Секреты лаборатории Цузе в Германии

Информатика

«Секреты лаборатории Цузе в Германии»

Реферат Кудина Андрея,

ученика 11 «А» класса,

88-й средней школы

Калининского  района

города Санкт-Петербурга.

Учитель: Броздниченко Жанна Владимировна.

Год: 2012.

Оглавление

• Вступление……………………………………………………………...3
• 1. Конрад Цузе - пионер компьютеростроения……………………....4
• 2. Компьютеры Третьего рейха………………………………………..6
• 3. Разработки послевоенного времени……..………………..............10
• Заключение………………………………………………………….…15
• Список источников……………………………………………….…...16 
  Вступление

Сегодня, когда персональные компьютеры штампуют миллионами единиц ежедневно, трудно вообразить себе, что еще каких-то 60-70 лет назад вычислительные машины собирались вручную единичными энтузиастами, в условиях, далеких от фабричных. 30-е и 40-е годы прошлого века были «пионерной» вехой в истории создания компьютеров. Это было удивительное время, которое предопределило не только развитие и рост вычислительной техники в дальнейшем. Оно также ознаменовало собой начало тотальной зависимости человека от компьютеров практически во всех сферах его жизнедеятельности, начало компьютеризации, цифровых способов вычисления и хранения данных и т.д.

Наиболее быстрые и важные подвижки в развитии науки и техники  происходят благодаря военно-промышленному комплексу. Именно здесь обычно концентрируются громадные человеческие, денежные и иные ресурсы. По этой причине армии нужны самые высокотехнологичные орудия убийства, разработка которых требует не только затрат, но также научно-технических инноваций, открытий.

В Первой Мировой войне применялась  и артиллерия, и бронетанковые  войска, и авиация, однако сложные  расчеты (баллистические, например) ещё  не требовались, ввиду явной «недоразвитости» военной техники, науки и промышленности. А в 30-х годах прошлого века военным наиболее развитых государств мира потребовались машины, которые могли быстро и точно рассчитывать самые разнообразные операции. Справляться с рутинной работой, нарастающей, словно снежный ком, людям становилось все сложнее и сложнее, отчего у наиболее одаренных представителей рода человеческого появилась идея переложить скучное занятие на «механические плечи» вычислительной машины. Словом, предвоенная ситуация в Европе середины 30-х годов ХХ века буквально подталкивала технических гениев в генеральские объятья.

1. Конрад Цузе - пионер компьютеростроения

Конрад Цузе (Konrad Zuse), выдающийся немецкий конструктор и мыслитель, родился 22 июня 1910 г. в Берлине, но вырос на севере Саксонии. Изобретать юный Конрад начал с раннего возраста. Общеизвестен такой факт — в школе им был представлен проект действующей машины для размена монет. Так что неудивительно, что в 1935 г. Цузе успешно закончил Высшую техническую школу Берлин-Шарлоттенбург и вышел оттуда с дипломом инженера.

Затем судьба привела его в авиационную фабрику «Хеншель» в городе Дессау. Новоиспеченный инженер проработал около года, а затем положил на стол начальству заявление об уходе. Но ушел Цузе затем, чтобы заняться созданием программируемой счетной машины. Еще в студенческие годы (начиная примерно с 1934 г.) он стал задумываться над созданием машины для вычислений. Окончательный импульс к созданию такой машины дали каждодневные рутинные расчеты, которыми приходилось заниматься Конраду на работе. В частности, он корпел над расчетами нагрузки, возникающей при вибрации крыла.

Но вычислительная программируемая  машина — это не машина для размена  монет. Конрад Цузе понимал всю серьезность  дела, за которое он взялся, а потому сразу оборудовал целую комнату  в доме родителей под свою «мастерскую». Родители не разделяли сыновнего энтузиазма, однако, надо отдать им должное, оказывали Конраду всяческую помощь. Таким образом, денежные средства на постройку машины были исключительно частными.

