Z3 Конрада Цузе (1941)

Инженер, уставший считать

Конрад Цузе родился 22 июня 1910 года в Берлине в семье почтового служащего. Детство он провел в Восточной Пруссии, в городке Браунсберг, затем семья переехала в Хойерсверду. Цузе рано проявил способности и к технике, и к рисованию: он строил модели из конструктора, придумывал проекты футуристических городов, рисовал плакаты и карикатуры. В Высшей технической школе Берлина-Шарлоттенбурга он несколько раз менял специальность - пробовал машиностроение, архитектуру - и в 1935 году окончил курс инженера-строителя.

После учебы Цузе поступил в авиастроительную фирму «Хеншель» и занимался расчетами прочности конструкций самолетов. Такие расчеты требовали решения больших систем линейных уравнений и сводились к бесконечным однообразным операциям на арифмометрах, которые выполняли целые группы расчетчиц. Цузе пришла мысль, что эту работу можно поручить машине: если записать расчет в виде заранее определенной последовательности простых шагов, машина сможет выполнять ее сама.

В 1936 году Цузе оставил работу в «Хеншеле» и начал строить вычислительную машину в гостиной квартиры своих родителей в Берлине. Деньги давали родители, сестра, друзья и однокурсники. Помогал и производитель арифмометров Курт Панке, поверивший в идею молодого инженера.

Z1: механический первенец

Первая машина, Z1 (первоначально V1), была закончена в 1938 году. Она была полностью механической: вместо электрических цепей в ней работали тысячи тонких металлических пластин, которые Цузе с друзьями выпиливали лобзиком. Уже в Z1 были заложены главные идеи, отличавшие машины Цузе от большинства современных ему устройств: двоичная система счисления вместо десятичной, представление чисел с плавающей запятой, разделение памяти и арифметического устройства, программа, вводившаяся с перфорированной ленты. В качестве ленты Цузе использовал старую 35-миллиметровую кинопленку, пробивая в ней отверстия.

Двоичная система была смелым выбором. Большинство механических счетных машин работали с десятичными цифрами, но Цузе понял, что двоичную цифру - 0 или 1 - гораздо проще представить положением пластины или контакта: «да» или «нет». К этой идее он пришел самостоятельно, не зная о трудах Лейбница, а также о проектах аналитической машины Чарльза Бэббиджа XIX века, о которых узнал позже.

Механика Z1 оказалась ненадежной: пластины заедали, машина часто ошибалась. Цузе решил перейти на электромеханические реле - переключатели, которые использовались в телефонных станциях.

Z2 и поддержка авиации

Друг Цузе, инженер-электротехник Хельмут Шрейер, предлагал идти еще дальше и строить машину на электронных лампах, которые работали бы в тысячи раз быстрее реле. Шрейер даже построил небольшие опытные схемы. По воспоминаниям Цузе и Шрейера, проект электронной машины из примерно двух тысяч ламп предлагали военному ведомству, но получили отказ: считалось, что война закончится раньше, чем машина будет готова. Насколько точно передают эти воспоминания реальное решение, проверить трудно.

В начале войны Цузе был призван в армию, но через несколько месяцев его по ходатайству «Хеншеля» отозвали для работы в авиационной промышленности. В 1939-1940 годах он построил переходную модель Z2 - с механической памятью от Z1 и релейным арифметическим устройством. Показ Z2 в Немецком научно-исследовательском институте авиации (DVL) прошел успешно, хотя, по воспоминаниям Цузе, машина работала лишь благодаря везению. Институт согласился частично финансировать следующую машину.

Устройство Z3

Z3 была завершена в 1941 году и 12 мая продемонстрирована группе ученых в Берлине. Она состояла примерно из 2600 телефонных реле, размещенных в трех шкафах высотой около двух метров: около 1400 реле приходилось на память, около 600 - на арифметическое устройство, остальные - на управление. Машина весила около тонны и потребляла около 4 киловатт.

Память Z3 вмещала 64 числа длиной 22 двоичных разряда. Числа хранились в формате с плавающей запятой: один разряд знака, семь - порядка и четырнадцать - мантиссы. Это позволяло работать как с очень большими, так и с очень малыми величинами, что было важно для инженерных расчетов. Такой формат в принципе напоминает тот, что используется в современных процессорах.

Машина умела складывать, вычитать, умножать, делить и извлекать квадратный корень. Тактовая частота составляла около 5 герц. Сложение занимало меньше секунды, умножение - около трех секунд. Человек за арифмометром выполнял бы такие операции медленнее, но главное преимущество было не в скорости, а в автоматизме: машина выполняла длинную последовательность действий без вмешательства оператора.

Программа записывалась на перфорированной кинопленке, которую машина считывала команда за командой. Исходные данные оператор вводил с клавиатуры в десятичной системе, машина сама переводила их в двоичную, а результат выводила на табло из ламп, вновь переводя в десятичную запись. Цузе предусмотрел и обработку исключительных ситуаций - например, деления на ноль или получения бесконечности.

Чего Z3 не умела

У Z3 не было команды условного перехода - возможности выбирать следующую операцию в зависимости от результата предыдущей. Программа исполнялась строго по порядку, как записана на ленте, хотя ленту можно было склеить в петлю и повторять вычисления. Программа также не хранилась в памяти машины вместе с данными, как в более поздних компьютерах с «архитектурой фон Неймана».

