Die 90er Jahre: Die digitale Explosion

Eigentlich war doch „schon alles erfunden“ – oder etwa nicht? Es gab die CD, also Musik in digital. Es gab – hüstel – die totgeborene Bildplatte, eine Art Riesen-Noncompact-Disk mit digitalisiertem Video drauf. Selbst das Fernsehen rauschte nun digitalisiert von Satelliten auf die Erde. Waren also die 90er nur weiterentwickelte 80er? Beileibe nicht: Die Digitalisierung begann nun alles und jedes zu umfassen. Und dies war etwas, das einen massiven, qualitativen Unterschied machte.

Erinnern wir uns

Ende der 80er war der „sozialistische Ostblock“ zusammengebrochen und hatte sich neu konstituiert. Das war nicht alles, was die Menschheit im letzten Jahrzehnt des zweiten Jahrtausends bewegte, denn der Mikroprozessor war nicht nur längst erfunden, sondern es gab schon einige Jahre leistungsfähige Exemplare (Bild 1), die in ein Blechkleid gehüllt zu PCs mutierten, welche plötzlich überall anzutreffen waren.

Kaum ein Elektroniker, der in den 90ern keinen beruflichen oder privaten Kontakt mit einem PC hatte oder keinen PC sein Eigen nannte.

Bild 2 zeigt das damals von mir aufgebaute psychologische Experimental-Labor Ende der 90er Jahre, als sogar die nun flach gewordenen Bildschirme zum Teil aus Halbleitern bestanden. Die (Braunsche) Röhre hatte endlich auch im letzten verbliebenen Segment ihre Daseinsberechtigung verloren. Außerdem wurden wirkliche tragbare Computer möglich, aus Schlepptops wurden echte Laptops bzw. Notebooks mit LC-Bildschirmen (Bild 3).

Auch auf die Industrie hatten die 90er Jahre einen nicht zu unterschätzenden Einfluss, denn nicht nur Experimente oder (Kern-)Kraftwerke wurden komplett elektronisch gesteuert, sondern zunehmend ganze Fabriken. Die sogenannte Prozess- oder Industrieautomation machte die Produktion von Gütern effizienter, schneller und preiswerter. Was in den 90ern begann zeigt sich heute eindrucksvoll: Wer schon einmal eine moderne Autofertigung besucht hat, staunt über große Hallen voller Roboter und anderer technischer Systeme – wobei nur wenige Menschen zu sehen sind.

Kleinstcomputer

Außerdem gab es Mikrocontroller (Bilder 4 und 5), welche komplexe Elektronik vereinfachten oder gar erst möglich machten, aber lötkolbenfreie Entwicklung verlangten: Der Elektroniker musste lernen zu programmieren. Mikrocontroller wurden nicht nur für digitale Steuerungen eingesetzt, sondern zunehmend auch für alles, was mit Messen und Testen zu tun hatte. Analoge Signale wurden digitalisiert, berechnet, verarbeitet und auch wieder ins analoge Format zurückverwandelt. Nichts konnte diese kleinen Stücke Silizium aufhalten. Kaum auf der Welt, wurden sogar Autos davon befallen. In den 90ern verschwand z.B. die Erzeugung von Zündfunken durch elektromechanische Kontakte in Kombination mit Spulen. Es gab jetzt „Steuergeräte“, die in ihren Speichern Kennlinien für den optimalen Verbrenner-Betrieb enthielten. Man konnte damals schon voraussehen, dass es bald kein Gerät mehr ohne Mikrocontroller und bald wesentlich mehr MCUs als Menschen auf dieser unserer Erde geben würde, was nun längst der Fall ist.