Начало работ над первой вычислительной программируемой машиной Цузе относится к 1936 г. Характерной особенностью этой машины являлось то, что для переключения использовались не реле, а металлические пластины. Упорству Цузе можно только позавидовать, ведь эти пластины количеством два десятка тысяч (!) были вырезаны лобзиком, впрочем, не без помощи ближайших друзей. Несмотря на все сложности, в 1938 году Цузе смог продемонстрировать родителям и друзьям программируемую цифровую машину (рис. 1). Поначалу она носила название V-1 (Versuchsmodell-1, то есть «Опытная модель»), позднее, названия всех компьютеров Конрада стали начинаться с буквы Z (Z1, Z2, Z3 и т.д. — по начальной букве фамилии изобретателя).

Рисунок 1. Программируемая цифровая машина Z1 в комнате изобретателя

Компьютер Z1 имел большинство черт, присущих современному ПК. Это и двоичный код (Цузе дальновидно отказался от десятичной системы исчисления), и отдельный блок памяти, и возможность ввода данных с консоли, и обработка чисел с плавающей запятой. В качестве носителя для ввода данных могла использоваться перфокарта, которую Цузе приспособился делать из 35-миллиметровой кинопленки, пробивая в ней отверстия. Характеристики Z1 приведены в табл. 1.

Таблица 1. Основные характеристики Z1

У Z1 был один серьезный недостаток — ненадежность вычислений. Модель действительно являлась экспериментальной, хотя могла использоваться для научных  вычислений. И, конечно, не была продана. Между прочим, для ранних компьютеров (вплоть до начала бума IBM PC-совместимых компьютеров в начале 80-х годов ХХ в.) показатель реализации был очень важен и служил, своего рода, индикатором успеха.

2. Компьютеры Третьего рейха

Компьютеру Z1 не суждено было остаться даже в единственном оригинальном экземпляре. В 1943 году компьютер был уничтожен после авиабомбежки вместе со всеми конструкторскими чертежами и схемами.

К сожалению, Конрад Цузе не избежал  отправки в расположение военных  частей — фашистская Германия развязала Вторую Мировую войну. Однако в роли солдата-пехотинца Цузе пришлось побыть недолго, не более полугода, изобретателю удалось убедить военное руководство, что больше пользы он принесет не на поле брани, а за постройкой нового компьютера (известного теперь как Z2). Институт аэродинамических исследований Третьего рейха даже начал финансирование работы Цузе; в 1940 году тот смог открыть небольшую компанию «Zuse Apparatebau» по созданию компьютеров, которая просуществовала до конца войны.

Неточность и ненадежность Z1 (из-за механической конструктивной сложности) подтолкнула Цузе обратиться к использованию электромеханических переключателей — реле, для большей точности в вычислениях (ограниченный в средствах, Цузе приобретал в телефонных компаниях списанные реле). К весне 1939 года Z2 был готов (рис. 2) с улучшенными характеристиками (табл. 2). Память Z2 по-прежнему состояла из металлических пластин, зато вычислительный блок — из 800 реле.

Рисунок 2. Z2 и Конрад Цузе

Таблица 2. Основные характеристики Z2

Дальше совершенствовать это  «поколение» компьютеров не имело смысла, Цузе уже видел прообраз будущей машины, которая была бы целиком релейной и служила не только демонстрационной моделью.

12 мая 1941 года в Берлине Цузе представил собравшимся ученым знаменитый компьютер Z3 (рис. 3) с новыми характеристиками (табл. 3). Успех демонстрации был огромен. Не случайно именно Z3 считается первым работоспособным, свободно программируемым компьютером в мире (его «конкуренты», Mark I и ENIAC появились после 1943 года). Правда, в памяти Z3 программы не хранил, для этого память из 64 слов была мала, да Цузе и не стремился к этому. Имелся недостаток — отсутствие реализации условного перехода.

