Fortran: Bedeutung der ersten Programmiersprache 1957

In der Geschichte der Informatik gibt es kaum ein Ereignis, das so folgenreich war wie die Entwicklung von Fortran im Jahr 1957. Mit dieser Programmiersprache revolutionierte IBM unter der Führung von John Backus die Art und Weise, wie Menschen mit Computern kommunizieren. Fortran, kurz für "Formula Translation", war die erste höhere Programmiersprache, die breite praktische Anwendung fand, und legte damit das Fundament für die gesamte moderne Softwareentwicklung.

Die Ausgangssituation: Programmierung vor Fortran

Um die Bedeutung von Fortran zu verstehen, muss man sich vergegenwärtigen, wie Programmierung in den frühen 1950er Jahren aussah. Computer existierten bereits - mächtige, raumfüllende Maschinen wie der IBM 704 - aber ihre Programmierung erforderte tiefe Kenntnisse der maschinenspezifischen Assemblersprache. Wissenschaftler, Mathematiker und Ingenieure mussten ihre Berechnungen in eine maschinenlesbare Folge von Binärcodes oder Assembler-Mnemonics übersetzen. Dies war nicht nur zeitaufwendig, sondern auch fehleranfällig und setzte spezialisiertes Wissen voraus, das die meisten Forscher nicht hatten.

Die Konsequenz war, dass wertvolle Rechenzeit auf teuren Computern durch Programmierfehler verschwendet wurde und dass Wissenschaftler entweder selbst zu Programmierexperten werden oder sich auf spezialisierte Programmierer verlassen mussten, die ihre mathematischen Ideen in Maschinencode übersetzten. Dieser Umweg kostete Zeit, Geld und führte oft zu Missverständnissen.

John Backus und die Entstehung von Fortran

John Backus, ein junger Mathematiker bei IBM, erkannte dieses Problem und schlug 1953 ein Projekt vor, das eine höhere Programmiersprache speziell für wissenschaftliche und numerische Berechnungen entwickeln sollte. IBM genehmigte das Projekt, und ein Team von rund 13 Programmierern begann mit der Arbeit.

Das Ziel war ehrgeizig: Eine Sprache zu schaffen, die Wissenschaftler in einer ihnen vertrauten mathematischen Notation schreiben konnten, und dazu einen Compiler zu entwickeln, der diese menschenlesbare Notation automatisch in effizienten Maschinencode übersetzte. Die Idee selbst war nicht vollständig neu - Versuche, maschinelle Übersetzungen zu erstellen, hatte es bereits gegeben - aber Backus und sein Team strebten nach einer praktischen, industrietauglichen Lösung.

Im Oktober 1956 erschien das erste Handbuch zur Fortran-Sprache, und im April 1957 wurde der erste funktionsfähige Fortran-Compiler für den IBM 704 ausgeliefert. Damit begann eine neue Epoche der Informatik.

Die technische Bedeutung des ersten Compilers

Der Fortran-Compiler war eine technische Meisterleistung, die viele Zeitgenossen zunächst für unmöglich hielten. Skeptiker zweifelten daran, dass ein automatisch erzeugter Maschinencode jemals so effizient sein könnte wie handgeschriebener Assemblercode, da jede Instruktion des Compilers mehrere Instruktionen in Assembler erzeugen musste.

Effizienz als entscheidender Faktor

Die Skepsis erwies sich schnell als unbegründet. Der erste Fortran-Compiler erzeugte Code, der in seiner Ausführungsgeschwindigkeit mit handgeschriebenem Assemblercode konkurrieren konnte. Gleichzeitig reduzierte Fortran die Anzahl der nötigen Programmierschritte um den Faktor 20. Ein Programm, das zuvor Hunderte von Assembler-Zeilen erforderte, konnte nun in einigen Dutzend Fortran-Anweisungen ausgedrückt werden.

Dieser doppelte Vorteil - drastisch erhöhte Produktivität bei kaum nachlassender Ausführungseffizienz - überzeugte auch die härtesten Kritiker. IBM konnte den Compiler 1957 erfolgreich vermarkten, und innerhalb weniger Jahre wurde Fortran zur Standardsprache für wissenschaftliche Berechnungen auf IBM-Rechnern.

