Дек 072018
 

Вначале был Цузе

Родина первого компьютера – Германия, а если точнее – Третий Рейх и назывался он – «V1», т.е. «Фау1». Первым человеком, который не только спроектировал и изготовил, но и практически использовал программируемую вычислительную машину, был Конрад Цузе.

Механическое вычислительное устройство, которое Конрад назвал V1(Versuchsmodel 1), было построено им в гостиной дома своих родителей в Берлине. Строительство первой в мире двоичной программируемой вычислительной машины, началась в 1936 году и закончилось в 1938 году.

Первый компьютер Конрада Цузе

Так неказисто выглядел первый в мире программируемый компьютер

Симулятор компьютера Z1 образца 1938г.

Симулятор компьютера Z1 образца 1938г.

Цузе был неплохим художником и его первым желанием после окончания средней школы, было желание изучать архитектуру. В то же время, у него был талант конструктора и изобретателя, его удивительные модели механизмов производили большое впечатление на его одноклассников. В конце концов он остановил свой выбор на строительстве.

Конрад поступает в Берлинский Технический университете в Шарлоттенбурге. Там он научился выполнять  расчеты  нагрузок на различные строительные конструкции. Эти расчеты проводились в специальных таблицах, где уже были предварительно напечатаны формулы и задача инженера состояла лишь в том, чтобы просто вписать данные в эти формулы, а затем последовательно выполнить все вычисления. Конечно, такую рутинную работу могла выполнить и машина.

Тогда-то Конрад впервые задумывался над возможностью автоматизировать эту задачу. Размышляя о будущей машине, он сформулировал основные принципы, на которых должны работать его компьютеры:


■ двоичная система счисления
■ использование устройств, работающих по принципу логических 0 и 1
 полностью автоматизированный процесс работы вычислителя
 программное управление процессом вычислений
 поддержка арифметики с плавающей запятой
 использование памяти большой емкости.

В 1935 году, после окончания университета, Цузе начал работать на авиационном заводе фирмы Хеншель в Берлине. Он отвечал за выполнение статических расчетов. Однако уже через несколько месяцев он уволился с завода, так как решил заняться изобретательством. Цузе стал предпринимателем и его первым творением должна была стать вычислительная машина. 

В 1936 году он начал строить вычислительную машину, которая до этого момента существовала только в его воображении.

Создавать V1 ему помогали друзья, кто-то своими руками, а кто-то своими деньгами. Это, может быть самое главное отличие между Цузе и другими изобретателями компьютера. Работавшие в это время в США Атанасов, Айкен, Мочли и Эккерт использовали ресурсы университетов или компаний, а Конрад Цузе работал в одиночку. Вся логическая и механическая конструкции машины были его собственной разработкой. Цузе начиная с нуля,  разработал совершенно новый тип механической конструкции. Настольные калькуляторы того времени были основаны на десятичной системе и работали с использованием вращающихся механических компонентов, а Цузе решил использовать двоичную систему. Наконец в 1938 году V1 заработала. Никто, кроме Цузе, не понимал в полной мере, как эта машина работает…  

Из-за ненадежной работы составных элементов V1 работала крайне неустойчиво. Для решения этой проблемы, друг Цузе инженер-электронщик Гельмут Шрайер, предложил использовать электронно-вакуумные лампы. В 1938 году Шрайер и Цузе даже показали некоторые электронные схемы специалистам университета. Когда те их спросили, сколько вакуумных ламп потребуется для вычислительной машины, они ответили, что около двух тысяч. Специалистам такое количество  ламп показалось чрезмерным. Наиболее сложные электронные схемы того времени, требовали нескольких сотен, а не тысяч  вакуумных ламп. В финансировании было отказано. Несколько лет спустя,

ENIAC
, построенный на электро-вакуумных лампах, показал, что это хотя и дорого, но надежно и возможно.

