Vom Mainframe zum Quantencomputer

Wie Großrechner seit über 70 Jahren die digitale Welt prägen und warum Österreich dabei eine große Rolle spielt

Ein Artikel von Sophie von Bohlen und Halbach und Norbert Frischauf, EMCP-Anchorman for Science, Technology & Innovation

1981 war ein außergewöhnliches Jahr der Technikgeschichte. Das Space Shuttle „Columbia“ startete zu seinem ersten Flug und leitete eine neue Ära der Raumfahrt ein; in der Formel 1 kämpften Nelson Piquet, Carlos Reutemann und Gilles Villeneuve um die Weltmeisterschaft. Gleichzeitig brachte IBM den ersten Personal Computer¹ auf den Markt: ein Gerät, das den Computer vom Rechenzentrum auf den Schreibtisch holte. Fast unbemerkt geschah im selben Jahr noch etwas, dessen Bedeutung wir wahrscheinlich erst heute wirklich erkennen: Auf der „Conference on the Physics of Computation“ am Massachusetts Institute of Technology (MIT) stellten der Physiker Paul Benioff und Nobelpreisträger Richard Feynman erstmals das Konzept eines Quantencomputers vor².

Rückblickend markiert das Jahr 1981 den Übergang zwischen zwei Epochen der Informatik: Während der Personal Computer das klassische digitale Rechnen weltweit etablierte, entstand mit dem Konzept des Quantencomputers bereits die Vision einer völlig neuen Rechnerklasse, die die Grenzen heutiger Computer künftig erheblich erweitern könnte.³

Doch bevor Quantencomputer Realität werden konnten, musste eine andere Entwicklung stattfinden: die Erfolgsgeschichte der Großrechner.

Die unsichtbaren Giganten der Digitalisierung

Mainframes gehören zu den „stillen“ Technologie-Entwicklungen unserer Zeit. Fast jeder nutzt sie täglich: beim Geldabheben, bei einer Flugbuchung, beim Online-Shopping oder beim Abschluss einer Versicherung – aber kaum jemand nimmt sie wahr. Ihre Aufgabe unterscheidet sich grundlegend von jener eines Supercomputers⁴. Während Supercomputer wissenschaftliche Simulationen durchführen oder das Klima berechnen, sind Mainframes auf die sichere und zuverlässige Verarbeitung gigantischer Mengen von Transaktionen spezialisiert. Milliarden Buchungen, Reservierungen oder Versicherungsabrechnungen müssen gleichzeitig, fehlerfrei und ohne Unterbrechung verarbeitet werden. 

Bereits im 19. Jahrhundert entwickelte Charles Babbage mit seiner „Analytical Engine“⁵ das Konzept eines programmierbaren Rechners. Gebaut wurde diese Maschine zwar nie vollständig, doch ihre Architektur ähnelt erstaunlich der moderner Computer. Was Babbage theoretisch vorgedacht hatte, setzte Herman Hollerith 1890 erstmals erfolgreich in die Praxis um. Sein Lochkartensystem machte die Verarbeitung großer Datenmengen wirtschaftlich und legte damit den Grundstein für die moderne Informationsverarbeitung⁶. Aus seinem Unternehmen entstand IBM, das die Entwicklung der Großrechner über Jahrzehnte dominierte und prägte.

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Mit Rechnern wie der Zuse Z3 (1941), dem Harvard Mark I (1944), dem UNIVAC I (1951) und dem IBM 701 begann im 20. Jahrhundert das Zeitalter der elektronischen Datenverarbeitung⁷. Computer waren damals Investitionsgüter von enormem Wert. Häufig konnte sich eine Universität oder Behörde nur einen einzigen Rechner leisten, der von speziell ausgebildeten Operatoren bedient wurde.

EMCP-Vizepräsident DI Dr. Stefan Zapotocky (in der Mitte) mit seinen Eltern.
Foto © DI Dr. Stefan Zapotocky

Den eigentlichen Durchbruch erzielte IBM 1964 mit dem System/360⁸. Erstmals konnten Unternehmen zwischen unterschiedlich leistungsfähigen Rechnern wählen, ohne ihre Software neu entwickeln zu müssen. Dieses Prinzip der Aufwärtskompatibilität gilt bis heute als eine der bedeutendsten Innovationen der Unternehmensinformatik.

