2.7.1 Конрад Цузе, создатель первого компьютера Z1

Интересно, что первым человеком, которому суждено было воплотить в жизнь мечты Чарльза Бэббиджа об аналитической машине, стал сын простого прусского гражданского служащего Конрад Цузе. В эпоху бурного технического прогресса у человечества ушло около 100 лет на воплощение в жизнь весьма детально проработанной концепции. В 1912 г. семья Цузе переехала из Берлина в Браунсберг, сонный маленький городок в восточной Пруссии (сейчас Бранево, Польша). Отец Конрада Эмиль Цузе получил административную должность в местном почтовом отделении, и его семья поселилась в здании почты, расположенном напротив городской ратуши. С самого раннего детства Конрад начал проявлять огромный талант, но не в области математики или техники, как можно было бы предположить, а в изобразительном искусстве. Как вспоминал позже сам Цузе, его школьная книга по латыни была разукрашена изображениями железнодорожных локомотивов и тщательно выполненными рисунками берлинских городских поездов. Рано пойдя учиться, первые девять лет Конрад посещал католическую гимназию Браунсбергской иезуитской коллегии (Lyceum Hosianum). Заканчивал же школьное обучение он уже в реформированной реальной гимназии города Хойерсверда в Саксонии, куда позже переехала его семья. После окончания учёбы молодой Конрад становится перед выбором, чему учиться дальше — технике или живописи. Фильм Фрица Ланга «Метрополис» 1927 г. произвёл сильное впечатление на Конрада. Он мечтал спроектировать и построить гигантский футуристический город, подобный Метрополису, и даже разработал план такого города, рассчитанного на 35 млн жителей, в рамках школьного проекта. Следуя своему увлечению, Конрад поступил в Техническую высшую школу Берлин-Шарлоттенбурга (Technischen Hochschule Berlin-Charlottenburg, сейчас — Берлинский технический университет), где стал изучать машиностроение, архитектуру, а затем — гражданское строительство.

Во время учёбы он также работал художником по рекламе, каменщиком и мостостроителем. Как раз тогда в Берлине появились первые светофоры, что привело поначалу к возникновению больших пробок. Цузе был одним из первых, кто пытался создать нечто вроде «зелёной волны», однако потерпел неудачу. Ещё Конрад увлекался фотографией и разработал автоматизированные системы проявки плёночных негативов, управляемые при помощи перфокарт. Позже он создал специальную систему для кинопроекции, получившую название Elliptisches Kino.

Следующей идеей юного мечтателя стало завоевание космоса. В его грёзах человечество должно было основать на спутниках внешних планет Солнечной системы базы, построить там парк ракет, вмещающих по сто-двести пассажиров, и отправить их со скоростью в одну тысячную световой к ближайшей звезде — в полёт продолжительностью 4000 лет.

Город будущего, автоматическая фотолаборатория, эллиптический кинотеатр, космический проект — всё это лишь малая часть технических идей, предшествовавших созданию компьютера. В ходе тренировки в военном лагере в студенческие годы Цузе впервые столкнулся с механическим баллистическим вычислителем, использовавшимся в зенитной артиллерии, и последний, «благодаря множеству цилиндров, шпинделей и зубчатых колёс», произвёл на Конрада огромное впечатление.

Изучая гражданское строительство, в частности сооружение зданий и дорог, Цузе столкнулся с проблемой: расчёты конструкций требовали решения огромных систем линейных уравнений, но заниматься этим с помощью логарифмической линейки или механического калькулятора того времени было очень непросто. Позже он вспоминал: «Я был студентом-строителем в Берлине. Берлин — хороший город, и у студента было много возможностей приятно провести время, например с милыми девушками. Но вместо этого нам приходилось выполнять громоздкие и ужасные вычисления».

Приблизительно в 1934 г. молодой Куно (так Конрада называли друзья — от псевдонима Kuno See, которым он подписывал картины) начал думать о вычислительных машинах. В 1935-м, после окончания Технической школы, он пошёл было работать инженером-конструктором на авиационный завод Хеншеля (Henschel Flugzeugwerke), но уже через год уволился, решив полностью посвятить себя созданию компьютера.

