Geschichte der Computerhardware

Die Geschichte der Computerhardware umfasst Entwicklungen von frühen Geräten für einfache Berechnungen bis hin zu den heutigen komplexen Computern und beinhaltet Fortschritte sowohl in der analogen als auch in der digitalen Technologie.

Die ersten Rechenhilfen waren rein mechanische Geräte, bei denen der Benutzer die Anfangswerte einer elementaren Rechenoperation einstellen und das Gerät anschließend bedienen musste, um das Ergebnis zu erhalten. Später begannen Rechengeräte, Zahlen kontinuierlich darzustellen, beispielsweise durch eine zurückgelegte Strecke auf einer Skala, die Drehung einer Welle oder einen bestimmten Spannungspegel. Zahlen konnten auch in Form von Ziffern dargestellt werden, die automatisch von einem Mechanismus bewegt wurden. Obwohl dieser Ansatz im Allgemeinen komplexere Mechanismen erforderte, erhöhte er die Genauigkeit der Ergebnisse erheblich. Die Entwicklung der Transistortechnologie, gefolgt von der Erfindung integrierter Schaltkreise, führte zu revolutionären Durchbrüchen.

Transistorbasierte und später integrierte Schaltkreise ermöglichten es digitalen Systemen, analoge Systeme schrittweise zu ersetzen und so sowohl Effizienz als auch Rechenleistung zu steigern. Die großflächige Integration (LSI) mittels Metall-Oxid-Halbleiter (MOS) ermöglichte dann Halbleiterspeicher und Mikroprozessoren und führte in den 1970er-Jahren zu einem weiteren wichtigen Durchbruch: dem miniaturisierten Personalcomputer (PC). Die Kosten für Computer sanken allmählich so stark, dass Personalcomputer in den 1990er-Jahren und mobile Computer ( Smartphones und Tablets ) in den 2000er-Jahren allgegenwärtig wurden.

Hilfsmittel zum Rechnen werden seit Jahrtausenden verwendet, oft durch die Eins-zu-eins-Zuordnung der Finger . Das früheste Zählgerät war vermutlich eine Art Kerbholz . Der Lebombo-Knochen aus den Bergen zwischen Eswatini und Südafrika ist möglicherweise das älteste bekannte mathematische Artefakt. ^{[ 2 ]} Er stammt aus dem Jahr 35.000 v. Chr. und besteht aus 29 Kerben, die absichtlich in das Wadenbein eines Pavians eingeschnitten wurden . ^{[ 3 ] [ 4 ]} Spätere Hilfsmittel zur Aufzeichnung von Daten im gesamten Fruchtbaren Halbmond umfassten Kalküle (Tonkugeln, -kegel usw.), die Zählungen von Gegenständen, wahrscheinlich Vieh oder Getreide, darstellten und in hohlen, ungebrannten Tongefäßen versiegelt wurden. ^{[ b ] [ 6 ] [ c ]} Die Verwendung von Zählstäben ist ein Beispiel dafür. Der Abakus wurde früh für Rechenaufgaben verwendet. Der heute als römischer Abakus bekannte Rechenapparat wurde bereits um 2700–2300 v. Chr . in Babylonien verwendet . Seitdem wurden viele weitere Formen von Rechenbrettern oder -tischen erfunden. In einem mittelalterlichen europäischen Kontor wurde ein kariertes Tuch auf einen Tisch gelegt, und darauf wurden nach bestimmten Regeln Marker verschoben, um Geldsummen zu berechnen.

In der Antike und im Mittelalter wurden mehrere Analogrechner zur Durchführung astronomischer Berechnungen konstruiert. Dazu gehörten das Astrolabium und der Mechanismus von Antikythera aus der hellenistischen Welt (ca. 150–100 v. Chr.). ^{[ 8 ]}

Ein griechisches Bronzeschloss aus der augusteischen oder hadrianischen Zeit funktionierte nach einem primitiven mechanischen Prinzip: Der zentrale Riegel konnte erst dann zurückgezogen werden, wenn die Kerben zweier unabhängiger Drehscheiben korrekt ausgerichtet waren. [ ^{9 ] Im} römischen Ägypten fertigte Heron von Alexandria (ca. 10–70 n. Chr.) mechanische Geräte an, darunter Automaten und einen programmierbaren Wagen . ^{[ 10 ]} Die dampfbetriebene automatische Flöte, die im Buch der raffinierten Erfindungen (850) der persisch-baghdadischen Brüder Banū Mūsā beschrieben wird , könnte das erste programmierbare Gerät gewesen sein. ^{[ 11 ]}

Zu den frühen mechanischen Geräten, die für Berechnungen verschiedenster Art verwendet wurden, zählen die Planisphäre und andere mechanische Rechengeräte von Al-Biruni (um 1000 n. Chr.), das Äquatorium und das universelle, breitbreitenunabhängige Astrolabium von Al-Zarqali (um 1015 n. Chr.), die astronomischen Analogrechner anderer mittelalterlicher muslimischer Astronomen und Ingenieure sowie der astronomische Uhrturm von Su Song (1094) aus der Song-Dynastie . Die Burguhr , eine wasserbetriebene mechanische astronomische Uhr, die Ismail al-Jazari 1206 erfand , war der erste programmierbare Analogrechner. ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]} Ramon Llull erfand den Lullschen Kreis: eine theoretische Maschine zur Berechnung von Antworten auf philosophische Fragen (in diesem Fall zum Christentum) mithilfe logischer Kombinatorik. Diese Idee wurde Jahrhunderte später von Leibniz aufgegriffen und ist somit eines der Gründungselemente der Informatik .

Der schottische Mathematiker und Physiker John Napier entdeckte, dass sich Multiplikation und Division von Zahlen durch Addition bzw. Subtraktion ihrer Logarithmen durchführen lassen . Bei der Erstellung der ersten Logarithmentafeln musste Napier viele mühsame Multiplikationen durchführen. Daraufhin entwickelte er seine „ Napier-Stäbe “, ein abakusähnliches Gerät, das Multiplikations- und Divisionsberechnungen erheblich vereinfachte. ^{[ d ]}

Da sich reelle Zahlen als Abstände oder Intervalle auf einer Geraden darstellen lassen, wurde in den 1620er Jahren, kurz nach Napiers Arbeiten, der Rechenschieber erfunden, um Multiplikations- und Divisionsoperationen deutlich zu beschleunigen. ^{[ 15 ]} Edmund Gunter konstruierte an der Universität Oxford ein Rechengerät mit einer einzigen logarithmischen Skala . Sein Gerät vereinfachte arithmetische Berechnungen, einschließlich Multiplikation und Division, erheblich. William Oughtred verbesserte dieses 1630 mit seinem kreisförmigen Rechenschieber. Darauf aufbauend entwickelte er 1632 den modernen Rechenschieber, im Wesentlichen eine Kombination aus zwei Gunter-Rechenschiebern , die mit den Händen zusammengehalten wurden. Rechenschieber wurden von Generationen von Ingenieuren und anderen mathematisch tätigen Fachleuten bis zur Erfindung des Taschenrechners verwendet . ^{[ 16 ]}

1609 konstruierte Guidobaldo del Monte einen mechanischen Multiplikator zur Berechnung von Bruchteilen eines Grades. Basierend auf einem System aus vier Zahnrädern entspricht die Drehung eines Teils in einem Quadranten 60 Drehungen eines anderen Teils im gegenüberliegenden Quadranten. ^{[ 17 ]} Dank dieser Maschine lassen sich Fehler bei der Berechnung des ersten, zweiten, dritten und Viertelgrades vermeiden. Guidobaldo dokumentierte als Erster die Verwendung von Zahnrädern für mechanische Berechnungen.

Der deutsche Universalgelehrte Wilhelm Schickard entwarf 1623 eine Rechenmaschine, die eine mechanisierte Form der Napierschen Stäbe mit der weltweit ersten in den Sockel integrierten mechanischen Addiermaschine kombinierte. Da sie ein einzahniges Zahnrad verwendete, konnte es unter bestimmten Umständen zu Blockierungen des Übertragungsmechanismus kommen. ^{[ 18 ]} Ein Brand zerstörte 1624 mindestens eine der Maschinen, und man nimmt an, dass Schickard zu entmutigt war, um eine weitere zu bauen.

Im Jahr 1642 begann Blaise Pascal , noch als Teenager, Pionierarbeit an Rechenmaschinen. Nach drei Jahren und 50 Prototypen ^{[ 19 ]} erfand er schließlich eine mechanische Rechenmaschine . ^{[ 20 ] [ 21 ]} In den folgenden zehn Jahren baute er zwanzig dieser Maschinen (bekannt als Pascalsche Rechenmaschine oder Pascaline). ^{[ 22 ]} Neun Pascalines sind erhalten geblieben, die meisten davon werden in europäischen Museen ausgestellt. ^{[ e ]} Es besteht weiterhin Uneinigkeit darüber, ob Schickard oder Pascal als der „Erfinder der mechanischen Rechenmaschine“ gelten sollte. Die verschiedenen Aspekte, die dabei zu berücksichtigen sind, werden an anderer Stelle diskutiert. ^{[ 23 ]}

Gottfried Wilhelm von Leibniz erfand um 1672 die Stufenrechenmaschine und seinen berühmten Stufentrommelmechanismus. Er versuchte, eine Maschine zu entwickeln, die nicht nur für Addition und Subtraktion, sondern mithilfe eines beweglichen Schlittens auch für Multiplikation und Division geeignet sein sollte. Leibniz sagte einmal: „Es ist unwürdig hervorragender Männer, Stunden wie Sklaven mit Rechenarbeit zu vergeuden, die getrost anderen überlassen werden könnte, wenn Maschinen eingesetzt würden.“ ^{[ 24 ]} Allerdings integrierte Leibniz keinen vollständig funktionierenden Übertragsmechanismus. Leibniz beschrieb auch das Binärsystem ^{[ 25 ]} , einen zentralen Bestandteil aller modernen Computer. Bis in die 1940er-Jahre basierten jedoch viele nachfolgende Konstruktionen (darunter Charles Babbages Maschinen von 1822 und sogar der ENIAC von 1945) auf dem Dezimalsystem. ^{[ f ]}

Um 1820 entwickelte Charles Xavier Thomas de Colmar den Thomas- Arithmometer , der im Laufe des Jahrhunderts zum ersten erfolgreichen, in Serie gefertigten mechanischen Rechner werden sollte . Er ermöglichte Addition und Subtraktion sowie, dank eines beweglichen Schlittens, Multiplikation und Division mittels schriftlicher Multiplikation und Division. ^{[ 26 ]} Er nutzte eine Stufentrommel, die dem von Leibniz erfundenen Prinzip ähnelte. Mechanische Rechenmaschinen blieben bis in die 1970er-Jahre in Gebrauch.

