Охота на электроовец. Большая книга искусственного интеллекта

Марков Сергей Николаевич

Когда в 1936 г. Конрад пригласил своего друга Гельмута Шрайера приехать и посмотреть на его машину, Гельмут, впервые увидев эту странную металлическую штуковину, внезапно сказал: «Ты должен сделать это на основе вакуумных ламп». Первая реакция Куно была отрицательной: «Это ещё одна из бредовых идей (Schnapsidee) моего друга!» Из вакуумных ламп можно создавать радиооборудование, но счётные машины?..

Цузе и Шрайер продолжали работать вместе над механическими моделями, но идея с вакуумными лампами не была забыта. Шрайер написал диссертацию на эту тему в Институте исследования колебаний Берлинского технического университета под руководством профессора Вильгельма Штеблейна [330] и создал несколько логических схем на основе ламп [331] . Время отклика лампы на несколько порядков меньше, чем у реле, что позволило бы осуществлять от 5000 до 10 000 операций в секунду, в результате чего скорость вычислений компьютера увеличилась бы в тысячу раз [332] . В 1938 г. Цузе и Шрайер продемонстрировали электронные схемы нескольким немецким учёным и даже раскрыли идею создания электронного компьютера, но, когда они упомянули, что для такого устройства потребуется около 2000 вакуумных ламп и несколько тысяч ламп накаливания, их идею отнесли к разряду фантастики.

Крупнейшие электронные устройства того времени состояли из нескольких сотен ламп. Позже Шрайер предложит создать электронный компьютер на основе примерно 2000 ламп для нужд военно-воздушных сил, однако, когда он сообщил, что для производства машины понадобится около двух лет, в ответ последовало: «Мы выиграем войну задолго до того, как ваш компьютер будет готов, стоит ли утруждать себя?» [333]

330

Zuse K., Bauer F. L., McKenna P., Ross J. A., Zemanek H. (1993). The Computer — My Life. Springer // https://books.google.ru/books?id=Ro5JOskbChAC

331

Dalakov G. Konrad Zuse — the first relay computer / History of Computers: hardware, software, internet… // https://history-computer.com/ModernComputer/Relays/Zuse.html

332

Alex J. (1997). Wege und Irrwege des Konrad Zuse / Spektrum der Wissenschaft № 1 // https://www.spektrum.de/magazin/wege-und-irrwege-des-konrad-zuse/823599

333

Dalakov G. Konrad Zuse — the first relay computer / History of Computers: hardware, software, internet… // https://history-computer.com/ModernComputer/Relays/Zuse.html

Цузе продолжил работу над механическими устройствами — вплоть до конца 1940-х гг. он всё ещё надеялся, что прогресс в производственной сфере позволит механической памяти успешно конкурировать с памятью, основанной на электронных лампах [334] . Однако по результатам опытов с Z1 Цузе был крайне недоволен надёжностью двоичных переключателей Z1, основанных на металлических пластинах. Больше всего проблем они доставляли в счётном устройстве. Конрад был знаком с реле, используемыми в телефонии, но ещё лучше в них разбирался Шрайер, поскольку имел большой опыт работы с ними в качестве специалиста по телекоммуникациям. Друзья произвели предварительные расчёты и пришли к выводу, что для компьютера, полностью основанного на реле, их потребуется несколько тысяч штук и конструкция получится слишком громоздкой. Кроме того, реле были слишком дорогими для проекта с весьма малым финансированием. Поэтому конструкция второго компьютера Цузе, Z2, предполагала замену пластин на реле только в счётном устройстве. Конструктору удалось раздобыть 800 старых телефонных реле и с помощью друзей приспособить их для своей цели. Эти старые реле станут причиной многих проблем с надёжностью в дальнейшем.

334

Rojas R. (2016). The Design Principles of Konrad Zuse's Mechanical Computers // https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1603/1603.02396.pdf

В поисках источников финансирования в 1937 г. Цузе связался с бывшим производителем механических калькуляторов — Куртом Паннке. Началось общение неудачно: доктор Паннке ответил Цузе, что «в области вычислительных машин практически всё, включая новейшие возможные подходы и сложные устройства, уже изобретено». Тем не менее доктор Паннке согласился посетить мастерскую Цузе и по итогам был настолько впечатлён его работой, что решил выделить 7000 рейхсмарок — это позволило продолжить работу.

Производство Z2 началось в 1938 г., и в следующем году опытный образец был готов. Основными отличиями Z2 от его предшественника стали увеличение тактовой частоты до 3 Гц, переход к использованию 36-миллиметровой перфорированной киноплёнки вместо бумажных перфолент, уменьшение объёма памяти (теперь она состояла из 16 ячеек по 16 бит каждая) и новое счётное устройство на основе телефонных реле, способное выполнять операции с 16-битными числами с плавающей запятой.

