Z3 (ordenador)

La Z3 fue una computadora electromecánica alemana diseñada por Konrad Zuse en 1938 y completada en 1941. Fue la primera computadora digital programable y completamente automática del mundo . ^{[ 3 ]} La Z3 se construyó con 2600 relés , implementando una longitud de palabra de 22 bits que operaba a una frecuencia de reloj de aproximadamente 5 a 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 ]} ​​Basándose 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 alas . Zuse solicitó al gobierno alemán financiación para reemplazar los relés con interruptores totalmente electrónicos, pero la financiación fue denegada durante la Segunda Guerra Mundial, ya que dicho 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 llamaba originalmente V3 ( Versuchsmodell 3 o Modelo Experimental 3), pero se le cambió el nombre para evitar confusiones con las armas V alemanas . ^{[ 12 ]} En 1961, la empresa de Zuse, Zuse KG , construyó una réplica completamente funcional que ahora se exhibe de forma 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 satisface esta definición calculando especulativamente todos los resultados posibles de un cálculo.

Gracias a esta máquina y sus predecesoras, a Konrad Zuse se le ha sugerido con frecuencia como el inventor de la computadora. ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}

Zuse diseñó la Z1 entre 1935 y 1936 y la construyó entre 1936 y 1938. La Z1 era completamente mecánica y solo funcionaba durante unos pocos minutos seguidos. Helmut Schreyer le aconsejó a Zuse que utilizara una tecnología diferente. Como estudiante de doctorado en la Technische Hochschule de Charlottenburg (actualmente Universidad Técnica de Berlín ) en 1937, trabajó en la implementación de operaciones booleanas y biestables (en la terminología actual) basados ​​en tubos de vacío . En 1938, Schreyer demostró un circuito basado en esta tecnología ante un pequeño público y explicó su visión de una máquina de computación electrónica; sin embargo, dado que los dispositivos electrónicos operativos más grandes contenían muchos menos tubos, esto se consideró prácticamente inviable. ^{[ 2 ]} Ese año, al presentar el plan para una computadora con 2000 tubos electrónicos, Zuse y Schreyer, quien era asistente en el Instituto de Telecomunicaciones de Wilhelm Stäblein en la Universidad Técnica de Berlín, fueron desanimados por miembros del instituto que conocían los problemas de 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 hay que desarrollar los componentes ». ^{[ 10 ] : 102} En 1940, Zuse y Schreyer lograron concertar una reunión en el Oberkommando der Wehrmacht (OKW) para discutir un posible proyecto 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 fue financiada por Kurt Pannke , fabricante de pequeñas calculadoras. El Z2 se completó y se presentó ante el Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt («Laboratorio Alemán de Aviación») en 1940 en Berlín-Adlershof. Zuse tuvo suerte: esta presentación fue una de las pocas ocasiones en que el Z2 funcionó correctamente y logró 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 "Dirección de Investigación" ( Forschungsführung ) en el Ministerio del Aire del Reich ^{[ 20 ]} actuó como supervisor gubernamental de las órdenes del ministerio a la empresa de Zuse, ZUSE Apparatebau . ^{[ 21 ]} Otro intermediario entre Zuse y el Ministerio del Aire del Reich fue el aerodinamista Herbert A. Wagner . ^{[ 22 ]}

La Z3 se completó en 1941 y era más rápida y mucho más fiable que la Z1 y la Z2. La aritmética de punto flotante de la Z3 mejoró con respecto a la de la Z1, ya que implementó el manejo de excepciones "usando solo unos pocos relés"; los valores excepcionales (más infinito, menos infinito e indefinido) podían generarse y procesarse mediante operaciones. Además, incorporó una instrucción para la 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 disponía de bifurcaciones condicionales presentes 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 Centro Aeroespacial Alemán en Colonia . ^{[ 26 ]}

Zuse pasó al diseño del Z4 , que completó en un búnker en las montañas de Harz , paralelamente al desarrollo del misil balístico de Wernher von Braun . Al finalizar la Segunda Guerra Mundial, Zuse se retiró a Hinterstein , en los Alpes, con el Z4, donde permaneció durante varios años. ^{[ 27 ]}

El Z3 funcionaba como una máquina de pila con una pila de dos registros, R1 y R2. La primera operación de carga en 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 de 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}

