Первая вычислительная машина на электромеханических реле с двоичной кодировкой z1 конрада цузе

Конрад Цузе: мечтатель, создавший первый компьютер

Вторая мировая война дала мощный толчок развитию техники и науки. Военно-промышленный комплекс всегда собирал огромные человеческие, денежные и другие ресурсы. И нацисты в своей одержимости к мировому господству, особенно рьяно трудились над изобретениями и научно-техническими инновациями. Тем ни менее история создания первого программирующего компьютера началась еще до войны, с обычного желания одного немецкого архитектора упростить себе жизнь.

Конрад Цузе (1910-1995 г.г.)

Немецкий инженер и изобретатель первого в мире работающего программируемого компьютера Конрад Цузе попал в мир информационных технологий практически случайно. Будущий изобретатель был наделен неплохими способностями к изобразительному искусству, а также любил строительство и конструирование. Поэтому он поступил в Берлинский Технический Университет на факультет архитектуры и гражданского строительства (1930-1935), где увлекся математикой и физикой. Во время обучения, изучая строительство зданий и дорог, Цузе столкнулся с серьезной проблемой. Этот тип конструкций требовал решения огромных систем линейных уравнений, которые было очень трудно просчитать с помощью логарифмической линейки или даже механического калькулятора того времени.
Как вспоминал Цузе: «Я был студентом в гражданской инженерии в Берлине. Берлин — это красивый город, открывающий перед молодым человеком множество возможностей приятно провести время, например, с хорошенькой девушкой. Но вместо этого мы вынуждены были выполнять громадные и ужасные расчеты».

Для подобных просчетов инженеры использовали особые таблицы, куда записывали формулы выполнения основных операций в двоичной системе счисления. Именно тогда у Цузе возникла идея автоматизировать этот процесс применив несложное вычислительное устройство. Говоря иными словами — изобрести первую программируемую двоичную вычислительную машину.

(фото двоичной программируемой вычислительной машины Z1)

Через тернии к звездам

В 1936 году Цузе завершил логический план для своего первого компьютера V1 (от немецкого Versuchsmodell-1, то есть «опытная модель»). На самом деле названия всех машины должны были начинаться с V (от V1 до V4), но после Второй мировой войны он изменил имена на Z1-Z4 (начальная буква фамилии изобретателя), чтобы избежать неприятных ассоциаций с V1-V4 военных ракет.

Цузе не имел опыта в области электроники, не обладал достаточными знаниями в области механики и конечно же, не мог знать принципы работы других вычислительных устройств. Но эти обстоятельства его не смущали. Молодой изобретатель незамедлительно начал реализацию своей идеи. С помощью знакомых он собрали небольшую сумму денег для исследования и вместе с несколькими друзьями приступил к работе. Процесс разработки и сборки происходил в берлинской квартире его родителей — домашняя гостиная превратилась в настоящую мастерскую. Никаких специально оборудованных лабораторий, никакой помощи от правительства, министерств или университетов. Конрад делал все сам, создавая свой компьютер практически из ничего. С другой стороны, возможно именно это обстоятельство дало ему преимущество, так как он смог иначе посмотреть на вопросы машинной арифметики и найти новый подход к решению определенных задач. Позже изобретатель писал, что в силу неосведомленности он не был ограничен в поисках системы, наилучшей для автоматических вычислений. Попробовав десятичную систему, Цузе остановился на двоичной.

(Цузе в процессе работы)

Существовавшие на то время вычислительные механизмы были построены с использованием вращающихся элементов и оперировали значениями в десятичной системе счисления. Особенностью Z1 было то, что она занималась обработкой чисел в двоичной системе и для переключения использовались не реле, а металлические пластины. Надо заметить, что эти пластины вырезались Цузе и его друзьями вручную, обычным лобзиком (2000 штук!). Пластины перемещались в строго определенном направлении. Смещенные пластины, указывающие значения вычисляемых величин и математические операции, перемещали ряд других пластин, изменяющих регистр двоичных чисел и сохраняющих промежуточный результат. Полученные данные позволяли производить другие преобразования. Собственно задаваемый оператором несложный последовательный алгоритм вычислений и был прототипом современной компьютерной программы. Примечательной особенностью первого компьютера была клавиатура для ввода данных с мигающими лампочками для указания результатов.

Работа над изобретением заняла более двух лет. В 1938 году машина Z1 увидела свет. Она была огромной, состояла из 20 000 частей. Электрический двигатель мощностью 1 кВт. обеспечивал тактовую частоту одного Герца (один цикл в секунду).

