Von den Transistoren bis hin zu den Touchscreens sind die Erfindungen, die das digitale Leben möglich gemacht haben, älter, seltsamer und umstrittener, als die meisten Menschen denken.
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Das digitale Zeitalter hat einen Schöpfungsmythos, und wie die meisten Schöpfungsmythen ist er teilweise wahr und größtenteils unvollständig. In der populären Version beschworen eine Handvoll visionärer Gründer – Jobs, Gates, Zuckerberg, Bezos – die digitale Welt durch eine Kombination aus Genie und Willen herauf, arbeiteten in Garagen und Wohnheimen und veränderten alles. Diese Geschichte ist nicht genau falsch. Es fehlt nur etwa ein Jahrhundert an vorheriger Arbeit, ohne die keine dieser Garagen etwas Interessantes zu bieten gehabt hätte.
Das digitale Zeitalter wurde nicht von Gründern aufgebaut. Es wurde von Erfindern, Ingenieuren, Mathematikern und staatlich geförderten Forschern aufgebaut, die jahrzehntelang in Universitäten, militärischen Laboratorien und Unternehmensforschungsabteilungen an Problemen arbeiteten, die oft erst viele Jahre nach ihrer Lösung als bedeutend erkannt wurden. Der Transistor wurde 1947 von drei Physikern bei Bell Labs erfunden, die an einem Materialproblem arbeiteten. Das Internet entstand aus einem Kommunikationsprojekt des Verteidigungsministeriums. Das GPS-System wurde entwickelt, um Atom-U-Boote zu führen. Der Touchscreen wurde in den 1960er Jahren von einem Doktoranden in Michigan entwickelt. Keiner dieser Menschen beabsichtigte, das digitale Zeitalter aufzubauen. Sie wollten ein spezifisches Problem lösen, und das digitale Zeitalter sammelte sich um ihre Lösungen.
Diese Liste umfasst 25 Erfindungen, die wirklich notwendig waren, damit die digitale Welt existieren kann – keine Erfindungen, die zufällig während der digitalen Ära stattfanden, sondern Erfindungen, ohne die die spezifische Form des zeitgenössischen digitalen Lebens unmöglich oder grundlegend anders wäre. Einige sind Hardware: der Transistor, die Festplatte, das Glasfaserkabel. Einige sind Software: das Betriebssystem, die relationale Datenbank, der Suchalgorithmus. Einige sind Protokolle und Standards: TCP/IP, das World Wide Web, Wi-Fi. Einige sind Geräte: das Smartphone, der Laptop, die Digitalkamera.
Sie werden in etwa in der Reihenfolge präsentiert, in der die grundlegenden Ideen entwickelt wurden, obwohl viele sich überschneiden und die Grenzen zwischen ihnen durchlässig sind. Der Transistor ermöglichte den Mikrochip, der den Personal Computer ermöglichte, der das Internet als Massenmarkt-Phänomen ermöglichte, das alles, was danach kam, ermöglichte. Die Abhängigkeitskette ist lang, und das Ziehen an einem Glied ändert alles nachfolgende.
Der Transistor ist die grundlegende Komponente des digitalen Zeitalters – die Erfindung, aus der fast alles andere auf dieser Liste direkt oder indirekt folgt. Ohne den Transistor gibt es keinen Mikrochip. Ohne den Mikrochip gibt es keinen Personal Computer. Ohne den Personal Computer gibt es kein Internet als Massenphänomen. Der Transistor ist die erste Ursache der digitalen Welt.
Er wurde im Dezember 1947 in den Bell Laboratories in Murray Hill, New Jersey, von einem Team aus drei Physikern erfunden: John Bardeen, Walter Brattain und William Shockley. Die drei erhielten 1956 den Nobelpreis für Physik. Was sie bauten, war ein Festkörpergerät – aus Germanium, später aus Silizium – das elektronische Signale verstärken oder schalten konnte, ohne die Hitze, Fragilität und den Umfang der Elektronenröhren, die zuvor dieselbe Funktion erfüllten.
Die Elektronenröhre hatte frühes elektronisches Rechnen möglich gemacht. ENIAC, der erste universelle elektronische Computer, der 1945 fertiggestellt wurde, verwendete etwa 18.000 Elektronenröhren. Er nahm 167 Quadratmeter ein, wog 30 Tonnen und verbrauchte 150 Kilowatt Strom. Er fiel durchschnittlich alle zwei Tage aus, weil Elektronenröhren durchbrannten. Der Transistor ersetzte die Elektronenröhre durch ein Gerät, das kleiner, schneller, kühler, zuverlässiger und billiger zu produzieren war – und das dann in den folgenden sieben Jahrzehnten immer kleiner, schneller, kühler, zuverlässiger und billiger wurde, in einer Entwicklung, die als Moore'sches Gesetz bekannt wurde.
Das erste kommerzielle Transistorradio, das Regency TR-1, erschien 1954. In den 1960er Jahren wanderten Transistoren von der Unterhaltungselektronik in die Computertechnik. In den 1970er Jahren wurden sie zu Tausenden auf Siliziumchips geätzt. Heute enthält ein moderner Prozessor Dutzende Milliarden Transistoren auf einem Chip von der Größe eines Fingernagels. Das Gerät, das Bardeen und Brattain 1947 mit einer Büroklammer, einem Stück Germanium und einem Streifen Goldfolie von Hand zusammenbauten, wurde in den folgenden Jahrzehnten um den Faktor Dutzende Milliarden skaliert. Kein anderes technisches Objekt hat sich in einem auch nur annähernd vergleichbaren Tempo verbessert.
Der Transistor gab dem digitalen Zeitalter seine grundlegende Komponente. Der gespeicherte Programmcomputer gab ihm seine grundlegende Architektur – die Idee, dass ein Computer sowohl die Daten, die er verarbeitete, als auch die Anweisungen zur Verarbeitung dieser Daten im selben Speicher speichern könnte, wodurch die Maschine umprogrammiert werden konnte, ohne physisch neu verdrahtet zu werden. Diese Idee, die heute so offensichtlich erscheint, dass sie kaum bemerkenswert ist, war in den 1940er Jahren wirklich revolutionär und bleibt das architektonische Fundament praktisch jedes existierenden Computing-Geräts.
Das Konzept wird am engsten mit John von Neumann assoziiert, dessen Entwurf eines Berichts über den EDVAC-Computer von 1945 eine Maschine beschrieb, die um eine zentrale Verarbeitungseinheit, eine Speichereinheit, die sowohl Anweisungen als auch Daten speicherte, und Eingabe-/Ausgabemechanismen organisiert war. Die daraus resultierende „von Neumann-Architektur“ – oder genauer gesagt, die Arbeit des breiteren Teams an der University of Pennsylvania, für das von Neumann als Berater tätig war – wurde in den folgenden acht Jahrzehnten zur Vorlage für das Computerdesign.
Vor dem Konzept des gespeicherten Programms waren Computer entweder fest programmierte Maschinen, die für eine einzige Berechnung entworfen wurden, oder umprogrammierbare Maschinen, die eine physische Neuverdrahtung erforderten, um ihre Funktion zu ändern. Der ENIAC zum Beispiel wurde umprogrammiert, indem Kabel umgesteckt und Schalter zurückgesetzt wurden – ein Vorgang, der Tage dauern konnte. Eine Maschine mit gespeichertem Programm konnte in Sekunden mit einem neuen Satz von Anweisungen versehen werden, indem einfach ein anderes Programm in den Speicher geladen wurde.
Die praktische Konsequenz war, dass eine einzige allgemeine Maschine eine unbegrenzte Vielzahl von Aufgaben ausführen konnte – Arithmetik, Textverarbeitung, Simulation, Kommunikation –, je nachdem, welches Programm geladen war. Diese Allgemeinheit machte den Computer zu einem universellen Werkzeug anstelle eines spezialisierten Instruments und ist die Eigenschaft, die es dem Computing erlaubt hat, in jeden Bereich menschlicher Aktivität einzudringen, von der Wissenschaft über Unterhaltung bis hin zu Handel und Medizin. Der gespeicherte Programmcomputer ist der Grund, warum ein Gerät, das in Ihre Tasche passt, gleichzeitig als Telefon, Kamera, Karte, Bank und Bibliothek funktionieren kann.
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Die integrierte Schaltung – der Mikrochip – löste ein Problem, das der Transistor geschaffen hatte. Einzelne Transistoren waren klein und zuverlässig, aber der Bau komplexer elektronischer Schaltungen erforderte die manuelle Verbindung von Tausenden von ihnen mit Drähten, ein Prozess, der langsam, teuer und an den Verbindungspunkten mit eigenen Zuverlässigkeitsproblemen behaftet war. Es wurde eine Möglichkeit benötigt, nicht nur einzelne Transistoren, sondern ganze Schaltungen – Transistoren, Widerstände, Kondensatoren und die Verbindungen zwischen ihnen – als eine einzige integrierte Einheit herzustellen.
