Кто создал полностью электромеханическую программируемую цифровую машину
Компьютер “Z1” Конрада Цузе
Транзисторов или даже электронных ламп в Z1 найти не удастся: эта вычислительная машина была создана за 6 лет до начала использования ламп в вычислительной технике. Z1 — компьютер полностью механический, разве что привод электрический.
Тем не менее, эта вычислительная машина содержала практически все элементы современных компьютеров, была программируемой, работала с двоичным кодом и оперировала 22-битными числами с плавающей запятой — что давало возможность проводить вычисления как с очень большими, так и с очень маленькими величинами.
Процессор Z1 работал на частоте 1 Гц, машина была способна выполнять одну операцию сложения в секунду (умножение происходило значительно дольше, поскольку было реализовано как последовательное сложение), объем памяти составлял 0,17 Кбайт.
Программы — у компьютера была система из 9 команд — вводились с помощью перфоленты. В модели Z1 использовалась бумажная лента, однако при разработке Z2 в качестве основы выступала уже 35-миллиметровая кинопленка. Пленка была выбрана Цузе по той простой причине, что его дядя (иные источники говорят о дедушке, но на сопроводительной табличке в музее указан именно дядя) работал на крупнейшей германской киностудии того времени — Universum Film AG — и мог поставлять племяннику отработанную пленку в достаточных для его целей количествах. Поскольку Цузе создавал свою машину без участия государства или крупных компаний, в основном на деньги друзей и родственников, экономия была более чем уместна.
В 1945 году компьютер был уничтожен во время бомбардировок вместе со зданием, где находилась компания Цузе.
Ответ на пост «Повар-расист в действии»
Конрад Цузе: мечтатель, создавший первый компьютер
Вторая мировая война дала мощный толчок развитию техники и науки. Военно-промышленный комплекс всегда собирал огромные человеческие, денежные и другие ресурсы. И нацисты в своей одержимости к мировому господству, особенно рьяно трудились над изобретениями и научно-техническими инновациями. Тем ни менее история создания первого программирующего компьютера началась еще до войны, с обычного желания одного немецкого архитектора упростить себе жизнь.
Конрад Цузе (1910-1995 г.г.)
Немецкий инженер и изобретатель первого в мире работающего программируемого компьютера Конрад Цузе попал в мир информационных технологий практически случайно. Будущий изобретатель был наделен неплохими способностями к изобразительному искусству, а также любил строительство и конструирование. Поэтому он поступил в Берлинский Технический Университет на факультет архитектуры и гражданского строительства (1930-1935), где увлекся математикой и физикой. Во время обучения, изучая строительство зданий и дорог, Цузе столкнулся с серьезной проблемой. Этот тип конструкций требовал решения огромных систем линейных уравнений, которые было очень трудно просчитать с помощью логарифмической линейки или даже механического калькулятора того времени.
Как вспоминал Цузе: «Я был студентом в гражданской инженерии в Берлине. Берлин — это красивый город, открывающий перед молодым человеком множество возможностей приятно провести время, например, с хорошенькой девушкой. Но вместо этого мы вынуждены были выполнять громадные и ужасные расчеты».
Для подобных просчетов инженеры использовали особые таблицы, куда записывали формулы выполнения основных операций в двоичной системе счисления. Именно тогда у Цузе возникла идея автоматизировать этот процесс применив несложное вычислительное устройство. Говоря иными словами — изобрести первую программируемую двоичную вычислительную машину.
(фото двоичной программируемой вычислительной машины Z1)
Через тернии к звездам
В 1936 году Цузе завершил логический план для своего первого компьютера V1 (от немецкого Versuchsmodell-1, то есть «опытная модель»). На самом деле названия всех машины должны были начинаться с V (от V1 до V4), но после Второй мировой войны он изменил имена на Z1-Z4 (начальная буква фамилии изобретателя), чтобы избежать неприятных ассоциаций с V1-V4 военных ракет.
