Der erste Computer mit Relais
Der deutsche Ingenieur Konrad Zuse entwickelte die erste programmierbare, elektrischen und mit dem Binärsystem arbeitende Rechenmaschine. Die 0 im Binärsystem wurde gleichgestellt mit „Spannung liegt nicht an“ und die 1 wurde technisch gleichgestellt mit „Spannung liegt an“.
Zuse nannte seine Rechenmaschine Zuse 3 oder kurz Z3. Bis vor kurzem wurde ein Nachbau der Z3 im Deutschen Museum München vorgeführt. In diesem Video können Sie der Z3 beim Arbeiten zusehen und zuhören.
Die Z3 arbeitete mit Relais. Das sind elektromagnetische Schalter. Auf dieser Seite wird der Aufbau und die Arbeitsweise von Relais erklärt: Wie Sie sehen, sind Relais kleine Schalter, bei denen Stromkreise durch einen Stromfluss durch den Steuerkreis geschlossen werden.
Innerhalb der Relais tritt eine mechanische Belastung auf, die auf der Dauer zu Verschleiß führt. Ferner benötigt der mechanische Charakter der Relais, dass ein Schaltvorgang Zeit in Anspruch nimmt. Letztendlich müssen durch die Steuerkreise auch (relativ) große Strommengen fließen, damit der Elektromagnet schaltet.
Da schauten sie in die Röhre
Der erste Rechner, der mit rein elektrischen Komponenten auskam, war der ENIAC. Statt auf Relais setzten die Entwickler des ENIACs auf Elektronenröhren. Setzte man nämlich eine Triode ein, war es auch mit einer Röhre möglich, sie als Schalter einzusetzen.
Röhren hatten aber auch eine Reihe von Nachteilen: Sie waren im wahrsten Sinne des Wortes eine „heiße Sache“, schließlich arbeiteten sie mit Glühemission. Ferner hatten sie nur eine begrenzte Lebensdauer. Dann sprach noch die Größe der Röhren gegen deren weitere Verwendung: Wer will schon eine Rechenmaschine mit den Fähigkeiten eines besseren Taschenrechners in Schrankwandgröße haben? Schließlich waren Röhren auch sehr teuer: Ein Glaskörper musste mit entsprechenden Schaltungen bestückt und dann vakuumiert werden.
Das Zeitalter der Transistoren
In den 1950er und 1960er Jahren kamen die Halbleiterbauelemente auf. Aus dem Physikunterricht kennen Sie die Diode. Hier zur Erinnerung zwei kurze Filme zu den Halbleitern und Dioden. Bitte sehen Sie sich die Videos an und lösen Sie das Arbeitsblatt.
Video zu Halbleitern
Video zur Diode
Aber eine Diode ist noch kein Schalter!
Wir haben uns mit den Halbleitern und Dioden nur beschäftigt, um die Funktionsweise des Transistors verstehen zu können. Ein einfacher Transistor besteht aus drei sich abwechselnden Schichten verschieden dotierter Halbleitern. Dadurch kann erreicht werden, dass der Transistor als Schalter eingesetzt werden kann.
Transistoren im Computer
Wenn Sie einen Computer aufschrauben, werden Sie keine Transistoren sehen, dennoch sind Milliarden von ihnen verbaut. Die zum Rechnen benötigten Bauteile (einschließlich Transistoren) und Leitungen werden durch Ätzverfahren auf Silicium-Wafer gebracht. Diese Wafer werden dann in identische Chips geschnitten und mit Kontakten versehen, sodass die Chips auf dem Motherboard verbaut werden kann. Eine Illustration findet sich in diesem kurzen Videos eines auch in Thüringen produzierenden Konzerns:
Take-home-messages
- Um einen Computer zu bauen, benötigen wir Schalter.
- Historisch wurden zunächst elektromagnetische Relais verwendet (in Konrad Zuses Z3). Diese waren jedoch langsam und mit zeigten Verschleißerscheinungen.
- Dann folgte der Einsatz von Elektronenröhren (im amerikanischen ENIAC), die jedoch teuer, groß und auch fehleranfällig waren.
- Mit dem Aufkommen der Halbleiter gab es eine kostengünstige, reliable und miniaturisierbare Alternative zu den bisherigen „Schaltern“: den Transistor, der aus drei Schichten unterschiedlich dotiertem Halbleitermaterial besteht (pnp oder npn).
- Diese Transistoren sind heute nicht mehr als individuelle Bauteile verbaut, sondern werden bei der Chipherstellung in Silicium-Wafers eingeätzt.