Im Jahr 1804 entwickelte der französische Weber Joseph Marie Jacquard einen Webstuhl , dessen Webmuster durch ein aus Lochkarten bestehendes Papierband gesteuert wurde . Das Papierband konnte gewechselt werden, ohne die mechanische Konstruktion des Webstuhls zu verändern. Dies war ein Meilenstein in der Programmierbarkeit. Seine Maschine stellte eine Verbesserung gegenüber ähnlichen Webstühlen dar. Lochkarten wurden durch Lochstreifen ersetzt, wie sie beispielsweise in der von Basile Bouchon vorgeschlagenen Maschine verwendet wurden . Diese Lochstreifen dienten als Grundlage für die Datenspeicherung in automatischen Klavieren und in jüngerer Zeit in numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen.

Ende der 1880er Jahre erfand der Amerikaner Herman Hollerith die Datenspeicherung auf Lochkarten , die anschließend maschinell gelesen werden konnten. ^{[ 27 ]} Zur Verarbeitung dieser Lochkarten entwickelte er den Tabulator und die Lochkartenstanzmaschine . Seine Maschinen nutzten elektromechanische Relais und Zähler . ^{[ 28 ]} Holleriths Methode kam bei der US-Volkszählung von 1890 zum Einsatz . Diese Volkszählung wurde zwei Jahre schneller durchgeführt als die vorherige. ^{[ 29 ]} Holleriths Unternehmen bildete schließlich den Kern von IBM .

Um 1920 konnten elektromechanische Tabelliermaschinen addieren, subtrahieren und die Summen ausdrucken. ^{[ 30 ]} Die Maschinenfunktionen wurden durch das Einstecken dutzender Drahtbrücken in abnehmbare Bedienfelder gesteuert . Als die Vereinigten Staaten 1935 die Sozialversicherung einführten , wurden IBM-Lochkartensysteme zur Verarbeitung der Daten von 26 Millionen Arbeitnehmern eingesetzt. ^{[ 31 ]} Lochkarten wurden in Industrie und Verwaltung für Buchhaltung und Administration weit verbreitet.

Leslie Comries Artikel über Lochkartenmethoden ^{[ 32 ]} und W. J. Eckerts 1940 erschienene Publikation „ Punched Card Methods in Scientific Computation“ beschrieben Lochkartentechniken, die bereits so weit fortgeschritten waren, dass sie einige Differentialgleichungen lösen oder Multiplikationen und Divisionen mit Gleitkommazahlen durchführen konnten – alles auf Lochkarten und Lochkartenschreibmaschinen . ^{[ 33 ]} Solche Maschinen wurden während des Zweiten Weltkriegs für kryptografische statistische Berechnungen ^{[ 34 ]} sowie für eine Vielzahl administrativer Anwendungen eingesetzt. Das Astronomical Computing Bureau der Columbia University führte astronomische Berechnungen durch, die den damaligen Stand der Technik im Bereich der Computertechnik repräsentierten . ^{[ 35 ] [ 36 ]}

Im 20. Jahrhundert wurden frühere mechanische Rechenmaschinen, Registrierkassen, Buchhaltungsmaschinen usw. so umgestaltet, dass sie Elektromotoren nutzten, wobei die Gangstellung den Zustand einer Variablen repräsentierte. Der Begriff „Computer“ war eine Berufsbezeichnung, die hauptsächlich Frauen zugeschrieben wurde, die diese Rechenmaschinen für mathematische Berechnungen verwendeten. ^{[ 37 ]} In den 1920er Jahren führte das Interesse des britischen Wissenschaftlers Lewis Fry Richardson an der Wettervorhersage dazu, dass er menschliche Computer und numerische Analysen zur Modellierung des Wetters vorschlug; bis heute sind die leistungsstärksten Computer der Erde erforderlich, um das Wetter mithilfe der Navier-Stokes-Gleichungen adäquat zu modellieren . ^{[ 38 ]}

Firmen wie Friden , Marchant Calculator und Monroe stellten ab den 1930er Jahren mechanische Tischrechner her, die addieren, subtrahieren, multiplizieren und dividieren konnten. ^{[ 39 ]} 1948 wurde die Curta von dem österreichischen Erfinder Curt Herzstark vorgestellt . Es handelte sich um einen kleinen, handbetriebenen mechanischen Rechner und somit um einen Nachfolger von Gottfried Leibniz ’ Stufenrechner und Thomas ’ Arithmometer .

Der weltweit erste vollelektronische Tischrechner war der britische Bell Punch ANITA , der 1961 auf den Markt kam. ^{[ 40 ] [ 41 ]} Er verwendete Vakuumröhren , Kaltkathodenröhren und Dekatronen in seinen Schaltkreisen und zwölf Kaltkathoden- Nixie- Röhren für sein Display. Der ANITA verkaufte sich gut, da er der einzige verfügbare elektronische Tischrechner war und zudem leise und schnell arbeitete. Die Röhrentechnologie wurde im Juni 1963 durch den in den USA hergestellten Friden EC-130 abgelöst. Dieser verfügte über ein rein Transistor-Design, eine Anzeige von vier 13-stelligen Zahlen auf einem 5-Zoll- Bildschirm (13 cm) und führte die umgekehrte polnische Notation (UPN) ein.

Die Industrielle Revolution (spätes 18. bis frühes 19. Jahrhundert) hatte einen bedeutenden Einfluss auf die Entwicklung von Computerhardware. Die rasanten Fortschritte im Maschinenbau und in der Fertigung schufen die Grundlage für mechanisiertes und automatisiertes Rechnen. Der industrielle Bedarf an präzisen, umfangreichen Berechnungen – insbesondere in Bereichen wie Navigation, Ingenieurwesen und Finanzen – führte zu Innovationen in Design und Funktion und ebnete den Weg für Geräte wie Charles Babbages Differenzmaschine (1822). ^{[ 42 ] [ 43 ]} Dieses mechanische Gerät diente der automatisierten Berechnung von Polynomfunktionen und stellte eine der frühesten Anwendungen der Computerlogik dar. ^{[ 44 ]}

Babbage, oft als „Vater des Computers“ bezeichnet, entwarf ein rein mechanisches System aus Zahnrädern und Rädern, angetrieben von Dampf, das komplexe Berechnungen durchführen konnte, für die zuvor intensive Handarbeit nötig war. ^{[ 45 ]} Seine Differenzmaschine, die Navigationsberechnungen unterstützen sollte, führte ihn schließlich 1833 zur Entwicklung der analytischen Maschine . ^{[ 46 ]} Dieses Konzept, weitaus fortschrittlicher als seine Differenzmaschine, umfasste eine arithmetisch-logische Einheit , Kontrollstrukturen durch bedingte Verzweigungen und Schleifen sowie einen integrierten Speicher. ^{[ 47 ]} Babbages Pläne machten seine analytische Maschine zum ersten universellen Computer, der in modernen Begriffen als Turing-vollständig bezeichnet werden kann. ^{[ 48 ] [ 49 ]}

Die analytische Maschine wurde mithilfe von Lochkarten programmiert , einer Methode, die vom Jacquard-Webstuhl von Joseph Marie Jacquard aus dem Jahr 1804 abgeleitet wurde. Dieser Webstuhl steuerte Textilmuster durch eine Folge von Lochkarten. ^{[ 50 ]} Diese Karten bildeten auch die Grundlage späterer Computersysteme. ^{[ 51 ]} Babbages Maschine hätte mehrere Ausgabegeräte besessen, darunter einen Drucker, einen Kurvenplotter und sogar eine Glocke, was seinen Anspruch auf vielseitige Rechenanwendungen jenseits einfacher Arithmetik verdeutlicht. ^{[ 52 ]}

Ada Lovelace erweiterte Babbages Vision, indem sie Algorithmen entwarf, die von seiner Maschine ausgeführt werden konnten. ^{[ 53 ]} Ihre in den 1840er Jahren verfassten Aufzeichnungen zur analytischen Maschine gelten heute als früheste Beispiele der Computerprogrammierung. ^{[ 54 ]} Lovelace erkannte das Potenzial von Computern, über numerische Berechnungen hinauszugehen, und sagte voraus, dass sie eines Tages komplexe Musikkompositionen generieren oder Aufgaben wie die Sprachverarbeitung übernehmen könnten. ^{[ 55 ]}

Obwohl Babbages Entwürfe aufgrund technischer und finanzieller Schwierigkeiten nie vollständig realisiert wurden, beeinflussten sie eine Reihe nachfolgender Entwicklungen im Bereich der Computerhardware. Insbesondere in den 1890er Jahren adaptierte Herman Hollerith die Idee der Lochkarten für die automatisierte Datenverarbeitung, die beim US-Zensus eingesetzt wurde und die Datenerfassung erheblich beschleunigte, wodurch die Verbindung zwischen Industriemaschinen und Datenverarbeitung hergestellt wurde. ^{[ 56 ]}

Die Fortschritte der Industriellen Revolution im Bereich mechanischer Systeme demonstrierten das Potenzial von Maschinen zur Durchführung komplexer Berechnungen und beeinflussten Ingenieure wie Leonardo Torres Quevedo und Vannevar Bush im frühen 20. Jahrhundert. Torres Quevedo entwarf eine elektromechanische Maschine mit Gleitkommaarithmetik ^{[ 57 ]} , während Bush sich später mit elektronischem Digitalrechnen befasste ^{[ 58 ]} . Mitte des 20. Jahrhunderts ebneten diese Innovationen den Weg für die ersten vollelektronischen Computer ^{[ 59 ] .}

In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts galten Analogrechner vielen als die Zukunft des Rechnens. Diese Geräte nutzten die kontinuierlich veränderlichen Aspekte physikalischer Phänomene wie elektrische , mechanische oder hydraulische Größen, um das zu lösende Problem zu modellieren . Im Gegensatz dazu stellten Digitalrechner veränderliche Größen symbolisch dar, indem sich ihre numerischen Werte änderten. Da ein Analogrechner keine diskreten, sondern kontinuierliche Werte verwendet, lassen sich Prozesse nicht zuverlässig und exakt wiederholen, wie es bei Turingmaschinen möglich ist . ^{[ 60 ]}

Der erste moderne Analogrechner war eine Gezeitenvorhersagemaschine , die 1872 von Sir William Thomson , dem späteren Lord Kelvin, erfunden wurde. Sie nutzte ein System aus Rollen und Drähten, um automatisch die vorhergesagten Gezeitenstände für einen festgelegten Zeitraum an einem bestimmten Ort zu berechnen und war für die Navigation in flachen Gewässern von großem Nutzen. Sein Gerät bildete die Grundlage für weitere Entwicklungen im Bereich des Analogrechnens. ^{[ 61 ]}

Der Differentialanalysator , ein mechanischer Analogrechner zur Lösung von Differentialgleichungen durch Integration mithilfe von Rad-Scheiben-Mechanismen, wurde 1876 von James Thomson , dem Bruder des bekannteren Lord Kelvin, konzipiert. Er untersuchte die mögliche Konstruktion solcher Rechner, stieß jedoch auf ein Problem: das begrenzte Drehmoment der Kugel-Scheiben-Integratoren . ^{[ 62 ]} In einem Differentialanalysator steuerte der Ausgang eines Integrators den Eingang des nächsten Integrators oder einen grafischen Ausgang.

