Retrospectiva de startups de tecnologia. Z3 - o primeiro computador de retransmissão

Decidi iniciar uma retrospectiva de startups tecnológicas com uma história incrível sobre a criação do primeiro computador no sentido moderno da palavra, que pode parecer fascinante mesmo para quem considera abusiva uma palavra de inicialização.

O Z3 foi concebido e criado pelo engenhoso engenheiro Konrad Zuse no momento mais inoportuno para isso. Ele lançou as bases para a primeira empresa na Europa continental a desenvolver e vender computadores em uma base comercial.


Alemanha, a segunda metade dos 30 anos do século passado. Adolf Hitler está no poder há vários anos. O país está trabalhando em um computador. O desenvolvimento continua, apesar do fato de o primeiro modelo não ter muito sucesso. A cada novo modelo, o dispositivo está se tornando mais perfeito. Z1, Z2, finalmente, em maio de 1941, a primeira versão viável aparece - Z3. Em 1943, os Aliados conseguiram destruir toda a gama de modelos Z1 - Z3, mas a essa altura já estava em andamento o trabalho para criar um modelo muito mais avançado - Z4. A montagem é transferida para as passagens secretas das minas, nas quais o desenvolvimento de um programa de mísseis ultra-secretos está em pleno andamento. Seja como for, o trabalho no Z4 consegue terminar literalmente nos últimos dias da guerra e levar secretamente o computador para a Suíça ...

Parece muito ameaçador. Mas os clichês estão muito longe da verdade. Vamos tentar esclarecer como o primeiro computador eletromecânico foi realmente criado e como era.
É claro que as forças armadas não poderiam prescindir das forças armadas, prestaram alguma assistência, mas, no geral, o desenvolvimento foi realizado mais provavelmente ao contrário, e não graças a pessoas de uniforme.

As meninas como um motor de progresso

Konrad Ernst Otto Zuse Konrad Ernst Otto Zuse, apesar de seu nome completo e sólido, nasceu na família de um pequeno funcionário postal de Berlim em 1910. Desde a infância, o garoto foi atraído pelo design. Ainda na escola, ele montou um modelo de máquina de troca de moedas e se envolveu com entusiasmo em estudos urbanos - ele criou um projeto de cidade para 37 milhões de habitantes. A paixão pelos negócios e grandes números surgiram até então. Não surpreendentemente, quando jovem, ele ingressou na Universidade Técnica de Berlim com um diploma em engenharia civil. O processo de aprendizagem não foi tão interessante quanto parecia na infância. Especialmente "got" sopromat. Tive que passar horas examinando os cálculos monótonos e extremamente tediosos, enquanto os colegas passavam tempo com garotas atraentes ...


Foi então, ainda nos cursos juniores, que ele teve a idéia de automatizar os cálculos. No começo, ele sonhava em criar uma calculadora perfeita, mas no ano passado ele queria mais.

Em 1935, depois de se formar na universidade, Konrad conseguiu se tornar um engenheiro na fábrica de aviação da Henkel. Parece que naqueles anos poderia ser mais interessante que a aviação? Mas, na prática, os cálculos chatos precisavam ter ainda mais tempo e, em seu tempo livre, um jovem começa a pensar em um plano detalhado de um dispositivo que poderia facilitar esse processo.

Representação de números

Pensando no método da implementação mais simples de cálculos, Conrad teve a ideia de realizar operações em números binários. Naquela época, havia componentes adequados e acessíveis que forneciam dois estados estáveis ​​- relés telefônicos. Ele decidiu tomá-los como base e pensou em maneiras de implementar as operações aritméticas mais simples com a ajuda deles.

Em seguida, foi necessário determinar como inserir, representar e armazenar números. Simplificando, organize a "memória" e acesse-a. A maioria das calculadoras mecânicas existentes na época forneceu dados de entrada usando um sistema de engrenagens com 10 posições.


Números codificados de leitura mais avançados de cartões perfurados e podem ter até 20 contadores. Novos números foram inseridos adicionando cartões perfurados.

Para expandir a gama de cálculos, o Conrad decidiu realizar operações em números de ponto flutuante na representação binária. Ele decidiu criar registros de memória consistindo em 22 bits binários. Em cada um deles, 14 bits foram reservados para a mantissa, 7 para o grau e 1 para o sinal.

