Z3 (dator) - Z3 (computer)

Zuse Z3 -kopia visas på Deutsches Museum i München

Den Z3 var en tysk elektro dator designad av Konrad Zuse 1935 och avslutades i 1941. Det var världens första arbetsdagen programmerbar , helautomatisk digital dator . Z3 byggdes med 2 600 reläer och implementerade en 22- bitars ordlängd som fungerade med en klockfrekvens på cirka 5–10  Hz . Programkoden lagrades på stansad film . Initialvärden matades in manuellt.

Z3 färdigställdes i Berlin 1941. Den ansågs inte vara livsviktig, så den togs aldrig i vardag. Baserat på den tyska aerodynamiska ingenjören Hans Georg Küssners arbete (känt för Küssner -effekten ) skrevs ett "Program to Compute a Complex Matrix" som användes för att lösa problem med vingfladdrar . Zuse bad den tyska regeringen om finansiering för att ersätta reläerna med helt elektroniska switchar, men finansiering nekades under andra världskriget eftersom sådan utveckling ansågs vara "inte krigsviktig".

Den ursprungliga Z3 förstördes den 21 december 1943 under ett allierat bombardemang av Berlin . Att Z3 ursprungligen hette V3 ( Versuchsmodell 3 eller Experimental Model 3) men byttes om så att det inte skulle förväxlas med Tysklands V-vapen . En fullt fungerande kopia byggdes 1961 av Zuses företag, Zuse KG , som nu visas permanent på Deutsches Museum i München .

Z3 visades 1998 vara i princip Turing-komplett . Men eftersom den saknade villkorlig förgrening uppfyller Z3 endast denna definition genom att spekulativt beräkna alla möjliga resultat av en beräkning.

Tack vare denna maskin och dess föregångare har Konrad Zuse ofta föreslagits som uppfinnaren av datorn.

Design och utveckling

Zuse konstruerade Z1 1935 till 1936 och byggde den från 1936 till 1938. Z1 var helt mekanisk och fungerade bara några minuter åt gången som mest. Helmut Schreyer rådde Zuse att använda en annan teknik. Som doktorand vid Berlin Institute of Technology 1937 arbetade han med implementering av booleska operationer och (i dagens terminologi) flip-flops på grundval av vakuumrör . År 1938 demonstrerade Schreyer en krets på denna grund för en liten publik och förklarade sin vision om en elektronisk datormaskin - men eftersom de största operativa elektroniska enheterna innehöll mycket färre rör ansågs detta praktiskt taget omöjligt. Under det året när Zuse och Schreyer, som var assistent vid Wilhelm Stäbleins  [ de ] Telekommunikationsinstitut vid Berlins tekniska universitet, presenterade planen för en dator med 2000 elektronrör , avskräcktes av medlemmar av institutet som visste om problemen med elektronrörsteknik. Zuse mindes senare: ”De log mot oss 1939, när vi ville bygga elektroniska maskiner ... Vi sa: Den elektroniska maskinen är fantastisk, men först måste komponenterna utvecklas.” 1940 lyckades Zuse och Schreyer ordna ett möte kl. den Oberkommando der Wehrmacht (OKW) för att diskutera en potentiell projekt för att utveckla en elektronisk dator, men när de uppskattade en löptid på två eller tre år, var förslaget förkastades.

Zuse bestämde sig för att implementera nästa design baserad på reläer. Förverkligandet av Z2 hjälpte ekonomiskt av Kurt Pannke , som tillverkade små räknemaskiner. Z2 färdigställdes och presenterades för en publik på Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt ("German Laboratory for Aviation") 1940 i Berlin-Adlershof. Zuse hade tur - den här presentationen var en av få fall där Z2 faktiskt fungerade och kunde övertyga DVL om att delvis finansiera nästa design.

Förbättrad på den grundläggande Z2 -maskinen byggde han Z3 1941, vilket var ett mycket hemligt projekt från den tyska regeringen. Joseph Jennissen (1905–1977), medlem av "Research-Leadership" ( Forschungsführung ) i Reich Air Ministry fungerade som regeringsövervakare för order från ministeriet till Zuses företag ZUSE Apparatebau . En ytterligare mellanhand mellan Zuse och Reich Air Ministry var aerodynamikern Herbert A. Wagner .

Z3 färdigställdes 1941 och var snabbare och mycket mer pålitlig än Z1 och Z2. Z3 floating-point-aritmetiken förbättrades jämfört med Z1: s genom att den implementerade undantagshantering "med bara några reläer", de exceptionella värdena (plus oändlighet, minus oändlighet och odefinierad) kunde genereras och passeras genom operationer. Z3 lagrade sitt program på ett externt band, så ingen omkoppling var nödvändig för att byta program.

Den 12 maj 1941 presenterades Z3 för en publik av forskare inklusive professorerna Alfred Teichmann och Curt Schmieden vid Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt ("German Laboratory for Aviation") i Berlin , idag känd som German Aerospace Center i Köln .

Zuse gick vidare till Z4 -designen, som han färdigställde i en bunker i Harzbergen , tillsammans med Wernher von Brauns ballistiska missilutveckling. När andra världskriget tog slut, drog Zuse sig tillbaka till Hinterstein i Alperna med Z4, där han stannade i flera år.

