История развития эвм. Конрад Цузе: мечтатель, создавший первый компьютер
Сегодня, когда персональные компьютеры штампуют миллионами единиц ежегодно, 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 ВПК, то бишь, 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. Вряд ли развитие атомной энергетики шло такими темпами, не будь у США и СССР настоящей гонки по созданию атомной бомбы. 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. Не смог удержаться от подобного "братания" и Конрад Цузе (Konrad Zuse), выдающийся немецкий конструктор и мыслитель. Цузе 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. Здесь и пересеклись интересы Цузе и военных. Поначалу - весьма своеобразно. На фабрике 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. 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).
Компьютер Z1 имел большинство черт, присущих современному ПК. Это и двоичный код (Цузе дальновидно отказался от десятичной системы исчисления) 1 , 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. 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. Однако 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 2 .
Основные характеристики Z1
|
Реализация |
Тонкие металлические пластины |
|
Частота |
|
|
Вычислительный блок |
|
|
Средняя скорость вычислений |
Умножение - 5 секунд |
|
Ввод данных |
|
|
Вывод данных |
|
|
Память |
64 слова по 22 бита |
|
Вес |
Около 500 кг |
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). Память Z2 по-прежнему состояла из металлических пластин, зато вычислительный блок - из 800 реле. К весне 1939 года Z2 был готов. 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.
Основные характеристики Z2
|
Реализация |
Тонкие металлические пластины, реле |
|
Частота |
|
|
Вычислительный блок |
Обработка чисел с плавающей запятой, длина машинного слова - 16 бит |
|
Средняя скорость вычислений |
Умножение - 5 секунд |
|
Ввод данных |
Клавиатура, устройство считывания с перфоленты |
|
Память |
16 слов по 16 бит |
|
Вес |
Около 500 кг |
12 мая 1941 года в Берлине Цузе представил собравшимся ученым знаменитый компьютер . 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.
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.
Основные характеристики Z3
|
Реализация |
Реле (600 - блок вычислений, 1600 - блок памяти) |
|
Частота |
|
|
Вычислительный блок |
Обработка чисел с плавающей запятой, длина машинного слова - 22 бита |
|
Средняя скорость вычислений |
Умножение, деление - 3 секунды, сложение - 0,7 секунд |
|
Ввод данных |
Клавиатура, устройство считывания с перфоленты |
|
Вывод данных |
Ламповая панель (десятичное представление) |
|
Память |
64 слова по 22 бита |
|
Вес |
Около 1000 кг |
Вплоть до 1944 года Z3 успешно использовали для авиационных расчетов, когда опять же после бомбардировки, компьютер был уничтожен3. Несгибаемый Конрад Цузе берется за создание четвертого компьютера - 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)4. 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. 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.
Основные характеристики Z4
|
Реализация |
Реле, память - металлические пластины |
|
Частота |
|
|
Вычислительный блок |
Обработка чисел с плавающей запятой, длина машинного слова - 32 бита |
|
Средняя скорость вычислений |
Примечания
|
Z1 Конрада Цузе
Создателем первого действующего компьютера с программным управлением считают немецкого инженера Конрада Цузе, который с детства любил изобретать и, еще когда учился в школе, сконструировал модель машины для размена денег.
О машине, способной выполнять вместо человека утомительные вычисления, он стал мечтать, когда был еще студентом. Не зная о работе Чарльза Бэббиджа, Цузе вскоре приступил к созданию устройства, во многом подобного Аналитической машине этого английского математика.
В 1936 году Цузе уволился из фирмы, где работал, чтобы отдавать больше времени постройке компьютера. Получив определенную сумму денег от друзей, он устроил “мастерскую” на маленьком столе в углу гостиной в доме родителей. Когда размеры машины стали расти, Цузе сначала придвинул к своему рабочему месту еще два стола, а затем переместился со своим прибором в середину комнаты. Примерно через два года компьютер, который занимал площадь около 4 м2 и представлял собой хитросплетение реле и проводов, был готов.
Машина, названная им Z 1 (от Zuse - фамилии Цузе, написанной по-немецки), имела клавиатуру для ввода данных. Результат вычислений появлялся на панели - для этого использовалось множество маленьких лампочек. В целом Цузе был доволен аппаратом, но считал ввод с клавиатуры неудобным и медленным. Он начал поиск других вариантов, и спустя какое-то время решение было найдено: команды для машины стали вводиться с помощью использованной 35-миллиметровой фотопленки, в которой пробивались отверстия. Машина, работавшая с перфолентой, получила название Z 2. А в 1941 году Конрад Цузе завершил постройку релейного компьютера Z 3, где применялась двоичная система счисления .