No entanto, outro problema surgiu. Sim, é muito mais fácil para a calculadora operar com números binários do que com decimais, mas eles são percebidos com grande dificuldade por uma pessoa, especialmente em uma representação de ponto flutuante.

Para simplificar o trabalho dos operadores, foi decidido inserir os dígitos dos dados de origem no formato decimal, depois convertê-los automaticamente em binários e carregá-los na memória. Com o resultado, execute o processo inverso.

Sistema de memória

Resolver o problema da implementação física da memória não foi fácil. Os relés eletrônicos ocupavam muito espaço e consumiam muita energia. Além disso, o mais barato deles custa mais de duas marcas, o que é um golpe muito sensível. Após uma longa busca por uma solução adequada, o Conrad surgiu com uma alternativa original - um dispositivo mecânico baseado em pinos de metal. Um pino pequeno pode ser localizado à esquerda ou à direita da ponta, memorizando zero ou um. A instalação e extração de números foi realizada com placas. Módulos de memória separados podem ser montados em uma matriz.


Um fragmento do dispositivo de “memória” - tudo o que resta do primeiro modelo após o bombardeio

Conrad o chamou de "Memória de retransmissão mecânica" e em 1936 recebeu duas patentes. Segundo eles, essa memória poderia ser expandida para armazenar milhares de palavras. Uma implementação alternativa exigiria 40.000 relés. Essa memória, em princípio, poderia armazenar qualquer tipo de dado; portanto, no pedido de uma invenção, ele a chamou de "combinacional"

CPU

O design da parte computacional do dispositivo foi o mais difícil. Conrad experimentou várias implementações por um longo tempo. Entre os protótipos, havia até dispositivos com quatro estados estáveis, mas no final eles conseguiram reduzir tudo à lógica binária. Demorou algum tempo para decidir em que base construir o computador. Use relés de telefone ou um dispositivo mecânico original. Segundo suas estimativas, pelo menos mil relés seriam necessários para construir um computador. Tendo estimado o custo, tamanho e energia consumidos por eles, Konrad inclinou-se para uma versão mecânica, que naquele momento lhe parecia muito mais simples de implementar.

Se você é tão esperto, por que não usou as lâmpadas?

Era muito difícil montar um dispositivo mecânico tão complexo sozinho, então Konrad decidiu atrair seu amigo íntimo Helmut Schreyer para o projeto Helmul Schreyer.Ele se formou na universidade com um diploma em engenharia de rádio e ajudou o departamento a desenvolver relés eletromagnéticos. Suas habilidades foram úteis!


Jovens engenheiros. Conrad à esquerda, Helmut à direita

Helmut realmente gostou da idéia, mas perguntou: "Por que não usar lâmpadas eletrônicas como elementos de comutação, que podem fornecer velocidades de comutação dezenas de milhares de vezes mais rápidas que os relés?" No começo, Conrad achou que era uma piada, mas depois de ouvir os argumentos de seu camarada e com um pouco de cérebro, ele achou a ideia muito interessante. Com base na memória, o gatilho do tubo foi inventado em 1918, mas ainda era necessário encontrar soluções de circuitos para o cálculo de operações aritméticas em 1936.

Os conhecidos com quem compartilharam a idéia foram divididos em dois campos - um parecia engenhoso, outros declararam sua completa rejeição. O ruim foi que o segundo acabou sendo principalmente especialistas que tinham experiência com tubos eletrônicos. O principal argumento deles era a baixa confiabilidade das lâmpadas. Eles acreditavam que um dispositivo composto por mais de 2000 lâmpadas falharia constantemente. Outros problemas insolúveis nessa fase foram o alto custo e a escassez de lâmpadas adequadas. Por mais surpreendentes que essas soluções não prometessem tecnicamente, os próprios amigos não foram capazes de cumpri-la, mas não queriam abandoná-la completamente. Portanto, eles concordaram que começarão a construir uma versão mecânica, e Helmut procurará simultaneamente soluções de circuito para nós que executam operações matemáticas elementares. No futuro, com um protótipo de um dispositivo de trabalho em relés mecânicos, não será difícil substituir os atuadores por lâmpadas.

