Analogrechner kommen zurück

Fällt das Wort ›Computer‹, denken viele Zuhörer automatisch an digital arbeitende Rechenknechte, die mithilfe von Nullen und Einsen komplizierte Formeln berechnen. Dass es auch anders geht, beweist das Unternehmen Analog Paradigm, das sich auf die Produktion von Analog-Rechnern spezialisiert hat.

Ausschließlich moderne Bauteile werden im Modell 1 verwendet. Die Modularität erlaubt den Bau individueller Rechner. Links im Bild sind zwei klassische Prototypenmodule, die dann in der rechts dargestellten Form mit SMD-Bestückung ihren Weg in das Produkt gefunden haben.

In der heutigen, hoch technisierten Welt ist die Simulation des Verhaltens technischer Produkte eine zwingende Notwendigkeit. Ob Atomkraftwerk, optimale Form eines Flugzeugflügels oder die Auslegung eines Kraftfahrzeugfahrwerks – bevor ein teurer Prototyp gebaut wird, werden Großrechner mit komplizierten Formeln gefüttert, deren Berechnung oft Tage und Wochen dauert, ehe feststeht, ob es sich lohnt, das theoretische Modell in die Praxis umzusetzen.

Um die Wartezeiten zu verkürzen und noch schneller zu einem Ergebnis zu kommen, werden Taktfrequenzen von Computer-Prozessoren immer weiter erhöht und immer mehr dieser Rechenknechte zu größeren Einheiten zusammengeschaltet, um deren Leistung zu potenzieren. Ein Weg, der angesichts des immensen Strombedarfs dieser Großrechenanlagen nur als aberwitzig bezeichnet werden kann und zudem häufig vermeidbar wäre, da bereits seit Jahrzehnten Lösungen für die Behandlung dynamischer Systeme existieren, wie zahlreiche Exponate einst großer, heute teils längst vergessener Unternehmen zeigen.Die Rede ist von Analogrechnern, wie sie nach langem Dornröschenschlaf seit 2015 vom Unternehmen ›Raven Information Technologies GmbH‹ unter der Marke ›Analog Paradigm‹ wieder angeboten werden.

Die Technik dieser pfeilschnellen und extrem energiesparend arbeitenden Rechner wartet zwar nicht mit Touchbildschirm, Zehn-Finger-Tastatur oder gigabytegroßen Festplatten auf, brilliert jedoch mit einem Konzept, in der das zu lösende mathematische Problem und nicht dessen kunstvolle Zersplitterung in zahlreiche kleine Einzellösungen im Mittelpunkt steht. Während digital arbeitende Computer ein Programm benötigen, das über Schleifen, Bedingungsabfragen und Zähler eine Aufgabe löst, werden Analogrechner „programmiert“, indem verschiedene, zum Problem passende Rechenmodule über Kabel verbunden werden.

Es gibt demnach bei Analogrechnern keinen Zwang, eine Aufgabe in kleine Rechenschritte zu zerlegen, die dann schrittweise wieder und wieder abgearbeitet werden, bis endlich nach zahlreichen Iterationen das Ergebnis feststeht.

„Programmiert“ wird ein Analogrechner mittels per Kabel verschalteter Module, die beispielsweise integrieren oder addieren können.

Vielmehr steht beim Analogrechner das Problem mit der dazu passenden Formel im Mittelpunkt. Diese Formel wird in ­einer Art mathematischem Lego-Spiel im Rechner mittels der Kabel zum Leben erweckt. Dazu sind Module, die auf Namen wie ›Addierer‹, ›Multiplizierer‹ oder ›Integrierer‹ hören, entsprechend der zu realisierenden Formel untereinander per Kabel zu verbinden.

Es ist erstaunlich, wie schnell selbst komplizierte Formeln auf diese Weise aus den Modulen zusammengesetzt werden können. Als Ergebnis bekommt man einen Rechner, der im Grunde genommen für eine ganz bestimmte Aufgabe festverdrahtet ist. Dadurch, dass im Unterschied zu herkömmlichen Digitalrechnern alle Rechenelemente vollständig parallel arbeiten und nicht auf ­einen gemeinsamen Speicher angewiesen sind, um Schritt für Schritt die Rechenaufgabe zu lösen, sind Analogrechner unerreicht schnell.

Durch die Verschaltung der Rechenelemente anstelle der Verwendung eines Algorithmus wird der als „von Neumann-Flaschenhals“ bekannte Engpass eines zentralen Hauptspeichers von Digitalrechnern vermieden. Das Ergebnis steht praktisch unmittelbar nach dem Einschalten des Rechners zur Verfügung und kann über ein Oszilloskop, einen XY-Schreiber oder ein Digitalmultimeter ausgegeben werden. Dieses hohe Tempo mutet mitunter an wie Hexerei und ist der Hauptvorteil von Analogrechnern.