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Der Computer, der Menschen zum Mond brachte

Ein entscheidender Entwicklungsschritt fand jedoch nicht in einem Rechenzentrum statt, sondern im Wettlauf zum Mond. Für das Apollo-Programm benötigte die NASA einen Computer, der klein, leicht und gleichzeitig absolut zuverlässig war. Die bis dahin üblichen raumfüllenden Rechner kamen dafür nicht infrage. Das Ergebnis war der „Apollo Guidance Computer (AGC)“⁹ – der erste Computer der Welt, der vollständig auf integrierten Schaltkreisen basierte.

Die NASA investierte dafür in den 1960er-Jahren rund 90 bis 100 Millionen US-Dollar – (nach heutigem Stand entspricht dies ca. 500 Mio. Dollar). Diese Investition machte die Raumfahrtbehörde zum größten Förderer der damals noch jungen Halbleiterindustrie.

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Der Apollo Guidance Computer steuerte Navigation, Lageregelung und Landung der Apollo-Raumschiffe. Seine Rechenleistung erscheint aus heutiger Sicht bescheiden: Ein modernes Smartphone verfügt über ein Millionenfaches an Speicher und Rechenkapazität. Dennoch gilt der AGC als Meilenstein der Computergeschichte. Er bewies erstmals, dass leistungsfähige Rechner nicht mehr ganze Räume füllen mussten. Aus diesem Grund sehen ihn Viele als einen der wichtigsten Wegbereiter der modernen transistorbasierten Computersysteme.

Als Computer auf den Schreibtisch kamen

Während Großrechner Unternehmen und Behörden eroberten, begann Anfang der 1980er-Jahre eine zweite Revolution:

Der IBM Personal Computer 5150, vorgestellt im August 1981, verfügte über einen Intel-8088-Prozessor mit 4,77 MHz Taktfrequenz und zunächst lediglich 16 bis 64 Kilobyte Arbeitsspeicher. Programme wurden von 5¼-Zoll-Disketten geladen, Festplatten waren keine Selbstverständlichkeit.

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Aus heutiger Sicht wirken diese technischen Daten vorsintflutlich, IBM (und zeitgleich Apple) machten so aber Rechenleistung für Millionen Menschen nutz- und verwertbar.

Dieser Erfolg bedeutete aber nicht das Ende der Mainframes. Es entstand eine Arbeitsteilung, die bis heute Bestand hat: Personal Computer, später Server und Cloud-Systeme übernahmen dezentrale Anwendungen, während Mainframes dort unverzichtbar blieben, wo höchste Anforderungen an Zuverlässigkeit, Sicherheit, Skalierbarkeit und die Verarbeitung riesiger Transaktionsmengen bestanden und bis heute bestehen. Die häufig vorhergesagte Ablösung des Mainframes blieb aus.

Österreich als Pionier der europäischen Informatik

Österreich spielte in dieser Entwicklung eine bemerkenswerte Rolle. Bereits im 19. Jhdt. kamen Lochkartensysteme in Verwaltung und Statistik zum Einsatz¹⁰. Unternehmen, Versicherungen und öffentliche Einrichtungen erkannten rasch die Möglichkeiten automatisierter Datenverarbeitung.

Zu den eigentlichen Pionieren gehörten die Universitäten. Die Technische Universität Wien installierte bereits 1958 eine IBM 650 und baute daraus eines der ersten akademischen Rechenzentren Österreichs auf¹¹. Wenige Jahre später folgte eine IBM 7040. Auch die Universität Wien setzte früh Großrechner ein und nutzte diese nicht nur für wissenschaftliche Berechnungen, sondern auch für Verwaltungsaufgaben wie die Inskription zehntausender Studierender¹².

Untrennbar mit dieser Entwicklung verbunden ist der Name Heinz Zemanek. Mit seinem Team entwickelte er zwischen 1954 und 1958 an der TU Wien den Transistorcomputer „Mailüfterl“¹³. Dies war der erste vollständig mit Transistoren arbeitende Computer auf dem europäischen Festland und gehörte weltweit zu den frühesten Rechnern dieser Bauart. Während die meisten Computer der 1950er-Jahre noch mit Elektronenröhren arbeiteten, setzte Heinz Zemanek konsequent auf die damals neue Transistortechnologie¹⁴. Transistoren waren deutlich kleiner, wesentlich zuverlässiger, energiesparender, sofort betriebsbereit (keine Aufheizzeit) und langlebiger als Röhren und bildeten damit die Grundlage aller späteren Computer¹⁵.

Das Projekt machte Wien international bekannt und führte 1964 zur Gründung des „IBM Laboratoriums Wien“. Dort entstanden grundlegende Arbeiten zur Standardisierung von Programmiersprachen (ALGOL 60) und zur formalen Softwareentwicklung¹⁶. Diese Entwicklungen wirken bis heute in modernen Programmiersprachen nach.

