 So, dann herzlich willkommen. Vielen Dank für Ihr zahlreiches Erscheinen und vielen Dank auch an die Veranstalter des VCFB mich einzuladen und nicht zuletzt natürlich vielen Dank für diese Keynote hier. Keynote analog rechnen immer 21. Jahrhundert. Ich erlaube mir auf einem Vintage-Computer-Festival etwas über die Zukunft meiner Lieblingsrechentechnik zu erzählen. mag etwas absurd klingen normalerweise bringt man analog rechnen ja wirklich nur mit sowas wie einem Vintage-Computer-Festival in Beziehung. Nichtsdestotrotz steckt meiner Meinung nach zu viel Potenzial in dieser Rechentechnik, um nicht drüber nachzudenken, was wir im 21. Jahrhundert davon lernen könnten und davon einsetzen könnten. Wenn sich mal anschaut, was ein Analogrechner eigentlich ist, stellt man erstmal fest, das war das Lustige, das kam sogar heute früh schon an meinem Stand raus in der kleinen Diskussion. Es ist eine Spezialmaschine, es ist kein General Purpose-Computer. Ich kann nicht alles damit machen, aber das, was ich machen kann, kann ich eigentlich viel besser machen als mit einer traditionellen, speicherprogrammierten Architektur. Das heißt, ich habe eine Spezialmaschine, die für das Lösen von Differenzialgleichungssystemen wirklich ideal geeignet ist. Und wer sich jetzt fragt, um Himmels Willen, wer braucht denn sowas, dem sei versichert für alles. Die Natur denkt quasi in Differenzialgleichung, das ist die Sprache der Natur. Es gibt wenig Interessanteres und es gibt auch wenig Bedeutsameres als Differenzialgleichung. Und die zu lösen ist und bleibt ein schwieriges Problem. Analytische Lösungen sind in den technisch interessierenden Fällen fast nie möglich und numerische Lösungen sind offen gestanden, meistens ein bisschen hakelig. Ich ertappe mich selber immer wieder dabei, wenn ich mit meinen Studenten irgendwas mache. Die machen das natürlich digital, dass ich das zu Hause erstmal auf dem Analogrechner ausprobiere, damit ich weiß, wie sollte die Lösung aussehen. Und danach würde ich meine digitale Simulation so lange, bis sie das liefert, was der alte Analogrechner auch geliefert hat, dann bin ich mir nämlich sicher, es stimmt. Analogrechner sind ganz, ganz anders als die traditionellen Speicherprogrammierten Digitalrechner. Sie basieren nämlich auf Modellbildung. Da werde ich im zweiten Vortrag, den ich heute halten werde, noch deutlich detaillierter drauf eingehen. Typische Modelle kennt jeder zum Beispiel in Form von Seifenblasen. Wenn ich eine Minimaloberfläche bestimmen möchte, ist eine Seifenblase wirklich die einfachste Methode. Mag Albern klingen, aber letztlich löse ich ein extrem schwieriges Optimierungsproblem damit. Wie man in der Ausstellung sehen wird, ist die Programmierung ungewohnt aus heutiger Sicht. Man ändert nämlich die Struktur der Maschine. Auch das kam heute früh gleich auf mit so einer Frage, das ist aber nicht wirklich frei programmierbar. Doch ist es aber eben ganz, ganz anders als das, was man heutzutage gewohnt ist. Ganz wichtig ist der nächste Punkt. Man kann sowohl eine Implementation mit analogelektronischen Elementen machen als auch mit digitalen Elementen, was für die Zukunft ein hohes Potential bietet. Und der vorletzte Punkt ist der eigentlich entscheidende. Ich kann einen viel höheren Grad an Parallelismus erreichen als mit traditionellen Digitalrechnern. Wenn Sie mal einen Blick in die Top 500-Liste oder sowas werfen, es ist ja unglaublich, was für ein Overkill auf Digitalseite getrieben wird. Maschinen mit 100.000 von Prozessoren. Und wer von Ihnen mal versucht hat, sowas zu programmieren, weiß, das macht definitiv keinen Spaß. Also ich hatte noch zu meinen Studienzeiten angefangen, auf Parallelarchitekturen zu programmieren, habe immer wieder