Основные характеристики Z1

Реализация: тонкие металлические пластины
Частота: 1 Гц
Вычислительный блок: обработка чисел с плавающей запятой
Средняя скорость расчета: умножение — 10 секунд, сложение — 5 секунд
Ввод данных: клавиатура, устройство считывания с перфоленты
Вывод данных: ламповая панель (десятичное представление)
Память: 64 слова по 22 бита
Вес: около 1000 кг

Первое устройство Цузе не имело способности «сохранять программу». Также отсутствовала команда условного перехода. Но стоит ли желать большего от машины, построенной из металлических пластин и имеющей 64 слова памяти? К тому же Цузе сам разрабатывал теоретические основы для своих компьютеров. Он был знаком с двоичной цифровой системой Лейбница. Но не имел понятия о алгебре Джорджа Буля. Он должен был изучать математическую логику многих выдающихся ученых, чтобы разработать свою собственную систему, назвав обозначения «Условные комбинаторные» (Bedingungskombinatorik).

Механическое устройство Цуза имело великую научную ценность, доказывая возможность создания программных вычислительных машин, работающих с двоичным кодом. А вот надежность машины оставляла желать лучшего. Устройство постоянно ломалось из-за плохого качества комплектации. При работе процессора с памятью возникала проблема в синхронизации, требуемой для предотвращения чрезмерной механической нагрузки на подвижные части. Но архитектура изобретения казалась вполне удачной и побудила Цузе рассмотреть другие виды технологий.

На дальнейшую работу над машиной сильно повлиял друг Цузе, инженер-электронщик Гельмут Шреер. Он по достоинству оценил разработку и предложил ее усовершенствовать, заменив пластины на электровакуумные лампы. И при создании новой модели сохранить в ней логические принципы предыдущей, позволяющие операторам производить математические операции с десятичными числами.

В 1938 году Цузе и Шреер выступили с демонстрацией электронных схем в Берлинском Университете, подробно рассказывая про построение электронного компьютера. Но стоило им упомянуть, что такое устройство потребует около 2000 радиоламп и несколько тысяч ламп накаливания, как их едва не высмеяли. Университетские ученые классифицировали затею, как фантазию двух мечтателей. Дело в том, что крупнейшие электронные устройства того времени состояли всего лишь из нескольких сотен электронных ламп.
Но критика профессоров не повлияла на решение друзей выполнить задуманное и собрать новую модель.

(друзья-ученые Цузе и Шреер)

Пытаясь найти финансирование Цузе попытался заключить контракт с бывшим производителем механических калькуляторов Куртом Паннке. На что получил вежливый отказ. Паннке выразил уверенность в том, что в области вычислительных машин уже изобрели все возможное. Тем не менее, бывший производитель калькуляторов согласился посетить мастерскую Цузе и был так впечатлен его работой, что решил дать изобретателю семь тысяч рейхсмарок.

Стремление к совершенству

Начало второй мировой войны положило конец совместным исследованиям, Цузе призвали в нацистскую армию. Там он провел менее полугода. Благодаря ходатайству влиятельных инженеров и ученых в 1940 году Цузе демобилизовался в Берлин, где стал членом гитлеровской научной элиты.

Работа над созданием релейной электронной вычислительной машины возобновилась. Шреер снова предложил свои услуги. Ученые обратились за финансовой поддержкой к военному руководству, предлагая разработать современное устройство для военно-воздушных сил Германии. Такая машина могла быстро обрабатывать сложные расчеты, повышая тем самым эффективность тактической авиации. По предварительной оценке ученых на изобретение подобного аппарата потребовалось бы около двух лет. Но военные ответили отказом. Руководство вермахта было убеждено, что за такой срок нацистская Германия уже достигнет мирового господства.

В том же году Цузе начал разработку Z3 — машины полностью построенной на реле, но с логической структурой от Z1 и Z2. Она была готова к эксплуатации в 1941 г., за 4 года до разработки американских ученых — электронного цифрового компьютера ENIAC.

Программируемая вычислительная машина Z3 и была создана на базе электронных реле (600 для арифметического устройства, 1400 для памяти и 400 для блока управления). Во всех других аспектах она напоминала Z1 и Z2: двоичная система исчисления, числа с плавающей запятой, арифметическое устройство с двумя 22-разрядными регистрами, управление через 8 канальные ленты (т.е. команда состоит из 8 битов). Каждое из слов могло быть помещено в память компьютера за один тактовый цикл. Общий общем памяти достигал 64 слов по 22 бита. Именно этой машиной был впервые применен современный принцип адресного распределения памяти, когда каждое 22-разрядное слово можно поместить в память или извлечь из нее командами PRz и PSz (z — соответствующий регистр оперативного запоминающего устройства с адресами от 1 до 64). Арифметический модуль компьютера составляли параллельные сумматоры, которые применялись для обработки логарифмических выражений и чисел с плавающей запятой.