Zwei Erfinder kamen unabhängig und fast gleichzeitig zur Lösung. Jack Kilby von Texas Instruments $TXN demonstrierte im September 1958 den ersten funktionierenden integrierten Schaltkreis, der auf einem Stück Germanium aufgebaut war. Robert Noyce von Fairchild Semiconductor entwickelte Anfang 1959 eine praktischere Version unter Verwendung von Silizium und einem planaren Herstellungsprozess. Der Patentstreit zwischen ihnen dauerte Jahre; beide werden nun als Miterfinder anerkannt. Kilby erhielt im Jahr 2000 den Nobelpreis für Physik – Noyce war 1990 verstorben und Nobelpreise werden nicht postum verliehen.
Der Mikrochip machte es möglich, elektronische Schaltungen im industriellen Maßstab zu fertigen, wobei sich die Anzahl der Komponenten pro Chip ungefähr alle zwei Jahre verdoppelte, als sich die Herstellungsprozesse verbesserten. Gordon Moore, Mitbegründer von Intel $INTC, beobachtete dieses Muster 1965 und sagte voraus, dass es anhalten würde – eine Vorhersage, die als Moores Gesetz bekannt wurde und sich in den folgenden fünf Jahrzehnten mit bemerkenswerter Genauigkeit hielt.
Die Konsequenzen dieser Skalierung waren nicht nur quantitativ. Irgendwann – ungefähr in den 1970er Jahren – überschritt die Dichte der Komponenten auf einem Chip eine Schwelle, bei der Computer klein genug, billig genug und leistungsfähig genug wurden, um als persönliche Werkzeuge und nicht als gemeinsame institutionelle Ressourcen genutzt zu werden. Der Mikrochip ist das, was den Personal Computer möglich machte, und der Personal Computer ist das, was das digitale Zeitalter zu einem Massenphänomen und nicht zu einem spezialisierten machte.
Hardware ohne Software ist ein teurer Briefbeschwerer. Das Betriebssystem – die Software-Ebene, die die Hardware-Ressourcen eines Computers verwaltet und eine Plattform bietet, auf der Anwendungsprogramme ausgeführt werden können – ist die Erfindung, die die beiden verbindet, und seine Entwicklung in den 1950er und 1960er Jahren war ebenso bedeutend für die praktische Nutzbarkeit von Computern wie jeder Hardware-Fortschritt.
Frühe Computer hatten keine Betriebssysteme. Jedes Programm wurde direkt auf die Hardware geladen, verwaltete seinen eigenen Speicher und seine Ein-/Ausgabeoperationen und hinterließ die Maschine in dem Zustand, in dem sie sich beim Abschluss befand. Das Ausführen eines zweiten Programms erforderte das manuelle Zurücksetzen der Maschine. Die Ineffizienz war enorm – teure Maschinen standen zwischen den Aufgaben still, während die Bediener den Übergang physisch handhabten.
Die ersten Betriebssysteme waren Stapelverarbeitungssysteme, die es ermöglichten, Programme zu stapeln und nacheinander ohne menschliches Eingreifen zwischen den Aufgaben auszuführen. Zeitsysteme, die Anfang der 1960er Jahre am MIT und anderswo entwickelt wurden, gingen noch weiter – sie erlaubten es mehreren Benutzern, gleichzeitig mit einem einzelnen Computer zu interagieren und jedem die Illusion zu geben, die Maschine für sich allein zu haben. Die kommerzielle Umsetzung der Zeitteilung war der erste Moment, in dem Computer zu interaktiven Werkzeugen wurden und nicht zu Stapelverarbeitern, und es änderte das Gefühl, wie sich die Nutzung von Computern anfühlte.
Die Betriebssysteme, die das PC-Zeitalter prägten – CP/M, MS-DOS, die Macintosh-Systemsoftware und schließlich Windows und Unix/Linux – übersetzten die Hardwarefähigkeiten von Mikrochips in Umgebungen, in denen sich Nicht-Spezialisten zurechtfinden konnten. Die grafische Benutzeroberfläche, das Dateisystem, das Konzept einer Anwendung – all dies sind Eigenschaften von Betriebssystemen und nicht von Hardware. Die Entscheidung von IBM $IBM, MS-DOS von Microsoft $MSFT für seinen PC zu lizenzieren, anstatt ein proprietäres Betriebssystem zu entwickeln, gab Microsoft eine Plattform, von der aus es das kommerziell erfolgreichste Softwareunternehmen des 20. Jahrhunderts aufbaute.
Das Internet, das Milliarden Menschen täglich nutzen, entstand aus einem Forschungsnetzwerk namens ARPANET, das von der Advanced Research Projects Agency des US-Verteidigungsministeriums finanziert wurde und erstmals im Oktober 1969 betrieben wurde. Das anfängliche Netzwerk verband vier Knoten: die University of California Los Angeles, das Stanford Research Institute, die University of California Santa Barbara und die University of Utah. Die erste über das Netzwerk übertragene Nachricht am 29. Oktober 1969 war „lo“ – der Anfang von „login“, bevor das System abstürzte.
Das ARPANET wurde um ein Konzept namens Paketvermittlung herum aufgebaut, das unabhängig voneinander von Paul Baran bei der RAND Corporation und Donald Davies am National Physical Laboratory in Großbritannien in den frühen 1960er Jahren entwickelt wurde. Anstatt eine dedizierte Leitung zwischen Sender und Empfänger aufzubauen – wie es die Telefonnetze taten – zerlegte die Paketvermittlung Nachrichten in diskrete Teile, sendete jedes Teil unabhängig durch den verfügbaren Netzwerkkanal und setzte sie am Zielort wieder zusammen. Der Ansatz war effizienter, widerstandsfähiger und skalierbarer als die Leitungsvermittlung und wurde zur grundlegenden Architektur des Internets.
Der strategische Grundgedanke des ARPANET war die Kommunikationsresilienz – ein Netzwerk, das den Verlust eines beliebigen Knotens überleben konnte, was in einem Kalten Krieg, in dem ein Atomangriff auf spezifische Kommunikationsinfrastruktur eine echte Bedrohung darstellte, relevant war. Ob dies die primäre Motivation oder eine nachträgliche Rechtfertigung für eine Forschungsinitiative war, wird von Historikern diskutiert. Unumstritten ist jedoch, dass die technische Architektur, die für das ARPANET entwickelt wurde – Paketvermittlung, verteiltes Routing, offene Protokolle – sich als genau das richtige Fundament für ein globales Kommunikationsnetzwerk erwiesen hat, das niemand speziell geplant hatte.
Das ARPANET wurde 1990 stillgelegt, zu einem Zeitpunkt, als das von ihm gesäte Internet weit über jedes Regierungsnetzwerk hinausgewachsen war. Der Übergang vom ARPANET zum modernen Internet war kein einzelnes Ereignis, sondern ein schrittweiser Transfer von Infrastruktur, Protokollentwicklung und Verwaltung von staatlichen und akademischen Institutionen zu kommerziellen Betreibern – ein Übergang, dessen Auswirkungen noch immer ausgearbeitet werden.
Das ARPANET schuf ein Netzwerk. TCP/IP – das Transmission Control Protocol und das Internet Protocol, entwickelt von Vint Cerf und Bob Kahn und erstmals in einem 1974 veröffentlichten Papier beschrieben – schuf die Regeln, die es verschiedenen Netzwerken ermöglichten, miteinander zu kommunizieren und eine Sammlung separater Netzwerke zu einem einzigen, miteinander verbundenen Ganzen zu machen. TCP/IP ist der Grund, warum eine Nachricht, die von einem Computer in Manila gesendet wird, einen Server in Frankfurt erreichen kann, ohne dass eines der beiden Enden etwas über die dazwischenliegende Infrastruktur wissen muss, durch die sie geleitet wird.
Die beiden Protokolle teilen sich die Arbeit der Internetkommunikation. IP kümmert sich um Adressierung und Routing – es gibt jedem Gerät im Netzwerk eine eindeutige Adresse und bestimmt den Pfad, den Datenpakete von der Quelle zum Ziel nehmen. TCP kümmert sich um die Zuverlässigkeit – es stellt sicher, dass Pakete in der richtigen Reihenfolge ankommen, fordert die erneute Übertragung verlorener Pakete an und verwaltet den Datenfluss, um Netzwerküberlastung zu verhindern. Zusammen bieten sie eine universelle Kommunikationsschicht, auf der jede Anwendung – E-Mail, Dateitransfer, das Web, Videostreaming – aufgebaut werden kann.