festgestellt, dass mir Amdals Law eigentlich das Genick bricht. Ich hatte Dutzende damals von Prozessoren, ich konnte so gut wie nichts damit anfangen, weil ich ständig darauf gewartet habe, dass irgendwie Werte von einer Maschine auf die nächste Maschine übertragen werden konnten. Und der letzte Punkt ist auch extrem wichtig. Analogrechte haben erstaunlich niedrigen Energiebedarf. Da kommt ganz am Ende noch eine Folie, die das mal an einem Beispiel zeigt. Welche Vorteile hat der Einsatz eines Analogrechter in Ausbildung und Lehre, dass es das somit ich im Moment am meisten zu tun habe? Der erste Vorteil ist, es ist unglaublich anschaulich, wenn Sie Differenzialgleichung mögen, ansonsten nicht. Aber wenn Sie sich dafür interessieren, das Maß an Anschaulichkeit ist wirklich ein Hammer. Ich habe seinerzeit in meinem Studium, in meinem Mathematikstudium Differenzialgleichung den ersten Wortsinn erst begriffen, als ich Sie mit dem Analogrechner lösen konnte. Als ich einfach an einem Analogrechner-Parameter verändern konnte und sich direkt auf einem Oszilloskop gezeigt hat, wie sieht die Lösungsfunktion jetzt aus? Man bekommt ein Gefühl für das Verhalten eines Systems. Damit ist der zweite Punkt schon fast vorweggenommen, sind unglaublich interaktive Analogrechner. Sie haben eine laufende Rechnung, Sie drehen an einem Potentiometer und Sie sehen sofort, wie verhält sich das simulierte System, das mit einem modernen digitalen System geht mittlerweile auch, aber ist weit davon entfernt, so integrativ zu sein wie bei einem Analogrechner. Das mit dem Gefühl ist wirklich unschlagbar und man schlägt sehr, sehr intuitiv auch die Brücke zwischen Mathematik und Regelungstechnik. Wenn Sie mal ein typisches Buch über Regelungstechnik aufschlagen, das ist ja nur Mathematik. Und man kriegt überhaupt kein intuitives Verständnis dafür, wie diese Maschinen funktionieren. Aber wenn Sie mal mit einem Analogrechner zum Beispiel ein invertiertes Pendel oder so wirklich kontrollieren, dann bekommen Sie ganz schnell ein Gefühl dafür, was ist ein PID-Regler zum Beispiel? Welchen Einfluss hat welcher Parameter auf das Verhalten einer solchen Regelstrecke? Das hier ist mal kurz etwas Werbung. Es gibt hoffentlich ab nächstem Jahr einen Analogrechner wieder zu kaufen, Analogrechner des 21. Jahrhunderts. Das ist ein kleines Modell für Schulungszwecke gedacht, es ist rein modular aufgebaut und es bewährt sich jetzt gerade so im Praxis alle Tage. Also teilweise zeigt es auch noch ernste Mucken, das gebe ich offen zu. Aber die treiben wir eben auch schon noch aus. Und das Schöne ist, hier sieht man spontan, wie sieht eigentlich die Benutzerschnittstelle für so eine Maschine aus? Sie haben viele, viele, viele Buchsen, mit denen Sie Ihre Rechenelemente miteinander verbinden können und die Interaktivität kommt letztlich zum Beispiel von den Potentiometern, die man links oben sieht, mit denen ich direkt in die Koeffizienten irgendwelche Gleichungen eingreifen kann. Und hier zum Thema hohe Anschaulichkeit und hohe Interaktivität mal, das kennen Sie alle, ein Lorentz-Attraktor. Haben Sie sich auch immer mal gefragt, wie fängt der eigentlich an? So ein Lorentz-Attraktor. Mit einem Analogrechen ist das ganz einfach, lassen Sie ihn zum Beispiel mal mit bestimmter Einstellung für 10 Millisekunden rechnen, das ist das Bild links oben. Geht unten los, macht so eine Schleife nach rechts und fängt sich dann links oben wieder. Und dann können Sie schauen, wie geht das weiter? Nach 20 Millisekunden ist der Lorentz-Attraktor ein bisschen weitergezeichnet, nach 30, 40, 50, bis zu 90 Millisekunden. Man sieht wunderschön, wie sich dieses chaotische System wirklich entwickelt. Auf den ersten Blick eigentlich recht