Der Herr über die Analogrechner
Ein Leben für eine Zukunftstechnik
Dass Analogrechner vor einigen Jahrzehnten zu Unrecht beiseitegeschoben wurden, erläutert Prof. Dr. Bernd Ulmann, ein deutscher Informatiker, Mathematiker und Hochschullehrer.
Sehr geehrter Herr Prof. Ulmann, wie sind Sie zur Liebe zu Analogrechnern gekommen?
Prof. Dr. Bernd Ulmann: Das begann schon zu Schulzeiten. Wir hatten in der Schule eine angegliederte Bibliothek – einer Außenstelle der Wiesbadener Stadtbibliothek – ein Buch über Analogrechner, das mich gewaltig in seinen Bann zog. Inhaltlich ging es zwar weit über mein damaliges Mathematikverständnis hinaus, aber technisch waren die Ideen nicht nur nachvollziehbar, sondern auch mit Bastlermitteln zu realisieren. Mit ein paar schon damals mit Taschengeldmitteln bezahlbaren Operationsverstärkern (Typ 741, wenn ich mich recht entsinne) konnte ich die wesentlichen Grundschaltungen aufbauen und ein wenig experimentieren.
Im Laufe der Zeit wuchs Ihre Sammlung. Woher haben Sie all die beeindruckenden Exemplare?
Prof. Ulmann: Häufig kommen Maschinen quasi zu mir – oft ist es so, dass ihre Vorbesitzer oder Institute sich von den Maschinen trennen müssen. In solchen Fällen werde ich dann mitunter direkt kontaktiert, weil es den Leuten ein Anliegen ist, dass diese wunderschönen Maschinen nicht verschrottet werden, sie sie aber nicht selbst unter ihre Fittiche nehmen können, da die Rechner oftmals doch unhandlich groß und schwer sind.
Analogrechner sind nicht so intuitiv zu bedienen, wie ihre digital arbeitenden Verwandten. Ein Nachteil?
Prof. Ulmann: Damit sprechen Sie einen zentralen Punkt an, wobei ich nicht sagen würde, dass Analogrechner weniger intuitiv zu bedienen und zu programmieren sind als speicherprogrammierte Digitalrechner - diese beiden Maschinenklassen unterscheiden sich einfach grundlegend in fast allen Aspekten. Das Schwierigste an der Programmierung ist, aus den algorithmischen Denkstrukturen herauszukommen, die einem im Studium vermittelt werden. Letztlich ist es wie mit fast allem anderen auch, Übung macht den Meister – hat man sich einmal an den grundsätzlich anderen Ansatz eines Analogrechners gewöhnt, kommen einem Digitalrechner in der Regel recht unelegant vor.
Wie werden denn mathematische Probleme mit Analogrechnern gelöst, beziehungsweise, wie werden diese „programmiert“?
Prof. Ulmann: Die Grundidee ist hierbei, aus der mathematischen Beschreibung des eigentlichen Problemes, die in jedem Fall, das heißt, auch wenn das Problem mit einem klassischen speicherprogrammierten Digitalrechner gelöst werden soll, aufgestellt werden muss, keinen Algorithmus, das heißt, keine schrittweise abzuarbeitende Berechnungsvorschrift, sondern stattdessen ein – meist elektronisches – Modell abzuleiten. Angenommen, man möchte ein schwingendes mechanisches System, beispielsweise eine über Federn und Dämpfer mit den Achsen verbundene Fahrgastzelle eines Kraftfahrzeuges simulieren, so könnte man entweder ein Modellauto bauen und sein Verhalten messen, ein Vorgehen, das als ›direkte Analogie‹ bezeichnet wird. Alternativ kann man auch, und das ist das Wesen der Mehrzahl aller Analogrechner, ein elektronisches Modell entwickeln, das beispielsweise auf einem Schwingkreis beruht, der sich im Wesentlichen “analog” zu dem eigentlich zu Grunde liegenden System verhält, was dann als ›indirekte Analogie‹ bezeichnet wird. In der Regel nutzt man spezialisierte Rechenelemente, wie beispielsweise Summierer, Integrierer, Multiplizierer, Koeffizientenglieder et cetera, um aus diesen eine elektronische Schaltung aufzubauen, die sich so verhält, wie das durch die ursprüngliche mathematische Beschreibung dargestellte System.
