Computer aus Papier

Seit dem 3. Oktober zeigt das HNF die Sonderausstellung „Papierflieger und Gummitwist“. Sie führt spielerisch in die Informatik ein und richtet sich besonders an junge Besucher. Spielen konnten jüngere und ältere User ebenso mit den Papiercomputern. Sie wurzeln in der Turing-Maschine und wurden schon in den 1960er-Jahren benutzt. Wir haben uns die Technik näher angeschaut. 

Die Informatik beginnt mit dem Papiercomputer. Denn genau das war die Turing-Maschine, eine Schöpfung des englischen Mathematikers Alan Turing aus dem Jahr 1936. Sie besaß einen Papierstreifen, auf dem man ein Symbol beliebig oft notieren und löschen konnte, und eine Befehlstafel. Die Turing-Maschine diente primär als ein theoretisches Modell für die Berechenbarkeit. Einige wurden tatsächlich gebaut, zumeist jedoch mit einer Mechanik anstelle des Papiers.

In den 1950er-Jahren entstanden Abwandlungen von Turings Idee, die Zähler- und die Registermaschinen. Sie blieben ebenfalls Theorie, imitierten aber schon die Arbeitsweise von Elektronenhirnen. Ein Beispiel ist die abstrakte programmgesteuerte Rechenmaschine, die der Dresdner Mathematiker Heinz Kaphengst 1959 in einem Artikel beschrieb. 1965 schuf der amerikanische Informatiker Stuart Madnick den Little Man Computer oder LMC als ein Modell der Von-Neumann-Architektur. Von solchen Konzepten war es dann nur ein kleiner Schritt zu echten Papiercomputern.

Der erste, der CARDboard Illustrative Aid to Computation oder CARDIAC, kam 1968 heraus. Das Wort stammt eigentlich aus der Medizin; „cardiac arrest“ ist der Herzstillstand. Die CARDIAC-Erfinder David Hagelbarger und Saul Fingerman saßen in den Bell-Laboratorien im US-Bundesstaat New Jersey. Fingerman verfasste 1968 auch das Drehbuch des Kurzfilms Die Denkmaschine, der die Prinzipien realer Rechner schilderte. Der Computer der beiden verdeutlichte sie im Spiel; zur Bedienung genügten Papier, Bleistift und Radiergummi.

Ein CARDIAC aus neuerer Zeit mit Zentraleinheit (links) und Speicher (Foto Tom Higgins CC BY-SA 2.0 seitlich beschnitten)

CARDIAC war etwa fünfzig Zentimeter breit und zwanzig Zentimeter hoch; er enthielt sechs Schieber. Seine linke Hälfte arbeitete das Programm ab, die rechte speicherte auf hundert Feldern dreistellige Dezimalzahlen. CARDIAC benutzte zehn Befehle; selber rechnen konnte er nicht, das musste der Bediener tun. Eine anspruchsvolle Aufgabe, die er löste, war das Spiel Türme von Hanoi. Die beste Einführung in das System erstellte Brian Stuart von der Drexel-Universität in Philadelphia. Hier ist das Begleitbuch von den Bell-Laboratorien.

Den ersten deutschen Papiercomputer entwarf das Technikmagazin hobby zusammen mit der IBM Deutschland GmbH. Das „hobby-Computerspiel“ erschien in Heft 7/1971; es war ein Gesellschaftsspiel, bei dem man reihum zog. Zwei bis fünf Teilnehmer bewegten zwei kleine Papier-Reiter über einen Spielplan; Sieger war, wer als erster sein Paar ins Ziel brachte. Der Weg der „Datensteine“ begann in den Eingabe-Einheiten und führte anschließend durch den Hauptspeicher zu den Ausgabe-Modulen. Die Sprünge von einer Position zur nächsten wurden durch Würfeln und mit mathematischen Operationen ermittelt.

Den Spielplan haben wir am Ende unseres Blogs angefügt. Neben dem Input, dem Output und dem Speicher hat der Papiercomputer noch „Rechenwerke“ und ein Feld „Technische Störung“. Es enthält Zeilen wie „Techniker anfordern“ oder „Techniker kommt“ – in den frühen Siebzigern war der Notdienst unverzichtbar. Manche Regel des Spiels ist etwas umständlich, doch es liefert einen Einblick in die EDV. Wir danken Linus Neubert von der Egmont Ehapa Media GmbH für die Erlaubnis, die „hobby“-Bilder im Blog zu verwenden.

