Konrad Zuse and the Z3

Zusammenfassung

Im Mai 1941 präsentierte ein 30-jähriger Berliner Ingenieur einer kleinen Gruppe von Experten eine Maschine, die aus 2.400 Telefonrelais bestand und Gleitkomma-Arithmetik im Binärsystem ausführte. Sie las ihre Befehle von gestanzten 35-mm-Filmstreifen und war programmierbar — frei programmierbar, ohne dass man sie physisch umverdrahten musste. Konrad Zuses Z3 war der erste funktionsfähige Turing-vollständige Computer der Welt. Die anglo-amerikanische Informatikgeschichte hat ihn jahrzehntelang weitgehend ignoriert, weil er auf der falschen Seite des Krieges gebaut worden war.

Der Ingenieur, der Rechnen hasste

Konrad Zuse wurde 1910 in Berlin geboren und studierte Bauingenieurwesen an der Technischen Hochschule Berlin-Charlottenburg. Als Ingenieur begegnete er täglich demselben Problem: statische Berechnungen für Flugzeugteile — ellenlange Zahlenkolonnen, die Seite für Seite per Hand durchgerechnet werden mussten. Zuse war nicht faul, aber er war effizienzdenkend: Diese Arbeit, erkannte er, war mechanisch genug, um von einer Maschine erledigt zu werden.

Er kündigte 1935 seinen Job bei den Henschel-Flugzeugwerken und begann in der Berliner Wohnung seiner Eltern zu bauen. Sein Budget war minimal; seine Unterstützer waren Freunde, die als Hilfskräfte halfen. Die preußische Wissenschaftsgesellschaft lehnte eine Förderung ab. Das Deutsche Reichsluftfahrtministerium — für das er später arbeiten würde — zeigte kein Interesse an universellen Rechenmaschinen.

Die Z1: Rechnen aus Metallplatten

Von 1936 bis 1938 baute Zuse im Wohnzimmer seiner Eltern die Z1 — eine vollständig mechanische Rechenmaschine, die nicht aus Elektronik, sondern aus dünnen Metallplatten bestand, die er selbst ausschnitt. Die Maschine:

Operierte im Binärsystem mit Gleitkomma-Darstellung — beide Entscheidungen waren für die Zeit außergewöhnlich und wurden von Zuse unabhängig entwickelt
Besaß einen 16-Wort-Speicher
Las Instruktionen von gestanzter Zelluloidfolie (Kinofilm-Abschnitte, die Zuse umfunktionierte)
War im Prinzip frei programmierbar

In der Praxis lief die Z1 unzuverlässig. Die mechanischen Toleranzen waren zu eng für handgeschnittene Metallteile; kleinste Verschmutzungen oder Temperaturschwankungen brachten die Logik-Gatter zum Haken. Die Z1 rechnete — manchmal. Aber sie bewies Zuse, dass das Konzept stimmte.

Die Z3: Zweitausendvierhundert Relais

Für den Nachfolger wechselte Zuse das Medium. Die Z2 (1940) testete Telefonrelais für die Recheneinheit — elektrische Schalter, die zuverlässig öffneten und schlossen und damit zuverlässige logische Operationen ermöglichten. Die Erfahrung floss in das Hauptwerk.

Am 12. Mai 1941 stellte Zuse die Z3 vor. Die Maschine bestand aus:

2.400 Telefonrelais gesamt: 600 für Rechen- und Programmwerk, 1.800 für den Speicher
22-Bit-Gleitkommadarstellung: 1 Vorzeichenbit, 7 Exponentenbits, 14 Bit Mantisse — eine Struktur, die verblüffend nah an modernen IEEE-754-Gleitkommazahlen liegt

Info

Zuses 22-Bit-Gleitkommazahl als frühes Zahlenformat: Die Z3 verwendete eine binäre Gleitkommadarstellung, bei der Zuse eigenständig das Konzept von Vorzeichen, Exponent und Mantisse entwickelte. Der IEEE-754-Standard, der 1985 die Gleitkomma-Arithmetik für alle modernen Prozessoren vereinheitlichte, folgt derselben Grundstruktur — nur mit mehr Bits (32 oder 64 statt 22). Zuse hatte die logische Architektur eines Problems gelöst, für das die Hardwarewelt erst vier Jahrzehnte später einen globalen Standard schuf.

Die Z3 arbeitete parallel: Alle 22 Bits eines Wortes wurden gleichzeitig aus dem Speicher gelesen, nicht nacheinander. Sie konnte addieren, subtrahieren, multiplizieren, dividieren und Quadratwurzeln ziehen. Die Taktrate lag bei etwa 5–10 Hz — fünf bis zehn Rechenoperationen pro Sekunde.

Die Programmierung erfolgte über gestanzte Filmstreifen: Zuse nutzte 35-mm-Kinofilm und stanzte die Befehlsmuster ein. Programme konnten als Schleifen ausgeführt werden, indem man den Filmstreifen zu einer Schleife klebte. Bedingte Sprünge — IF-Anweisungen — fehlten in der Z3; sie wurden erst in späteren Maschinen implementiert.

Ob die Z3 ohne bedingte Sprünge trotzdem Turing-vollständig war, blieb lange strittig. 1998 bewies der Informatiker Raúl Rojas von der Freien Universität Berlin, dass die Z3 durch geschickte Programmierung mit Schleifen dennoch jede berechenbare Funktion ausführen konnte — rückwirkend der erste Beweis, dass Zuses Maschine theoretisch universal war.

