Frühes Embedded System Kleiner Schritt – großer Sprung in der Technik

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Im Kaleidoskop zum 60. Jubiläum der ELEKTRONIKPRAXIS werfen die Redakteure einen Blick in ihr eigenes Geburtsjahr und die damaligen Technik-Meilensteine. Ex-Kollege Holger Heller blickt auf das Jahr 1969 und den Bordrechner der Apollo-11-Mission, den AGC.

Der Computer, der die ersten Menschen zum Mond führte, war weniger leistungsfähig als ein moderner Taschenrechner, doch er veränderte die Geschichte der Technik für immer. Bei der Apollo-11-Mondlandung 1969 stützten sich die Astronauten auf den Apollo Guidance Computer (AGC). Dieser für seine Zeit kompakte Bordrechner übernahm Navigation, Flugsteuerung und Echtzeitberechnungen für die gesamte Mission.

In einer Zeit, in der Computer ganze Räume füllten und enorme Mengen an Strom benötigten, stellte der AGC als 15-Bit-Rechner einen Sprung nach vorne in Sachen Miniaturisierung und Zuverlässigkeit dar. Der Rechner wurde am Instrumentation Laboratory des Massachusetts Institute of Technology (MIT) für die NASA entwickelt und zu einem der frühesten Beispiele für ein Embedded-System. Er war im Kommandomodul Columbia als auch im Mondmodul Eagle installiert und unterstützte die Astronauten während der gesamten Apollo-11-Mission.

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Der AGC wog etwa 32 kg und arbeitete mit nur 36 KByte ROM und etwa 2 KBbyte RAM (Bild 1). Nach heutigen Maßstäben erscheinen diese Zahlen unglaublich gering. Ein modernes Smartphone verfügt über millionenfach mehr Speicher und Rechenleistung. Dennoch führte der AGC kritische Berechnungen durch, die es den Astronauten ermöglichten, fast 400.000 km durch den Weltraum zu reisen, in die Mondumlaufbahn einzutreten, sicher auf dem Mond zu landen und nach Hause zurückzukehren.

Beginn der modernen Computerindustrie

Der Prozessor des AGC lief mit rund 1 MHz und war damit sogar langsamer als einfache heutige Elektronik. Entscheidend war jedoch nicht die Geschwindigkeit, sondern die Zuverlässigkeit. Da Reparaturen im Weltraum unmöglich waren, musste jede Komponente Startvibrationen, Strahlung und extreme Temperaturschwankungen aushalten. Deshalb setzte man bereits integrierte Schaltkreise ein – obwohl diese Technik damals noch neu und umstritten war.

Der Einbau von ICs galt als die größte Neuerung des AGC. Vor dem Apollo-Programm waren die meisten Rechner stark auf einzelne Transistoren und sperrige Verkabelung angewiesen. Das Apollo-Projekt beschleunigte die IC-Entwicklung durch den Kauf großer Mengen an Chips von US-Herstellern. Historiker schreiben dem Apollo-Programm oft zu, den Start der modernen Computerindustrie mitbegründet zu haben, da es bewies, dass ICs zuverlässig genug für kritische Anwendungen sein konnten.

Die Astronauten interagierten mit dem AGC über eine Einrichtung namens DSKY (Display and Keyboard, Titelbild Mitte). Als User Interface verfügte es über einen Ziffernblock und einfache digitale Anzeigen. Anstelle grafischer Benutzeroberflächen oder Touchscreens gaben die Astronauten Befehle mithilfe von Zahlencodes ein, die als Verben und Substantive bezeichnet wurden. Ein Verb stand für eine Aktion, während ein Substantiv die betreffenden Daten bezeichnete. Die Astronauten konnten so Geschwindigkeitsdaten abfragen oder ein Navigationsprogramm ausführen, indem sie Zahlenkombinationen eingaben. Obwohl im Vergleich zu modernen Benutzeroberflächen primitiv, ermöglichte das DSKY den Astronauten eine effiziente Kommunikation mit dem Bordrechner.