Цузе не имел опыта в области электроники, не обладал достаточными знаниями в области механики и конечно же, не мог знать принципы работы других вычислительных устройств. Но эти обстоятельства его не смущали. Молодой изобретатель незамедлительно начал реализацию своей идеи. С помощью знакомых он собрали небольшую сумму денег для исследования и вместе с несколькими друзьями приступил к работе. Процесс разработки и сборки происходил в берлинской квартире его родителей — домашняя гостиная превратилась в настоящую мастерскую. Никаких специально оборудованных лабораторий, никакой помощи от правительства, министерств или университетов. Конрад делал все сам, создавая свой компьютер практически из ничего. С другой стороны, возможно именно это обстоятельство дало ему преимущество, так как он смог иначе посмотреть на вопросы машинной арифметики и найти новый подход к решению определенных задач. Позже изобретатель писал, что в силу неосведомленности он не был ограничен в поисках системы, наилучшей для автоматических вычислений. Попробовав десятичную систему, Цузе остановился на двоичной.
(Цузе в процессе работы)
Существовавшие на то время вычислительные механизмы были построены с использованием вращающихся элементов и оперировали значениями в десятичной системе счисления. Особенностью Z1 было то, что она занималась обработкой чисел в двоичной системе и для переключения использовались не реле, а металлические пластины. Надо заметить, что эти пластины вырезались Цузе и его друзьями вручную, обычным лобзиком (2000 штук!). Пластины перемещались в строго определенном направлении. Смещенные пластины, указывающие значения вычисляемых величин и математические операции, перемещали ряд других пластин, изменяющих регистр двоичных чисел и сохраняющих промежуточный результат. Полученные данные позволяли производить другие преобразования. Собственно задаваемый оператором несложный последовательный алгоритм вычислений и был прототипом современной компьютерной программы. Примечательной особенностью первого компьютера была клавиатура для ввода данных с мигающими лампочками для указания результатов.
Работа над изобретением заняла более двух лет. В 1938 году машина Z1 увидела свет. Она была огромной, состояла из 20 000 частей. Электрический двигатель мощностью 1 кВт. обеспечивал тактовую частоту одного Герца (один цикл в секунду).
Основные характеристики Z1
Реализация: тонкие металлические пластины
Частота: 1 Гц
Вычислительный блок: обработка чисел с плавающей запятой
Средняя скорость расчета: умножение — 10 секунд, сложение — 5 секунд
Ввод данных: клавиатура, устройство считывания с перфоленты
Вывод данных: ламповая панель (десятичное представление)
Память: 64 слова по 22 бита
Вес: около 1000 кг
Первое устройство Цузе не имело способности «сохранять программу». Также отсутствовала команда условного перехода. Но стоит ли желать большего от машины, построенной из металлических пластин и имеющей 64 слова памяти? К тому же Цузе сам разрабатывал теоретические основы для своих компьютеров. Он был знаком с двоичной цифровой системой Лейбница. Но не имел понятия о алгебре Джорджа Буля. Он должен был изучать математическую логику многих выдающихся ученых, чтобы разработать свою собственную систему, назвав обозначения «Условные комбинаторные» (Bedingungskombinatorik).
Механическое устройство Цуза имело великую научную ценность, доказывая возможность создания программных вычислительных машин, работающих с двоичным кодом. А вот надежность машины оставляла желать лучшего. Устройство постоянно ломалось из-за плохого качества комплектации. При работе процессора с памятью возникала проблема в синхронизации, требуемой для предотвращения чрезмерной механической нагрузки на подвижные части. Но архитектура изобретения казалась вполне удачной и побудила Цузе рассмотреть другие виды технологий.
На дальнейшую работу над машиной сильно повлиял друг Цузе, инженер-электронщик Гельмут Шреер. Он по достоинству оценил разработку и предложил ее усовершенствовать, заменив пластины на электровакуумные лампы. И при создании новой модели сохранить в ней логические принципы предыдущей, позволяющие операторам производить математические операции с десятичными числами.
