Z3 (компьютер)

Реплика Z3 в музее

«Z3» — первая программируемая вычислительная машина, обладающая всеми свойствами современного компьютера. Создана немецким инженером Конрадом Цузе и представлена вниманию научной общественности 12 мая 1941 года.

Машина представляла собой двоичный вычислитель с ограниченной программируемостью, выполненный на основе телефонных реле. На таких же реле было реализовано и устройство хранения данных. Их общее количество составляло около 2200. Порядок вычислений можно было выбрать заранее, однако условные переходы и циклы отсутствовали. Тактовая частота «Z3» составляла всего-навсего 5,33 Гц.^[1]

«Z3» была создана Цузе на основе его первых вычислителей «Z1» и «Z2». В свою очередь она послужила основой создания более совершенного компьютера «Z4».

В 1942 году вместе с австрийским инженером-электриком Хельмутом Шрайером Цузе предложил создать на базе «Z3» компьютер нового типа, заменив телефонные реле вакуумными электронными лампами, что должно было сильно повысить надёжность и быстродействие машины. Предполагалось, что новый компьютер можно будет использовать для криптографии и расшифровки закодированных сообщений. Однако в связи с запретом на долговременные научные разработки в годы войны, предложение инженеров отклонили.^[2]

Через небольшое время в других странах мира также появились первые вычислительные машины. Ими были компьютеры «Марк I», «Колосс» и «Эниак». В тоже время, оригинальная машина Конрада Цузе занимала значительно меньше места, и стоила гораздо дешевле, чем созданный двумя годами позже американский компьютер «Марк I».

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

В 1960 году компанией Zuse KG была выполнена реконструкция «Z3». В 1967 эта модель была выставлена и привлекла большое внимание посетителей монреальской выставки, а в настоящее время размещена в экспозиции "Немецкого музея" города Мюнхен (Германия).^[1]

Факты

• В отличие от первой непрограммируемой вычислительной машины Вильгельма Шикарда, созданной в 1623 году, «Z3» был программируемым компьютером.
• Успех «Z3» определила его реализация в виде простой двоичной системы. Идея была не новой. Сама двоичная система счисления была придумана почти тремя столетиями ранее Готфридом Лейбницем. В середине XIX века Джордж Буль взял её за основу для создания алгебры логики, а в 1937 году сотрудник Массачусетского технологического института Клод Шеннон в оригинальной работе, посвящённой исследованию цифровых цепей, разработал способ реализации двоичных схем, собираемых из электронных реле. Однако, Конрад Цузе был первым, кто объединил все эти вещи, создав на их основе первую программируемую вычислительную машину «Z3».
• Первый проект программируемой вычислительной машины был создан в середине 1800-х годов Чарльзом Бэббиджем. В то время, он не мог быть реализован, одной из причин чего была десятичность машины и гораздо более высокая сложность, чем у двоичного «Z3» (когда в 1991 году, на основе оригинальных работ Бэббиджа была создана реконструкция его Разностной машины, — она оказалась вполне работоспособной). Знакомая Бэббиджа Ада Лавлейс была первым теоретическим программистом, пишущей программы для несуществующей машины. Конрад Цузе стал первым программистом-практиком.
• Американский компьютер «Эниак» был создан на 4 года позже «Z3». Схема «Эниак» была основана на вакуумных электронных лампах, в то время как «Z3» использовал электромеханические реле. Тем не менее «Эниак» был десятичной машиной, а «Z3»: — уже двоичной.^[3] До 1948 года для перепрограммирования «Эниак» фактически нужно было перекоммутировать заново, в то время как «Z3» умел считывать программы с перфорированной ленты. В основе современных компьютеров лежат транзисторные схемы, а не релейные или ламповые переключатели как на «Z3» и «Эниаке», однако их базовая архитектура гораздо больше походит на архитектуру первого.
• Для хранения программ для «Z3» использовалась внешняя перфорированная лента. «Манчестерское дитя» (англ. The Manchester Baby) 1948 и «EDSAC» 1949 были первыми компьютерами с внутренним хранением программ, реализующими концепцию, часто приписываемую Джону фон Нейману и его коллегам, изложившим её в документе 1945 года. Патентная заявка Конрада Цузе, несмотря на то, что сам патент был отклонён, упоминала о похожей концепции почти на 10 лет раньше, в 1936 году.

Z3 и универсальная машина Тьюринга

• Реализация циклов на «Z3» была возможна, однако возможности создания условных переходов не существовало. Тем не менее в 1998 году было показано, что этот компьютер всё-таки может воспроизвести поведение универсальной машины Тьюринга (правда, при допущении неограниченного объёма хранящихся данных и нулевой вероятности ошибок). Неуклюжесть этого решения не должна смущать, поскольку сама машина Тьюринга является весьма неуклюжим устройством, разработанным для демонстрации простоты и универсальности, а не эффективности.
• С прагматической точки зрения гораздо более важно то, что «Z3» имел довольно практичный набор инструкций, удобных для типичных технических приложений 40-х годов. 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.

См. также

• Архитектура фон Неймана

Литература

• Знакомьтесь: компьютер = Understanding computers : Computer basics : Input/Output(рус.); Пер. с англ. К.Г.Батаева; Под ред. и с пред. В.М.Курочкина — Москва : Мир, 1989. - 240 с., ил. ISBN 5-03-001147-1
• Язык компьютера = Understanding computers : Software : Computer Languages(рус.); Пер. с англ. С.Е.Морковина и В.М.Ходукина; Под ред. и с пред. В.М.Курочкина — Москва : Мир, 1989. - 240 с., ил. ISBN 5-03-001148-X

Источники

1. ↑ ^{1 2} Описание компьютера «Z3» на сайте Хорнста Цузе в Техническом университете г. Берлин (The Z3)(англ.)
2. ↑ Знакомьтесь: компьютер(рус.); Под ред. В.М.Курочкина; подробно — в разделе Литература.
3. ↑ Язык компьютера(рус.); Под ред. В.М.Курочкина; подробно — в разделе Литература.

Ссылки

• Описание компьютера «Z3» на сайте Хорнста Цузе в Техническом университете г. Берлин (The Z3)(англ.)
• Архитектура компьютеров «Z1» и «Z3» (Konrad Zuse’s Legacy: The Architecture of the Z1 and Z3)(англ.) ( pdf )
• Хорнст Цузе: — Компьютеры Конрада Цузе «Z1» и «Z3» (The Life and Work of Konrad Zuse (by Horst Zuse) — Konrad Zuse's Z1 and Z3 Computers)(англ.)
• Рауль Роджес: — Как собрать компьютер «Z3»? (How to Make Zuse's Z3 a Universal Computer by Raúl Rojas)(англ.)