Z1計算機

1938年首台採用繼電器工作的計算機——Z1

●首台採用繼電器工作的計算機——Z1

1938，Zuse完成了Z1電子機械二進制計算機。二次世界大戰的開始，軍事需要大大促進了計算機技術的發展。1939年，Zuse和Schreyer 開始在他們的Z1計算機的基礎上發展Z2計算機。並用繼電器改進它的存儲和計算單元。但這個項目因為Zuse服兵役被中斷了一年。 ^[1] 

Z1是康拉德·祖斯（Konrad Zuse）於1935年至1936年設計、1936年至1938年製造的一台機械計算機。它是一種電氣驅動的機械計算器，可編程性有限，可以從穿孔板上讀取指令錄音帶。那個這台機器是一個22位浮點值加法器和減法器，一些控制邏輯使它能夠進行更復雜的運算，如乘法（通過重複加法）和除法（通過重複減法）。Z1的ISA有9條指令，其CPI範圍從1到20。Z1是Konrad Zuse設計的一系列計算機中的第一個。Z2和Z3是基於許多與Z1相同的想法的後續產品。

這台計算機有一個64字的浮點存儲器，每個字的存儲器都可以由控制單元讀寫。機械記憶單元在設計上是獨特的，由康拉德·祖斯於1936年修復。這台機器只能執行從穿孔磁帶讀取器讀取的指令，因此程序本身從未加載到記憶。記憶Z1是世界上第一台使用布爾邏輯和二進制浮點數的自由編程計算機，於1938年完成，完全由私人出資康拉德祖斯的第一個這台建於1936年至1938年的計算機，在1943年12月的柏林轟炸中被摧毀，當時正值二戰期間，所有的建築都被摧毀計劃。計劃Z1包含了現代計算機的幾乎所有部分，例如控制單元、存儲器、微序列、浮點邏輯（只有邏輯單元沒有實現）和輸入輸出設備。 ^[2] 

輸入和輸出都是十進制的，帶有十進制指數，單位有特殊的機器來轉換二進制。輸入和輸出指令將讀取或寫入浮點數。程序磁帶是35毫米膠片，指令用穿孔編碼。

康拉德·祖斯在他父母的公寓裏建造了Z1，事實上，他被允許使用客廳來建造。1936年，他在飛機制造方面的工作就是建造Z1。他的父母並不熱衷於音樂，但他們儘可能地支持他。

這是一台私人融資的機器。KonradZuse從父母、妹妹Lieselotte、Akademischer Verein Motiv的一些學生和柏林的企業家Kurt Pannk那裏拿到了錢。

Z1在許多方面都是一台引人注目的機器。Konrad Zuse使用薄金屬板來建造這個機器。那裏裏面沒有繼電器。僅有的一個電氣單元是一個電機，以便為機器提供1赫茲的時鐘頻率。Z1可通過穿孔帶和穿孔帶讀取器自由編程。打孔磁帶讀取器、監控整個機器和指令執行的控制單元、運算單元以及輸入輸出設備完全分離。

原來的Z1在1943年被盟軍空襲摧毀，但1986年康拉德·祖斯決定重建機器。他再次建造了Z1的數千個元件，並在1989年完成了設備的重建。重建後的Z1在柏林的德國技術博物館展出。 ^[2] 

存儲: 176字節 (64words of 22 bits)

時鐘頻率: 1 Hz

寄存器:2個浮點寄存器，每個22比特

計算單元: Four basic operations +,-, *, / for binary floating point numbers

重量: 1000 kg

平均運算速度: 加法5秒, 乘法10秒

Area of Application: Prototype

輸入: 十進制浮點數

輸出: 十進制浮點數

Konrad Zuse於1910年6月22日出生在柏林，是一位德國工程師。他提出了計算機程序控制的基礎概念，於1941年Zuse首次設計完成了使用繼電器的程序控制計算機。於1995年逝世。

1945年，就在盟軍攻陷法西斯德國的首都柏林後不久，從阿爾卑斯山區偏僻小鎮欣特斯泰因傳來一個驚人的消息：一個糧倉地窖裏發現了德國研製的先進計算機。

兩名英國情報官聞訊匆匆趕到了欣特斯泰因。在攻佔該鎮的法國士兵帶領下，打開了糧倉地窖大門。地窖裏面確實存放着一台機器。情報官湊上前仔細打量，這機器怎麼看也不像是德國的“先進計算機”，充其量是某個印刷廠遺棄的排字機。兩人互相對視着苦笑了一陣：“德軍再傻，也不會把這麼重要的設備放在交通極為不便的山區。”

