Z3 (computadora)
First working programmable, fully automatic digital computer

Z3
Réplica del Zuse Z3 en exhibición en el Deutsches Museum de Múnich
También conocido comoV3 (modelo de prueba 3)
ReveladorKonrad Zuse
TipoComputadora electromecánica digital programable y totalmente automática.
Fecha de lanzamiento12 de mayo de 1941 ; hace 83 años (1941-05-12)
Esperanza de vida2 años
Precio de introducciónCostos: aprox. 50.000  ℛ︁ℳ︁
UPC2600 relés a 5–10 Hz
Memoria64 palabras con una longitud de 22 bits
Almacenamiento extraíbleCinta de celuloide perforada [1]
MostrarFila de lámparas para mostrar resultados [2]
AporteTerminal, con un teclado especial para entrada [2]
FuerzaAlrededor de 4.000 vatios [1]
MasaAlrededor de 1 tonelada (2200 libras) [1]
PredecesorZ2
SucesorZ4

El Z3 fue un ordenador electromecánico alemán diseñado por Konrad Zuse en 1938 y terminado en 1941. Fue el primer ordenador digital programable y totalmente automático del mundo . [3] El Z3 se construyó con 2600 relés , implementando una longitud de palabra de 22 bits que operaba a una frecuencia de reloj de aproximadamente 5–10  Hz . [1] El código del programa se almacenaba en una película perforada . Los valores iniciales se ingresaban manualmente. [4] [5] [6] : 32–37 

El Z3 se completó en Berlín en 1941. No se consideró vital, por lo que nunca se puso en funcionamiento diario. [4] [5] [7] [6] : 30, 38–39  [a] Basado en el trabajo del ingeniero aerodinámico alemán Hans Georg Küssner (conocido por el efecto Küssner ), se escribió un "Programa para calcular una matriz compleja" [b] y se utilizó para resolver problemas de aleteo de las alas . Zuse solicitó financiación al gobierno alemán para reemplazar los relés con interruptores completamente electrónicos, pero la financiación se le negó durante la Segunda Guerra Mundial ya que tal desarrollo se consideró "no importante para la guerra". [11] : 148 

El Z3 original fue destruido el 21 de diciembre de 1943 durante un bombardeo aliado de Berlín . Ese Z3 se llamó originalmente V3 ( Versuchsmodell 3 o Modelo Experimental 3), pero fue renombrado para que no se confundiera con las armas V de Alemania . [12] Una réplica completamente funcional fue construida en 1961 por la compañía de Zuse, Zuse KG , que ahora está en exhibición permanente en el Deutsches Museum de Múnich . [6] : 30 

En 1998 se demostró que el Z3 era, en principio, Turing-completo . [13] Sin embargo, debido a que carecía de ramificación condicional , el Z3 solo cumple con esta definición al calcular especulativamente todos los resultados posibles de un cálculo.

Gracias a esta máquina y a sus predecesoras, Konrad Zuse ha sido sugerido a menudo como el inventor del ordenador. [14] [15] [16] [17]

Diseño y desarrollo

Memoria electromagnética (relés) incluida en los modelos Z3, Z5 y Z11

Zuse diseñó el Z1 entre 1935 y 1936 y lo construyó entre 1936 y 1938. El Z1 era completamente mecánico y solo funcionaba durante unos pocos minutos a lo sumo. Helmut Schreyer le aconsejó que utilizara una tecnología diferente. Como estudiante de doctorado en la Technische Hochschule de Charlottenburg (ahora Technische Universität Berlin ), en 1937 trabajó en la implementación de operaciones booleanas y (en la terminología actual) flip-flops sobre la base de tubos de vacío . En 1938, Schreyer mostró un circuito sobre esta base a una pequeña audiencia y explicó su visión de una máquina de computación electrónica, pero como los dispositivos electrónicos operativos más grandes contenían muchos menos tubos, esto se consideró prácticamente inviable. [2] En ese año, cuando presentaron el plan para una computadora con 2000 tubos electrónicos, Zuse y Schreyer, quien era asistente en el Instituto de Telecomunicaciones de Wilhelm Stäblein  [de] en la Technische Universität Berlin , fueron desanimados por los miembros del instituto que sabían sobre los problemas con la tecnología de tubos electrónicos. [10] : 113, 152  Zuse recordó más tarde: "Nos sonrieron en 1939, cuando queríamos construir máquinas electrónicas ... Dijimos: La máquina electrónica es genial, pero primero deben desarrollarse los componentes ". [10] : 102  En 1940, Zuse y Schreyer lograron organizar una reunión en el Oberkommando der Wehrmacht (OKW) para discutir un proyecto potencial para desarrollar una computadora electrónica, pero cuando estimaron una duración de dos o tres años, la propuesta fue rechazada. [10] : 115 

