Z3 (Computer) - Z3 (computer)

Replik der Zuse Z3 im Deutschen Museum in München ausgestellt

Der Z3 war ein deutscher elektromechanischer Computer, der 1935 von Konrad Zuse entworfen und 1941 fertiggestellt wurde. Es war der weltweit erste funktionierende programmierbare , vollautomatische Digitalcomputer . Der Z3 wurde mit 2.600 Relais gebaut und implementiert eine 22- Bit- Wortlänge , die mit einer Taktfrequenz von etwa 5–10  Hz betrieben wird . Programmcode wurde auf gestanzter Folie gespeichert . Anfangswerte wurden manuell eingegeben.

Die Z3 wurde 1941 in Berlin fertiggestellt . Sie galt nicht als lebensnotwendig und wurde daher nie in den Alltagsbetrieb genommen. Basierend auf der Arbeit des deutschen Aerodynamik- Ingenieurs Hans Georg Küssner (bekannt für den Küssner-Effekt ) wurde ein "Programm zur Berechnung einer komplexen Matrix" geschrieben und zur Lösung von Flügelflatterproblemen verwendet. Zuse bat die Bundesregierung um Mittel, um die Relais durch vollelektronische Schalter zu ersetzen, aber während des Zweiten Weltkriegs wurde die Finanzierung abgelehnt, da eine solche Entwicklung als "nicht kriegswichtig" angesehen wurde.

Die ursprüngliche Z3 wurde am 21. Dezember 1943 bei einem alliierten Bombardement Berlins zerstört . Diese Z3 hieß ursprünglich V3 ( Versuchsmodell 3 oder Experimental Model 3), wurde aber umbenannt, damit sie nicht mit Deutschlands V-Waffen verwechselt werden konnte . 1961 wurde von Zuses Firma Zuse KG ein voll funktionsfähiger Nachbau gebaut , der heute im Deutschen Museum in München permanent ausgestellt ist .

Der Z3 wurde 1998 als im Prinzip Turing-vollständig demonstriert . Da es jedoch keine bedingte Verzweigung gab , erfüllt der Z3 diese Definition nur, indem er alle möglichen Ergebnisse einer Berechnung spekulativ berechnet.

Dank dieser Maschine und ihren Vorgängern wurde Konrad Zuse oft als Erfinder des Computers bezeichnet.

Design und Entwicklung

Zuse konstruierte die Z1 von 1935 bis 1936 und baute sie von 1936 bis 1938. Die Z1 war rein mechanisch und arbeitete höchstens wenige Minuten am Stück. Helmut Schreyer riet Zuse zu einer anderen Technologie. Als Doktorand an der Technischen Hochschule Berlin arbeitete er 1937 an der Umsetzung von Booleschen Operationen und (in heutiger Terminologie) Flip-Flops auf der Basis von Vakuumröhren . 1938 demonstrierte Schreyer einem kleinen Publikum eine Schaltung auf dieser Grundlage und erläuterte seine Vision einer elektronischen Rechenmaschine – da die größten funktionsfähigen elektronischen Geräte jedoch weit weniger Röhren enthielten, galt dies als praktisch undenkbar. In diesem Jahr bei der Vorlage des Plans für einen Computer mit 2000 Elektronenröhren, Zuse und Schreyer, der Assistent an war Wilhelm Stäblein des  [ de ] Telekommunikation Institut an der Technischen Universität Berlin, wurden von Mitgliedern des Instituts entmutigt , die über die Probleme kannte mit Elektronenröhrentechnologie. Zuse erinnerte sich später: „Die haben uns 1939 angelächelt, als wir elektronische Maschinen bauen wollten … Wir sagten: Die elektronische Maschine ist toll, aber erst müssen die Komponenten entwickelt werden.“ das Oberkommando der Wehrmacht (OKW) um ein mögliches Projekt zur Entwicklung eines elektronischen Computers zu diskutieren, aber als sie eine Laufzeit von zwei oder drei Jahren veranschlagten, wurde der Vorschlag abgelehnt.