Вскоре началась Вторая мировая. Цузе был призван на службу в армию, там он пробыл шесть месяцев.  Ему удалось получить перевод в Берлин на авиационный завод концерна Хеншель. Там он должен был заниматься расчетом стабилизации летающей бомбы (крылатой  ракеты). Ему удалось разработать первый в мире аналого-цифровой преобразователь. Параллельно с основной работой, он работал над новым компьютером.


Чтобы компьютер V1 не путали с ракетой V1, Цузе решил дать компьютеру новое имя – Z1.

В 1939 году Цузе построил машину Z2, заменив «железо» на реле. Демонстрация работающей Z2, позволила ему получить от Немецкого авиационного научно-исследовательского института финансирование разработки Z3 и в 1941 году компьютер был создан.

Продолжая работать на заводе Хеншель, Цузе в 1941 году открывает свою компанию Zuse Ingenieurbüro und Apparatebau, Это была первая в мире компания, основанная исключительно с целью разработки компьютеров. Успех с Z3 принес Цузе контракты, позволившие ему разработать новый компьютер Z4. Компьютер был построена в 1945 году. Перед тем как Берлин был занят советскими войсками, Цузе вылетел с Z4 в Южную Германию. Когда эта часть Германии была оккупирована американцам, Цузе был допрошен британскими и американскими военными экспертами. Очевидно Z4 не произвела на экспертов впечатление и Цузе не попал в число ученых, которые закончили свою карьеру работая на союзников.

После войны Цузе продолжал работать над двумя основными проектами. Он разрабатывал алгоритмический язык Plankalkül (исчисление программ) и занимался развитием своей компании. Plankalkül можно считать первым языком программирования высокого уровня. Компания Цузе стала возрождаться после того, как профессор Штайфель из Технического университете Цюриха, увидел в работе Z4, решил арендовать компьютеры для своего университета. Z4 были установлены в Цюрихе в 1950 году. Это были первые коммерчески эксплуатируемые  компьютеры в мире. Это случилось за несколько месяцев до того как в США появились первые серийные   UNIVAC.

Компания под новым именем KG Zuse, выпускала все новые и новые марки компьютеров – Z5, Z11, Z22, Z23 и т.д. Однако не выдержав конкуренции со стороны мощной американской компьютерной индустрии в Европе, Цузе был вынужден в 1962 году продать свою компанию Brown, Boveri & Cie., а затем и Siemens. 

Оглядываясь назад, можно сказать, что самым большим достижением Конрада Цузе стала разработка семейства цифровых, с плавающей точкой, программируемых ЭВМ. Эти машины были построены в почти полной интеллектуальной изоляции в период с 1936 по 1945 год.

Конрад Цузе:

 первым создал программно управляемую вычислительную машину

 первым определил, что обработка данных начинается с бита (бит он называл «статусом да/нет», а формулы двоичной алгебры – условными суждениями),

 первым ввел термин «машинное слово»

 первым объединил арифметические и логические операции в одном устройстве (АЛУ)

■ первым разработал и применил язык программирования высокого уровня

Конрад Цузе прежде всего был гражданским инженером и начал создавать компьютеры для облегчения своей профессиональной деятельности. Именно поэтому его машины так похожи на выпускаемые сегодня компьютеры.

Его мечтой всегда было создание небольшого компьютера для бизнеса и научных приложений.



Посмотрите 3D модель Z1

Поработайте на симуляторе Z1
Параметры некоторых компьютеров Конрада Цузе

Z1 1938


Z1 1938


 занимаемая площадь –  около 4 м²
 вес – около 500 кг.
 двоичный механический вычислитель с электрическим приводом
 возможность программирования.
■ ввод-вывод в десятичной системе, в виде чисел с плавающей запятой.
 устройство ввода команд и данных  при помощи клавиатуры, сделанной на основе пишущей машинки
 устройство чтения перфокарт
 устройство вывода – панель индикации на лампочках
память выполнена на конденсаторах (чередующиеся слои стекла и металлических пластин)
 объем памяти – 64 вещественных числа (число состояло из 14-битов для мантиссы и 8 бит для знак и порядка)
 считываемые инструкции программы исполнялись, не загружаясь в память
 процессор имел 2 22-битных регистра
 тактовая частота составляла 1 Гц.
 быстродействие — в среднем 1 умножение за 5 сек.
 потребляемая мощность 1 киловатт