Plankalkül: Die erste Programmiersprache

Zwischen 1942 und 1945, als Zuse keine Möglichkeit hatte, neue Hardware zu bauen, arbeitete er an etwas Theoretischem: einer Programmiersprache für Maschinen wie die Z3.

Das Plankalkül (Kalkül der Pläne) war das erste Konzept einer höheren Programmiersprache überhaupt. Es umfasste:

Gleitkomma-Arithmetik als Datentyp
Unterprogramme (Subroutinen)
Bedingte Ausführung und Schleifen
Strukturierte Daten (Arrays, Records)
Ein Konzept der formalen Verifikation: Zuse schlug vor, Programme mathematisch auf Korrektheit zu beweisen

Als Demonstration schrieb Zuse ein vollständiges Schachprogramm in Plankalkül — 49 Seiten Algorithmen für Stellungsbewertung und Zugberechnung. Es war das erste Schachprogramm der Geschichte, ein Jahrzehnt bevor Alan Turing und Claude Shannon ähnliche Ideen entwickelten.

Das Manuskript war 1945 fertig. Zuse konnte es nicht einreichen: Deutschland kollabierte. Die vollständige Arbeit blieb unveröffentlicht und unbekannt bis 1972, als sie mit Kommentar neu herausgegeben wurde. Ein erster Compiler für Plankalkül wurde erst 1999 entwickelt und getestet — 54 Jahre nach Fertigstellung der Sprache.

Die Z4 überlebt den Krieg

Die Z3 selbst überlebte den Krieg nicht. Ende 1943 zerstörte ein britischer Bombenangriff Zuses Werkstatt in Berlin. Die Z3 verbrannte. Zuse baute an der Z4 weiter — einer verbesserten Version mit mechanischem Speicher.

Als am 3. Februar 1945 Flächenbombardements Berlin verwüsteten, ließ Zuse die unfertige Z4 auf einen LKW laden. Am 14. Februar 1945 verließ die Maschine Berlin in Richtung Göttingen, dann ins bayerische Dorf Hinterstein. Dort versteckte Zuse die Z4 in einer Scheune und wartete das Kriegsende ab.

1949 zeigte Zuse die Z4 dem Schweizer Mathematiker Eduard Stiefel von der ETH Zürich. Stiefel erkannte den Wert der Maschine sofort. Im Juli 1950 wurde die Z4 an die ETH Zürich geliefert — für eine Leasinggebühr von 30.000 DM pro Jahr.

Die Z4 war zu diesem Zeitpunkt der einzige funktionierende digitale Computer in Mitteleuropa und erst der zweite Computer überhaupt, der vermietet oder verkauft wurde. An der ETH wurde sie für aerodynamische und numerische Berechnungen eingesetzt, bis 1955.

Dead End: Isolation und die verpasste Geschichte

Zuses Werk hat eine doppelte Tragik: Die Maschinen liefen; die Anerkennung blieb aus.

Die Isolation des Krieges war der erste Faktor. Während Zuse in Berlin an der Z3 arbeitete, entwickelten Atanasoff und Berry in Iowa ihren ABC (1939–1942), Turing und das Team in Bletchley Park bauten den Colossus (1943–1944), und Eckert/Mauchly entwickelten den ENIAC in Philadelphia (1943–1945). Alle diese Entwicklungen verliefen ohne Kenntnis voneinander — und nach dem Krieg dominierte die angloamerikanische Perspektive die Historiographie. Zuses Arbeit war auf Deutsch, unveröffentlicht und in einem besiegten Land.

Das Plankalkül ist der tiefste Verlust. Hätte Zuse das Manuskript 1945 oder 1946 publiziert, wäre Plankalkül das Fundament der Sprachtheorie geworden — ein Jahrzehnt vor FORTRAN (1957), vor LISP (1958), vor ALGOL (1958). Stattdessen wurden diese Sprachen unabhängig entwickelt, ohne von Plankalkül zu wissen. Als die Arbeit 1972 erschien, war die Programmiersprachenwelt bereits etabliert. Plankalkül beeinflusste nichts mehr.

Der Prioritätsstreit belastet bis heute die Informatikgeschichte. Die Fragen — wer baute den ersten Computer? — lassen sich nicht eindeutig beantworten, weil “erster Computer” keine eindeutige Definition hat. Die Z3 ist der erste frei programmierbare, Turing-vollständige, binäre Gleitkomma-Computer. Der ABC war binär und elektronisch, aber nicht frei programmierbar. Der Colossus war elektronisch und schnell, aber auf eine Aufgabe spezialisiert. Der ENIAC war elektronisch und universal, aber ursprünglich dezimal und nicht gespeichert-programmiert.

Zuse bekam die Anerkennung, die ihm zustand, zu spät. Er erhielt 1985 den Kyoto-Preis und wurde 1987 mit dem Computer Pioneer Award der IEEE geehrt. Er starb 1995 — lang genug, um zu erleben, dass seine Priorität anerkannt wurde. Aber die Lehrbücher, die Algorithmen, die Universitätskurse: Sie führen die Geschichte der Informatik über Turing und von Neumann, über ENIAC und Manchester Baby. Zuse taucht als Fußnote auf.