Z3 som en universell Turing -maskin

Det var möjligt att konstruera slingor på Z3, men det fanns ingen villkorlig greninstruktion. Ändå var Z3 Turing-komplett- hur man implementerar en universell Turing-maskin på Z3 visades 1998 av Raúl Rojas . Han föreslog att bandprogrammet måste vara tillräckligt långt för att kunna genomföra alla möjliga vägar genom båda sidor av varje gren. Det skulle beräkna alla möjliga svar, men de onödiga resultaten skulle avbrytas (ett slags spekulativt utförande ). Rojas avslutar: "Vi kan därför säga att från ett abstrakt teoretiskt perspektiv är Z3: s datormodell ekvivalent med datormodellen för dagens datorer. Från ett praktiskt perspektiv och på det sätt som Z3 verkligen var programmerat var det inte motsvarande moderna datorer. "

Denna till synes begränsning förklarar det faktum att Z3 gav en praktisk instruktionsuppsättning för de typiska tekniska tillämpningarna på 1940 -talet. Med tanke på de befintliga hårdvarubegränsningarna var Zuses dåvarande huvudmål att ha en fungerande enhet för att underlätta hans arbete som civilingenjör .

Relation till annat arbete

Framgången för Zuses Z3 tillskrivs ofta användningen av det enkla binära systemet. Detta uppfanns ungefär tre århundraden tidigare av Gottfried Leibniz ; Boole använde det senare för att utveckla sin booleska algebra . Zuse inspirerades av Hilberts och Ackermanns bok om elementär matematisk logik Principer för matematisk logik . År 1937 introducerade Claude Shannon tanken på att kartlägga boolsk algebra på elektroniska reläer i ett verkligt arbete med digital kretsdesign . Zuse kände dock inte till Shannons arbete och utvecklade grunden oberoende för sin första dator Z1 , som han designade och byggde från 1935 till 1938.

Zuses kollega Helmut Schreyer byggde en elektronisk digital experimentell modell av en dator med 100 vakuumrör 1942, men den gick förlorad i slutet av kriget.

En analog dator byggdes av raketforskaren Helmut Hölzer 1942 vid Peenemünde Army Research Center för att simulera V-2- raketbanor.

Den Tommy Blommor -Inbyggda Colossus (1943) och den Atanasoff-Berry dator (1942) som används termojoniska ventiler (undertrycket rör) och binär representation av nummer. Programmeringen skedde med hjälp av att återansluta patchpaneler och ställa in omkopplare.

Den ENIAC dator avslutas efter kriget använde vakuumrör att genomföra växlar och begagnade decimal representation för siffror. Fram till 1948 var programmeringen, som med Colossus, av patchkablar och switchar.

Den Manchester baby 1948 tillsammans med Manchester Mark 1 och EDSAC både 1949 var världens tidigaste arbetsdatorer som lagrade programinstruktioner och data i samma utrymme. I detta implementerade de det lagrade programkonceptet som ofta (men felaktigt) tillskrivs ett papper från 1945 av John von Neumann och kollegor. Von Neumann sägs ha gett Alan Turing vederbörlig heder , och konceptet hade faktiskt nämnts tidigare av Konrad Zuse själv, i en patentansökan 1936 (som avslogs). Konrad Zuse minns själv i sina memoarer: "Under kriget hade det knappt varit möjligt att bygga effektiva lagrade programenheter ändå." och Friedrich L. Bauer skrev: "Hans visionära idéer (liveprogram) som bara skulle publiceras år efteråt som syftade till rätt praktisk riktning men som aldrig genomfördes av honom."

Specifikationer

  • Genomsnittlig beräkningshastighet: addition - 0,8 sekunder, multiplikation - 3 sekunder
  • Aritmetisk enhet: Binär flytande punkt , 22-bitars, addera, subtrahera, multiplicera, dela, kvadratrot
  • Dataminne: 64 ord med en längd på 22 bitar
  • Programminne: Stansad celluloidtejp
  • Inmatning: Decimal flytande siffror
  • Utmatning: Decimal flytande siffror
  • In- och utmatning underlättades av en terminal, med ett speciellt tangentbord för ingång och en rad lampor för att visa resultat
  • Element: Runt 2000 reläer (1400 för minnet)
  • Frekvens: 5–10 hertz
  • Strömförbrukning: Cirka 4000 watt
  • Vikt: Cirka 1 ton (2200 lb)

Moderna rekonstruktioner

Z3 -rekonstruktion 2010 av Horst Zuse

En modern rekonstruktion i regi av Raúl Rojas och Horst Zuse startade 1997 och slutade 2003. Det finns nu i Konrad Zuse -museet i Hünfeld, Tyskland. Minnet halverades till 32 ord. Strömförbrukningen är cirka 400 W och vikten är cirka 30 kilo (66 lb).

År 2008 startade Horst Zuse en rekonstruktion av Z3 själv. Det presenterades 2010 i Konrad Zuse -museet i Hünfeld.

Se även

Anteckningar

Referenser

Vidare läsning

  • B. Jack Copeland, red. (2006). Colossus: The Secrets of Bletchley Parks kodbrytande datorer . Oxford University Press. ISBN 978-0-19-284055-4.
  • R. Rojas; F. Darius; C. Göktekin & G. Heyne (2005). "Rekonstruktionen av Konrad Zuses Z3". IEEE Annals of the History of Computing . 27 (3): 23–32. doi : 10.1109/mahc.2005.48 . S2CID  16288658 .

externa länkar