Zuse Z3

Réplica do Zuse Z3 no Deutsches Museum em Munique

O Z3 foi o primeiro computador digital funcional do mundo e foi construído em 1941 por Konrad Zuse em cooperação com Helmut Schreyer em Berlim . O Z3 foi projetado em tecnologia de relé eletromagnético com 600 relés para a unidade aritmética e 1400 relés para a unidade de armazenamento.

Como o Z1, o Z3 usava a aritmética de ponto flutuante binário introduzida na tecnologia de computador por Konrad Zuse . Em contraste com o design e uso do ENIAC , o design do Z3 não atendeu à definição posterior de um computador poderoso e nunca foi usado dessa forma. Só em 1998 se descobriu que, de um ponto de vista puramente teórico, ainda assim possuía essa propriedade por meio do uso inteligente de desvios complexos. Na Alemanha, em particular, o Z3 é considerado o primeiro computador universal funcional do mundo. Foi destruído em um bombardeio em 1944.

história

Placa memorial de Berlim para o Zuse Z3 na Methfesselstrasse 7 em Berlin-Kreuzberg

O desenvolvimento do Z3 foi precedido pelo desenvolvimento do Z1 totalmente mecânico e do modelo de transição Z2 . O Instituto Alemão de Pesquisa de Aviação examinou o Z2 e deu a Zuse 25.000 Reichsmarks para que ele pudesse construir o Z3. Em 12 de maio de 1941, o Z3 foi finalmente apresentado a um grupo de cientistas (incluindo Alfred Teichmann e Curt Schmieden ). Quando Zuse foi brevemente convocado para a guerra em 1941, ele escreveu a um amigo: "Outros deixam a família para trás, eu deixo o Z3." ( Konrad Zuse : Famosos ex-alunos da Universidade Técnica de Berlim )

A máquina de calcular Z3 original foi destruída por bombardeios em Berlim em 1944 durante a Segunda Guerra Mundial. Foi um momento trágico para Zuse, pois ele não tinha mais nenhuma prova de que realmente existia um Z3 funcionando. Uma réplica funcional, que foi feita em 1962 pela Zuse KG para fins de exposição, está no Deutsches Museum em Munique. No local anterior, nas ruínas da casa na Methfesselstrasse, no bairro de Kreuzberg , em Berlim , uma placa comemora o local de trabalho de Zuse. Desde o 100º aniversário de Konrad Zuse em 22 de junho de 2010, uma réplica do Z3 foi exibida no Museu Konrad Zuse em Hünfeld .

tecnologia

características

Além de ser o primeiro computador digital programável totalmente funcional, o Z3 continha muitos recursos dos computadores modernos:

O Z1 também tinha quase todos os recursos listados acima, mas não atraiu tanta atenção porque sua unidade aritmética não funcionava de forma muito confiável devido à estrutura mecânica. Em geral, a estrutura de Z1 e Z3 são muito semelhantes entre si, o que é particularmente verdadeiro para a unidade aritmética.

construção

Relés de computadores do tipo Z3, Z5, Z11

O Z3 consistia em

  • um relé - unidade aritmética de ponto flutuante (600 relés) para adição, subtração, multiplicação, divisão, raiz quadrada, conversão decimal dual e decimal dual. A unidade aritmética possui dois registradores R1 e R2.
  • uma memória de relé (relés de 1400) com uma capacidade de armazenamento de 64 palavras, 22 bits cada (1 bit de sinal , expoente de 7 bits, mantissa de 14 bits )
  • um leitor de fita perfurada para que as tiras de filme leiam em programas (mas não dados)
  • 30.000 cabos
  • um teclado com campo de lâmpada para entrada e saída de números e controle manual de cálculos.