In diesem Beispiel löst der Analogrechner ein lineares Gleichungssystem mit mehreren Unbekannte. Diese Lösung kann dann entweder direkt verwendet oder mit Hilfe eines klassischen Digitalrechners weiterverarbeitet werden.

Typisch für einen Analogrechner wie das ›Modell 1‹ von Analog Paradigm ist, dass Änderungen der Rechenparameter nicht über eine Bildschirm-Eingabemaske dem Programm mitgeteilt werden müssen. Vielmehr besitzen Analogrechner die auch von Radios oder Regelgeräten bekannten Potenziometer, die eine viel intuitivere Bedienung erlauben. Während ein digital rechnender Computer nach der Änderung eines Parameters unter Umständen erneut lange rechnet, um das neue Modell zu berechnen, zeigt der Analogrechner das Ergebnis nach Drehen am Potenziometer nahezu in Echtzeit an, da die Operationszeit meist lediglich wenige Millisekunden beträgt. Selbstverständlich sind die in diesem Rechner verwendeten Potenziometer von ausgesuchter Präzision, damit sich keine vermeidbaren Rechenfehler ergeben.

Kein Wunder, dass sich die Analogrechner von Analog Paradigm einer zunehmenden Beliebtheit überall dort erfreuen, wo es darum geht, in möglichst kurzer Zeit komplexe dynamische Systeme zu untersuchen. Ohne Übertreibung ist festzuhalten, dass Analogrechner einen echten Gewinn für Konstruktionsabteilungen darstellen, wenn es darum geht, komplizierte Fragestellungen zu lösen. Auch Schulen, Universitäten und Forschungseinrichtungen erkennen zunehmend den Wert von Analogrechnern und ordern das ›Modell 1‹ von Analog Paradigm. Mit diesem Rechner ist es beispielsweise in der Biochemie mühelos möglich, rasch zu realistischen Lösungen zu kommen. Ein Analogrechner ist demnach der Rechner der Wahl, um Vorgänge in der Natur abzubilden.

Das ›Modell 1‹ ist ein ultramoderner Rechner und hat nur noch wenig mit den bis in die 1980er Jahre von verschiedenen Unternehmen gebauten Analogrechnern gemein, die nunmehr in Museen zu besichtigen sind. Selbstverständlich werden zum Bau des Modell 1 ausschließlich moderne SMD-Bauteile verwendet, um die einzelnen Module aufzubauen, und werden elektronische Präzisionselemente verwendet, um ein exaktes Rechenergebnis zu erhalten. Die Platinen wurden wohlüberlegt konstruiert, sodass keine störanfälligen Kabelverbindungen den ausgezeichneten Gesamteindruck trüben.

Trotz Handarbeit ist Analog Paradigm in der Lage, sogar individuelle Analogrechner in der Regel innerhalb von sechs Tagen zu liefern.

Vielmehr steht beim Analogrechner das Problem mit der dazu passenden Formel im Mittelpunkt. Diese Formel wird in ­einer Art mathematischem Lego-Spiel im Rechner mittels der Kabel zum Leben erweckt. Dazu sind Module, die auf Namen wie ›Addierer‹, ›Multiplizierer‹ oder ›Integrierer‹ hören, entsprechend der zu realisierenden Formel untereinander per Kabel zu verbinden.

Es ist erstaunlich, wie schnell selbst komplizierte Formeln auf diese Weise aus den Modulen zusammengesetzt werden können. Als Ergebnis bekommt man einen Rechner, der im Grunde genommen für eine ganz bestimmte Aufgabe festverdrahtet ist. Dadurch, dass im Unterschied zu herkömmlichen Digitalrechnern alle Rechenelemente vollständig parallel arbeiten und nicht auf ­einen gemeinsamen Speicher angewiesen sind, um Schritt für Schritt die Rechenaufgabe zu lösen, sind Analogrechner unerreicht schnell.

Durch die Verschaltung der Rechenelemente anstelle der Verwendung eines Algorithmus wird der als „von Neumann-Flaschenhals“ bekannte Engpass eines zentralen Hauptspeichers von Digitalrechnern vermieden. Das Ergebnis steht praktisch unmittelbar nach dem Einschalten des Rechners zur Verfügung und kann über ein Oszilloskop, einen XY-Schreiber oder ein Digitalmultimeter ausgegeben werden. Dieses hohe Tempo mutet mitunter an wie Hexerei und ist der Hauptvorteil von Analogrechnern.