В родительской квартире он оборудовал мастерскую. Помогали ему не только отец и мать, уступившие под эту затею самую большую комнату и даже давшие немного денег (хотя и были небогаты), но также сестра Лизелотта и несколько сокурсников и друзей. В итоге Цузе удалось собрать на материалы для будущей машины несколько тысяч марок.

Но друзья помогали ему не только деньгами, некоторые из них — и непосредственно в мастерской. Наиболее изобретательным помощником Конрада стал его товарищ по студенческому братству и близкий друг Хельмут Шрайер, который позже сыграет важную роль в создании компьютеров Цузе.

В 1936 г. Цузе завершил разработку архитектуры своего первого компьютера, V1 (V — сокращение от Versuchsmodell, «экспериментальная модель»; на самом деле все первые компьютеры Цузе назывались на букву V (от V1 до V4), но после Второй мировой войны он изменил их названия на Z1—Z4, чтобы избежать неприятной ассоциации с военными ракетами «Фау»). Его изготовление началось в том же году, и в 1938 г. был готов опытный образец.

Рис. 40. Архитектура компьютера Z1

При весе около тонны Z1 состоял из примерно 20 000 деталей. Это был программируемый компьютер, основанный на двоичной логике и способный оперировать двоичными представлениями чисел с плавающей запятой. Он состоял полностью из тонких металлических пластин, которые Куно и его друзья изготовили с помощью лобзика. Единственным электрическим блоком был двигатель мощностью 1 кВт, обеспечивавший машине тактовую частоту в один герц (один оборот в секунду). Также машина имела ручной привод. Z1 состоял из шести основных блоков: блока управления, счётного устройства, системы ввода-вывода (клавиатуры и табло), блока памяти (способного хранить 64 числа, на каждое из которых отводилось по 22 бита — 14 бит для хранения мантиссы и 8 бит для хранения порядка и знака числа), селектора памяти и устройства для чтения перфолент, позволявших считывать программы (Цузе называл их «расчётными планами» — Rechenplans), команды которых кодировались при помощи 8-битного кода.

Когда в 1936 г. Конрад пригласил своего друга Гельмута Шрайера приехать и посмотреть на его машину, Гельмут, впервые увидев эту странную металлическую штуковину, внезапно сказал: «Ты должен сделать это на основе вакуумных ламп». Первая реакция Куно была отрицательной: «Это ещё одна из бредовых идей (Schnapsidee) моего друга!» Из вакуумных ламп можно создавать радиооборудование, но счётные машины?..

Цузе и Шрайер продолжали работать вместе над механическими моделями, но идея с вакуумными лампами не была забыта. Шрайер написал диссертацию на эту тему в Институте исследования колебаний Берлинского технического университета под руководством профессора Вильгельма Штеблейна и создал несколько логических схем на основе ламп. Время отклика лампы на несколько порядков меньше, чем у реле, что позволило бы осуществлять от 5000 до 10 000 операций в секунду, в результате чего скорость вычислений компьютера увеличилась бы в тысячу раз. В 1938 г. Цузе и Шрайер продемонстрировали электронные схемы нескольким немецким учёным и даже раскрыли идею создания электронного компьютера, но, когда они упомянули, что для такого устройства потребуется около 2000 вакуумных ламп и несколько тысяч ламп накаливания, их идею отнесли к разряду фантастики. Крупнейшие электронные устройства того времени состояли из нескольких сотен ламп. Позже Шрайер предложит создать электронный компьютер на основе примерно 2000 ламп для нужд военно-воздушных сил, однако, когда он сообщил, что для производства машины понадобится около двух лет, в ответ последовало: «Мы выиграем войну задолго до того, как ваш компьютер будет готов, стоит ли утруждать себя?»

Цузе продолжил работу над механическими устройствами — вплоть до конца 1940-х гг. он всё ещё надеялся, что прогресс в производственной сфере позволит механической памяти успешно конкурировать с памятью, основанной на электронных лампах. Однако по результатам опытов с Z1 Цузе был крайне недоволен надёжностью двоичных переключателей Z1, основанных на металлических пластинах. Больше всего проблем они доставляли в счётном устройстве. Конрад был знаком с реле, используемыми в телефонии, но ещё лучше в них разбирался Шрайер, поскольку имел большой опыт работы с ними в качестве специалиста по телекоммуникациям. Друзья произвели предварительные расчёты и пришли к выводу, что для компьютера, полностью основанного на реле, их потребуется несколько тысяч штук и конструкция получится слишком громоздкой. Кроме того, реле были слишком дорогими для проекта с весьма малым финансированием. Поэтому конструкция второго компьютера Цузе, Z2, предполагала замену пластин на реле только в счётном устройстве. Конструктору удалось раздобыть 800 старых телефонных реле и с помощью друзей приспособить их для своей цели. Эти старые реле станут причиной многих проблем с надёжностью в дальнейшем.