Цузе разработал свой набор инструкций, который включал около десяти основных и нескольких десятков дополнительных команд. Это был самый настоящий язык программирования использовавшийся для задания сложных алгоритмов вычислений. Так что Цузе приписывают еще и создание первого языка программирования высокого уровня — Планкалкюль (на немецком Plankalkül — «исчисление планов»). Его характерными особенностями были: свободная переносимость (независимость от архитектуры и набора команд машины), операторы условия (кроме ELSE), циклы, подпрограммы, отсутствие рекурсии, работа с массивами и подмассивами, а также сложный синтаксис

В декабре 1941 года Z3 был введен в эксплуатацию и тут же взят на вооружение производителями военных самолетов. Именно с помощью Z3 обсчитывались аэродинамические и баллистические характеристики первых немецких крылатых ракет.

После успешного внедрения в военную промышленность Z3, Цузе заключил контракт с Научно-исследовательским управлением ВВС Германии (DIV) на проектирование электрической вычислительной машины нового поколения.

Новая модель была очень похожа на Z3, включая в себя все усовершенствованные разработки Цузе. Этот компьютер включал элементы: 2500 реле, 21 ступенчатое реле. Он обладал уже 1024 регистрами памяти для хранения 22-битных слов. Благодаря более мощному процессору повысилась скорость выполнения преобразования двоичных чисел. Z4 имел устройство для подготовки программы. Также он умел избегать исчисления неверных результатов. Потребляемая мощность машины составляла 4 кВт.

Создание нового компьютера заняло три года и к декабрю 1944 проект подходил к завершению. Работая над Z4, изобретатель ставил главной целью построить прототип машины, которая в дальнейшем сможет производится тысячами. Но отсутствие нужных материалов и сложная ситуация в стране (разгар военных действий), сделали эту задачу практически невыполнимой. Во время одного из налетов авиации на Берлин первый экземпляр Z3 был полностью разрушен, а когда в мае 1945 года в столицу Германии вошла советская армия, Цузе был вынужден бежать вместе с семьей в Баварию. С собой он конечно же прихватил уже собранный компьютер Z4. В Баварских Альпах он спрятал машину до более спокойных времен.

Основные характеристики Z4

Реализация: Реле, память — металлические пластины
Частота: 30 Гц
Вычислительный блок: обработка чисел с плавающей запятой, длина машинного слова — 32 бита
Средняя скорость расчета: 0,4 секунды для сложения, 0,3 секунды для умножения
Средняя скорость вычислений: 11 операций умножения в секунду
Ввод данных: десятичная клавиатура, устройство считывания с перфоленты
Вывод данных: печатная машинка марки «Mercedes»
Память: 64 слова по 22 бита
Вес: около 1000 кг

В 1948 году Цузе связался с профессором Эдуардом Штифелем, который признал Z4 пригодным для научных расчетов. Несмотря на немного старомодный технологии машины, Штифель был впечатлен простотой программирования и мощностью арифметического устройства с его способностью обработки исключений.

Ободренный успехом, Цузе создал собственную фирму Zuse KG. По сути, это была первая в мире коммерческая компания, занимающаяся исключительно развитием и производством компьютерных технологий для авиации и оптической промышленности, университетских лабораторий. Компания наладила выпуск коммерческих компьютеров, популярных в Германии 50-х годов (Z5, Z11, Z22 и Z23). Фирма Цузе создала первый компьютер с памятью на магнитных носителях Z22.

(компьютер с памятью на магнитных носителях Z22)

Несмотря на инженерный талант и усердие, Цузе отставал от своих американских конкурентов. Послевоенная Германия была не самым подходящим местом для инноваций в электронное будущее. Все средства правительства шли на восстановление страны. Да и у Цузе не было инфраструктуры, необходимой для дальнейших разработок. Он не мог вовремя узнавать о новых приборах и программах.

И уже в 60-х годах рынок Европы активно заполнили американские электронно-вычислительные машины, которые постепенно вытеснили компьютеры Цузе. В 1962 году фирма была продана компании «Brown Boveri and Co», а в последствии вошла в состав корпорации «Siemens».

Конрад Цузе называл себя аполитичным человеком. Делом всей своей жизни он считал развитие компьютерных технологий в Германии и сожалел, что так и не осуществил свою мечту — создать переносной персональный компьютер для деловых людей. В этом его опередили американские разработчики. После продажи компании он занялся своим давним увлечением — живописью. И даже написал несколько портретов известных людей в мире компьютерных технологий. Одним из них был Билл Гейтс, с которым Вузе познакомился на выставке.

(Цузе за вторым своим любимым занятием)

Конрад Цузе умер в 1995 году в городе в Хюхнфельд (Германия), дожив до восьмидесяти пяти лет.

Оригиналы Z1, Z2 и Z3 не сохранились до наших дней, они были разрушены во время бомбардировок Берлина в 1945 году. Зато Цузе удалось спасти компьютер Z4, который находится на родине изобретателя в Техническом музее Берлина.

Калифорнийский Музей истории компьютеров в Маунтин-Вью посмертно включил в свой состав Конрада Цузе, как выдающегося изобретателя первого полностью автоматизированного компьютера с программным управлением.