Die Entscheidung, TCP/IP zu einem offenen, nicht proprietären Standard zu machen – verfügbar für jedes Netzwerk zur Implementierung ohne Lizenzgebühren – war die folgenreichste Designentscheidung in der Geschichte des Internets. Es bedeutete, dass jeder Netzwerkbetreiber, egal wo auf der Welt, einfach durch die Implementierung der Protokolle eine Verbindung zum Internet herstellen konnte, ohne dass eine Erlaubnis von einer zentralen Behörde erforderlich war. Diese Offenheit führte in den 1980er und 1990er Jahren zu dem explosiven, dezentralen Wachstum des Internets, als Universitäten, Forschungseinrichtungen, Regierungsbehörden und schließlich kommerzielle Internetdienstanbieter alle mit derselben Protokollschicht verbunden wurden.
Cerf und Kahn erhielten 2005 die Presidential Medal of Freedom und 2004 den Turing Award – das Äquivalent des Nobelpreises für Informatik. Die Protokolle, die sie in den frühen 1970er Jahren entwarfen, mit Modifikationen, leiten weiterhin im Wesentlichen den gesamten Internetverkehr der Welt.
Die grafische Benutzeroberfläche – Fenster, Symbole, Menüs, ein durch eine Maus gesteuerter Zeiger – ist so vertraut, dass es schwer zu erinnern ist, dass sie erfunden wurde, dass es einen bestimmten Moment gab, in dem sie nicht existierte und dann doch, und dass die Menschen, die sie erfanden, verstanden, dass sie etwas taten, das das Computing dauerhaft verändern würde.
Dieser Moment war Anfang der 1970er Jahre bei Xerox PARC, dem Forschungslabor, das Xerox 1970 in Palo Alto gründete. Die GUI wurde dort als Teil des Alto-Projekts entwickelt – ein Forschungscomputer, der zum ersten Mal ein Bitmap-Display, eine Maus, überlappende Fenster und eine Desktop-Metapher beinhaltete, bei der Dateien und Ordner als visuelle Objekte dargestellt wurden, die direkt manipuliert werden konnten. Der Alto wurde von Xerox nie kommerzialisiert, eine Entscheidung, die zu einem der am meisten untersuchten Beispiele dafür wurde, wie ein Unternehmen es versäumte, aus seiner eigenen Forschung Kapital zu schlagen.
Steve Jobs besuchte 1979 Xerox PARC und sah eine Demonstration der Benutzeroberfläche des Alto. Der Besuch wird manchmal als der Moment beschrieben, in dem Jobs die GUI für Apple $AAPL "stahl" – eine Charakterisierung, die die Xerox-Ingenieure und Historiker der Epoche tendenziell bestreiten, da Jobs eine Demo einer begrenzten Version des Systems sah und dass die Implementierung von Apple deutlich anders war. Was zutrifft, ist, dass der Besuch Jobs bestätigte, dass die grafische Benutzeroberfläche die richtige Richtung für das Personal Computing war, und der Apple Lisa und dann der Macintosh – 1984 veröffentlicht – brachten die GUI zum ersten Mal auf einen Massenmarkt.
Microsofts Windows folgte 1985, zunächst als bescheidene Ergänzung zu MS-DOS, und wurde allmählich zur dominierenden GUI der Welt. Mitte der 1990er Jahre fand im Wesentlichen die gesamte persönliche Datenverarbeitung in einer grafischen Umgebung statt. Die Kommandozeilen-Schnittstelle, die das frühe Personal Computing definiert hatte, wurde zu einem Spezialwerkzeug. Die GUI machte Computer für Menschen zugänglich, die kein Interesse daran hatten, eine Programmiersprache oder ein Set von Textbefehlen zu lernen, und diese Zugänglichkeit war die unmittelbare Ursache für die Transformation des Personal Computers von einem Hobby-Gerät zu einem universellen Werkzeug.
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Speicher, der verschwindet, wenn der Strom ausgeht, ist für die Berechnung nützlich, aber für die Speicherung nutzlos. Das Festplattenlaufwerk – ein Gerät, das Daten magnetisch auf rotierenden Platten speichert und sie durch Lese-/Schreibköpfe abruft, die über die Oberfläche fahren – löste das Problem der persistenten, großkapazitiven, zufällig zugänglichen Datenspeicherung und machte den Personal Computer damit zu einem wirklich praktischen Werkzeug statt zu einer rechnerischen Kuriosität.
IBM $IBM führte 1956 das erste Festplattenlaufwerk, die IBM 350, als Teil des RAMAC 305-Systems ein. Die 350 speicherte fünf Megabyte Daten auf 50 Aluminiumscheiben, jede mit einem Durchmesser von 24 Zoll, die in einem Einheit von der Größe von zwei großen Kühlschränken gestapelt waren. Es wurde nicht verkauft, sondern zu einem Preis von rund 3.200 Dollar pro Monat in zeitgenössischen Dollar vermietet – in heutigen Begriffen etwa 35.000 Dollar pro Monat für fünf Megabyte Speicherplatz.
Die Entwicklung von Festplattenlaufwerken in den folgenden sechs Jahrzehnten gehört zu den dramatischsten Verbesserungskurven in der Technologiegeschichte. Die Kapazität stieg zwischen 1956 und 2010 um den Faktor eine Million. Die Kosten pro Gigabyte fielen von Tausenden von Dollar auf Bruchteile eines Cents. Die physische Größe schrumpfte von einem raumgroßen Aufbau zu einem Gerät, das klein genug ist, um in einen Laptop zu passen. Der 1983 eingeführte 3,5-Zoll-Formfaktor wurde der Standard für Personal Computer und blieb es fast drei Jahrzehnte lang.
Die Festplatte machte die Anwendungen möglich, die das persönliche Computing definieren: Textverarbeitungsprogramme, die Dokumente speicherten, Tabellenkalkulationen, die Finanzmodelle bewahrten, Datenbanken, die Kundendaten behielten, E-Mail-Clients, die Korrespondenz speicherten. Ohne dauerhaften Speicher ist ein Computer ein Taschenrechner. Mit ihm ist er ein Büro. Die Rolle der Festplatte wurde in der Laptop-Ära teilweise von Solid-State-Laufwerken übernommen, aber die Festplatte bleibt das dominierende Speichermedium für Rechenzentren, wo ihr Kostenvorteil gegenüber Solid-State-Speichern im großen Maßstab sie im Zentrum der Infrastruktur des Internets hält.
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Das Internet und das World Wide Web sind nicht dasselbe, obwohl die Begriffe in der Alltagssprache austauschbar verwendet werden. Das Internet ist die Infrastruktur – das globale Netzwerk verbundener Computer, die TCP/IP-Protokolle, die physischen Kabel und drahtlosen Verbindungen. Das World Wide Web ist eine darauf aufgebaute Anwendung – ein System von Dokumenten und Ressourcen, die durch Hyperlinks verbunden sind und über einen Browser zugänglich sind und das HTTP-Protokoll verwenden, um Inhalte zu übertragen und URLs zu identifizieren.
Tim Berners-Lee, ein britischer Physiker, der am CERN in Genf arbeitete, erfand das Web 1989 und implementierte 1990 den ersten Webserver und Browser. Sein ursprünglicher Vorschlag trug den Titel "Information Management: A Proposal" und wurde von seinem Vorgesetzten als "vage, aber spannend" beschrieben. Die erste Website, info.cern.ch, ging im August 1991 online. Berners-Lee traf die entscheidende Entscheidung, die Protokolle und Standards des Webs lizenzfrei zur Verfügung zu stellen, was es ermöglichte, ohne die Reibung von Lizenzverhandlungen zu wachsen.
Das Web war nicht der erste Versuch, ein verlinktes Informationssystem zu schaffen. Ted Nelson hatte 1963 "Hypertext" beschrieben – Text, der Links zu anderem Text enthält – und in den folgenden Jahrzehnten waren verschiedene Hypertext-Systeme entwickelt worden. Was Berners-Lees System auszeichnete, war, dass es für ein globales Netzwerk und nicht für einen einzelnen Computer oder ein lokales Netzwerk konzipiert war und dass es die bestehende Internetinfrastruktur als Transportschicht nutzte, anstatt eine neue Infrastruktur zu erfordern.