Leonardo Torres Quevedo entwickelte seit 1895 eine bemerkenswerte Reihe analoger Rechenmaschinen , darunter eine, die die Wurzeln beliebiger Polynome achten Grades, einschließlich komplexer Polynome, mit einer Genauigkeit bis auf Tausendstel berechnen konnte . ^{[ 63 ] [ 64 ] [ 65 ]}

Ein wichtiger Fortschritt in der Analogrechnung war die Entwicklung der ersten Feuerleitsysteme für die Langstreckenartillerie von Schiffen . Als die Schussentfernungen im späten 19. Jahrhundert drastisch zunahmen, reichte es nicht mehr aus, den Zielpunkt anhand der Flugzeiten der Granaten zu berechnen. Verschiedene Beobachter an Bord übermittelten Entfernungsmessungen und Beobachtungen an eine zentrale Kartierungsstation. Dort gaben die Feuerleitteams Position, Geschwindigkeit und Richtung des Schiffes und seines Ziels sowie verschiedene Korrekturen für den Coriolis-Effekt , Wettereinflüsse und andere Faktoren ein. Der Computer berechnete daraufhin die Feuerlösung, die den Geschütztürmen zur Zielerfassung übermittelt wurde. 1912 entwickelte der britische Ingenieur Arthur Pollen den ersten elektrisch betriebenen mechanischen Analogrechner (damals „Argo-Uhr“ genannt). Er wurde von der Kaiserlich Russischen Marine im Ersten Weltkrieg eingesetzt . Das alternative Feuerleitsystem mit Dreyer-Tabelle wurde bis Mitte 1916 auf britischen Großkampfschiffen installiert.

Zur Verbesserung der Treffgenauigkeit von Luftbombenangriffen wurden auch mechanische Geräte eingesetzt . Das Driftvisier war das erste dieser Hilfsmittel. Es wurde 1916 von Harry Wimperis für den Royal Naval Air Service entwickelt ; es maß die Windgeschwindigkeit aus der Luft und berechnete anhand dieser Messung die Auswirkungen des Windes auf die Flugbahn der Bomben. Das System wurde später mit dem Kurszielvisier verbessert und erreichte seinen Höhepunkt mit den Bombenvisieren des Zweiten Weltkriegs , dem Mark XIV ( RAF Bomber Command ) und dem Norden ^{[ 66 ]} ( United States Army Air Forces ).

Die Kunst der mechanischen Analogrechnung erreichte ihren Höhepunkt mit dem Differenzialanalysator ^{[ 67 ]} , der ab 1927 von H. L. Hazen und Vannevar Bush am MIT entwickelt wurde. Dieser basierte auf den mechanischen Integratoren von James Thomson und den von H. W. Nieman erfundenen Drehmomentverstärkern . Ein Dutzend dieser Geräte wurden gebaut, bevor ihre Veralterung offensichtlich wurde; das leistungsstärkste wurde an der Moore School of Electrical Engineering der University of Pennsylvania konstruiert , wo auch der ENIAC gebaut wurde.

Ein vollelektronischer Analogrechner wurde 1942 von Helmut Hölzer im Heeresforschungszentrum Peenemünde gebaut . ^{[ 68 ] [ 69 ] [ 70 ]}

In den 1950er Jahren bedeutete der Erfolg digitaler elektronischer Computer das Ende für die meisten analogen Rechenmaschinen, aber hybride Analogrechner , die von digitaler Elektronik gesteuert wurden, blieben bis in die 1950er und 1960er Jahre und später in einigen Spezialanwendungen weit verbreitet.

Das Prinzip des modernen Computers wurde erstmals von dem Informatiker Alan Turing beschrieben, der die Idee in seiner bahnbrechenden Arbeit „Über berechenbare Zahlen“ von 1936 darlegte . ^{[ 71 ]} Turing formulierte Kurt Gödels Ergebnisse von 1931 über die Grenzen von Beweisen und Berechenbarkeit neu und ersetzte Gödels universelle, auf Arithmetik basierende formale Sprache durch die formalen und einfachen hypothetischen Geräte, die als Turingmaschinen bekannt wurden . Er bewies, dass eine solche Maschine jede denkbare mathematische Berechnung durchführen könnte, sofern sie als Algorithmus darstellbar wäre . Anschließend bewies er, dass es keine Lösung für das Entscheidungsproblem gibt , indem er zunächst zeigte, dass das Halteproblem für Turingmaschinen unentscheidbar ist : Im Allgemeinen ist es algorithmisch nicht möglich zu entscheiden, ob eine gegebene Turingmaschine jemals anhalten wird.

Er führte auch den Begriff der „universellen Maschine“ (heute bekannt als universelle Turingmaschine ) ein, mit der Idee, dass eine solche Maschine die Aufgaben jeder anderen Maschine ausführen könnte, oder anders ausgedrückt, dass sie nachweislich alles Berechnete berechnen kann, indem sie ein auf Band gespeichertes Programm ausführt. Dadurch wird die Maschine programmierbar. John von Neumann erkannte an, dass das zentrale Konzept des modernen Computers auf diese Arbeit zurückgeht. ^{[ 72 ]} Turingmaschinen sind bis heute ein zentraler Gegenstand der theoretischen Informatik . Abgesehen von den Einschränkungen durch ihren endlichen Speicher gelten moderne Computer als Turing-vollständig , d. h., sie verfügen über eine algorithmische Ausführungsfähigkeit, die der einer universellen Turingmaschine entspricht .

Das Zeitalter des modernen Computers begann mit einer rasanten Entwicklung vor und während des Zweiten Weltkriegs. Die meisten in dieser Zeit gebauten Digitalrechner waren elektromechanisch – elektrische Schalter steuerten mechanische Relais zur Durchführung der Berechnungen. Diese mechanischen Komponenten arbeiteten aufgrund ihrer Bauart langsam und wurden schließlich durch wesentlich schnellere vollelektrische Komponenten ersetzt, die zunächst Elektronenröhren und später Transistoren verwendeten .

Der Z2 war eines der frühesten Beispiele eines elektrisch betriebenen Digitalrechners mit elektromechanischen Relais und wurde 1940 von dem Bauingenieur Konrad Zuse in Deutschland entwickelt. Er stellte eine Verbesserung seines früheren, mechanischen Z1 dar ; obwohl er denselben mechanischen Speicher verwendete , ersetzte er die Arithmetik und die Steuerlogik durch elektrische Relaisschaltungen . ^{[ 73 ]}

Im selben Jahr wurden von britischen Kryptologen elektromechanische Geräte, sogenannte Bomben, entwickelt , um die im Zweiten Weltkrieg mit der deutschen Enigma-Maschine verschlüsselten Geheimnachrichten zu entschlüsseln . Der ursprüngliche Entwurf der Bombe stammte von Alan Turing aus dem Jahr 1939 an der Government Code and Cypher School in Bletchley Park [ ^{74 ] und} wurde 1940 von Gordon Welchman wesentlich verbessert ^{[ 75 ]} . Die Konstruktion und der Bau erfolgten durch Harold Keen von der British Tabulating Machine Company . Es handelte sich um eine bedeutende Weiterentwicklung eines Geräts, das 1938 von dem Kryptologen Marian Rejewski vom polnischen Chiffrierbüro entwickelt worden war und als „ kryptologische Bombe “ ( polnisch : „bomba kryptologiczna“ ) bekannt war.

1941 entwickelte Zuse nach seiner vorherigen Maschine die Z3 ^{[ 73 ]} , den weltweit ersten funktionsfähigen elektromechanischen , programmierbaren und vollautomatischen Digitalrechner ^{[ 76 ]} . Die Z3 war mit 2000 Relais ausgestattet und implementierte eine Wortlänge von 22 Bit bei einer Taktfrequenz von etwa 5–10  Hz ^{[ 77 ]} . Programmcode und Daten wurden auf Lochstreifen gespeichert . Sie ähnelte modernen Rechnern in vielerlei Hinsicht und leistete Pionierarbeit bei zahlreichen Weiterentwicklungen, wie beispielsweise der Gleitkommadarstellung . Die Ersetzung des schwer zu implementierenden Dezimalsystems (das in Charles Babbages früherem Entwurf verwendet wurde) durch das einfachere Binärsystem führte dazu, dass Zuses Maschinen leichter zu bauen und angesichts der damals verfügbaren Technologien potenziell zuverlässiger waren ^{[ 78 ]} . Obwohl die Z3 keine explizite bedingte Ausführung ermöglichte, wurde 1998 von Raúl Rojas bewiesen, dass sie theoretisch Turing-vollständig war . ^{[ 79 ]} In zwei Patentanmeldungen aus dem Jahr 1936 nahm Zuse auch die Möglichkeit vorweg, dass Maschinenbefehle im selben Speicher abgelegt werden könnten wie Daten – die zentrale Erkenntnis der später als Von-Neumann-Architektur bekannten Technologie , die 1948 in Amerika im elektromechanischen IBM SSEC und in Großbritannien im vollelektronischen Manchester Baby erstmals implementiert wurde . ^{[ 80 ]}

Zuse erlitt im Zweiten Weltkrieg Rückschläge, als einige seiner Maschinen bei alliierten Bombenangriffen zerstört wurden. Offenbar blieb seine Arbeit den Ingenieuren in Großbritannien und den USA lange Zeit weitgehend unbekannt, obwohl zumindest IBM davon wusste, da das Unternehmen 1946 Zuses Nachkriegs-Startup-Unternehmen finanzierte und im Gegenzug eine Option auf seine Patente erhielt.

1944 wurde der Harvard Mark I in den Endicott-Laboratorien von IBM gebaut. ^{[ 81 ]} Er war ein ähnlicher elektromechanischer Allzweckrechner wie der Z3, aber nicht ganz Turing-vollständig.

Der Begriff „digital“ wurde erstmals von George Robert Stibitz vorgeschlagen und bezeichnet die Verwendung eines Signals, wie beispielsweise einer Spannung, nicht zur direkten Darstellung eines Wertes (wie in einem Analogrechner ), sondern zu dessen Codierung. Im November 1937 vollendete Stibitz, damals Mitarbeiter der Bell Labs (1930–1941) ^{[ 82 ]} , einen relaisbasierten Rechner, den er später „ Modell K “ (für „ Küchentisch “, auf dem er ihn montiert hatte) nannte. Dieser Rechner gilt als der erste Binäraddierer . ^{[ 83 ]} Typischerweise haben Signale zwei Zustände – niedrig (üblicherweise 0) und hoch (üblicherweise 1). Manchmal wird jedoch auch dreiwertige Logik verwendet, insbesondere bei Speichern mit hoher Dichte. Moderne Computer verwenden im Allgemeinen Binärlogik , viele frühe Maschinen waren jedoch Dezimalrechner . Bei diesen Maschinen war die Basiseinheit der Daten die Dezimalziffer, die in einem von mehreren Schemata kodiert wurde, darunter binärkodierte Dezimalzahlen oder BCD, Biquinärcode , Excess-3 -Code und Two-out-of-Five-Code .