Помимо инженерных работ, Цузе занимался разработкой теоретической базы для своих компьютеров. Он был знаком с двоичной системой счисления по работам Лейбница, но ничего не знал о Джордже Буле и его алгебре. Ему пришлось изучить не только работы Буля, но также и математическую логику Гильберта, Фреге, Шрёдера и других логиков. К сожалению, он обошёл стороной работы Бэббиджа и его «механическую нотацию» [335] . В наши дни кажется удивительным, что ни Цузе, ни многие другие пионеры вычислительной техники не были знакомы с работами Бэббиджа. Впервые Цузе, по собственному признанию, услышал о них от эксперта американского патентного бюро спустя много лет после создания своих первых компьютеров [336] . Итогом работ немецкого изобретателя стало создание собственной системы, альтернативной нотации Бэббиджа, которую сам Цузе назвал «условной комбинаторикой» (Bedingungskombinatorik).

335

Dalakov G. Konrad Zuse — the first relay computer / History of Computers: hardware, software, internet… // https://history-computer.com/ModernComputer/Relays/Zuse.html

336

Zuse K., Bauer F. L., McKenna P., Ross J. A., Zemanek H. (1993). The Computer — My Life. Springer // https://books.google.ru/books?id=Ro5JOskbChAC

В 1940 г. Z2 был успешно продемонстрирован специалистам Немецкой лаборатории авиации (Deutsche Versuchsanstalt fur Luftfahrt, DVL) [337] . Надо сказать, что Цузе несказанно повезло: Z2 был крайне ненадёжной в эксплуатации машиной и за несколько часов до визита профессора Тейхмана из DVL изобретатель тщетно пытался заставить его функционировать. Однако, как писал Цузе в воспоминаниях, в этот раз сработал «обратный эффект присутствия» и во время демонстрации компьютер работал безупречно [338] . В результате Цузе получил частичное финансирование разработки своего третьего компьютера, Z3, начавшейся чуть раньше, в 1939 г.

337

Dalakov G. Konrad Zuse — the first relay computer / History of Computers: hardware, software, internet… // https://history-computer.com/ModernComputer/Relays/Zuse.html

338

Zuse K., Bauer F. L., McKenna P., Ross J. A., Zemanek H. (1993). The Computer — My Life. Springer // https://books.google.ru/books?id=Ro5JOskbChAC

Весной 1941 г. Z3 был готов, а в мае 1941 г. — представлен учёным в Берлине. Новый компьютер полностью был основан на реле (600 реле для счётного устройства, 1400 — для памяти и 400 — для блока управления).

Во всех других аспектах он походил на Z1 и Z2: так же как и предыдущие модели, Z3 использовал двоичную систему счисления и числа с плавающей запятой, счётное устройство с двумя 22-битными регистрами, ёмкость памяти составляла 64 слова по 22 бита, управление обеспечивалось посредством ленты с восьмью дорожками (т. е. команда состояла из 8 бит). Ввод данных осуществлялся при помощи специальной клавиатуры, вывод — при помощи лампочек, подсвечивающих цифры и позицию десятичного разделителя на табло. Машина стала ещё немного быстрее, её тактовая частота возросла до 5,33 Гц. Кроме того, сам принцип работы стал совершеннее — появились элементы параллелизма: 22-битное слово могло быть перемещено из памяти в регистр R1 и обратно за один такт, а счётное устройство обзавелось параллельными сумматорами и теперь, помимо вычитания, сложения, умножения и деления, было способно извлекать квадратные корни.

После завершения работ над Z3 Цузе получил заказ от своего первого заказчика — авиастроительной компании «Хеншель» (Henschel) — на разработку специализированного компьютера для контроля качества изготовления крыльев и хвостового оперения управляемых авиационных бомб.

С этой целью элементы оперения подвергались детальным обмерам при помощи датчиков (измерительных головок), расположенных примерно в 80 точках. Затем надо было рассчитать необходимые поправки. Для выполнения этого расчёта Цузе разработал машину S1, состоявшую из около 500 реле. Эта машина заменила дюжину калькуляторов и безотказно работала в течение двух лет, обслуживая две смены в день. Существовавшая процедура требовала ручного ввода показаний датчиков в компьютер. Это подвигло Цузе на создание улучшенной модели, которая могла бы автоматически считывать показания датчиков. Сердцем новой машины, получившей название S2, было устройство, которое сегодня называют аналогово-цифровым преобразователем.

S2, запущенная в эксплуатацию в 1944 г. и состоявшая из приблизительно 800 реле и сотни измерительных головок, стала, по всей видимости, первым промышленным компьютером в мире [339] .