Die Einführung des Mosaic-Browsers im Jahr 1993 – der erste Browser, der Bilder inline mit Text anzeigte, entwickelt am National Center for Supercomputing Applications von Marc Andreessen und Eric Bina – verwandelte das Web von einem textbasierten Informationssystem in eine multimediale Umgebung, die auch nicht-technische Benutzer navigieren konnten. Zwischen 1993 und 1996 wuchs die Zahl der Websites von einigen Hundert auf über 100.000. Die kommerzielle Internet-Ära hatte begonnen.
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Ein Web mit 100.000 Seiten ist navigierbar. Ein Web mit einer Milliarde Seiten ist es nicht, ohne einen Mechanismus, um zu finden, wonach man sucht. Die Suchmaschine – und speziell der algorithmische Ansatz zur Rangordnung von Suchergebnissen nach Relevanz statt einfach nach Stichwortindizierung – machte das Web in großem Maßstab nutzbar, und der spezifische Algorithmus, der die Suche gut genug machte, um die Informationen der Welt zu organisieren, war PageRank, entwickelt von Larry Page und Sergey Brin als Doktoranden an der Stanford University und veröffentlicht 1998.
Frühere Suchmaschinen – AltaVista, Excite, Lycos – indizierten das Web und reihten die Ergebnisse hauptsächlich nach der Häufigkeit der Stichwörter: wie oft der Suchbegriff auf einer Seite erschien. Der Ansatz funktionierte bei einem kleinen Web recht gut, verschlechterte sich jedoch mit dem Wachstum des Webs, da die Stichworthäufigkeit manipuliert werden konnte – Seiten konnten mit Stichwörtern versehen werden, um hoch für Suchanfragen zu rangieren, für die sie eigentlich nicht relevant waren.
Die Einsicht von Page und Brin war, die Linkstruktur des Webs als Stellvertreter für Qualität zu verwenden. Eine Seite, auf die viele andere Seiten verlinkten, war wahrscheinlich autoritativer als eine, auf die wenige Seiten verlinkten. Und Links von hoch verlinkten Seiten hatten mehr Gewicht als Links von weniger bekannten. Der Algorithmus behandelte Links als Stimmen, und Stimmen von glaubwürdigen Quellen als wertvoller als Stimmen von weniger glaubwürdigen – eine rekursive Logik, die erhebliche Rechenleistung erforderte, aber Suchergebnisse produzierte, die weitaus besser waren als nur die Häufigkeit von Stichwörtern.
Google $GOOGL, das Unternehmen, das Page und Brin gründeten, um PageRank zu kommerzialisieren, wurde 1998 öffentlich eingeführt und war innerhalb weniger Jahre die dominierende Suchmaschine weltweit. Sein textbasiertes Werbemodell – Anzeigen, die neben den Suchergebnissen angezeigt wurden, nach Auktion bepreist und relevant für die Suchanfrage – wurde zur wirtschaftlichen Grundlage des kommerziellen Webs und generierte Einnahmen, die die Infrastruktur, die Produkte und die Übernahmen finanzierten, die die Internetwirtschaft definieren.
Hinter fast jedem digitalen Dienst, der Informationen speichert und abruft – das heißt hinter fast jedem digitalen Dienst – steht eine Datenbank. Und hinter den meisten Datenbanken steht ein konzeptionelles Modell, das von Edgar F. Codd, einem britischen Informatiker bei IBM $IBM, entwickelt und in einem bahnbrechenden Papier von 1970 veröffentlicht wurde: das relationale Datenmodell.
Vor Codds Modell waren Datenbanken hierarchisch oder als Netzwerke organisiert – Daten wurden in Baumstrukturen oder verknüpften Ketten gespeichert, und das Abrufen erforderte das Wissen über die physische Struktur des Speichers und die explizite Navigation. Der Ansatz funktionierte für spezifische, vorhersehbare Abfragen, war jedoch unflexibel, wenn sich die Fragen änderten oder die Datenstruktur entwickelt werden musste. Eine Änderung der Datenbankstruktur konnte jede Anwendung, die sie verwendete, unbrauchbar machen.
Codd schlug vor, Daten als eine Reihe von Tabellen zu organisieren – Relationen im mathematischen Sinne –, in denen jede Zeile einen Datensatz und jede Spalte ein Attribut darstellte. Daten in verschiedenen Tabellen könnten durch gemeinsame Schlüsselwerte miteinander in Beziehung stehen, und jede Abfrage, die in der Relationenalgebra ausgedrückt werden konnte, konnte beantwortet werden, ohne etwas über den physischen Speicher der Daten zu wissen. Die Abfragesprache – schließlich als SQL, Structured Query Language, standardisiert – ermöglichte es Benutzern, Fragen zu den Daten in einer Form zu stellen, die unabhängig davon war, wie die Daten gespeichert wurden.
Die relationale Datenbank verwandelte, was Organisationen mit ihren Daten tun konnten. Abfragen, die zuvor einen Programmierer erfordert hätten, um benutzerdefinierten Navigationscode zu schreiben, konnten in wenigen Zeilen SQL ausgedrückt werden. Daten aus verschiedenen Tabellen konnten auf Weise kombiniert werden, die der ursprüngliche Datenbankdesigner nicht vorhergesehen hatte. Die Flexibilität des relationalen Modells bedeutete, dass Datenbanken sich entwickeln konnten, wenn sich die organisatorischen Bedürfnisse änderten, ohne dass eine umfassende Umstrukturierung erforderlich war.
Jeder große Internetdienst – von Banksystemen über E-Commerce-Plattformen bis hin zu sozialen Netzwerken – basiert auf relationalen Datenbanken oder deren Nachkommen. Die Daten, die Ihre Beziehung zu jedem digitalen Dienst definieren, den Sie nutzen, werden in den meisten Fällen in einer Form gespeichert, die direkt auf ein Papier zurückgeht, das Edgar Codd 1970 veröffentlichte.
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Daten bewegen sich über das Internet durch Kabel – und für die Entfernungen, die im globalen Maßstab von Bedeutung sind, transportieren diese Kabel Daten nicht als elektrische Signale, sondern als Lichtimpulse, die durch Glasfasern reisen, die dünner sind als ein menschliches Haar. Die Glasfaserkabelkommunikation, die in den 1960er und 1970er Jahren entwickelt und ab den 1980er Jahren im kommerziellen Maßstab eingesetzt wurde, bot die Bandbreite und die Übertragungsdistanzen, die das globale Internet physisch möglich machten.
Der entscheidende Fortschritt war die verlustarme optische Faser – Glas, das so rein war, dass Licht Kilometer weit durch es hindurch reisen konnte, ohne zu schwach zum Erkennen zu werden. Charles Kao, der bei den Standard Telecommunication Laboratories in Großbritannien arbeitete, veröffentlichte 1966 ein Papier, in dem er argumentierte, dass die Dämpfungsverluste in den bestehenden Glasfasern auf Verunreinigungen und nicht auf grundlegende physikalische Grenzen zurückzuführen seien und dass Glasfaser, die rein genug für die Kommunikation war, hergestellt werden könnte. Corning Glass Works in den USA produzierte 1970 die erste Faser, die Kaos Spezifikationen entsprach. Kao erhielt 2009 den Nobelpreis für Physik.
Der Kapazitätsvorteil von Glasfaser gegenüber Kupferdraht ist enorm. Ein einziges Glasfaserkabel kann Hunderte von Terabit Daten pro Sekunde übertragen – Größenordnungen mehr als die Kupferkabel, die ihm vorausgingen. Die Kosten pro übertragenem Bit sind stetig gesunken, während sich die Technologie verbessert hat, wodurch der Zugang zum Hochgeschwindigkeitsinternet zunächst für Institutionen, dann für Unternehmen und schließlich für Privathaushalte wirtschaftlich tragfähig wurde.
Die physische Infrastruktur des Internets – die Unterseekabel, die Ozeane überqueren, die Backbone-Netzwerke, die Kontinente verbinden, die Langstreckenverbindungen, die den Verkehr zwischen Städten tragen – ist fast vollständig aus Glasfaser. Wenn Sie eine Nachricht von einem Kontinent zu einem anderen senden, reist sie als Licht durch Glaskabel, die auf dem Meeresboden liegen, eine physische Realität, die in einem Zeitalter, in dem alles drahtlos ist, leicht zu vergessen ist, aber allen internationalen digitalen Kommunikationswegen zugrunde liegt.
Das Smartphone, der Laptop, das Elektrofahrzeug und der kabellose Ohrhörer teilen alle eine Abhängigkeit von einer einzigen ermöglichenden Technologie: einer Batterie, die genug Energie speichert, um ein Gerät stundenlang zu betreiben, leicht genug ist, um getragen zu werden, tausende Male ohne signifikante Verschlechterung aufgeladen werden kann und sicher genug ist, um in die Tasche gesteckt zu werden. Die Lithium-Ionen-Batterie, die in den 1970er und 1980er Jahren entwickelt und 1991 von Sony $SONY erstmals kommerziell genutzt wurde, ist diese Technologie.