O computador parecia uma unidade de parede e ocupava uma sala inteira. Pesava cerca de uma tonelada.

funcionalidade

O Z3 é uma máquina com relógio. A sincronização é feita por um motor elétrico que aciona um rolo de sincronização. Este é um tambor que gira aproximadamente 5,3 vezes por segundo e controla os grupos de relés individuais durante uma rotação. A velocidade de rotação do tambor corresponde à taxa de processamento dos processadores principais modernos , o que significa que este computador tem uma velocidade de 5,3 Hz. A memória principal do Z3 é de 200 bytes. O Z3 possui os seguintes comandos de máquina :

comando Descrição Duração (ciclos)
Pr z Carregar a célula de memória z no registro R1 / R2 1
Ps z Escreva R1 na célula de memória z 0-1
La Adição: R1 ← R1 + R2 3
Ls Subtração: R1 ← R1 - R2 4-5
Lm Multiplicação: R1 ← R1 × R2 16
Li Divisão: R1 ← R1 / R2 18º
Lw Raiz quadrada: R1 ← √ (R1) 20o
Lu Leia em número decimal em R1 / R2 9-41
Ld Saída R1 como um número binário 9-41

Os dados numéricos devem ser inseridos usando o teclado, o que significa que os números não podem ser codificados na fita perfurada. Todas as operações, exceto o acesso à memória (Pr e Ps), podem ser realizadas diretamente pelo teclado. A fita perfurada só pode conter comandos, sendo cada comando codificado com 8 bits. A codificação exata em fita perfurada pode ser encontrada no artigo Opcode .

O Z3 não conhece comandos de salto , mas com a ajuda do uso habilidoso da precisão computacional finita é poderoso , como Raúl Rojas mostrou em 1998. No entanto, esse resultado é apenas de importância teórica, uma vez que programas com instruções de salto precisam ser laboriosamente transformados e o tempo de execução do programa aumenta.

Unidade aritmética

Cada operação aritmética do Z3 é baseada na adição de dois números naturais. Esta operação básica de adição é calculada por XOR (XOR (x, y), CARRY (x, y)), onde CARRY (x, y) é a função de transporte, por exemplo B. CARRY (0011011, 1010110) = 0111100.

  • Dois números de ponto flutuante são adicionados calculando a diferença entre os expoentes , combinando a mantissa de um número de acordo e , finalmente, adicionando as mantissas.
  • Uma subtração corresponde a uma adição em que o complemento de dois da segunda mantissa é usado e o carry é omitido.
  • Uma multiplicação corresponde a somar os expoentes e depois multiplicar as mantissas. As mantissas são multiplicadas por adição iterativa : 1011 × 0101 = 1011 + 10110 × 010 = 1011 + 101100 × 01 = 110111 + 1011000 × 0 = 110111.
  • Uma divisão corresponde a uma multiplicação, mas os expoentes são subtraídos e uma subtração iterativa é usada para dividir as mantissas.
  • O algoritmo para puxar uma raiz é implementado por uma divisão iterativa (consulte a especificação da patente).

Em geral, a unidade aritmética consiste em duas partes, uma obra de cálculo com expoentes e uma obra de cálculo com mantissas. Para comandos que usam métodos iterativos (Lm, Li, Lw, Lu, Ld), um sequenciador é usado para controlar partes individuais da calculadora. Isso corresponde aproximadamente aos microprogramas modernos.

Operação

Vários programas de teste e um programa para o cálculo de uma matriz complexa foram escritos para o Z3 , que foi usado de acordo com uma solução de Hans Georg Küssner para calcular frequências críticas de flutter em aeronaves. Porém, o uso do computador não era classificado como urgente na época , de modo que a operação de rotina nunca aconteceu.

Comparação com ENIAC

O ENIAC (em primeiro plano Betty Snyder , em segundo plano, Glen Beck )

Nos EUA e em grande parte do mundo, o ENIAC , construído em 1944, é considerado o primeiro computador, o que pode ser explicado pelo fato de os dois computadores possuírem propriedades diferentes e critérios diferentes serem utilizados para definir o termo computador.