Fehlertolerante Datenverarbeitung

Die AGC-Software war ebenso neuartig. Sie war in einer speziellen Assemblersprache geschrieben und verfügte über Multitasking-Fähigkeiten, die zu dieser Zeit selten waren. Das System konnte wichtige Aufgaben priorisieren und weniger kritische Vorgänge vorübergehend verzögern. Dieses Design erwies sich während der Mondlandung am 20. Juli 1969 als unverzichtbar.

Als die Mondlandefähre Eagle sich der Mondoberfläche näherte, löste der Computer plötzlich mehrere Alarme aus, darunter die Programmalarme „1202“ und „1201“. Diese traten auf, weil der Computer übermäßige Datenmengen vom Rendezvous-Radar empfing, während er gleichzeitig versuchte, die Landungsberechnungen durchzuführen. Der AGC war überlastet. Sein Betriebssystem war jedoch so konzipiert, dass es die wichtigsten Funktionen automatisch priorisierte. Anstatt vollständig abzustürzen, verwarf der Rechner unnötige Aufgaben und setzte die Steuerung des Raumfahrzeugs fort.

Zurück in der Missionskontrolle analysierte der Computerspezialist Jack Garman die Alarme und teilte dem Flugleiter Gene Kranz mit, dass die Landung sicher fortgesetzt werden könne. Durch das vorausschauende Software-Design des AGC landeten die Astronauten Neil Armstrong und Buzz Aldrin erfolgreich auf der Mondoberfläche. Dieser Moment war eines der frühesten Beispiele für fehlertolerante Datenverarbeitung in der Praxis.

Ein weiterer Aspekt des AGC war die Art und Weise, wie sein Speicher hergestellt wurde. Der Nur-Lese-Speicher (Kernspeicher) wurde buchstäblich von Hand hergestellt. Winzige Drähte wurden durch Magnetkerne gefädelt, um binäre Daten darzustellen. Wenn ein Draht durch einen Kern verlief, stellte er eine Eins dar; wenn er den Kern umging, stellte er eine Null dar. Fachkräfte, von denen viele Frauen waren, die in textilähnlichen Montageprozessen beschäftigt waren, „webten“ so die Software physisch in den Speicher ein. Diese ungewöhnliche Methode erzeugte einen äußerst zuverlässigen Speicher, der den rauen Bedingungen der Raumfahrt standhalten konnte.

Basis für zukünftige Raumfahrzeuge

Der AGC beeinflusste auch das zukünftige Design von Raumfahrzeugen. Von ihm eingeführte Konzepte tauchten später im Space Shuttle und in modernen Luftfahrtsystemen auf. Echtzeitbetriebssysteme, digitale Fly-by-Wire-Steuerung und kompakte Embedded-Computer verdanken alle etwas den Neuerungen, die während der Apollo-Ära entwickelt wurden.

Heute werden erhaltene AGC-Einheiten in Museen ausgestellt und von Historikern und Entwicklern untersucht. Der Rechner bleibt ein Symbol für menschlichen Einfallsreichtum. Obwohl er nur einen Bruchteil der Leistungsfähigkeit moderner Geräte besaß, brachte er Astronauten sicher in eine andere Welt. Sein Erfolg bewies, dass fortschrittliche Computertechnik kompakt, zuverlässig und unter extremen Bedingungen einsetzbar sein kann.

Mehr als fünfzig Jahre nach Apollo 11 inspiriert der AGC weiterhin Informatiker und Luft-/Raumfahrttechniker. Er erinnert daran, dass der technische Fortschritt nicht nur durch reine Rechenleistung definiert wird, sondern auch durch Kreativität, Effizienz und Zuverlässigkeit.

Der Apollo Guidance Computer war nicht bloß eine Maschine; er war eine der Schlüsselerfindungen, die die ersten Schritte der Menschheit jenseits der Erde ermöglichten. (kr)

* Holger Heller ist freier Autor.

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