Die Schlüsselfiguren in der Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterie – John Goodenough, M. Stanley Whittingham und Akira Yoshino – teilten sich 2019 den Nobelpreis für Chemie, mehr als vier Jahrzehnte nachdem die grundlegenden Arbeiten durchgeführt wurden. Goodenough, der den kritischen Fortschritt machte, Kobaltoxid als Kathodenmaterial zu identifizieren, das die Energiedichte dramatisch verbesserte, war 97 Jahre alt, als er den Preis erhielt – der älteste Nobelpreisträger der Geschichte.
Die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien – die Menge an Energie, die sie pro Gewichtseinheit speichern – beträgt etwa 150 bis 200 Wattstunden pro Kilogramm, ungefähr das Dreifache der Nickel-Metallhydrid-Batterien, die ihnen in der Unterhaltungselektronik vorausgingen. Diese Verbesserung, kombiniert mit der Fähigkeit, hunderte Male aufgeladen zu werden und einer relativ flachen Entladekurve, machte Lithium-Ionen zur ermöglichenden Technologie für tragbare Computer auf eine Weise, die keine frühere Batterietechnologie geschafft hat.
Ohne Lithium-Ionen ist der Laptop eine an die Steckdose gebundene Maschine. Das Smartphone existiert nicht in seiner jetzigen Form. Elektrofahrzeuge bleiben eine Nischenkuriosität. Die Portabilität und ungebundene Mobilität, die das digitale Leben im 21. Jahrhundert kennzeichnen, hängen von der Fähigkeit ab, elektrische Energie in einer Form zu speichern, die leicht, dicht und wiederaufladbar ist – ein Problem, das Lithium-Ionen gelöst hat und das Forscher immer noch besser lösen wollen.
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Die physische Infrastruktur des Internets läuft über Glasfaser und Kupfer. Die letzte Verbindung – zwischen dieser Infrastruktur und dem Gerät in Ihrer Hand – läuft über Funkwellen, und der Standard, der regelt, wie diese Funkwellen Daten zwischen Geräten und drahtlosen Zugangspunkten übertragen, ist Wi-Fi, eine Reihe von Protokollen, die auf dem IEEE 802.11-Standard basieren und zum universellen Mittel der drahtlosen lokalen Netzwerke geworden sind.
Die Ursprünge von Wi-Fi umfassen einen Patentstreit, einen wissenschaftlichen Zufall und eine australische Regierungsforschungseinrichtung. Die Kerntechnologie — eine Technik namens orthogonale Frequenzmultiplexierung, die zur gleichzeitigen Übertragung von Daten über mehrere Frequenzkanäle verwendet wird — wurde in den späten 1980er Jahren von John O'Sullivan und Kollegen bei der CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation) in Australien entwickelt, ursprünglich als Teil der Forschung zur Erkennung explodierender Mini-Schwarzer Löcher. Die Technik erwies sich als genau das, was drahtlose Netzwerke brauchten, um mit der Mehrwegeinterferenz umzugehen, die in Innenräumen zu Signalverschlechterungen führt.
Der erste Wi-Fi-Standard wurde 1997 ratifiziert, und die Wi-Fi Alliance wurde 1999 gegründet, um die Interoperabilität zwischen Produkten verschiedener Hersteller zu zertifizieren. Die Entscheidung, eine Interoperabilitätszertifizierung zu verlangen — sicherzustellen, dass ein Wi-Fi-Gerät eines beliebigen Herstellers mit einem Zugangspunkt eines anderen Herstellers funktioniert — war das organisatorische Äquivalent dazu, TCP/IP zu einem offenen Standard zu machen: Es verhinderte die Fragmentierung des drahtlosen Netzwerks in inkompatible proprietäre Systeme und ermöglichte es Wi-Fi, sich zu einer universellen Infrastruktur zu entwickeln.
Die Verbreitung von Wi-Fi-Zugangspunkten in Haushalten, Büros, Cafés, Flughäfen und öffentlichen Räumen veränderte die Ökonomie des Internetzugangs und die Geographie, wo digitale Arbeit stattfinden konnte. Die Annahme, dass Internetverbindung in jeder Innenumgebung verfügbar ist — eine Annahme, die so tief im täglichen Leben verankert ist, dass ihr Fehlen wie ein Versagen erscheint — ist das Produkt eines drahtlosen Standards, von dem die meisten Menschen noch nie gehört haben und den sie nur schwer erklären könnten.
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Das Smartphone ist das bedeutendste Konsumgerät des frühen 21. Jahrhunderts — eine Konvergenz von Telefon, Kamera, Computer, GPS-Empfänger, Musikplayer und Internetterminal in einem einzigen Objekt, das die Mehrheit der erwachsenen Weltbevölkerung ständig mit sich trägt. Sein Einfluss auf Kommunikation, Handel, Navigation, Unterhaltung, Sozialleben und Aufmerksamkeit ist so allgegenwärtig, dass seine Beschreibung Untertreibung riskieren könnte.
Das iPhone, eingeführt von Apple $AAPL am 9. Januar 2007, ist das am meisten mit der Smartphone-Ära assoziierte Gerät, und Steve Jobs' Präsentation — „ein iPod, ein Telefon und ein Internet-Kommunikator“ — bleibt eine der effektivsten Produkteinführungen in der Geschichte der Technologie. Aber das iPhone war eine Synthese, keine Kreation von Grund auf. Es kombinierte bereits existierende Technologien — kapazitive Touchscreens, mobiles Internet, GPS, Digitalkameras, Lithium-Ionen-Batterien, ARM-Prozessoren — zu einem Formfaktor und einer Benutzeroberfläche, die sie in einer Weise zusammenarbeiten ließen, wie es kein vorheriges Gerät getan hatte.
Was Apple beigetragen hat, war die Software — iOS, das App-Store-Modell, die gestenbasierte Benutzeroberfläche, die einen großen Touchscreen zur primären Eingabemethode machte — und das Industriedesign, das die Kombination unvermeidlich statt provisorisch erscheinen ließ. Googles Android, veröffentlicht 2008, bot eine alternative Plattform, die es dem Smartphone ermöglichte, sich auf Milliarden von Nutzern auszudehnen, die keine Apple-Kunden waren, und das daraus resultierende Zweiplattformenduell bleibt die Struktur des mobilen Computermarktes.
Das Smartphone hat verändert, was Nähe bedeutet — man ist überall und jederzeit erreichbar, über mehrere Kanäle gleichzeitig. Es hat verändert, was Informationszugang bedeutet — jede Frage kann in Sekunden beantwortet werden. Es hat verändert, was Navigation bedeutet — sich zu verlaufen erfordert aktive Anstrengung. Es hat verändert, was Handel bedeutet — Kaufentscheidungen werden in jedem Kontext getroffen, nicht nur in Geschäften. Und es hat verändert, was Aufmerksamkeit bedeutet — die ständige Verfügbarkeit des Geräts erzeugt Verhaltensmuster und psychologische Effekte, die Forscher noch immer zu verstehen versuchen.
Das Global Positioning System – ein Netzwerk von Satelliten, das vom US-Verteidigungsministerium betrieben wird und es jedem Empfänger auf der Erde ermöglicht, seine Position bis auf wenige Meter genau zu bestimmen – wurde entwickelt, um Atom-U-Boote zu leiten und ballistische Raketen zu lenken. Seine Anwendung für die Navigation von Verbrauchern, Logistik, Landwirtschaft und die Infrastruktur der digitalen Wirtschaft war nicht geplant. Es war eine Folge der Entscheidung, die 1983 nach dem sowjetischen Abschuss von Korean Air Lines Flug 007 getroffen wurde, GPS-Signale kostenlos für zivile Nutzer zugänglich zu machen.
Das System erreichte 1995 volle Betriebsfähigkeit mit 24 Satelliten in der Umlaufbahn, die eine kontinuierliche globale Abdeckung boten. Die ersten Verbrauchs-GPS-Empfänger waren groß, teuer und benötigten lange, um eine Satellitenverbindung herzustellen. In den frühen 2000er Jahren waren sie klein und billig genug geworden, um in Smartphones integriert zu werden, und die Kombination von GPS-Ortungsdaten mit digitalen Karten und mobilem Internet führte zu den Navigationssystemen mit Abbiegehinweisen, die weitgehend Papierkarten und die spezialisierte Kenntnis lokaler Geografie ersetzt haben, die Fahrer einst benötigten.