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Auch außerhalb der Universitäten hielten Großrechner Einzug. Die Stadt Wien betrieb Anfang der 1960er-Jahre mit dem Bull Gamma 3 eines der modernsten kommunalen Rechensysteme Europas¹⁷. Energieversorger wie die spätere EVN nutzten zentrale Rechner für Netzsteuerung, Lastverteilung und Abrechnung¹⁸, während Banken, Versicherungen und später die Wiener Börse¹⁹ ihre Digitalisierung auf Mainframe-Systemen aufbauten.

Die Zukunft gehört dem Zusammenspiel verschiedener Systeme

Heute erleben Mainframes eine Renaissance. Moderne Systeme unterstützen Linux, Virtualisierung, Container-Plattformen und Hybrid-Cloud-Architekturen. Hardwareverschlüsselung, integrierte Sicherheitsmechanismen und nahezu unterbrechungsfreier Betrieb machen sie weiterhin zur bevorzugten Plattform für geschäftskritische Anwendungen. Künstliche Intelligenz, Big-Data-Analysen und sogar Quantum-Safe-Kryptographie werden inzwischen direkt in moderne Mainframe-Architekturen integriert.²⁰

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Parallel entwickelt sich mit dem Quantencomputer eine völlig neue Rechnerklasse. Anders als klassische Computer oder Mainframes arbeitet ein Quantencomputer nicht mit Bits, sondern mit Qubits. Dadurch lassen sich bestimmte Optimierungs- und Simulationsprobleme erheblich schneller lösen als mit klassischen Rechnern²¹. Für alltägliche Büroanwendungen oder Massentransaktionen eignet sich diese Technologie jedoch nicht.

Noch weiter reicht die Vision eines KI-gesteuerten Rechenzentrums. Zukünftige Systeme werden sich zunehmend selbst überwachen, Fehler frühzeitig erkennen, Wartungsmaßnahmen automatisiert einleiten und ihre Rechenressourcen dynamisch an wechselnde Lasten anpassen. Erste Ansätze hierfür existieren bereits unter den Begriffen AIOps (Artificial Intelligence for IT Operations)²² und autonome IT-Infrastrukturen. Der klassische Systemadministrator entwickelt sich damit zunehmend zum Architekten und Überwacher intelligenter Systeme.

Auch im Bereich der IT-Sicherheit kündigt sich ein tiefgreifender Wandel an. Leistungsfähige Quantencomputer könnten heutige Verschlüsselungsverfahren gefährden. Deshalb investieren Hersteller wie IBM bereits in quantensichere Kryptographie (Quantum-Safe Cryptography)²³, um kritische Infrastrukturen langfristig abzusichern. Gerade Mainframes, die das Rückgrat von Banken, Versicherungen und staatlichen Einrichtungen bilden, werden hier eine Schlüsselrolle übernehmen²⁴.

Quelle: Von Lars Ploughman – https://www.flickr.com/photos/criminalintent/39660636671/, CC BY-SA 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=168611001 (→)

Die Zukunft der Informationstechnologie wird deshalb vermutlich nicht durch eine einzelne Rechnerarchitektur bestimmt. Es entsteht eine intelligente Arbeitsteilung: Mainframes verarbeiten Milliarden sicherer Transaktionen, Cloud-Plattformen stellen flexible Anwendungen bereit, KI unterstützt die automatisierte Analyse großer Datenmengen und Quantencomputer lösen hochkomplexe Optimierungs- und Simulationsaufgaben²⁵.

Die Geschichte der Computertechnik zeigt ein wiederkehrendes Muster: Neue Technologien ersetzen ihre Vorgänger nur selten vollständig. Viel häufiger erweitern sie bestehende Systeme und eröffnen neue Anwendungsfelder.

So wie der Apollo Guidance Computer einst die Miniaturisierung einleitete und der IBM-PC den Computer auf den Schreibtisch brachte, werden Quantencomputer und Künstliche Intelligenz die nächste Evolutionsstufe der Informatik markieren. Der Mainframe entwickelt sich zu einer hochintegrierten Plattform, die klassische Transaktionsverarbeitung, Cloud Computing, Künstliche Intelligenz und künftig auch Quantencomputing miteinander verbindet. 

Die nächste Revolution besteht also nicht im Ersatz des Mainframes, sondern in seiner Weiterentwicklung zum intelligenten Knotenpunkt einer hybriden digitalen Infrastruktur²⁶.

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