Ich selbst habe 1994 sogenannte BASIC-Briefmarken zur millisekundengenauen Steuerung von LCD-Shuttern eingesetzt, die schnell wechselnde Bilder von zwei Projektoren für Experimente zur sogenannten subliminalen optischen Wahrnehmung emotionaler Reize produzierten, weil das damit so schön einfach ging und leicht änderbar war. Die moderneren RISC-Mikrocontroller von Atmel kamen erst etwas später auf den Markt. Der Chip AT90S8515 in Bild 5 war gewissermaßen der Großvater der ATmega-MCUs, welchen den Arduino-Boom einläuteten.

Funk

War das alles? Prägten lediglich CPUs und MCUs die 90er Jahre? Beileibe nicht, denn es kommt drauf an, was man damit macht, wie noch deutlich wird. Der dritte treibende Faktor war die Implementierung digitaler Funknetzwerke. Zwar gab es Funktelefonie in den Industrieländern damals schon seit Jahrzehnten, aber die zugrundeliegende Technik war analog. Das ließ nur vergleichsweise wenig Nutzer zu und machte die Technik und ihren Betrieb teuer. Funktelefone waren in den 80ern schwer, unhandlich und als „Autotelefon“ eher ein luxuriöses Statussymbol. Das wurde durch die Einführung von GSM-Netzen in Europa und CDMA in den USA anders. Diese zellulären, digitalen Netzwerke erlaubten dank Datenkompression, digitaler Übertragung und automatischer Vermittlung viele parallele Gespräche im gleichen Frequenzraum zu niedrigen Kosten. Winzige digitale Chips ermöglichen kleine Geräte und Mobiltelefone aka Handys (Bild 6) wurden ein Produkt für die Massen. Auch die fortschreitende Verpackung von passiven Bauteilen als SMDs spielte hier eine große Rolle. 1992 gab es das erste betriebsbereite D-Netz der Telekom in Deutschland und ähnliche in den anderen europäischen Ländern und der USA. Bald war die erste „elektronische Kommunikation“ per SMS möglich.

Was das – abgesehen von der technischen Basis – mit Elektronik zu tun hat? Funknetze sind heute grundlegend für das Internet der Dinge. Sehr viele moderne technische Geräte sind heute per Funk ans Internet angebunden. Man wundert sich schon fast, dass ein Bierkasten nicht von selbst Nachschub bestellt, bevor er leer wird. All diese aktuellen Entwicklungen basieren auf Funktechniken und Übertragungsstandards, die in den 90ern geschaffen wurden.

Kommunikation

Und es gab noch mehr Kommunikation: Mit dem Internet kam die E-Mail, beides zunächst ab Anfang der 1990er Jahre nur in Universitäten, aber kurz danach für alle zugänglich. Fast zeitgleich mit den ersten GSM-Netzen erschien HTML – das World Wide Web war geboren. Letzteres dürfte nicht nur für Elektroniker, sondern eher noch für die ganze Menschheit der zentrale Meilenstein der 1990er Jahre gewesen sein, denn die dadurch angestoßenen Veränderungen dauern immer noch an.

Das moderne Internet ist natürlich nicht ohne die Fortschritte der Computertechnik denkbar und diese fußen selbstverständlich auf den Errungenschaften der Halbleiterfertigung bzw. der immer weiter fortscheitenden Miniaturisierung. Im Rückblick gehört daher das letzte Jahrzehnt des 20. Jahrhunderts ganz sicher zu den wichtigsten Zeitabschnitten mit dem größten Einfluss auf die Geschichte des Menschen.

Das Internet im heutigen modernen Sinne war, wie schon erwähnt, zunächst etwas für Universitäten. Zum Vergleich mit heutigen Datenraten: 1993 war die gesamte Uni Marburg mit einer 2-Mbit/s-Leitung ans weltweite Internet angebunden. Die erste Webseite der deutschen Niederlassung von Apple verfügte damals über die Kapazität von zwei ISDN-Kanälen, also 128 kbit/s. Privates Internet wurde zu Anfang der 1990er noch im Minutentakt abgerechnet und erfolgte typischerweise via Modem über die Telefonleitung ab 9.600 bd. Bild 7 zeigt ein schon leicht schnelleres Exemplar mit immerhin 14.400 bd und Faxfunktion. Millennials können sich sicher nicht einmal mehr vorstellen, was ein Fax sein soll, oder?

