Digitalrechner

Mit Digitalrechnern sind heutzutage im allgemeinen Sprachgebrauch die Computer gemeint, welche seit den 1980er Jahren für Verbraucher verfügbar sind. Die Verwendung des Begriff Digitalrechner zur Beschreibung des Rechengerätes ist daher relativ begrenzt und der Begriff Binärrechner wird nicht verwendet. Ausschlaggebend ist das Digital, jedoch arbeiten moderne Rechner mit analogen und digitalen Signalen, sogar innerhalb integrierter Schaltkreise (ICs), da auch andere Bauelemente^[2] aus der Elektronik relevante Eigenschaften für Schaltungen besitzen, welche, neben Logikgattern, ebenfalls mikrostrukturiert werden. Der Digitalrechner zielt dabei in der Essenz auf die zentrale Recheneinheit, also den heutigen Prozessor, ab. Allgemein gesprochen spricht man heute von der Computerarchitektur dessen funktional unabdingbarer Kern, der Mikroprozessor ist.^[3] Der gesamte Computer setzt sich jedoch aus vielen weiteren Komponenten um die CPU herum zusammen.

Es exisitieren viele weitere Geräte welche man als Digitalrechner bezeichnen kann, z. B. Mikrocontroller, welche ebenfalls „Digital“ und transistorbasiert aufgebaut sind. Diese werden aber häufig nicht direkt als vollständiger Computer (Universalrechner) bezeichnet, da sie meist stark spezialisiert sind.

Die erste systematisierte Verwendung von Zahlen und Zeichen zu Rechenzwecken erfolgte als Teil der Mathematik im Alten Ägypten.^[4][5] Das Fingerrechnen gilt jedoch als das älteste, triviale Rechenverfahren. Mit den zehn Fingern kann man nicht nur zählen, sondern auch rechnen. Als erster Digitalrechner gilt der Abakus, der in verschiedenen Ausgestaltungen vorkommt: Rechentafel (Rechenbrett), Rechentisch, Zählrahmen (Kugelrechner), Rechentuch. Wie das Fingerrechnen hat sich das „Abakusrechnen“ in gewissen Gegenden bis heute erhalten. Bekannteste Kugelrechner waren der chinesische, der japanische und der russische Abakus.

Erst mit der Entwicklung der Elektrontechnik seit dem Ende des 19. Jahrhunderts und der Elektronik im 20. Jahrhundert kamen Digitalrechner auf. Digitalrechner sind seit spätestens den 1960er Jahren vollständig transistorbasierte Geräte. Als erster Computeringenieur gelang es Dick Grimsdale im Jahr 1956, die Metrovick 950 vollständig mit Transistoren zu bauen. Dies stellte einen bedeutenden Meilenstein in der Computertechnik dar und läutete das Zeitalter der Digitalrechner ein.

Digitalrechner arbeiten auf elektronischer Basis. Es ist jedoch wichtig zu wissen, dass auch röhrenbasierte Rechner, wie der ENIAC, bereits elektronisch arbeiteten. ENIAC u. a. zählten dabei zu den Dezimalrechnern. Historisch sind jedoch auch andere Rechneraufbauten möglich, zum Beispiel auf mechanischer, pneumatischer und optischer Grundlage. Auch Rechner auf den Bauelementen wie Relais existieren. Eine bekannte mechanische Handrechenmaschine war die Curta.

Der Begriff Digitalrechner wird häufig zur Abgrenzung von Analogrechnern benutzt, die Werte häufig analog (nicht-diskret und nicht algorithmisch) repräsentieren und verarbeiten. Ein Rechenwert wird dabei meist als Elektrische Spannung oder Strom repräsentiert und die Verrechnung durch geeignete elektrische Schaltkreise vorgenommen. Daher sind Analogrechner im Allgemeinen keine Universalrechner.

