„Wissenschaftliches Zentrum Heidelberg“ – Versionsunterschied

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Version vom 21. Dezember 2022, 16:12 Uhr

Das Wissenschaftliche Zentrum der IBM in Heidelberg war eine in Deutschland und auch international hoch angesehene wissenschaftliche Einrichtung. In seinem Buch „The Heidelberg Science Center: User Oriented Informatics and Computers in Science“ [1] beschreibt Prof. Dr. Albrecht Blaser, der langjährige Direktor dieser Einrichtung, detailliert und mit vielen Quellenangaben versehen, die Entwicklung des Zentrums von 1968 bis 1993, d.h. von den ersten Anfängen bis kurz vor dem Ende dieser Einrichtung. Die folgenden Ausführungen konzentrieren sich, gestützt auf dieses Buch, im Wesentlichen auf die Forschungsbereiche dieser Einrichtung und ihr Wirken für Wissenschaft und Gesellschaft.

Einführung und Überblick

Das Wissenschaftliche Zentrum der IBM in Heidelberg (WZH) – IBM-intern: IBM Scientific Center Heidelberg (HDSC) – wurde 1968 gegründet und war zu diesem Zeitpunkt eines von 16 der weltweit verteilten IBM Scientific Centers, deren Zahl sich am Ende bis auf 26 gesteigert hat.[2]

Geleitet wurde das WZH zuerst von Dr. Willi Kattwinkel (1968 -1972) und dann langjährig von Dr. Albrecht Blaser (1973-1990). Es starte zunächst mit einigen wenigen wissenschaftlichen Mitarbeitern und wuchs dann bis auf mehr als 200 Wissenschaftler Anfang der 1990er Jahre. Diese waren wissenschaftliche Mitarbeiter der IBM Deutschland, Gastwissenschaftler (mehrheitlich Post-Docs und Professoren im Sabbatical) von in- und ausländischen Universitäten und Forschungseinrichtungen sowie Studierende, die hier ihre Abschlussarbeit anfertigten oder als studentische Hilfskräfte nahegelegener Universitäten arbeiteten.

Das WZH hatte über seine gesamte Lebensdauer hinweg die Mission, die primäre wissenschaftliche und technische Schnittstelle der IBM Deutschland zu den Universitäten und öffentlichen Forschungseinrichtungen in Deutschland zu sein. Dementsprechend breit war auch das Spektrum der Themenbereiche und darin eingebetteter Forschungsprojekte, in denen das WZH im Laufe der Jahre aktiv war, wie der nachstehende Überblick zeigt.

Forschungsbereiche und Projekte

Die nachfolgend angegebenen Verweise auf Publikationen sind nur exemplarisch zu verstehen und stellen meist nur eine kleine Teilmenge der im Buch von A. Blaser [1] aufgeführten wissenschaftlichen Publikationen des jeweiligen Forschungsbereichs oder Projektes dar.

Advanced Application Research

In den ersten Jahren des WZH, d.h. ab Ende der 1960er Jahre, lag der Fokus auf der Unterstützung wissenschaftlicher Forschungsprojekte an den Universitäten Heidelberg und Würzburg sowie dem Deutschen Krebsforschungszentrum in Heidelberg. In Zusammenarbeit mit den dortigen Wissenschaftlern wurden mathematische Modelle und, darauf basierend, diverse Computerprogramme entwickelt, wie etwa zur Früherkennung von Neoplasmen, zur Diagnose von Hörfehlern, zur Erforschung der Resistenz von Bakterien gegen Antibiotika und zum Feststellen von Leberanomalien sowie zur Optimierung der Krebstherapie mit radioaktiven Strahlen.[3][4]

Von 1984 – 1991 wurde mit der Universität Heidelberg das Kooperationsprojekt „Transplant Information System (TRAINS)“ durchgeführt. In diesem Projekt wurden an 300 Nieren-Transplantationszentren im In- und Ausland kontinuierlich Daten bzgl. Diagnostik, Durchführung, Nachsorge und Überlebensdauer von Nierentransplantationen erfasst und an die Universität Heidelberg übermittelt. Dort wurden mathematische Modelle für die Bewertung von Verträglich- und Unverträglichkeiten im Kontext von Nieren-Transplantationen zu entwickelt und kontinuierlich verbessert und die Ergebnisse wieder an die teilnehmenden Transplantationszentren übermittelt. Das WZH entwickelte zusammen mit den Medizinern diese mathematischen Modelle, implementierte die Auswertungsprogramme basierend auf diesen mathematischen Modellen und realisierte das verteilte Informationssystem einschließlich der Erfassungs- und Datenübermittlungsprogramme.[5][6]

