Z3

Воссозданный Z3 в Немецком музее г. Мюнхена

Z3 — первая полнофункциональная программно управляемая и свободно программируемая в двоичном коде с плавающей точкой рабочая вычислительная машина^[1], обладающая всеми свойствами современного компьютера. Создана немецким инженером Конрадом Цузе и представлена вниманию научной общественности 12 мая 1941 года. Сегодня многие считают его первым реально действовавшим программируемым компьютером, хотя главным отличием от первой машины Цузе Z1 (1938) была возможность вычисления квадратного корня.^[2]

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 2600. Порядок вычислений можно было выбрать заранее, однако условные переходы и циклы отсутствовали. Тактовая частота Z3 составляла 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.^[3]

Через некоторое время в других странах также появились первые вычислительные машины. Это были компьютеры «Марк I», «Колосс» и «ЭНИАК». В то же 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 (расчеты параметров стреловидных крыльев) 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 году эта модель была выставлена и привлекла большое внимание посетителей монреальской выставки, а в настоящее время она размещена в экспозиции «Немецкого музея» в Мюнхене (Германия).^[1]

Спецификация

• Частота: 5,3 Гц
• Арифметическое устройство: с плавающей точкой, 22 бита, +, -, *, /, квадратный корень
• Средняя скорость вычисления: операция сложения 0,8 секунд, умножения 3 секунды
• Потребление энергии: 4 кВт.
• Масса: 1000 кг
• 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
• Себестоимость: 50 тыс. рейхсмарок

Z3 и другие вычислительные машины

• В отличие от первой непрограммируемой вычислительной машины Вильгельма Шиккарда, 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^{[источник не указан 1192 дня]}, кто объединил все эти вещи, создав на их основе первую программируемую вычислительную машину.
• 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. Хотя 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.^[4] 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 «ЭНИАК», 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 года и EDSAC 1949 года 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). Это непрактично, но и сама машина Тьюринга является весьма непрактичным устройством, придуманным только для демонстрации теоретических идей 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 1940-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

Примечания

1. ↑ ^{1 2 3} The Z3 (англ.) Описание компьютера Z3 на сайте Хорнста Цузе в Берлинском техническом университете
2. ↑ Raúl Rojas. Konrad Zuse’s Legacy: The Architecture of the Z1 and Z3
3. ↑ Знакомьтесь: компьютер = Understanding computers : Computer basics : Input/Output / Пер. с англ. К. Г. Батаева; Под ред. и с пред. В. М. Курочкина. — М.: Мир, 1989. — 240 с. — ISBN 5-030-01147-1
4. ↑ О. Вудз, Д. Вудз, Д. Фурлонг, С. Фурлонг, С. Е. Е. Роу и др. Язык компьютера = Understanding computers : Software : Computer Languages / Пер. с англ. С. Е. Морковина и В. М. Ходукина; Под ред. и с пред. В. М. Курочкина. — М.: Мир, 1989. — 240 с. — ISBN 5-030-01148-X

Ссылки

• Horst Zuse. The Life and Work of Konrad Zuse — Konrad Zuse’s Z1 and Z3 Computers
• Raúl Rojas. How to Make Zuse’s Z3 a Universal Computer

Ранние компьютеры

Z3 (1941)  • Компьютер Атанасова—Берри (1942)  • Colossus Mark 1 (1944)  • Гарвардский Марк I (1944)  • ЭНИАК (1946)  • Манчестерская малая экспериментальная машина (1948)  • EDSAC (1948)  • EDVAC (1949)  • Манчестерский Марк I (1949)  • CSIRAC (1949)