В поисках источников финансирования в 1937 г. Цузе связался с бывшим производителем механических калькуляторов — Куртом Паннке. Началось общение неудачно: доктор Паннке ответил Цузе, что «в области вычислительных машин практически всё, включая новейшие возможные подходы и сложные устройства, уже изобретено». Тем не менее доктор Паннке согласился посетить мастерскую Цузе и по итогам был настолько впечатлён его работой, что решил выделить 7000 рейхсмарок — это позволило продолжить работу.

Производство Z2 началось в 1938 г., и в следующем году опытный образец был готов. Основными отличиями Z2 от его предшественника стали увеличение тактовой частоты до 3 Гц, переход к использованию 36-миллиметровой перфорированной киноплёнки вместо бумажных перфолент, уменьшение объёма памяти (теперь она состояла из 16 ячеек по 16 бит каждая) и новое счётное устройство на основе телефонных реле, способное выполнять операции с 16-битными числами с плавающей запятой.

Помимо инженерных работ, Цузе занимался разработкой теоретической базы для своих компьютеров. Он был знаком с двоичной системой счисления по работам Лейбница, но ничего не знал о Джордже Буле и его алгебре. Ему пришлось изучить не только работы Буля, но также и математическую логику Гильберта, Фреге, Шрёдера и других логиков. К сожалению, он обошёл стороной работы Бэббиджа и его «механическую нотацию». В наши дни кажется удивительным, что ни Цузе, ни многие другие пионеры вычислительной техники не были знакомы с работами Бэббиджа. Впервые Цузе, по собственному признанию, услышал о них от эксперта американского патентного бюро спустя много лет после создания своих первых компьютеров. Итогом работ немецкого изобретателя стало создание собственной системы, альтернативной нотации Бэббиджа, которую сам Цузе назвал «условной комбинаторикой» (Bedingungskombinatorik).

В 1940 г. Z2 был успешно продемонстрирован специалистам Немецкой лаборатории авиации (Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt, DVL). Надо сказать, что Цузе несказанно повезло: Z2 был крайне ненадёжной в эксплуатации машиной и за несколько часов до визита профессора Тейхмана из DVL изобретатель тщетно пытался заставить его функционировать. Однако, как писал Цузе в воспоминаниях, в этот раз сработал «обратный эффект присутствия» и во время демонстрации компьютер работал безупречно. В результате Цузе получил частичное финансирование разработки своего третьего компьютера, Z3, начавшейся чуть раньше, в 1939 г.

Весной 1941 г. Z3 был готов, а в мае 1941 г. — представлен учёным в Берлине. Новый компьютер полностью был основан на реле (600 реле для счётного устройства, 1400 — для памяти и 400 — для блока управления). Во всех других аспектах он походил на Z1 и Z2: так же как и предыдущие модели, Z3 использовал двоичную систему счисления и числа с плавающей запятой, счётное устройство с двумя 22-битными регистрами, ёмкость памяти составляла 64 слова по 22 бита, управление обеспечивалось посредством ленты с восьмью дорожками (т. е. команда состояла из 8 бит). Ввод данных осуществлялся при помощи специальной клавиатуры, вывод — при помощи лампочек, подсвечивающих цифры и позицию десятичного разделителя на табло. Машина стала ещё немного быстрее, её тактовая частота возросла до 5,33 Гц. Кроме того, сам принцип работы стал совершеннее — появились элементы параллелизма: 22-битное слово могло быть перемещено из памяти в регистр R1 и обратно за один такт, а счётное устройство обзавелось параллельными сумматорами и теперь, помимо вычитания, сложения, умножения и деления, было способно извлекать квадратные корни.

После завершения работ над Z3 Цузе получил заказ от своего первого заказчика — авиастроительной компании «Хеншель» (Henschel) — на разработку специализированного компьютера для контроля качества изготовления крыльев и хвостового оперения управляемых авиационных бомб.