Die mathematische Grundlage des digitalen Rechnens bildet die Boolesche Algebra , die der britische Mathematiker George Boole in seinem 1854 erschienenen Werk „The Laws of Thought “ entwickelte. Seine Boolesche Algebra wurde in den 1860er Jahren von William Jevons und Charles Sanders Peirce weiterentwickelt und erstmals systematisch von Ernst Schröder und A. N. Whitehead dargestellt . ^{[ 84 ]} 1879 entwickelte Gottlob Frege den formalen Ansatz der Logik und schlug die erste Logiksprache für logische Gleichungen vor. ^{[ 85 ]}

In den 1930er Jahren wiesen der amerikanische Elektronikingenieur Claude Shannon und der sowjetische Logiker Viktor Schestakow unabhängig voneinander eine Eins-zu-eins-Korrespondenz zwischen den Konzepten der Booleschen Logik und bestimmten elektrischen Schaltungen nach, den heute als Logikgatter bekannten Elementen , die in Digitalrechnern allgegenwärtig sind. ^{[ 86 ]} Sie zeigten, dass elektronische Relais und Schalter Ausdrücke der Booleschen Algebra realisieren können . ^{[ 87 ]} Diese These legte den Grundstein für den praktischen Entwurf digitaler Schaltungen . Darüber hinaus liefert Shannons Arbeit ein korrektes Schaltbild für einen 4-Bit-Digitaladdierer. ^{[ 88 ]}

Rein elektronische Schaltungselemente ersetzten bald ihre mechanischen und elektromechanischen Pendants, parallel zur Ablösung analoger durch digitale Rechenverfahren. Maschinen wie der Z3 , der Atanasoff-Berry-Computer , die Colossus-Computer und der ENIAC wurden in Handarbeit gefertigt und verwendeten Schaltungen mit Relais oder Röhren (Vakuumröhren). Zur Dateneingabe und als primäres (nichtflüchtiges) Speichermedium dienten häufig Lochkarten oder Lochstreifen . ^{[ 89 ]}

Der Ingenieur Tommy Flowers trat 1926 in die Telekommunikationsabteilung der General Post Office ein. Während seiner Tätigkeit in der Forschungsstation in Dollis Hill in den 1930er Jahren begann er, die mögliche Nutzung von Elektronik für die Telefonzentrale zu erforschen . Die von ihm 1934 gebauten experimentellen Geräte wurden fünf Jahre später in Betrieb genommen und wandelten einen Teil des Telefonzentralennetzes mithilfe Tausender Vakuumröhren in ein elektronisches Datenverarbeitungssystem um . ^{[ 61 ]}

In den USA erfand Arthur Dickinson (IBM) 1940 den ersten digitalen elektronischen Computer. ^{[ 90 ]} Dieses Rechengerät war vollständig elektronisch – Steuerung, Berechnungen und Ausgabe (das erste elektronische Display). ^{[ 91 ]} John Vincent Atanasoff und Clifford E. Berry von der Iowa State University entwickelten 1942 den Atanasoff-Berry-Computer (ABC), ^{[ 92 ]} den ersten binären elektronischen digitalen Rechner. ^{[ 93 ]} Dieser war semielektronisch (elektromechanische Steuerung und elektronische Berechnungen) und verwendete etwa 300 Elektronenröhren. Die Speicherkapazität bestand aus in einer mechanisch rotierenden Trommel integrierten Kondensatoren. Allerdings war der Kartenleser unzuverlässig, und das regenerative Trommelkontaktsystem funktionierte mechanisch. Die spezielle Ausrichtung der Maschine und das Fehlen eines veränderbaren, gespeicherten Programms unterscheiden sie von modernen Computern. ^{[ 94 ]}

Computer, deren Logik hauptsächlich auf Vakuumröhren basierte, werden heute als Computer der ersten Generation bezeichnet .

Während des Zweiten Weltkriegs erzielten britische Codeknacker in Bletchley Park , 64 km nördlich von London, mehrere Erfolge bei der Entschlüsselung feindlicher Militärkommunikation. Die deutsche Verschlüsselungsmaschine Enigma wurde zunächst mithilfe elektromechanischer Bomben angegriffen . ^{[ 95 ]} Sie schlossen mögliche Enigma-Einstellungen durch logische, elektrisch implementierte Schlussfolgerungsketten aus. Die meisten Möglichkeiten führten zu einem Widerspruch, und die wenigen verbleibenden konnten manuell überprüft werden.

Die Deutschen entwickelten ebenfalls eine Reihe von Fernschreiber-Verschlüsselungssystemen, die sich deutlich von der Enigma unterschieden. Die Lorenz SZ 40/42, von den Briten als „Tunny“ bezeichnet, wurde für die Kommunikation auf höchster Ebene der Armee eingesetzt. Die ersten abgefangenen Lorenz-Nachrichten begannen 1941. Im Rahmen eines Angriffs auf Tunny entwickelten Max Newman und seine Kollegen den Heath Robinson , eine Maschine mit fester Funktionalität, die die Codeknackung unterstützen sollte. ^{[ 96 ]} Tommy Flowers , ein leitender Ingenieur der Post Office Research Station ^{[ 97 ],} wurde Max Newman von Alan Turing empfohlen ^{[ 98 ]} und verbrachte elf Monate ab Anfang Februar 1943 mit der Entwicklung und dem Bau des flexibleren Colossus-Computers (der den Heath Robinson ablöste ). ^{[ 99 ] [ 100 ]} Nach einem Funktionstest im Dezember 1943 wurde Colossus nach Bletchley Park verschifft, wo es am 18. Januar 1944 eintraf ^{[ 101 ]} und am 5. Februar seine erste Nachricht absetzte. ^{[ 102 ]} Bis zur Kapitulation Deutschlands im Mai 1945 waren zehn Colossi in Bletchley Park im Einsatz. ^{[ 103 ]}

Colossus war der weltweit erste elektronische, programmierbare Digitalrechner . [ 61 ^{] Er verwendete} eine große Anzahl von Röhren (Vakuumröhren). Er verfügte über eine Lochstreifen-Eingabe und konnte so konfiguriert werden, dass er verschiedene Boolesche Operationen auf seinen Daten durchführte. ^{[ 104 ]} Er war jedoch nicht Turing-vollständig . Die Dateneingabe in Colossus erfolgte durch fotoelektrisches Auslesen einer Lochstreifenaufzeichnung der verschlüsselten, abgefangenen Nachricht. Dies war in einer Endlosschleife angeordnet, sodass die Daten mehrfach gelesen und wieder eingelesen werden konnten – es gab keinen internen Speicher. Der Lesemechanismus arbeitete mit 5.000 Zeichen pro Sekunde, wobei sich der Lochstreifen mit 12,2 m/s (40 ft/s; 27,3 mph) bewegte. Der Colossus Mark 1 enthielt 1500 Elektronenröhren, der Mark 2 mit 2400 Röhren und fünf parallel arbeitenden Prozessoren war jedoch fünfmal schneller und einfacher zu bedienen als der Mark 1, was den Dekodierungsprozess erheblich beschleunigte. Der Mark 2 wurde parallel zur Konstruktion des Mark 1 entwickelt. Allen Coombs übernahm die Leitung des Colossus-Mark-2-Projekts, nachdem Tommy Flowers sich anderen Projekten zugewandt hatte. ^{[ 105 ]} Der erste Colossus Mark 2 wurde am 1. Juni 1944 in Betrieb genommen, rechtzeitig zur alliierten Invasion in der Normandie am D-Day .

Der Colossus wurde hauptsächlich zur Bestimmung der Startpositionen der Tunny-Rotoren für eine Nachricht eingesetzt, was als „Radeinstellung“ bezeichnet wurde. Der Colossus nutzte als erster Schieberegister und systolische Arrays und ermöglichte so fünf simultane Tests mit jeweils bis zu 100 Booleschen Berechnungen . Dadurch konnten fünf verschiedene Startpositionen für einen Durchlauf des Papierstreifens untersucht werden. ^{[ 106 ]} Neben der Radeinstellung enthielten einige spätere Colossi- Modelle Mechanismen zur Bestimmung von Stiftmustern, bekannt als „Radunterbrechung“. Beide Modelle waren im Gegensatz zu ihren Vorgängern über Schalter und Steckfelder programmierbar.

Ohne diese Maschinen wären die Alliierten um die äußerst wertvollen Informationen gebracht worden , die durch das Entschlüsseln der unzähligen verschlüsselten Telegramme zwischen dem Oberkommando des Deutschen Reiches (OKW) und seinen Armeekommandos im besetzten Europa gewonnen wurden . Details zu ihrer Existenz , Konstruktion und Verwendung wurden bis weit in die 1970er-Jahre geheim gehalten. Winston Churchill persönlich ordnete ihre Zerstörung in handgroße Stücke an, um zu verbergen, dass die Briten im Kalten Krieg in der Lage waren, Lorenz-SZ-Chiffren (von deutschen Rotor-Stromchiffriermaschinen) zu knacken. Zwei der Maschinen wurden an das neu gegründete GCHQ übergeben , die übrigen wurden zerstört. Daher finden die Maschinen in vielen Darstellungen der Computergeschichte keine Erwähnung. ^{[ g ]} Ein rekonstruiertes, funktionsfähiges Exemplar einer der Colossus-Maschinen ist heute in Bletchley Park ausgestellt.

Der ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) war der erste in den USA gebaute programmierbare Computer. Obwohl der ENIAC ähnliche Technologie wie der Colossi nutzte , war er deutlich schneller, flexibler und Turing-vollständig. Wie beim Colossi wurde ein „Programm“ auf dem ENIAC durch die Zustände seiner Anschlusskabel und Schalter definiert – ein großer Unterschied zu den später entwickelten speicherprogrammierbaren Computern. Sobald ein Programm ausgeführt werden sollte, musste es mechanisch in die Maschine eingespielt werden, indem Stecker und Schalter manuell zurückgesetzt wurden. Die Programmiererinnen des ENIAC waren Mathematikerinnen. ^{[ 108 ]}

Der ENIAC vereinte die hohe Geschwindigkeit elektronischer Schaltungen mit der Möglichkeit, für komplexe Probleme programmiert zu werden. Er konnte 5000 Mal pro Sekunde addieren oder subtrahieren – tausendmal schneller als jede andere Maschine. Zusätzlich verfügte er über Module zum Multiplizieren, Dividieren und Wurzelziehen. Der Hochgeschwindigkeitsspeicher war auf 20 Wörter (entsprechend etwa 80 Bytes) begrenzt. Unter der Leitung von John Mauchly und J. Presper Eckert an der University of Pennsylvania wurde der ENIAC von 1943 bis Ende 1945 entwickelt und gebaut und nahm seinen Betrieb vollständig auf. Die Maschine war riesig: Sie wog 30 Tonnen, verbrauchte 200 Kilowatt elektrische Leistung und enthielt über 18.000 Elektronenröhren, 1500 Relais und Hunderttausende von Widerständen, Kondensatoren und Induktivitäten. ^{[ 109 ]} Eine der größten technischen Leistungen war die Minimierung des Röhrenausfalls, der damals ein häufiges Problem für die Zuverlässigkeit von Maschinen darstellte. Der ENIAC war in den folgenden zehn Jahren nahezu ununterbrochen im Einsatz.