Источник

Ретроспектива технологических стартапов. Z3 — первый релейный компьютер

Ретроспективу технологических стартапов я решил начать с удивительной истории создания первого по одной из версий компьютера в современном понимании этого слова.Эта история может показаться увлекательной даже для тех, кто слово стартап считает ругательным.

Z3 был задуман и создан молодым гениальным инженером Ко́нрадом Цу́зе в самое не подходящее для этого время. Он положил начало первой на континентальной Европе фирме, занимавшейся разработкой и продажей компьютеров на коммерческой основе.

Германия, вторая половина 30 годов прошлого столетия. Уже несколько лет у власти Адольф Гитлер. В стране ведутся работы над созданием компьютера. Разработка продолжается не смотря на то, что первая модель оказывается не слишком удачной. С каждой новой моделью устройство становится всё совершенней. Z1,Z2, наконец, в мае 1941 появляется появляется первый работоспособный вариант — Z3. В 1943 году союзникам удаётся уничтожить весь модельный ряд Z1 — Z3, но к этому времени уже уже ведутся работы по созданию гораздо более совершенной модели — Z4. Сборку переносят в тайные проходы шахт, в которых полным ходом идёт разработка сверхсекретной ракетной программы. Ни смотря ни на что, работу над Z4 удаётся закончить буквально в последние дни войны и тайно вывезти компьютер в Швейцарию…

Звучит очень зловеще. Но штампы весьма далеки от истины. Попробуем прояснить как же на самом деле создавался первый электромеханический компьютер и что он из себя представлял.
Совсем без военных конечно не обошлось, они оказали некоторое содействие, но в целом разработка велась скорее вопреки, а не благодаря людям в погонах.

Девочки, как двигатель прогресса

Ко́нрад Эрнст О́тто Цу́зе Konrad Ernst Otto Zuse не смотря на солидно звучащее полное имя родился в семье мелкого почтового чиновника, в 1910 году, в Берлине. С детских лет мальчика тянуло к конструированию. Ещё в школе он собрал действующую модель машины по размену монет и с увлечением занимался урбанистикой — создавал проект города на 37 миллионов жителей. Страсть к бизнесу и большим числам в нём зародилась ещё тогда. Не удивительно, что став юношей он поступил в Берлинский Технический Университет на специальность гражданского строительства. Процесс обучения оказался не таким интересным, как представлялся в детстве. Особенно “доставал” сопромат. Приходилось часами корпеть над однообразными и крайне нудными расчётами, в то время как сверстники проводили время с привлекательными девушками…

Именно тогда, ещё на младших курсах, у него возникла идея автоматизировать вычисления. На первых порах он мечтал создать совершенный калькулятор, однако на последнем курсе захотелось большего.

В 1935 году, по окончанию университета, Конраду удаётся устроиться инженером на Авиационный завод Хенкеля. Казалось бы, что в те годы могло быть интереснее авиации? Но на практике скучным вычислениям пришлось уделять ещё больше времени и в свободное от работы время молодой человек начинает продумывать детальный план устройства, способного облегчить этот процесс.

Представление чисел

Думая над способом наипростейшей реализации вычислений, Конрад пришёл к идее проведения операций над двоичными числами. В то время существовали подходящие и доступные компоненты, обеспечивающие два устойчивых состояния — телефонные реле. Он решил взять их за основу и продумал способы реализации простейших арифметических действий с их помощью.

Далее необходимо было определить каким образом вводить, представлять и хранить числа. Проще говоря, организовать “память” и доступ к ней. Большинство существующих в те времена механических вычислителей обеспечивали ввод данных с помощью системы зубчатых колёс, имевших 10 положений.

Более продвинутые считывали закодированные числа с перфокарт и могли иметь до 20 счётчиков. Ввод новых чисел осуществлялся добавкой перфокарт.

Для того, чтобы расширить диапазон вычислений Конрад решил проводить операции над числами с плавающей запятой в двоичном представлении. Он задумал создать регистры памяти, состоящие из 22 двоичных разрядов. В каждом из них 14 бит отводилось под мантиссу, 7 под степень и 1 под знак.

Однако, возникла ещё одна проблема. Да, вычислителю оперировать с двоичными числами гораздо проще, чем с десятичными, но человеком они воспринимаются с большим трудом, особенно в представлении с плавающей точкой.

Для упрощения работы операторов, было решено вводить цифры исходных данных в десятичном формате, затем автоматически переводить в двоичный и загружать в память. С результатом проводить обратный процесс.

Система памяти

Решить проблему физической реализации памяти оказалось не просто. Электронные реле занимали слишком много места и потребляли немало энергии. Кроме того, самые дешёвые из них стоили более двух марок, что весьма чувствительно било по карману. После длительных поисков подходящего решения Конрад придумал оригинальную альтернативу — механическое устройство на основе металлических штырей. Маленький штырь мог находится слева или справа от наконечника, запоминая ноль, либо единицу. Установка и извлечение чисел производилось с помощью пластин. Отдельные модули памяти могли собираться в матрицу.

