Компьютер “Z1” Конрада Цузе

Есть в Берлине музей широкого профиля — Немецкий технический музей. Любителям самобеглых повозок в нем вряд ли будет интересно — автомобилей там немного — зато всем, кто интересуется компьютерами, посетить это место непременно стоит. Дело в том, что здесь хранится модель первого в мире компьютера. Причем эта модель воссоздана именно тем человеком, который в свое время сконструировал и собственноручно создал оригинал, — Конрадом Цузе…

Хотя жить и работать Конраду Цузе приходилось и в других местах, родился он в Берлине, в нем же получил образование и здесь же в 1938 году сконструировал и воплотил в железе свой первый компьютер, получивший по первой букве фамилии автора незамысловатое название Z1.

На самом деле изначально первые машины Zuse назывались еще проще: V1, V2 и так далее (от нем. Versuchsmodell — «экспериментальная модель»). Но впоследствии были переименованы, чтобы их не путали с ракетами: V по-немецки читается как «фау».

Транзисторов или даже электронных ламп в Z1 найти не удастся: эта вычислительная машина была создана за 6 лет до начала использования ламп в вычислительной технике. Z1 — компьютер полностью механический, разве что привод электрический.

Тем не менее, эта вычислительная машина содержала практически все элементы современных компьютеров, была программируемой, работала с двоичным кодом и оперировала 22-битными числами с плавающей запятой — что давало возможность проводить вычисления как с очень большими, так и с очень маленькими величинами.

Вот такой он, первый компьютер

Процессор Z1 работал на частоте 1 Гц, машина была способна выполнять одну операцию сложения в секунду (умножение происходило значительно дольше, поскольку было реализовано как последовательное сложение), объем памяти составлял 0,17 Кбайт.

Программы — у компьютера была система из 9 команд — вводились с помощью перфоленты. В модели Z1 использовалась бумажная лента, однако при разработке Z2 в качестве основы выступала уже 35-миллиметровая кинопленка.

Пленка была выбрана Цузе по той простой причине, что его дядя (иные источники говорят о дедушке, но на сопроводительной табличке в музее указан именно дядя) работал на крупнейшей германской киностудии того времени — Universum Film AG — и мог поставлять племяннику отработанную пленку в достаточных для его целей количествах. Поскольку Цузе создавал свою машину без участия государства или крупных компаний, в основном на деньги друзей и родственников, экономия была более чем уместна.

Единственным более-менее серьезным спонсором, которого Цузе удалось заполучить на ранней стадии создания своих вычислительных машин, стал Курт Панке, владелец производства калькуляторов.

Забавно, но поначалу Панке несколько раз отказывал инженеру в финансовой помощи со словами: «В вычислительных устройствах, в сущности, все уже изобретено — вплоть до всех возможных подходов и самых замысловатых конструкций. В них просто уже не осталось ничего, что можно было бы изобрести». Вот бы показать этому человеку какой-нибудь, скажем, «Айпад» и посмотреть на выражение его лица…

Но денег Панке в конце концов все-таки дал. Целых 7 000 рейхсмарок — по тому времени примерно треть цены шикарного спортивного купе «Мерседес» (ремарка для заскучавших автолюбителей: с пятилитровым компрессорным двигателем, шик-модерн того времени). Этот достаточно щедрый грант позволил Цузе довести до конца работу над Z1 и начать создание улучшенной версии, Z2.

А уже к 1941 году Конрад Цузе создал модель Z3 — основанную на электромагнитных реле, избавленную от недостаточной точности механики и полноценно работающую. Помимо всего прочего, эта машина удовлетворяла условию полноты по Тьюрингу. То есть на ней можно было решить любую задачу, которую возможно выразить алгоритмически. Первые компьютеры других разработчиков, удовлетворявшие этому условию, появились только после войны.

Данную машину можно по праву считать первым полноценно рабочим компьютером в мире. Правда, создана она уже с участием государства: к этому моменту правительство Германии заинтересовалось работами Цузе и на создание Z3 выделило грант в размере 20 000 рейхсмарок.

Однако в дальнейшем финансировании создания универсальных компьютеров Цузе было отказано. Вторая мировая война приняла неожиданный для нацистского правительства оборот, Германии внезапно стало не до компьютеров. И в 1945 году во время бомбардировок Берлина машины Z1, Z2 и Z3, существовавшие в единственном экземпляре, были уничтожены вместе со зданием, в котором размещалась компания Цузе.

