Технические характеристики z4: Табл. 2.2. Основные характеристики z4

Реализация	Реле, память — металлические пластины
Частота	30 Гц
Вычислительный блок	Обработка чисел с плавающей запятой, длина машинного слова — 32 бита
Средняя скорость вычислений	11 операций умножения в секунду
Ввод данных	Десятичная клавиатура, устройство считывания с перфоленты
Вывод данных	Печатная машинка марки "Mercedes"
Память	64 слова по 22 бита

Арифметическое устройство: с плавающей точкой, 32 бита, +, -, *, /, квадратный корень Средняя скорость вычисления: операция сложения 400 мс Потребление энергии: 4000 Ватт.

Масса: 1000 кг

Элементов: около 2500 реле

До 1954 года Z4 работал в Цюрихе, затем, до 1959 года — во Франции (Институт "Franco-Allemand des Recherches de St. Louis"). Подсчитано, что за пять лет работы (1950-1955) Z4 рассчитал около 100 различных проектов. Стоит отметить, что в начале 50-х годов прошлого века на территории Европы работали всего два компьютера: Z4 Конрада Цузе и МЭСМ Сергея Лебедева (СССР)5.

Цузе и его компанией были построены и другие компьютеры, название каждого из которых начиналось с заглавной буквы Z. Наиболее известны машины Z11, продававшийся предприятиям оптической промышленности и университетам, и Z22 — первый компьютер с памятью на магнитных носителях.

В настоящее время полностью функционирующая модель компьютера Z3 находится в «Немецком музее» города Мюнхена, а модель вычислителя Z1 передана в Немецкий технический музей Берлина. Сегодня в последнем открыта также специальная выставка, посвящённая Конраду Цузе и его работам. На выставке представлены двенадцать его машин, оригинальные документы по разработке языка Планкалкюль и несколько картин Цузе.

1944 г. - Harvard Mark I - IBM ASCC

Рис. 2.6. Говард Хатауэй Эйкен (1900 - 1973 гг.)

ASCC (Automatic Sequence Controlled Calculator — вычислитель, управляемый автоматическими последовательностями) — первый американский программируемый компьютер.

Машина, получившая название Harvard Mark I, стала примером дальновидности Томаса Уотсона, хотя с практической точки зрения она не была технологической отправной точкой последующих открытий. Всё началось в 1936 году, когда гарвардский математик Говард Айкен (Howard Aiken) пытался решить проблему, связанную с разработкой вакуумных трубок (ламп). Чтобы добиться прогресса, ему нужно было решить систему нелинейных уравнений, а под рукой не было ничего, что могло бы сделать это за него. Айкен предложил гарвардским учёным построить крупномасштабный калькулятор, который мог бы решать подобные задачи. Однако его предложение было встречено без энтузиазма.

Затем Айкен обратился в Monroe Calculating Company, но компания отвергла его предложение. Тогда Айкен пошёл в IBM. Предложение Айкена, по сути, представляло собой список требований, а не настоящий проект, поэтому компании IBM самой нужно было понять, как воплотить эти требования в жизнь. Начальная стоимость проекта была оценена в $15 000, но она быстро взлетела до $100 000 к тому моменту, когда в 1939 году предложение было принято официально. В итоге воплощение данной идеи в жизнь стоило IBM около $200 000.

После успешного прохождения первых тестов в феврале 1944 года компьютер был перенесён в Гарвардский университет и формально запущен там 7 августа 1944 года.

По настоянию президента IBM Томаса Дж. Уотсона, вложившего в создание «Марк I» сотни тысяч долларов своей компании, машина была заключена в корпус из стекла и нержавеющей стали. Компьютер содержал около 765 тысяч деталей (электромеханических реле, переключателей и т. п.) достигал в длину почти 17 м (машина занимала в Гарвардском университете площадь в несколько десятков квадратных метров), в высоту — более 2,5 м и весил около 4,5 тонн. Общая протяжённость соединительных проводов составляла почти 800 км. Основные вычислительные модули синхронизировались механически при помощи 15-метрового вала, приводимого в движение электрическим двигателем, мощностью в 5 л. с. (4 кВт).