Фрагмент устройства “памяти” — всё что осталось от первой модели после бомбёжки

Конрад назвал это “Механической релейной памятью” и в 1936 году получил на неё два патента. Согласно им, подобная память могла быть расширена для хранения тысячи слов. Альтернативная реализация потребовала бы 40 000 реле. Такая память в принципе могла хранить любые типы данных, поэтому в заявке на изобретение он назвал её “комбинационной”

Процессор

Проектирование вычислительной части устройства далось сложнее всего. Конрад долго экспериментировал с различными реализациями. Среди опытных образцов были даже устройства с четырьмя устойчивыми состояниями, но в конце концов таки удалось всё свести к двоичной логике. Некоторое время ушло на то, чтобы решить на какой основе строить вычислитель. Применять телефонные реле либо оригинальное механическое устройство. По его прикидкам должно было потребоваться не менее тысячи реле для построения вычислителя. Оценив стоимость, размеры и потребляемую ими энергию Конрад склонился к механической версии, которая на тот момент показалась ему гораздо более простой в реализации.

Если вы такие умные, то почему же не использовали лампы?

Собирать столь сложное механическое устройство в одиночку было очень не просто, поэтому Конрад решил привлечь к проекту своего близкого друга Хельмута Шрейера Helmul Schreyer Он заканчивал в то время университет по специальности радиоинженер и помогал на кафедре в разработке электромагнитных реле. Его навыки пригодились как нельзя кстати!

Молодые инженеры. Конрад слева, Хельмут справа

Сама идея Хельмуту очень понравилась, но он поинтересовался: «А почему бы в качестве коммутирующих элементов не применить электронные лампы, которые могут обеспечить скорость переключения в десятки тысяч раз большую, чем реле?» Сначала Конрад подумал что это шутка, но выслушав аргументы товарища и пораскинув мозгами нашёл идею очень интересной. Основа памяти, ламповый триггер был изобретён ещё в 1918 году, но вот найти схемотехнические решения для вычисления арифметических операций в 1936 году ещё предстояло.

Знакомые, с которыми они поделились идеей, разделились на два лагеря — одним идея казалась гениальной, другие заявили о полном её неприятии. Плохо было то, что во втором оказались преимущественно специалисты, имевшие опыт работы с электронными лампами. Главным их аргументом была невысокая надёжность ламп. Они считали, что устройство, состоящее более чем из 2000 ламп будет постоянно выходить из строя. Другими нерешаемыми на том этапе проблемами была дороговизна и дефицитность подходящих по параметру ламп. Какие бы ошеломительные возможности такое решение не сулило технически, самостоятельно друзья выполнить его были не в состоянии, но окончательно отказываться от него не хотелось. Поэтому сошлись на том, что начнут строить механический вариант, а Хельмут параллельно будет искать схемотехнические решения для узлов, выполняющих элементарные математические операции. В будущем, имея прототип работающего устройства на механических реле не составит особого труда заменить исполнительные элементы лампами.

К делу же, наконец!

Основополагающие принципы которым должно удовлетворять задуманное устройство:

Проработав в должности инженера всего год, Конрад в 1936 году переходит на полставки, а всё свободное время посвящает созданию программируемой машины. В сборочный цех была превращена переоборудованная гостиная родительского дома.

Хельмут оказал ему неоценимую помощь в ходе сборочных работ. Изначально друзья планировали собрать экспериментальной модель механического вычислителя всего за шесть недель, но на практике как случается почти в любом стартапе времени потребовалось несравненно больше.

Голь на выдумки хитра

Прошло два года напряжённой работы, прежде чем машина наконец стала подавать признаки жизни. Сегодня трудно поверить, что этого монстра собрали два молодых человека в свободное от основных занятий время, на свои скромные средства. Тут нельзя не вспомнить русскую поговорку: “Голь на выдумки хитра”.

Машина, располагалась на четырёх сдвинутых вместе письменных столах, которые едва выдерживали её вес — более пятисот килограмм! Она состояла почти из 20 000 элементов.
В отличие от подобных разрабатываемых в этот период времени электромеханических счётных машин, Z1 проводил вычисления над двоичными числами. Причём цифры вводились в десятичной системе с плавающей запятой, а уже внутри машины конвертировались в 22 битные двоичные с помощью механического дешифратора. Ввод данных осуществлялся при помощи клавиатуры, роль которой играла творчески доработанная пишущая машинка. После конвертации входные значения записывались в механическую внутреннюю память. Объём машинной памяти составлял 64 слова. Сердцем машины был “тактовый генератор”, который приводился в действие электромотором мощностью около 1 кВт, позаимствованным у пылесоса. Рабочая частота генератора составляла 1 Гц, а скорость стабилизировалась хитроумным механизмом.