Рисунок 3. Компьютер Z3

Таблица 3. Основные характеристики Z3

Однако главная проблема заключалась  в том, что высшие военные чины Вермахта не сомневались в быстрой победе германского оружия, а потому придавали мало значения компьютерам. Показателен такой факт. Однажды Цузе и его друг Гельмут Шрейер, инженер по специальности, обратились за помощью к генералам, чтобы те помогли с финансированием ЭВМ, созданной не на реле, а на вакуумных лампах (идея Шрейера). Военные, услышав, что на постройку такого компьютера уйдет около двух лет, отвергли идею Цузе-Шрейере, заявив, что войну Германия выиграет гораздо раньше, обойдясь без помощи новых электронных вычислительных средств. Безусловно, после нападения Гитлера на СССР фашистской Германии не помогли бы никакие компьютеры, но приведенный случай наглядно показывает (как и направление Цузе на фронт), что немецкое руководство не понимало всей перспективности компьютеростроения. В этом плане показательна работа над «оружием возмездия» («Фау»), которая-то форсировалась, то замедлялась в зависимости от успехов/неуспехов на военных фронтах.

Вплоть до 1944 года Z3 успешно использовали для авиационных расчетов, когда опять же после бомбардировки, компьютер был уничтожен. Несгибаемый Конрад Цузе берется за создание четвертого компьютера — Z4 (рис. 4), характеристики которого представлены в табл. 4.

Рисунок 4. Компьютер Z4

Таблица 4. Основные характеристики Z4

На долю Z4, в отличие от предшественников, выпала завидная судьба. Компания Цузе готовила Z4 для серийного производства, однако страх перед бомбежками вынудил не окончательно отлаженный компьютер вывезти из Берлина. Первоначально его планировали спрятать в подземной фабрике в Нордхаузене, где собирались ракеты «Фау». Но, когда Цузе, спустившись в ужасное подземелье, увидел тысячи заключенных, работавших (и погибавших) там, в нечеловеческих условиях, он с ужасом отверг это место. Так Z4 повезли в баварские Альпы, где в местечке Оберох Цузе повстречался с еще одним выдающимся немецким изобретателем и конструктором — Вернером фон Брауном, прославившимся созданием первой боевой баллистической ракеты (A-4/V-2).

К бодро шагавшему в плен фон  Брауну Цузе не примкнул, а, пройдя еще 20 км, спрятал компьютер в разобранном  виде в сарае альпийского отеля местечка Хинтерштайн.

3. Разработки послевоенного времени

Послевоенные годы были тяжелым  испытанием для Цузе, которому пришлось практически заново собирать Z4. Для  восстановления механической памяти брались  железные консервные банки, оставленные войсками антигитлеровской коалиции.

Чтобы как-то выжить, Цузе задействовал свой второй талант — художника. Он делал гравюры на дереве и продавал их местным фермерам и американским солдатам. В 1948 году восстановленный Z4 был на лошадях перевезен в местечко Хопферау, где Цузе посетил профессор Штифель из Высшей технической школы в Цюрихе (ETHZ). До сих пор не совсем ясно, откуда профессор проведал про Z4.

Эта встреча стала поворотным пунктом  для дальнейшей жизни Конрада  Цузе. На глазах у Штифеля он написал программу, сделал перфокарту и ввел данные в Z4. Полученный результат был правильным. Воодушевленный этим, Штифель предложил арендовать Z4. Чтобы подписать контракт с ETHZ, Цузе зарегистрировал компанию «Zuse KG». Надо сказать, что выбора у цюрихского профессора не было. На тот момент он мог рассчитывать лишь на Z4, поскольку американские компьютеры заполучить было невозможно, а машина Цузе работала надежно (даже несмотря на память из металлических пластин), имела специальный блок для создания программ и ряд других плюсов.

До 1954 года Z4 работал в Цюрихе, затем, до 1959 года — во Франции (Институт «Franco-Allemand des Recherches de St. Louis»). Подсчитано, что за пять лет работы (1950-1955) Z4 рассчитал около 100 различных проектов. Стоит отметить, что в начале 50-х годов прошлого века на территории Европы работали всего два компьютера: Z4 Конрада Цузе и МЭСМ Сергея Лебедева (СССР)5.

