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Geschichte der Supercomputer:Mit Zahnrädern fing es an

Konrad Zuse

Konrad Zuse, der Vater des Computers, auf der Erfindermesse IENA in Nürnberg im Jahr 1982. Seine Z3 aus dem Jahr 1941 gilt als erster funktionierender Digitalrechner.

(Foto: Karl Staedele/dpa)

Die ersten Rechner wurden schon in den 1820er-Jahren entworfen, den ersten Digitalrechner schuf 1941 ein Berliner. Nach 1960 war der Fortschritt dann rasant.

Kerbholz, Knoten in der Schnur oder der Abakus aus Glaskugeln - Menschen suchten und entwickelten schon immer Hilfsmittel, um schneller und besser rechnen zu können. Das effizienteste dieser Werkzeuge ist mittlerweile der Computer. Bis Google jetzt den Durchbruch bei Quantencomputern verkündet hat, waren die sogenannten Supercomputer das Maß aller Dinge. Auf jährlichen Ranglisten veröffentlichen Computerwissenschaftler ihre Spitzenreiter. Derzeit wird sie von "Summit" angeführt, einem Riesenrechner von IBM, der am Oak Ridge National Laboratory in Tennessee, USA, steht und Grundlagenforschung zu sauberer Energie unterstützt. Er hat eine Leistung von 148,6 Petaflops. Ein Petaflops entspricht einer Billiarde Flops. Das Wort ist ein Akronym für "Floating Point Operations Per Second", also Rechenoperationen pro Sekunde.

Ganze 0,3 Flops hatte die vom englischen Mathematiker, Ökonomen und Erfinder Charles Babbage im Jahr 1837 als Entwurf vorgestellte "Analytical Engine". Basierend auf seiner bereits in den 1820ern entwickelten "Differenzmaschine Nr. 1" gilt sie als die erste automatische Rechenmaschine und Vorläufer des modernen Computers. Die Analytical Engine rechnete selbst, der Mensch musste nicht mehr in den Rechenvorgang eingreifen. Sie bestand aus Zahnrädern und verwendete das Dezimalsystem. Angetrieben werden sollte sie von einer Dampfmaschine, gesteuert von programmierbaren Lochkarten. Allerdings wurde sie zu Lebzeiten Babbages nie vollendet. Auch dessen Sohn Henry konnte nur Teile des Prototyps Anfang des 20. Jahrhunderts fertig stellen. Kurz danach geriet der revolutionäre Entwurf viele Jahre in Vergessenheit. Heute weiß man durch Nachbauten, dass die automatische Maschine funktionstüchtig gewesen wäre.

Binärsystem statt Dezimalsystem

Als erster funktionierender Digitalrechner der Welt gilt die Z3, die der Berliner Bauingenieur Konrad Zuse im Jahr 1941 baute. Der Rechner bestand aus 30 000 Kabeln und rund 2500 Relais, also elektrischen Schaltern, wie sie in damaligen Telefonanlagen benutzt wurden. Sie wog etwa eine Tonne und war groß wie eine Schrankwand. Die Z3 verwendete das binäre im Gegensatz zum dezimalen System, also nur die Ziffern Null und Eins. Das Binärsystem galt seither als Grundlage für jeden modernen Computer. Der Zuse-Rechner konnte 64 Wörter speichern und benötigte drei Sekunden für eine Multiplikation. 1944 wurde der Rechner im Zweiten Weltkrieg durch Bombenangriffe zerstört, eine Rekonstruktion steht mittlerweile im Deutschen Museum in München.

350 Flops schafft Eniac (Electronic Numerical Integrator and Computer), der von der US-Armee 1946 der Öffentlichkeit vorgestellte Großrechner. Er bestand aus mehr als 17 000 Elektronenröhren und wog 27 Tonnen. Sein Daseinszweck bestand vor allem darin, die Flugbahnen von Raketen für die Artillerie zu berechnen. Programmiert wurde er vor allem von Frauen. In den 1960ern tauchte dann zum ersten Mal der Begriff Supercomputer auf, die Rechner haben sich soweit ausdifferenziert, dass sie sich deutlich von anderen Computern unterscheiden. 1960 wurde der Univac Larc gebaut, einer dieser frühen Supercomputer. Einer ging an die US-Navy und einer an ein amerikanisches Atomwaffenforschungszentrum.

Ebenfalls aus den 1960ern stammt die Vorhersage des Physikers und Mitgründers des US-Chipherstellers Intel, Gordon Moore. Sie besagt grob ausgedrückt, dass die Leistung der Computer sich in einem Zeitraum von ein bis zwei Jahren verdoppelt, weil die Computerchips immer besser werden. Das Das Mooresche Gesetz war wegweisend, die Leistungskurve der Supercomputer stieg rasant an. Kam die Control Data Corporation 6600 im Jahr 1964 auf drei Megaflops, brachte es ihre Nachfolgerin fünf Jahre später bereits auf mehr als das Zehnfache.

1976 führte die Cray-1 die Weltrangliste an. Cray-1 kostete damals 8,8 Millionen Dollar und wurde unter anderem an das Los Alamos National Laboratory verkauft, die Kernforschungseinrichtung in den USA. Aber auch zivile Forscher schafften ihn sich an. So erwarb das Europäische Zentrum für mittelfristige Wettervorhersage im britischen Reading eines der 5,5 Tonnen schweren Geräte.

Ins Bewusstsein der Weltöffentlichkeit traten die Superrechner wieder 1997, als "Deep Blue" den Schachweltmeister Garri Kasparow besiegte, auch wenn er seinerzeit nur Platz 259 der damaligen Supercomputerliste belegte. Die Petaflops-Marke überschritt 2008 der IBM Roadrunner, doch die Rechenleistung stieg nun nicht mehr so stark an wie in den Vorjahren und Jahrzehnten. Von 2018 bis 2019 legten die Top-500-Computer nur noch um zehn Prozent zu. Das Mooresche Gesetz scheint ausgedient zu haben. Die neuen Quantencomputer könnten es durch ihre doppelt exponentiell ansteigende Rechenleistung obsolet machen.

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