Работала машина так: cначала дешифрировались и загружались в память данные. Затем начинала выполняться программа. Она считывалась с бумажной перфоленты и по мере считывания происходило её выполнение. При таком подходе программа должна была быть исключительно линейной, никаких ветвлений не предусматривалось. В заключении вычисленное значение переводилось в десятичный вид и отображалось на ламповом табло.

По настоятельной просьбе хаброюзера ASTAPP, который по его утверждению лично делал фотографии реконструированных вычислителей, сообщаю и его точку зрения. Он утверждает что вывод данных в Z1 был кнопочный, а источником программы служила не бумажная перфолента, а 35 миллиметровая плёнка, как и в более поздней модели Z3. Вполне вероятно что он прав, источники на которых я основывался могли принять кнопки за ламповую панель. Ознакомиться с его фотографиями можно ниже в комментариях.

Победа, но не пиррова ли?

Собранная в абсолютно “антисанитарных” условиях машина работала, но сказать что она не отличалась стабильностью вычислений — ни сказать ничего.

Конрад изначально планировал её как образец для демонстрации возможностей, но даже для этого она не слишком подходила. В этом он убедился пытаясь “поднять” первые инвестиции. Провести даже два раза подряд удачное вычисление на ней удавалось далеко не каждый раз. После очередного сбоя часто приходилось заниматься перенастройкой. Особенно плохо дело обстояло с “процессором”, требуемую точность изготовления механических элементов которого в домашних условиях было обеспечить нереально. Заинтересовать подобным образцом инвесторов было крайне сложно, но Конрад не оставлял надежд.

После долгих поисков, ему удалось добиться аудиенции отошедшего от дел владельца производства механических калькуляторов — Курта Паннке, который принял его скорее от скуки. Курт находился в полной уверенности, что вычислительные машины достигли предела своего совершенства, и в ближайшее время не удастся придумать что-то новое в области автоматизации вычислений. Тем не менее, он согласился посетить мастерскую и взглянуть на Z1. И тут Конраду наконец улыбнулась удача. Во время визита доктора Паннке машина умудрилось произвести несколько вычислений подряд без единого сбоя. Доктор так впечатлился её работой, что согласился предоставить семь тысяч рейхсмарок на совершенствование аппарата.

Вскоре Конраду снова улыбнулась удача — друзья помогли приобрести за бесценок списанное телефонное оборудование из которого он извлёк около 800 бывших в употребление реле. Более половины из них казались вполне работоспособными по крайней мере на первый взгляд.

Z2 — два шага назад, один вперёд

Пришлось полностью демонтировать вычислитель и половину памяти, сократив её до 16 слов. Память и дешифраторы по прежнему остались механическими но конструкция их была сильно упрощена. Сбои в их работе стали происходить гораздо реже. От вычислений с плавающей точкой также было решено временно отказаться. В новой модели вычислитель оперировал с 16 битными числами и фиксированной точкой. Для увеличения надёжности был усовершенствован считыватель программ — вместо бумаги Конрад использовал 35 миллиметровую фотоплёнку. Мощности двигателя от пылесоса хватило чтобы упрощённая машина заработала в три раза быстрее первого варианта — тактовая частота увеличилась до трёх герц. Z2 была способна выполнять 8 различных инструкций.

Z3. Война как двигатель прогресса?

Z2 заработала в 1939 году. Воодушевлёный Конрад начинает создание третьей модели, которая задумывается уже как инструмент для реальных вычислений. Однако жизнь стала вносить в его планы значительные коррективы. Германия готовится вступить в масштабную войну и ей нужны инженеры для разработки самолётов, о компьютерах высшие военные чины тогда не задумывались. Конрад сменил гражданскую одежду на военный мундир, но по крайней мере не был отправлен на фронт. Всё своё свободное время он по прежнему посвящает созданию третьей модели, но не смотря на то, что ему активно помогают друзья, совмещать разработку с военной службой становится всё сложнее. Заканчиваются деньги, полученные от бизнес-ангела, поиск необходимой комплектации становится всё более сложным делом — слишком много ресурсов поглощает подготовка к войне и даже имея средства, купить необходимые комплектующие становится всё трудней. В этих условиях ничего не оставалось как искать поддержки у военных.

В 1940 году Конрад добивается демонстрации своей модели Z2 в научно-исследовательском институте аэродинамики. Нельзя сказать чтобы он произвёл там фурор, но его вычислитель очень понравился руководителю проекта создания управляемых авиабомб, профессору Тейхманну. Профессор добивается подключения Конрада к своему проекту для автоматизации вычислений в области аэродинамических исследований. Параллельно Конрад получил финансирование и организационную поддержку, необходимую для окончания работ над компьютером Z3. В этом же году он организовал компанию Zuse Apparatebau для производства программируемых машин.