В 1938 году Цузе и Шреер выступили с демонстрацией электронных схем в Берлинском Университете, подробно рассказывая про построение электронного компьютера. Но стоило им упомянуть, что такое устройство потребует около 2000 радиоламп и несколько тысяч ламп накаливания, как их едва не высмеяли. Университетские ученые классифицировали затею, как фантазию двух мечтателей. Дело в том, что крупнейшие электронные устройства того времени состояли всего лишь из нескольких сотен электронных ламп.
Но критика профессоров не повлияла на решение друзей выполнить задуманное и собрать новую модель.
(друзья-ученые Цузе и Шреер)
Пытаясь найти финансирование Цузе попытался заключить контракт с бывшим производителем механических калькуляторов Куртом Паннке. На что получил вежливый отказ. Паннке выразил уверенность в том, что в области вычислительных машин уже изобрели все возможное. Тем не менее, бывший производитель калькуляторов согласился посетить мастерскую Цузе и был так впечатлен его работой, что решил дать изобретателю семь тысяч рейхсмарок.
Стремление к совершенству
Начало второй мировой войны положило конец совместным исследованиям, Цузе призвали в нацистскую армию. Там он провел менее полугода. Благодаря ходатайству влиятельных инженеров и ученых в 1940 году Цузе демобилизовался в Берлин, где стал членом гитлеровской научной элиты.
Работа над созданием релейной электронной вычислительной машины возобновилась. Шреер снова предложил свои услуги. Ученые обратились за финансовой поддержкой к военному руководству, предлагая разработать современное устройство для военно-воздушных сил Германии. Такая машина могла быстро обрабатывать сложные расчеты, повышая тем самым эффективность тактической авиации. По предварительной оценке ученых на изобретение подобного аппарата потребовалось бы около двух лет. Но военные ответили отказом. Руководство вермахта было убеждено, что за такой срок нацистская Германия уже достигнет мирового господства.
В том же году Цузе начал разработку Z3 — машины полностью построенной на реле, но с логической структурой от Z1 и Z2. Она была готова к эксплуатации в 1941 г., за 4 года до разработки американских ученых — электронного цифрового компьютера ENIAC.
Программируемая вычислительная машина Z3 и была создана на базе электронных реле (600 для арифметического устройства, 1400 для памяти и 400 для блока управления). Во всех других аспектах она напоминала Z1 и Z2: двоичная система исчисления, числа с плавающей запятой, арифметическое устройство с двумя 22-разрядными регистрами, управление через 8 канальные ленты (т.е. команда состоит из 8 битов). Каждое из слов могло быть помещено в память компьютера за один тактовый цикл. Общий общем памяти достигал 64 слов по 22 бита. Именно этой машиной был впервые применен современный принцип адресного распределения памяти, когда каждое 22-разрядное слово можно поместить в память или извлечь из нее командами PRz и PSz (z — соответствующий регистр оперативного запоминающего устройства с адресами от 1 до 64). Арифметический модуль компьютера составляли параллельные сумматоры, которые применялись для обработки логарифмических выражений и чисел с плавающей запятой.
Цузе разработал свой набор инструкций, который включал около десяти основных и нескольких десятков дополнительных команд. Это был самый настоящий язык программирования использовавшийся для задания сложных алгоритмов вычислений. Так что Цузе приписывают еще и создание первого языка программирования высокого уровня — Планкалкюль (на немецком Plankalkül — «исчисление планов»). Его характерными особенностями были: свободная переносимость (независимость от архитектуры и набора команд машины), операторы условия (кроме ELSE), циклы, подпрограммы, отсутствие рекурсии, работа с массивами и подмассивами, а также сложный синтаксис
В декабре 1941 года Z3 был введен в эксплуатацию и тут же взят на вооружение производителями военных самолетов. Именно с помощью Z3 обсчитывались аэродинамические и баллистические характеристики первых немецких крылатых ракет.
После успешного внедрения в военную промышленность Z3, Цузе заключил контракт с Научно-исследовательским управлением ВВС Германии (DIV) на проектирование электрической вычислительной машины нового поколения.