Эти образцы машин были уничтожены при бомбардировках во время войны. Осталась лишь появившаяся в марте 1945 года машина Z 4 (которая использовалась для научных расчетов в Геттингенском университете), а позже Цузе изготовил еще модель Z 5. Основными элементами всех его компьютеров служили электромеханические реле, подобные тем, что применялись тогда, например, в телефонных коммутаторах .
В 1942 году Цузе и австрийский инженер-электрик Хельмут Шрайер, время от времени сотрудничавший с Цузе, предложили создать устройство принципиально нового типа . Они собирались перевести компьютер Z 3 с электромеханических реле на вакуумные электронные лампы, у которых нет движущихся деталей. Новая машина должна была действовать в сотни раз быстрее, чем любая из машин, имевшихся в то время в воюющей Германии. Однако данное предложение было отклонено: Гитлер наложил запрет на все “долговременные” научные разработки, поскольку был уверен в быстрой победе.
В тяжелые послевоенные годы Цузе, не имея возможности продолжать в полной мере работу непосредственно над компьютером, направил всю свою энергию на развитие теории. Он придумал эффективный способ программирования, причем не только для компьютера Z 4, но и для любой другой подобной машины.
Работая в одиночку, Цузе создал систему программирования, получившую название Plankalkul (Планкалкюль, “исчисление планов”) . Этот язык (превосходящий “в определенных моментах” по своим возможностям появившийся примерно на 12 лет позже Алгол) называют первым языком высокого уровня.
Цузе подготовил брошюру, где рассказал о своем творении и возможности его применения для решения разнообразных задач, включая сортировку чисел и выполнение арифметических действий в двоичной системе счисления (другие компьютеры того времени работали в десятичной системе), а также представил несколько десятков фрагментов программ на Планкалкюле для оценки шахматных позиций.
Не рассчитывая увидеть свой язык реализованным на компьютере, он отмечал:
“Планкалкюль родился исключительно как результат теоретической работы, без всякой связи с тем, появятся или нет в обозримом будущем машины, подходящие к программам на Планкалкюле” .
Целиком работа Цузе была издана лишь в 1970-х годах. Эта публикация заставила специалистов задуматься над тем, какое влияние мог бы оказать Планкалкюль, будь он широко известен раньше.
В США созданием релейных компьютеров занимались независимо от Цузе Джордж Штибитц (машины “Модель I”, ..., “Модель V”) и Говард Эйкен (“Марк 1” и другие компьютеры) . А одной из наиболее совершенных “чисто релейных” машин была РВМ-1, сконструированная и построенная под руководством специалиста по счетным устройствам Николая Ивановича Бессонова у нас в стране в середине 1950-х годов .
Релейные компьютеры имели невысокую скорость выполнения арифметических операций и невысокую надежность, что объяснялось прежде всего низким быстродействием и малой надежностью их основных счетных и запоминающих элементов - электромеханических реле. Кроме того, у этих машин был тот же недостаток, что и у Аналитической машины Бэббиджа: отсутствие хранимой в памяти программы. Однако они занимают весьма почетное место в истории компьютерной техники, так как являются первыми действовавшими автоматическими программно-управляемыми универсальными компьютерами.
Медаль Вильгельма Экснера (1969)
Медаль Рудольфа Дизеля (1969)
Медаль Котениуса (1985)
Премия Эдуарда Рейна (1995)
Энциклопедичный YouTube
1 / 2
История вычислительных машин - Станислав Протасов
ТАНК НА ВЕНЕРЕ [Новости науки и технологий]
Субтитры
Когда я был студентом, мне на книжных развалах попалась книжка, такая толстая, на очень хорошей бумаге, называлась она «Малая математическая энциклопедия». Она была выпущена в Будапеште, и это довольно сильно меня удивило, потому что она была на русском, очень хорошо издана, хорошо был подан материал, и я думаю: что же такого в Будапеште есть в математике? И потом, уже когда подрос, я узнал что Венгрия - это такая кузница очень крутых математиков, и это началось довольно давно. Так, например, в начале XIX века в Венгрии работал Янош Бойяи, и своим отцом они вместе развивали то, что потом стало называться неевклидовой геометрией, и то, что мы знаем под названием геометрии Лобачевского. Вот тогда они создали некоторый набор трудов, которые считаются классическими в этой области. Спустя довольно много времени, на границе XIX-XX веков работал такой ученый, его звали Альфред Хаар. Он сделал то, что на самом деле выстрелило только через век: он придумал то, что сейчас называется вейвлет Хаара, это очень простой формат вейвлета, (вейвлет - это такая специальная функция) который повсеместно применяется в цифровой обработке сигнала. И в его честь названа такая штука, называется каскады Хаара, и практически все, кто занимаются машинным зрением, знают, что с помощью каскадов Хаара построен алгоритм Виолы-Джонса, который в любом фотоаппарате вы можете встретить: там квадратик такой появляется вокруг лица. Это вот, собственно, каскады Хаара и его изобретение столетней давности. Дальше можно вспомнить, наверное, самого плодовитого ученого всех времен и народов - это Пал Эрдёш, который трудился в середине и во второй половине XX века, который известен тем, что он