Первую вычислительную машину с программным управлением изобрел

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

18 великих изобретений в мире компьютеров и программирования

Недавно у нас с коллегами возникла дискуссия на тему первых компьютеров и программ. В разговоре вспомнились не только знаменитые ученые, такие как Чарльз Бэббидж, но и менее известных вроде Ады Лавлейс. В результате возникла идея провести исследование и составить хронологию развития истории компьютеров и программирования.

В процессе изучения различных источников обнаружилось немало любопытных фактов. Например, тот же Бэббидж технически не является изобретателем компьютера, что первым высокоуровневым языком программирования был вовсе не FORTRAN, а для CRT-мониторов использовались стилусы.

1. Первый компьютер: «Машина различий» (1821 г.)

Предшественник Аналитической машины. «Машина различий» была первой попыткой создания механического компьютера. Разработкой проекта занимался ученый Чарльз Бэббидж. Заручившись поддержкой британского правительства, он начал работать над устройством. Но из-за высокой себестоимости, финансирование было остановлено и компьютер так и не построили.

2. Первый компьютер общего назначения: «Аналитическая машина» (1834 г.)

Чарльз Бэббидж продолжил свою работу и, основываясь на полученном опыте, взялся за разработку механического компьютера. Эта машина предназначалась для автоматизации вычислений путем аппроксимации функций многочленами и вычисления конечных разностей. Благодаря возможности приближенного представления в многочленах логарифмов и тригонометрических функций, «аналитическая машина» могла быть универсальным прибором.

3. Первая Компьютерная программа: алгоритм для вычислений числа Бернулли (1841 — 1842 г.)

Математик Ада Лавлейс начала переводить отчеты своего итальянского коллеги — математика Луиджи Менабреа. Для этого она использовала все ту же аналитическую машину Бэббиджа в 1841. Во время перевода женщина заинтересовалась компьютером и оставила примечания. В одной из заметок содержался алгоритм для вычисления числа Бернулли (последовательность рациональных чисел В₁, В ₂, В₃) аналитической машиной, которая, как полагают эксперты, была самой первой компьютерной программой.

4. Первый работающий компьютер: Z3 Конрада Цузе (1941г.)

Немецкий изобретатель Конрад Цузе стал первым, кому удалось создать работающий компьютер Z3. На основе своих первых двух моделей Z1 и Z2 ученый собрал полноценный электромагнитный программирующий компьютер, созданный на базе электронных реле. Z3 имел двоичную систему исчисления, числа с плавающей запятой, арифметическое устройство с двумя 22-разрядными регистрами, управление через 8 канальные ленты.

Предполагалось, что это будет секретный проект немецкого правительства. По большей части он разрабатывался для Института Исследований в области авиации. Правда самого Цузе мало интересовали интересы военных, ему просто хотелось создать работающую ЭВМ.

Оригинал машины Z3 был разрушен во время бомбежки Берлина в 1943 году.

5. Первая электронно-вычислительная машина: Компьютер Атанасова-Берри (Atanasoff-Berry Computer, ABC, 1942 г.)

Первое цифровое вычислительное устройство без движущихся частей. Компьютер был создан Джоном Винсентом Атанасовым и Клиффордом Берри. ABC использовался для поиска решений под одновременные линейные уравнения. Это был самый первый компьютер, который использовал набор из двух предметов, чтобы представлять данные и электронные выключатели вместо механических. Компьютер, однако, не являлся программируемым. В ABC впервые появились более современные элементы, такие как двоичная арифметика и триггеры. Минусом устройства была его особая специализация и неспособность к изменяемости вычислений из-за отсутствия хранимой программы.

6. Первая программируемая электронно-вычислительная машина: «Колосс» (1943 г.)

Компьютер «Колосс» — секретная разработка времен второй мировой войны. Он был создан Томми Флауэрсом совместно с отделением Макса Ньюмана, с целью предоставления помощи британцам в расшифровке перехваченных нацистских сообщений. Они были зашифрованы шифром Лоренца. Действия были запрограммированы электронными выключателями и штепселями. «Колосс» давал время на расшифровку сообщений от нескольких часов до недель. С помощью компьютера было расшифровано немало фашистских шифровок.

7. Первая программируемая электронно-вычислительная машина общего назначения: ENIAC (1946 г.)

ENIAC (Электронный числовой интегратор и вычислитель) — первый электронный цифровой компьютер общего назначения с возможностью перепрограммирования для решения широкого спектра задач. Финансируемый американской армией, ENIAC был разработан Электротехнической школой Мура в университете Пенсильвании. Его создавала команда ученых во главе с Джоном Преспером Экертом и Джоном Уильямом Мокли. ENIAC достигал в ширину 150 футов и мог быть запрограммирован на выполнение сложных операций. Вычисления производились в десятичной системе, компьютер оперировал числами максимальной длиной в 20 разрядов.

Интересным фактом было то, что на программирование задачи на ENIAC могло уходить несколько дней, зато решение выдавалось в считаные минуты. При перекоммутировании ENIAC «превращался» в практически новый специализированный компьютер для решения специфических задач.

8. Первый трекбол (1946/1952 г.)