Der Sprung zur höheren Abstraktion

Mit Fortran wurde ein Konzept eingeführt, das heute selbstverständlich erscheint, damals aber revolutionär war: die Trennung zwischen dem, was ein Programm tun soll (die Logik, ausgedrückt in einer menschenverständlichen Sprache), und dem, wie diese Logik auf einer bestimmten Maschine umgesetzt wird (Maschinencode). Der Compiler übernahm diese Übersetzungsarbeit automatisch. Dies war der Beginn des Abstraktionsprinzips, das die gesamte weitere Entwicklung der Informatik prägte.

Der Compiler als Schlüsselinnovation

Die technische Kernleistung von Fortran war nicht die Sprache selbst, sondern der Compiler. Ein Compiler ist ein Programm, das Quellcode in einer höheren Programmiersprache liest und ihn in Maschinencode übersetzt, der direkt von der Hardware ausgeführt werden kann. Die Idee, dass ein Programm ein anderes Programm übersetzen kann, war in den frühen 1950er Jahren noch nicht selbstverständlich - und die praktische Umsetzung dieser Idee in Form des Fortran-Compilers war eine technische Pionierleistung.

Grace Hopper, eine Pionierin der frühen Computerprogrammierung bei der US-Marine, hatte zuvor den ersten "Compiler" namens A-0 entwickelt, der jedoch eher ein Linker war. Der Fortran-Compiler von Backus und seinem Team war der erste, der wirklich eine Hochsprache in effizienten Maschinencode übersetzte. Die Leistungsfähigkeit dieses Compilers war so überzeugend, dass er innerhalb weniger Monate nach seiner Veröffentlichung weite Verbreitung fand.

Intern nutzte der Fortran-Compiler eine Reihe von Optimierungstechniken, die heute Standard sind: algebraische Vereinfachungen, gemeinsame Teilausdrucksoptimierung, Schleifenoptimierung und Registerallokation. Diese Techniken wurden von Backus und seinem Team teilweise neu entwickelt und bildeten die Grundlage für das bis heute aktive Forschungsfeld der Compileroptimierung.

Fortran und die Demokratisierung der Programmierung

Die gesellschaftliche Wirkung von Fortran war mindestens ebenso bedeutend wie seine technische Leistung. Vor Fortran war das Schreiben von Computerprogrammen eine hochspezialisierte Tätigkeit, die tiefes Wissen über Maschinenarchitektur voraussetzte. Fortran änderte das grundlegend.

Wissenschaftler, Mathematiker, Physiker, Ingenieure und Ökonomen konnten nun selbst Programme schreiben, ohne sich mit den Tiefen der Maschinenebene befassen zu müssen. Fortran-Anweisungen ähnelten mathematischen Formeln, die Forscher ohnehin täglich nutzten. Ausdrücke wie Y = A * X + B wurden direkt ins Programm übernommen. Dieser Ansatz war intuitiv und reduzierte die Einstiegshürde erheblich.

Damit wurde Fortran zum Werkzeug, das Computertechnologie aus den engen Zirkeln spezialisierter Programmierer in die breite Wissenschaftsgemeinschaft trug. Es demokratisierte die Nutzung von Computern in einem bis dahin unbekannten Ausmaß und beschleunigte wissenschaftliche Forschung in vielen Disziplinen.

Verbreitung und Standardisierung

Fortrans Erfolg führte schnell dazu, dass andere Computerhersteller eigene Fortran-Implementierungen entwickelten. Da jeder Hersteller jedoch eigene Erweiterungen hinzufügte, drohten Inkompatibilitäten. 1966 verabschiedete das American National Standards Institute (ANSI) einen ersten Fortran-Standard, bekannt als Fortran 66. Damit wurde Fortran zur ersten standardisierten höheren Programmiersprache der Welt.

Seitdem wurde Fortran mehrfach überarbeitet. Fortran 77 führte strukturierte Programmierkonstrukte ein, Fortran 90 brachte dynamische Speicherverwaltung und modulare Programmierung, Fortran 95, 2003, 2008 und Fortran 2018 modernisierten die Sprache schrittweise weiter. Jede neue Version baute auf dem Fundament der Vorgänger auf und bewahrte dabei weitgehende Rückwärtskompatibilität - ein wichtiges Merkmal, das es ermöglicht, jahrzehntealten Code weiterhin zu nutzen.

Fortran heute: Lebend und relevant

Es wäre ein Missverständnis, Fortran als tote Sprache zu betrachten. Im Jahr 2026 wird Fortran weiterhin aktiv genutzt und weiterentwickelt, insbesondere in Bereichen, wo numerische Performance entscheidend ist.