самый-самый-самый цитируемый человек на Земле. Его ученик и ученик Израиля Моисеевича Гельфанда, его зовут Эндре Семереди, получил в 2012 году премию Абеля за вклад в развитие дискретной математики, теории чисел и информатики. Его открытия используются прямо сейчас, и это тоже венгерский ученый. Надо сказать, что последние двое, Эрдёш и Семереди, были выпускниками Будапештского университета. И тот же самый университет в 1926 году закончил Джон фон Нейман. Тогда его звали не Джон, тогда он был Янош, и здесь я хотел бы немного остановиться. Он закончил и защитил диссертацию в 1926 году. Его диссертация очень показательная, потому что она затрагивает очень важный аспект математики. В конце XIX века, в 1880 году, Георг Кантор предложил теорию множеств, то, что теперь называется наивная теория множеств. И это было прорывное открытие, потому что теория множеств обещала объединить всю математику. Это было что-то вроде теории всего для физики. И эта теория говорила, что практически любой объект в математике можно сконструировать в виде множества. Все, что вы ни возьмете: фигура, функция, алгебра - это все множество, просто надо правильно это описать в виде множеств. И это было достаточно революционным открытием в математике, но на границе веков Бертран Рассел сформулировал парадокс Рассела, который, наверное, известен большинству под названием Парадокс брадобрея. Парадокс брадобрея говорит о том, что есть брадобрей, который бреет всех кто не бреет себя. Бреет ли брадобрей себя? Соответственно, если он бреет, тогда получается, что он бреет того, кто бреет себя. А он этого не должен делать. Ровно в такой же формулировке это относится к теории множеств: что если есть какие-то множества, которые себя не содержат, давайте мы их соберем в кучку и построим из них множество. И спросим: вот это множество, которое содержит остальные множества, оно себя содержит или нет? Если оно себя содержит, тогда оно не удовлетворяет требованию к своим элементам, а если оно себя не содержит, значит, оно неполное, потому что оно как раз такое же множество. Вот этот парадокс очень сильно пошатнул положение теории множеств, и ученые начали спасать теорию множеств, потому что очень хороший инструмент жалко было терять. И начало двадцатого века было посвящено попытке аксиоматизации теории множеств так, чтобы этот парадокс как-нибудь исключить. И вот в начале века это были Цемерло и Френкель, они придумали некоторую систему аксиом, которые положили начало аксиоматизации теории множеств, а сам Джон фон Нейман в 26-ом году защитил диссертацию, в которой он предложил два способа, как спасать эту теорию множеств. И одним из способов была аксиома основания, она звучала следующим образом: мы не можем утверждать, что что-то является множеством, если мы не можем его последовательно сконструировать, опираясь на известные нам аксиомы. То есть прежде, чем мы получили какое-то множество, мы должны пройти весь путь от самых простых элементов, от пустого множества и тех аксиом, которые есть, до этого множества просто путем конструирования. Если мы этого сделать не можем, тогда это и не множество, мы не можем говорить, что оно существует. Второй способ - он предложил разделить то, что называлось множеством... Потому что Кантор совершил ошибку: он ввел достаточно слабое определение множества. Было непонятно, что это такое - какая-то совокупность объектов. Он говорит: давайте отделим множества от классов, и вот классы - это такое понятие, которое тоже вроде бы коллекция элементов, но она не может содержаться в других множествах. Например, множество всех множеств - оно как бы все, больше ничего придумать нельзя. Нельзя засунуть его в себя. Это такие две работы, два предложения в его диссертации были. Затем, после окончания университета он работал какое-то время в Берлине, и в 1930 году он уехал в США, где поступил на работу в Принстонский университет. В Принстонском университете он проработал всего три года, там он пытался заниматься уже аксиоматизацией более сложных задач квантовой механики, то есть он придумывал уже какую-то математику для квантовой механики. В 1933 году он согласился на работу в Institute of Advanced Studies, это тоже институт в Принстоне, но никак не связанный, он был создан только-только, в 1930 году, и в этом институте работали, например, Альберт Эйнштейн, там работал Алан Тьюринг и Гёдель, там работали очень многие известные математики и физики, потому что это стало такой Меккой для иммигрантов-ученых, потому что многие уезжали из Европы в 30-40-е годы и находили себе пристанище в этом институте. В институте перспективных исследований Джон фон Нейман занимался тоже задачами, связанными с теорией множеств, и в том числе он сделал подход, он доказал частный случай пятой проблемы Гилберта. Надо понимать,что проблемы Гилберта - это те проблемы, которые Гилберт поставил в начале XX века и сказал, что вот эти проблемы весь век мы будем решать. И вот одну из проблем он в частном случае доказал, а потом уже дальше в математике его интерес начинает немножко меняться. И в 30-х годах там же, во второй половине 30-х годов работал Алан Тьюринг в этом институте. И он занимался проблемами вычислимости, он защищал свою диссертацию по проблемам вычислимости. Надо