In Deutschland wurde ab etwa 1990 auf ein digitalisiertes Telefonnetz gesetzt, das stark von der Telekom beworben wurde. Auf einer einzigen Telefonleitung wurden mit ISDN zwei (Sprach-)Kanäle mit je 8 bit Auflösung bei einem Takt von 8 kHz geboten. Diese Kanäle eigneten sich auch zur Datenübertragung und konnten gebündelt werden. In der letzten Hälfte der 90er Jahre leistete ich mit so einen ISDN-Anschluss samt über einen Router angebundenem ISDN-Modem für meine zwei Rechner. Damit zählte ich sicherlich zu den „early adopters“, denn der private Internet-Anschluss setzte sich breit erst im nächsten Jahrzehnt durch.

In den 1990ern waren übrigens viele Firmen und Universitäten in Europa per Koaxialkabel vernetzt. An einem Kabel hingen dann viele PCs mit T-Stücken und Stichleitungen mit BNC-Steckern. Die frühen Ethernet-Karten wie die in Bild 8 boten oft sogar „beides“: BNC und die praktischere RJ45-Buchse für Sternverkabelung per Hub.

Die Basis: Chips

Die Grundlage der rasanten technischen Entwicklung in den 90ern bildeten die enormen Fortschritte in der Miniaturisierung von Halbleiterstrukturen. Moore‘s Law [1] kam damals schon in vierte Jahrzehnt; Moore behielt recht mit seiner Prognose, dass sich die Komplexität von ICs – gemessen in Transistoren pro Chip – etwa alle zwei Jahre verdoppeln sollte (siehe Bild 9). Noch erstaunlicher ist, dass sein Gesetz selbst heute immer noch gilt. Von anfänglichen etwa 100 Transistoren in 1965 sind wir heute bei modernen Intel- und AMD-CPUs fast bei 10 x 10⁹ = zehn Milliarden Transistoren angelangt. Das ist eine Steigerung um den Faktor 100 Millionen in 55 Jahren. Wenn das nicht fantastisch ist, was dann?

Um solche Steigerungen zu realisieren sind immer kleinere Strukturen bei der Halbleiterfertigung notwendig (siehe Bild 10). Längst belichtet man die Silizium-Wafer nicht mehr mit sichtbarem Licht, sondern sehr aufwändig mit sehr viel kurzwelligerem Licht über EUV-durchlässige Keramiklinsen. Eine Leiterbahn kann heute gerade mal eine Handvoll Atomlagen breit sein. In den 90ern hingegen war High-Tech im sogenannten Submikron-Bereich noch viel einfacher mit konventionellerer Technik herstellbar, weshalb es damals noch mehr Chip-Fabriken (=Konkurrenz) als heute gab.

Wichtig bei all diesen Fortschritten ist sicher die immer größere Rechenleistung – 1999 wurde mit dem Athlon von AMD immerhin zum ersten Mal die Marke von 1 GHz Takt geknackt. Nicht weniger wichtig aber ist der relativ zu Rechenleistung immer geringere Energieverbrauch. Die Mikrocontroller der 90er hatten schon einen Sleep-Mode mit Stromaufnahmen im µA-Bereich, der sie für Batteriebetrieb und gleichzeitig für die Eroberung vieler Geräte bereit machte.

Und was änderte sich für Elektroniker?