Ao ponto, finalmente!

Princípios fundamentais que o dispositivo concebido deve satisfazer:

• operações computacionais são realizadas em um sistema binário;
• a máquina opera com números de ponto flutuante;
• memória e calculadora foram alocadas em vários blocos;
• cálculos de controle de software

Hoje eles parecem óbvios, mas não há 80 anos atrás. A maioria dos primeiros computadores eletromecânicos, que apareceram vários anos depois, operavam com números decimais com um ponto fixo, o que limitava significativamente o intervalo de cálculos, apesar de sua capacidade de bits ser grande.

Depois de trabalhar como engenheiro por um ano, Conrad se transferiu para um período parcial em 1936 e dedicou todo o seu tempo livre à criação de uma máquina programável. A oficina convertida da casa dos pais foi transformada em uma oficina de montagem.


Helmut lhe prestou assistência inestimável durante os trabalhos de montagem. Inicialmente, os amigos planejavam montar um modelo experimental de um computador mecânico em apenas seis semanas, mas, na prática, como acontece em quase qualquer startup, o tempo exigia muito mais.

Meta para invenções de astúcia

Dois anos de trabalho duro se passaram antes que a máquina finalmente começasse a mostrar sinais de vida. Hoje é difícil acreditar que dois jovens reunissem esse monstro em seu tempo livre de suas ocupações principais, por seus meios modestos. Aqui não se pode deixar de lembrar o provérbio russo: "A necessidade de invenções é astuta".

A máquina estava localizada em quatro mesas juntas, que mal suportavam seu peso - mais de quinhentos quilos! Consistia em quase 20.000 elementos.
Diferentemente de máquinas de cálculo eletromecânicas similares desenvolvidas durante esse período de tempo, o Z1 executou cálculos em números binários. Além disso, os números foram digitados em um sistema decimal com ponto flutuante e, já dentro da máquina, foram convertidos em binários de 22 bits usando um decodificador mecânico. A entrada de dados foi realizada usando o teclado, cuja função foi desempenhada por uma máquina de escrever modificada de forma criativa. Após a conversão, os valores de entrada foram registrados na memória interna mecânica. A quantidade de memória da máquina era de 64 palavras. O coração da máquina era um "gerador de relógio", acionado por um motor elétrico com capacidade de cerca de 1 kW, emprestado de um aspirador de pó. A frequência de operação do gerador era de 1 Hz e a velocidade foi estabilizada por um mecanismo engenhoso.


A máquina funcionava assim: primeiro, os dados foram descriptografados e carregados na memória. Então o programa começou a rodar. Foi lido em fita perfurada em papel e, enquanto estava sendo lido, estava sendo executado. Com essa abordagem, o programa deveria ter sido exclusivamente linear, sem ramificação. Em conclusão, o valor calculado foi convertido em decimal e exibido no visor da lâmpada.

A pedido urgente do comerciante ASTAPP , que, segundo ele, tirou fotos pessoalmente dos computadores reconstruídos, também informo seu ponto de vista. Ele alega que a saída de dados no Z1 era um botão de pressão e a fonte do programa não era uma fita perfurada em papel, mas um filme de 35 mm, como no modelo posterior Z3. É provável que ele esteja certo, as fontes nas quais eu estava baseado poderiam usar os botões do painel da lâmpada. Você pode ver as fotos dele nos comentários abaixo.

Vitória, mas não é pirrico?

A máquina montada em condições absolutamente "insalubres" funcionou, mas dizer que não se distinguia pela estabilidade dos cálculos era não dizer nada.

Conrad originalmente o planejou como um modelo para demonstrar oportunidades, mas mesmo para isso ela não era muito adequada. Ele estava convencido disso, tentando "aumentar" o primeiro investimento. Mesmo duas vezes seguidas, um cálculo bem-sucedido não era possível o tempo todo. Após outra falha, muitas vezes tive que lidar com a reconfiguração. A situação era especialmente ruim com o "processador", cuja precisão exigida na fabricação de elementos mecânicos, dos quais em casa era irrealista. Era extremamente difícil interessar a esse modelo de investidores, mas Conrad não perdeu a esperança.