Среди характерных черт Z4 стоит  остановиться на трех:

• Z4 имел устройство для подготовки программы. Программу Цузе рассматривал (и называл) как план, отсюда и немецкое название этого блока компьютера — «Planfertigungteil» (дословно — «устройство подготовки планов»). С помощью названного устройства было легко составлять, редактировать, копировать программу на перфоленте и, сверх того, за считанные часы изучить программирование на Z4.
• Z4 умел избегать исчисления неверных результатов. Как и Z3, он обрабатывал арифметические исключения. Например, если числа выходят за диапазон 10^-20 < x < 10^20, то машина имеет область вычислений, в которой результат будет, скажем, таким: - Очень большое + очень большое = очень большое - Очень большое - очень большое = неопределенное - 0/0 = неопределенное Если неопределенное значение сочетается с числом, результат будет неопределенным. Используя этот метод, Z4 может избегать вычислений неправильных чисел — это позволяло оставлять компьютер в «одиночестве» и днем, и ночью без человеческого контроля. По сути, это математические правила обращения с 0 и бесконечностями, хотя, стоит добавить, в математике уточняется, что при делении нуля на нуль любое число может удовлетворять определению частного.
• Z4 обладал двумя считывателями данных с перфолент (в оригинальной версии планировалось до шести таких считывателей).

Именно для этого компьютера Цузе в 1945 г. разработал первый в мире высокоуровневый язык программирования, названный им Планкалкюль (нем. Plankalkül – исчисление планов) , который не был привязан к архитектуре и наборам команд конкретного компьютера в отличие от первых языков ассемблера.

В Планкалкюль было введено понятие объекта. Объект мог быть примитивным, основанным на двоичных числах произвольной длины (при записи логической единицы Цузе использовал символ L; например, двоичное число 1001 записывалось как L00L), и составным (структуры, рекурсивно определяемые массивы произвольной размерности и т. д.). Битовый массив размерности [n][m] обозначался как n x m x S0. Индексация в Планкалкюль всегда начиналась с 0. Разрешалось работать с подмассивами: для трехмерного массива V[ ][ ][ ] можно указать матрицу V[i] и вектор V[i][j]. Для описания переменной использовалась нотация S1 . n (n бит).

Планкалкюль допускал использование значительно более сложных синтаксических конструкций. Десятичное число (0-9) определялось с помощью записи S1 . 4 (4 бита, значения от 0 до 15) с наложенным ограничением по диапазону. Структура из трех компонентов записывалась, например, как (A2, S1 . 4, A3), где объекты A2 и A3 определялись ранее. Для упорядочения сложных описаний в языке использовался специальный синтаксис.

В качестве идентификаторов переменных применялось сочетание «буква + число». Первой буквой могла быть V (параметр ввода), Z (промежуточное значение), R (результирующее значение), C (константа). Программы и подпрограммы (параметры передавались по значению) трактовались как переменные (префикс P). Например, запись P3 . 7 означала вызов 7-й программы 3-й программной группы. Планкалкюль предусматривал возможность работы массивов программ, что сегодня только реализуется в распределенных системах!

Цузе придумал оператор присваивания, для которого определил знак. На Цюрихской конференции по Алголу европейская группа хотела ввести в  стандарт языка именно его, и только под сильным давлением американской группы, не заинтересованной в введении символов, не поддерживаемых в компьютерах США, согласилась на сочетание :=.

Планкалкюль поддерживал мощные синтаксические конструкции и позволял компактно описывать сложные условные циклы. Правда, запись программы была «многоэтажной», с верхними и нижними индексами, и походила на символические потоковые диаграммы, получившие распространение в США в 60-х годах. По мощности Планкалкюль приближался к Алголу 68, но в отличие от него, в Планкалкюль не поддерживалась адресная арифметика, что в целом повышало надежность программы. На Планкалкюль было написано много самых разных невычислительных алгоритмов: обработки символьной информации, генерации шахматных ходов и др.