Der „hobby“-Computer läuft mit Würfeln. Auf den Feldern 21 und MP („Magnetplatte“) stehen gerade Spielsteine. (Foto Egmont Ehapa Media GmbH Berlin)

Der nächste Papierrechner kam 1979 wieder aus Amerika. Der Instructo Paper Computer oder IPC war eine Erfindung des Mathematiklehrers Fred Matt; er arbeitete in einer Schule im US-Bundesstaat Pennsylvania. Sein System ähnelte dem CARDIAC der Bell-Laboratorien; es verfügte über neun Schieber, fünf Papierstreifen und einen Speicher mit hundert Plätzen. Neunzig von ihnen nahmen Programmbefehle auf, zehn fassten Zahlen. Samt Begleitheft kostete der Instructo 5,95 Dollar; wer zehn Stück erwarb, musste nur 12,95 Dollar zahlen.

Der König der Papierrechner ist sicher der Know-how-Computer. Wolfgang Back und Ulrich Rohde erdachten ihn 1983 für die gleichnamige Sendung des WDR; aus ihr wurde 1988 der Computerclub. Der Know-how-Rechner besitzt acht Register und 21 Felder fürs Programm. Zahlen werden durch Streichhölzer angezeigt; das Programm kennt vier Ein-Adress-Befehle und ein Stop-Kommando. Zwei Befehle vergrößern und verkleinern das gewählte Register, außerdem erhöht sich der Befehlszähler. Die zwei anderen Befehle sind eine GO-TO- und eine IF-ELSE-Anweisung.

Den WDR-Computer kann man aus dem Internet Archive herunterladen; bitte den Text auf der Rückseite beachten, er erwähnt Alan Turing. Wolfgang Back ist leider 2019 gestorben, aber hier und hier gibt es YouTube-Videos mit ihm und seinem Papierrechner. Dreißig Jahre nach der deutschen TV-Premiere fand eine englische Fassung neue Freunde in Namibia; man kann sie ebenfalls downloaden. Eine Online-Version des Computers programmierte vor zwei Jahren der Bonner Software-Entwickler Marian Aldenhoevel.

Ein Know-how-Computer aus Nambia – der Kugelschreiber zeigt den gerade ausgeführen Befehl an. (Foto EduNet Namibia CC BY-NC-SA 3.0)

Papiercomputer im weitesten Sinne gab es auch der DDR. So enthielt die Kinderzeitschrift FRÖSI in Heft 4/86 – bitte etwas scrollen – einen Minirechner mit CAD/CAM-Fähigkeiten. Heft 6/88 brachte zum 35. Jubiläum der Zeitschrift einen „Geburtstags-Computer“. Ob vorher Papierrechner für die Schule existierten, ist uns  nicht bekannt – vielleicht weiß ein Leser oder eine Leserin mehr. Die Google-Suche nach einem französischen „ordinateur en papier“ führte zu einer Turing-Maschine sowie zum Computer M99 und zur Arbeitsgruppe M999.

In der Papier-Informatik treffen wir viele kreative Köpfe. 1958 stellte der junge Amerikaner Rollin Mayer den PAPAC-00 („double zero“) vor, dessen ingeniöse Mechanik die Leistung eines Halbaddierers erbrachte. In den 1970er-Jahren ließ der Brasilianer Valdemar Setzer Schüler die Operationen eines Papiercomputers simulieren; die Jungen und Mädchen hängten sich dazu Papptafeln um den Hals. Als Papiercomputer wird auch die Einflussmatrix von Frederic Vester bezeichnet. Der Forscher meldete 1983 ein Patent an, das ihm aber nicht gewährt wurde.

2017 veröffentlichte der amerikanische Lehrer und Autor Mark Jones Lorenzo ein Buch über CARDIAC, LMC und IPC. Die Theorie solcher Papiercomputer beschrieb 1977 der deutsche Hochschullehrer Elmar Cohors-Fresenborg in dem Band „Mathematik mit Kalkülen und Maschinen“. Zum Schluss weisen wir auf die jüngst im HNF eröffnete Mitmach-Ausstellung Papierflieger und Gummitwist hin; sie zeigt unter anderem – siehe Eingangsbild – die Entstehung von Pixelgrafiken. Jetzt geht es aber 50 Jahre zurück zum „hobby“-Computer.

Die „Datensteine“ (neben den Feldern aufgereiht) tragen Kürzel, die Start und Ziel nennen, zum Beispiel LS-MB (Lochstreifen-Magnetband). Die 36 Speicherplätze geben Operationen an. Steht etwa ein Stein auf 15 und wird eine 2 gewürfelt, dann kann der Spieler auf 17 (+) oder auf 30 (*) springen; die Division entfällt. (Foto Egmont Ehapa Medien GmbH Berlin)