сказать, что проблема вычислимости - это такая очень важная часть математики в то время, потому что существовали на тот момент уже некоторые вычисляющие машины. Они были все довольны специальные, они решали частные задачи, частные случаи, и, конечно же, в основном решали задачи для военных. Например, рассчитывали траектории баллистических ракет. И к 40-м годам многие научные группы пришли к пониманию, что нужна универсальная машина, которая решает и частные задачи, и может быть запрограммирована на решение любых задач. В 40-е годы точно так же параллельно, например, с институтом, в котором работал Джон фон Нейман, этими задачами занимался Конрад Цузе в Германии. И он создавал свои машины Z1, Z2 и так далее, которые тоже являлись универсальными вычислительными машинами примерно в те же годы. На машинах, которые создавал Джон фон Нейман вместе своими коллегами, я хотел бы остановиться. В сороковых годах одним из военных проектов, который стал нам наиболее известным, был проект по созданию машины ENIAC. Это была первая машина, которая должна была стать универсальным вычислителем. Джон фон Нейман над созданием машины работал в качестве консультанта, то есть он не был там основным разработчиком, но он проделал довольно важную работу: он проанализировал ошибки, скажем так, не ошибки, а проблемы, которые возникают с такой машиной, и написал документ, который назывался «Первый проект для создания универсальной вычислительной машины EDVAC». EDVAC - это, собственно, вторая машина, которая должна была появиться как работа над ошибками над первой машиной. И, собственно, за этот документ его практически и знают все в мире, потому что этот документ в лег в основу таких понятий, которые стали называться архитектурой фон Неймана. Тут надо сделать маленькую ремарку, что на самом деле довольно спорно отдавать фон Нейману как бы авторство этой идеи, потому что идеи, которые сформулированы в этом докладе, это некоторый сплав идей всех сотрудников и участников этого проекта. И он как составитель просто оставил свое имя на титульном листе, но поскольку распространялся этот документ стремительно, он вызвал большой ажиотаж в сообществе, и проще было сказать, что это вот документ фон Неймана. Так он превратился в архитектуру фон Неймана. Что же за архитектура такая, что предложил фон Нейман и его коллеги для того, чтобы сделать некоторую хорошую универсальную вычислительную машину? Во-первых, это было неочевидно, наверное, в те годы, но он предложил принцип двоичного кодирования. Надо сказать, что сейчас для нас это просто данность, мы знаем, что вся информация кодируется двоичным кодом. Однако, в сороковые годы существовали альтернативные подходы, например, троичная логика: ноль, минус и плюс. И такие машины тоже существовали, но именно двоичное кодирование давало существенные преимущества в выполнении некоторых простых операций: например, очень удобно складывать двоичные числа. И в таком подходе, в общем, было правильное направление, и оказалось, что вот именно этот подход, именно подход с двоичным кодированием выстрелил в будущем. Следующий подход - это принцип адресности в архитектуре фон Неймана. Он говорил о том, что если у вас есть некоторая область памяти, вы можете обратиться к ее значениям по некоторым адресам, по числам. Вы всегда можете взять число и по числу получить значение из этого адреса. Затем был принцип последовательного исполнения, очень простой принцип, давайте мы не будем придумывать ничего супер сложного и дадим процессору такую установку: если он выполняет программу и выполнил какую-то команду, если не сказано иного, пусть он берет команду из следующей ячейки памяти. Такая архитектура позволяла очень сильно упростить именно программирование машин, то есть процессор знал, что ему делать в любом случае, если ему не сказано иное. Например, иное - это что? Это может быть команда безусловного перехода или команда ветвления, когда процессору говорят: нет, дорогой, подожди, следующая команда будет не здесь, а вот в следующем, в другом месте в оперативной памяти. И, собственно, та четвёртая идея, которая лежит архитектуре фон Неймана и которая стала, наверное, жемчужиной этих правил - это идея о том, что данные и программы хранятся вместе, это принцип совместного хранения. Они хранятся вместе и неотличимы на на вид, то есть вы, когда смотрите на память, не можете сказать однозначно, что это - данные или программа. Это свойство, на самом деле, очень революционное, потому что именно благодаря такому подходу мы можем создавать эффективные компиляторы, то есть программы, которые берут исходный код программы, который является фактически текстовым файлом, данными, и превращать их там же в той же памяти в исполняемый код. Это с одной стороны. С другой стороны, мы получили возможность писать компьютерные вирусы, которые как раз используют эту уязвимость: что мы можем написать некоторые данные, а потом пытаться их исполнить. Это базовый принцип компьютерных вирусов. И вот этот набор правил стал, можно сказать, таким стандартом де-факто для большинства вычислительных устройств на нашей планете на текущий момент. Нужно сказать, что сам Джон фон Нейман после работы над ENIAC вернулся в свой IAS и продолжил работу над IAS-машиной, которую