Após uma longa pesquisa, ele conseguiu uma audiência com o proprietário aposentado da produção de calculadoras mecânicas - Kurt Pannke, que o tirou do tédio. Kurt estava totalmente confiante de que os computadores haviam atingido o limite de sua perfeição e, em um futuro próximo, não seria possível criar algo novo no campo da automação da computação. No entanto, ele concordou em visitar a oficina e dar uma olhada no Z1. E então Konrad finalmente sorriu sorte. Durante a visita do Dr. Panke, a máquina conseguiu realizar vários cálculos seguidos sem uma única falha. O médico ficou tão impressionado com o trabalho dela que concordou em fornecer sete mil marcos do Reich para a melhoria do aparelho.



Logo, Konrad novamente sorriu sorte - os amigos ajudaram a obter equipamentos telefônicos descomissionados, dos quais ele extraiu cerca de 800 relés em segunda mão. Mais da metade deles parecia bastante funcional , pelo menos à primeira vista .

Z2 - dois passos para trás, um para a frente

Para demonstrar aos potenciais investidores mais sérios, foi necessário aumentar significativamente a confiabilidade dos cálculos. Conrad decide matar dois coelhos com uma cajadada - para criar um modelo de trabalho simplificado, mas estável, usando uma calculadora de relés. Amigos o ajudaram a desenvolver circuitos de células computacionais elementares baseadas em relés e ele começou a trabalhar novamente.

Eu tive que desmontar completamente a calculadora e metade da memória, reduzindo-a para 16 palavras. A memória e os decodificadores ainda eram mecânicos, mas seu design foi bastante simplificado. Falhas no trabalho começaram a ocorrer com muito menos frequência. Também foi decidido abandonar temporariamente os cálculos de ponto flutuante. No novo modelo, a calculadora operava com números de 16 bits e um ponto fixo. Para aumentar a confiabilidade, o leitor do programa foi aprimorado - em vez de papel, Conrad usou um filme de 35 mm. A potência do motor do aspirador foi suficiente para a máquina simplificada trabalhar três vezes mais rápido que a primeira opção - a frequência do relógio aumentou para três hertz. O Z2 foi capaz de executar 8 instruções diferentes.

Z3 A guerra como motor do progresso?

Z2 ganhou em 1939. O inspirado Conrad inicia a criação de um terceiro modelo, que já está sendo concebido como uma ferramenta para computação real. No entanto, a vida começou a fazer ajustes significativos em seus planos. A Alemanha está se preparando para entrar em uma guerra de larga escala e precisa de engenheiros para desenvolver aeronaves, os mais altos oficiais militares não pensaram em computadores na época. Conrad mudou as roupas civis para um uniforme militar, mas pelo menos ele não foi enviado para a frente. Ele ainda dedica todo o seu tempo livre à criação do terceiro modelo, mas, apesar de os amigos o ajudarem ativamente, torna-se cada vez mais difícil combinar desenvolvimento e serviço militar. O dinheiro recebido de um anjo de negócios está se esgotando, a busca pelo equipamento necessário está se tornando cada vez mais difícil - a preparação para a guerra está consumindo muitos recursos e até ter os meios para comprar os componentes necessários está se tornando mais difícil. Sob essas condições, não havia escolha a não ser procurar apoio dos militares.

Em 1940, Conrad buscou uma demonstração de seu modelo Z2 no Instituto de Pesquisa Aerodinâmica. Você não pode dizer que ele fez um respingo lá, mas sua calculadora realmente gostou do gerente de projeto para a criação de bombas guiadas, o professor Teichmann. O professor procura conectar Konrad ao seu projeto para automatizar cálculos no campo da pesquisa aerodinâmica. Paralelamente, Conrad recebeu o apoio financeiro e organizacional necessário para concluir o trabalho no computador Z3. No mesmo ano, ele organizou a empresa Zuse Apparatebau para a produção de máquinas programáveis.

Além do dinheiro, a Konrad recebeu instalações e assistentes, graças aos quais o processo de criação da máquina foi significativamente acelerado e o Z3 foi colocado em operação na primavera de 1941. Sua arquitetura se assemelhava muito ao modelo Z1, mas era considerado cinco vezes mais rápido e, o mais importante, funcionava com tanta confiabilidade que poderia ser usado para cálculos reais, em particular, para calcular a forma da asa varrida.