stabilen System. In dem Fall wurde der Rechner in einer Betriebsart betrieben, die man als repetierendes Rechnen bezeichnet. Das heißt, man bekommt auch direkt ein stehendes Bild auf dem Oszilloskop. Das heißt, ich sehe wirklich relativ flimmerfrei, wie sieht mein Attraktor aus und kann an irgendwelchen Parametern drehen, um den Attraktor zu verändern. Dann, welche Chancen hat das Analogrechnen in die industriellen Applikationen? Erstaunlich große, muss ich sagen. Es ist unangreifbar. Das wird heutzutage von immer größerem Interesse werden. Ganz im Ernst, wer von Ihnen würde sich in ein Auto setzen, das 100 Megabyte Software oder mehr hat? Oder Gigabyteweise-Software in einem Auto? Würden Sie dem wirklich ihr Leben anvertrauen? Dass irgendein elektronisches Bremssystem sich überlegt, meint er das ernst? Wird man ein bisschen was rekuperieren? Oder soll ich vielleicht wirklich bremsen? Ganz im Ernst, ich nicht. Sowas kommt mir jedenfalls nicht in die Garage. Und ich bin umso beruhigter, je mehr Analoge-Elektronik in meinem Auto steckt, als digitale Elektronik. Interessanterweise kommen auf die Idee mittlerweile auch Automobilhersteller, wo ich mal keinen Namen nenne, aber es gibt mindestens einen Automobilhersteller, der... Nein, es gibt mindestens einen, der wirklich konkretes Interesse daran hat. In der Getriebesteuerung zum Beispiel auf Analogetechniken quasi zurückzugreifen, weil nämlich die digitalen Steuerungen zum einen viel zu kompliziert geworden sind und letztlich damit auch unwahrtbar geworden sind. Was Automobilhersteller nämlich langsam begreifen ist, das hätten Sie vor 100 Jahren begreifen sollen, Sie sind verdammt nochmal Automobilhersteller und keine Softwarekonzerne. Und Sie können nicht Software. Das ist nicht Ihre Expertise. Und sowas wollen Sie nicht auslagern. Analogelösungen sind extrem robust. Da ist kein Programm drin, kein Flashrom, kein nichts, was irgendwelchen Inhalt verlieren kann. Und Sie sind stateless. Sie kennen das, das kennen Sie garantiert alle. Modernes Auto, irgendwas geht nicht. Auch machen Sie Zündungen aus, machen Sie wieder an, wird schon funktionieren. Das kann doch eigentlich nicht sein. Das darf nicht sein, so etwas. Der geringe Energiebedarf, es sind industriellen Anwendungen durchaus von Interesse, geringer Wartungsaufwand. Sowas können Sie wirklich irgendwo einbauen und vergessen. Es wird quasi für immer funktionieren. Sie haben erstaunlich geringe Herstellungs- und Entwicklungskosten, weil Ihre Bauelemente einfach viel, viel leichter zu bestücken sind. Also irgendwelche grauenfoliengroßen BGA-Arrays. Und Sie haben einen sehr, sehr langen Lebenszyklus. Dann High Performance Computing. Ob man es glaubt oder nicht, analog rechnen bietet sich zum Beispiel auch an für Risikosimulationen im Finanzwesen. Nicht, dass Sie jetzt denken, ich hielte viel von solchen Techniken, tue ich nicht wirklich. Aber wenn man sich anschaut, was für Rechenleistung an Banken installiert ist, wenn Sie einen Blick in die Top 500-Liste werfen, früher war da sowas drin wie das Los Alamos Laboratory und ähnliche Sandia Labs, die Nuklearwaffen entwickelt haben. Heutzutage sind da Banken. Die haben mehr Rechenleistung als irgendwelche riesigen staatlichen Laboratorien. Wofür? Zu einem großen Teil wirklich für Monte Carlo-Simulationen. Das heißt, Sie haben irgendwelche stochastischen Differenzialgleichungen, unglaublich vielen wechselnden Anfangsbedienungen immer wieder durchrechnen und zu gucken, wie verhält sich Ihr System. Und das ist schlicht auch eine Energiefrage. Wenn Sie ein paar Megawatt rund um die Uhr in riesige Computgrits rein investieren, nur um stochastische DGLs zu lösen, stellt sich die Frage, kann ich nicht im wahrsten Wortsinn wirklich