17 септември 2019
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Говорят медиците
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Конрад Цузе, строителният инженер, създал първия програмируем компютър

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 08 ноември 2015 в 15:4183860
Конрад Цузе, изобретателят на първият напълно автоматизиран компютър с програмно управление в Калифорнийският Музей на историята на компютрите в Маунтин Вю. Снимка: California Computer History Museum

Всеки българин ще каже, че първият компютър е на Джон Атанасов. Но неговият компютър не е програмируем, а е изпълнявал само една единствена програма, заложена хардуерно. 

През 1936 г. немският инженер Конрад Цузе създава първия работен програмируем компютър в света, в който запомнянето на машинните инструкции, т.е. програмите са на същото място, в което се съхраняват данните. 

Втората световна война даде мощен тласък на развитието на технологиите и науката. Военно-промишленият комплекс винаги е събирал огромни човешки, финансови и други ресурси. И нацистите в манията си за световно господство, особено ревностно работили по изобретения и научно-технически иновации. Но историята на създаването на първия програмируем компютър започва още преди войната, с естественото желание на един немски строителен инженер да улесни живота си.

Конрад Цузе (1910-1995)

Конрад Цузе влиза в света на информационните технологии почти случайно. Бъдещият изобретател бил надарен с талант за изобразително изкуство, но също обичал да конструира сгради. Записва се в Берлинския Технически университет във Факултета по архитектура и строителство (1930-1935), където се увлича от математика и физика. По време на обучението си на проектиране на строителни съоръжения, пътища и сгради, Цузе бил изправен пред сериозен проблем. Сложните конструкции изискват огромни системи линейни уравнения, които много трудно се изчисляват с помощта на логаритмична линийка (какво е това знаят само инженерите 55+) или механичен калкулатор. 

"Аз бях студент по строителното инженерство в Берлин. Берлин е красив град, който дава на един младеж много възможности да прекара приятно времето си, например, с красиво момиче. Вместо това, ние бяхме принудени да правим огромни и ужасни изчисления" - си спомня Цузе.

За тези тези изчисления, инженерите използват специални таблици, в които записвали формулите за изпълнение на основните операции в двоична система. Именно така възникнала идеята у Цузе да се автоматизира този процес чрез прилагане на просто изчислително устройство. С други думи - да се измисли първия двоичен програмируем компютър.

Двоичният програмируем компютър Z1

Направи си сам

През 1936 г. Цузе завършил логическата схема за първия си компютър V1 (от немски Versuchsmodell-1, тоест "експериментален модел"). Всъщност, имената на всички машини е трябвало да започват с V (V1 до V4), но след края на Втората световна война, той променя имената на Z1-Z4 (първата буква на фамилното име на изобретателя), за да се избегнат неприятните асоциации с военните ракети V1-V4.

Схема на първия компютър V1

Цузе не е имал опит в областта на електрониката, не разполагал с достатъчно знания в областта на механиката и разбира се не е бил запознат с принципите на работата на другите компютърни устройства. Но тези обстоятелства не го смущавали. Младият изобретател веднага започнал да изпълнява своите идеи. С помощта на приятели, той събрал малка сума пари за научни изследвания и заедно с няколко приятели пристъпили към работа. Цялата разработка и монтаж ставала в апартамента на родителите му в Берлин - холът станал работилница. Без специално оборудвани лаборатории, без никаква помощ от правителство, министерства или университети, Конрад прави всичко сам, създавайки своя компютър от нулата. От друга страна, може би този факт му дава предимство, защото така намира нови подходи за решаването на конкретните проблеми. По-късно, изобретателят пише, че поради липса на информация, не бил ограничен в търсенето на най-добрата система за автоматично изчисляване - след като вижда, че десетичната система не е подходяща, Цузе се фокусира върху двоичната.

Цузе по време на работа

Съществуващите до момента изчислителни механизми са били построени с въртящи се компоненти и стойностите, с които оперирали, били в десетичната система.

Z1 обработвал числата в двоична система, а като превключвател използвал не реле, а метални пластини. Всички тези пластини, а те били 2000 парчета, са били изрязани от Цузе и приятелите му с ръчен лък. Пластините се премествали в строго определена посока. Отместените пластини, показващи изчислените стойности и стойностите на математическите операции, придвижвали ред други пластини, променяйки регистъра на двоичните числа и съхранявайки междинните резултати. Получените данни предизвикват други преобразования. Задаваният от оператора прост последователен алгоритъм на изчисленията е прототипът на съвременна компютърна програма.