Die wirtschaftlichen Konsequenzen von GPS gehen weit über die Navigation hinaus. Präzisionslandwirtschaft – die Nutzung von GPS, um Pflanz- und Erntegeräte zentimetergenau zu führen und Überlappungen und Abfall zu reduzieren – hat die Wirtschaft der Landwirtschaft verändert. Just-in-Time-Logistik – die Fähigkeit, den Standort von Fahrzeugen und Sendungen in Echtzeit zu verfolgen – hat Lieferketten umstrukturiert. Finanzmärkte nutzen GPS-Zeitsignale – genau bis auf Milliardstel einer Sekunde – um Transaktionen zu stempeln. Das Internet selbst nutzt GPS-Zeitmessung, um die Uhren von Servern weltweit zu synchronisieren, eine Funktion, die so grundlegend ist, dass ein GPS-Ausfall das Internet auf eine Weise stören würde, wie es die meisten Menschen nicht erwarten.
Das Smartphone machte GPS persönlich. Die App-Wirtschaft, die GPS ermöglichte – Fahrdienstvermittlung, Essenslieferung, ortsbasierte Dienste aller Art – ist einer der wirtschaftlich bedeutendsten Sektoren der digitalen Wirtschaft, die vollständig auf der Verfügbarkeit von genauen Standortdaten eines ursprünglich für militärische Navigation entworfenen Satellitennetzwerks basiert.
Die Fotografie wurde digital aufgrund eines Geräts namens ladungsgekoppeltes Bauelement – der CCD – erfunden 1969 von Willard Boyle und George Smith bei Bell Labs. Der CCD ist ein Bildsensor, der Licht in elektrische Ladung umwandelt, die dann ausgelesen und als Pixelwerte digitalisiert werden kann. Zusammen mit dem späteren CMOS-Sensor ermöglichte der CCD den Übergang von Film zur digitalen Fotografie und veränderte grundlegend, wie Bilder aufgenommen, gespeichert, geteilt und verwendet werden.
Die praktischen Implikationen der digitalen Fotografie gehen weit über den Ersatz von Film durch Speicherkarten hinaus. Die Grenzkosten für das Fotografieren sanken auf praktisch null – man konnte tausend Fotos machen, ohne zusätzliche Kosten, und die, die man nicht wollte, löschen. Diese Null-Grenzkosten änderten das Verhalten: Menschen fotografieren mehr, fotografieren anders, nutzen Fotos in Kontexten – Messaging, soziale Medien, Dokumentation – in denen die Kosten für Film Fotografie unpraktisch gemacht hätten.
Die Smartphone-Kamera, die heute den Großteil der weltweit aufgenommenen Fotos ausmacht, ist der Endpunkt einer Technologiekette, die vom CCD über digitale Bildverarbeitung, Komprimierungsalgorithmen und mobiles Internet reicht. Die Fähigkeit, ein Foto in Sekunden aufzunehmen, zu verarbeiten und zu teilen – von jedem Ort mit mobiler Konnektivität – hat den Journalismus, die soziale Interaktion, persönliche Erinnerungen und Überwachung gleichzeitig verändert.
Boyle und Smith erhielten 2009 den Nobelpreis für Physik für die Erfindung des CCD. Die Laudatio stellte fest, dass das Gerät völlig neue Industrien geschaffen und die Art und Weise verändert habe, wie Menschen ihre Erfahrungen mit der Welt aufnehmen und teilen – eine Einschätzung, die, wenn überhaupt, das Ausmaß der Veränderung unterschätzt.
Der Touchscreen – ein Display, das auf direkte Fingerberührung reagiert und es Benutzern ermöglicht, durch Berührung statt durch Manipulation eines separaten Eingabegeräts mit Bildschirmelementen zu interagieren – existiert bereits vier Jahrzehnte vor dem Smartphone. Das erste berührungsempfindliche Display wurde Mitte der 1960er Jahre von E.A. Johnson am Royal Radar Establishment in Großbritannien entwickelt und 1965 veröffentlicht. Der erste Multi-Touch-Bildschirm – fähig, mehrere gleichzeitige Berührungspunkte zu erkennen und darauf zu reagieren – wurde 1982 an der Universität von Toronto entwickelt.
Der resistive Touchscreen, der Berührungen durch den druckinduzierten Kontakt zwischen zwei leitfähigen Schichten erkennt, war in den 1990er und 2000er Jahren die dominierende Technologie für Verbrauchertouchscreens – verwendet in Geldautomaten, Verkaufsstellen-Terminals und frühen Smartphones, einschließlich der ersten Generation von Windows Mobile-Geräten. Resistive Bildschirme erforderten physischen Druck zur Aktivierung und konnten keine mehreren gleichzeitigen Berührungen genau erkennen, was ihre Nützlichkeit als primäre Eingabemethode einschränkte.
Der kapazitive Touchscreen, der die elektrische Leitfähigkeit eines Fingers erkennt, ohne physischen Druck zu erfordern, ermöglichte die Multi-Touch-Gesten – Pinch-to-Zoom $ZM, Wischen, Zwei-Finger-Scrollen – die die Smartphone-Interaktion definieren. Kapazitive Technologie existierte seit Jahrzehnten, erforderte jedoch die Kombination aus einem ausreichend leistungsstarken Prozessor und ausreichend ausgereifter Software, um rohe Berührungsdaten in Echtzeit in Gestenerkennung zu übersetzen. Apples Implementierung im ursprünglichen iPhone im Jahr 2007 war das erste Verbrauchgerät, das kapazitives Multi-Touch in einer Qualität und Reaktionsfähigkeit nutzte, die sich natürlich statt annähernd anfühlte.
Der Touchscreen beseitigte die letzte Barriere zwischen dem Benutzer und der digitalen Schnittstelle – die Tastatur, die Maus, den Stift – und machte das Computing auf eine Weise wirklich direkt, die keine vorherige Eingabemethode erreicht hatte. Seine Einführung als primäre Eingabemethode für Smartphones und Tablets veränderte, was Computing war, wer es tun konnte und in welchem Alter Menschen damit beginnen konnten.
Cloud-Computing – die Bereitstellung von Computerressourcen einschließlich Speicher, Verarbeitungskapazität, Datenbanken und Software über das Internet, nach Bedarf, ohne lokale Infrastruktur – ist das organisatorische und wirtschaftliche Modell, das den meisten digitalen Diensten zugrunde liegt, die Menschen nutzen. Es ist keine einzelne Erfindung, sondern eine Konvergenz mehrerer Technologien – Virtualisierung, verteiltes Rechnen, Breitbandinternet, groß angelegte Rechenzentren – in ein Servicemodell, das Unternehmen jeder Größe den Zugang zu unternehmensgerechter Computerinfrastruktur ermöglicht.
Amazon $AMZN Web Services, im Jahr 2006 mit einem einfachen Dateispeicherdienst namens S3 und einem virtuellen Rechendienst namens EC2 eingeführt, ist die Organisation, die am meisten zur Definition von Cloud-Computing als kommerzielle Kategorie beigetragen hat. Die Erkenntnis hinter AWS war, dass Amazon eine massive interne Computerinfrastruktur aufgebaut hatte, um seine E-Commerce-Aktivitäten zu betreiben, und dass die überschüssige Kapazität dieser Infrastruktur an andere Organisationen vermietet werden konnte, zu Kosten, die unter denen liegen würden, die diese Organisationen für den Bau ihrer eigenen zahlen würden. Das Geschäftsmodell – zahlen Sie nur für die tatsächlich genutzten Computerressourcen, ohne Vorabinvestitionen – war besonders für Startups transformativ, die nun Dienste ohne die Kapitalinvestitionen starten konnten, die zuvor für Serverinfrastruktur erforderlich waren.
Die Cloud veränderte die Wirtschaftlichkeit der Gründung eines digitalen Geschäfts. Vor AWS und seinen Konkurrenten – Microsoft $MSFT Azure, Google $GOOGL Cloud und anderen, die folgten – erforderte der Aufbau eines Internetdienstes den Kauf von Servern, die Suche nach einem Rechenzentrum und Kapitalinvestitionen in die Infrastruktur, bevor ein einziger Kunde registriert war. Nach der Cloud wurden diese Kapitalkosten zu variablen Betriebskosten, die nur zahlbar waren, wenn der Dienst skalierte. Diese Verschiebung reduzierte das erforderliche Kapital zur Gründung eines digitalen Geschäfts um ein Vielfaches und trug direkt zur Explosion von Technologie-Startups in den 2010er Jahren bei.