Основанный на реле компьютер Z11 (1956). Первый компьютер, который массово производился в Германии

Из-за несовершенства тогдашних ламп Цузе долго держался за реле — а потом почти сразу переключился на транзисторы. Единственным ламповым компьютером его разработки стал Z22 (1958)

Нельзя сказать, что все это совсем остановило инженера, — Конрад Цузе и после весьма успешно занимался созданием вычислительной техники. Однако было потеряно время, которое в те годы было особенно драгоценно в связи с лавинообразным прогрессом во множестве технических отраслей. Да и денег в послевоенной Европе было негусто. Поэтому инициатива в зарождающейся индустрии вычислительной техники была перехвачена американцами, и в дальнейшем историю компьютеров определяли уже они.

Z23 (1961) — один из первых транзисторных компьютеров

Тем не менее работы Цузе остались в этой истории в качестве одного из важных этапов. Так что будете в Берлине — обязательно сходите в этот музей. Только обязательно учтите тот факт, что экспозиция, посвященная компьютерам, занимает лишь малую часть музея. В нем есть еще уйма всего интересного — от первых телевизоров, культовых фотоаппаратов и типографских станков до кораблей и самолетов. И целых два полноценных депо, наполненных железнодорожной техникой.

Как показала практика, трех часов, проведенных автором в музее, для обхода всей территории категорически недостаточно — стоит выделить на него больше времени. Кстати, при музее есть вполне приличный бар. Так что спутников, которые не захотят составить компанию в стремительном беге по экспозиции или устанут на полдороге, вполне можно оставить наслаждаться второй после техники любимой вещью немцев.

А в качестве завершения этой статьи приведем историю компьютеров в картинках по версии Немецкого технического музея. Ее, пожалуй, не стоит воспринимать как абсолютную истину и точнейший рассказ обо всех подробностях. Скорее, это общее русло тех событий, которые в результате привели компьютерную отрасль в то состояние, которое мы имеем счастье наблюдать ежедневно. И тем не менее, с ней весьма интересно ознакомиться.

1705 год. Двоичная система

Немецкий философ и математик Готфрид Вильгельм фон Лейбниц первым публикует полное описание двоичной системы счисления, в которой все числа записываются с помощью только двух цифр — 0 и 1.

1833 год. Идея первого компьютера

Английский математик Чарльз Бэббидж начинает создание полностью автоматической программируемой вычислительной машины — как он ее назвал, «Аналитической машины». После 30 лет попыток Бэббидж сдался. Уровень развития точной механики того времени был недостаточен для создания настолько сложной машины, использующей десятичную систему счисления.

1847 год. Булева алгебра

Английский математик Джордж Буль разрабатывает «формальную логику высказываний». В ней высказывания объединяются в структуры с помощью логических операторов AND, OR, NOT. Сегодня булева алгебра является основой программирования.

1886 год. Автоматизированная обработка данных

Созданная Германом Холлеритом машина для считывания перфорированных карт использована для подсчета результатов переписи населения в США. Машина автоматически вычисляла разнообразную статистику, позволив уменьшить время на обработку результатов с семи лет, потребовавшихся для предыдущей переписи, до двух (при этом численность населения США за период между переписями увеличилась на четверть).

1937 год. Теория универсального вычислителя

Английский математик Алан Тьюринг публикует концепцию универсального вычислителя. Он доказал, что компьютер способен решить любые математические проблемы, которые могут быть выражены алгоритмически. (На всякий случай, видимо, следует заметить, что логотип Apple представляет собой отравленное цианидом яблоко, которое послужило причиной смерти Алана Тьюринга. И радужная раскраска первоначального логотипа компании тоже неслучайна, Тьюринг был гомосексуалистом.)

1938 год. Создание первого компьютера

Берлинский инженер Конрад Цузе завершает создание Z1: первой полностью программируемой вычислительной машины. Она работает автоматически в двоичной системе счисления и оперирует числами с плавающей запятой. Функциональность машины ограничена в связи с недостаточной точностью некоторых компонентов.

1941 год. Полностью работающий компьютер

Конрад Цузе завершает создание Z3, первого в мире полностью работающего компьютера. Схема Z3 использует электромагнитные реле. В Z3 реализованы все элементы современных компьютеров, однако программы все еще хранились на внешнем носителе. (Все дело в том, что реле, использовавшиеся в качестве ячеек памяти, стоили по тем временам довольно дорого, 2 рейхсмарки за штуку, то есть за один бит; в то время как кинопленку-перфоленту для хранения программ Цузе получал бесплатно.)