Забележителна подробност е, че първият компютър разполагал с клавиатура за въвеждане на данните и с мигащи лампички за обозначаване на резултатите.

Работата по изобретението и конструирането отнема повече от две години. През 1938 г. машината Z1 започва работа. Това е огромна, състои се от 20 000 части. Електродвигател с мощност от 1 кВт. предоставял тактова честота от 1 херц (един цикъл за секунда)

Основни характеристики на Z1

  • Изпълнение: тънки метални пластини
  • Честота: 1 Hz
  • Изчислителен блок: обработка на числа с плаваща запетая
  • Средна скорост на изчисление: умножение - 10 секунди, събиране - 5 сек
  • Въвеждане на данни: клавиатура, четец за перфорирана лента
  • Изход на данните: лампов панел, десетично представяне
  • Памет: 64 думи по 22 бита
  • Тегло: около 1000кг

Първото устройство на Цузе не можело да "запомня" програмата си, нямало е инструкция за условен преход. Но все пак това е първата програмируема машина, при това направена от аматьори от метални пластини. Освен това Цузе сам разработвал теоретичната основа за своите компютри. Той бил запознат с двоичната цифрова системата на Лайбниц. Но нямал идея за алгебрата на Джордж Бул. Той разработил собствена система на математическа логика, наречена "условна комбинаторика" (Bedingungskombinatorik).

Холът-работилница

Устройството на Цузе показало възможността за създаване на програмируеми изчислителни машини, работещи с двоичен код, но от надеждността й имало какво да се желае. 

В по-нататъшната работа над машината Цузе бил силно повлиян от своя приятел Хелмут Шрейер, който бил електронен инженер и предложил на Цузе да заменят пластините с електронни лампи като превключващи елементи. 

През 1938 г. Цузе и Шрейер правят демонстрация на електронните схеми в Берлинския университет и разказват подробно за изграждането на електронен компютър. Но идеята им предизвикала присмех, университетските професори определили като фантазия подобно устройство - луда идея („Schnapsidee“ по собствените му думи). Това не повлияло на решението на двамата приятели да сглобят нов модел.

По време на войната

Втората световна война започва и Цузе е повикан в нацистката армия. Но прекарва по-малко от шест месеца и благодарение на ходатайството на влиятелни учени и инженери, през 1940 г., Цузе е бил демобилизиран в Берлин, където продължава работата си върху компютрите.

През 1940 г., спечелва подкрепата на Изследователския институт по аеродинамика, който използва разработките му за производството на безмоторни бомби. Цузе построява Z2, преработена версия на Z1, но с телефонни релета.

Цузе и Шрейер се обръщат към директора на Берлинския авиационен завод "Henschel", произвеждащ тактически бомбардировачи. Ръководството на завода било спечелено за идеята да се използват компютърни технологии за създаването на военна техника. На Цузе е предоставен специален отдел с най-добрия електронен инженер на компанията.

И в края на 1940 г. Z2 е пусната в експлоатация. Новият компютър е снабден с цифров процесор на основата на релета и електровакуумни лампи. Той автоматично изчислявал параметрите на геометрията на авиационните бомби като превръщал входните данни в двоична система, изчислявал по предварително зададени формули от оператора и давал крайния резултат в десетични числа. Резултатите се изпращали директно в производственото хале.

Z3

През същата година Цузе започва разработката на Z3 - изцяло изградена на релета бинарна 22-битова машина с логическата структура на Z1 и Z2. Тя е готова за експлоатация през 1941 г., 4 години преди разработката на американските учени - електронният цифров компютър ENIAC. А телефонните релета използвани в машините на Цузе са втора употреба, събрани от едва ли не от сметището.

Програмируемата изчислителна машина Z3 е създадена на базата на електронни релета (600 за аритметичния блок, 1400 за паметта и 400 за контролния блок). Във всички други отношения, тя изглежда като Z1 и Z2: двоична система за изчисление, числа с плаваща запетая, аритметично устройство с два 22-битови регистри, управление чрез 8 канални ленти (т.е. командите са от 8 бита).