Wissenschaftliches Hochleistungsrechnen

Klimamodelle, Wettervorhersage-Systeme, astrophysikalische Simulationen, Strömungsdynamik und Quantenchemie - viele der rechenintensivsten Anwendungen der modernen Wissenschaft sind in Fortran geschrieben oder nutzen Fortran-Bibliotheken. Auf den weltgrößten Supercomputern macht Fortran-basierter Code nach wie vor einen signifikanten Anteil der genutzten Rechenzeit aus.

2025 brachten Forscher des Lawrence Berkeley National Laboratory eine Bibliothek namens FIATS auf den Weg, die Deep Learning direkt in modernem Fortran für Supercomputer-Anwendungen ermöglicht. Dies zeigt, dass Fortran nicht nur erhalten bleibt, sondern aktiv an neue Herausforderungen angepasst wird.

Parallelisierung und moderne Sprachfeatures

Moderne Fortran-Versionen unterstützen parallele Programmierparadigmen wie MPI (Message Passing Interface) und OpenMP, die eine effiziente Verteilung von Berechnungen auf Tausende von Prozessoren erlauben. Fortran 2018 führte das Coarray-Konzept ein, das parallele Programmierung noch direkter in die Sprache integriert. Damit bleibt Fortran ein erstklassiges Werkzeug für Hochleistungsrechnen.

Die Weiterentwicklung der Sprache: Von Fortran I bis Fortran 2018

Die Geschichte von Fortran ist eine Geschichte der kontinuierlichen Anpassung an neue technische Anforderungen. Das ursprüngliche Fortran I von 1957 kannte keine Rekursion, hatte eingeschränkte Unterprogrammstrukturen und bot kaum Möglichkeiten zur strukturierten Programmierung. Diese Einschränkungen wurden in den folgenden Jahrzehnten Schritt für Schritt behoben.

Fortran IV, das in den 1960er Jahren weit verbreitet war, bildete die Grundlage für den ersten ANSI-Standard von 1966 (Fortran 66). Der nächste große Schritt kam 1978 mit Fortran 77, das strukturierte Kontrollfluss-Konstrukte wie IF-THEN-ELSE einführte und die sogenannte "Spaghetti-Programmierung" mit GO TO-Anweisungen deutlich reduzierte. Fortran 90 brachte dann ein grundlegendes Redesign: Dynamische Speicherverwaltung, modulare Programmierung, array-Operationen und freies Format machten die Sprache wesentlich moderner und ausdrucksstärker.

Fortran 95 bereinigte einige Unklarheiten des Vorgängers und führte Konzepte für High-Performance-Fortran ein. Fortran 2003 integrierte objektorientierte Programmierung, was Fortran erstmals erlaubte, Klassen, Vererbung und Polymorphismus zu nutzen. Fortran 2008 und Fortran 2018 fokussierten auf parallele und verteilte Berechnungen, unter anderem durch das Coarray-Feature, das paralleles Programmieren direkt in der Sprache verankert.

Fortran im Vergleich zu modernen Sprachen

Häufig wird gefragt, warum Wissenschaftler nicht einfach auf modernere Sprachen wie Python, C++ oder Julia wechseln. Die Antwort liegt in der Kombination aus Reife, Performance und verfügbaren Bibliotheken. Jahrzehntelang gewachsene wissenschaftliche Codebibliotheken in Fortran - für Lineare Algebra (BLAS, LAPACK), numerische Integration, Differentialgleichungen und Strömungssimulationen - sind derart gut getestet, optimiert und verbreitet, dass ein Wechsel enorme Ressourcen erfordern würde, ohne notwendigerweise besser zu werden.

Python hat sich als Ergänzung zu Fortran etabliert, nicht als Ersatz. Viele Wissenschaftler nutzen Python für Datenanalyse, Visualisierung und Skripting, während die rechenintensiven Kernroutinen in Fortran bleiben. Moderne Fortran-Compiler von Intel, GFortran (GNU) und IBM sind hochoptimiert und erzeugen Code, der in numerischen Benchmarks oft mit C++ und deutlich über Python liegt.

Julia, eine 2012 entwickelte Sprache für wissenschaftliches Rechnen, gilt manchmal als "modernes Fortran". Julia kombiniert die Ausführungsgeschwindigkeit von Fortran und C mit der Interaktivität von Python. Dennoch hat Julia Fortran in seiner Kerndomäne bisher nicht verdrängt, nicht zuletzt wegen der enormen Menge an bestehendem, bewährten Fortran-Code in der Wissenschaftsgemeinschaft.