End User Systems

Mitte der 1970er Jahre entwickelte das WZH im Projekt „Interactive Programming by Endusers“ die Konzepte und Technologien für eine Entwicklungsumgebung, mit deren Hilfe Endbenutzer selbst interaktive, elektronische Formulare realisieren konnten. Hierbei entstanden erste Prototypen und ein Produkt [7], die bereits stark dem ähnelten, was später unter der Bezeichnung „Tabellenkalkulation“ („Spread Sheets“) auf den Markt kam.[8]

Parallel dazu befasste sich das WZH in verschiedenen Projekten auch damit, wie man Anwendern den Umgang mit Computersystemen erleichtern könnte. Man experimentierte mit „Query by Example“ in verschiedenen Anwendungsbereichen und entwickelte u.a. das System IDAMS zur interaktiven Datenanalyse [9][10][11], einem frühen Ansatz zu dem was man heute „Data Mining“ nennt.

Natural Language Processing and Knowledge Based Systems Technology

Ab Mitte der 1970er Jahre begann man sich intensiv mit dem Thema „Abfragen von Datenbanken in natürlicher Sprache durch Endbenutzer“ zu befassen und entwickelte hierzu in den Jahren 1974 -1982 in Zusammenarbeit mit der IBM Advanced Systems Development Division (ASDD) in Mohansic, N.Y., das experimentelle System 'USL (User Speciality Languages)' [12][13] das – gegeben eine relationale Datenbank mit den entsprechenden Fakten – natürlich-sprachige Anfragen (in verschiedenen Sprachen) der folgenden Art beantworten konnte:

  •  Wieviele Länder haben die einzelnen Kontinente?
  • Wieviele Mitgliedsstaaten hat die EU?
  • Ist Spanien ein Mitglied der EU?
  • Was ist die Hauptstadt von Portugal?
  • Wieviele Staatsbürger hat Deutschland?

Dies funktionierte so gut für die Sprachen Dänisch, Deutsch, Englisch, Italienisch und Spanisch, dass sich die IBM Deutschland entschloss, es in Zusammenarbeit mit dem WZH und dem IBM Nordic Laboratory in Lidingo, Schweden, zu einem Produkt zu machen.[14][15] - Leider war der Markt jedoch noch nicht reif für ein Produkt dieser Art, so dass seine Weiterentwicklung Anfang der 1990er Jahre wieder eingestellt wurde.

1984 startete das WZH das Nachfolge-Projekt „Lingustic and Logic Based Legal Expert System“ (LEX), ein groß angelegtes Gemeinschaftsprojekt mit der Universität Tübingen. Die Zielsetzung war hier „Sprachverstehen“ durch den Computer. Hierzu wurden u.a. syntaktische und semantische Analyseverfahren für Texte, Strukturen zur Repräsentation von Wissen, Regelbasen zur Ableitung sowie ein darauf basierendes Expertensystem entwickelt. Als Textkorpus zur Extraktion von Wissen dienten Texte aus dem juristischen Bereich (vor allem Gesetzestexte und Gerichtsurteile).[16] - Mit dem LEX-System konnte laut Blaser-Buch [1], Seite 68, ein Dialog der folgenden Art in (eingeschränkter) natürlicher Sprache geführt werden:

  1. Eingabe des Benutzers zum Sachverhalt: "T kam von der Straße ab und traf einen Laternenpfahl. Dies verursachte einen Schaden von 500 DM. Der Unfall ereignete sich um Mitternacht in einem Wohnungsgebiet. T wartete 20 Minuten, dann verließ er den Unfallort und ließ sein Auto dort stehen.“
  2. Eingabe der Frage: "Hat T lange genug gewartet oder war sein Verhalten Fahrerflucht?"
  3. Nachfrage vom System: "War jemand an dem Unfall beteiligt?"
  4. Eingabe des Benutzers: "Nein."
  5. Antwort des Systems: (a) "Der Schaden war größer als 300 DM und damit erheblich. Deshalb muss die Verkehrsdichte mitbetrachtet werden." (b) "Die Verkehrsdichte war hoch. Deshalb T sollte T mindestens 30 Minuten gewartet haben." (c) "Die Wartezeit war weniger als 30 Minuten. Deshalb war diese ungenügend; als Folge beging T Fahrerflucht."
  6. Eingabe des Benutzers: "Warum war die Verkehrsdichte hoch?"
  7. Antwort des Systems: "Die Verkehrsdichte war hoch, da der Unfallort in einem Wohngebiet war."

Die Erfahrungen aus den Projekten USL und LEX flossen auch in andere Kooperationsprojekte ein, wie z.B. in die Zusammenarbeit mit der Universität Heidelberg zur Entwicklung von Werkzeugen für die Verarbeitung deutscher Texte (wie etwa Grammatiken und Vokabulare) [17], mit IBM Bethesda, Maryland, zur Anreicherung von Produkten der IBM Office Suite mit linguistischen Fähigkeiten [18] sowie mit anderen Wissenschaftlichen Zentren der IBM in Europa im Bereich „Logikbasierte Maschinelle Übersetzung“ [19].

Speech Recognition for German (SPRING)

Das SPRING-Projekt war ein relativ spätes und sehr erfolgreiches Forschungsprojekt des WZH. Ziel war die Entwicklung eines PC-basierten Diktiersystems, um diskontinuierlich gesprochenen Text in geschriebenen Text zu transformieren. Als Basis diente ein Forschungsprototyp des IBM Thomas J. Watson Research Lab in Yorktown Heights, N.Y., der für die Verarbeitung von deutscher Sprache vom WZH angepasst wurde.[20] Die am WZH in diesem Kontext entwickelte Technologie floss in eine ganze Reihe von IBM-Produkten wie etwa IBM ViaVoice ein.[21][22][23]

Advanced Information Management (AIM)

Datenbank- und Dokumentretrieval-Systeme waren seit Anfang der 1970er Jahre in Form der IBM Produkte IMS und STAIRS (auch wirtschaftlich) wichtige Basistechnologien für die Realisierung betrieblicher Informationssysteme. Mit seiner 1970 erschienen Publikation "A Relational Model of Data for Large Shared Data Banks" [24] schuf E.F Codd die Basis für eine bis dato völlig neue Generation von Datenbanksystemen. Mit dieser Technologie ließen sich auch hochsprachliche Datenbank-Anfragesprachen wie SQL oder Query by Example realisieren, die in mehrerlei Hinsicht nicht nur sehr viel mächtiger als die bisherigen, sondern auch noch sehr viel leichter zu erlernen waren. – Und die ersten Hands-on“-Erfahrungen mit System R, das dem WZH etwa ab Mitte der 1970 Jahre zur Verfügung stand, bestätigten diesen positiven Eindruck.

Aufgrund seiner Erfahrungen mit Dokumentenretrieval-Systemen [25][26] (mit Beiträgen zu STAIRS [27]) erkannte das WZH allerdings sehr rasch, dass diese Vorteile nicht mehr gegeben sind (oder sogar ins Gegenteil umschlagen), wenn man komplex-strukturierte Daten, wie z.B. große Dokumente mit Unterteilung in Kapitel, Unterkapitel, Absätze und Sätze, auf die sich Anfragen beziehen können, zu verwalten hat.[28] Das WZH nahm diese Erkenntnisse 1977 zum Anlass, die Forschungsrichtung „Advanced Information Management“ (AIM)“ mit Einrichtung der gleichnamigen Abteilung zu etablieren. AIM sollte die Anforderungen an Datenbanksysteme aus der Sicht fortschrittlicher Anwendungen identifizieren, Lösungskonzepte zu erarbeiten sowie prototypisch zu implementieren und erproben.