was einsparen und gewinnen, dadurch, dass ich eine Maschine nehme, die dafür wie geschaffen ist. Nicht nur wie geschaffen, sie ist dafür geschaffen, nämlich einen Analogrechner zu nehmen. Dann Simulation dynamischer Systeme. Natürlich, die sind durch nichts anderes als Differenzialgleichung beschreibbar. Hardware in the Loop Simulationen. Das ist unglaublich praktisch, wenn Sie irgendwelche komplexen Hardware-Systeme haben und zum Beispiel Regelstrecken ausprobieren wollen. Simulieren Sie das mal, wenn Sie auf der einen Seite Digitalrechner haben, dann haben Sie irgendwelche Datenerfassungskarten mit AD und DHA-Wandelern. Sie fangen sich alle möglichen Probleme ein, die gar nichts mit Ihrem Problem eigentlich zu tun haben, die Sie gar nicht hätten, wenn Sie es gleich analog gemacht hätten. Und mein persönlicher Favorit ist der unglaublich geringe Energiebedarf in Watt pro Megaflops. Das hier ist schon lange nicht mehr aktuell eigentlich, aber immer noch Weltspitze. Das ist ein Chip, den ein Herr Cohen in den USA 2005, das muss man sich mal überlegen, vor zehn Jahren, damit es hinter wieder beim Vintage-Aspekt von heute entwickelt hat. Und dieser Chip ist ein Analog-Computer on a chip, der ist quasi frei programmierbar. Man hat viele, viele analoge Rechnelemente drauf, die über Kreuzschienenverteiler miteinander verschaltet werden können. Und die Idee war wirklich, das als eine Co-Prozessorkarte zu implementieren. Und dieser Herr Cohen hat sich auch dafür interessiert, wie energieeffizient kann ich eigentlich mit so einer Maschine sein. Und das, was rauskam, ist wirklich erstaunlich, muss man sagen. Der Herr Cohen hat als Benchmark ein typisches Problem aus der Monte Carlo Simulation genommen, stochastische Differenzialgleichung und hatte, das ist zehn Jahre her, die Zahlen, es kommen gleich aktuelle. Hatte vor zehn Jahren festgestellt, dass er auf einem traditionellen Mikroprozessor mit etwa 400 Megaflops eine Leistungsaufnahme von 1,2 bis 40 Joule gebraucht hat, um dieses Benchmark-Problem zu lösen. Ein digitaler Signalprozessor, deutlich besser drauf zugeschnitten, brauchte nur zwischen 0,04 und 0,4 Joule und der Very Large Scale Integration Analog-Rechne hat 0,008. Joule gebraucht für dieselbe Berechnung. Und jetzt stellen Sie sich mal vor, wie das skaliert. Sie haben 6,4 Gigaflops mit 0,3 Watt erreicht. Und dann stellt sich natürlich die Frage, naja gut, das ist zehn Jahre alt, wie sieht das heute aus? Und neben der Top 500-Liste gibt es heutzutage ja auch eine Green 500-Liste, in der die 500 energieeffizientesten Maschinen drin sind. Naja, und das Interessante ist, es ist zehn Jahre her, diese Entwicklung und sie ist immer noch um den Faktor 3 energieeffizienter als der momentan beste Rechner in der Green 500-Liste. Der aktuell energieeffizienteste Rechner Shubu, oder wie auch immer man den Sprechen mag, schafft etwa 7 Gigaflop pro Watt. Der analoge Co-Prozesse von Hankoan schafft 21 Gigaflops pro Watt mit einer zehn Jahre alten Integrationstechnik. Wenn das nicht wirklich eine Chance für die Zukunft ist, überlegen Sie nicht nur, wie viel Energie man sparen könnte, das ist fast der uninteressantere Aspekt. Überlegen Sie, wie viel mehr Rechenleistung wir mit demselben Energieeinsatz auch bekommen könnten. Wir könnten Analogrechner an Stellen einsetzen, an denen bis heute Digitalrechner aus Energiegründen vollkommen undenkbar sind. Und mit den Gedanken möchte ich Sie hoffentlich begeistert für die Idee des Analogrechnens in den restlichen Tag des VCFB entlassen und würde mich freuen, wenn Sie Interesse daran haben, quasi unter die Haube zu schauen, wie programmiert man einen Analogrechner später zu meinem gleichnamigen Vortrag zu kommen. Vielen herzlichen Dank.