過了很長時間之後，西方計算機界終於認識到，這台貌不驚人的機器，的確是當時最先進的計算機，它研製成功的時間，要比美國、英國的同類發明更早；更重大的意義還在於，它是最先採用程序控制的數字計算機。這台機器的名稱是Z－4，它的發明人叫克蘭德·楚澤（Konrad Zuse，1910-1995），一位靠自費起家的土木建築工程師。

克蘭德·楚澤1910年6月22日生於德國維爾梅斯多夫，在東普魯士接受的早期教育。東普魯士的文化傳統相當保守，為了獲得更好的發展，他進入一所比較開放的學校，直到高中畢業。1927年，楚澤考進柏林工業大學，學的是土木工程建築專業。他從小愛好繪畫，具有非常好的美術功底，因此很快就學會了如何設計房屋結構和外觀。多才多藝的楚澤興趣廣泛，修理機器的活也很拿手，時常動手製作出一些稀奇古怪的玩藝，讓班上的同學大吃一驚。

求學期間，楚澤需要完成許多力學計算的功課，諸如橋樑、材料強度設計等等，必須自己動手根據公式算出結果，往往一整天都算不完一道強度核算題目。一天，在疲憊不堪完成老師佈置的作業後，楚澤突然發現，寫在教科書裏的力學公式是固定不變的，他們要做的只是向這些公式中填充數據，這種單調的工作，應該可以交給機器做。

1935年，楚澤獲得了土木工程學士學位，在柏林一家飛機制造廠找到了工作，主要任務恰好是他最撓頭的飛機強度分析，繁瑣的計算變成了他的主要職業，而輔助工具只有計算尺可用。楚澤想製造一台計算機的願望愈來愈強烈，他在這家工廠裏只呆了短短的幾個月，便辭職回家做他的“發明夢”。

在父母的幫助下，他把家中的起居室隔出一間，改造成“實驗室”兼“製造廠”，孤身一人開始了漫長的研製生涯。楚澤生活在法西斯統治下的德國，無從得知美國科學家研製計算機的消息，甚至沒有聽説巴貝奇和霍列瑞斯的名字。在這一點上，他遠沒有美國發明家幸運，無法得到大學或政府機構的任何資助，只有幾個朋友“贊助”了很少的一點錢。

幾乎用了兩年時間在黑暗中摸索，楚澤憑着頑強的毅力獨自奮鬥。他認為，計算機最重要的部分不一定是計算本身，而是過程和計算結果的傳送和儲存。因此，他把研究的重點放在存儲器上，設計了一種可以存儲64位數的機械裝置——數千片薄鋼板用螺栓擰在一起的笨重部件，體積約1立方米——然後與機械運算機構連接起來。朋友們都不太懂他想幹什麼，只能提供有限的幫助，例如，幫他用切割設備加工了數以百計的金屬片。其它的薄鋼板，只好靠手鋸在圓鋼上一片一片鋸下來。以這種簡陋的條件，1938年，楚澤居然完成了一台可編程數字計算機Z－1。他花光了僅有的幾千馬克，還是無法買到更合適的零件。因此，Z－1計算機實際上是一台實驗模型，雖然可以完成3×3矩陣運算過程，但始終未能投入實際使用。

Z－1計算機最大的貢獻是楚澤第一次採用了二進制數，在薄鋼板組裝的存儲器中，楚澤用一個在細孔中移動的針，指明數字“0”或“1”。他的這種選擇，明顯地受到萊布尼茨著作的啓發，他後來發表的研究報告，副題就是“向萊布尼茨致敬”。這台機器也採用了“穿孔帶”輸入程序，不過不是紙帶，而是35毫米電影膠片；數據則由一個數字鍵盤敲入，計算結果用小電燈泡顯示。

由於純機械式Z－1計算機性能不理想，第二年，楚澤的朋友給了他一些電話公司廢棄的繼電器，楚澤用它們組裝了第二台電磁式計算機Z－2，這台機器已經可以正常工作。這時，他的工作引起德國飛機實驗研究所的關注，使他得到了一筆資助。1941年，第三台電磁式計算機Z－3完成，使用了2600個繼電器，用穿孔紙帶輸入，實現了二進制數程序控制。程序控制思想雖然過去也有人提倡，但楚澤是把它付諸實施的第一人。Z－3能達到每秒3～4次加法的運算速度，或者在3～5秒內完成一次乘法運算。1942年，在緊張研究的間隙裏，他寫作了世界上第一個下國際象棋的計算機程序。