Erste Ergebnisse dieser Forschungen waren die Verallgemeinerung des Codd'schen Relationenmodells in dem Sinne, dass anstelle der ausschließlich atomaren Attributwerte auch Relationen als Attributwerte zugelassen wurden. – Da hierbei die sog. „1.Normalform“ (alle Attribute einer Relation sind atomar) fallengelassen wird, wurde dieses erweiterte Relationenmodell als Non-First-Normal-Form Relations bzw. kurz als "NF2-Relationen " bezeichnet. Mit den beiden (anschließend viel zitierten) Tagungsbeiträgen „Remarks on the Algebra of Non First Normal Form Relations“ [29] und "Data Structures for an Integrated Data Base Management and Information Retrieval System" [30] über diese NF2-Relationen trat AIM im Jahr 1982 erstmals als Forschungsgruppe im Bereich "Datenbanksysteme" international in Erscheinung.

Gemäß ihrem Auftrag analysierte die AIM-Gruppe Anfang im Zeitraum 1982-1983 eine Vielzahl verschiedener konventioneller und fortschrittlicher Anwendungen wie z.B. Geo-Informationssysteme, CAD, CIM u.a.m. und erweiterte das NF2-Relationen-Modell immer weiter, um auch diesen Anwendungen gerecht zu werden. Diese Untersuchungen und Überlegungen resultierten in einem noch allgemeineren Datenmodell, das die Bezeichnung "erweiterte NF2-Relationen" bzw. "eNF2-Relationen" erhielt.[31]

Die eNF2-Relationen waren dann auch das Datenmodell für das ab 1983 entwickelte experimentelle Datenbanksystem "Advanced Information Management Prototype (AIM-P)". Es war Ende 1985 in einer lauffähigen Version verfügbar und verfügte neben diesem sehr mächtigen Datenmodell noch über eine weitere Besonderheit; und zwar die tief im Systemkern verankerte Unterstützung von Zeitversionen [31][32]. AIM-P war damit auch eines der ersten lauffähigen temporalen Datenbanksysteme. Mittels dieses Features konnte man z.B. mittels "SELECT ... FROM objektname ASOF zeitpunkt ..." auf das angegebene Objekt in seinem Zustand zum angegebenen Zeitpunkt zugreifen. - AIM-P verfügte zu diesem Zeitpunkt bereits auch über eine auf dieses Datenmodell zugeschnittene, sehr mächtige SQL-ähnliche Datenbanksprache [33][34] sowie kurze Zeit danach auch über eine mächtige Schnittstelle zur Anbindung an Anwendungsprogramme (application programming interface (API).[35]

1986-1989 wurde das Kooperationsprojekt "Relational Robotics Database with Extensible Datatypes (R2D2)" mit der Universität Karlsruhe (heute: KIT Karlsruhe) durchgeführt, um AIM-P in einer komplexen technischen-wissenschaflichen Anwendung im Bereich CIM zu errproben und weiterzuentwickeln.[36][37][38] - Dies führte zu einer Erweiterung des AIM-P-Datenmodells um benutzerdefinierte Datentypen und Funktionen [39][40] sowie einer Erweiterung seiner Systemarchitektur um die Möglichkeit der kooperativen Objektbearbeitung mit Workstations ("Workstation-Server-Architektur") [41][42].

Im Laufe der Jahre verbrachten 15 Wissenschaftler aus dem In- und Ausland wochen-, monate- und zum Teil mehrjährige Forschungsaufenthalte in der AIM-Gruppe, um sich in der einen oder anderen Form in die Entwicklung und Weiterentwicklung von AIM-P einzubringen. Mit der realisierten Funktionalität war AIM-P Ende der 1980er Jahre das mit Abstand funktional mächtigste Datenbanksystem seiner Zeit [43] und die AIM-Forschergruppe eine der international führenden Forschungsgruppen im Bereich "Datenbanksysteme". Das scheint auch das Bundesministerium für Forschung und Technologie so gesehen zu haben, denn Albrecht Blaser berichtet hierzu auf Seite 30 in seinem Buch: "AIM and the NF2 relational model are mentioned in the report of the Federal Ministry of Research and Technology (IT2000) as being one of the most fundamental German projects in database research".[1]

AIM-P mit seinem eNF2-Datenmodell sowie den auf diesem Modell basierenden benutzerdefinierten Datentypen und Funktionen war auch Gegenstand der Diskussion im ISO-SQL-Gremium für den noch zu entwicklenden SQL:1999-Standard. - Allerdings hielt man dort am Ende dann doch am "flachen" Relationenmodell fest und packte die eNF2-Erweiterungen in einen speziellen Attributtyp nebst entsprechenden Spracherweiterungen.[44] Damit verfehlt diese Art der Weiterentwicklung von SQL praktisch leider völlig das Ziel, (auch) technisch-wissenschaftliche Anwendungen adäquat zu unterstützen .