So mancher Rechner ist aus Gewichtsgründen ohne Hilfsmittel nicht zu bewegen. Was mussten Sie alles organisieren, damit diese Schwergewichte in ihr Haus kamen?
Prof. Ulmann: Ohne meine Frau und nicht zuletzt auch viele Freunde, die mit anpacken, wenn etwas zu transportieren ist, wäre das nicht möglich gewesen. Manche Rechner sind klein genug, dass man sie noch in einem PKW transportieren kann, andere, wie meine Pacer 700, sind hingegen so groß, dass wir dafür nicht nur eine Straßensperrung und einen Schwerlastkran, sondern auch einen Anbau am Haus benötigten.
Sehr viele Exemplare waren nicht funktionsfähig. Welche Klippen mussten Sie meistern, dies zu ändern?
Prof. Ulmann: Ein Hauptproblem sind oftmals fehlende Unterlagen. Es ist extrem mühsam, per Hand Schaltpläne von Modulen im Nachhinein anzufertigen, um sie reparieren zu können. Entsprechend freue ich mich auch stets über alte Handbücher, Schaltpläne und Photographien von Maschinen – eines Tages werden sie bei der Restaurierung und Reparatur irgendeines Analogrechners sicherlich von Nutzen sein.
Dies ist demnach ein Aufruf, alte Unterlagen nicht in das Altpapier zu geben, sondern an Sie zu senden. Worüber würden Sie sich besonders freuen?
Prof. Ulmann: Zunächst einmal freue ich mich wirklich von ganzem Herzen über alles rund um das Analogrechnen, seien es Bilder von historischen Rechnerinstallationen, seien es alte Aufzeichnungen, Artikel, Bücher et cetera. Ganz besonders interessiert bin ich aber an Unterlagen zu den Maschinen, das heißt von Werbebroschüren bis hin zu Wartungshandbüchern. Leider wurde das Meiste in diesem Bereich schon vor Jahrzehnten entsorgt, aber ab und zu tauchen noch hochinteressante Dokumente und Photos auf, die aus technikhistorischer Sicht wirklich Schätze darstellen. Besonders spannend war ein Tonband, das ich vor vielen Jahren bekam – dieses enthielt sozusagen die Tonspur für eine Diaserie mit einer kleinen Einführung in das Analogrechnen von EAI. Mithilfe eines Freundes, der Tontechniker ist und ein Tonstudio besitzt, konnten wir daraus ein Video machen, in dem man synchron den Text hört und die passenden Bilder sieht – ein fantastisches Zeitdokument.
Gibt es einen Rechner in Ihrer Sammlung, dessen Konstruktion diesen von anderen Exemplaren heraushebt?
Prof. Ulmann: In gewisser Hinsicht sind alle Maschinen auf ihre Art einzigartig, sei es, dass sie die ersten einer Reihe von Entwicklungen sind, sei es, dass sie eine damals bahnbrechend neue Idee umsetzten. Hinsichtlich der Konstruktion fasziniert mich vermutlich die ›Telefunken RA 1‹ – der erste Analogrechner Telefunkens – an meisten, weil er so wunderbar modular aufgebaut ist, wie man es von einem Laborinstrument erwartet.
Was ist das Besondere an ihm?
Prof. Ulmann: Es ist der erste Analogrechner, der bei Telefunken entwickelt und gebaut wurde, und er war eigentlich nicht als Serienprodukt gedacht, vielmehr war diese Maschine als Laborinstrument geplant und gelangte sozusagen ungeplant in Produktion. Im Gegensatz zu den meisten späteren Rechnern, die ein zentrales Steckfeld aufweisen, über das man die einzelnen Rechenelemente miteinander verknüpfen kann, fehlt dieser Maschine dies. Vielmehr besteht sie aus einer Vielzahl einzelner Module, die untereinander verbunden werden können - eine Art mathematischer Legokasten, wenn man so möchte.