Компьютер оперировал 72 числами, состоящими из 23 десятичных разрядов, затрачивая по 3 секунды на операции сложения и вычитания. Умножение выполнялось в течение 6 секунд, деление — 15,3 секунды, на операции вычисления логарифмов и выполнение тригонометрических функций требовалось больше минуты.

Фактически «Марк I» представлял собой усовершенствованный арифмометр, заменявший труд примерно 20 операторов с обычными ручными устройствами, однако из-за наличия возможности программирования некоторые исследователи называют его первым реально работавшим компьютером. На самом деле, машина начала перемалывать свои разряды лишь через два года после того как в Германии немецкий изобретатель Конрад Цузе создал вычислительную машину Z3.

«Марк I» последовательно считывал и выполнял инструкции с перфорированной бумажной ленты. Компьютер не умел выполнять условные переходы, из-за чего каждая программа представляла собой довольно длинный ленточный рулон. Циклы (англ. loops — петли) организовывались за счёт замыкания начала и конца считываемой ленты (то есть действительно за счёт создания петель). Принцип разделения данных и инструкций получил известность, как гарвардская архитектура.

Однако, главным отличием компьютера «Марк I» было то, что он был первой полностью автоматической вычислительной машиной, не требовавшей какого-либо вмешательства человека в рабочий процесс.

На церемонии передачи компьютера Говард Эйксон не упомянул о какой-либо роли IBM в создании машины. Томас Уотсон был разозлён и недоволен этим поступком Эйксона, поэтому прекратил их дальнейшее сотрудничество. Данное IBM название «Automatic Sequence Controlled Calculator» Эйкен заменил на «Mark I», а компания приступила к созданию нового компьютера «SSEC» уже без участия Говарда Эйкена.

В свою очередь, Говард Эйкен также продолжил работу над созданием новых вычислительных машин. За «Марком I» последовал «Марк II», затем в сентябре 1949 года «Марк III/ADEC», а в 1952 — «Марк IV».

Рис. 2.7. Модули ввода-вывода и контроля ВМ Mark 1.

Как уже говорилось выше, машина Harvard Mark I была технологически бесперспективной и не сделала ничего особо важного за все свои 15 лет использования. Тем не менее, она представляла собой первую в истории полностью автоматизированную вычислительную машину. MARK - 1 эксплуатировалась в Гарвардском университете до 1959 г.

1946 г. - Bell Labs - Model V

Наиболее значительной разработкой Bell Labs стала универсальная релейная вычислительная машина Model V, изготовленная в двух экземплярах уже после окончания войны: одна из них в декабре 1946 г. была установлена в Национальном консультационном комитете по аэронавтике (National Advisory Committee on Aeronautics, NACA) в Лэнгли-Филде (шт. Виргиния), вторая - в августе 1947-го в Лаборатории баллистических исследований (Ballistic Research Laboratories, BRL), расположенной на Эбердинском полигоне (шт. Мэриленд).

Рис. 2.8. Model V.

Model V была построена на 9000 реле и имела в своем составе все блоки, предусмотренные структурой аналитической машины. Запоминающее устройство состояло из тридцати 8-разрядных регистров, для ввода данных и управления работой использовались отдельные перфоленты, числа представлялись в форме с плавающей запятой, а с помощью специальных блоков можно было извлекать квадратный корень и вычислять такие функции, как sin(x), log(x), 10х.

Машина содержала два идентичных арифметических устройства (АУ), с каждым из которых было связано 15 регистров памяти. Это позволяло либо одновременно решать две различные задачи, либо объединить оба АУ для выполнения более сложных вычислений. В процессе работы в машину могла быть загружена новая программа, к исполнению которой приступало свободное АУ. Кроме того, предусматривалась возможность одновременного использования нескольких программных перфолент: в зависимости от результатов промежуточных вычислений устройство управления подключало одну из них, что позволяло организовать своеобразное ветвление программы (реализовать условный переход управления). Это же устройство, по существу выполнявшее задачи простой операционной системы, занималось распределением задач между отдельными устройствами.

Время выполнения арифметических операций Model V характеризовалось следующими цифрами: сложение - 0,3 секунды, умножение - 0,8, деление - 2,7, извлечение квадратного корня - 4,5 секунд. Она весила около 10 тонн и обошлась заказчикам в 500 тыс. долларов.