Z2 1939

 Z2 1939 


 тактовая частота – 5 Гц
 устройство ввода перфоленты (35-мм фотоплёнка)

 вычислительный процессор – с фиксированным положением запятой, длина машинного слова 16 бит

 быстродействие – 0,8 секунды на одну операцию сложения
 количество реле в вычислительном процессоре – 600
 память – 64 машинных слова 
 потребляемая мощность  -1000 Вт

 вес – 300 кг


Z3 1941

Z3 1941

Z3 1941


 частота – 5,3 Гц
 арифметическое устройство – с плавающей точкой (слово-22 бита, операции +, -, *, /, квадратный корень)
■ средняя скорость вычисления – операция сложения 0,8 секунд, умножения 3 секунды
■ элементов – 2600 реле (600 в арифметическом устройстве, 2000 в устройстве памяти). Мультиплексор для выбора адресов памяти.
 память – 64 слова с длиной в 22 бита.
 ввод – десятичные числа с плавающей запятой
■ вывод – десятичные числа с плавающей запятой
■ ввод программы –  с перфорированной ленты
■ потребляемая мощность –  4 кВт.
■ вес – 1000 кг

Z3 — первая полнофункциональная программно управляемая и свободно программируемая в двоичном коде с плавающей запятой рабочая вычислительная машина. Обладала всеми атрибутами современной ЭВМ.
Машина представляла собой двоичный вычислитель с ограниченной программируемостью.

Порядок вычислений можно было выбрать заранее, однако условные переходы и циклы отсутствовали. 

Для хранения программ использовалась внешняя перфорированная лента.

Z3 использовался немецким Исследовательским институтом аэродинамики для расчётов, связанных с конструированием самолётов и управляемых ракет. Единственный образец компьютера вместе с другими ранними разработками Цузе был уничтожен во время налёта союзнической авиации в 1945 году.


Z4 1945

Z4 1945

Z4 1945

Z4 от своего предшественника  отличался тем, что:


■ имел язык программирования высокого уровня – Планкалкюль (план исчисления).
■ имел устройство для подготовки программы. Программу Цузе рассматривал (и называл) как план, отсюда и немецкое название этого блока компьютера — “Planfertigungteil” (дословно — “устройство подготовки планов”). С помощью названного устройства было легко составлять, редактировать, копировать программу на перфоленте и, сверх того, за считанные часы изучить программирование на Z4.
■ умел избегать  вычислений неправильных чисел — это позволяло оставлять компьютер в “одиночестве” и днем, и ночью без человеческого контроля, например деления  на нуль .
■ обладал двумя считывателями данных с перфолент (в оригинальной версии планировалось до шести таких считывателей).


Z22 1955

Z22 1955

Z22 1955

Z22  одна из первых в мире вычислительных машин, использующих память на  магнитных сердечниках и магнитных барабанах.

 
 элементная база – 500 вакуумных ламп и 2400 диода  
■ тактовая частота – 140 кГц с механической стабилизацией.
■ разрядность –  38-битное машинное слово для вычислений с плавающей запятой
■ средняя скорость – операции сложения за 0,6 мс, операции умножения — за 10 мс, операции деления — за 60 мс, и операции извлечения квадратного корня — за 200 мс.
■ ввод данных – перфорированная лента (скоростью 200 символов в секунду).
■ вывод — на перфорированную ленту или на печатную машинку.
■ внешняя память – магнитный барабан со скоростью вращения 6000 об/мин
■ ОЗУ – 8192 слов, на ферритовых сердечниках. 
■ потребляемая мощность – около 3,5 киловатт
■ вес – около 1000кг..

Источники: Рауль Рохас,«Конрад Цузе», Все вычислительные машины Конрада Цузе

 07.12.2018
Translate