Z－3計算機正常工作了3年。1944年，美國空軍對柏林實施空襲，楚澤的住宅連同Z－3計算機一起被炸得支離破碎。在德國法西斯即將毀滅前夕，楚澤於1945年又建造了一台比Z－3更先進的電磁式Z－4計算機，存儲器單元也從64位擴展到1024位，繼電器幾乎佔滿了一個房間。為了使機器的效率更高，楚澤甚至設計了一種編程語言Plankalkuel ，這一成果使楚澤也躋身於計算機語言先驅者行列。

因害怕再次被炸，楚澤把Z－4搬來搬去，四處轉移，最後帶着它飛往德國南部，搬到了阿爾卑斯山區欣特斯泰因小鎮，於是才有了前面那一幕。

希特勒戰敗後，楚澤輾轉流落到瑞士一個荒涼的村莊，一度轉向研究計算機軟件理論，最早提出了“程序設計”的概念。1949年，楚澤把他的Z－4計算機安裝在瑞士蘇黎士技術學院，並且一直穩定地運行到1958年。這時，美、英計算機界才相信德國有位建築工程師，比他們更早地研製出程序控制數字計算機的事實。在慕尼黑一家博物館裏，仍然存放着一台Z－3原型機，只是它已經無法正常運作。

隨後，楚澤創辦了“楚澤計算機公司”，1958年研製出電子管通用計算機Z－22R，距離第一台電子管通用計算機ENIAC誕生已經過去了12年之久。電腦史學家認為，如果楚澤不是生活在法西斯統治下的德國，他可能早就把Z型計算機系列升級為電子計算機，世界計算機的歷史將會改寫。事實上，早在1938年，楚澤和他的朋友已經在考慮用2000個電子管和其他電子元件組裝新的計算機。當他在戰後聽説美國賓夕法尼亞大學早已研製出電子管計算機的消息，不禁感嘆地説：“我所能做的，僅僅是搖搖頭而已。”

早在1938年就發明了計算機的楚澤，幾乎被人遺忘了幾十年。他在1941年為Z－3計算機提出的專利申請，到了1967年，法官仍然拒絕受理，理由是“缺乏創造性”。直到1962年，他才被確認為計算機發明人之一，得到了8個榮譽博士頭銜以及德國大十字勳章。後來，柏林博物館還重新建造了Z－1計算機。

20世紀60年代初，楚澤計算機公司已發展為數千員工的企業，銷售了近300台各類計算機。1966年，他的公司被著名的西門子公司收購，楚澤擔任了西門子公司的顧問。

楚澤活到85歲高齡，一直與夫人居住在富爾達附近的一幢簡樸住宅裏，於1995年12月19日逝世。值得欣慰的是，全世界都已經承認他是“數字計算機之父”。

“誰發明了計算機？”這可不是一個三言兩語便能回答的問題。

眾所周知，計算機是一種十分複雜的機器，它由許多元件和部件組成。一個計算機系統就更為複雜了。它除了包括組成機器的硬件外，還包括指揮機器運作的軟件。事實上，每個元、部件或者每個軟件系統都可被認為是一項獨立的創造和發明。人們早已認識到，計算機的發明人不應是某一個天才，而是行進在計算機發展長途上的人數眾多的一隊天才。他們是計算機史冊上耀眼的發明之星、創造之星。

德國發明家康拉德·楚澤（KonradZuse）是走在最前面的一顆天才的創造明星。他1910年6月22日生於柏林。20世紀30年代，他在漢希飛機制造廠任結構設計工程師，同時攻讀土木工程的學位。由於工程計算量的逐年增大。他有意於設計和製造適合工程計算的功能強大的計算機。經過長期的探索研究和鍥而不捨的努力，他發明了一系列以“Z”命名的自動計算機，並依靠它們來處理複雜的工程計算問題。為此，楚澤獲得了半官方授予的頭銜：“現代計算機發明者”。但是他對這頭銜不甚看重，當他同時代或後輩的計算機發明家被人們描繪成趕上或超過他的發明成就而授獎時，他的態度十分超然。

為了設計出自動的計算機，楚澤開始從各個角度探究他設計的計算機應具備怎樣的結構和功能。首先從邏輯和數學的角度分析，他認為這台計算機應有程序控制與浮點運算功能，應使用二進制的數制系統。楚澤認為數據處理的基礎在於二進制數的“位”的處理。但當時他有“位”的意識，但就是説不出“位”這個字，只好把它作為是或否的表徵。

其次從設計角度進行分析，一個大型計算項目，無論使用計算尺還是一台機械的加法器，楚澤認為最為關鍵的難題是：如何用適當的方式保存中間結果和在以後的計算步驟中再次使用這些中間結果。