WITCH (Wolverhampton Instrument for Teaching Computing from Harwell), также известный как The Harwell Dekatron Computer, был довольно медлителен - умножение занимало 5-10 секунд, но низкая производительность компенсировалась возможностью автоматической работы в течение длительного промежутка времени без какого-либо постороннего вмешательства. Другими словами, можно было загрузить данные и позволить компьютеру самостоятельно решать задачу. Оставить компьютер без обслуживающего персонала на 10 дней в новогодние праздники было в порядке вещей.

Рис. 2.9. WITCH.

21 июня 1952 года в Математическом центре Амстердама была введена в действие "Амстердамская автоматическая релейная счетная машина" (Automatische Relais Rekenmachine Amsterdam, ARRA I). Ее разработчиками были молодые ученые Брам Ян Лоопстра и Карел С. Шолтен, впоследствии ставшие известными компьютерщиками. Выдающийся программист Э. Дейкстра, работавший в то время в Математическом центре, вспоминал: "Машина была столь ненадежна, что практически не использовалась, хотя и была официально представлена с большой помпой и церемониями".

Рис. 2.10. ARRA.

Последним же крупным проектом следует считать построенную в 1957 г. в СССР релейную вычислительную машину (РВМ-1) и эксплуатирующуюся до конца 1964 г. в основном для решения экономических задач. Например, на ней производился перерасчет цен на товары в связи с денежной реформой 1961 года. Создание модели РВМ-1, хоть и было весьма запоздалым, но проект ее был чрезвычайно удачным; РВМ-1 на целом ряде задач была вполне конкурентоспособна с ЭВМ того времени, весьма надежна и ее быстродействие было на уровне первых малых ЭВМ.

Она работала в двоичной системе и с представлением числа в плавающей форме. Для мантиссы отводилось 27, а для порядка - 6 разрядов.

Благодаря применению каскадного принципа выполнения арифметических операций, изобретенного самим же Бессоновым, ему удалось заметно повысить быстродействие машины: она выполняла до 1250 умножений в минуту, то есть свыше 20 в секунду. Машина содержала 5500 реле. Целый ряд технических усовершенствований настолько улучшил ее надежность и эксплуатационные качества, что она работала до 1965 года, конкурируя с уже действующими электронными вычислительными машинами в тех задачах, где объем вычислений составлял 2*10^5-2*10^6 арифметических операций на задачу.

В машине широко использованы выборка функций по аргументу из статической памяти и специальные вспомогательные устройства и команды. Это позволило в несколько раз уменьшить число действий при вычислении элементарных функций, переводе чисел из десятичной системы в двоичную и обратно и т.п. 

2.1.2. ЭВМ на основе вакуумных ламп

Как уже говорилось выше, во многих источниках первым электронным вычислительным устройством считается ЭНИАК. Однако, более полный анализ позволяет в этом усомниться.

В определенном смысле, релейные компьютеры не являются электронными. Конечно же, никто не оспаривает принадлежности реле к электронным компонентам. Но срабатывание реле предусматривает механическое замыкание (или размыкание) его контакта при протекании тока в обмотке реле. Таким образом, реле как бы является электронным устройством по входу и механическим по выходу. Это позволило многим исследователям отнести релейные компьютеры к отдельному классу электромеханических вычислительных устройств, переведя их в «предысторию» ЭВМ. Реле имеет принципиальный недостаток – инерционность, ограничивающий быстродействие любой системы, использующей реле.

Применение практически безынерционных электронных ламп позволило выйти на новый уровень при построении вычислительных средств. Правда в этом рассуждении есть сразу два «но».

Во-первых, в настоящее время быстродействие компьютеров таково, что полагать электронные компоненты лишенными инерции уже нельзя. Просто вместо времени механического переключения реле сейчас учитывают время пролета носителя заряда через переход и другие величины подобного временного диапазона (доли наносекунд – наносекунды).

Во-вторых, любой специалист в области электроники знает, что быстродействие электронного компонента и быстродействие всей системы, построенной на этих компонентах, не только может различаться на несколько порядков (не в пользу системы), но и не всегда прямо связаны между собой. Именно по этой причине применение электронных ламп не привело к резкому и мгновенному повышению быстродействия вычислительных машин, по сравнению с релейными.