Zuse beschloss, das nächste Design auf Basis von Relais zu implementieren. Die Realisierung des Z2 wurde finanziell von Kurt Pannke unterstützt , der kleine Rechenmaschinen herstellte. Die Z2 wurde 1940 in Berlin-Adlershof fertiggestellt und der Deutschen Versuchsanstalt für Luftfahrt vorgestellt . Zuse hatte Glück – diese Präsentation war einer der wenigen Fälle, in denen die Z2 tatsächlich funktionierte und die DVL überzeugen konnte, den nächsten Entwurf teilweise zu finanzieren.

Er verbesserte die Basismaschine Z2 und baute 1941 die Z3, ein streng geheimes Projekt der deutschen Regierung. Joseph Jennissen (1905-1977), Mitglied des „Forschungs-Leadership“ ( Forschungsführung ) im Reichsluftfahrtministerium fungierte als Regierung Supervisor für Aufträge des Ministeriums zu Zuses Firma Zuse Apparatebau . Ein weiterer Vermittler zwischen Zuse und dem Reichsluftfahrtministerium war der Aerodynamiker Herbert A. Wagner .

Die Z3 wurde 1941 fertiggestellt und war schneller und weitaus zuverlässiger als die Z1 und Z2. Die Z3- Gleitkommaarithmetik wurde gegenüber der Z1 verbessert, indem sie eine Ausnahmebehandlung "mit wenigen Relais" implementierte, die Ausnahmewerte (plus unendlich, minus unendlich und undefiniert) generiert und durch Operationen übergeben werden konnten. Die Z3 speicherte ihr Programm auf einem externen Band, somit war keine Neuverkabelung zum Programmwechsel notwendig.

Am 12. Mai 1941 wurde die Z3 einem wissenschaftlichen Publikum vorgestellt, darunter den Professoren Alfred Teichmann und Curt Schmieden von der Deutschen Versuchsanstalt für Luftfahrt in Berlin , heute Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Köln .

Zuse wechselte zum Z4- Design, das er in einem Bunker im Harz neben Wernher von Brauns ballistischer Flugkörperentwicklung fertigstellte . Nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs zog sich Zuse mit der Z4 nach Hinterstein in den Alpen zurück, wo er mehrere Jahre blieb.

Z3 als universelle Turingmaschine

Es war möglich, auf der Z3 Schleifen zu konstruieren, aber es gab keinen bedingten Sprungbefehl. Dennoch war die Z3 Turing-komplett – wie man eine universelle Turingmaschine auf der Z3 umsetzt, zeigte 1998 Raúl Rojas . Er schlug vor, dass das Bandprogramm lang genug sein müsste, um jeden möglichen Pfad durch beide Seiten jeder Verzweigung auszuführen. Es würde alle möglichen Antworten berechnen, aber die nicht benötigten Ergebnisse würden annulliert (eine Art spekulative Ausführung ). Rojas schlussfolgert: „Wir können daher sagen, dass das Rechenmodell des Z3 aus abstrakter theoretischer Sicht dem Rechenmodell heutiger Computer entspricht entspricht modernen Computern."

Diese scheinbare Einschränkung täuscht darüber hinweg, dass die Z3 einen praktischen Befehlssatz für die typischen Ingenieuranwendungen der 1940er Jahre bot . Angesichts der bestehenden Hardwarebeschränkungen war Zuses Hauptziel damals, ein funktionsfähiges Gerät zu haben, um seine Arbeit als Bauingenieur zu erleichtern .

Bezug zu anderen Arbeiten

Der Erfolg von Zuses Z3 wird oft der Verwendung des einfachen Binärsystems zugeschrieben. Diese wurde etwa drei Jahrhunderte zuvor von Gottfried Leibniz erfunden ; Boole benutzte es später, um seine Boolesche Algebra zu entwickeln . Zuse wurde von Hilberts und Ackermanns Buch über die elementare mathematische Logik Principles of Mathematical Logic inspiriert . Im Jahre 1937 Claude Shannon eingeführt , die Idee des Abbildens Boolesche Algebra auf elektronische Relais in einer bahnbrechenden Arbeiten auf digitalen Schaltungsentwurf. Zuse wusste jedoch nichts von Shannons Arbeit und entwickelte eigenständig die Grundlagen für seinen ersten Computer Z1 , den er von 1935 bis 1938 konstruierte und baute.