Новая модель была очень похожа на Z3, включая в себя все усовершенствованные разработки Цузе. Этот компьютер включал элементы: 2500 реле, 21 ступенчатое реле. Он обладал уже 1024 регистрами памяти для хранения 22-битных слов. Благодаря более мощному процессору повысилась скорость выполнения преобразования двоичных чисел. Z4 имел устройство для подготовки программы. Также он умел избегать исчисления неверных результатов. Потребляемая мощность машины составляла 4 кВт.
Создание нового компьютера заняло три года и к декабрю 1944 проект подходил к завершению. Работая над Z4, изобретатель ставил главной целью построить прототип машины, которая в дальнейшем сможет производится тысячами. Но отсутствие нужных материалов и сложная ситуация в стране (разгар военных действий), сделали эту задачу практически невыполнимой. Во время одного из налетов авиации на Берлин первый экземпляр Z3 был полностью разрушен, а когда в мае 1945 года в столицу Германии вошла советская армия, Цузе был вынужден бежать вместе с семьей в Баварию. С собой он конечно же прихватил уже собранный компьютер Z4. В Баварских Альпах он спрятал машину до более спокойных времен.
Основные характеристики Z4
Реализация: Реле, память — металлические пластины
Частота: 30 Гц
Вычислительный блок: обработка чисел с плавающей запятой, длина машинного слова — 32 бита
Средняя скорость расчета: 0,4 секунды для сложения, 0,3 секунды для умножения
Средняя скорость вычислений: 11 операций умножения в секунду
Ввод данных: десятичная клавиатура, устройство считывания с перфоленты
Вывод данных: печатная машинка марки «Mercedes»
Память: 64 слова по 22 бита
Вес: около 1000 кг
В 1948 году Цузе связался с профессором Эдуардом Штифелем, который признал Z4 пригодным для научных расчетов. Несмотря на немного старомодный технологии машины, Штифель был впечатлен простотой программирования и мощностью арифметического устройства с его способностью обработки исключений.
Ободренный успехом, Цузе создал собственную фирму Zuse KG. По сути, это была первая в мире коммерческая компания, занимающаяся исключительно развитием и производством компьютерных технологий для авиации и оптической промышленности, университетских лабораторий. Компания наладила выпуск коммерческих компьютеров, популярных в Германии 50-х годов (Z5, Z11, Z22 и Z23). Фирма Цузе создала первый компьютер с памятью на магнитных носителях Z22.
(компьютер с памятью на магнитных носителях Z22)
Несмотря на инженерный талант и усердие, Цузе отставал от своих американских конкурентов. Послевоенная Германия была не самым подходящим местом для инноваций в электронное будущее. Все средства правительства шли на восстановление страны. Да и у Цузе не было инфраструктуры, необходимой для дальнейших разработок. Он не мог вовремя узнавать о новых приборах и программах.
И уже в 60-х годах рынок Европы активно заполнили американские электронно-вычислительные машины, которые постепенно вытеснили компьютеры Цузе. В 1962 году фирма была продана компании «Brown Boveri and Co», а в последствии вошла в состав корпорации «Siemens».
Конрад Цузе называл себя аполитичным человеком. Делом всей своей жизни он считал развитие компьютерных технологий в Германии и сожалел, что так и не осуществил свою мечту — создать переносной персональный компьютер для деловых людей. В этом его опередили американские разработчики. После продажи компании он занялся своим давним увлечением — живописью. И даже написал несколько портретов известных людей в мире компьютерных технологий. Одним из них был Билл Гейтс, с которым Вузе познакомился на выставке.
(Цузе за вторым своим любимым занятием)
Конрад Цузе умер в 1995 году в городе в Хюхнфельд (Германия), дожив до восьмидесяти пяти лет.
Оригиналы Z1, Z2 и Z3 не сохранились до наших дней, они были разрушены во время бомбардировок Берлина в 1945 году. Зато Цузе удалось спасти компьютер Z4, который находится на родине изобретателя в Техническом музее Берлина.