строил по тем же принципам. То есть параллельно разрабатывалась как машина EDVAC, так и IAS-машина. Это были две разные машины, построенные по похожему принципу. Антиподом принстонской архитектуры, или архитектуры фон Неймана, является гарвардская архитектура. Она явно постулирует в четвертом принципе совершенно противоположную вещь: давайте мы будем хранить данные и команды в раздельной памяти, и доступ к ним будем осуществлять по разным каналам, по разным шинам. На основе гарвардской архитектуры построены, например, современные микроконтроллеры. Большинство остальных вычислительных устройств построены по архитектуре фон Неймана, или принстонской архитектуре. К чему же привело использование архитектуры фон Неймана в современном мире? Довольно забавный факт, что не учли очень важный момент: если вы собираетесь хранить данные и команды в одном и том же месте, значит, вам придется и забирать их одним и тем же способом. И то, что называется шиной, то есть набор проводов, который соединяет процессор и память, шина стала узким местом архитектуры фон Неймана. Оказалось, что доступ к данным и доступ к командам - это очень долгая операция по сравнению скоростью работы процессора. И поэтому приходится иногда очень долго ждать того, чтобы данные подъехали для вычислений. И понятно, что такую проблему надо было как-то решать. Но поскольку системы развиваются, количество компьютеров в мире очень большое, нужно решать проблему итеративно. Каким образом предложили решать ее инженеры? Давайте мы придумаем специальную область памяти, которая называется кэш-память, и она будет находиться в процессоре и будет кратковременной и высокодоступной копией наших данных на, например, жестком диске, а в данном случае в оперативной памяти. Кэш-память позволяет быстро получить доступ к часто используемым данным. И именно из-за того, что данные и команды часто находятся в разных областях памяти, было предложено разделить кэш-память на память для данных и память для команд. То есть решение проблемы архитектуры фон Неймана лежало в использовании гарвардской архитектуры: разделении памяти на память двух назначений. Вот такая получилась забавная ситуация. И что же получилось? Получилось, что мы сумели ускорить машины, и в 2017 году произошло очень интересное событие: исследователи обнаружили две очень неприятные уязвимости в большинстве современных процессоров, они называются Meltdown и Spectre. Они как раз опираются на то, что было использовано для решения проблемы фон Неймана, на кэш-память. Идея примерно следующая: в большинстве современных процессоров есть такая очень прикольная штука, она называется спекулятивное исполнение. Скажем так, если вы исполняете какую-то программу и вам нужно подождать данные из оперативной памяти, они пока подъедут, вам придется простаивать. Вы можете начать потихонечку исполнять программу чуть вперед, ну раз уж я стою, давайте я посчитаю чуть-чуть вперед, чтобы потом, когда данные приедут, я мог спокойно продолжить вычисление с момента уже более позднего, чтобы не дожидаться. У спекулятивного исполнения есть такая проблема, что когда оно утыкается в ветвление программы, оно не знает, по какой веточке идти, и приходится выбирать каким-то образом, используя предсказание переходов. Вы выбираете некоторую ветку и начинаете её исполнять. Часто может оказаться, что это не та ветка, которая вам нужна. И оказалось, что, во-первых, в процессорах компании Intel есть такая проблема, что перед входом в эту ветку в спекулятивном исполнении не проверяются права доступа, вообще имеет ли право программа туда в эту память ходить. Эта уязвимость исключительно интеловская, которую решают в компании Intel. А вторая уязвимость, вообще говоря, универсальная, потому что она никак не опирается на проблемы процессора, она опирается ровно на концепцию кэш-памяти. Она говорит нам о следующем: если мы с вами можем использовать кэш, то мы можем, замеряя время доступа к памяти, посчитать, закэширована какая-то информация сейчас или нет, а значит читала ли её программа только что или нет. Используя это знание, вы можете восстановить, к каким данным программа получала доступ, и при этом даже нет необходимости для вас эти данные знать. Вы можете просто знать, куда она ходила. Используя эту уязвимость, вы можете пытаться достать какие-то пароли, хотя у вас для этого нет, в общем-то, никаких прав. Эти уязвимости, конечно, очень сильно пошатнули сейчас и акции компании Intel, и вообще создали прецедент, который надо очень срочно решать. Многие компании, например Microsoft, выпускают патчи для решения этой проблемы. И, наверное, очевидным решением является то, что в будущем появятся какие то либо новые подходы к созданию процессоров, либо новые архитектуры: уже сейчас, например, для вычислений мы далеко не всегда используем классические процессоры компании Intel или AMD, многие ученые считают на графических процессорах, компания Google разрабатывает то, что называется tensor processing unit для быстрого перемножения матриц, и вообще говоря, процессоры начинают специализироваться, и вполне возможно, что в ближайшее время мы увидим какие-нибудь новые архитектуры, которые сильно отличаются от архитектуры фон Неймана и гарвардской архитектуры.