Allerdings ist diese Sichtweise Digital/Analog nicht eindeutig festgelegt und wird von einzelnen Autoren in Frage gestellt. Der zentrale Kritikpunkt ist, dass eine Definition anhand der verarbeiteten Signalform einer genaueren Betrachtung nicht standhält und - was die eigentlich zentrale Arbeitsweise solcher Rechner betrifft - wenig Sinn ergibt. Es gäbe daher alternativ auch das deutlich ältere, und daher vermutlich auch historisch richtigere, Paradigma nach welchem Analogrechner mit Analogien, also Modellen arbeiten. Dagegen arbeiten speicherprogrammierte Digitalrechner mit Algorithmen, wie es bei so gut wie allen heute üblichen Computersystemen der Fall ist.^[6][7]

Eine andere Art von Rechner sind die Quantenrechner. Sie entstehen seit den 1990er Jahren und befinden sich noch in der Entwicklung. Sie arbeiten nicht mit binären Größen (0/1), sondern mit Quantenzuständen, den Qubits, vgl. auch die Quantenzahlen.

Auf diese Rechenmaschinen und erste Architekturen folgten kommerzielle Maschinen wie die IBM 701 (Binär- oder Digitalrechner) oder die IBM 7070 (Dezimalrechner). Die Entwicklung der Geräte wurde durch die Mikroelektronik (integrierte Schaltkreise und Transistorbauteile) schlagartig beschleunigt. Man ging von Mikro- zu Nanostrukturen über, d. h., die Bauelemente wurden verkleinert oder im Umkehrfall zu Millionen bis Milliarden Teilen hochskaliert. Die Entwicklung ab den 1970er Jahren wurde vom Mooreschen Gesetz begleitet und bis heute spiegelt die Struktur der Halbleitertechnologie die Entwicklung wider, bis in den Sub-Nanometerbereich (< 10 nm) modernster Mikroprozessoren.

Aufgrund immer kleiner werdender Strukturen, die teilweise an die Grenzen der Physik stoßen (Bereich der Nanotechnologie oder Atomphysik), spielen neuartige Integrations- bzw. Stackingtechnologien für Dies eine entscheidende Rolle. Alle Entwicklungen wurden bisher von der International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) begleitet, welche ab 2017 durch die International Roadmap for Devices and Systems (IRDS) abgelöst wurde: Das Wort „System“ verdeutlicht dabei die zunehmende Komplexität der Technologie und spielt auf das System Engineering an.

• Montgomery Phister, Jr.: Logical Design of Digital Computers. John Wiley & Sons, New York 1958 (englisch, Textarchiv – Internet Archive).
• M. G. Say, A. C. D. Haley, W. E. Scott (Hrsg.): Analogue And Digital Computers. George Newnes, London 1960 (Textarchiv – Internet Archive).
• Anthony Ralston, Herbert S. Wilf (Hrsg.): Mathematical Methods for Digital Computers. Band 1. John Wiley & Sons, New York 1960 (englisch, Textarchiv – Internet Archive).
• Anthony Ralston, Herbert S. Wilf (Hrsg.): Mathematical Methods for Digital Computers. Band 2. John Wiley & Sons, New York 1960 (englisch, Textarchiv – Internet Archive).
• Achim Knüpfer: Technik digitaler Rechenanlagen. Verlag Technik, Berlin 1969.
• Reinhold Paul: Mikroelektronik. Eine Übersicht. Verlag Technik, Berlin 1981.
• Charles J. Bashe, IBM Corporation (Hrsg.): IBM’s Early Computers (= MIT Press Series in the History of Computing). MIT Press, Cambridge, MA 1986, ISBN 978-0-262-02225-5 (englisch, Textarchiv – Internet Archive).
• Richard C. Dorf (Hrsg.): Computers, Software Engineering, and Digital Devices (= The Electrical Engineering Handbook Series). 3. Auflage. CRC/Taylor & Francis, Boca Raton, FL 2006, ISBN 978-0-8493-7340-4 (englisch).
• Klaus Beuth, Olaf Beuth: Digitaltechnik (= Elektronik. Band 4). 14. Auflage. Vogel Communications Group, Würzburg 2019, ISBN 978-3-8343-3299-8.