Трекбол — указательное устройство ввода информации об относительном перемещении для компьютера. По сути, аналог современной компьютерной мыши. По одной из версий он был разработан Ральфом Бенджамином, когда тот работал над системой мониторинга для низколетающего самолета. Изобретение, которое он описал, включало в себя шар для управления координатами X-Y курсора на экране. Дизайн был запатентован в 1947 году, но не выпускался, потому что проект находился под грифом «секретно».

Также трекбол использовался в системе канадского военно-морского флота DATAR в 1952 году. Этот «шаровой указатель» применил Том Крэнстон.

9. Первый компьютер совместного хранения данных и программ в памяти: SSEM (1948 г.)

Манчестерская малая экспериментальная машина (англ. Manchester Small-Scale Experimental Machine, SSEM) — первый электронный компьютер, построенный по принципу совместного хранения данных и программ в памяти. Создатели — Фредерик Уильямс, Том Килберн и Джефф Тутилл были членами Манчестерского университета. Машина задумывалась, как экспериментальный аппарат для изучения свойств компьютерной памяти на ЭЛТ («трубки Уильямса»). Программы были введены в двухчастную форму, используя 32 выключателя, на продукции CRT.

Кстати, успешные испытания SSEM стали началом создания полноценного компьютера на трубках Уильямса — «Манчестерского Марка I».

10. Первый высокоуровневый язык программирования: Планкалкюль (Plankalkül, 1948 г.)

Этот язык был использован Конрадом Цузе (разработчиком первого работающего компьютера Z3). Хотя Цузе и начал создавать Plankalkül еще с 1943 года, впервые он был применен в 1948 году, когда ученый опубликовал работу на тему программирования. Правда данный язык программирования не привлек особого внимания. Первый компилятор для Планкалкюль (для современных компьютеров) был создан лишь в 2000 году профессором Свободного университета Берлина — Йоахимом Хоманом.

11. Первый ассемблер: «Начальные команды» на EDSAC (1949 г.)

Ассемблер — транслятор исходного текста программы, который преобразовывает мнемонику (низкого уровня) в числовое представление (машинный код).

Первый в мире действующий и практически используемый компьютер с хранимой в памяти программой. Программы были в мнемокодах вместо машинных, делая исходный код самым первым ассемблером.

12. Первый персональный компьютер: «Simon» (1950 г.)

Simon стал первым доступным компьютером. Он разработан Эдмундом Беркли, а построен инженером-механиком Уильямом Портером и выпускниками Колумбийского университета Робертом Дженсоном и Робертом Валлом. Simon имел систему команд и мог выполнять девять операций, в том числе два действия арифметики — сложение и вычитание, а также сравнение и выбор аргументов. Числа и команды считывались с перфоленты, а результат высвечивался на индикаторной панели. На вход могли подаваться числа в диапазоне от 1 до 255 в бинарной нотации, набитые на перфоленту.

13. Первый компилятор: A-0 для UNIVAC 1 (1952 г.)

Компилятор — программа, которая преобразовывает язык высокого уровня в машинный код. A-0 Система была программой, созданной легендарной женщиной-программистом Грейс Хоппер. Основной задачей системы было преобразование программы, определенной как последовательность подпрограмм и аргументов в машинный код. A-0 был выпущен клиентам с его исходным кодом, делающим, возможно, самое первое общедоступное программное обеспечение.

В 1952 г. у Хоппер появился готовый к работе компилятор. Ее высказывание по этому поводу:

В это не могли поверить. У меня был работающий компилятор и никто им не пользовался. Ведь мне говорили, что компьютер может выполнять только арифметические операции.

14. Первый автокод: Автокод Гленни (1952 г.)

Автокод — название группы языков программирования высокого уровня, который использует компилятор. Первый автокод был создан для серии компьютеров в университетах Манчестера, Кембриджа и Лондона. Автокод был создан одним из манчестерских сотрудников Тьюринга — Аликом Глени (собственно в его честь и назван).

15. Первая компьютерная мышь (1964 г.)

Идея компьютерной мыши пришла в голову американскому физику Дугласу Энджелбарту во время конференции на тему компьютерной графики. Он придумал устройство с парой маленьких поворачивающихся колес, которые могут использоваться для свободного перемещения курсора по экрану. Прототип был создан его ведущим инженером, Биллом Инглишем, но Инглиш и Энджелбарт никогда не получали лицензионные платежи для дизайна.

16. Первый коммерческий компьютер: Programma 101 (1965 г.)

17. Первый сенсорный экран (1965 г.)

На фото ниже — первый сенсорный экран (хоть он и мало чем похож на современные модели). Это панель с сенсорным экраном без чувствительности давления (в равной степени на любые касания экрана) с единственной точкой для контакта. В дальнейшем концепт использовался воздушными диспетчерами в Великобритании вплоть до 90-х годов.

18. Первый объектно-ориентированный язык программирования: Simula (1967 г.)

Simula — это язык программирования общего назначения, разработанный сотрудниками Норвежского Вычислительного Центра (г. Осло) Кристеном Нюгордом и Оле-Йоханом Далем для моделирования сложных систем. Учения Чарльза Ричарда Хоара про конструкции класса, языков программирования с объектами, классами и подклассами привели к созданию SIMULA 67.

Simula 67 явилась также первым языком с встроенной поддержкой основных механизмов объектно-ориентированного программирования.

Источник