Z3 был немецким электромеханическим компьютером, разработанным Конрадом Цузе в 1938 году и завершенным в 1941 году. Это был первый в мире работающий программируемый , полностью автоматический цифровой компьютер . [3] Z3 был построен с 2600 реле , реализуя 22- битную длину слова , которая работала с тактовой частотой около 5–10 Гц . [1] Программный код хранился на перфорированной пленке . Начальные значения вводились вручную. [4] [5] [6] : 32–37
Z3 был завершен в Берлине в 1941 году. Он не считался жизненно важным, поэтому никогда не вводился в повседневную эксплуатацию. [4] [5] [7] [6] : 30, 38–39 [a] На основе работы немецкого инженера- аэродинамика Ганса Георга Кюсснера (известного эффектом Кюсснера ) была написана «Программа для вычисления сложной матрицы» [b], которая использовалась для решения проблем флаттера крыла . Цузе обратился к немецкому правительству с просьбой о финансировании замены реле полностью электронными переключателями, но в финансировании было отказано во время Второй мировой войны, поскольку такая разработка была признана «не имеющей военного значения». [11] : 148
Оригинальный Z3 был уничтожен 21 декабря 1943 года во время бомбардировки Берлина союзниками . Первоначально Z3 назывался V3 ( Versuchsmodell 3 или Experimental Model 3), но был переименован, чтобы его не путали с немецким оружием V. [12] Полностью функционирующая копия была построена в 1961 году компанией Цузе, Zuse KG , которая сейчас находится в постоянной экспозиции Немецкого музея в Мюнхене . [6] : 30
В 1998 году было продемонстрировано, что Z3 в принципе является полным по Тьюрингу . [13] Однако, поскольку в нем отсутствует условное ветвление , Z3 соответствует этому определению только путем спекулятивного вычисления всех возможных результатов расчета.
Благодаря этой машине и ее предшественникам Конрада Цузе часто называли изобретателем компьютера. [14] [15] [16] [17]
Цузе спроектировал Z1 в 1935–1936 годах и построил его в 1936–1938 годах. Z1 был полностью механическим и работал максимум несколько минут за раз. Хельмут Шрайер посоветовал Цузе использовать другую технологию. Будучи докторантом Высшей технической школы в Шарлоттенбурге (ныне Берлинский технический университет ), в 1937 году он работал над реализацией булевых операций и (в современной терминологии) триггеров на основе электронных ламп . В 1938 году Шрайер продемонстрировал схему на этой основе небольшой аудитории и объяснил свое видение электронной вычислительной машины, но поскольку самые большие действующие электронные устройства содержали гораздо меньше ламп, это считалось практически неосуществимым. [2] В том году, представляя план компьютера с 2000 электронными лампами, Цузе и Шрайер, который был ассистентом в Институте телекоммуникаций Вильгельма Штеблайна Техническом университете Берлина , были обескуражены членами института, которые знали о проблемах с технологией электронных ламп. [10] : 113, 152 Позже Цузе вспоминал: «Они улыбались нам в 1939 году, когда мы хотели построить электронные машины... Мы сказали: Электронная машина замечательная, но сначала нужно разработать компоненты ». [10] : 102 В 1940 году Цузе и Шрайеру удалось организовать встречу в Верховном командовании вермахта (OKW), чтобы обсудить потенциальный проект по разработке электронного компьютера, но когда они оценили продолжительность в два или три года, предложение было отклонено. [10] : 115
Цузе решил реализовать следующую конструкцию на основе реле. Реализации Z2 финансово помог Курт Паннке, который производил небольшие вычислительные машины. Z2 была завершена и представлена аудитории Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt («Немецкая лаборатория авиации») в 1940 году в Берлине-Адлерсхофе. Цузе повезло — эта презентация была одним из немногих случаев, когда Z2 действительно работала и смогла убедить DVL частично профинансировать следующую конструкцию. [2]
В 1941 году, улучшив базовую машину Z2, он построил Z3 в рамках строго секретного проекта немецкого правительства. [18] Йозеф Йенниссен (1905–1977), [19] член «Научно-исследовательского руководства» ( Forschungsführung ) в министерстве авиации Рейха [20] выступал в качестве государственного инспектора по заказам министерства для компании Цузе ZUSE Apparatebau . [21] Еще одним посредником между Цузе и министерством авиации Рейха был аэродинамик Герберт А. Вагнер . [22]
Z3 был завершен в 1941 году и был быстрее и намного надежнее, чем Z1 и Z2. Арифметика с плавающей точкой Z3 была улучшена по сравнению с Z1 тем, что она реализовала обработку исключений «используя всего несколько реле», исключительные значения (плюс бесконечность, минус бесконечность и неопределенность) могли быть сгенерированы и переданы через операции. Кроме того, была добавлена инструкция квадратного корня.