O Z3 foi o primeiro computador digital e ao mesmo tempo o primeiro Turing binário, programável e poderoso . No entanto, ao contrário do ENIAC, que usava tubos, ele não era eletrônico (um pedido de financiamento de Helmut Schreyer para um modelo de sucessor eletrônico foi rejeitado pelo governo do Reich como não essencial para o esforço de guerra); Além disso, o poder de Turing só é possível graças a um truque não previsto pelo designer. O ENIAC foi o quinto computador digital da história e o primeiro a atender aos critérios eletrônico, programável e potente ao mesmo tempo. Funcionou com o sistema decimal, o que significa que não era um computador binário como o Z3 e como todos os computadores modernos. Na Alemanha, devido à sua idade avançada e seu modo binário de operação, com o qual todos os computadores ainda funcionam hoje, este título é geralmente atribuído ao Z3, enquanto o aspecto do design do hardware é menos importante.

A preferência histórica pelo ENIAC também pode se dever ao fato de que após a Segunda Guerra Mundial ele recebeu muito mais atenção nos EUA do que o Z3, que foi destruído em um bombardeio.

Modelo de computador país Instalação
Aritmética de vírgula flutuante		 Binário Eletronicamente Programável Turing poderoso
Zuse Z3 Alemanha Maio de 1941 sim sim não Sim, usando fita perfurada Sim, sem nenhum uso prático
Computador Atanasoff-Berry Estados Unidos Verão de 1941 não sim sim não não
Colosso Reino Unido 1943 não sim sim Em parte, religando não
Mark I. Estados Unidos 1944 não não não Sim, usando fita perfurada sim
Zuse Z4 Alemanha Março de 1945 sim sim não Sim, usando fita perfurada Sim, sem nenhum uso prático
por volta de 1950 sim sim não Sim, usando fita perfurada sim
ENIAC Estados Unidos 1946 não não sim Em parte, religando sim
1948 não não sim Sim, usando uma matriz de resistor sim

Outros computadores Zuse (seleção)

Réplica Z3 com relés modernos (Horst Zuse 2010, Konrad-Zuse-Museum Hünfeld )

literatura

Links da web

Commons : Zuse Z3  - coleção de imagens, vídeos e arquivos de áudio

Evidência individual

  1. ↑ Zuse 2010 p. 55.
  2. ↑ 70 anos atrás: América conhece o primeiro computador eletrônico universal ENIAC , Heise online em 14 de fevereiro de 2016
  3. ↑ konrad-zuse.net
  4. ↑ a b c d e Kristina R. Zerges, Stefanie Terp: Konrad Zuse . O pai do computador. Ed.: Departamento de Imprensa e Informação da Universidade Técnica de Berlim (=  ex-alunos famosos da Universidade Técnica de Berlim ). omnisatz GmbH, Berlin.
  5. ^ O Z3 e o Z4 de Konrad Zuse. In: Museu Alemão. Recuperado em 6 de agosto de 2020 .
  6. ↑ Pierre Kurby: 70 anos de Z3: Quantos computadores Zuse Z3 você precisa para vencer o Jeopardy? In: e-recht24.de. 12 de maio de 2011, acessado em 8 de janeiro de 2018 .
  7. ^ Raúl Rojas: Legado de Konrad Zuse: A arquitetura do Z1 e do Z3 . In: IEEE Annals of the History of Computing, Vol. 19, No. 2, 1997 . S. 5-16 (inglês, ed-thelen.org [PDF; acessado em 11 de outubro de 2018]).
  8. ^ Raúl Rojas : Como fazer do Z3 de Zuse um computador universal . In: Annals of the History of Computing . fita 20 , não. 3 . IEEE, 1998, ISSN  1058-6180 , doi : 10.1109 / 85.707574 ( PDF Scan , PDF , HTML ( Memento de 3 de agosto de 2014 no Internet Archive )).
  9. ↑ Hans Dieter Hellige (Ed.): Histórias de Ciência da Computação. Visões, paradigmas, leitmotifs. Springer, Berlin 2004, ISBN 3-540-00217-0 .
  10. ↑ Zuse 2010 p. 57.
  11. ↑ Hans-Willy Hohn : Estruturas cognitivas e problemas de controle na pesquisa. Física nuclear e ciência da computação em comparação (=  escritos do Instituto Max Planck de Pesquisa Social, Colônia . Volume 36 ). Frankfurt am Main / New York 1998, ISBN 3-593-36102-7 , pp. 148 ( Online [PDF; 1.3 MB ]).