Die theoretischen Grundlagen für den speicherprogrammierbaren Computer wurden von Alan Turing in seiner 1936 veröffentlichten Arbeit „ On Computable Numbers“ vorgeschlagen . ^{[ 71 ]} Während Turing an der Princeton University an seiner Promotion arbeitete, lernte ihn John von Neumann kennen und war fasziniert von seinem Konzept einer universellen Rechenmaschine. ^{[ 110 ]}

Frühe Computer führten eine festgelegte Abfolge von Schritten aus, ein sogenanntes „ Programm “, das durch Ändern elektrischer Verbindungen mittels Schaltern oder einer Stecktafel (auch bekannt als Patchpanel ) angepasst werden konnte. Dieser Prozess der „Umprogrammierung“ war jedoch oft schwierig und zeitaufwändig, da Ingenieure Flussdiagramme erstellen und die Maschinen physisch neu verkabeln mussten. ^{[ 111 ]} Im Gegensatz dazu waren Computer mit gespeichertem Programm so konzipiert, dass sie eine Reihe von Anweisungen (ein Programm ) im Speicher ablegten – typischerweise im selben Speicher wie die gespeicherten Daten.

Die ENIAC- Erfinder John Mauchly und J. Presper Eckert schlugen im August 1944 den Bau eines Computers namens Electronic Discrete Variable Automatic Computer ( EDVAC ) vor. Die Entwicklungsarbeiten begannen an der Moore School of Electrical Engineering der University of Pennsylvania , noch bevor der ENIAC voll funktionsfähig war. Der Entwurf umfasste eine Reihe wichtiger architektonischer und logischer Verbesserungen, die während der Entwicklung des ENIAC entstanden waren, sowie einen Hochgeschwindigkeits- Seriellzugriffsspeicher . ^{[ 112 ]} Eckert und Mauchly verließen das Projekt jedoch, und dessen Bau geriet ins Stocken.

1945 besuchte von Neumann die Moore School und fertigte Notizen über seine Eindrücke an, die er dem Projekt zukommen ließ. Der Verbindungsoffizier der US-Armee ließ sie abtippen und als ersten Entwurf eines Berichts über das EDVAC verbreiten . Der Entwurf erwähnte Eckert und Mauchly nicht, und trotz seiner Unvollständigkeit und der fragwürdigen Quellenangaben zu einigen Ideen ^{[ 61 ]} wurde die darin skizzierte Computerarchitektur als „ von-Neumann-Architektur “ bekannt.

1945 trat Turing dem britischen National Physical Laboratory (NPL) bei und begann mit der Entwicklung eines elektronischen, speicherprogrammierbaren Digitalrechners. Sein Ende 1945 veröffentlichter Bericht „Proposed Electronic Calculator“ enthielt die erste einigermaßen detaillierte Spezifikation für ein solches Gerät. Im März 1946 präsentierte Turing dem Exekutivkomitee des NPL eine detailliertere Abhandlung , die den ersten im Wesentlichen vollständigen Entwurf eines speicherprogrammierbaren Rechners enthielt – ein Gerät namens Automatic Computing Engine (ACE).

Turing hielt die Geschwindigkeit und Größe des Computerspeichers für entscheidende Elemente ^{[ 113 ] : S. 4} und schlug daher einen Hochgeschwindigkeitsspeicher mit einer heutigen Kapazität von 25 KB vor , auf den mit einer Geschwindigkeit von 1 MHz zugegriffen werden konnte . Der ACE implementierte Unterprogrammaufrufe , der EDVAC hingegen nicht. Der ACE nutzte außerdem Abbreviated Computer Instructions (ACI), eine frühe Form der Programmiersprache .

Der Manchester Baby (Small Scale Experimental Machine, SSEM) war der weltweit erste elektronische Computer mit gespeichertem Programm . Er wurde an der Victoria University of Manchester von Frederic C. Williams , Tom Kilburn und Geoff Tootill gebaut und führte sein erstes Programm am 21. Juni 1948 aus. ^{[ 114 ]}

Die Maschine war nicht als praktischer Computer gedacht, sondern diente als Testplattform für die Williams-Röhre , das erste digitale Speichermedium mit Direktzugriff . ^{[ 115 ]} Sie wurde 1946 und 1947 von Freddie Williams und Tom Kilburn ^{[ 116 ] [ 117 ]} an der Universität Manchester erfunden und war eine Kathodenstrahlröhre , die mithilfe der Sekundäremission elektronische Binärdaten temporär speicherte . Sie kam in mehreren frühen Computern erfolgreich zum Einsatz.

Der 1998 in einer Retrospektive als klein und primitiv beschriebene „Baby“ war die erste funktionierende Maschine, die alle wesentlichen Elemente eines modernen elektronischen Computers enthielt. ^{[ 118 ]} Nachdem die Machbarkeit des Designs bewiesen war, wurde an der Universität ein Projekt initiiert, um das Design zu einem benutzerfreundlicheren Computer, dem Manchester Mark 1 , weiterzuentwickeln . Der Mark 1 wiederum wurde schnell zum Prototyp des Ferranti Mark 1 , dem weltweit ersten kommerziell erhältlichen Universalrechner. ^{[ 119 ]}

Der Baby hatte eine Wortlänge von 32 Bit und einen Speicher von 32 Wörtern. Da er als möglichst einfacher speicherprogrammierbarer Computer konzipiert war, waren nur Subtraktion und Negation als arithmetische Operationen in Hardware implementiert ; alle anderen Operationen wurden in Software ausgeführt. Das erste von drei für die Maschine geschriebenen Programmen ermittelte den größten echten Teiler von 2 ^¹⁸ (262.144). Diese Berechnung, von der bekannt war, dass sie lange dauern würde – und somit die Zuverlässigkeit des Computers beweisen sollte –, wurde durchgeführt, indem jede ganze Zahl von 2^¹⁸  − 1 abwärts getestet wurde, da die Division durch wiederholte Subtraktion des Divisors implementiert wurde. Das Programm bestand aus 17 Anweisungen und lief 52 Minuten, bevor es das korrekte Ergebnis von 131.072 lieferte, nachdem der Baby 3,5 Millionen Operationen ausgeführt hatte (was einer effektiven CPU-Geschwindigkeit von 1,1 kIPS entspricht ). Die sukzessiven Annäherungen an die Lösung wurden als Punktmuster auf der Ausgabebildröhre angezeigt, welches das Muster der zur Speicherung verwendeten Williams-Röhre widerspiegelte.

Das SSEM führte zur Entwicklung des Manchester Mark 1 an der Universität Manchester. ^{[ 120 ]} Die Arbeiten begannen im August 1948, und die erste Version war im April 1949 betriebsbereit. Ein Programm zur Suche nach Mersenne-Primzahlen lief in der Nacht vom 16. auf den 17. Juni 1949 neun Stunden lang fehlerfrei. Der erfolgreiche Betrieb der Maschine wurde in der britischen Presse ausführlich berichtet, die sie ihren Lesern als „elektronisches Gehirn“ bezeichnete.

Der Computer ist von besonderer historischer Bedeutung aufgrund seiner bahnbrechenden Verwendung von Indexregistern . Diese Innovation erleichterte es Programmen, ein Array von Wörtern im Speicher sequenziell zu lesen. Aus der Entwicklung der Maschine gingen 34 Patente hervor, und viele der Ideen hinter ihrem Design flossen in spätere kommerzielle Produkte wie den IBM 701 und 702 sowie den Ferranti Mark 1 ein. Die Chefentwickler Frederic C. Williams und Tom Kilburn schlussfolgerten aus ihren Erfahrungen mit dem Mark 1, dass Computer eher in wissenschaftlichen Bereichen als in der reinen Mathematik eingesetzt würden. 1951 begannen sie mit der Entwicklung von Meg , dem Nachfolger des Mark 1, der eine Gleitkommaeinheit enthalten sollte .

Ein weiterer Kandidat für den Titel des ersten erkennbar modernen digitalen Speicherprogrammrechners ^{[ 121 ]} war der EDSAC ^{[ 122 ]} , der 1949 von Maurice Wilkes und seinem Team am Mathematischen Laboratorium der Universität Cambridge in England entworfen und gebaut wurde. Die Maschine war von John von Neumanns bahnbrechendem Entwurf eines Berichts über den EDVAC inspiriert und einer der ersten funktionsfähigen elektronischen digitalen Speicherprogrammrechner . ^{[ h ]}

Der EDSAC führte seine ersten Programme am 6. Mai 1949 aus und berechnete dabei eine Tabelle der Quadratzahlen ^{[ 125 ]} und eine Liste der Primzahlen . Der EDSAC diente auch als Grundlage für den ersten kommerziell eingesetzten Computer, den LEO I , der vom Lebensmittelhersteller J. Lyons & Co. Ltd. verwendet wurde . Der EDSAC 1 wurde schließlich am 11. Juli 1958 abgeschaltet, nachdem er durch den EDSAC 2 ersetzt worden war, der bis 1965 in Betrieb blieb. ^{[ 126 ]}

Das „Gehirn“ [der Computer] könnte eines Tages auf unser Niveau [das der Normalbürger] vordringen und uns bei der Einkommensteuererklärung und Buchhaltung helfen. Doch das ist reine Spekulation, und bisher gibt es dafür keinerlei Anzeichen.

Die ENIAC- Erfinder John Mauchly und J. Presper Eckert schlugen im August 1944 den Bau des EDVAC vor . Die Konstruktionsarbeiten begannen an der Moore School of Electrical Engineering der University of Pennsylvania , noch bevor der ENIAC voll funktionsfähig war. Der Entwurf umfasste eine Reihe wichtiger architektonischer und logischer Verbesserungen, die während der ENIAC-Entwicklung entstanden waren, sowie einen Hochgeschwindigkeits- Seriellzugriffsspeicher . ^{[ 112 ]} Eckert und Mauchly verließen das Projekt jedoch, und dessen Bau geriet ins Stocken.

Im August 1949 wurde das Gerät schließlich an das Ballistikforschungslabor der US-Armee auf dem Aberdeen Proving Ground geliefert , doch aufgrund einer Reihe von Problemen nahm der Computer erst 1951 seinen Betrieb auf, und dann auch nur in begrenztem Umfang.

