Grundstein der Computertechnik – Teil 1 Die Analytical Engine und Charles Babbage

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Die Analytical Engine, entworfen von Charles Babbage im 19. Jahrhundert, gilt als eines der frühesten Konzepte eines mechanischen Computers. Sie war revolutionär, da sie in der Lage gewesen wäre, komplexe Berechnungen automatisch durchzuführen und Programme auf Lochkarten zu verarbeiten. Obwohl nie vollendet, legte Babbage mit der Analytical Engine den Grundstein für moderne Computertechnologie – wir werfen einen Blick auf Babbages Werk.

In unseren kleinen historischen Seitenblicken beschäftigen wir uns mit zwei Persönlichkeiten, die zwar nicht im Bereich der Elektrotechnik aktiv waren, doch indirekt damit zu tun haben. Durch ihre Arbeiten haben sie bereits bis Mitte des 19. Jahrhunderts für dermaßen wichtige Grundlagen der heutigen Computertechnik gesorgt, dass wir sie in den Bereich der Elektrotechnik wichtigen Personen einordnen wollen.

Die Rede ist einerseits vom Mathematikprofessor Charles Babbage (1791 bis 1871), der mit der Analytical Engine die Pläne für eine Rechenmaschine entwarf, die sich als der erste mechanische Computer entpuppte. Andererseits geht es um die Mathematikerin Ada Lovelace (1815 bis 1852), die auf Basis der Pläne zur Analytical Engine Anwendungen entwarf, die man als (die möglicherweise historisch ersten) Computerprogramme einstufen kann.

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An dieser Stelle widmen wir uns der Analytical Engine und dem Leben von Charles Babbage. Ada Lovelace bleibt zwar nicht gänzlich außen vor, aber wir werden sie in einem separaten zweiten Teil genauer unter die Lupe nehmen.

Analytical Engine – ein Großrechner

Bei der Analytical Engine handelt es sich um eine Rechenmaschine, die laut Babbages Plänen aus über 50.000 Einzelteilen bestehen sollte. Eine Dampfmaschine war dafür vorgesehen, die vielen Zahnräder zu bewegen, mit denen wiederum die logischen Operationen durchgeführt werden sollten. Auf die Idee der Analytical Engine kam Babbage, nachdem er in den 1820er-Jahren zuerst eine Maschine mit dem Namen Difference Engine entworfen hatte, die polynominale Funktionen lösen sollte.

Für den Bau dieser Maschine hatte er vom Staat bereits hohe Geldmittel erhalten; auf heutigem Niveau mehr als zwei Millionen Pfund. Babbage bemerkte bei seiner Arbeit, dass seine Überlegungen auch dazu geeignet sind, eine nicht so eng spezialisierte Rechenmaschine zu bauen. Seine Idee der Analytical Engine veröffentlichte er schließlich im Jahr 1837. Bis zu seinem Tod verfeinerte er die Entwürfe, konnte die Analytical Engine aber nie als betriebsfertige Version konstruieren.

Dies hat vor allem mit den hohen Kosten zu tun, da viele der mehr als 50.000 Bauteile sehr filigran und trotzdem stabil hätten hergestellt werden müssen. Die geplante Größe mit einer Länge von etwa 19 Metern bei einer Höhe von drei Metern spricht ebenfalls Bände darüber, wie aufwendig das Projekt war. Einige Teile wären damals nicht oder nur schwer herzustellen gewesen, und wegen des bereits zuvor zur Verfügung gestellten Budgets gab es zudem keine weiteren öffentlichen Gelder für die neue Rechenmaschine.

Programmierung per Lochkarten

Die Rechenvorgänge sollten über Lochkarten eingespeist werden, die damals bereits in Webereien eingesetzt wurden, um mechanische Webstühle automatisierte Muster weben zu lassen. Dabei waren drei Sorten von Lochkarten vorgesehen, und zwar für arithmetische Berechnungen, zum Laden oder Speichern sowie für Zahlenkonstanten. Die Ergebnisse der Rechenoperationen sollten ausgedruckt oder mit einem Kurvenplotter erfolgen, zudem sollte die Analytical Engine auch ihrerseits für berechnete Zahlen neue Lochkarten erstellen können. Eine Glocke sollte den Nutzer über das Ende eines Rechenvorganges informieren.