Welchen Rechner sehen Sie als Ihr ganz persönliches Sammler-Schmuckstück und warum?
Prof. Ulmann: Eigentlich müsste das die eben genannte RA1 sein, aber mein Herz hängt an der Telefunken RA770 – ein Rechner, der 1966 vorgestellt wurde und bis in die Mitte der 1970er Jahre gebaut wurde. Von dieser Maschine hatte ich schon als Schüler geträumt, nachdem ich sie auf Bildern gesehen hatte und hätte mir nie träumen lassen, eines Tages selbst eine zu besitzen. Meiner Meinung nach ist das der schönste und beste Analogrechner, der je gebaut wurde, und bis heute verbringe ich viel Zeit damit, mit meiner RA770 zu arbeiten.
Sie haben ein eigenes Unternehmen gegründet, das moderne Analogrechner produziert. Worin unterscheiden sich diese von den bis in die 1980er Jahre produzierten Exemplare?
Prof. Ulmann: Der Hauptunterschied ist, dass wir dank moderner oberfächenmontierter Bauelemente eine deutlich größere Packungsdichte im Vergleich zu klassischen Analogrechnern erreichen können. Auch sind die Eigenschaften dieser Bauelemente zum Teil denen klassischer Elemente überlegen.
Welche Vorteile haben Analogrechner gegenüber digital arbeitenden Computern?
Prof. Ulmann: Zunächst einmal muss man sagen, dass ein Analogrechner ein Spezialcomputer ist, der vor allem für eine Klasse von Problemen, nämlich alles, das sich durch (gekoppelte) Differentialgleichungen beschreiben lässt, mit großem Vorteil zu nutzen ist, er tritt also nicht auf breiter Front in Konkurrenz zu klassischen speicherprogrammierten Digitalrechnern. Wenn es jedoch um die Simulation dynamischer Systeme geht, ist ein Analogrechner nahezu unschlagbar. Seine Hauptvorteile sind zum einen ein massiv hoher Grad an Parallelismus, der nicht zuletzt daraus resultiert, dass seine Steuerung nicht über einen schrittweise abzuarbeitenden Algorithmus, sondern über eine geeignete Verdrahtung seiner Rechenelemente erfolgt, sodass es keine Speicherzugriffs-, Synchronisations- oder Kommunikationsprobleme gibt, die bei parallel arbeitenden Digitalrechnern unvermeidlich sind. Weiterhin arbeiten Analogrechner extrem energieeffizient, was nicht zuletzt darauf zurück zu führen ist, dass Werte kontinuierlich als Spannungen oder Ströme dargestellt werden, sodass während des Rechnens keine steilen Schaltflanken auftreten, wie sie bei Digitalrechnern unvermeidlich sind. Ein weiterer Vorteil ist, dass Analogrechner auch sogenannte “steife” Differentialgleichungen lösen können - etwas, das auf Digitalrechnern zumindest nicht einfach ist und in der Regel immense Mengen an Rechenzeit erfordert.
Sie verwenden in Ihren Analogrechnern moderne integrierte Schaltkreise in SMD-Technik. Welche Auswirkung – beispielsweise hinsichtlich Kosten, Gewicht, Arbeitstempo und Zuverlässigkeit – hat dies auf die so produzierten Rechner im Vergleich zu den damals produzierten Exemplaren?
Prof. Ulmann: Unsere Rechner sind deutlich leichter und auch einfacher zu produzieren als klassische Analogrechner. Wir benötigen nahezu keine Kabelverbindungen, die Mehrzahl aller Verbindungen erfolgt direkt über Leiterplatten und mehrreihige Steckverbinder. Dementsprechend ist der Produktionsaufwand vergleichsweise gering.
Was sind denn genau für Teile verbaut? Ein Mikroprozessor ist beispielsweise wohl nicht darunter?