Diese Frage kann ich gut mit meinen persönlichen Erfahrungen beantworten. Schleppte ich in den 80ern noch bei jedem Umzug eine mehre laufende Meter messende Bibliothek mit hunderten wertvollen Datenblättern, Datenbüchern und Elektronik-Literatur sowie zig Jahrgänge der Zeitschrift Elektor ;-) durch die Gegend, was bei Umzügen zu diversen Flüchen Anlass gab, war das Gewichts- und Platzproblem in den 90ern plötzlich verschwunden. Eines Tages beschloss ich nämlich, alles „Unwichtige“ zu Altpapier zu degradieren und zur Deponie zu bringen – mit Ausnahme von Elektor und dem Tietze-Schenk versteht sich. Unwichtig übersetzt sich hier mit „steht ja eh im Internet“.

Beim Entwickeln von elektronischen Schaltungen konnte ich mir die notwendigen Datenblätter direkt vom Hersteller herunterladen. Das Durchsuchen nach relevanter Info ging nun blitzartig. Und Entwickeln hieß nun nicht mehr nur Schaltpläne per Hand, sondern mit entsprechender CAD-Software zeichnen. Endlich bekam ich auch ansehnliche Platinen-Layouts mit Computer-Hilfe zustande. Außerdem gab es erste Schaltungs-Simulatoren und weitere Tools, die das Leben vereinfachten, die Arbeit produktiver und weniger nervig gestalteten. Anfang der 90er bekam ich Texte und Bilder noch auf Diskette von Elektor geschickt, und nach Bearbeitung gingen sie wieder per „snail mail“ auf die Rückreise (wenn es schnell gehen musste, wurde gefaxt). Ende der 1990er ging alles viel schneller und eleganter per E-Mail-Attachment. Und als ich dann auch noch kurz vor der Jahrtausendwende meinen klobigen 19“-Röhrenmontor gegen ein 17“-LCD-Exemplar mit unglaublichen und knackscharfen 1.280 x 1.024 Pixel austauschte, glaubte ich mich fast im Elektroniker-Himmel. Was konnte jetzt noch besser werden?

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Dr. Thomas Scherer absolvierte zunächst eine Lehre als „Fernmelder” und arbeitete dann ab 1980 in der Elektor-Redaktion. Nach einem Studium der Psychologie und einigen Jahren in der Grundlagenforschung ist er nun schon seit Jahrzehnten als freier Autor für Elektor tätig. Er hat ein großes Elektronik-Labor und interessiert sich für so ziemlich alles, was mit Strom zu tun hat.

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Elektor in den 90ern

Damit Sie einen Eindruck bekommen, was damals in Elektor so los war und wie sich Themen und Elektronik veränderten, finden Sie nachfolgend eine Liste mit zehn ausgewählten Elektor-Artikeln aus dieser Zeit:

• Selbstbauplotter Mondrian II (Elektor 1/1990): Das Jahrzehnt startete mit dem Selbstbau eines Peripheriegeräts für den nun fast selbstverständlichen PC. Dieser Plotter verfügt über einen X-Antrieb per Spindel und einen Y-Antrieb per Rolle. In der Z-Achse werden normale Stifte auf das Papier gedrückt. Das Titelbild der Januar-Ausgabe 1990 enthält auch einen Hinweis auf einen Grundlagen-Artikel zu Speicherprogrammierbaren Steuerungen.
• Echtzeituhr für Atari-ST (Elektor 10/1991): Neben IBM-kompatiblen PCs erfreuten sich zu Anfang der 90er noch diverse sogenannte Heimcomputer großer Beliebtheit. Einer davon war der Atari ST auf Basis des 68k-Prozessors von Motorola. Kaum zu glauben: Nach jedem Einschalten musste man die Zeit und das Datum manuell einstellen, sonst hatten gesicherte Dateien den falschen Zeit/Datums-Stempel. Um dem abzuhelfen gab es von Elektor im Oktober 1991 eine Echtzeit-Uhr zum Selberbauen.
• 20 bit Audio-DAC (1992) (Elektor 10/1992): Selbstverständlich war nicht alles Computertechnik, was in den 90ern in Elektor erschien. Auch High-End-Audio war immer wieder Thema. Hier in digitalisierter Form: Ein externer Audio-DAC bot dank 20 bit Auflösung wesentlich bessere technische Eigenschaften als die integrierten Ausgangsstufen z.B. in CD-Playern: Mit Verzerrungen von nur 0,002 % und einem Rauschabstand von >115 dB wusste dieses Selbstbaugerät zu beeindrucken.
• Monochrom-Bildschirm-Adapter (Elektor 12/1993): Es muss nicht immer alles kompliziert sein. 1993 waren vielfach noch monochrome Monitore verbreitet. Sie waren oft nur an den Grün-Pin eines PC mit „VGA“-Video-Ausgang angeschlossen, das analoge RGB-Signale lieferte, was zu einer schlechten Darstellung der Graustufen führte. Aus meiner Feder gab es in der Dezember-Ausgabe Abhilfe: Ein simpler Monochrom-Adapter aus sechs Widerständen, der dank gewichteter Addition der RGB-Signale für ein besseres Bild sorgte.
• PIC-Programmer (Elektor 3/1994): Was heute dank integrierter Bootloader etc. kein Problem mehr ist, war früher teuer, denn für die Mikrocontroller brauchte man in den 90ern noch extra Programmer, um die selbstgeschriebene Firmware in den Flash-Speicher der MCU zu schieben. Im März 1994 wurde ein solcher Programmer für PIC-MCUs von Microchip zun Selbstbau beschrieben.
• Modem-Testset (Elektor 7/1995): 1995 war die Internetanbindung per Modem noch der Normalfall. Blitzschläge oder der Mensch vor dem Bildschirm konnten da unsicher machen, ob das Modem wirklich „noch tut“. Um Modems zu testen, brauchte es gar nicht so viel Aufwand, wie dieser Artikel aus dem Halbleiterheft beweist.
• 64-Kanal-Logik-Analyser (Elektor 5/1996): Beim Entwickeln digitaler Schaltungen mit MCUs und CPUs kann man leicht den Überblick über die Daten und Fehlerquellen verlieren. Hilfreich ist hier ein Logik-Analyser, der die Pegel viele paralleler Digitalsignale aka Bus gleichzeitig erfasst. Elektor präsentierte im Mai 1996 ein 64-Kanal-Gerät (Bild 17) mit bis zu 50 MHz Bandbreite für den Selbstbau.
• Elektronisches Heinzelmännchen (Elektor 12/1997): Unter diesem merkwürdigen Titel erschien zu Weinachten 1997 eine kleine Platine mit Quarz, auf die ein damals hochmoderner „RISC-Mikrocontroller“ des Typs AT90S1200 der Firma Atmel aufgesteckt werden konnte. An der Unterseite waren Pins im 1/10“-Raster angebracht, damit man das kleine Board überall als Universal-Controller einsetzen konnte.
• Intelligenter IC-Tester (Elektor 3/1998): Wer immer noch auf Kriegsfuß mit Mikrocontroller stand, konnte sich mit diesem IC-Tester vom März 1998 davon überzeugen lassen, was mit einer MCU alles möglich ist. Konventionell mit „diskreten“ Logik-ICs wäre es kaum möglich, so viele verschiedene ICs auf Funktion zu testen und die Resultate per LCD anzuzeigen.
• Viele Themen und Beiträge: Beim Jahrgang 1999 kann man sich wie oft gar nicht richtig entscheiden, welches denn das typischste Projekt für diese Zeit darstellt. Geradezu prototypisch für das Ende dieses Jahrzehnts erschien mir die Inhaltsseite von Elektor Oktober 1999 mit den Highlights, welche die wichtigen Themen zu dieser Zeit repräsentieren. DSL beginnt wichtig zu werden. Es gibt Infos zum CAN-Bus. Neben Mikrocontrollern kommt auch HF nicht zu kurz. Eine komplette Platine mit Hard- und Software für Schrittmotoren ist beschrieben. Selbst der 1000ste Akkulader durfte nicht fehlen.