O número de ciclos gastos na operação

Z3 consistia em 2400 relés. 600 deles trabalhavam em um módulo de computação, o restante desempenhou o papel de memória de 64 palavras. A proteção do resultado do transbordamento foi introduzida, os resultados do cálculo foram emitidos em fita perfurada

Z3 foi o primeiro dispositivo de computação montado inteiramente em relés eletromagnéticos. No entanto, disputas sobre o primeiro titular do computador . , Z3 , . 1944 MARK — I , . , , , .

Z4

Tendo terminado o trabalho no Z3, Conrad lidera em 1941 um projeto secreto para criar a próxima geração de computadores - o Z4.

Paralelamente, a Zuse está envolvida no desenvolvimento de computadores especializados e coloca em operação em 1942 o modelo S1. Seu seguidor S2, que mais tarde trabalhou, talvez seja o primeiro computador industrial do mundo. Ele coletou automaticamente dados de várias dezenas de sensores e realizou cálculos complexos sobre eles. Usado para construir modelos aerodinâmicos.


Desde 1943, Berlim começou a ser bombardeada pelos Aliados. O desenvolvimento começou a ser complicado pelo fato de que constantemente era preciso transportar equipamentos de um lugar para outro. Especialistas técnicos e assistentes foram convocados para o exército e jogados para a frente. Como resultado do próximo ataque aéreo, o Z3 e tudo o que restava de Z2 e Z1 naquela época foram destruídos. No final, alguns meses antes do final da guerra, Conrad foi colocado com um par de assistentes no local mais confiável - um bunker em minas abandonadas, onde um programa secreto de mísseis alemães estava em desenvolvimento.

As condições para trabalhar lá eram terríveis, mas ele ficou ainda mais impressionado com o tratamento dos prisioneiros de guerra, desempenhando o papel de trabalho não qualificado.
Nos últimos dias da guerra, aproveitando a confusão, Conrad, juntamente com sua esposa grávida, foge de Berlim em uma carroça puxada por cavalos. Caixas com fragmentos do modelo Z4 inacabado foram escondidas sob uma pilha de pertences.


Então, ele se encontra na pequena vila bávara de Hinterstein, e sua filha inacabada no canto mais distante do celeiro, escondida atrás de uma pilha de lenha. Foram tempos muito difíceis. A princípio, Conrad ganhou seu pão fazendo gravuras comemorativas em madeira e vendendo-as a soldados americanos.

Uma pequena observação. Inicialmente, os dispositivos de computação da Konrad foram chamados V1, V2, V3, V4. V veio de Versuchsmodell - um modelo experimental. Mas foram precisamente esses nomes que desenvolveram modelos de mísseis nas minas onde ele trabalhou um pouco. Imediatamente após a guerra, ele renomeou toda a linha, começando na primeira letra do sobrenome. Considerações morais e éticas, bem como estratégia de negócios, tiveram um papel nisso. Konrad não queria que seus filhos se lembrassem mais uma vez da guerra.

Z4 como uma fênix subindo das cinzas

Gradualmente, a vida começou a melhorar, mas a Alemanha foi proibida por vários anos de se envolver em qualquer um de seus próprios desenvolvimentos. Felizmente, conseguimos restabelecer os laços com amigos que conseguiram se mudar para o exterior.

Em 1946, Zuse conseguiu atrair capital de risco da Swiss Higher Technical School e da IBM. Ele consegue se mudar para a Suíça, organizou a empresa comercial de computadores Zuse Engineering em Hopferau, Zuse-Ingenieurbüro Hopferau, e continua trabalhando no Z4.

Até então, o Z4 não era mais o dispositivo mais avançado. Apareceram os primeiros computadores de tubo americanos, que funcionavam muito mais rápido. O Z4 era apenas uma ordem de magnitude mais rápido que o seu antecessor e, em estrutura, lembrava-o fortemente. No entanto, com a perda de desempenho, o Z4 tinha uma grande vantagem - era mais simples e significativamente mais confiável e acabou sendo a única máquina de cálculo eletrônico na Europa continental, adequada para replicação e uso comercial naquele momento difícil.