Prof. Ulmann: Letztlich benötigen wir fast ausschließlich klassische analogelektronische Bauelemente, das heißt, neben passiven Elementen wie Kondensatoren und Widerständen im Wesentlichen Operationsverstärker und elektronische (FET-)Schalter. Ein reiner Analogrechner verfügt wirklich über keinerlei Mikroprozessor, allerdings haben wir ein Modul im Angebot, mit dem der Analogrechner mit einem Digitalrechner gekoppelt werden kann, was dann als ›Hybridrechner‹ bezeichnet wird. Dieses Hybridmodul besitzt einen Mikrocontroller, der sich um die Kommunikation über eine USB-Schnittstelle und die Ablaufsteuerung auf dem Analogrechner kümmert.
Analogrechner sind sparsam im Umgang mit elektrischer Energie. Welcher Verbrauch ist hier im Vergleich zu Anlagen aus der digitalen Welt zu nennen?
Prof. Ulmann: Ein praktisches Beispiel kann diese Frage vielleicht am besten beantworten. Vor kurzem hatte ich an einem Forschungsprojekt mitgewirkt, bei dem ein System aus mehreren gekoppelten Differentialgleichungen mit wechselnden Parametern gelöst werden musste (konkret mussten allein für den Proof-of-Concept mehrere 10 000 verschiedene Lösungen berechnet werden). Hierbei kam neben einem Analogrechner, der (gemessen) knapp 20 Watt Stromaufnahme besitzt, ein Digitalrechner mit zwei CPU-Chips mit jeweils 48 Kernen zum Einsatz. Jeder dieser CPU-Bausteine hat eine TDP (Thermal-Design-Power) von circa 200 Watt, das heißt, nur allein die CPUs ohne Betrachtung der restlichen Systembestandteile nehmen etwa 400 Watt auf. Dazu kommt noch, dass der Analogrechner eine Lösung in etwa einem Vierzigstel der Zeit lieferte, die das Digitalsystem benötigte.
Analogrechner sind für ihre extrem hohe Rechengeschwindigkeit bekannt. Eignen sich diese daher besser für anspruchsvolle Simulationen – etwa des Klimas – als ihre digital arbeitenden Großrechner-Kollegen?
Prof. Ulmann: Analogrechner sind ideal für die Lösung sogenannter ›gewöhnlicher Differentialgleichungen‹, in denen Ableitungen nach einer gemeinsamen Variablen, meist der Zeit, auftreten. Sobald es sich um ›partielle Differentialgleichungen‹ handelt, wie sie beispielsweise bei der Wärmeleitung oder der Wellengleichung auftreten, hat ein Analogrechner zwar noch immer große Vorteile, die er aber am Besten gekoppelt mit einem Digitalrechner, das heißt, in Form eines Hybridrechners ausspielen kann. Eine der wünschenswertesten Eigenschaften eines Analogrechners hierbei ist, dass er stets realistische Lösungen liefert – auch in Fällen, in denen beispielsweise steife Differentialgleichungen auftreten, was bei klassischen digitalen Lösungsverfahren nicht unbedingt immer gegeben ist.
Analogrechner arbeiten dergestalt, dass eine Formel über das Verschalten von Rechenmodulen gebildet wird. Ist es überhaupt denkbar, ein chaotisches System, wie es unser Wetter ist, in Formeln zu fassen, um so die Zukunft des Wetters vorauszubestimmen?
Prof. Ulmann: Ich, ganz persönlich, stehe solchen Simulationen eher kritisch gegenüber. Es ist beliebig schwer, auch nur ansatzweise alle relevanten Systembestandteile und deren Parameter zu identifizieren, um eine aussagekräftige Simulation aufzusetzen. Dies zeigte beispielsweise in der Vergangenheit recht eindrücklich der Bericht des Club of Rome (“Die Grenzen des Wachstums”) – damals wurde ein “Weltmodell” geschaffen und auf einem Digitalrechner simuliert, um Vorhersagen zu Rohstoffverfügbarkeit et cetera zu treffen, die, wie man sah, nicht wie angekündigt beziehungsweise eher angedroht, eintrafen. So verführerisch mathematische Modelle sind, so sehr muss man sich jederzeit im Klaren sein, dass es beliebig schwierig ist, wirklich alle Parameter des zu simulierenden Systems wirklich zu identifizieren.