Die Berechnung basierte auf dezimalen Festkommazahlen, wobei 40 bis 50 Zahnräder jeweils eine Dezimalstelle darstellen sollten. Die Entwürfe von Babbage ließen zudem eine Art Speicherung zu, die je nach Deutung bis zu 20 Kilobyte entsprochen hätte. Moderne Wissenschaftler bestätigen, dass die Maschine, wenn man sie gebaut hätte, wie geplant funktioniert hätte. Mit der Analytica Engine legte Babbage die Grundlagen für die Prinzipien der modernen Computertechnik – für das, was wir heute als Computerprogramme bezeichnen würden, war aber Ada Lovelace verantwortlich.

Ada Lovelace erkennt das Potenzial

Ada Lovelace, zu deren Leben wir in Teil 2 unserer kleinen Reihe im Detail kommen werden, lernte Charles Babbage im Jahr 1833 kennen, da sie allgemein an Naturwissenschaften interessiert war und von dessen Plänen für Rechenmaschinen erfahren hatte. Nachdem Babbage, da seine Maschine keine Investoren fand, seine Pläne an der Universität von Turin vorgetragen hatte, schrieb der italienische Mathematiker Luigi Federico Menabrea (1809 bis 1896) eine ausführliche, französische Abhandlung über die Analytical Engine. Ada Lovelace, die die Sprache beherrschte, übersetzte diese Abhandlung und wurde von Babbage daraufhin dazu motiviert, eine eigene Zusammenfassung zu schreiben. Diese Zusammenfassung wurde schließlich dreimal so lang wie die Abhandlung von Menabrea und enthielt auch Vorlagen für Lochkarten als Beispiele, die sich Ada Lovelace durch ihren mathematischen Verstand auf rein theoretischer Ebene ausgedacht hatte.

Darunter befand sich ein Programm zur Berechnung von Bernoulli-Zahlen, das aus heutiger Sicht als Computerprogramm eingestuft werden kann und über die noch üblichen Berechnungen durch mechanische Rechenmaschinen weit hinausging. Damals erkannte man allerdings nicht die Relevanz dieser Ideen – inzwischen weiß man, dass die Arbeit von Ada Lovelace die Turingfähigkeit der Analytical Engine zeigte. Sie wäre also universell programmierbar gewesen und hätte bedingte Verzweigungen und Schleifen beherrscht.

Grundstein der Computertechnik – Teil 2

Ada Lovelace und ihre Programme für die Analytical Engine

Das Leben von Charles Babbage

Charles Babbage war gleich in mehrfacher Hinsicht wissenschaftlich unterwegs. Der am 26. Dezember 1791 in Walworth (Grafschaft Surrey, südlich von London) geborene Babbage galt als Mathematiker und Erfinder, aber auch als Philosoph und Ökonom. Dabei war er nicht nur für Rechenmaschinen wie die Analytical Engine verantwortlich, um die es in unserem Artikel primär geht. Vielmehr basieren auch andere wissenschaftliche sowie auch soziale Reformen auf seiner Person.

Akademisch gesehen absolvierte er von 1810 bis 1814 ein Studium der Mathematik und Chemie, wobei er schon 1812 die Analytical Society mit dem Ziel gründete, moderne Methoden der Mathematik in der britischen Mathematik-Lehre zu etablieren. Vier Jahre später und somit gleichzeitig zwei Jahre nach seinem Studium wurde Babbage bereits Mitglied der Wissenschaftsvereinigung Royal Society.

Auch im Bereich der Astronomie war er aktiv und hatte 1815 hierzu Vorlesungen abgehalten und im Jahr 1820 die Royal Astronomical Society mit gegründet. Seine erste Rechenmaschine baute Babbage 1822 und er bekam 1823 für die schon zuvor erwähnte Difference Engine ("Differenzmaschine") von der britischen Regierung üppige Fördermittel. 1822 wurde vom Ingenieur Joseph Clement (1779 bis 1844) ein erstes Modul der Difference Engine fertiggestellt, das aus etwa 2.000 Einzelteilen bestand – die gesamte Rechenmaschine sollte aus etwa 25.000 Teilen bestehen.