Калифорнийский Музей истории компьютеров в Маунтин-Вью посмертно включил в свой состав Конрада Цузе, как выдающегося изобретателя первого полностью автоматизированного компьютера с программным управлением.
«Компьютеры Гитлера»: как Германия стала родиной программируемых машин
Практичные немцы собрали из списанных телефонов программируемые машины, на которых рассчитывали и конструировали ракеты «Фау».
Миру понадобились мощные вычислительные устройства, и они появились уже в сороковых годах XX века. Первые машины были электромеханическими — там, где у современных компьютеров сейчас транзисторы, у них стояли реле.
Изобретатель первых компьютеров
Мало кто слышал про Конрада Цузе, хотя он создал первую в мире вычислительную машину с программным управлением. С этим согласны даже в США и в Англии — странах, которые борются за звание родины первых компьютеров.
Правда, есть нюанс — Цузе строил машины в нацистской Германии, поэтому их называли «компьютерами Гитлера». Но, к чести изобретателя, он не состоял в партии и не поддерживал её идеологию, хотя и не протестовал против неё в открытую. А его устройства никак не повлияли на ход войны.
Программист, консультант, специалист по документированию. Легко и доступно рассказывает о сложных вещах в программировании и дизайне.
Компьютер из печатной машинки и пылесоса
Поначалу Конрад Цузе не работал с вычислительными машинами. Во время учёбы ему приходилось проводить сложные расчёты на логарифмической линейке. В 1935 году он получил диплом инженера и устроился на авиационный завод.
«Берлин — это красивый город, который открывает перед молодым человеком много возможностей приятно провести время — например, с хорошенькой девушкой. Но вместо этого нам приходилось выполнять сложнейшие расчёты».
Построить автоматическую машину для рутинных расчётов Цузе решил, ещё когда был студентом. Он год проработал на заводе, а потом уволился и начал собирать компьютер.
В 1938 году в доме родителей Цузе построил действующую модель электромеханического вычислителя и присвоил ей название, включавшее первую букву его фамилии — Z1.
Компьютер хранил и обрабатывал числа в двоичном коде — от десятичного изобретатель сразу отказался. Денег у Цузе было мало, поэтому он вовсю применял подручные средства. Например, в качестве переключателей использовал металлические пластины: вместе с друзьями вручную выпилил лобзиком 20 000 пластин.
Для ввода данных установили клавиатуру из переделанной печатной машинки, а для вывода результатов — панель с мигающими лампочками.
Устройство Цузе весило полтонны и работало на моторе от пылесоса, но у него были почти все элементы современных компьютеров: регистры памяти, арифметико-логическое устройство, интерфейсы ввода и вывода.
У Z1 был отдельный блок памяти из 64 слов по 22 бита. Он умел работать с 22-битными числами с плавающей запятой. Машина складывала числа в течение 5 секунд, умножала — 10 секунд. Чтобы получить результат, она смещала пластины в определённом порядке.
Условных переходов и циклов не было. Программы (а у компьютера была система из 9 команд) в памяти не хранились, поэтому каждый раз их вводили вручную.
Конечно, Z1 был демонстрационной моделью без возможности практического применения. Он постоянно ломался и ошибался в вычислениях. Но прототип доказал, что создать программируемую машину возможно.
Компьютер на старых телефонных реле
Чтобы построить вторую, более совершенную, модель, Цузе долго искал деньги. Но это была не единственная проблема — началась Вторая мировая война, и он потерял связь с коллегами из Америки и Англии.
Его друг, инженер Гельмут Шреер, посоветовал заменить металлические пластины электронными лампами. Друзья предложили идею Берлинскому университету, но там их назвали фантазёрами, потому что они просили две тысячи радиоламп и несколько тысяч ламп накаливания. В то время никто не использовал в одном устройстве больше ста радиоламп.