Кроме денег Конрад получил помещение и ассистентов, благодаря чему процесс создания машины удалось значительно ускорить и Z3 был запущен в строй уже весной 1941 года. Его архитектура сильно напоминала модель Z1, но считал он в пять раз быстрее, а главное работал настолько надёжно, что смог использоваться для реальных вычислений, в частности расчёта формы стреловидного крыла.

Количество циклов, затрачиваемых на операцию

Z3 состоял из 2400 реле. 600 из них работало в вычислительном модуле, остальные играли роль памяти размером в 64 слова. Была введена защита результата от переполнения, вывод результатов расчётов производился на перфоленту

Z3 был первым вычислительным устройствам, собранным целиком на электромагнитных реле. Однако споры за обладателя звания первого компьютера ведутся до сих пор. Дело в том, что Z3 хотя и работал по программе, но не поддерживал ни циклов ни условных переходов. Запущенный в строй летом 1944 года MARK — I Гарвардский имел возможность ветвлений, хотя и сильно ограниченную. В то же время, часть операций, например ввод данных, в нём осуществлялся механическим способом.

Z4 война и чудесное спасение

Закончив работу над Z3, Конрад возглавляет в 1941 году уже в секретный проект создания следующего поколения компьютера — Z4.

Параллельно Цузе занимается разработкой специализированных вычислителей и вводит в строй в 1942 году модель S1. Eё последователь S2, заработавший позже, пожалуй, является первым в мире промышленным компьютером. Он в автоматическом порядке собирал данные с нескольких десятков датчиков и производил над ними сложные вычисления. Использовался для построения аэродинамических моделей.

Начиная с 1943 года Берлин начал подвергаться бомбардировкам союзников. Разработка стала осложняться ещё и тем, что постоянно приходилось перевозить оборудование с места на место. Технических специалистов и ассистентов призывали в действующую армию и бросали на фронт. В результате очередного авиационного налёта Z3 и всё, что осталось от Z2 и Z1 к тому времени, было уничтожено. В конце концов, за несколько месяцев до окончания войны, Конрада с парой ассистентов поместили в самое надёжное место — бункер в заброшенных шахтах, где развивалась свехсекретная немецкая ракетная программа.

Условия для работы там были ужасными, но ещё больше его поразило обращение с военнопленными, выполняющими роль неквалифицированной рабочей силы.
В последние дни войны, пользуясь неразберихой, Конрад вместе со своей беременной женой бежит из Берлина на подводе с конной тягой. Под грудой скарба были спрятаны коробки с фрагментами недостроенной модели Z4.

Так он оказывается в маленькой Баварской деревушке Hinterstein, а его недостроенное детище в дальнем углу сарая, спрятанное за поленницей. Это были очень трудные времена. Первое время Конрад зарабатывал на хлеб тем, что изготавливал деревянные памятные гравюры и продавал американским солдатам.

Небольшая ремарка. Изначально вычислительные устройства Конрада имели название V1,V2,V3,V4. V происходило от Versuchsmodell — экспериментальная модель. Но именно такие наименования имели модели ракет, разрабатываемых в шахтах где он немного поработал. Сразу после войны он переименовал всю линейку, отталкиваясь от первой буквы своей фамилии. В этом сыграли роль как морально-этические соображения, так и бизнес стратегия. Конраду не хотелось чтобы его детища лишний раз напоминали о войне.

Z4 как феникс, восставший из пепла

Постепенно жизнь стала налаживаться, но Германии на несколько лет было запрещено заниматься какими-либо собственными разработками. К счастью, удалось восстановить связи с друзьями, успевшими перебраться за границу.

В 1946 году Цузе сумел привлечь венчурный капитал от Швейцарской высшей технической школы и компании IBM. Ему удаётся перебраться в Швейцарию, организовал коммерческую компанию по производству компьютеров «Инженерная служба Цузе в Хопферау» Zuse-Ingenieurbüro Hopferau и продолжить работы над Z4.

К тому времени Z4 уже не был самым передовым устройствам. Появились первые американские ламповые компьютеры, работавшие существенно быстрее. Z4 же был всего на порядок быстрее своего предшественника, да и по структуре его сильно напоминал. Однако, проигрывая в производительности, Z4 имел серьёзные преимущество — он был проще и существенно надёжнее и оказался единственной электронной счётной машиной на территории континентальной Европы, пригодной для тиражирования и коммерческого использования в то не простое время.

В 1948 Конрад показывает свою машину профессору Эдуарду Штифель Eduard Stiefel из компании ETH-Zürich, который осмотрев машину, счел ее вполне пригодной для научных расчетов. Штифеля поразила простота программирования, хорошая точность вычислений и корректная обработка исключений. Z4 оперировал со словами из 32 разрядов, а не 24 как у его предшественника.