Sterbetafel-Reform und Sterbefälle in der Familie

Seine an der Sozialpolitik interessierte Ader kam im Jahr 1826 in praktischer Form zu tragen, als Babbage einen Aufsatz veröffentlichte, der einen Zusammenhang der Sterblichkeit mit der sozialen Herkunft nachwies. Darin schlug er vor, für die Berechnung von Wahrscheinlichkeiten im Versicherungswesen neue Sterbetafeln zu verwenden, die unter anderem zwischen Unter- und Oberschicht unterscheiden.

Finanziell wurde Babbage im Jahr 1827 weitgehend unabhängig, da sein Vater Benjamin verstarb und ein größeres Erbe hinterließ. Dies war aber nicht der einzige Schicksalsschlag, denn Babbages Ehefrau sowie zwei seiner Söhne verstarben ebenfalls 1827 innerhalb von kurzer Zeit. Vermutlich auch um Abstand zu gewinnen, bereiste er daraufhin mehrere europäische Länder und beschäftigte sich mit dem Vesuv, traf Mitglieder der Familie Bonaparte sowie den deutschen Forscher Alexander von Humboldt. In den Folgejahren engagierte sich Babbage bis 1834 in der Politik für die liberale Seite.

Der Start seiner Arbeiten rund um die Analytical Engine im Jahr 1833 läutete das Ende seines politischen Engagements ein. Die neue Rechenmaschine versuchte Babbage, auf eigene Faust zu finanzieren. 1842 wurde wiederum das Projekt zur Difference Engine, an der Babbage zugunsten der Analytical Engine nicht mehr weiterarbeitete, von der Regierung offiziell verworfen. Nachdem Babbage auch bei der Analytical Engine nicht mehr weitergekommen war, entwickelte er Pläne für eine Difference Engine No.2, die dank deutlich weniger benötigter Bauteile günstiger als die erste Version sein sollte.

Weitere wissenschaftliche Beiträge und Ehrungen

Charles Babbage verstarb gut zwei Monate vor seinem 80. Geburtstag am 18. Oktober 1871 in London. Weder eine der beiden Difference Engines noch die Analytical Engine wurden zu Lebzeiten Babbages fertiggestellt. Er hatte aber neben den schon vorher erwähnten Dingen, etwa dem Beachten der sozialen Schicht für die Lebensversicherungen, weitere interessante Ideen und Vorschläge veröffentlicht, die mit mehreren Gebieten von Wissenschaft und sozialem Leben zusammenhingen.

Zudem gründete Babbage neben den schon oben genannten noch weitere Vereinigungen und Gesellschaften. Karl Marx nutzte beispielsweise eine Analyse von Babbage über den Fabrikkapitalismus als wichtige Quelle. Babbage hatte dabei die als Babbage-Prinzip bekannte Idee, komplexere Arbeiten, die von einem einzigen Facharbeiter ausgeführt wurden, in mehrere Einzelarbeiten aufzuteilen, von denen einige auch von weniger qualifizierten Kräften durchgeführt werden können, sodass die durchschnittlichen Lohnkosten sinken.

Eine andere Idee betraf die Schifffahrt: Damit Schiffe die Leuchttürme leichter identifizieren konnten, plädierte Babbage 1854 dafür, dass die Leuchttürme eine Nummer erhalten und ihr Licht in Form von Blitz-Signalen ausstrahlen, die die Nummer des Leuchtturmes repräsentieren. Sein der Wissenschaft vermachtes Gehirn ist übrigens im Science Museum in London neben einem Nachbau seiner Difference Engine als Präparat ausgestellt. Ihm zu Ehren trägt der Asteroid 11341 Babbages Namen, und auch ein Mondkrater wurde nach ihm benannt.

Dieser Artikel erschien zuerst auf unserem Schwesterportal ELEKTRONIKPRAXIS.

Grundstein der Computertechnik – Teil 2

Ada Lovelace und ihre Programme für die Analytical Engine

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