В 1939 году Джон Винсент Атанасов (John Vincent Atanasoff) и Клиффорд Берри (Clifford E. Berry) из Университета штата Айова разработали Atanasoff-Berry Computer (ABC). Это был первый в мире электронный цифровой компьютер. Конструкция насчитывала более 300 электровакуумных ламп, в качестве памяти использовался вращающийся барабан. Несмотря на то, что машина ABC не была программируемой, она была первой, использующей электронные лампы в сумматоре. Соизобретатель ENIAC Джон Мокли(John Mauchly) изучал ABC в июне 1941 года, и между историками существуют споры о степени его влияния на разработку машин, последовавших за ENIAC. ABC был почти забыт, до тех пор пока в центре внимания не оказался иск «Хоневелл против Sperry Rand», постановление по которому аннулировало патент на ENIAC (и некоторые другие патенты), из-за того что, помимо других причин, работа Атанасова была выполнена раньше.

Рис. 2.11. Копия компьютера Атанасова – Бери.

Во время Второй мировой войны, Великобритания достигла определённых успехов во взломе зашифрованных немецких переговоров. Код немецкой шифровальной машины «Энигма» был подвергнут анализу с помощью электромеханических машин, которые носили название «бомбы». Такая «бомба», разработанная Аланом Тьюрингом и Гордоном Уэлшманом (англ. Gordon Welchman), исключала ряд вариантов путём логического вывода, реализованного электрически. Большинство вариантов приводило к противоречию, несколько оставшихся уже можно было протестировать вручную.

Немцы также разработали серию телеграфных шифровальных систем, несколько отличавшихся от «Энигмы». Машина Lorenz SZ 40/42 использовалась для армейской связи высокого уровня. Первые перехваты передач с таких машин были зафиксированы в 1941 году. Для взлома этого кода, в обстановке секретности, была создана машина «Колосс» (Colossus). Спецификацию разработали профессор Макс Ньюман (Max Newman) и его коллеги; сборка Colossus Mk I выполнялась в исследовательской лаборатории Почтового департамента Лондона и заняла 11 месяцев, работу выполнили Томми Флауэрс (Tommy Flowers) и др. По сведениям из различных источников, Colossus заработал в 1943 или в 1944 году.

«Колосс» стал первым полностью электронным вычислительным устройством. В нём использовалось большое количество электровакуумных ламп, ввод информации выполнялся с перфоленты. «Колосс» можно было настроить на выполнение различных операцийбулевой логики, но он не являлся тьюринг-полной машиной. Помимо Colossus Mk I, было собрано ещё девять моделей Mk II. Информация о существовании этой машины держалась в секрете до 1970-х гг. Уинстон Черчилль лично подписал приказ о разрушении машины на части, не превышающие размером человеческой руки. Из-за своей секретности, «Колосс» не упомянут во многих трудах по истории компьютеров. Считать эту машину «полной» ЭВМ нельзя, т.к. она вычисляла далеко не все функции, т.е. была узкоспециализированным устройством. Два поколения "Колосса" - Mark 1 и Mark 2 - использовались под конец Второй мировой войны британскими криптографами для взлома зашифрованных вермахтом сообщений. Машина обрабатывала 5000 символов в секунду (скорость могла быть повышена, но значительно увеличивался риск повреждения бумажных лент с данными). Само существование этого компьютера оставалось тайной до 1970-х годов, когда стало ясно, что распространение передовых знаний может помочь в совершенствовании техники и программ.

Рис. 2.12. Colossus Mark 2.

ENIAC (Electronical Numerical Integrator and Computer) — первый широкомасштабный электронный цифровой компьютер, который можно было перепрограммировать для решения полного диапазона задач. Архитектуру компьютера разработали в 1943 году Джон Преспер Экерт и Джон Уильям Мокли, учёные из Университета Пенсильвании. ENIAC был построен в 1946 году по заказу Армии США в Лаборатории баллистических исследований для расчётов таблиц стрельбы. Запущен 14 февраля 1946 года.

В отличие от созданного в 1941 году немецким инженером Конрадом Цузе комплекса Z3, использовавшего механические реле, в ЭНИАКе в качестве основы компонентной базы применялись электронные лампы. Всего комплекс включал 17468 ламп, 7200 кремниевых диодов, 1500 реле, 70000 резисторов и 10000 конденсаторов. Потребляемая мощность — 150 кВт. Вычислительная мощность — 300 операций умножения или 5000 операций сложения в секунду. Вес — 27 тонн. Вычисления производились в десятичной системе.