Биография
В -1989 годах , несмотря на перенесённый сердечный приступ, Цузе воссоздал свой первый компьютер . Законченная модель насчитывала 30 тыс. компонентов, стоила 800 тыс. немецких марок и потребовала для своей сборки труда 4 энтузиастов (включая самого Цузе). Финансирование проекта обеспечивалось компанией Siemens AG наряду с пятью другими компаниями.
В настоящее время полностью функционирующая модель компьютера находится в «Немецком музее» города Мюнхена , а модель вычислителя Z1 передана в
Конрад Цузе -- немецкий инженер, пионер компьютеростроения. Наиболее известен как создатель первого действительно работающего программируемого компьютера и первого языка программирования высокого уровня. Годы жизни: 1910-1995.
Цузе родился в Берлине и продолжительное время жил с родителями на севере Саксонии в городке Хойерсверда.
В 1935 году Цузе получил образование инженера в Берлинской высшей технической школе в Шарлоттенбурге, которая сегодня носит название Берлинского технического университета. По её окончании он поступил на работу на авиационный завод Хеншеля в Шёнефельде, однако, проработав всего лишь год, уволился, вплотную занявшись созданием программируемой счётной машины. Поэкспериментировав с десятичной системой счисления, молодой инженер предпочёл ей двоичную. В 1938 году появилась первая действующая разработка Цузе, названная им Z1. Это был двоичный механический вычислитель с электрическим приводом и ограниченной возможностью программирования при помощи клавиатуры. Результат вычислений в десятичной системе отображался на ламповой панели. Построенный на собственные средства и деньги друзей, и, смонтированный на столе в гостиной родительского дома, Z1 работал ненадёжно из-за недостаточной точности выполнения составных частей. Впрочем, будучи экспериментальной моделью, ни для каких практических целей он не использовался.
Вторая мировая война сделала невозможным общение Цузе с другими энтузиастами создания вычислительной техники в Великобритании и Соединённых Штатах Америки. В 1939 году Цузе был призван на военную службу, однако сумел убедить армейских начальников в необходимости дать ему возможность продолжить свои разработки. В 1940 году он получил поддержку Исследовательского института аэродинамики, который использовал его работу для создания управляемых ракет. Цузе построил доработанную версию вычислителя -- Z2 на основе телефонных реле. В отличие от Z1, новая машина считывала инструкции перфорированной 35-миллиметровой киноплёнки. Она тоже была демонстрационной моделью и не использовалась для практических целей. В этом же году Цузе организовал компанию Zuse Apparatebau для производства программируемых машин.
Удовлетворённый функциональностью Z2, в 1941 году Цузе создал уже более совершенную модель -- Z3, которую сегодня многие считают первым, реально действовавшим программируемым компьютером. Впрочем, программируемость этого двоичного вычислителя, собранного, как и предыдущая модель, на основе телефонных реле, также была ограниченной. Несмотря на то, что порядок вычислений теперь можно было определять заранее, условные переходы и циклы отсутствовали. Тем не менее, Z3 первым среди вычислительных машин Цузе получил практическое применение и использовался для проектирования крыла самолёта.
Все три машины, Z1, Z2 и Z3, были уничтожены в ходе бомбардировок Берлина в 1944 году. А в следующем, 1945 году, и сама созданная Цузе компания прекратила своё существование. Чуть ранее частично законченный Z4 был погружен на подводу и перевезён в безопасное место в баварской деревне. Именно для этого компьютера Цузе разработал первый в мире высокоуровневый язык программирования, названный им Планкалкюль.
Планкалкюль -- первый в мире высокоуровневый язык программирования, созданный немецким инженером Конрадом Цузе в 1942 году. В переводе на русский это название соответствует выражению «планирующее исчисление» .
Язык разрабатывался как основное средство для программирования компьютера Z4, однако был пригоден и для работы с другими похожими на него вычислительными машинами.
Планкалкюль поддерживал операции назначения, вызов подпрограмм, условные операторы, итерационные циклы, арифметику с плавающей запятой, массивы, иерархические структуры данных, утверждения, обработку исключений и многие другие вполне современные средства языков программирования.
Цузе описал возможности языка Планкалкюль в отдельной брошюре. Там же он описал возможное применение языка для сортировки чисел и выполнения арифметических операций. Кроме того, Цузе составил 49 страниц программ на Планкалкюле для оценки шахматных позиций. Позже он писал, что ему было интересно проверить эффективность и универсальность Планкалкюля в отношении шахматных задач.