Цузе пошёл к бизнесменам, но ему сказали, что в области вычислительных машин уже всё изобрели. Тогда учёный обратился к военным и предложил построить устройство для авиационных расчётов. Но когда те узнали, что работа займёт два года, Цузе отказали — к тому времени страна надеялась выиграть войну.
В 1940 году изобретателя поддержал Институт аэродинамических исследований, и он начал строить Z2. Пластины заменили более надёжными электромеханическими реле. Денег не хватало, поэтому использовали детали из телефонов.
К концу 1940 года модель Z2 была готова. Вычислительный блок состоял из 800 реле, а память — по-прежнему из пластин. Данные вводили с клавиатуры и перфолент (Цузе пробивал отверстия в старой киноплёнке). Блок памяти Z2 состоял из 16 слов по 16 бит, умножение компьютер выполнял уже за 5 секунд, сложение — за 0,8 секунды.
Машина для расчёта полёта крылатых ракет
Вскоре Цузе начал разработку Z3 — в нём сохранили логическую структуру Z1 и Z2, но полностью отказались от пластин. Компьютер был готов в декабре 1941 года.
Надёжностью и характеристиками Z3 сильно превосходил своих предшественников. Машина весила тонну, у неё была память на 64 числа с плавающей запятой на 22 разряда. Умножал и делил компьютер за 3 секунды, складывал — за 0,7 секунды.
У Z3 было практическое применение: с его помощью рассчитывали параметры первых крылатых ракет «Фау». Позже Цузе рассказывал про опыт работы с военными:
«Слишком часто изобретатель становится фаустовским идеалистом, который мечтает улучшить мир, но проигрывает суровой реальности. Если он хочет воплотить идеи в жизнь, то должен взаимодействовать с силами, чьи взгляды выражены резко и категорично. В наше время эти силы — в основном армия и государственный управленческий аппарат. По моему опыту, шансы того, кто попытается избежать такого взаимодействия, стремятся к нулю».
Сегодня Z3 считается первым в мире работоспособным программируемым компьютером.
Компьютер, который прятали в подвале
Когда Цузе отдал Z3 заказчику, он начал проектировать Z4. Его целью было сделать машину для серийного производства.
Подробнее про Plankalkül, машинный код и первого программиста читайте в статье «Опережая время: какой язык программирования считается первым».
К декабрю 1944 года Z4 был почти готов, но во время бомбардировок Берлина его чуть не уничтожили. К счастью, Цузе смог спасти Z4 — в марте он вывез компьютер в деревню в Альпах и хранил его там три года.
Окончательно машину достроили уже в 1950 году. В то время это был единственный цифровой компьютер в Европе. Архитектурой Z4 напоминал современные ПК: его память и процессор были отдельными устройствами, программа хранилась на ленте, а операторы считывались и выполнялись последовательно. Память Z4 состояла из 32-битных, а не 22-битных машинных слов, как у предыдущих моделей.
Z4 работал с частотой 30 Гц и обрабатывал числа с плавающей запятой. Он умел складывать, вычитать, умножать и делить, извлекал квадратный корень и обрабатывал исключения. Для ввода данных использовались десятичная клавиатура и устройство считывания с перфоленты, а для вывода — печатная машинка Mercedes.
У Z4 было устройство для подготовки программ. На нём составляли и редактировали программу, а потом переносили её на перфоленту.
Компьютер использовали для сложных вычислений до 1960 года. Сегодня он находится в Немецком музее в Мюнхене.
В 1950-е годы Цузе открыл свой бизнес и начал выпускать компьютеры: популярными стали Z5, Z11, Z22, Z23. Начиная с Z22 для хранения данных он начал использовать магнитные носители.
Компьютеры Цузе использовали в авиации и университетах. Но в шестидесятых их вытеснили американские ЭВМ. Фирму Цузе купила Siemens, а изобретателю дали должность консультанта. В 1987 году за деньги Siemens Цузе сделал копию компьютера Z1. Сегодня действующий Z1 находится в Национальном технологическом музее Берлина.