Der erste kommerzielle elektronische Computer war der Ferranti Mark 1 , gebaut von Ferranti und im Februar 1951 an die Universität Manchester geliefert . Er basierte auf dem Manchester Mark 1. Die wichtigsten Verbesserungen gegenüber dem Manchester Mark 1 betrafen die Größe des Primärspeichers (mit Williams-Röhren für wahlfreien Zugriff ), des Sekundärspeichers (mit einer Magnettrommel ), einen schnelleren Multiplizierer und zusätzliche Befehle. Die Grundzykluszeit betrug 1,2 Millisekunden, und eine Multiplikation konnte in etwa 2,16 Millisekunden abgeschlossen werden. Der Multiplizierer nutzte fast ein Viertel der 4050 Vakuumröhren (Ventilen) des Rechners. ^{[ 128 ]} Ein zweites Gerät wurde von der Universität Toronto erworben , bevor das Design zum Mark 1 Star überarbeitet wurde . Mindestens sieben dieser späteren Geräte wurden zwischen 1953 und 1957 ausgeliefert, eines davon an die Shell- Labore in Amsterdam. ^{[ 129 ]}

Im Oktober 1947 beschlossen die Direktoren von J. Lyons & Company , einem britischen Catering-Unternehmen, das für seine Teestuben bekannt war, aber auch großes Interesse an neuen Büromanagement-Techniken hatte, die kommerzielle Entwicklung von Computern aktiv zu fördern. Der Computer LEO I (Lyons Electronic Office) nahm im April 1951 seinen Betrieb auf ^{[ 130 ]} und führte die weltweit erste reguläre Büroanwendung durch . Am 17. November 1951 begann die Firma J. Lyons mit dem wöchentlichen Betrieb einer Bäckereibewertungsanwendung auf dem LEO – der ersten Geschäftsanwendung, die auf einem speicherprogrammierbaren Computer zum Einsatz kam. ^{[ i ]}

Im Juni 1951 wurde der UNIVAC I (Universal Automatic Computer) an das US Census Bureau ausgeliefert . Remington Rand verkaufte schließlich 46 Geräte zu je über einer Million US-Dollar (entspricht 12,4 Millionen US-Dollar im Jahr 2025). ^{[ 131 ]} Der UNIVAC war der erste in Serie gefertigte Computer. Er verwendete 5.200 Elektronenröhren und verbrauchte …125  kW Leistung. Der primäre Speicher bestand aus seriell zugänglichen Quecksilberverzögerungsleitungen, die 1.000 Wörter mit jeweils 11 Dezimalstellen plus Vorzeichen (72-Bit-Wörter) speichern konnten.

1952 brachte die Compagnie des Machines Bull den Computer Gamma 3 auf den Markt , der in Europa ein großer Erfolg wurde und sich schließlich über 1.200 Mal verkaufte. Er war der erste Computer, der in einer Stückzahl von über 1.000 produziert wurde. ^{[ 132 ]} Der Gamma 3 verfügte für seine Zeit über innovative Merkmale, darunter eine per Software umschaltbare Dual-Mode-ALU (für BCD und Binär) sowie eine festverdrahtete Gleitkomma-Bibliothek für wissenschaftliche Berechnungen. ^{[ 132 ]} In seiner ET-Konfiguration bot der Trommelspeicher des Gamma 3 Platz für etwa 50.000 Befehle mit einer Kapazität von 16.384 Wörtern (rund 100 kB) – für die damalige Zeit eine beachtliche Menge. ^{[ 132 ]}

Im Vergleich zum UNIVAC brachte IBM 1954 einen kleineren und preisgünstigeren Computer auf den Markt, der sich großer Beliebtheit erfreute. ^{[ j ] [ 134 ]} Der IBM 650 wog über900 kg , das angeschlossene Netzteil wog etwa1350 kg und beide wurden in separaten Schränken von etwa 1,5 × 0,9 × Das System kostete 500.000 US-Dollar ^[ 135 ^{] (5,99 Millionen US -} Dollar im Jahr 2025) oder konnte für 3.500 US-Dollar pro Monat (40.000 US-Dollar im Jahr 2025) geleast werden. ^{[ 131 ]} Sein Trommelspeicher umfasste ursprünglich 2.000 zehnstellige Wörter und wurde später auf 4.000 Wörter erweitert. Speicherbeschränkungen wie diese sollten die Programmierung über Jahrzehnte prägen. Die Programmbefehle wurden während der Programmausführung von der rotierenden Trommel abgerufen. Eine effiziente Ausführung mithilfe des Trommelspeichers wurde durch eine Kombination aus Hardwarearchitektur – das Befehlsformat enthielt die Adresse des nächsten Befehls – und Software ermöglicht: Das Symbolic Optimal Assembly Program (SOAP) ^{[ 136 ]} ordnete Befehle den optimalen Adressen zu (soweit dies durch statische Analyse des Quellprogramms möglich war). Dadurch befanden sich viele Befehle bei Bedarf in der nächsten Zeile der Trommel und konnten gelesen werden, wodurch zusätzliche Wartezeiten für die Trommelrotation reduziert wurden.

1951 entwickelte der britische Wissenschaftler Maurice Wilkes das Konzept der Mikroprogrammierung. Er erkannte, dass die zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) eines Computers durch ein miniaturisiertes, hochspezialisiertes Computerprogramm im Hochgeschwindigkeits -ROM gesteuert werden kann . Mikroprogrammierung ermöglicht es, den Basisbefehlssatz durch integrierte Programme (heute Firmware oder Mikrocode genannt ) zu definieren oder zu erweitern. ^{[ 137 ]} Dieses Konzept vereinfachte die CPU-Entwicklung erheblich. Wilkes beschrieb es erstmals 1951 auf der Computer Inaugural Conference der Universität Manchester und veröffentlichte es 1955 in erweiterter Form im IEEE Spectrum .

Es fand breite Anwendung in den CPUs und Gleitkommaeinheiten von Großrechnern und anderen Computern; erstmals implementiert wurde es im EDSAC 2 [ ^{138 ] ,} der zur Vereinfachung des Designs auch mehrere identische „Bit-Slices“ verwendete. Für jedes Bit des Prozessors wurden austauschbare Röhrenbaugruppen eingesetzt. ^{[ k ]}

Magnetische Trommelspeicher wurden während des Zweiten Weltkriegs für die US-Marine entwickelt. Die Arbeiten wurden 1946 und 1947 bei Engineering Research Associates (ERA) fortgesetzt. ERA, damals Teil von Univac, integrierte einen Trommelspeicher in seinen im Februar 1953 vorgestellten Computer 1103. Der erste in Serie gefertigte Computer, der ebenfalls 1953 angekündigte IBM 650 , verfügte über etwa 8,5 Kilobyte Trommelspeicher.

Der Magnetkernspeicher wurde 1949 patentiert ^{[ 140 ]} und im August 1953 erstmals im Whirlwind-Computer eingesetzt ^{[ 141 ]} . Die Kommerzialisierung folgte schnell. Magnetkernspeicher wurden in den Peripheriegeräten des im Juli 1955 ausgelieferten IBM 702 und später im 702 selbst verwendet. Auch der IBM 704 (1955) und der Ferranti Mercury (1957) nutzten Magnetkernspeicher. Dieser dominierte den Markt bis in die 1970er-Jahre, als er von Halbleiterspeichern abgelöst wurde. Die Produktionsmenge von Magnetkernspeichern erreichte um 1975 ihren Höhepunkt, danach gingen Nutzung und Marktanteil zurück ^{[ 142 ] .}

Bis 1980 waren an vielen der ursprünglichen UNIX-Standorte noch PDP-11/45-Maschinen im Einsatz, die Magnetkern-Hauptspeicher und Trommeln zum Auslagern verwendeten.

Der Bipolartransistor wurde 1947 erfunden. Ab 1955 ersetzten Transistoren die Elektronenröhren in Computerdesigns ^{[ 144 ]} und begründeten damit die „zweite Generation“ von Computern. Im Vergleich zu Elektronenröhren bieten Transistoren viele Vorteile: Sie sind kleiner, benötigen weniger Strom und erzeugen daher weniger Wärme. Silizium-Sperrschichttransistoren waren deutlich zuverlässiger und hatten eine längere Lebensdauer. Transistorbasierte Computer konnten Zehntausende binäre Logikschaltungen auf relativ kleinem Raum unterbringen. Transistoren reduzierten die Größe, die Anschaffungskosten und die Betriebskosten von Computern erheblich . Typischerweise bestanden Computer der zweiten Generation aus einer Vielzahl von Leiterplatten, wie beispielsweise dem IBM Standard Modular System ^{[ 145 ]} , die jeweils ein bis vier Logikgatter oder Flip-Flops enthielten .

An der Universität Manchester entwickelte und baute ein Team unter der Leitung von Tom Kilburn eine Maschine, die die neu entwickelten Transistoren anstelle von Elektronenröhren nutzte. Anfangs standen nur Germanium -Punktkontakttransistoren zur Verfügung , die zwar weniger zuverlässig als die zuvor verwendeten Röhren waren, aber deutlich weniger Strom verbrauchten. ^{[ 146 ]} Ihr erster transistorisierter Computer – der erste weltweit – war 1953 betriebsbereit. [ ^{147 ] Eine} zweite Version wurde im April 1955 fertiggestellt. ^{[ 147 ]} Die Version von 1955 verwendete 200 Transistoren, 1300 Halbleiterdioden und hatte eine Leistungsaufnahme von 150 Watt. Allerdings nutzte die Maschine weiterhin Röhren zur Erzeugung ihrer 125-kHz-Taktsignale und in der Schaltung zum Lesen und Schreiben auf ihrem Magnettrommelspeicher. Sie war daher nicht der erste vollständig transistorisierte Computer.