Z3, как и его предшественники, хранил свою программу на внешней перфоленте, поэтому для изменения программ не требовалось перемонтажа. Однако у него не было условного ветвления, которое было в более поздних универсальных компьютерах. [23] : 7
12 мая 1941 года Z3 был представлен аудитории учёных, в том числе профессорам Альфреду Тайхману и Курту Шмидену [24] из Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt («Немецкой авиационной лаборатории») в Берлине , [25] сегодня известной как Немецкая лаборатория авиации. Аэрокосмический центр в Кельне . [26]
Цузе перешел к проекту Z4 , который он завершил в бункере в горах Гарц , параллельно с разработкой баллистической ракеты Вернера фон Брауна . Когда Вторая мировая война закончилась, Цузе отступил в Хинтерштайн в Альпах с Z4, где он оставался в течение нескольких лет. [27]
Z3 работал как стековая машина со стеком из двух регистров, R1 и R2. Первая операция загрузки в программе загружала содержимое ячейки памяти в R1; следующая операция загрузки загружала содержимое ячейки памяти в R2. Арифметические инструкции работали с содержимым R1 и R2, оставляя результат в R1 и очищая R2; следующая операция загрузки загружала в R2. Операция сохранения сохраняла содержимое R1 в ячейку памяти и очищала R1; следующая операция загрузки загружала содержимое ячейки памяти в R1. [23] : 8
Операция чтения клавиатуры прочитает число с клавиатуры в R1 и очистит R2. Инструкция отображения отобразит содержимое R1 и очистит R2; следующая инструкция загрузки загрузит в R2. [23] : 8
На Z3 можно было строить циклы, но не было инструкции условного перехода . Тем не менее, Z3 был полным по Тьюрингу — как реализовать универсальную машину Тьюринга на Z3, было показано в 1998 году Раулем Рохасом . Он предположил, что программа на ленте должна быть достаточно длинной, чтобы выполнить каждый возможный путь через обе стороны каждой ветви. Она вычисляла бы все возможные ответы, но ненужные результаты были бы отменены (своего рода спекулятивное выполнение ). Рохас заключает: «Поэтому мы можем сказать, что с абстрактной теоретической точки зрения вычислительная модель Z3 эквивалентна вычислительной модели современных компьютеров. С практической точки зрения и с точки зрения того, как Z3 был действительно запрограммирован, он не был эквивалентен современным компьютерам». [13]
Это кажущееся ограничение противоречит тому факту, что Z3 предоставлял практический набор инструкций для типичных инженерных приложений 1940-х годов. Учитывая существующие ограничения оборудования, главной целью Цузе в то время было получить работоспособное устройство, которое облегчило бы его работу в качестве гражданского инженера . [28]
Успех Z3 Цузе часто приписывают использованию в нем простой двоичной системы. [6] : 21 Она была изобретена примерно тремя столетиями ранее Готфридом Лейбницем ; Буль позже использовал ее для разработки своей булевой алгебры . Цузе был вдохновлен книгой Гильберта и Аккермана по элементарной математической логике «Принципы математической логики» . [10] : 113, 152 В 1937 году Клод Шеннон представил идею отображения булевой алгебры на электронные реле в основополагающей работе по проектированию цифровых схем . Однако Цузе не знал о работе Шеннона и разработал основу самостоятельно [11] : 149 для своего первого компьютера Z1 , который он спроектировал и построил с 1935 по 1938 год.