Цузе и его компанией были построены и другие компьютеры, название каждого из которых начиналось с  заглавной буквы Z. Наиболее известны машины Z11, продававшийся предприятиям оптической промышленности и университетам, и Z22 — первый компьютер с памятью на магнитных носителях.

Кроме вычислительных машин общего назначения Цузе построил несколько  специализированных вычислителей. Так, вычислители S1 и S2 использовались для определения точных размеров деталей в авиационной технике. Машина S2, помимо вычислителя, включала ещё и измерительные устройства, для выполнения обмеров самолетов. Компьютер L1, так и оставшийся в виде экспериментального образца, предназначался Цузе для решения логических проблем. Также имели продолжение эксперименты с различными вычислительными устройствами, Цузе сделал автоматическую рисовальную доску - первый прообраз современных CAD. В 1964 г. он предложил автоматическую систему управления крупными ткацкими станками.

К 1967 году фирма Zuse KG поставила 251 компьютер, на сумму около 100 миллионов дойчмарок. Однако из-за финансовых проблем она  была продана компании Siemens AG. Тем  не менее Цузе продолжал проводить исследования в области компьютеров и работал специалистом-консультантом Siemens AG.

На счету великого немца числятся также параллельный компьютер (правда, не построенный), графомат (плоттер, управляемый перфолентой). Считая, что устройство Вселенной похоже на сеть взаимосвязанных компьютеров, Цузе в 1969 году издает книгу «Вычислительное пространство» (нем. Rechnender Raum), переведённую через год сотрудниками Массачусетского технологического института.

После ухода на пенсию Цузе занялся своим любимым хобби — живописью. Цузе умер 18 декабря 1995 года в Хюнфельде (Германия), в возрасте 85 лет. Сегодня несколько городов Германии имеют улицы, названные его именем.

Заключение

Благодаря неустанному труду Конрада Цузе достигнуты первые успехи в области автоматических вычислений, выдвинуто независимое предложение использования двоичной системы и арифметики с плавающей запятой, а разработанные компьютеры Z1, Z2, Z3, Z4 и др. стали первыми значимыми образцами вычислительных машин. Цузе оказался абсолютно прав, сделав выводы, что будущие компьютеры будут основаны на шести принципах:

• двоичная система счисления;
• использование устройств, работающих по принципу “да/нет” (логические 1 и 0);
• полностью автоматизированный процесс работы вычислителя;
• программное управление процессом вычислений;
• поддержка арифметики с плавающей запятой;
• использование памяти большой емкости.

Одним из своих наиболее выдающихся достижений Цузе считал создание первого алгоритмического языка программирования Планкалкюль (Plankalkül).

Сегодня работы Цузе известны во всем мире. Он оказал несомненное влияние  на развитие европейских компьютерных технологий. Его труды использовались при создании новых компьютеров  и особенно при разработке первых алгоритмических языков программирования. Конрад Цузе получил множество наград и призов и заслужил международное признание. В последние годы жизни он занимался преимущественно рисованием. Любовь к изобразительному искусству Цузе сохранил, видимо, с тех пор, как двадцатипятилетним инженером рисовал многочисленные схемы своих первых компьютеров.

Список источников

1. Ревич Ю. Наследники Бэббиджа [Текст] / Ю. Ревич // Домашний компьютер. – 2002. - №8. – С. 11-15.
2. Бобровский С. Конрад Цузе - изобретатель компьютера [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.computer-museum.ru/galglory/2.htm
3. Васильев И. Четыре компьютера Конрада Цузе [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.3dnews.ru/editorial/konrad_zuse/
4. Калигин А. Конрад Цузе. Пионер компьютеростроения          [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.comprice.ru/articles/detail.php?ID=42488
5. Сайт «Люди». Конрад Цузе [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.peoples.ru/science/founder/konrad_zuse/
6. Сайт «Encyclopedia.com». Complete Dictionary of Scientific Biography: Zuse, Konrad [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.encyclopedia.com/topic/Konrad_Zuse.aspx