Работа в отрыве от других специалистов Европы и США привела к тому, что лишь незначительная часть его работы стала известной. Полностью работа Цузе была издана лишь в 1972 году. И вполне возможно, что если бы язык Планкалкюль стал известен раньше, пути развития компьютерной техники и программирования могли бы измениться.
Сам Цузе не создал реализации для своего языка. Первый компилятор языка Планкалкюль (для современных компьютеров) был создан в Свободном университете Берлина лишь в 2000 году, через пять лет после смерти Конрада Цузе.
Ещё через три года, в 1949 году, обосновавшись в городе Хюнфельде, Цузе создал компанию Zuse KG. В сентябре 1950 года Z4 был, наконец, закончен и поставлен в ETH Zьrich. В то время он был единственным работающим компьютером в континентальной Европе и первым компьютером в мире, который был продан. В этом Z4 на пять месяцев опередил Марк I и на десять -- UNIVAC. 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.
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.
Цузе считал, что устройство Вселенной похоже на сеть взаимосвязанных компьютеров. В 1969 году он издал книгу «Вычислительное пространство» (нем. Rechnender Raum), переведённую через год сотрудниками Массачусетского технологического института
В 1987--1989 годах, несмотря на перенесённый сердечный приступ, Цузе воссоздал свой первый компьютер Z1. Законченная модель насчитывала 30 тыс. компонентов, стоила 800 тыс. немецких марок и потребовала для своей сборки труда 4 энтузиастов (включая самого Цузе). Финансирование проекта обеспечивалось компанией Siemens AG наряду с пятью другими компаниями.
За свой вклад и первые успехи в области автоматических вычислений, независимое предложение использования двоичной системы и арифметики с плавающей запятой, а также проектирование первого в Германии и одного из самых первых в мире программно-управляемых компьютеров в 1965 году Цузе получил мемориальную премию Гарри Гуда, медаль и 2000 долларов от Computer Society.
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 и здания, названные его именем.
Сергей Бобровский
Таким титулом награжден немецкий инженер , родившийся в 1910 г. и умерший в возрасте 85 лет (более подробно его биография описана в статье “Компьютерный музей”, PC Week/RE, № 9/98, с. 60).
В 30-х годах Цузе занимался проектированием самолетов в компании Henschel Aircraft и ему приходилось выполнять огромные объемы вычислений для определения оптимальной конструкции крыльев. В то время существовали только механические калькуляторы с десятичной системой счисления, и Цузе заинтересовала проблема автоматизации всего процесса вычислений, так как он вынужден был выполнять множество однообразных рутинных расчетов по заданной схеме. В 1934 г. Цузе придумал модель автоматического калькулятора, которая состояла из устройства управления, вычислительного устройства и памяти и полностью совпадала с архитектурой сегодняшних компьютеров.
В те годы Цузе пришел к выводу, 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.
Цузе оказался абсолютно прав. Он первым в мире сказал, что обработка данных начинается с бита (бит он называл да/нет-статусом, а формулы двоичной алгебры - условными суждениями), первым ввел термин “машинное слово” (word), первым объединил в вычислителе арифметические и логические операции, отметив, что “элементарная операция компьютера - проверка двух двоичных чисел на равенство. Результатом будет тоже двоичное число с двумя значениями (равно, не равно)”. При этом Цузе не имел никакого представления не только об аналогичных исследованиях коллег в США и Англии, но даже о механическом вычислителе Чарльза Бэббиджа, созданном в XIX веке.
В 1936 г. Цузе запатентовал идею механической памяти. Год спустя он создал работающую память для хранения 12 двоичных чисел по 24 бита и активно занялся созданием первой версии своего вычислителя, которую он сначала назвал Versuchsmodell-1 (V-1), но эта аббревиатура совпала с названием немецких ракет V1, и тогда он переименовал свое творение в Z1. Арифметический модуль мог работать с числами с плавающей запятой (фактически они состояли из двух чисел: одно представляло собой 16-разрядную мантиссу, другое - 7-разрядную экспоненту), осуществлял преобразования двоичных чисел в десятичные и обратно и поддерживал ввод и вывод данных. Устройство ввода программы с помощью перфорированной киноленты сделал Хельмут Шрейер, друг Цузе, который раньше работал киномехаником. Результаты расчетов показывались с помощью электрических ламп. Z1 был закончен в 1938 г. и работал неустойчиво из-за ненадежной механической памяти.
