Z3 (компьютер)

Реконструкция Z3 в Немецком музее г. Мюнхен

Z3 - первая полнофункциональная программно управляемая и свободно программируемая в двоичном коде с плавающей точкой рабочая вычислительная машина [1], которая имела все свойства современного компьютера. Создана немецким инженером Конрадом Цузе и представлена ​​вниманию научной общественности 12 мая 1941 г. Сегодня многие считают это устройство первым реально работающим программируемым компьютером, хотя главным отличием от первой машины Цузе Z1 ( 1938) была возможность вычисления квадратного корня. [2]

Машина представляла собой двоичный вычислитель с ограниченным программированием, выполнен на основе телефонных реле. На таких же реле было реализовано и устройство хранения данных. Их общее количество составило около 2200. Порядок вычислений можно выбрать заранее, однако условные переходы и циклы буди отсутствуют. 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 совершенного компьютера Z4.

В 1942 в союзе с австрийским инженером-электриком Гельмутом Шрайером Цузе предложил создать на базе Z3 компьютер нового типа, заменив телефонные реле вакуумными электронными лампами, что должно было сильно повысить надежность 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", "Колос" и "ЭНИАК". В то же время оригинальная машина Конрада Цузе занимала гораздо меньше места и стоила намного дешевле, чем созданный двумя годами позже американский компьютер "Марк I".

Z3 использовался для расчетов, связанных с конструированием самолетов и управляемых ракет немецким Исследовательским институтом аэродинамики ( нем. Aerodynamische Versuchsanstalt ). Единственный образец компьютера вместе с другими ранними разработками Цузе был уничтожен во время налета союзной авиации в 1945 году.

В 1960 году в компании 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 находится в экспозиции "Немецкого музея" в Мюнхене ( Германия). [1]


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: 4000 Ватт.
  • Масса: 1000 кг
  • Элементов: 2600 реле, 600 в арифметическом устройстве, 2000 в устройстве памяти. Мультиплексор для выбора адреса памяти.
  • Память: 6400 слова с длиной 22 мегабита.
  • Ввод десятичные числа с плавающей запятой
  • Вывод: десятичные числа с плавающей запятой
  • Себестоимость: 50 000 рейхсмарок

2. Z3 и другие вычислительные машины

  • В отличие от первой непрограммируемый вычислительной машины Вильгельм Шикард, 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 веками ранее Готфридом Лейбницем. В середине XIX века Джордж Буль взял ее за основу для создания алгебры логики, а в 1937 в сотрудник Массачусетского технологического института Клод Шеннон в оригинальной работе, посвященной исследованию цифровых цепей, разработал способ реализации двоичных схем, собираемых с электронных реле. Однако Конрад Цузе объединил все эти вещи, создав на их основе первую программируемую вычислительную машину.
  • Первый проект программируемой вычислительной машины был создан в середине XIX в. Чарльз Бэббидж. В то время он не мог быть реализован, одной из причин чего была десятичная машина и гораздо более сложная, чем двоичная Z3. Хотя когда в 1991 в на основе оригинальных работ Бэббиджа была создана реконструкция его Разностной машины, она оказалась вполне работоспособной. Знакомая Бэббиджа Ада Лавлейс была первым теоретическим программистом, печатая программы для несуществующей машины. Конрад Цузе стал первым программистом-практиком.
  • Американский компьютер "ENIAC" был создан на 4 года позже Z3. Схема "ENIAC" была основана на вакуумных электронных лампах, в то время как Z3 использовал электромеханические реле. Тем не менее "ENIAC" был десятичной машиной, а Z3 - уже двоичной. [4] К 1948 года для перепрограммирования "ENIAC" фактически нужно было перекоммутировать заново, в то время как Z3 умел считывать программы по 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 более похожа на архитектуру первого.
  • Для хранения программ для Z3 использовалась внешняя перфорированная лента. "Манчестерское дитя" ( англ. The Manchester Baby ) 1948 и EDSAC 1949 года были первыми компьютерами с внутренним хранением программ, реализующих концепцию, часто приписываемое Джону фон Нейману и его коллегам, изложивший ее в документе 1945 года. Патентная заявка Конрада Цузе, несмотря на то, что сам патент был отклонен, вспоминала о схожую концепцию почти на 10 лет раньше, в 1936 году.

3. 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 все-таки может воспроизвести поведение универсальной машины Тьюринга (правда, при допущении неограниченного объема хранимых данных и нулевой вероятности ошибок). Это непрактично, но и сама машина Тьюринга очень 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 достаточно практичный набор инструкций, удобных для типовых технических программ тех лет. Конрад Цузе прежде всего был гражданским инженером, и начал создавать компьютеры для облегчения своей профессиональной деятельности. Именно поэтому его машины так похожи на современные компьютеры.

Примечания

  1. а б в Описание компьютера Z3 на сайте Хорнста Цузе в Техническом университете Берлина - irb.cs.tu-berlin.de / ~ zuse/Konrad_Zuse/en/Rechner_Z3.html (The Z3) (Англ.)
  2. RA?L ROJAS. Konrad Zuse's Legacy: The Architecture of the Z1 and Z3 - ed-thelen.org/comp-hist/Zuse_Z1_and_Z3.pdf
  3. Знакомьтесь: компьютер / Под ред. В. М. Курочкина
  4. Язык компьютера / Под ред. В. М. Курочкина

См.. также