Eine ausführliche Beschreibung des AIM-P-Projektes, der hierbei entwickelten Technologien sowie die Diskussion im Rahmen der ISO-SQL-Standardisierung finden sich im Wikipedia-Artikel 'Advanced Information Management Prototype (AIM-P)'.

Human Factors of Application Software

Dieser Aspekt spielte natürlich bei vielen WZH-Projekten, wie z.B. TRAINS, Interactive Programming by Endusers und IDAMS eine wichtige Rolle, war aber kein wissenschaftlich fundierter Untersuchungsgegenstand. Dies änderte sich 1983 mit der Einrichtung der Forschungsgruppe "Human Factors" mit Wissenschaftlern der Fachrichtung Psychologie und einem Labor zur Durchführung wissenschaftlicher Experimente.[45][46][47] Den öffentlichen "Startschuss" zu diesem Forschungsgebiet am WZH markierte das eintägige wissenchaftliche Symposium zum Thema "Enduser Systems and Their Human Factors", das anlässich des 15-jährigen Bestehen des WZH im März 1983 durchgeführt wurde.[48] Die ersten, grundlagenorientierten Experimente dienten zur Klärung von Fragen wie:

  • Sind Symbole (Icons) immer besser als textuelle Darstellungen geeignet?
  • Für welche Typen von Benutzern und Anwendungen und in welchen Phasen gilt das gegebenfalls?
  • Wie müssen diese Icons ggf. aufgebaut sein, damit sie vorteilhaft sind? [49][50]

Die Human-Factors-Gruppe führte in der Folge umfangreiche grundlegende Forschungsarbeiten und experimentelle Untersuchungen zur Identifikation der relevanten Faktoren für die Realisierung benutzerfreundlicher Dialog-Schnittstellen in verschiedenen Anwendungsbereichen durch [51][52], wobei - in Zusammenarbeit mit der AIM-Gruppe - die Interaktion von Benutzern mit Datenbanksystemen einen gewissen Schwerpunkt bildete [53][54][55].

Scientific Computing and Problem Solving

Obwohl die IBM Deutschland in der Öffentlichkeit meist nur im Zusammenhang mit dem Einsatz ihrer Mainframes im kaufmännischen und technischen Verwaltungsbereich von Unternehmen und anderen Organisationen wahrgenommen wurde, hatte sie laut Blaser [1] auch eine lange Tradition in der Entwicklung und Implementierung mathematischer Verfahren und Anwendungen, wie z.B. den seinerzeit wohl sehr bekannten Unterprogrammbibliothen (Isubroutine packages) SSP, SL-MATH und PL-MATH.[56] - "Mathematik" war deshalb von Anfang auch am WZH ein Thema, wie unter 'Advanced Application Research' oben bereits beschrieben. Im Laufe der Jahre und mit der immer leistungsfähiger werdender Computer-Hardware, wie z.B. die 'IBM Vector Facility' [57], eröffneten sich auch neue Anwendungsmöglichkeiten und Problemlösungsansätze, so dass man sich 1983 entschloss eine eigene Forschungsgruppe für diesen Bereich einzurichten. Wegen der großen Bedeutung dieser Thematik für die IBM und zur Bündelung der diversen Aktivitäten in diesem Bereich, wurde 1988 am WZH dann das 'Institute for Supercomputing and Applied Mathematics' eingerichtet.

