Сейчас на сайте
Сейчас на сайте 0 пользователей и 0 гостей.

Электромеханические вычислительные машины Z1, Z2 и HARVARD MARK

Подобная идея о возможности постройки автоматизированного счетного аппарата пришла в голову немецкому инженеру Конраду Цузе ( Konrad Zuse ). В 30-х годах Цузе занимался проектированием самолетов в компании Henschel Aircraft , и ему приходилось выполнять огромные объемы вычислений по заданным схемам для определения оптимальной конструкции крыльев. И видимо, эта работа навела его на мысль о возможности автоматизации этого процесса. Уже в 1934 г . Цузе сформулировал основные принципы, на которых должны работать будущие компьютеры:

  • 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 первым в мире определил, что обработка данных начинается с бита (бит он называл «статусом да/нет«, 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 Z1. Арифметический модуль мог работать с числами с плавающей запятой, осуществлял преобразования двоичных чисел в десятичные и обратно и поддерживал ввод и вывод данных. Устройство ввода программы осуществлялось с помощью перфорированной киноленты. 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 германского Института аэродинамических исследований. 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. Далее он приступил к проектированию более мощной модели - Z3, которая была закончена в 1941 г .

Всего машина содержала 2600 реле. Общая стоимость составила примерно $6500. Z3 выполнял не только 4 арифметические 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 Mark I. Но память составляла всего 64 слова. Кстати, из-за такого небольшого объема памяти Z1, Z2, Z3 никогда не использовались для решения серьезных проблем. В конце 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.

А на американском континенте в том же 1936 году молодой физик Гарвардского университета Говард Эйкен объявляет о намерении сконструировать машину для решения дифференциальных уравнений. Неожиданно для такого смелого проекта нашелся спонсор - некая компания IBM, а потом подключились и военные. И через восемь лет, в 1944 году, появилась счетная машина Harvard Mark I, которая применялась для расчета сложных баллистических таблиц. Впоследствии, завершив «военную службу «, Mark I проработал еще 15 лет в Гарвардском университете, помогая составлять математические таблицы и решая самые разнообразные задачи, от создания экономических моделей до конструирования электронных схем компьютеров.

Mark I весил 5 тонн, длина его была 17 метров и в высоту более 2,5 м , содержал около 750 тыс. деталей, соединенных проводами общей протяженностью около 800 км . Он считывал программу с бумажной ленты, на которую с помощью перфоратора наносилась последовательность вычислений, и способен был осуществлять три сложения в секунду, а на то чтобы взять логарифм, требовалась минута. Mark I мог работать без человеческого участия много часов и дней, печатая цифру за цифрой - результаты вычислений. Машина была передана в ВМФ и использовалась для выполнения сложных баллистических расчетов.

Mark I и Z-1-Z-3 имели две важные отличительные особенности, которыми предыдущие машины не обладали: во-первых, они могли выполнять определенную последовательность операций по заранее заданной программе или последовательно решать задачи разных типов, благодаря способности хранить информацию в специальной памяти; во-вторых, эти компьютеры управлялись с помощью программы. Их медлительность была связана с ограниченными возможностями электромеханических схем, основным элементом которых были реле. Главный недостаток реле в том, что прохождение сигнала вызывает искру при замыкании и размыкании контактов. Искра была частой причиной быстрого износа и коррозии контактов и отказа реле.

Лампы обладали одним очень важным преимуществом. Использование электронных ламп вместо механических и электромеханических элементов, прежде всего, позволило резко увеличить скорость выполнения машинных операций. Релейный Z3 выполнял 3-4 операции сложения в секунду и умножал два числа за 4-5 секунд, а вот ламповый ENIAC тратил на умножение всего 0,0028 секунды, а на сложение и того меньше-0,0002 секунды.

Однако была и масса проблем. Из-за того, что высота стеклянной лампы - 7см, машины были огромных размеров. Каждые 7-8 мин. одна из ламп выходила из строя, а так как в компьютере их было 15-20 тысяч, то для поиска и замены поврежденной лампы требовалось очень много времени. Кроме того, они выделяли огромное количество тепла, и для эксплуатации «современного» компьютера того времени требовались специальные системы охлаждения.

Чтобы разобраться в запутанных схемах огромного компьютера, нужны были целые бригады инженеров. Устройства ввода не было, поэтому данные заносились в память при помощи соединения нужного штекера с нужным гнездом.

Кстати, еще Конрад Цузе планировал делать Z-3 и Z-4 на электронных лампах, но отказался от этой идеи в силу исключительно практических причин: во-первых, лампы были гораздо дороже реле, а с финансированием у Цузе были большие проблемы - реле и те он использовал уже бывшие в употреблении. А во-вторых, лампы были гораздо тяжелее, и вес машины увеличился бы просто катастрофически. Кроме того, с местом у Цузе были тоже проблемы - все свои машины он собирал на квартире родителей.

Но поскольку разработкой и использованием компьютеров заинтересовались военные, то проблема финансирования и обеспечения рабочей силы не стояла. Поэтому в последующих компьютерах уже стали использоваться электронные лампы.