Всяка от думите се вкарва в паметта на компютъра за един тактов цикъл. Като цяло общата памет достига 64 думи по 22 бита. Именно в тази машина за първи път се използва съвременния принцип на адресно разпределение на паметта, като всяка 22-битова дума може да бъде сложена в паметта или извлечена от от нея с командите PRz и PSz (z е съответстващият регистър на оперативното запомнящо устройства с адреси от 1 до 64). 

Първият програмен език на високо ниво

Цузе разработил свой набор от инструкции, който включвал около дузина основни и няколко десетки допълнителни команди. Той бил истински език за програмиране, използван за задаване на сложни алгоритми за изчисления. Така че Цузе е създавал и първия програмен език на високо ниво - Планкалкюл (на немски Plankalkül - "изчисляване на планове"). Характеристиките му са: независимост от архитектурата на машината, условни оператори (без ELSE), цикли, подпрограми (без рекурсия), работа с масиви и подмасиви и сложен синтаксис.

Цузе на фона на Z3

През декември 1941 г., на Z3 е пусната в експлоатация и приета от производителите на военни самолети. С помощта на Z3 се изчисляват аеродинамичните и балистични характеристики на първите немски крилати ракети.

Въпреки успешното внедряване на Z3 във военната индустрия, Цузе никога не получава подкрепата, която имат компютърните пионери в другите държави като Алан Тюринг например. Финансиран е само частично от Научноизследователския институт на ВВС на Германия (DIV), а правителството отказва финансирането на проекта за електрическа изчислителна машина от ново поколение като „стратегически неважна“. Лидерите на Вермахта са убедени по това време, че нацистка Германия вече е достигнала световно господство.

Z4

Новият модел е много подобен на Z3 има 1024 регистъра памет за съхраняване на 22-битови думи. Благодарение на по-мощния си процесор е увеличена скоростта. 

Основни характеристики на Z4

  • Изпълнение: релета, памет - метални пластини
  • Честота: 30 Hz
  • Изчислителен блок: обработка на числа с плаваща запетая, , дължината на машинната дума - 32 бита
  • Средна скорост на изчисление: умножение - 0,3 секунди, събиране - 0,4 сек, средно 11 умножения в секунда
  • Въвеждане на данни: клавиатура, четец за перфолента
  • Изход на данните:  пишеща машина марка "Мерцедес"
  • Памет: 64 думи по 22 бита
  • Тегло: около 1000кг

Създаване на новия компютър отнема три години и декември 1944 г. проектът е пред завършване.

Работейки над Z4, изобретателят си поставя като основна цел да изгради прототип на машина, която по-късно да се произвежда с хиляди. Но липсата на необходимите материали и трудната ситуация в страната (разгара на военните действия), направили тази задача почти невъзможна.

По време на едно от въздушните нападения на Берлин, първото копие на Z3 било напълно унищожено, а когато през май 1945 г. в германската столица нахлува съветската армия, Цузе е принуден да избяга със семейството си в Бавария. С него е вече асемблирания компютър Z4, който скрива там за по-добри времена

Компютърът Z4

През 1948 г. Цузе създава своя собствена фирма Zuse KG - първото в света търговско дружество, предназначено изключително за развитието и производството на компютърна техника за авиацията, оптичната индустрия и университетските лаборатории. Компанията произвежда търговски компютри, които са популярни в Германия през 50-те години (Z5, Z11, Z22 и Z23).

Компанията на Цузе създава първият компютър с памет на магнитни носители Z22.

Z22 - компютър с памет на магнитни носители. 

Въпреки инженерния си талант и усърдие Цузе изостава от американските си конкуренти. Следвоенна Германия не е най-подходящото място за иновации в електронното бъдеще. Всички средства на правителството отиват за възстановяването на страната. 

През 60-те години европейския пазар е активно завладян от американските електронни компютри, които постепенно заменят компютрите на Цузе. През 1962 г. компанията е продадена на "Brown Boveri and Co", а по-късно влиза в състава на корпорация "Сименс".

Конрад Цузе посвещава живота си на развитието на компютърните технологии в Германия и съжалява, че не е реализирал мечтата си - да се създаде преносим компютър за делови хора. В това го изпреварват американците.

След продажбата на компанията той се захваща с дългогодишната си страст - рисуването. И дори е нарисувал няколко портрета на известни личности от света на компютърните технологии. Един от тях е на Бил Гейтс, когото срещнал на изложбата си.


Препоръчани материали

Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Компютри
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.