Die Cloud veränderte auch die Wirtschaftlichkeit von Daten. Die Speicherkosten auf Cloud-Plattformen sanken stetig, sodass es praktisch wurde, Daten in Größenordnungen zu speichern und zu analysieren, die zuvor unerschwinglich teuer gewesen wären. Die Datenanalysen, das maschinelle Lernen und die künstliche Intelligenz-Anwendungen, die die aktuelle Grenze der digitalen Wirtschaft definieren, hängen alle von der Fähigkeit ab, Daten im Cloud-Maßstab zu speichern und zu verarbeiten.
Der Algorithmus – eine definierte Abfolge von Schritten zur Lösung eines Problems oder zur Erledigung einer Aufgabe – ist keine einzelne Erfindung, sondern ein Konzept, das so grundlegend für das Computing ist, dass es Anerkennung als das grundlegende intellektuelle Rahmenwerk des digitalen Zeitalters verdient. Jedes Softwareprogramm ist eine Sammlung von Algorithmen. Jedes digitale System – Empfehlungssysteme, Suchergebnisse, Betrugserkennung, GPS-Navigation, Autokorrektur – führt Algorithmen aus. Die Frage, welcher Algorithmus verwendet wird und wie er gestaltet ist, bestimmt die Ausgaben jedes existierenden digitalen Systems.
Das Wort „Algorithmus“ leitet sich vom Namen des persischen Mathematikers des 9. Jahrhunderts Muhammad ibn Musa al-Chwarizmi ab, dessen Abhandlung über Arithmetik das Dezimalsystem in die islamische Welt einführte und schließlich nach Europa brachte. Das Konzept eines definierten Berechnungsverfahrens ist Jahrhunderte älter als das Computing. Was das digitale Zeitalter tat, war, Algorithmen ausführbar im großen Maßstab zu machen – in der Lage, Millionen von Eingaben zu verarbeiten und Millionen von Ausgaben pro Sekunde zu erzeugen, unsichtbar, kontinuierlich, über jede digitale Oberfläche hinweg.
Die spezifischen Algorithmen, die das digitale Zeitalter geprägt haben, sind zahlreich: der PageRank-Algorithmus, der Googles Suche nützlich machte; der RSA-Algorithmus, der sichere Internetkommunikation ermöglichte; die Kompressionsalgorithmen, die digitale Audio-, Video- und Bildübertragung über das Internet ermöglichten; die Empfehlungssysteme, die bestimmen, welche Inhalte Milliarden von Menschen auf sozialen Medien und Streaming-Plattformen sehen; die Sortier- und Suchalgorithmen, die Datenbanken schnell genug machen, um praktisch zu sein.
Was sie vereint, sind nicht ihre technischen Details, sondern ihre soziale Konsequenz: Algorithmen treffen Entscheidungen, und diese Entscheidungen sind nicht neutral. Ein Empfehlungsalgorithmus, der auf Engagement optimiert, wird alles empfehlen, was das meiste Engagement erzeugt, unabhängig davon, ob dieser Inhalt korrekt, gesund oder sozial konstruktiv ist. Die Designentscheidungen, die in einen Algorithmus eingebettet sind – worauf er optimiert, welche Daten er verwendet, welche Ergebnisse er als äquivalent behandelt – sind folgenschwer in einer Art und Weise, die den betroffenen Menschen oft unsichtbar ist. Der Algorithmus ist die mächtigste und am wenigsten verstandene Technologie des digitalen Zeitalters.
Die Fähigkeit, privat über ein öffentliches Netzwerk zu kommunizieren – eine Nachricht zu senden, die nur der beabsichtigte Empfänger lesen kann, obwohl sie durch eine von Dritten kontrollierte Infrastruktur geht – ist die Eigenschaft, die das Internet sicher für Bankgeschäfte, Handel, Gesundheitswesen und persönliche Kommunikation macht. Diese Eigenschaft wird durch Verschlüsselung bereitgestellt, und der spezifische Durchbruch, der die Verschlüsselung für die Internetkommunikation praktikabel machte, war die Public-Key-Kryptographie, erfunden von Whitfield Diffie und Martin Hellman im Jahr 1976.
Vor der Public-Key-Kryptographie erforderte sichere Kommunikation über ein Netzwerk, dass die kommunizierenden Parteien zunächst einen geheimen Schlüssel über einen sicheren Kanal austauschten – ein Treffen persönlich, ein Kurier, eine diplomatische Tasche. Diese Anforderung machte sichere Kommunikation teuer und in großem Maßstab unpraktisch. Man konnte keinen sicheren Kanal mit einer Bank oder einem Händler, mit dem man noch nie getroffen hatte, einrichten, ohne vorher den Schlüsselaustausch über eine andere sichere Methode zu arrangieren, was den Zweck irgendwie zunichte machte.
Diffies und Hellmans Einsicht war mathematisch elegant: Es ist möglich, ein System zu entwerfen, in dem zwei Parteien ein gemeinsames Geheimnis über einen unsicheren Kanal, öffentlich, ohne vorherigen Austausch von Informationen, etablieren können. Die Mathematik hängt von der Computer-Asymmetrie ab – bestimmte mathematische Operationen sind leicht durchzuführen, aber extrem schwer rückgängig zu machen. Zwei große Primzahlen miteinander zu multiplizieren ist einfach; das Ergebnis in seine Primfaktoren zu zerlegen ist, bei ausreichend großen Zahlen, mit der aktuellen Technologie rechnerisch nicht durchführbar.
Die RSA-Verschlüsselung, entwickelt von Ron Rivest, Adi Shamir und Leonard Adleman im Jahr 1977 und heute in fast allen sicheren Internetkommunikationen verwendet, implementierte Diffies und Hellmans Konzept in einem praktischen System. Das Vorhängeschloss-Symbol in der Adressleiste Ihres Browsers – der visuelle Indikator, dass Sie über eine verschlüsselte Verbindung mit einer Website kommunizieren – repräsentiert einen Nachkommen der Mathematik, die Diffie und Hellman 1976 veröffentlichten. Jeder Online-Kauf, jede Banktransaktion, jede private Nachricht, die über das Internet gesendet wird, ist durch Kryptographie geschützt, die auf dieses Papier zurückgeht.
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Der Mikroprozessor – eine vollständige zentrale Verarbeitungseinheit, die auf einem einzigen Chip implementiert ist – ist der direkte Nachfolger des integrierten Schaltkreises und der unmittelbare Vorfahre jedes bestehenden Rechengeräts. Er vereinte zum ersten Mal alle Logiken, die zur Ausführung eines Programms erforderlich sind – die arithmetische Einheit, die Steuereinheit, die Register – auf einem einzigen Stück Silizium und schuf so einen vollständigen, universellen Computer auf einem Chip, der in jedem Gerät massenproduziert und eingebaut werden konnte.
Intels 4004, veröffentlicht im November 1971, wird allgemein als der erste kommerzielle Mikroprozessor angesehen. Er wurde von Federico Faggin, Ted Hoff und Stanley Mazor für eine japanische Taschenrechnerfirma, Busicom, entworfen und lieferte 2.300 Transistoren auf einem Chip, der ungefähr 12 Quadratmillimeter maß. Er lief mit 740 Kilohertz und konnte ungefähr 92.000 Operationen pro Sekunde ausführen — weniger Rechenleistung als eine moderne digitale Armbanduhr, aber eine vollständige CPU in einem zuvor unvorstellbaren Paket.
Der Intel $INTC 8008 folgte 1972, der 8080 1974 und der 8086 1978 — die Architektur, aus der der x86-Befehlssatz hervorgeht, der immer noch die persönliche Computertechnik dominiert. Der IBM $IBM PC, der 1981 eingeführt wurde, verwendete den Intel 8088. Die Linie vom 4004 zu den Prozessoren in modernen Laptops und Servern ist direkt und ununterbrochen, eine kontinuierliche Entwicklung derselben grundlegenden Architektur über 50 Jahre und Milliarden von Transistoren hinweg.
Der Mikroprozessor veränderte die Wirtschaftlichkeit des Computings, indem er die CPU zu Verbraucherpreisen herstellbar machte. Vor dem Mikroprozessor war eine CPU eine große und teure Anordnung diskreter Komponenten. Danach war die CPU ein massenproduziertes Gut, das in einen Taschenrechner, ein Spiel, ein Gerät oder ein Auto eingebettet werden konnte. Die Intelligenz des digitalen Zeitalters — ihre Fähigkeit, Informationen in großem Maßstab zu verarbeiten, zu speichern und zu übertragen — läuft auf Mikroprozessoren, und der Mikroprozessor ist das, was diese Intelligenz in dem für das digitale Zeitalter erforderlichen Maßstab herstellbar machte.