Diese Auszeichnung gebührt dem Harwell CADET von 1955 ^{[ 148 ]} , der von der Elektronikabteilung der Atomenergie-Forschungsanstalt in Harwell gebaut wurde . Das System verfügte über einen 64-Kilobyte-Magnettrommelspeicher mit mehreren beweglichen Köpfen, der am National Physical Laboratory (NPL) in Großbritannien entwickelt worden war . Bereits 1953 hatte dieses Team Transistorschaltungen zum Lesen und Schreiben auf einer kleineren Magnettrommel der Royal Radar Establishment (RAD) in Betrieb genommen . Die Maschine nutzte eine niedrige Taktfrequenz von nur 58 kHz, um auf Röhren zur Erzeugung der Taktsignale verzichten zu können. ^{[ 149 ] [ 148 ]}

CADET verwendete 324-Punktkontakttransistoren der britischen Firma Standard Telephones and Cables ; für die Vorverstärkerstufen zur Datenauslesung von der Trommel kamen 76- Bipolartransistoren zum Einsatz, da Punktkontakttransistoren zu rauschbehaftet waren. Ab August 1956 bot CADET einen regelmäßigen Rechenservice an, bei dem häufig ununterbrochene Rechenläufe von 80 Stunden oder mehr durchgeführt wurden. ^{[ 150 ] [ 151 ]} Aufgrund von Zuverlässigkeitsproblemen früher Chargen von Punktkontakt- und Legierungs-Bipolartransistoren betrug die mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen (MTBF) der Maschine etwa 90 Minuten. Dies verbesserte sich jedoch, sobald die zuverlässigeren Bipolartransistoren verfügbar waren. ^{[ 152 ]}

Das Design des Transistorcomputers der Universität Manchester wurde von der ortsansässigen Ingenieurfirma Metropolitan-Vickers für ihren Metrovick 950 übernommen , dem ersten kommerziellen Transistorcomputer weltweit. ^{[ 153 ]} Es wurden sechs Metrovick 950 gebaut, der erste wurde 1956 fertiggestellt. Sie wurden erfolgreich in verschiedenen Abteilungen des Unternehmens eingesetzt und waren etwa fünf Jahre lang im Einsatz. ^{[ 147 ]} Ein Computer der zweiten Generation, der IBM 1401 , eroberte etwa ein Drittel des Weltmarktes. IBM installierte zwischen 1960 und 1964 mehr als zehntausend 1401er.

Die Transistorelektronik verbesserte nicht nur die CPU (Zentraleinheit), sondern auch die Peripheriegeräte . Datenspeicher der zweiten Generation konnten zig Millionen Buchstaben und Ziffern speichern. Neben den Festplatten , die über Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung mit der CPU verbunden waren, gab es Wechseldatenspeicher. Ein Wechseldatenträger ließ sich innerhalb weniger Sekunden gegen einen anderen austauschen. Obwohl die Speicherkapazität der Wechseldatenträger geringer war als die der Festplatten, gewährleistete ihre Austauschbarkeit den Zugriff auf nahezu unbegrenzte Datenmengen. Magnetbänder ermöglichten die kostengünstigere Archivierung dieser Daten.

Viele CPUs der zweiten Generation delegierten die Kommunikation mit Peripheriegeräten an einen Sekundärprozessor. Während beispielsweise der Kommunikationsprozessor das Lesen und Stanzen von Karten steuerte , führte die Haupt-CPU Berechnungen und binäre Verzweigungsbefehle aus . Ein Datenbus übertrug Daten zwischen der Haupt-CPU und dem Kernspeicher mit der Fetch-Execute-Zyklusrate der CPU , weitere Datenbusse dienten typischerweise der Versorgung der Peripheriegeräte. Beim PDP-1 betrug die Zykluszeit des Kernspeichers 5 Mikrosekunden; folglich benötigten die meisten arithmetischen Befehle 10 Mikrosekunden (100.000 Operationen pro Sekunde), da die meisten Operationen mindestens zwei Speicherzyklen in Anspruch nahmen: einen für den Befehl und einen für das Abrufen der Operandendaten .

In der zweiten Generation erfuhren Fernwirkgeräte (oft in Form von Fernschreibern wie dem Friden Flexowriter ) einen stark erhöhten Einsatz. ^{[ l ]} Telefonverbindungen boten für die frühen Fernwirkgeräte ausreichende Geschwindigkeit und ermöglichten eine Entfernung von Hunderten von Kilometern zwischen den Fernwirkgeräten und dem Rechenzentrum. Schließlich wurden diese eigenständigen Computernetzwerke zu einem vernetzten Netzwerk von Netzwerken – dem Internet – zusammengeführt. ^{[ m ]}

Anfang der 1960er-Jahre begann die Ära des Supercomputing . Der Atlas war eine Gemeinschaftsentwicklung der Universität Manchester , Ferranti und Plessey . Er wurde zunächst an der Universität Manchester installiert und 1962 offiziell als einer der ersten Supercomputer der Welt in Betrieb genommen – damals galt er als der leistungsstärkste Computer der Welt. ^{[ 156 ]} Es hieß, dass jedes Mal, wenn der Atlas offline ging, die Hälfte der Rechenkapazität Großbritanniens verloren ging. ^{[ 157 ]} Es handelte sich um einen Supercomputer der zweiten Generation, der diskrete Germaniumtransistoren verwendete . Der Atlas entwickelte auch den Atlas Supervisor , der von vielen als das erste erkennbare moderne Betriebssystem angesehen wird . ^{[ 158 ]}

In den USA entwickelte Seymour Cray bei der Control Data Corporation (CDC) eine Reihe von Computern , die durch innovative Designs und Parallelverarbeitung eine überragende Rechenleistung erzielen sollten. ^{[ 159 ]} Der 1964 erschienene CDC 6600 gilt allgemein als erster Supercomputer. ^{[ 160 ] [ 161 ]} Der CDC 6600 war seinem Vorgänger, dem IBM 7030 Stretch , etwa dreimal so leistungsfähig. Mit einer Rechenleistung von rund 1  MegaFLOPS war der CDC 6600 von 1964 bis 1969 der schnellste Computer der Welt, bis er diesen Status an seinen Nachfolger, den CDC 7600, abgab .

Die „dritte Generation“ digitaler elektronischer Computer nutzte integrierte Schaltkreise (ICs) als Grundlage ihrer Logik.

Die Idee eines integrierten Schaltkreises wurde von dem Radarwissenschaftler Geoffrey WA Dummer entwickelt , der für die Royal Radar Establishment des Verteidigungsministeriums arbeitete .

Die ersten funktionsfähigen integrierten Schaltkreise wurden von Jack Kilby bei Texas Instruments und Robert Noyce bei Fairchild Semiconductor entwickelt . ^{[ 162 ]} Kilby hielt seine ersten Ideen zum integrierten Schaltkreis im Juli 1958 fest und demonstrierte am 12. September 1958 erfolgreich das erste funktionsfähige Beispiel. ^{[ 163 ]} Kilbys Erfindung war ein hybrider integrierter Schaltkreis (Hybrid-IC). ^{[ 164 ]} Aufgrund seiner externen Drahtverbindungen war die Massenproduktion schwierig. ^{[ 165 ]}

Ein halbes Jahr nach Kilby entwickelte Noyce seine eigene Idee eines integrierten Schaltkreises. ^{[ 166 ]} Noyces Erfindung war ein monolithischer integrierter Schaltkreis (IC). ^{[ 167 ] [ 165 ]} Sein Chip löste viele praktische Probleme, die Kilbys Chip nicht hatte. Er wurde bei Fairchild Semiconductor hergestellt und bestand aus Silizium , während Kilbys Chip aus Germanium gefertigt war . Grundlage für Noyces monolithischen IC war Fairchilds Planarverfahren , das die Herstellung integrierter Schaltkreise nach denselben Prinzipien wie gedruckte Schaltungen ermöglichte. Das Planarverfahren wurde Anfang 1959 von Noyces Kollegen Jean Hoerni entwickelt und basierte auf Mohamed M. Atallas Arbeiten zur Oberflächenpassivierung von Halbleitern mit Siliziumdioxid bei den Bell Labs Ende der 1950er Jahre. ^{[ 168 ] [ 169 ] [ 170 ]}

Computer der dritten Generation (mit integrierten Schaltkreisen) kamen Anfang der 1960er-Jahre zunächst in für Regierungszwecke entwickelten Rechnern und ab Mitte der 1960er-Jahre auch in kommerziellen Geräten zum Einsatz. Der erste Silizium-IC-Computer war der Apollo Guidance Computer (AGC). ^{[ 171 ]} Obwohl er nicht der leistungsstärkste Computer seiner Zeit war, erforderten die extremen Beschränkungen hinsichtlich Größe, Masse und Energieverbrauch der Apollo-Raumschiffe, dass der AGC deutlich kleiner und kompakter als alle vorherigen Computer war und nur 32 kg wog. Jede Mondlandemission führte zwei AGCs mit, je einen im Kommando- und im Aufstiegsmodul.

Der MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, kurz MOS-Transistor) wurde 1959 von Mohamed M. Atalla und Dawon Kahng bei den Bell Labs erfunden. ^{[ 172 ]} Neben der Datenverarbeitung ermöglichte der MOSFET die praktische Anwendung von MOS-Transistoren als Speicherelemente , eine Funktion, die zuvor von Magnetkernen übernommen wurde . Halbleiterspeicher , auch MOS-Speicher genannt , waren kostengünstiger und verbrauchten weniger Energie als Magnetkernspeicher . ^{[ 173 ]} MOS- RAM ( Random-Access Memory ) in Form von statischem RAM (SRAM) wurde 1964 von John Schmidt bei Fairchild Semiconductor entwickelt. ^{[ 173 ] [ 174 ]} 1966 entwickelte Robert Dennard im IBM Thomas J. Watson Research Center MOS- DRAM ( Dynamic RAM). ^{[ 175 ]} Im Jahr 1967 entwickelten Dawon Kahng und Simon Sze bei den Bell Labs den Floating-Gate-MOSFET , die Grundlage für nichtflüchtige MOS-Speicher wie EPROM , EEPROM und Flash-Speicher . ^{[ 176 ] [ 177 ]}

Die „vierte Generation“ digitaler Computer nutzte Mikroprozessoren als Grundlage ihrer Logik. Der Mikroprozessor hat seinen Ursprung im MOS-integrierten Schaltkreis (MOS-IC). ^{[ 178 ]} Dank der rasanten Miniaturisierung von MOSFETs stieg die Komplexität von MOS-ICs gemäß dem Moore’schen Gesetz rapide an , was Ende der 1960er-Jahre zur Großintegration (LSI) mit Hunderten von Transistoren auf einem einzigen MOS-Chip führte. Die Anwendung von MOS-LSI-Chips in der Computertechnik bildete die Grundlage für die ersten Mikroprozessoren, da Ingenieure erkannten, dass ein vollständiger Computerprozessor auf einem einzigen MOS-LSI-Chip untergebracht werden konnte. ^{[ 178 ]}

Die Frage, welches Gerät der erste Mikroprozessor war, ist umstritten, was unter anderem auf die fehlende Einigkeit über die genaue Definition des Begriffs „Mikroprozessor“ zurückzuführen ist. Die ersten Multi-Chip-Mikroprozessoren waren der Four-Phase Systems AL-1 von 1969 und der Garrett AiResearch MP944 von 1970, die mit mehreren MOS-LSI-Chips entwickelt wurden. ^{[ 178 ]} Der erste Single-Chip-Mikroprozessor war der Intel 4004 ^{[ 179 ]} , der auf einem einzelnen PMOS -LSI-Chip basierte. ^{[ 178 ]} Er wurde von Ted Hoff , Federico Faggin , Masatoshi Shima und Stanley Mazor bei Intel entwickelt und realisiert und 1971 auf den Markt gebracht. ^{[ n ]}

Während die ersten Mikroprozessor-ICs buchstäblich nur den Prozessor, also die zentrale Verarbeitungseinheit eines Computers, enthielten, führte ihre fortschreitende Entwicklung naturgemäß zu Chips, die die meisten oder alle internen elektronischen Bauteile eines Computers integrierten. Der integrierte Schaltkreis im Bild rechts, beispielsweise ein Intel 8742, ist ein 8-Bit- Mikrocontroller mit einer 12-MHz-CPU, 128 Byte RAM , 2048 Byte EPROM und Ein-/Ausgabeschnittstellen auf demselben Chip.