Das bleibende Erbe: Was Fortran der Informatik hinterließ

Fortrans Bedeutung reicht weit über seine eigene Nutzung hinaus. Als erste praktisch eingesetzte höhere Programmiersprache legte Fortran konzeptuelle Grundlagen, auf denen alle späteren Sprachen aufbauten. Das Prinzip des Compilers, das Konzept von Unterprogrammen (Subroutinen und Funktionen), das Denken in Variablen und Ausdrücken statt in Maschinenbefehlen - all das gehört heute zum unveräußerlichen Grundwissen der Informatik.

Auch das Feld der Compilertheorie wurde durch Fortran entscheidend geprägt. John Backus entwickelte später gemeinsam mit Peter Naur die Backus-Naur-Form (BNF), eine Notation zur formalen Beschreibung von Programmiersprachen, die bis heute genutzt wird. Ohne Fortran wäre diese Entwicklung kaum in dieser Form und Geschwindigkeit eingetreten.

Fortran lehrte die Computerpioniere zudem, dass Maschinen nicht nur berechnen, sondern auch übersetzen können. Dieser Gedanke war der Keim für spätere Entwicklungen in der Informatik, von Interpreter-Sprachen bis hin zu modernen Just-in-Time-Compilern. Das Vertrauen, das Backus und sein Team in die Möglichkeit einer automatischen Übersetzung setzten und durch ihren Compiler bewiesen, öffnete die Tür zur modernen Softwareentwicklung.

Häufig gestellte Fragen

Wann wurde Fortran entwickelt und wer hat es erfunden?

Fortran wurde von John Backus und einem Team von IBM-Programmierern entwickelt. Die Konzeptionsarbeit begann 1953, das erste Handbuch erschien im Oktober 1956, und der erste Compiler für den IBM 704 wurde im April 1957 ausgeliefert. Fortran gilt damit als die erste höhere Programmiersprache mit breiter praktischer Anwendung.

Was bedeutet der Name Fortran?

Fortran steht für "Formula Translation" (auf Deutsch: Formelübersetzung). Der Name beschreibt treffend das ursprüngliche Ziel der Sprache: mathematische Formeln direkt in eine für den Computer verständliche Form zu übersetzen, ohne dass Programmierer sich mit Maschinencode befassen müssen.

Warum war Fortran so revolutionär?

Fortran war revolutionär, weil es die erste praktisch eingesetzte höhere Programmiersprache war, die automatisch in effizienten Maschinencode übersetzt werden konnte. Der Compiler reduzierte den Programmieraufwand um den Faktor 20, ermöglichte Wissenschaftlern das direkte Schreiben von Programmen in mathematischer Notation und bewies, dass automatisch erzeugter Code handgeschriebenem Assemblercode in der Effizienz nahekommen kann.

Wird Fortran heute noch verwendet?

Ja, Fortran wird im Jahr 2026 aktiv genutzt, insbesondere im wissenschaftlichen Hochleistungsrechnen. Klimamodelle, Wettervorhersagen, Astrophysik-Simulationen und andere rechenintensive wissenschaftliche Anwendungen basieren auf Fortran. Moderne Fortran-Versionen unterstützen parallele Programmierung und werden weiterentwickelt.

Welche Sprachen entstanden nach Fortran?

Fortran ebnete den Weg für viele weitere höhere Programmiersprachen. COBOL (1959) wurde für kommerzielle Anwendungen entwickelt, ALGOL (1958) beeinflusste die Theorie der Programmiersprachen, BASIC (1964) zielte auf Anfänger ab. Später folgten C, Pascal, Java, Python und viele andere - alle bauen konzeptuell auf den Grundlagen auf, die Fortran als erste höhere Programmiersprache legte.

Was ist die Backus-Naur-Form und was hat sie mit Fortran zu tun?

Die Backus-Naur-Form (BNF) ist eine formale Notation zur Beschreibung der Grammatik von Programmiersprachen. Sie wurde von John Backus - dem Schöpfer von Fortran - und Peter Naur entwickelt. BNF wird bis heute in der Informatik genutzt, um Programmiersprachen präzise zu definieren. Sie ist ein direktes Erbe von Backus' Arbeit an Fortran und seiner Beschäftigung mit dem Problem der formalen Sprachbeschreibung.