Die digitalen Dateien, die Audio, Video und Bilder darstellen, sind in ihrer unkomprimierten Form enorm. Eine einzige Minute unkomprimierter CD-Qualitätsaudio belegt ungefähr zehn Megabyte. Ein einzelnes Bild unkomprimierten hochauflösenden Videos belegt mehrere hundert Megabyte. Ohne Kompression — Algorithmen, die die Größe digitaler Dateien reduzieren, indem sie redundante oder wahrnehmungsirrelevante Informationen entfernen — wäre digitale Medien, wie sie existieren, wirtschaftlich und logistisch unmöglich. Streaming-Video würde eine Bandbreite erfordern, die nicht existiert. Musikbibliotheken würden Speicher erfordern, den kein Verbrauchsgerät bieten könnte. Das Internet als Medium für die Medienverteilung würde nicht funktionieren.
Kompressionsalgorithmen fallen in zwei Kategorien. Verlustfreie Kompression, die für Text, Software und Daten verwendet wird, bei denen eine exakte Rekonstruktion erforderlich ist, entfernt statistische Redundanz aus der Datei, ohne Informationen zu verwerfen. Das ZIP-Dateiformat und das PNG-Bildformat sind verlustfrei. Verlustbehaftete Kompression, die für Audio, Video und Fotos verwendet wird, verwirft Informationen, die das menschliche Wahrnehmungssystem wahrscheinlich nicht bemerkt — leise Geräusche, die von lauteren maskiert werden, feine Details in Bereichen einheitlicher Farbe, subtile Farbvariationen, die das Auge nicht von ihren Nachbarn unterscheidet. Die verworfenen Informationen können nicht wiederhergestellt werden, aber die resultierende Datei ist dramatisch kleiner und der Wahrnehmungsunterschied ist minimal.
Das MP3-Audioformat, entwickelt am Fraunhofer-Institut in Deutschland und 1993 standardisiert, reduzierte die Größe einer Audio-CD-Datei um das Zehnfache mit minimalem wahrnehmbarem Qualitätsverlust. Die Folgen — Napster, der iPod, iTunes und die Umstrukturierung der gesamten Musikindustrie — resultierten direkt aus der Existenz eines Dateiformats, das klein genug war, um über eine Einwähl-Internetverbindung in angemessener Zeit heruntergeladen zu werden.
Der H.264-Videocodec, 2003 standardisiert, machte High-Definition-Videostreaming praktisch, indem er Video um das Hundertfache im Vergleich zu unkomprimierten Formaten komprimierte. YouTube, Netflix $NFLX, Videoanrufe und die gesamte Online-Videoindustrie hängen von Kompressionsalgorithmen für ihre grundlegende Machbarkeit ab. Der Kompressionsalgorithmus ist eine der am wenigsten glamourösen und zugleich folgenreichsten Erfindungen in der Geschichte des digitalen Zeitalters.
Das künstliche neuronale Netzwerk – ein Rechenmodell, das lose von der Struktur biologischer Neuronen inspiriert ist und in der Lage ist, Muster aus Daten zu lernen – ist die Technologie, die der aktuellen Welle der künstlichen Intelligenz zugrunde liegt: die Bilderkennungssysteme, die Gesichter auf Fotos identifizieren, die Sprachmodelle, die Text generieren und Fragen beantworten, die Empfehlungsalgorithmen, die Inhalte auf Streaming-Plattformen auswählen, die Systeme, die betrügerische Transaktionen kennzeichnen, und Dutzende anderer Anwendungen, die in das tägliche digitale Leben eingebettet sind.
Das Konzept des künstlichen neuronalen Netzwerks geht auf das Jahr 1943 zurück, als Warren McCulloch und Walter Pitts ein mathematisches Modell eines Neurons veröffentlichten. Das Feld erlebte Zyklen der Begeisterung und Enttäuschung – Zeiträume, die heute als "KI-Winter" bezeichnet werden – bevor die Kombination aus größeren Datensätzen, leistungsfähigeren Prozessoren und architektonischen Innovationen die Durchbruchsresultate der 2010er Jahre hervorgebracht hat.
Der spezifische Fortschritt, der die aktuelle Ära einleitete, war die Demonstration von Geoffrey Hinton, Ilya Sutskever und Alex Krizhevsky im Jahr 2012, dass ein tiefes neuronales Netzwerk – eines mit vielen Verarbeitungsschichten – trainiert auf dem ImageNet-Datensatz Objekte auf Fotos mit einer Genauigkeit erkennen konnte, die alle vorherigen Ansätze dramatisch übertraf. Die von ihnen entwickelte AlexNet-Architektur gewann die ImageNet Large Scale Visual Recognition Challenge mit einem so großen Vorsprung, dass sie das Feld davon überzeugte, dass Deep Learning die richtige Richtung war.
Hinton, zusammen mit Yann LeCun und Yoshua Bengio – den anderen Forschern, die die Forschung zu neuronalen Netzwerken durch die schwierigen Jahre vor dem Durchbruch aufrechterhielten – erhielten 2018 den Turing Award. Hinton erhielt 2024 den Nobelpreis für Physik, den er sich mit John Hopfield teilte, für grundlegende Entdeckungen, die maschinelles Lernen mit künstlichen neuronalen Netzwerken ermöglichten.
Die Folgen des neuronalen Netzwerks für das digitale Zeitalter sammeln sich noch an. Die großen Sprachmodelle, die Texte in menschlicher Qualität produzieren, die Bildgeneratoren, die fotorealistische Bilder aus Textbeschreibungen erzeugen, die Proteinstrukturvorhersager, die die Wirkstoffforschung revolutionieren – sie alle sind Nachkommen der architektonischen Ideen, die Hinton und seine Kollegen entwickelt haben, und der Trainingsmethoden, die diese Architekturen funktionsfähig gemacht haben. Das neuronale Netzwerk könnte sich als die folgenschwerste Erfindung auf dieser Liste erweisen, auch wenn der nötige Abstand, um diese Behauptung eindeutig zu bewerten, noch nicht existiert.
Open-Source-Software – Software, deren Quellcode öffentlich zugänglich, frei modifizierbar und frei distributierbar ist – ist keine einzelne Erfindung, sondern eine Bewegung und eine Lizenzierungsphilosophie, die einige der am weitesten verbreiteten Softwareinfrastrukturen im digitalen Zeitalter hervorgebracht hat und ein Modell der kollaborativen Entwicklung etablierte, das die Art und Weise, wie Software entwickelt wird, verändert hat.
Die philosophische Grundlage wurde von Richard Stallman gelegt, einem Programmierer am MIT, der 1983 das GNU-Projekt startete – den Versuch, ein freies, quelloffenes Betriebssystem zu entwickeln – und 1985 das GNU-Manifest veröffentlichte, das Prinzip artikulierend, dass Software frei zu nutzen, zu studieren, zu ändern und zu verbreiten sein sollte. Stallmans Free Software Foundation und die von ihr entwickelte GPL (General Public License) schufen einen rechtlichen Rahmen für Open-Source-Software, der deren Offenheit schützte, während es gleichzeitig erlaubte, sie kommerziell zu nutzen.
Die Schaffung des Linux-Kernels durch Linus Torvalds im Jahr 1991 – angekündigt in einem bescheidenen Post in einer Usenet-Newsgroup als „nur ein Hobby“ – lieferte der Open-Source-Bewegung ihren bedeutendsten praktischen Beitrag: einen freien, quelloffenen Betriebssystem-Kernel, der seitdem die Grundlage von Android, dem dominierenden mobilen Betriebssystem, und der überwiegenden Mehrheit der Webserver und Supercomputer der Welt geworden ist. Das Internet läuft buchstäblich auf Linux, mehr als die meisten Leute, die das Internet nutzen, es schätzen.
Das Open-Source-Modell produzierte einen Katalog von Software-Infrastrukturen – den Apache-Webserver, die MySQL-Datenbank, die Programmiersprachen Python und Perl, den Firefox-Browser – auf dem das kommerzielle Internet aufgebaut wurde. Die Ökonomie von Open-Source ist einzigartig: Die Software ist frei nutzbar, die Entwicklung ist auf Tausende von Mitwirkenden weltweit verteilt, und der Wert wird nicht durch den Verkauf der Software erfasst, sondern durch den Verkauf von Diensten, Support und ergänzenden Produkten, die darauf aufgebaut sind. Dieses Modell veränderte die Softwareindustrie dauerhaft und gab kleinen Startups Zugang zu unternehmensweiter Infrastruktur, die zuvor Millionen von Dollar an Lizenzgebühren gekostet hätte.