1944 год. Большая вычислительная машина в США

В Гарвардском университете Говард Эйкен представляет первую в США полностью программируемую вычислительную машину. В MARK I использованы электромагнитные реле и десятичная система счисления. Длина машины составляла 17 метров, операцию сложения она производила за 0,3 секунды. (Стоит заметить, что эта машина, созданная на 3 года позже Zuse Z3, не удовлетворяла условию полноты по Тьюрингу.)

1944 год. Вычислительная машина взламывает шифры

Британские взломщики шифров запускают в работу машину COLOSSUS. Она позволяет им расшифровывать телетайп-сообщения, которыми обмениваются вооруженные силы Германии. Машина использует электронные лампы и работает в двоичной системе. Она способна обрабатывать 5 000 символов в секунду. (И эта машина также не обладала полнотой по Тьюрингу.)

1945 год. Внутреннее хранение программ

Венгерско-американский математик Джон фон Нейман (Янош Лайош Нейман) описал концепцию современного компьютера: программы должны храниться так же, как данные, — в памяти компьютера, чтобы к ним можно было получить быстрый доступ и их было легко отредактировать.

1946 год. Электронная вычислительная машина

В США создан первый компьютер с полностью электронной архитектурой. В машине ENIAC использовано около 18 000 электронных ламп и она примерно в 1 000 раз быстрее машин, основанных на электромагнитных реле. Программирование компьютера занимает несколько дней.

1948 год. Бит

Американский математик Клод Шеннон впервые использует термин «бит» (один двоичный разряд — 0 или 1) для наиболее мелкой единицы информации. Он утверждает, что любая информация может быть представлена в виде битов.

1948/1949 год. Хранение программ

В Великобритании запущены компьютеры, которые способны хранить программы и данные в электронном виде: экспериментальная машина BABY, созданная Манчестерским университетом и EDSAC, сконструированная Кембриджским университетом.

1951 год. Монитор

Первый монитор в истории компьютеров был разработан в США для мейнфрейма WHIRLWIND. Этот военный компьютер использовался для наблюдения за американским воздушным пространством. Вражеские самолеты представлялись на экране в виде графических символов.

1955 год. Компьютер на транзисторах

В США построен первый транзисторный компьютер — TRADIC (TRAnsistorised Airborne Digital Computer). Схемы, построенные на транзисторах, компактнее, быстрее и надежнее — а в недалеком будущем становятся и дешевле, — чем схемы на электронных лампах. Начинается коммерческое использование компьютеров.

1958 год. На пути к микрочипу

Американский инженер Джек Килби разрабатывает интегральную схему. Транзисторы, резисторы и другие электронные компоненты производятся из одного материала и объединены в один модуль. Таким образом компьютеры становятся значительно компактнее и эффективнее.

(Следует заметить, что ИС, созданная Джеком Килби, была выполнена из дорогого германия. Кремниевый микрочип был впервые получен через полгода Робертом Нойсом, впоследствии вместе с Городоном Муром основавшим компанию Intel.)

1964 год. «Семейство компьютеров»

Американская фирма IBM представляет System/360. Благодаря модульной конструкции этого компьютера, IBM удается добиться долговременного сотрудничества со своими клиентами, которые могут компоновать свои собственные вычислительные системы, выбирая из шести различных по возможностям мейнфреймов и 40 периферийных устройств.

1965 год. Миникомпьютер

На рынке появляется первый миникомпьютер, PDP-8. Миникомпьютеры значительно дешевле мейнфреймов и могут сравнительно легко программироваться самими пользователями. Благодаря этим преимуществам компьютеры начинают появляться в небольших фирмах и научных отделах.

1968 год. Компьютерная мышь

Американский исследователь Дуглас Энгельбарт представляет свой «указатель положения X-Y для системы отображения». Этот механизм, предназначенный для работы с графическими интерфейсами, теперь известен как «мышь». (Вообще, этот человек и его коллектив заслуживают отдельной полновесной статьи. Мышь была представлена на презентации, ставшей впоследствии известной как «Мать всех демонстраций» — The Mother of All Demos. Одновременно с мышью Энгельбарт продемонстрировал концепты электронной почты, гипертекста, видеоконференций, систем обработки текста, совместного одновременного редактирования файлов, мультимедиа, графического интерфейса. А также множества других вещей, которые в то время выглядели совершенно фантастично, а много позже, спустя десятилетия, прочно вошли в жизнь людей. Стиву Джобсу тогда было всего 13 лет, и о своих пафосных презентациях мелких улучшений интерфейса и новых Радиусов Скругления он еще и не помышлял. Так-то.)