С этой целью элементы оперения подвергались детальным обмерам при помощи датчиков (измерительных головок), расположенных примерно в 80 точках. Затем надо было рассчитать необходимые поправки. Для выполнения этого расчёта Цузе разработал машину S1, состоявшую из около 500 реле. Эта машина заменила дюжину калькуляторов и безотказно работала в течение двух лет, обслуживая две смены в день. Существовавшая процедура требовала ручного ввода показаний датчиков в компьютер. Это подвигло Цузе на создание улучшенной модели, которая могла бы автоматически считывать показания датчиков. Сердцем новой машины, получившей название S2, было устройство, которое сегодня называют аналогово-цифровым преобразователем.

S2, запущенная в эксплуатацию в 1944 г. и состоявшая из приблизительно 800 реле и сотни измерительных головок, стала, по всей видимости, первым промышленным компьютером в мире.

В 1942 г., одновременно с работой над S1, Цузе начал разработку своего следующего компьютера — Z4, который должен был стать прототипом серийной модели. Однако нехватка материалов и тяжёлая обстановка в конце войны поставили крест на планах. Машины Z3 и S1 были уничтожены в 1944 г. в ходе бомбардировок Берлина, судьба S2 точно не известна: Цузе бросил работающую машину на заводе в предместьях Берлина, и, по его мнению, она с большой вероятностью попала в руки советских войск. В марте 1945 г. Цузе со своей беременной женой Гизелой и незавершённым Z4 бежал из Берлина в городок Хинтерштайн в Баварии, где спрятал компьютер в погребе. Он отчаянно хотел возобновить работу над Z4, но на первое место выдвинулась необходимость выживания. Чтобы заработать на пропитание, Цузе занимался изготовлением ксилографий (гравюр на дереве) и продавал их фермерам и американским военным. Завершить работу над компьютером удалось лишь спустя три года. В 1949 г. Цузе связался с профессором Эдуардом Штифелем из ETH-Zürich (Швейцарская высшая техническая школа Цюриха, Eidgenössische Technische Hochschule Zürich), который по результатам осмотра машины нашёл её пригодной для научных расчётов. Несмотря на немного старомодную технологию Z4 (в то же время в США разрабатываются электронные компьютеры), Штифель был впечатлён простотой программирования и мощным счётным устройством. Воодушевлённый этим, Цузе основал собственную компанию Zuse KG и начал создавать улучшенную версию Z4 для ETH-Zürich, добавив возможность условного перехода, инструкции для печати результатов на пишущей машинке, вывода данных на перфокарты и перфоленту и другие. Восстановление Z4 стоило Цузе около 60 000 немецких марок. ETH‑Zürich заплатил сумму около 100 000 немецких марок (среднемесячный доход в это время составлял около 180 немецких марок в месяц). Z4 стал большим успехом как для ETH, так и для Zuse KG.

С 1949 по 1969 г. компания Zuse KG продала около 250 компьютеров на сумму около 100 млн немецких марок. К сожалению, после финансовых трудностей Цузе был вынужден продать бизнес (который в итоге достался группе Siemens) и прекратить предпринимательскую деятельность.

Конрад Цузе прожил долгую жизнь и умер 18 декабря 1995 г. в Хюнфельде (Германия). Он успел создать множество новых вычислительных машин, разработал первый в мире язык программирования Plankalkül (дословно «исчисление планов»), пережил финансовые трудности и продажу своей фирмы Zuse KG компании Siemens. В 1969 г. Цузе издал книгу «Вычислительное пространство» (Rechnender Raum), выдвинув идеи «цифровой физики». Он предположил, что наблюдаемая нами Вселенная является продуктом вычислений клеточного автомата или другого дискретного вычислительного устройства.

В рамках концепции «эквивалентной экономики» Цузе совместно с Арно Петерсом работал над созданием проекта высокотехнологичной плановой экономики, базирующейся на управлении мощными современными компьютерами. В процессе разработки этого концепта Цузе ввёл термин «компьютерный социализм». Результатом их совместной работы стала книга «Компьютерный социализм. Беседы с Конрадом Цузе» (Was ist und wie verwirklicht sich Computer-Sozialismus: Gespräche mit Konrad Zuse), опубликованная Арно Петерсом уже после смерти Цузе, в 2000 г.

‎

Loading comments...