Zuse decidió implementar el siguiente diseño basado en relés. La realización del Z2 recibió ayuda financiera de Kurt Pannke, que fabricaba pequeñas máquinas calculadoras. El Z2 se completó y se presentó ante una audiencia del Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt ("Laboratorio alemán para la aviación") en 1940 en Berlín-Adlershof. Zuse tuvo suerte: esta presentación fue una de las pocas ocasiones en que el Z2 realmente funcionó y pudo convencer al DVL de financiar parcialmente el siguiente diseño. [2]

En 1941, mejorando la máquina básica Z2, construyó la Z3 en un proyecto altamente secreto del gobierno alemán. [18] Joseph Jennissen (1905-1977), [19] miembro de la "Liderazgo de Investigación" ( Forschungsführung ) en el Ministerio del Aire del Reich [20] actuó como supervisor gubernamental para las órdenes del ministerio para la empresa de Zuse, ZUSE Apparatebau . [21] Otro intermediario entre Zuse y el Ministerio del Aire del Reich fue el aerodinámico Herbert A. Wagner . [22]

Dibujo de la computadora Z3 de la patente de Zuse de 1941.

El Z3 se completó en 1941 y era más rápido y mucho más confiable que el Z1 y el Z2. La aritmética de punto flotante del Z3 se mejoró con respecto al Z1 en el sentido de que implementó el manejo de excepciones "usando solo unos pocos relés", los valores excepcionales (más infinito, menos infinito e indefinido) se podían generar y pasar a través de operaciones. Además, agregó una instrucción de raíz cuadrada.

El Z3, al igual que sus predecesores, almacenaba su programa en una cinta perforada externa, por lo que no era necesario recablear para cambiar de programa. Sin embargo, no tenía ramificaciones condicionales como las que se encuentran en las computadoras universales posteriores. [23] : 7 

El 12 de mayo de 1941, el Z3 fue presentado ante una audiencia de científicos, entre ellos los profesores Alfred Teichmann y Curt Schmieden [24] del Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt ("Laboratorio Alemán de Aviación") en Berlín , [25] hoy conocido como el Laboratorio Alemán de Aviación . Centro Aeroespacial de Colonia . [26]

Zuse continuó con el diseño del Z4 , que completó en un búnker en las montañas de Harz , junto con el desarrollo del misil balístico de Wernher von Braun . Cuando terminó la Segunda Guerra Mundial, Zuse se retiró a Hinterstein en los Alpes con el Z4, donde permaneció durante varios años. [27]

Conjunto de instrucciones

El Z3 funcionaba como una máquina de pila con una pila de dos registros, R1 y R2. La primera operación de carga de un programa cargaba el contenido de una ubicación de memoria en R1; la siguiente operación de carga cargaba el contenido de una ubicación de memoria en R2. Las instrucciones aritméticas operaban sobre el contenido de R1 y R2, dejando el resultado en R1 y borrando R2; la siguiente operación de carga cargaba en R2. Una operación de almacenamiento almacenaba el contenido de R1 en una ubicación de memoria y borraba R1; la siguiente operación de carga cargaba el contenido de una ubicación de memoria en R1. [23] : 8 

Una operación de lectura del teclado leería un número del teclado en R1 y borraría R2. Una instrucción de visualización mostraría el contenido de R1 y borraría R2; la siguiente instrucción de carga cargaría en R2. [23] : 8 

Z3 como máquina de Turing universal

En el Z3 era posible construir bucles, pero no había instrucciones de bifurcación condicional . Sin embargo, el Z3 era Turing-completo : en 1998, Raúl Rojas demostró cómo implementar una máquina de Turing universal en el Z3 . Propuso que el programa de cinta tendría que ser lo suficientemente largo como para ejecutar cada camino posible a través de ambos lados de cada bifurcación. Calcularía todas las respuestas posibles, pero los resultados innecesarios se cancelarían (una especie de ejecución especulativa ). Rojas concluye: "Por lo tanto, podemos decir que, desde una perspectiva teórica abstracta, el modelo computacional del Z3 es equivalente al modelo computacional de los ordenadores actuales. Desde una perspectiva práctica, y en la forma en que el Z3 fue realmente programado, no era equivalente a los ordenadores modernos". [13]

Esta aparente limitación contradice el hecho de que el Z3 proporcionaba un conjunto de instrucciones prácticas para las aplicaciones de ingeniería típicas de la década de 1940. Consciente de las restricciones de hardware existentes, el objetivo principal de Zuse en ese momento era tener un dispositivo funcional que facilitara su trabajo como ingeniero civil . [28]

Relación con otros trabajos

El éxito del Z3 de Zuse se atribuye a menudo a su uso del sistema binario simple. [6] : 21  Este fue inventado aproximadamente tres siglos antes por Gottfried Leibniz ; Boole lo utilizó más tarde para desarrollar su álgebra de Boole . Zuse se inspiró en el libro de Hilbert y Ackermann sobre lógica matemática elemental Principles of Mathematical Logic . [10] : 113, 152  En 1937, Claude Shannon introdujo la idea de mapear el álgebra de Boole sobre relés electrónicos en un trabajo seminal sobre diseño de circuitos digitales . Zuse, sin embargo, no conocía el trabajo de Shannon y desarrolló las bases de forma independiente [11] : 149  para su primera computadora Z1 , que diseñó y construyó entre 1935 y 1938.