Коллега Цузе Гельмут Шрайер построил в 1942 году электронную цифровую экспериментальную модель компьютера, использовавшую 100 электронных ламп [29] , но она была утеряна в конце войны.
Аналоговый компьютер был построен ученым-ракетчиком Гельмутом Хёльцером в 1942 году в армейском исследовательском центре Пенемюнде для моделирования [30] [31] [32] траекторий ракеты V-2 . [33] [34]
Colossus (1943), [35] [36] построенный Томми Флауэрсом , и компьютер Атанасова-Берри (1942) использовали термоэлектронные лампы (вакуумные трубки) и двоичное представление чисел. Программирование осуществлялось посредством переподключения коммутационных панелей и установки переключателей. [ необходима цитата ]
Компьютер ENIAC , завершенный после войны, использовал вакуумные трубки для реализации переключателей и использовал десятичное представление чисел. До 1948 года программирование осуществлялось, как и в случае с Colossus, с помощью соединительных проводов и переключателей. [37] [38]
Manchester Baby 1948 года, а также Manchester Mark 1 и EDSAC 1949 года были самыми ранними в мире рабочими компьютерами, которые хранили программные инструкции и данные в одном и том же пространстве. В этом они реализовали концепцию хранимой программы , которую часто (но ошибочно) приписывают статье 1945 года Джона фон Неймана и его коллег. [39] [40] Говорят, что фон Нейман отдал должное Алану Тьюрингу , [35] [41] и эта концепция фактически была упомянута ранее самим Конрадом Цузе в заявке на патент 1936 года (которая была отклонена). [42] [43] Сам Конрад Цузе вспоминал в своих мемуарах: «Во время войны в любом случае было бы едва ли возможно построить эффективные устройства с хранимой программой». [44] Фридрих Л. Бауэр позже писал: «Его провидческие идеи (живые программы), которые были опубликованы только годы спустя, были направлены в правильном практическом направлении, но никогда не были им реализованы». [45] [46]
Современная реконструкция под руководством Рауля Рохаса и Хорста Цузе началась в 1997 году и закончилась в 2003 году. Сейчас она находится в музее Конрада Цузе в Хюнфельде, Германия. [47] [48] Память была уменьшена вдвое до 32 слов. Потребляемая мощность составляет около 400 Вт, а вес — около 30 килограммов (66 фунтов). [49]
В 2008 году Хорст Цузе начал реконструкцию Z3 самостоятельно. [50] Он был представлен в 2010 году в музее Конрада Цузе в Хюнфельде. [51] [52]
Мужская шляпа 1939 года была очень горячей, а также с электронным покрытием. […] Что мы знаем: Die elektronische Maschine ist wunderbar, aber erst müssen ihre Bauelemente entwickelt werden.
С разных сторон Конрад Цузе был удостоен звания "Изобретатель компьютера".
Центр информационной техники имени Конрада Цузе в Берлине (ZIB), основанный в 1986 году, является действующим памятником немецкому изобретателю компьютера.
он [Цузе] построил первый в мире компьютер в Берлине
Цузе получил полуофициальный титул «изобретателя современного компьютера» за свою серию автоматических калькуляторов, которые он изобрел, чтобы облегчить себе длительные инженерные расчеты.
{{cite book}}: CS1 maint: ignored ISBN errors (link)В случае с Кригами вы можете легко получить дополнительную информацию, используя специальные программы.(Примечание. Существует перевод на английский язык.)
[Zuses] erst Jahre später publizierten Visionären Ideen (Lebendige Rechenpläne) zielten in die richtige praktische Richtung, wurden von ihm aber nie verwirklicht.[Провидческие идеи [Цузе] (Живые программы), которые были опубликованы лишь спустя годы, были направлены на правильное практическое направление, но так и не были им реализованы.]
