Zuse Z4

Aufbau und Bedeutung

Die Zuse Z4 ist ein früher Digitalrechner, der zwischen 1942 und 1945 vom Zuse Ingenieurbüro und Apparatebau unter Leitung von Konrad Zuse entwickelt wurde. Sie bestand aus 2200 elektromagnetischen Relais. Ihr elektromechanischer Speicher konnte 64 Zahlen mit jeweils 22 Bit aufnehmen.

Die Z4 rechnete binär und beherrschte Gleitkommaarithmetik, also die Verarbeitung von Zahlen mit verschiebbarem Komma. Sie war nicht elektronisch, sondern elektromechanisch. Programme wurden mithilfe von Lochstreifen eingegeben. Als die ETH Zürich den Rechner 1950 übernahm, galt er als erster kommerzieller Computer weltweit, weil der amerikanische UNIVAC erst einige Monate später fertiggestellt wurde.

Entwicklung und erste Anwendung

Die Z4 entstand in Berlin als Weiterentwicklung der Zuse Z3. Für eine flexiblere Programmierung sollte sie mit mehreren Abtastern, also Lochstreifenlesern, und Lochern, also Lochstreifenstanzern, verbunden werden können. Neben Tasten und Lampen dienten daher Lochstreifen als Ein- und Ausgabemedium.

Kurz vor der Fertigstellung wurde der Rechner im Frühjahr 1945 von Berlin zur Aerodynamischen Versuchsanstalt des Kaiser-Wilhelm-Instituts für Strömungsforschung in Göttingen gebracht. Dort wurde er betriebsbereit fertig entwickelt, sodass erste programmgesteuerte Rechnungen möglich waren. Anfang April 1945 transportierte Zuse die Maschine nach Süddeutschland. Sie überstand das Kriegsende zunächst in einem Schuppen in Hinterstein im Allgäu und später in einem Mehllager in Hopferau.

Nach ihrer Instandsetzung wurde 1948 erstmals wieder eine praktische Anwendung vorgeführt: Die Z4 berechnete die Milchgeldabrechnungen der Sennerei Lehern. 1949 gründete Konrad Zuse in Neukirchen die Firma Zuse KG.

Einsatz an der ETH Zürich

Im Sommer 1949 erfuhr Eduard Stiefel, Leiter des Instituts für Angewandte Mathematik an der ETH Zürich, von der Z4. Er besuchte Zuse in Hopferau und schloss mit ihm einen Mietvertrag. 1950 wurde die Maschine nach Zürich transportiert und dort intensiv genutzt. Von 1950 bis 1955 war sie der zentrale Rechner der ETH Zürich.

In ihren frühen Ausbaustufen besaß die Z4 keine bedingte Sprunganweisung. Ein solcher Befehl setzt die Programmausführung abhängig vom Ergebnis einer Prüfung an einer anderen Stelle fort. Ohne ihn war die Z4 kein Turing-mächtiger Universalcomputer. Auf Anraten der Numeriker der ETH wurde die Funktion nach der Ankunft in Zürich 1950 ergänzt. Der Rechner verfügte allerdings nur über einen begrenzten Speicher für Zwischenwerte. Diese Einschränkung beeinflusste Einzelheiten der später am Institut entwickelten Algorithmen.

Die Z4 lieferte Stiefel wichtige Erkenntnisse für den Bau des ETH-Rechners ERMETH, der 1956 fertiggestellt wurde. Insgesamt bearbeitete sie zwischen 1950 und 1955 rund 100 Aufträge. Dazu gehörten geheime Berechnungen des Flügelflatterns für das Kampfflugzeug P-16 Mk. III, Raketenflugbahnen für die Maschinenfabrik Oerlikon-Bührle sowie Flugzeugberechnungen für die Eidgenössischen Flugzeugwerke in Emmen und die Flug- und Fahrzeugwerke Altenrhein.

2020 wurde eine zuvor als verschollen geltende „Bedienungsanweisung Z4“ aus dem Besitz des Flugzeugingenieurs René Boesch gefunden. Sie stammt von 1952 und wurde am Institut für Angewandte Mathematik der ETH Zürich verfasst, wahrscheinlich auf Grundlage eines für den Eigengebrauch überarbeiteten Textes von Konrad Zuse. Die Anleitung beschreibt auch den bedingten Sprungbefehl.

Forschungseinsatz am ISL

Nach dem Ende des Mietvertrags mit der ETH Zürich verkaufte Zuse die Z4 1955 an das französische Rüstungsforschungsinstitut ISL. Der dort tätige deutsche Forscher Theodor Fromme hatte Entwicklung und Nutzen des Rechners seit 1950 verfolgt. Er empfahl dem Institutsleiter Hubert Schardin den Kauf.

1957 erhielt die Z4 einen relaisgesteuerten Ferritkernspeicher. Dabei konnte jeder Ferritkern eine logische Information speichern. Das ISL verwendete den Rechner bis 1959 überwiegend für ballistische Forschungen. 1960 kaufte die Zuse AG ihn zurück.

Museumsobjekt und widersprüchliche Angaben

Nach einer Darstellung wurde die Z4 1960 dem Deutschen Museum in München überlassen. Seit 1988 gehört sie dort zur Informatikausstellung.

Eine andere Quelle schildert den weiteren Weg abweichend: Demnach wurde der Rechner ab 1960 zunächst nach Finnland gebracht, später mit zerschnittenen Kabelsträngen in einem Keller des Siemens-Museums in München gefunden und erst 1980 von Bad Hersfeld in das Deutsche Museum überführt. Der Artikel enthält somit widersprüchliche Angaben zum Verbleib der Z4 zwischen 1960 und ihrer Aufnahme in das Museum.

Einordnung unter frühen Computern

Die Z4 wurde im März 1945 in Betrieb genommen. Wie die Zuse Z3 vom Mai 1941 arbeitete sie binär, verfügte über Gleitkommaarithmetik und wurde durch Lochstreifen programmiert, war aber nicht elektronisch. In der Fassung von März 1945 fehlte ihr die bedingte Sprunganweisung; um 1950 war sie nach dem Einbau dieser Funktion Turing-mächtig.

Andere frühe Rechner unterschieden sich deutlich: Der elektronische und binäre Atanasoff-Berry-Computer aus den USA wurde im Sommer 1941 in Betrieb genommen, war aber weder programmierbar noch Turing-mächtig. Der britische Colossus von 1943 war ebenfalls elektronisch und binär, ließ sich jedoch nur teilweise durch Neuverkabelung programmieren und war nicht Turing-mächtig. Der amerikanische Mark I von 1944 war nicht binär und nicht elektronisch, konnte aber per Lochstreifen programmiert werden und war Turing-mächtig.

Der elektronische ENIAC von 1946 arbeitete nicht binär und wurde zunächst teilweise durch Neuverkabelung programmiert; er war Turing-mächtig. Für 1948 nennt die Vergleichstabelle außerdem eine programmierbare Ausführung mittels Widerstandsmatrix. Damit verband die Z4 Merkmale der Z3 – binäre Gleitkommarechnung und Lochstreifenprogramme – mit der später ergänzten Fähigkeit zu bedingten Sprüngen.