El compañero de trabajo de Zuse, Helmut Schreyer, construyó un modelo experimental electrónico digital de una computadora usando 100 tubos de vacío [29] en 1942, pero se perdió al final de la guerra.

El científico de cohetes Helmut Hölzer construyó en 1942 un ordenador analógico en el Centro de Investigación del Ejército de Peenemünde para simular [30] [31] [32] las trayectorias del cohete V-2 . [33] [34]

El Colossus (1943), [35] [36] construido por Tommy Flowers y el ordenador Atanasoff-Berry (1942) utilizaban válvulas termoiónicas (tubos de vacío) y representación binaria de números. La programación se hacía mediante la reconexión de paneles de conexión y la configuración de interruptores. [ cita requerida ]

La computadora ENIAC , terminada después de la guerra, utilizaba tubos de vacío para implementar interruptores y utilizaba la representación decimal para los números. Hasta 1948, la programación se hacía, como en el caso de Colossus, mediante cables de conexión e interruptores. [37] [38]

El Manchester Baby de 1948, junto con el Manchester Mark 1 y el EDSAC, ambos de 1949, fueron los primeros ordenadores en funcionamiento del mundo que almacenaban instrucciones de programas y datos en el mismo espacio. En este caso, implementaron el concepto de programa almacenado que se atribuye con frecuencia (pero erróneamente) a un artículo de 1945 de John von Neumann y sus colegas. [39] [40] Se dice que Von Neumann le dio el debido crédito a Alan Turing , [35] [41] y el concepto había sido mencionado anteriormente por el propio Konrad Zuse, en una solicitud de patente de 1936 (que fue rechazada). [42] [43] El propio Konrad Zuse recordó en sus memorias: "Durante la guerra, de todos modos, apenas habría sido posible construir dispositivos de programa almacenado eficientes". [44] Friedrich L. Bauer escribió más tarde: "Sus ideas visionarias (programas vivos) que solo se publicarían años después apuntaban a la dirección práctica correcta, pero nunca fueron implementadas por él". [45] [46]

Presupuesto

  • Velocidad media de cálculo: suma – 0,8 segundos, multiplicación – 3 segundos [1]
  • Unidad aritmética: Punto flotante binario , 22 bits, suma, resta, multiplicación, división, raíz cuadrada [1]
  • Memoria de datos: 64 palabras de 22 bits [1]
  • Memoria de programa: Cinta de celuloide perforada [1]
  • Entrada: Números decimales de punto flotante [1]
  • Salida: Números decimales de punto flotante [1]
  • La entrada y salida se facilitó mediante un terminal, con un teclado especial para la entrada y una fila de lámparas para mostrar los resultados [2]
  • Elementos: Alrededor de 2.000 relés (1.400 para la memoria) [2]
  • Frecuencia: 5–10 hercios [1]
  • Consumo de energía: alrededor de 4.000  vatios [1]
  • Peso: Alrededor de 1 tonelada (2200 lb) [1]

Reconstrucciones modernas

Reconstrucción del Z3 en 2010 por Horst Zuse

En 1997 se inició una reconstrucción moderna dirigida por Raúl Rojas y Horst Zuse , que finalizó en 2003. Actualmente se encuentra en el Museo Konrad Zuse en Hünfeld, Alemania. [47] [48] La memoria se redujo a la mitad, a 32 palabras. El consumo de energía es de unos 400 W y el peso es de unos 30 kilogramos (66 lb). [49]

En 2008, Horst Zuse comenzó a reconstruir él mismo el Z3. [50] Fue presentado en 2010 en el Museo Konrad Zuse en Hünfeld. [51] [52]

Véase también

Notas

  1. ^ Podría resolver problemas como sistemas de ecuaciones lineales y sus determinantes, ecuaciones cuadráticas y valores propios (para el aleteo de las alas ). [8] [9]
  2. ^ Alemán : Programm für die Berechnung einer komplexen Matrix [10]

Referencias

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Lectura adicional

Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Zuse Z3 .
  • Página Z3 en el sitio web de Horst Zuse
  • La vida y obra de Konrad Zuse
  • Colección Paul E. Ceruzzi sobre Konrad Zuse (CBI 219). Instituto Charles Babbage , Universidad de Minnesota. La colección contiene informes publicados, artículos, literatura sobre productos y otros materiales.
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