Die Forschungsthemen in diesem Forschungsbereich waren unter anderem:

  • Rechnen mit garantierter Genauigkeit [58][59]
  • Methoden zum Lösen linearer Gleichungen [60]
  • Computer Algebra
  • Entwicklungswerkzeuge und Methoden für Parelleles Rechnen
  • Lineare und nichtlineare Optimierungsprobleme
  • Simulationsverfahren und Berechnungen für verschiedene Anwendungsgebiete

Operating Systems, Distributed Systems and Networks

Das WZH verfügte fast von Anfang an über ein eigenes Rechenzentrum und war z.B. bereits 1984 mit einem Rechner vom Typ IBM 3083, Bildschirmen an jedem Arbeitsplatz und 30 mit dem Zentralrechner verbundenen PCs verschiedenen Typs ausgestattet. Auf Wunsch von IBM Deutschland befasste sich das WZH mit betriebssystemnahen Themen, wie etwa im Hinblick auf evtl. zu erwartende Probleme von Betriebssystemen, wenn diese Anwendungen auf sehr viel leistungsfähigeren Computern (z.B. 100 x schneller und viel größere Hauptspeicher als die Computer dieser Zeit) zu steuern haben.[61][62][63][64]

Weitere wichtige Themen waren "Netzwerke" [65], "Verteilte Betriebssysteme in heterogenen Netzen" [66], "Distributed Academic Computing" sowie "Endbenutzer-Anwendungen in Offenen Systemen" , die 1985 schließlich in eine eigene organisatorische Einheit – das European Networking Center (ENC) [67] – ausgegliedert wurden.

Das Ende des Wissenschaftlichen Zentrums der IBM in Heidelberg

In der ersten Hälfte der 1990er Jahre geriet die IBM Corp. in die größte Krise ihrer Firmengeschichte.[68] Enorme Umsatzeinbrüche in fast allen Bereichen führten zu Sparmaßnahmen, die sukzessive weltweit zu Schließung oder Neuausrichtung und Umwandlung aller IBM Scientific Centers führten. In den 2000ern war der Begriff IBM Scientific Centers dann gänzlich verschwunden. Am WZH machte sich der beginnende Niedergang etwa ab Anfang der 1990er Jahre mit immer rascheren Führungswechseln auf der Leitungsebene sowie strukturellen Umorganisationen und sich ändernden inhaltlichen Neuausrichtungen bemerkbar.[69] In dieser Phase verließen viele Wissenschaftler des WZH die Firma oder wechselten innerhalb der IBM in andere Bereiche. Faktisch fand das WZH dann irgendwann im Laufe der zweiten Hälfte der 1990er Jahre sein Ende.

Zusammenfassung und Würdigung

Im Laufe der Jahre hat sich das WZH zu einer festen und angesehen Institution in der deutschen und internationalen Forschungsgemeinschaft entwickelt. Auch das Ansehen und die Verankerung innerhalb der IBM war sehr gut, wie man den vielen internen Kooperationen entnehmen kann. Wie es sich für eine solche Forschungseinrichtung gehört, wurden - wie im Buch von Blaser [1] akribisch aufgelistet - viele wissenschaftliche Publikationen verfasst und in hochkarätigen wissenschaftlichen Zeitschriften oder in Tagungsbänden angesehener wissenschaftlicher Tagungen publiziert. Ein gewisses Indiz für das Ansehen in der wissenschaftlichen Welt ist, wie viele Gastwissenschaftler es zu Forschungsaufenthalten an diese Institution zieht. Blaser listet in seinem Buch für den Zeitram 1976 - 1993 die beeindruckende Zahl von 80 Wissenschaftlern auf, die mehrwöchige, mehrmonatige und zum Teil sogar mehrjährige Forschungsaufenthalte am WZH verbrachten. Überwiegend waren dies promovierte Wissenschaftler sowie eine ganze Reihe von Professoren, die im Rahmen eines Sabbaticals am WZH weilten. So kann man es eigentlich nur bedauern, dass die Einrichtung nicht fortgeführt werden konnte.

Quellenangaben

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  2. ↑ H. G. Kolsky, R. A. MacKinnon: History and contributions of the IBM Scientific Centers. In: IBM Systems Journal. Band 28, Nr. 4, 1989, ISSN 0018-8670, S. 502–524, doi:10.1147/sj.284.0502 (ieee.org [abgerufen am 15. Oktober 2022]).
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