Em 1948, Conrad mostra seu carro ao professor Eduard Stiefel Eduard Stiefelda empresa ETH-Zürich, que, tendo examinado a máquina, considerou-a bastante adequada para cálculos científicos. Os plugues foram atingidos pela facilidade de programação, boa precisão dos cálculos e o manuseio correto das exceções. Z4 operava com palavras de 32 dígitos, e não 24 como seu antecessor.

Conrad recebeu 100.000 marcos alemães para refinar o computador para uma versão comercial adequada à ETH. Era uma quantia grande, enquanto na Alemanha o salário médio era de 160 marcos.

A criação de um modelo Z4 aprimorado levou 60.000 marcos alemães e o restante investiu no desenvolvimento de seu próprio negócio. Encorajado pelo sucesso, Conrad fundou sua própria empresa, Zuse KGe começou a desenvolver uma versão aprimorada do Z4. A pedido do EHT, foram adicionadas a possibilidade de transições condicionais, instruções para imprimir resultados em uma máquina de escrever Mercedes ou fita de perfuração, registrando resultados em uma fita de perfuração e outras melhorias. O modelo aprimorado foi lançado em 1950 e conseguiu organizar loops e ramificações. O programa ainda foi lido da fita perfurada e imediatamente executado em etapas, mas foi adicionada a capacidade de pular a próxima instrução e a transição para outro leitor de fita perfurada, que foram instalados na máquina várias. Isso permitiu que você iniciasse saltos condicionais e até executasse rotinas se a fita no leitor estivesse em loop. A velocidade do relógio do computador foi aumentada para 40 Hz. A memória, como no primeiro modelo, foi coletada nos "relés mecânicos" anteriormente patenteados pelo Conrad.Isso permitiu reduzir o número de relés usados ​​para 2500 e, consequentemente, reduzir o custo e o consumo de energia da máquina, que totalizaram 4 kW.

Conrad criou um negócio de sucesso, várias dúzias de computadores da série Z4 foram vendidos e colocados em operação. Eles eram tão confiáveis ​​que foram deixados para trabalhar sem supervisão durante a noite. A empresa estava desenvolvendo dinamicamente, surgindo novos modelos, às vezes revolucionários, que deram uma grande contribuição ao desenvolvimento da tecnologia de computadores. Mas esta é uma história completamente diferente.

História feita

Os alemães valorizam sua história. Todas as três opções, exceto o modelo de demonstração claramente Z2 , foram cuidadosamente restauradas, o que é típico principalmente por dinheiro privado e agora é exibido nos museus alemães.




Na União Soviética, não houve menos realizações no campo do desenvolvimento de computadores. Começamos a desenvolver esse setor com um atraso notável, mas rapidamente alcançamos os "parceiros ocidentais" e, em algum momento, tivemos avanços revolucionários e simplesmente modelamos soluções interessantes e histórico de criação. No entanto, a única coleção de tamanhos substanciais conhecida por mim dedicada à antiga tecnologia de computador está no Museu Politécnico de Moscou. Parece-me injusto que um país que dedique tanto espaço a "laços espirituais" seja, de fato, indiferente à história de suas realizações em ciência e tecnologia. A URSS não viveu como uma guerra unida!
Hoje, em nosso país, existem muitos bilionários, incluindo “não está usando, mas está desenvolvendo a Internet”, mas entusiastas que, com grande dificuldade e por seu dinheiro montaram uma coleção de minicomputadores em São Petersburgo, não conseguem encontrar uma sala adequada para sua exposição, o que podemos dizer sobre a reconstrução cópias quebradas! Algo está errado em nosso reino.


Tendo conseguido ler o artigo até o final, participe da pesquisa, cujos resultados são muito interessantes para mim. O tema principal é se um estado totalitário é capaz não apenas de avançar em uma determinada direção da ciência e da tecnologia, mas de manter constantemente sua posição no mais alto nível.

Se o tempo permitir, o próximo artigo, novamente, sobre startups de computadores do final dos anos 80 e 90, mas por experiência pessoal.

Próximo artigo da série: Retrospectiva de startups de tecnologia. Como foi nos anos 90 e um pouco antes