Zuses Mitarbeiter Helmut Schreyer baute 1942 ein elektronisches digitales Versuchsmodell eines Computers mit 100 Vakuumröhren, das jedoch nach Kriegsende verloren ging.

1942 baute der Raketenwissenschaftler Helmut Hölzer im Heeresforschungszentrum Peenemünde einen Analogrechner zur Simulation von V-2-Raketenflugbahnen .

Der von Tommy Flowers gebaute Colossus (1943) und der Atanasoff-Berry Computer (1942) verwendeten thermionische Ventile (Vakuumröhren) und binäre Zahlendarstellungen . Die Programmierung erfolgte durch Umstecken von Patchpanels und Einstellen von Schaltern.

Der nach dem Krieg fertiggestellte ENIAC- Computer verwendete Vakuumröhren zur Implementierung von Schaltern und verwendete die Dezimaldarstellung für Zahlen. Bis 1948 erfolgte die Programmierung wie bei Colossus über Patchkabel und Schalter.

Das Manchester Baby von 1948 war zusammen mit dem Manchester Mark 1 und dem EDSAC von 1949 die ersten funktionierenden Computer der Welt, die Programmanweisungen und Daten im selben Raum speicherten. Darin implementierten sie das Speicherprogrammkonzept, das häufig (aber irrtümlicherweise) einem Aufsatz von John von Neumann und Kollegen aus dem Jahr 1945 zugeschrieben wird . Von Neumann soll Alan Turing gebührend gewürdigt haben , und das Konzept war tatsächlich schon früher von Konrad Zuse selbst in einer Patentanmeldung von 1936 erwähnt worden (die abgelehnt wurde). Konrad Zuse selbst erinnerte sich in seinen Memoiren: "Während des Krieges wäre es sowieso kaum möglich gewesen, leistungsfähige Speicherprogrammgeräte zu bauen." und Friedrich L. Bauer schrieb: "Seine visionären Ideen (Live-Programme), die erst Jahre später veröffentlicht werden sollten, zielten auf die richtige praktische Richtung, wurden aber von ihm nie umgesetzt."

Spezifikationen

  • Durchschnittliche Rechengeschwindigkeit: Addition – 0,8 Sekunden, Multiplikation – 3 Sekunden
  • Recheneinheit: Binärer Gleitkomma , 22-Bit, Addieren, Subtrahieren, Multiplizieren, Dividieren, Quadratwurzel
  • Datenspeicher: 64 Worte mit einer Länge von 22 Bit
  • Programmspeicher: Gestanztes Zelluloidband
  • Eingabe: Dezimale Gleitkommazahlen
  • Ausgabe: Dezimale Gleitkommazahlen
  • Die Eingabe und Ausgabe wurde durch ein Terminal erleichtert, mit einer speziellen Tastatur für die Eingabe und einer Reihe von Lampen zur Anzeige der Ergebnisse
  • Elemente: Rund 2.000 Relais (1.400 für den Speicher)
  • Frequenz: 5–10 Hertz
  • Leistungsaufnahme: ca. 4.000 Watt
  • Gewicht: Etwa 1 Tonne (2.200 lb)

Moderne Rekonstruktionen

Z3 Umbau 2010 von Horst Zuse

Ein moderner Umbau unter der Leitung von Raúl Rojas und Horst Zuse begann 1997 und endete 2003. Er befindet sich heute im Konrad Zuse Museum in Hünfeld. Der Speicher wurde auf 32 Wörter halbiert. Die Leistungsaufnahme beträgt ca. 400 W und das Gewicht ca. 30 Kilogramm (66 lb).

2008 begann Horst Zuse selbst mit dem Umbau des Z3. Es wurde 2010 im Konrad-Zuse-Museum in Hünfeld präsentiert.

Siehe auch

Anmerkungen

Verweise

Weiterlesen

  • B. Jack Copeland, Hrsg. (2006). Colossus: Die Geheimnisse der Codeknacker-Computer von Bletchley Park . Oxford University Press. ISBN 978-0-19-284055-4.
  • R.Rojas; F. Darius; C. Göktekin & G. Heyne (2005). „Die Rekonstruktion von Konrad Zuses Z3“. IEEE Annals of the History of Computing . 27 (3): 23–32. doi : 10.1109/mahc.2005.48 . S2CID  16288658 .

Externe Links