Трудами Цузе заинтересовалось руководство Института аэродинамических исследований третьего рейха. Они взялись финансировать работы над следующей моделью вычислителя Z2. В качестве более надежной элементной базы Конрад выбрал электромагнитные телефонные реле, единственные в то время устройства, пригодные для создания компьютера. Релейный Z2 был построен в апреле 1939 г. и успешно заработал, но Цузе призвали в армию, и хотя у него были очень влиятельные друзья, он отслужил год, прежде чем вернулся обратно в институт. Там он приступил к проектированию более мощной модели - Z3, потом снова был призван на фронт, но через короткое время вернулся в институт окончательно.
Цузе закончил Z3 5 декабря 1941 г. Ввод программы, представлявшей собой последовательность довольно мощных логических команд, по-прежнему происходил с перфорированной киноленты. Память Z3 позволяла хранить 64 слова (14 бит на мантиссу, 7 бит на экспоненту и 1 бит на знак) и состояла из 1400 реле. Для арифметического вычислителя потребовалось 600 реле, и еще 400 реле применялось в устройстве управления. Z3 выполнял не только 4 арифметических операции, но и вычисление квадратного корня, умножение на –1, 0,1, 0,5, 2 и 10. Скорость работы Z3 была примерно равна скорости работы американского компьютера Harvard Mark I, созданного в конце 40-х годов. Z3 выполнял 3-4 операции сложения в секунду и умножал два числа за 4-5 секунд, позволяя при этом обрабатывать числа с плавающей запятой более эффективно, чем
Одновременно Цузе занимался проектированием механических устройств дистанционного управления бомбами для повышения точности попадания в цель. Для создания модели требовалось провести очень большие вычисления, и он сначала сделал специализированный компьютер, выполнявший фиксированную последовательность операций. Затем он решил также автоматизировать работу оператора, занимавшегося вводом данных, и первым в мире сделал то, что сегодня называется аналогово-цифровым преобразователем.
Из-за небольшого объема памяти на Z3 нельзя было решать, в частности, системы линейных уравнений, а институту это требовалось. В 1941 г. Цузе решил разработать более мощную модель - Z4. Он понимал все минусы своей машины и хотел создать полноценный компьютер, которому, по оценкам самого Цузе, требовалась емкость памяти как минимум 8 тысяч слов. Но немецкое руководство ответило ему, что Германия так близка к победе, что компьютеры ей не нужны. Во время войны все практические работы в этой области полностью прекратились. По окончании войны Цузе на короткое время был арестован, но всю жизнь отрицал, что выполнял какие-то секретные работы для правительства.
После войны Цузе временно остался не у дел. Z3 был разрушен, Z4 не закончен, зарубежные компьютеры и еще не работали, и он занялся теоретическими исследованиями. Ему помогал математик Герр Лохмейер. Цузе попытался автоматизировать игру в шахматы, описать правила игры в терминах логических вычислений. Сразу возникли проблемы, хорошо известные сегодня специалистам по искусственному интеллекту, - не было подходящего инструментария для работы со сложными структурами данных. В 1945 г. Цузе создал первый в мире символический язык Plankalkul (термина “алгоритмический язык” еще не существовало) и технику трансляции адресов, кроме того, у него родились идеи использования подпрограмм с параметрами. В то же время Цузе придумал название своему устройству - логическая вычислительная машина.
В начале 50-х годов экономика Германии пошла на подъем. Цузе организовал фирму Zuze KG, построил машину Z11 и использовал ее для решения задач перепланировки земель, проектирования оптических приборов. Уже тогда возникли проблемы создания хорошего ПО. Затем Цузе построил Z22, которая поддерживала общие алгоритмы вычислений, могла работать с произвольными структурами данных, имела достаточный объем памяти и была популярна у многих немецких инженеров и ученых. Цузе полагал, что у него появятся заказы на расчеты от малых и средних компаний, но они тогда не очень нуждались в подобных услугах, и Zuze KG оказалась убыточной. Государственное финансирование работ в компьютерной области началось позже.
Цузе продолжал экспериментировать с различными вычислительными устройствами, сделал автоматическую рисовальную доску - первый прообраз современных CAD. В 1964 г. он предложил автоматическую систему управления крупными ткацкими станками. С 1966 г. Цузе стал работать в компании Siemens AG.
Одним из своих наиболее выдающихся достижений Цузе считал создание языка Plankalkul, который не был привязан к архитектуре и наборам команд конкретного компьютера в отличие от первых языков ассемблера.
В Plankalkul 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 Plankalkul 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).
Plankalkul 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. Plankalkul 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:=.
Plankalkul 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 Plankalkul приближался к Алголу 68, но в отличие от него, в Plankalkul не поддерживалась адресная арифметика, что в целом повышало надежность программы. На Plankalkul было написано много самых разных невычислительных алгоритмов: обработки символьной информации, генерации шахматных ходов и др. В музее Retrocomputing museum (www.ccil.org/retro/) автору статьи сообщили, что в память о Цузе планируется сделать компилятор для Plankalkul.
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.