Era posible construir bucles en la Z3, pero no existía una instrucción de bifurcación condicional . Sin embargo, la Z3 era Turing-completa ; en 1998, Raúl Rojas demostró cómo implementar una máquina de Turing universal en la Z3 . Propuso que el programa de cinta tendría que ser lo suficientemente largo como para ejecutar todas las rutas posibles 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: «Podemos decir, por lo tanto, que, desde una perspectiva teórica abstracta, el modelo de computación de la Z3 es equivalente al modelo de computación de las computadoras actuales. Desde una perspectiva práctica, y en la forma en que la Z3 fue realmente programada, no era equivalente a las computadoras modernas». ^{[ 13 ]}

Esta aparente limitación oculta 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 principal objetivo de Zuse en aquel momento era contar con un dispositivo funcional que facilitara su trabajo como ingeniero civil . ^{[ 28 ]}

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 usó más tarde para desarrollar su álgebra booleana . Zuse se inspiró en el libro de Hilbert y Ackermann sobre lógica matemática elemental Principios de lógica matemática . ^{[ 10 ] : 113, 152} En 1937, Claude Shannon introdujo la idea de mapear el álgebra booleana en relés electrónicos en una obra fundamental sobre el 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 de 1935 a 1938.

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

En 1942, el científico espacial Helmut Hölzer construyó una computadora analógica en el Centro de Investigación del Ejército de Peenemünde para simular ^{[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]} las trayectorias de los cohetes V-2 . ^{[ 33 ] [ 34 ]}

El Colossus (1943), ^{[ 35 ] [ 36 ]} construido por Tommy Flowers , y la computadora Atanasoff-Berry (1942) utilizaban válvulas termoiónicas (tubos de vacío) y representación binaria de números. La programación se realizaba mediante la reconexión de paneles de conexiones y la configuración de interruptores.

La computadora ENIAC , terminada después de la guerra, utilizaba tubos de vacío para implementar interruptores y empleaba la representación decimal para los números. Hasta 1948, la programación se realizaba, al igual que con Colossus, mediante cables de conexión e interruptores. ^{[ 37 ] [ 38 ]}

La Manchester Baby de 1948, junto con la Manchester Mark 1 y la EDSAC, ambas de 1949, fueron las primeras computadoras funcionales del mundo que almacenaban instrucciones de programa y datos en el mismo espacio. En esto implementaron el concepto de programa almacenado , que frecuentemente (pero erróneamente) se atribuye a un artículo de 1945 de John von Neumann y sus colegas. ^{[ 39 ] [ 40 ]} Se dice que Von Neumann reconoció debidamente a Alan Turing , ^{[ 35 ] [ 41 ]} y el concepto ya 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 en vivo), que solo se publicarían años después, apuntaban en la dirección práctica correcta, pero él nunca las implementó». ^{[ 45 ] [ 46 ]}

• 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 2000 relés (1400 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 ]} 

Una reconstrucción moderna dirigida por Raúl Rojas y Horst Zuse comenzó en 1997 y terminó en 2003. Ahora 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 aproximadamente 400  W y el peso es de aproximadamente 30 kilogramos (66 lb) . ^{[ 49 ]} 

En 2008, Horst Zuse comenzó una reconstrucción del Z3 por su cuenta. ^{[ 50 ]} Fue presentada en 2010 en el Museo Konrad Zuse en Hünfeld. ^{[ 51 ] [ 52 ]}

• Historia del hardware informático
• Notación polaca inversa (RPN)

• Rojas, Raúl ; Darius, Frank; Göktekin, Cüneyt; Heyne, Georg (22 de agosto de 2005). "La reconstrucción del Z3 de Konrad Zuse". IEEE Annals of the History of Computing . 27 (3): 23– 32. doi : 10.1109/mahc.2005.48 . eISSN 1934-1547 . ISSN 1058-6180 . S2CID 16288658 .   
• Rojas, Raúl (Primavera de 2006) [12 de mayo de 2005]. "Las computadoras Zuse" . Resurrección - Boletín de la Sociedad de Conservación de Computadoras (transcripción editada del discurso). Vol.  37. Seminario "Computación antes de las computadoras", Museo de Ciencias: Sociedad de Conservación de Computadoras (CCS). ISSN 0958-7403 . Archivado del original el 25 de junio de 2022. Recuperado el 26 de julio de 2008 . 

• 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, folletos informativos y otros materiales.