Sind demnach das Klima betreffende Prognosen grober Unfug?
Prof. Ulmann: Wie gesagt, ich persönlich sehe das eher skeptisch, da ich selbst schon oft genug bei Simulationen feststellen musste, bestimmte Systembestandteile beim Modellieren außer Acht gelassen oder für unwesentlich gehalten zu haben, was sich später als falsch herausstellte, maße mir aber kein Urteil an.
Zur Überprüfung der Tauglichkeit von Formeln und Großrechnern für Klimaprognosen wäre es denkbar, die Daten von vor zehn Jahren zu nutzen. Wenn diese korrekt verarbeitet werden, müsste eigentlich das heutige Klima als Ergebnis ausgegeben werden. Ist dies denkbar?
Prof. Ulmann: Das ist eigentlich eine Mindestanforderung, die man an jede Simulation stellen muss: Ist sie in der Lage, sozusagen retrospektiv korrekte Vorhersagen zu treffen. Ob das in großem Stil gemacht wurde, entzieht sich meiner Kenntnis, aber, wenngleich das ein wenig plakativ sein mag, meine ich, mich erinnern zu können, dass Al Gore ein Abschmelzen der Polkappen für 2014 vorhergesagt hatte – etwas, das bekanntlichermaßen nicht eingetreten ist. Sollte seine damalige Prognose also auf einer Simulation und nicht allein auf Sensationsheischerei beruht haben, wäre das ein schönes Beispiel für eine Simulation, die offenbar nicht nur im Rahmen von zu erwartenden Rechenungenauigkeiten, sondern ganz massiv falsche Prognosen geliefert hat.
Digitalrechner arbeiten Programme Schritt für Schritt ab, was es unmöglich macht, gleichzeitig stattfindende Ereignisse in der gebotenen Zeit zu verarbeiten. Sind hier Analogrechner im Vorteil?
Prof. Ulmann: Analogrechner sind hier massiv im Vorteil! Durch den Verzicht auf einen zentralen oder verteilten Speicher, aus dem Instruktionen und Daten gelesen werden müssen, können alle Rechenelemente einer Simulation vollständig parallel zueinander arbeiten.
Ideal wäre es, einen Analogrechner mit einem Digitalrechner zu koppeln. Wo sind die Grenzen und welche besonderen Vorteile sind zu erwarten?
Prof. Ulmann: Solche bereits erwähnten Hybridrechner haben eine ganze Reihe von Vorteilen – letztlich kann man den Analogrechner als spezialisierten Co-Prozessor betrachten, der vom Digitalrechner genutzt werden kann, wenn dynamische Systeme simuliert werden sollen. In einer solchen Kopplung können beide Rechner ihre jeweiligen Vorteile ausnutzen, so kann beispielsweise der Digitalrechner komplexe Funktionen von mehr als einer Veränderlichen erzeugen und dem Analogrechner zur Verfügung stellen, während dieser komplexe dynamische Systeme simulieren kann und die Resultate dem Digitalrechner bereitstellt. Denkbar ist beispielsweise, dass mithilfe eines Analogrechners sehr energie- und zeiteffizient eine Näherungslösung für ein komplexes Problem generiert wird, welches dann als Ausgangspunkt genommen wird, um die Lösung auf dem Digitalrechner mit numerischen Methoden zu verfeinern.
Digital arbeitende Großrechner werden immer schneller, aber auch immer energiehungriger. Wird dieser Weg in eine Sackgasse führen?
Prof. Ulmann: Ja, ganz sicher! Die Taktfrequenzen typischer CPUs sind in den vergangenen Jahren nur noch gering gestiegen, auch sind die Strukturgrößen langsam an einer physikalischen Grenze angelangt. Den Hauptteil der Geschwindigskeitszuwächse der letzten Jahre bei Digitalrechnern sind vor allem architekturellen Entwicklungen geschuldet, weniger technologischen.