В 1942 г., одновременно с работой над S1, Цузе начал разработку своего следующего компьютера — Z4, который должен был стать прототипом серийной модели. Однако нехватка материалов и тяжёлая обстановка в конце войны поставили крест на планах. Машины Z3 и S1 были уничтожены в 1944 г. в ходе бомбардировок Берлина, судьба S2 точно не известна: Цузе бросил работающую машину на заводе в предместьях Берлина, и, по его мнению, она с большой вероятностью попала в руки советских войск. В марте 1945 г. Цузе со своей беременной женой Гизелой и незавершённым Z4 бежал из Берлина в городок Хинтерштайн в Баварии, где спрятал компьютер в погребе. Он отчаянно хотел возобновить работу над Z4, но на первое место выдвинулась необходимость выживания. Чтобы заработать на пропитание, Цузе занимался изготовлением ксилографий (гравюр на дереве) и продавал их фермерам и американским военным. Завершить работу над компьютером удалось лишь спустя три года. В 1949 г. Цузе связался с профессором Эдуардом Штифелем из ETH-Zurich (Швейцарская высшая техническая школа Цюриха, Eidgenossische Technische Hochschule Zurich), который по результатам осмотра машины нашёл её пригодной для научных расчётов. Несмотря на немного старомодную технологию Z4 (в то же время в США разрабатываются электронные компьютеры), Штифель был впечатлён простотой программирования и мощным счётным устройством. Воодушевлённый этим, Цузе основал собственную компанию Zuse KG и начал создавать улучшенную версию Z4 для ETH-Zurich, добавив возможность условного перехода, инструкции для печати результатов на пишущей машинке, вывода данных на перфокарты и перфоленту и другие. Восстановление Z4 стоило Цузе около 60 000 немецких марок. ETH-Zurich заплатил сумму около 100 000 немецких марок (среднемесячный доход в это время составлял около 180 немецких марок в месяц). Z4 стал большим успехом как для ETH, так и для Zuse KG.

339

Zuse K. (1987). My First Computer and First Thoughts About Data Processing. Computer Design-Past, Present, Future, talk given by Prof. Konrad Zuse, in Lund / Sweden, Oct. 2; Lee J. A. N. (1995). Computer Pioneers // https://history.computer.org/pioneers/zuse.html

С 1949 по 1969 г. компания Zuse KG продала около 250 компьютеров на сумму около 100 млн немецких марок. К сожалению, после финансовых трудностей Цузе был вынужден продать бизнес (который в итоге достался группе Siemens) и прекратить предпринимательскую деятельность [340] .

Конрад Цузе прожил долгую жизнь и умер 18 декабря 1995 г. в Хюнфельде (Германия). Он успел создать множество новых вычислительных машин, разработал первый в мире язык программирования Plankalkul (дословно «исчисление планов») [341] , пережил финансовые трудности и продажу своей фирмы Zuse KG компании Siemens [342] . В 1969 г. Цузе издал книгу «Вычислительное пространство» (Rechnender Raum), выдвинув идеи «цифровой физики» [343] . Он предположил, что наблюдаемая нами Вселенная является продуктом вычислений клеточного автомата или другого дискретного вычислительного устройства [344] .

340

Dalakov G. Konrad Zuse — the first relay computer / History of Computers: hardware, software, internet… // https://history-computer.com/ModernComputer/Relays/Zuse.html

341

Zuse K., Bauer F. L., McKenna P., Ross J. A., Zemanek H. (1993). The Computer — My Life. Springer // https://books.google.ru/books?id=Ro5JOskbChAC

342

Alex J. (1997). Wege und Irrwege des Konrad Zuse / Spektrum der Wissenschaft № 1 // https://www.spektrum.de/magazin/wege-und-irrwege-des-konrad-zuse/823599

343

Zuse K. (1969). Rechnender Raum. Braunschweig: Friedrich Vieweg & Sohn.

344

Zuse K. (1970). Calculating Space (Rechnender Raum). MIT Technical Translation AZT-70-164-GEMIT, Massachusetts Institute of Technology (Project MAC), Cambridge, Mass. 02139. Adrian German and Hector Zenil (eds) re-edition in LaTeX with permission of MIT and Zuse's family, 2012 // http://www.mathrix.org/zenil/ZuseCalculatingSpace-GermanZenil.pdf

В рамках концепции «эквивалентной экономики» Цузе совместно с Арно Петерсом работал над созданием проекта высокотехнологичной плановой экономики, базирующейся на управлении мощными современными компьютерами. В процессе разработки этого концепта Цузе ввёл термин «компьютерный социализм». Результатом их совместной работы стала книга «Компьютерный социализм. Беседы с Конрадом Цузе» (Was ist und wie verwirklicht sich Computer-Sozialismus: Gesprache mit Konrad Zuse), опубликованная Арно Петерсом уже после смерти Цузе, в 2000 г. [345]

345

Peters A. (2000). Was ist und wie verwirklicht sich Computer-Sozialismus: Gesprache mit Konrad Zuse. Verlag Neues Leben, Berlin.