70 Jahre Zuse Z3

Relais verhalfen dem Computer zum Durchbruch


2011 wäre Konrad Zuse, der Erfinder des Computers, 101 Jahre alt geworden. Ein binäres Jubiläum, über das der Erfinder des Computers sicherlich geschmunzelt hätte. Gleichzeitig feiert die Z3, Zuses erster elektrischer Computer, ihren 70. Geburtstag.

Konrad Zuse (22.6.1910-18.12.1995) stellte den ersten funktionsfähigen programmgesteuerten Rechner mit Boolescher Logik und binären Gleitkommazahlen am 12. Mai 1941 Wissenschaftlern in seiner Kreuzberger Werkstatt, in Berlin, vor. Damit war der Prototyp des modernen Computers geboren und leitete, fast unbemerkt von der Öffentlichkeit, das Zeitalter des Computers ein. Die Maschine Z3 ist das dritte Exemplar einer Serie von Z-Maschinen, die Konrad Zuse zwischen 1936 und 1945 baute. Das Original der Z3 wurde am 21. Dezember 1943 durch einen Bombenangriff zerstört und mit ihr auch alle Unterlagen und Fotos.


Nachbau der Z3 zum Jahr 2010
Nachdem 1961 und 2001 jeweils nicht voll funktionsfähige Nachbauten der Z3 gefertigt wurden, initiierte Horst Zuse, der älteste Sohn von Konrad Zuse, im Jahr 2008, die historische Maschine Z3 voll funktionsfähig und in Originalgröße mit Rechenwerk und Speicherschränken sowie der Bedienkonsole neu entstehen zu lassen. Ziel war es, das Projekt zum 100. Geburtstag von Konrad Zuse im Jahr 2010 abzuschließen. Es ging jedoch nicht nur darum, den Erfinder des Computers zu Ehren, sondern auch darum, mit diesem „Relaisrechner“ ein Demonstrationsmodell zu erschaffen, welches die Grundfunktionen des modernen Computers sichtbar macht, was z. B. mit einem heutigen PC so nicht möglich ist.

Die neue Z3 von 2010
Die wichtigsten Funktionen sind der Takt des Rechners, das Mantissen- und das Exponentenrechenwerk, die beiden Shifter zum Ausgleich der Mantissen und Exponenten bei der Addition und Subtraktion, die Normalisierung der Gleitkommazahlen, die Konvertierung von dezimalen Gleitkommazahlen in binäre und umgekehrt. Alleine das Rechenwerk benötigt rund 600 Relais. Hinzu kommen Schrittschalter des Steuerwerks mit dem Addition, Subtraktion, Multiplikation, Division und die Quadratwurzel ausgeführt werden. In den beiden Speicherschränken befinden sich ca. 2000 Relais. Die neue Z3 von 2010 wird als Z3R (Z3-Reconstructed) bezeichnet. Dazu kommen noch viele Zeitschalter der Fa. Finder zur Steuerung des Taktes und der Rechenoperationen.


Alte und neue Relais
Im Original der Z3 wurden u.a. Rund-relais mit verschiedenen Kontakten mit der Funktion Umschalten oder Halten, die in den damaligen Telefonanlagen eingesetzt wurden, verwendet. Teilweise waren die Relais mit zwei Spulenwicklungen ausgestattet, um die Speicherfunktion über die zweite Wicklung des Relais zu realisieren. Die Kontakte bestanden aus einfachen, ballenförmigen Kontaktnieten. Das Kontaktmaterial war Silber und korridierte daher sehr leicht. Da die Relais kein schützendes Gehäuse besaßen, waren sie somit allen Umwelteinflüssen ausgesetzt. Waloddi Weibull’s Theorie zur Ausfallwahrscheinlichkeit hielt gerade im Maschinenbau und Bergbau Einzug und Ragnar Holm hatte seine grundlegende Untersuchungen zum Kontaktübergangsverhalten von elektrischen Kontakten noch nicht einmal vorgestellt. Somit ist leicht nachvollziehbar, dass damals die Systemverfügbarkeit beim Betrieb die größte Herausforderung darstellte.

Es ist gut vorstellbar, wie sich Konrad Zuse mit Utensilien der Uhrmacher und Goldschmiede behalf und mit Lederfeilen und dem noch heute üblichen Poliermittel „Pariser Rot“ die Relaiskontakte von Belegungen, Abbrand und Korrosion befreite.
Darüber hinaus war es auch eine riesige Herausforderung die Relais zu verschalten – mehr oder minder freie Kabelführung mit gebogenen Ösen, Messingschrauben, Lötungen usw. Wohl dem, der da noch dem Schaltplan folgen konnte und Drahtbrüche z. B. an den Ansteuerleitungen der Relaisspulen fand. Hinzu kommt auch noch das Isolationsversagen z. B. durch abgescheuerte Kabel und zu nahe aneinander verlegte Leitungen, etc. Den Lichtbogenabriss hatte Konrad Zuse gut im Griff, und zwar durch eine Schaltwalze, die immer dann die 48V abschaltete, wenn die Relais schalteten.

Die Replik, die Z3R, wurde mit ca. 2500 modernen Industrierelais mit Modulfassungen der Fa. Finder aufgebaut. Jedes Relais kann einfach ausgetauscht werden und ist mit einer Leuchtdiode versehen. Verwendet wurden die Baureihen 40 und 55, teilweise in bistabiler Ausführung (mit 2 und 4 Umschaltern). Somit konnte auf die Haltewicklung, die im Original notwendig war, verzichtet werden. Als Kontaktmaterial kam Silber zur Anwendung. Durch die Modulfassung und die moderne Relaiskonstruktion war der Aufbau sehr viel einfacher als vor 70 Jahren. Die Systemverfügbarkeit stellte nur noch eine untergeordnete Frage dar, aber 5 Millionen Schaltspiele der Relais des Taktgebers waren bei fünf Hertz Taktfrequenz schnell erreicht.

Relais und Computer heute
Waren bei der Z3 noch Relais die Herzstücke des Computers, oder ist es vielleicht richtiger gesagt, Herzstücke der SPS, so wurde diese Rolle von Prozessoren und Speichern übernommen. Für zwei GByte wären immerhin 16 Milliarden Relais (mit 2 Umschaltern) notwendig!
Relais sind in heutigen SPS-Systemen das Bindeglied zwischen Last und Logik. Hier haben sie Ihren festen Platz, sind überaus robust bei hoher Verfügbarkeit. Eine Symbiose die vor 70 Jahren ihren Anfang nahm.



Prof. Dr.-Ing. Horst Zuse


©2016 Forum Innovation der
Deutschen Schaltrelais-Hersteller im ZVEI
Update 04/11/2016