleiner werdender Strukturen, die teilweise an die Grenzen der Physik stoßen (Bereich der Nanotechnologie oder Atomphysik), spielen neuartige Integrations- bzw. Stackingtechnologien für Dies eine entscheidende Rolle. Alle Entwicklungen wurden bisher von der International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) begleitet, welche ab 2017 durch die International Roadmap for Devices and Systems (IRDS) abgelöst wurde: Das Wort „System“ verdeutlicht dabei die zunehmende Komplexität der Technologie und spielt auf das System Engineering an.

Literatur

• M. G. Say, A. C. D. Haley, W. E. Scott (Hrsg.): Analogue And Digital Computers. George Newnes, London 1960 (Textarchiv – Internet Archive). 
• Achim Knüpfer: Technik digitaler Rechenanlagen. Verlag Technik, Berlin 1969. 
• Reinhold Paul: Mikroelektronik. Eine Übersicht. Verlag Technik, Berlin 1981. 
• Klaus Beuth, Olaf Beuth: Digitaltechnik (= Elektronik. Band 4). 14. Auflage. Vogel Communications Group, Würzburg 2019, ISBN 978-3-8343-3299-8. 

Einzelnachweise

<references />