Чтение онлайн

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.

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 [329] .

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 [330] и создал несколько логических схем на основе ламп [331] . 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 [332] . 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?» [333]

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 [334] . 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» [335] . 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 [336] . 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 fur Luftfahrt, DVL) [337] . 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 [338] . 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.