In den 1960er Jahren gab es erhebliche Überschneidungen zwischen Technologien der zweiten und dritten Generation. ^{[ o ]} IBM implementierte 1964 seine IBM Solid Logic Technology- Module in Hybridschaltungen für das IBM System/360. Noch 1975 produzierte Sperry Univac Maschinen der zweiten Generation wie den UNIVAC 494. Die Burroughs Large Systems, beispielsweise der B5000, waren Stapelmaschinen , die eine einfachere Programmierung ermöglichten. Diese Pushdown-Automaten wurden später auch in Minicomputern und Mikroprozessoren implementiert und beeinflussten die Entwicklung von Programmiersprachen. Minicomputer dienten als kostengünstige Rechenzentren für Industrie, Unternehmen und Universitäten. ^{[ 181 ]} Mit dem Simulationsprogramm SPICE (1971) , einem der Programme für die elektronische Entwurfsautomatisierung ( EDA ), wurde es möglich, analoge Schaltungen auf Minicomputern zu simulieren . Der Mikroprozessor führte zur Entwicklung von Mikrocomputern – kleinen, kostengünstigen Computern, die sich Privatpersonen und kleine Unternehmen leisten konnten. Mikrocomputer, deren erste in den 1970er Jahren auftauchten, wurden in den 1980er Jahren und darüber hinaus allgegenwärtig.

Welches Produkt als erstes Mikrocomputersystem gilt, ist umstritten. Eines der frühesten war jedoch der Micral N von R2E ( François Gernelle , André Truong ), der Anfang 1973 mit dem Intel 8008 auf den Markt kam. ^{[ 182 ]} Der erste kommerziell erhältliche Mikrocomputerbausatz war der auf dem Intel 8080 basierende Altair 8800 , der im Januar 1975 im Titelartikel von Popular Electronics angekündigt wurde . Der Altair 8800 war jedoch in seiner Anfangsphase ein äußerst eingeschränktes System: Er verfügte in der ersten Version nur über 256 Byte DRAM und außer Kippschaltern und einer LED-Registeranzeige über keine Ein- und Ausgänge. Trotzdem war er anfangs überraschend beliebt, mit mehreren hundert verkauften Einheiten im ersten Jahr, und die Nachfrage überstieg schnell das Angebot. Mehrere Drittanbieter wie Cromemco und Processor Technology begannen bald darauf, zusätzliche Hardware für den S-100-Bus des Altair 8800 anzubieten .

Im April 1975 präsentierte Olivetti auf der Hannover Messe den P6060 , den weltweit ersten kompletten, vormontierten Personalcomputer. Die Zentraleinheit bestand aus zwei Karten mit den Codenamen PUCE1 und PUCE2 und war, anders als die meisten anderen Personalcomputer, mit TTL- Bauteilen anstelle eines Mikroprozessors ausgestattet. Er verfügte über ein oder zwei 8- Zoll- Diskettenlaufwerke, ein 32-Zeichen -Plasmadisplay , einen 80-Spalten- Thermodrucker , 48 KB RAM und die Programmiersprache BASIC . Das Gewicht betrug 40 kg. Als Komplettsystem stellte der P6060 einen bedeutenden Fortschritt gegenüber dem Altair dar, erreichte aber nie dessen Erfolg. Er konkurrierte mit einem ähnlichen Produkt von IBM, das über ein externes Diskettenlaufwerk verfügte.

Von 1975 bis 1977 wurden die meisten Mikrocomputer, wie der MOS Technology KIM-1 , der Altair 8800 und einige Versionen des Apple I , als Bausätze für Heimwerker verkauft. Fertig montierte Systeme konnten sich erst 1977 mit der Einführung des Apple II , des Tandy TRS-80 , der ersten SWTPC- Computer und des Commodore PET durchsetzen . Die Computertechnologie hat sich mit den Mikrocomputerarchitekturen weiterentwickelt, wobei Funktionen ihrer größeren Brüder übernommen wurden, die heute in den meisten Marktsegmenten dominieren.

Ein NeXT-Computer und seine objektorientierten Entwicklungswerkzeuge und Bibliotheken wurden von Tim Berners-Lee und Robert Cailliau am CERN verwendet , um die weltweit erste Webserver- Software, CERN httpd , zu entwickeln und auch den ersten Webbrowser , WorldWideWeb , zu schreiben .

Systeme so komplex wie Computer erfordern höchste Zuverlässigkeit . Der ENIAC lief von 1947 bis 1955 ununterbrochen, also acht Jahre lang, bevor er abgeschaltet wurde. Selbst wenn eine Elektronenröhre ausfiel, konnte sie ausgetauscht werden, ohne das System zum Stillstand zu bringen. Durch diese einfache Strategie, den ENIAC nie abzuschalten, wurden die Ausfälle drastisch reduziert. Die Elektronenröhren- Flugabwehrcomputer der SAGE -Serie erwiesen sich als bemerkenswert zuverlässig: Sie wurden paarweise installiert, wobei jeweils eine Röhre offline war. Ausfälle wurden aufgedeckt, indem der Computer absichtlich mit reduzierter Leistung betrieben wurde. Hot-Swap-fähige Festplatten führen, ähnlich den Hot-Swap-fähigen Elektronenröhren von einst, die Tradition der Reparatur im laufenden Betrieb fort. Halbleiterspeicher arbeiten in der Regel fehlerfrei, obwohl Betriebssysteme wie Unix beim Start Speichertests durchführen, um Hardwarefehler zu erkennen. Heutzutage sind die Anforderungen an zuverlässige Leistung noch höher, da Serverfarmen die Bereitstellungsplattform bilden. ^{[ 183 ]} Google hat dies durch den Einsatz fehlertoleranter Software zur Behebung von Hardwareausfällen erreicht und arbeitet sogar an dem Konzept, ganze Serverfarmen während eines Serviceereignisses im laufenden Betrieb auszutauschen. ^{[ 184 ] [ 185 ]}

Im 21. Jahrhundert wurden Mehrkernprozessoren kommerziell verfügbar. ^{[ 186 ]} Inhaltsadressierbarer Speicher (CAM) ^{[ 187 ]} ist mittlerweile so kostengünstig, dass er in Netzwerken eingesetzt wird und häufig als On-Chip -Cache in modernen Mikroprozessoren dient. Allerdings implementiert noch kein Computersystem Hardware-CAMs für die Verwendung in Programmiersprachen. Aktuell sind CAMs (oder assoziative Arrays) in Software sprachspezifisch. Halbleiter-Speicherzellenarrays weisen sehr regelmäßige Strukturen auf, an denen Hersteller ihre Prozesse erproben; dies ermöglicht Preissenkungen bei Speicherprodukten. In den 1980er Jahren entwickelten sich CMOS -Logikgatter zu Bauelementen, die so schnell wie andere Schaltungstypen hergestellt werden konnten; der Stromverbrauch von Computern konnte dadurch drastisch gesenkt werden. Im Gegensatz zum kontinuierlichen Stromverbrauch eines Gatters, das auf anderen Logiktypen basiert, verbraucht ein CMOS-Gatter – abgesehen von Leckströmen – nur während des Übergangs zwischen den Logikzuständen nennenswerten Strom. ^{[ 188 ]}

CMOS-Schaltungen haben die Computertechnologie zu einem allgegenwärtigen kommerziellen Produkt gemacht , das in vielen Bereichen – von Grußkarten und Telefonen bis hin zu Satelliten – Verwendung findet . Die während des Betriebs entstehende Verlustleistung ist mittlerweile genauso wichtig wie die Rechengeschwindigkeit. Im Jahr 2006 verbrauchten Server 1,5 % des gesamten Stromverbrauchs der USA. ^{[ 189 ]} Es wurde erwartet, dass sich der Energieverbrauch von Rechenzentren bis 2011 auf 3 % des weltweiten Verbrauchs verdoppeln würde. System-on-a-Chip ( SoC ) komprimiert noch mehr integrierte Schaltkreise auf einem einzigen Chip; SoCs ermöglichen die Verschmelzung von Mobiltelefonen und PCs zu tragbaren, drahtlosen Mobilgeräten . ^{[ 190 ]}

Quantencomputing ist eine aufstrebende Technologie im Bereich der Informatik. Die MIT Technology Review berichtete am 10. November 2017, dass IBM einen 50- Qubit- Computer entwickelt hat; dessen Quantenzustand hält derzeit 50 Mikrosekunden an. ^{[ 191 ]} Google-Forschern ist es gelungen, diese 50-Mikrosekunden-Grenze zu verlängern, wie am 14. Juli 2021 in Nature berichtet wurde ; ^{[ 192 ]} die Stabilität wurde um das Hundertfache erhöht, indem ein einzelnes logisches Qubit zur Quantenfehlerkorrektur auf Ketten von Daten-Qubits verteilt wurde . ^{[ 192 ]} Physical Review X berichtete am 26. November 2018 über eine Technik zur „Einzelgate-Sensorik als praktikable Auslesemethode für Spin-Qubits“ (ein Singulett-Triplett-Spinzustand in Silizium). ^{[ 193 ]} Einem Google-Team ist es gelungen, seinen HF-Pulsmodulator-Chip bei 3  Kelvin zu betreiben und so die Kryotechnik seines 72-Qubit-Computers zu vereinfachen, der für den Betrieb bei 0,3 K ausgelegt ist  ; die Ausleseschaltung und ein weiterer Treiber müssen jedoch noch in die Kryotechnik integriert werden. ^{[ 194 ] [ p ]} Siehe: Quantenüberlegenheit ^{[ 196 ] [ 197 ]} Silizium-Qubit-Systeme haben Verschränkung über nichtlokale Distanzen demonstriert . ^{[ 198 ]}

Computerhardware und ihre Software sind sogar zu einer Metapher für die Funktionsweise des Universums geworden. ^{[ 199 ]}

Ein Hinweis auf die rasante Entwicklung dieses Gebiets lässt sich aus der Geschichte des bahnbrechenden Artikels von Burks, Goldstine und von Neumann aus dem Jahr 1947 ableiten. ^{[ 200 ]} Bis jemand Zeit hatte, etwas niederzuschreiben, war es bereits überholt. Nach 1945 lasen andere John von Neumanns ersten Entwurf eines Berichts über den EDVAC und begannen umgehend mit der Implementierung eigener Systeme. Bis heute hält die rasante Entwicklung weltweit an. ^{[ q ] [ r ]}

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