Американский ENIAC часто называют первым электронным компьютером общего назначения, публично доказал применимость электроники для масштабных вычислений. Это стало ключевым моментом в разработке вычислительных машин, прежде всего из-за огромного прироста в скорости вычислений, но также и по причине появившихся возможностей для миниатюризации. Эта машина была в 1000 раз быстрее, чем все другие машины того времени. Разработка «ЭНИАК» продлилась с 1943 до 1945 года. В то время, когда был предложен данный проект, многие исследователи были убеждены, что среди тысяч хрупких электровакуумных ламп многие будут сгорать настолько часто, что «ЭНИАК» будет слишком много времени простаивать в ремонте, и тем самым, будет практически бесполезен. Тем не менее, на реальной машине удавалось выполнять несколько тысяч операций в секунду в течение нескольких часов, до очередного сбоя из-за сгоревшей лампы.

Рис. 2.13. «Машинный зал» ЭНИАК.

«ЭНИАК», безусловно, удовлетворяет требованию полноты по Тьюрингу. Но «программа» для этой машины определялась состоянием соединительных кабелей и переключателей — огромное отличие от машин с хранимой программой, появившихся у Конрада Цузе в 1940 году. Тем не менее, в то время, вычисления, выполняемые без помощи человека, рассматривались как достаточно большое достижение, и целью программы было тогда решение только одной единственной задачи. (Улучшения, которые были завершены в 1948 году, дали возможность исполнения программы, записанной в специальной памяти, что сделало программирование более систематичным, менее «одноразовым» достижением). До 1948 года для перепрограммирования ENIAC нужно было перекоммутировать его заново, в то время как Z3 умел считывать программы с перфорированной ленты.

Первый успешный численный прогноз погоды был произведен в 1950 году командой американских метеорологов — Жюлем Чарни, Филипом Томсоном, Ларри Гейтсом, норвежцем Рагнаром Фьюртофтом и математиком Джоном фон Нейманом с использованием ENIAC. Они использовали упрощенные модели атмосферных потоков на основе баротропного уравнения вихря скорости. Это упрощение понизило вычислительную сложность задачи и позволило произвести расчеты с использованием доступных в то время вычислительных мощностей.

Переработав идеи Эккерта и Мочли, а также, оценив ограничения «ЭНИАК», Джон фон Нейман написал широко цитируемый отчёт, описывающий проект компьютера (EDVAC), в котором и программа, и данные хранятся в единой универсальной памяти. Принципы построения этой машины стали известны под названием «архитектура фон Неймана» и послужили основой для разработки первых по-настоящему гибких, универсальных цифровых компьютеров.

EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) — одна из первых электронных вычислительных машин.

Контракт на создание нового компьютера был подписан в апреле 1946 года, с начальным бюджетом в 100 ООО долларов.

EDVAC (в отличие от ENIAC с десятичной системой) использовал двоичную систему счисления, располагал встроенными операциями сложения, вычитания и умножения, а также программной реализацией деления; объём памяти составлял тысячу 44-битных слов (позже дополнен до 1024 слов, что даёт 5,5 килобайт в современной терминологии).

Рис. 2.14. EDVAC.

Физически, компьютер состоял из следующих компонентов:

• устройство чтения/записи с магнитной ленты;

• контролирующее устройство с осциллографом;

• устройство-диспетчер, принимающее инструкции от контролирующего устройства и из памяти и направляющее их в другие устройства;

• вычислительное устройство, выполняющее за раз одну арифметическую операцию над парой чисел и посылающее результат в память;

• таймер;

• устройство памяти, состоящее из двух наборов по 64 ртутных акустических линий задержки, в каждой линии хранилось по 8 слов;

• три временных регистра, в каждом из которых хранилось одно слово.

Время операции сложения — 864 микросекунды, умножения — 2900 микросекунд (2,9 миллисекунды).

Компьютер состоял из почти 6000 электровакуумных ламп, и 12000 диодов, и потреблял 56 кВт энергии. Занимаемая площадь —