Поэтому вопрос о том, была ли Z3 «настоящим компьютером» в современном смысле, остается дискуссионным. В 1998 году немецкий специалист по информатике Рауль Рохас показал, что с помощью искусственных приемов на Z3 теоретически можно было бы реализовать любые вычисления, то есть машина была бы «полной по Тьюрингу». Однако сам Рохас подчеркивал, что на практике такие программы были бы крайне громоздкими и никто их не использовал.

Машина на службе авиации

Z3 использовалась прежде всего для расчетов, связанных с флаттером - опасными колебаниями крыльев и оперения самолетов, которые на высоких скоростях могли разрушить конструкцию. Такие расчеты требовали работы с матрицами и определителями, то есть именно того, для чего машина задумывалась. Военные и авиационное ведомство, впрочем, не считали вычислительную технику приоритетным направлением, и широкого применения Z3 не получила.

Параллельно Цузе по заказу «Хеншеля» построил специализированные машины S1 и S2 для расчетов, связанных с управляемой авиабомбой Hs 293. В S2 результаты измерений вводились в машину с датчиков автоматически, и ее иногда называют первым компьютером для управления технологическим процессом.

Гибель в Берлине

В 1943 году в ходе союзнических налетов на Берлин мастерская Цузе вместе с Z3 была уничтожена. Документы о машине частично сохранились, что позволило позже восстановить ее устройство. В 1960-е годы фирма Цузе построила действующую реплику Z3, которая выставлена в Немецком музее в Мюнхене. Еще одна реплика, созданная в начале XXI века при участии сына изобретателя Хорста Цузе, находится в Музее Конрада Цузе в Хюнфельде.

Z4 и Планкалкюль

С 1942 года Цузе работал над более мощной машиной Z4. В конце войны, спасая ее от бомбежек и наступающих войск, он вывез машину из Берлина сначала в Геттинген, а затем в небольшую деревню Хинтерштайн в Баварских Альпах, где спрятал ее в сарае. Там, в разоренной послевоенной Германии, у Цузе было время подумать о теории.

В 1942-1945 годах Цузе разработал Планкалкюль («исчисление планов») - язык программирования высокого уровня с переменными, массивами, условными операторами и циклами. На нем он даже написал примеры программ, в том числе для оценки шахматных позиций. Планкалкюль считается первым в истории языком программирования высокого уровня, но он был полностью опубликован лишь в 1972 году и почти не повлиял на развитие программирования, где к тому времени утвердились Фортран, Алгол и другие языки.

Z4 в 1950 году арендовала Высшая техническая школа Цюриха (ETH). Она стала одним из первых компьютеров в континентальной Европе, использовавшихся для научных расчетов, и проработала там до 1955 года.

Другие первые машины

Z3 появилась в эпоху, когда в разных странах независимо друг от друга создавались первые вычислительные машины. В США физик Джон Атанасов с аспирантом Клиффордом Берри в 1939-1942 годах строили электронную машину на лампах для решения систем уравнений, но она не была программируемой. В 1940 году Джордж Стибиц в «Белл Лабораториз» продемонстрировал релейный калькулятор для комплексных чисел. В 1944 году в Гарварде при поддержке IBM заработала огромная релейная машина Mark I, спроектированная Говардом Эйкеном. В Великобритании в 1943-1944 годах для взлома германских шифров был создан электронный «Колосс». В 1945-1946 годах в США заработал электронный ENIAC, а в 1948 году в Манчестере - первая машина с программой, хранившейся в памяти.

Из-за войны и секретности эти работы почти не были связаны друг с другом. Цузе ничего не знал об американских и британских проектах, а о его машинах за пределами Германии узнали лишь после 1945 года.

Жизнь после войны

В 1949 году Цузе основал в городе Нойкирхен в Гессене фирму Zuse KG, одну из первых компьютерных компаний Европы. Она выпускала вычислительные машины, в том числе ламповую Z22 и транзисторную Z23, а также автоматические чертежные столы. В 1960-е годы фирма испытывала финансовые трудности и в итоге вошла в состав концерна «Сименс».

Цузе долго добивался патента на принципы своих машин, поданного еще в 1941 году. В 1967 году Федеральный патентный суд Германии окончательно отклонил заявку, сочтя, что в ней нет достаточного изобретательского уровня. Это решение Цузе воспринял как тяжелую несправедливость.

В 1969 году в книге «Вычисляющее пространство» он выдвинул идею о том, что Вселенная может быть устроена как огромный вычислительный автомат, предвосхитив «цифровую физику». Цузе также много занимался живописью, в том числе писал абстрактные картины и портреты. Он умер 18 декабря 1995 года в Хюнфельде.

Итоги

Z3 стала первой работающей машиной, в которой соединились основные принципы цифрового компьютера: двоичная логика, вычисления с плавающей запятой, раздельные память и арифметическое устройство, программное управление. Конрад Цузе создал ее почти в одиночку, на частные средства и скромные субсидии авиационного института, в воюющей стране, где вычислительная техника не считалась приоритетом.

Из-за войны, гибели машины и изоляции Германии Z3 не оказала прямого влияния на развитие мировой вычислительной техники, которая пошла по пути американских и британских электронных машин. Однако после войны Цузе был признан одним из основоположников информатики, а Z3 заняла место в ряду машин, с которых начинается история компьютеров.