Wie wird der Analogrechner der Zukunft aussehen?
Prof. Ulmann: Idealerweise wird er auf einem einzigen Chip integriert sein, der dann eine Reihe grundlegender Rechenelemente wie Summierer, Integrierer, Multiplizierer et cetera enthält, die – gesteuert durch einen Digitalrechner – für die Lösung eines bestimmten Problemes mithilfe eines Kreuzschienenverteilers geeignet miteinander verbunden werden.
Wird sich auch die Art, diesen zu programmieren, ändern?
Prof. Ulmann: Aus Hardwareperspektive wird sich hier wenig ändern. Der Trick beim Analogrechner liegt ja gerade darin, Rechenelemente miteinander zu verschalten, um ein (elektronisches) Modell für ein dynamisches System zu erhalten. Aus Benutzerperspektive wird sich die Programmierung grundlegend wandeln, da er am Ende nur noch die zu lösenden Gleichungen vorgeben muss, aus denen dann ein Compiler auf dem Digitalrechner die notwendige Verschaltung für den Analogrechner berechnet und diesen entsprechend programmiert, das heißt, letztlich umverdrahtet.
Wird demnach das bisher benötigte, sogenannte „Steckbrett“ Geschichte werden?
Prof. Ulmann: Ja, davon ist auszugehen.
Durch den Wegfall des Steckbretts würde die Baugröße des Rechners schrumpfen. Könnte es demnach in ferner Zukunft Analogrechner in Laptopgröße geben?
Prof. Ulmann: Vermutlich noch deutlich kleiner. Denkbar ist, dass Analogrechner als Einsteckkarte oder vielleicht sogar als USB-Stick angeboten werden, um als analoger Co-Prozessor zu fungieren.
Computerabstürze sind bei digital arbeitenden Computern nicht eben selten, was für sicherheitskritische Systeme ein Problem darstellt. Daher sind hier oft zwei oder mehr gleichartige Computer im Einsatz, die sich gegenseitig überwachen und im Fehlerfall ersetzen. Dieses Problem stellt sich bei Analogrechnern nicht. Sind diese daher etwa für sicherheitskritische Aufgaben – beispielsweise dem autonomen Fahren – die bessere Wahl?
Prof. Ulmann: Beim autonomen Fahren könnten Analogerchner sicherlich Teilbereich übernehmen. Wenn es aber um Bildverarbeitung et cetera geht, sind klassische Digitalrechner zumindest gegenwärtig noch im Vorteil. Allgemein haben Analogrechner aber den Vorteil, über kein Programm im klassischen Sinne zu verfügen und damit nicht nur nicht direkt von Hackern angreifbar zu sein, sondern auch frei von Seiteneffekten zu sein, wie sie bei unseren hochkomplexen Softwaresystemen mittlerweile an der Tagesordnung sind. Das im IT-Bereich berühmt-berüchtigte »Haben Sie das System schon einmal aus- und wieder eingeschaltet?« stellt sich bei einem Analogrechner nicht.
Der leistungsfähigste Analogrechner ist wohl unser Gehirn. Es meistert gleichzeitig ablaufende komplizierte Berechnungen in Sekundenbruchteilen, um unser Leben und Überleben zu ermöglichen. Sollte die Gehirnforschung intensiviert werden, um eines Tages ähnlich leistungsstarke Analogrechner für die technische Welt zu bekommen?
Prof. Ulmann: Gerade im Bereich der künstlichen Intelligenz erlebt das Analogrechnen eine große Renaissance. Möchte man neuronale Netze auf technischer Grundlage bauen, bleiben ab einer bestimmten Größe letztlich nur analoge Techniken übrig.
Sehr geehrter Herr Prof. Ulmann, vielen Dank für das Interview!
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Dieses Interview finden Sie auch in Heft 6/2019 auf Seite 16. Zum besagten Heft führt ein Klick auf den nachfolgenden Button!
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