1969 год. Начало эры Интернета

Через телефонное соединение в Америке объединены компьютеры четырех исследовательских институтов. К 1973 году эта компьютерная сеть содержит 35 узлов. Некоторое время спустя во Франции построена первая европейская компьютерная сеть.

1975 год. Микрокомпьютер

Микрокомпьютер Altair 8800, сперва продававшийся исключительно в виде набора деталей «сделай сам», стал фантастически успешным. В эру микрокомпьютеров ключевым элементом становятся микрочипы: эти миниатюрные элементы содержат в себе полноценный процессор.

1975 год. Фирмы, разрабатывающие программное обеспечение

Билл Гейтс и Пол Аллен основывают компанию Microsoft. Она быстро приобретает известность благодаря языку программирования BASIC, разработанному для компьютера Altair. Теперь даже любители могут писать простые программы.

1977 год. Персональный компьютер

Компания Apple рекламирует свой Apple II как «персональный компьютер». В отличие от его предшественника, Apple I, который покупатели должны были собирать сами, Apple II — первый микрокомпьютер, который можно купить полностью собранным.

1981 год. Портативный компьютер

Первым портативным компьютером, который попал в продажу, стал Osborne 1. Компьютер, оборудованный экраном размером с кредитную карточку, весил 12 килограмм, и по контрасту с будущими ноутбуками его скорее следовало бы назвать «переносносным», а не «портативным».

1982 год. C64

Домашний компьютер Commodore 64 продается в количестве 30 миллионов экземпляров и становится самой продаваемой моделью компьютера всех времен. Благодаря своим мощным звуковому и графическому чипам, C64 становится лучшим компьютером для фанатов компьютерных игр. (В те времена было модно указывать в названии компьютера объем оперативной памяти, в данном случае 64 Кбайт.)

1991 год. Всемирная паутина

Разработанная Европейским центром ядерных исследований (CERN) Всемирная паутина открыта для общего пользования. Благодаря специальному протоколу передачи данных, унифицированным сетевым адресам и языку разметки страниц HTML, теперь можно обмениваться информацией по всему миру.

1996 год. Компьютер побеждает мирового чемпиона по шахматам

Компьютер, разработанный для игры в шахматы, впервые побеждает сильнейшего в мире игрока-человека. Компьютер IBM Deep Blue выигрывает партию в матче против многократного чемпиона мира по шахматам, Гарри Каспарова. В 1997 году компьютер выигрывает у Каспарова и весь матч.

1998 год. Google

Появляется и быстро становится лидером рынка поисковая система Google. Компания занимается интенсивными исследованиями алгоритмов сортировки, которые приводят к хорошей точности результатов поиска.

2003 год. Социальные сети

Создана первая социальная сеть — Myspace. Через полгода за ней следует Facebook. Люди могут создавать бесплатные учетные записи в Интернете и обмениваться текстами, фотографиями, музыкой и видео.

2007 год. Компьютер в кармане

Компания Apple представляет iPhone. Он и другие так называемые смартфоны демонстрируют тренд интеграции изначально отдельных устройств — таких как мобильный телефон, компьютер, цифровая камера — в одно многофункциональное устройство. (Выбор iPhone в качестве устройства, задавшего этот тренд, конечно, вызывает немало вопросов. С другой стороны, по-настоящему популярны смартфоны действительно стали именно после появления телефона Apple.)

2010 год. Суперкомпьютеры

В июне 2010 года список самых мощных суперкомпьютеров возглавляет американский Cray Jaguar, за ним с небольшим отставанием следует китайский Nebulae. Оба этих высокопроизводительных суперкомпьютера могут выполнять более триллиона вычислений в секунду.

(За прошедший год китайцы успели запустить вдвое более мощный суперкомпьютер Tianhe-1. Однако всех обогнали японцы, умудрившиеся создать систему с лаконичным названием K computer. Эта система показала почти втрое более высокую производительность по сравнению с китайской Tianhe-1. Итого за год производительность самого мощного компьютера в мире выросла примерно в пять раз.)

Будущее. Вычисления с помощью квантов?

У истории компьютеров пока нет окончания. К примеру, уже много лет проводится интенсивное изучение квантовых вычислений. Компьютер, использующий изменение квантовых состояний — так называемых «кубитов», или квантовых битов, может стать в несколько раз более быстрым, чем привычные для нас системы.

 

Алексей Дрожжин