Конрад получил 100 000 дойчмарок на доработку компьютера до коммерческого варианта, устраивающего компанию ETH. Это была большая сумму, в то время в Германии средняя зарплата составляла 160 марок.

На создание усовершенствованной модели Z4 ушло 60 000 дойчмарок, а остальное он вложил в развитие собственного бизнеса. Воодушевленный успехом, Конрад основал свою собственную компанию Zuse KG и начал разработку улучшенной версии Z4. По требованию EHT была добавлена возможность условных переходов, инструкции для печати результатов на пишущей машинке Mercedes или перфоленте, запись результатов на перфоленту и другие усовершенствования. Улучшенная модель увидела свет в 1950 году и была способна организовывать циклы и ветвления. Программа по прежнему считывалась с перфоленты и сразу по шагам исполнялась, но была добавлена возможность пропуска следующей инструкции и переход на другой считыватель перфоленты, которых на машине устанавливалось несколько. Это позволяло запускать условные переходы и даже выполнение подпрограмм, если лента на считывателе была закольцована. Тактовая частота компьютера была увеличена до 40 Гц. Память как и в первой модели была собрана на «механических реле», ранее запатентованных Конрадом. Это позволило сократить количество применяемых реле до 2500 и соответственно снизить стоимость и энергопотребление машины, которое составило 4 КВт.

Конрад создал успешный бизнес, было продано и запущено в эксплуатацию несколько десятков компьютеров модели серии Z4. Они оказались настолько надёжны, что их оставляли работающими на ночь без присмотра. Фирма динамично развивалась, появлялись новые, иногда революционные модели, которые внесли большой вклад в развитие компьютерных технологий. Но это уже совсем другая история.

Вошли в историю

Немцы ценят свою историю. Все три варианта кроме явно демонстрационной модели Z2 были тщательно восстановлены что характерно в основном на частные деньги и ныне экспонируются в музеях Германии.

В Советском союзе было не меньше достижений в области развития компьютеров. Мы начали развивать эту отрасль с заметным отставанием, но быстро нагнали «западных партнёров» и на определённом этапе имели прорывные разработки и просто модели с интересными решениями и историей создания. Однако, единственной известной мне коллекцией существенных размеров, посвящённой старой компьютерной технике, располагает Политехнический музей в Москве. Мне кажется несправедливым что страна, уделяющая столько места «духовным скрепам», на деле безразлична к истории своих достижений в науке и технике. Не войной единой жил СССР!
Сегодня в нашей стране немало миллиардеров, в том числе «не юзающих, а развивающих интернет», но энтузиасты, с огромным трудом и за свои деньги собравшие коллекцию миниЭВМ в Питере, не могут найти для её экспозиции подходящего помещения, что уж тут говорить о воссоздании разрушенных экземпляров! Что-то не так в нашем королевстве.

Изначально я задумал обзор развития компьютеров первого поколения. В ходе сбора материала не мог обойти линейку электромеханических компьютеров Z1 — Z4, рождённых в Германии. Бегло познакомившись с ней обнаружил, что история их создания рвёт многие шаблоны моего мозга. По сегодняшней терминологии это стартап, реализованный гениальным инженером в совершенно чудовищных условиях нарастающего тоталитаризма, а затем и ужасе второй мировой войны. Не смотря на внешние обстоятельства, он упорно шёл к достижению цели более десяти лет и смог не только закончить свою разработку, но и рискуя своей жизнью и жизнью беременной жены вывезти в подводе, в 20 коробках результаты многолетней работы из разрушенного Берлина. Найти в себе силы организовать фирму по производству компьютеров в условиях послевоенной разрухи, царящей в континентальной Европе.

Погружаясь в тему глубже, я столкнулся с большим количеством ляпов и противоречий в русскоязычных материалах. После вот этого шедевра моё терпение лопнуло:

кстати, на этой картинке отлично можно рассмотреть устройство механической памяти Z1, видны «пластины» и «штыри», а также как она собирается в пакеты

Горе переводчик увидев слово capacity решил, что речь идёт не о ёмкости читай размере памяти, а о том, что она изготовлена на основе конденсаторов и творчески додумал историю про стеклянные и металлические пластины. Затем этот очевидный ляп прокопипастили во многие другие русскоязычные статьи. После этого, я перешёл на англоязычные источники, но и в них встречались противоречия и недоговорки. Я очень старался восстановить хронологию событий, но мог немного «накосячить» в самых тёмных страницах этой истории, которые касаются последних месяцев войны.

Сумевших дочитать статью до конца, прошу принять участие в опросе, результаты которого мне очень интересны. Основная тема — способно ли тоталитарное государство не просто осуществить прорыв в определённом направлении науки и техники, а устойчиво удерживать свои позиции на высочайшем уровне.

Если позволит время, в следующей статье опять же о компьютерных стартапах эпохи конца восьмидесятых и конца девяностых, но уже из личного опыта.

Источник