KONRAD ZUSE. První pokusy

Transkript

1 Název jeho autobiografie Počítač moje životní dílo zcela vystihuje podstatu úsilí tohoto německého inženýra. Na rozdíl od svých amerických i britských kolegů pracoval v takřka naprosté izolaci od vývojových trendů. Přesto dokázal triumfovat: vyvinul první binární programovatelný počítač (označovaný dnes jako Z3), založil první komerční firmu na výrobu počítačů v Evropě a vypracoval systém pro programování počítačů (Plankalkül), obsahující řadu vlastností, které jsou standardní v dnešních programovacích jazycích. Změny vnímání světa, které způsobil v prvních desetiletích 20. století převratný technický a vědecký vývoj (automobilového a leteckého průmyslu, jaderné fyziky a teorie relativity, statistika a matematické modely atd.), si čím dál více vyžadovaly dlouhé a komplikované výpočty, pro které byly k dispozici pouze mechanické kancelářské kalkulátory, v lepším případě tabelátory s děrnými štítky, určené pro velmi úzký okruh úloh. Že je potřeba vyvinout zařízení, jež bude schopno provádět samočinné výpočty v řadě kroků, bylo nasnadě. Blížící se válečný konflikt (a ještě více po jeho začátku) tuto potřebu jen umocňoval. Z tohoto důvodu není překvapivé, že se koncept moderního programovatelného výpočetního stroje objevil v různých obměnách takřka současně na několika místech světa zatímco ve Spojených státech na něm nezávisle na sobě pracovali John Vincent Atanasoff a Howard Aiken, na druhé straně Atlantiku o něm snil matematický génius Alan Turing. Zcela osamocen, odtržen od těchto proudů, pracoval německý inženýr Konrad Zuse, jenž se díky své úžasné invenci a nezlomné vůli dopracoval k výsledkům, které dodnes vzbuzují obdiv. Narodil se v roce 1910 v Berlíně, ale dětství prožil v Braunsbergu ve východním Prusku, kam se jeho rodiče přestěhovali v předvečer první světové války. V Braunsbergu navštěvoval základní školu a pak i gymnázium. Na přání svého otce, jenž chtěl mít ze svého syna univerzitního profesora, se věnoval studiu latiny a starořečtiny, ačkoli mnohem více jej zajímalo výtvarné umění a technika. Ve své autobiografii Počítač moje životní dílo (Der Computer Mein Lebenswerk, 1993) poznamenává, že dlouho nevěděl, zda si vybrat studium malířství nebo techniky. Nakonec si zvolil studium stavebního inženýrství na Technické univerzitě v Berlíně. Na studia si přivydělával prodejem svých obrazů měl od dětství výtvarný talent a o malířství se zajímal po celý život. Již na univerzitě, kdy se musel potýkat s množstvím výpočtů souvisejících se statikou, se začal zabývat myšlenkou na konstrukci algebraického stroje, který by umožňoval řešení zdlouhavých výpočtů automaticky. Nebyla to myšlenka nijak nová. Stejná úvaha v devatenáctém století ovládala výstředního britského matematika Charlese Babbagea, nemluvě o dávných snech matematiků a vynálezců, jako byli Blaise Pascal či Wilhelm Schickard a řada dalších.

2 První pokusy Hned po ukončení studia v roce 1935 začal Konrad Zuse pracovat jako inženýr v továrně na výrobu letadel Henschel- -Flugzeugwerken v Schönefeldu nedaleko Berlína. V konstrukčních dílnách si znovu uvědomil, jaký by to byl přínos, kdyby obrovské množství jednotvárných výpočtů, kterých je zapotřebí při projektování statických nebo aerodynamických konstrukcí, mohl obstarat stroj. To jej motivovalo, aby s obnovenou silou pokračoval ve svém soukromém výzkumu v oblasti výpočetní techniky. V té době se v Německu rozšířilo využití amerických děrnoštítkových tabulátorů od firmy IBM, s jejichž konstrukcí začal Herman Hollerith. Tyto přístroje, využívané především k vyhodnocování statistických dat, Zuse znal. Jeho záměrem však nebylo vylepšení tabelátoru. Chtěl sestrojit zcela nový přístroj, jehož možnosti by byly univerzálnější. Aby mohlo takové zařízení provádět početní operace a současně pracovat s daty, dospěl v úvahách k teoretickému konceptu, založenému na základních předpokladech, které ve svých pamětech shrnul do dvou základních bodů: 1. vytvoření programu, 2. využití dvojkové (binární číselné) soustavy. Protože v zaměstnání nenašel pro svůj záměr pochopení, začal mladý inženýr pracovat na projektu výpočetního zařízení v berlínském bytě svých rodičů. Prototyp prvního stroje, původně označovaný V1 (později bylo označení změněno na Z1), sestavoval v obývacím pokoji, přičemž jednotlivé součástky vyráběl s pomocí několika kolegů ve volném čase v dílně závodu Henschel. Z1 byl v podstatě mechanický programovatelný počítač, jehož paměť využívala posuvných mechanických prvků, zpracovaných s vysokou přesností. Jediným elektrickým prvkem byl elektromotor. Pozoruhodné je, že Zuse dospěl k řešení, které bylo obdobné tomu, jaké zvolil Charles Babbage při konstrukci svého analytického stroje, aniž dílo britského matematika znal. (S Babbagovými projekty se seznámil až po válce, kdy s překvapením konstatoval, že využil snad všechny principy, které britský matematik vyzkoušel v prototypech svých výpočetních mašin.) Stejně tak, tedy nezávisle na díle irského matematika Georgea Booleho, dospěl k vytvoření matematické logiky založené na dvojkové soustavě, která byla využitelná pro jeho zařízení. Že tento systém matematické logiky, známý jako Booleova algebra, je zpracován, se dozvěděl až od jednoho svého spolupracovníka.

3 I když se Zuse domníval, že konstrukce stroje bude otázkou několika týdnů, práce si nakonec vyžádala dva roky. Slavnostní prezentace zet jedničky se ovšem nekonala, neboť mladý vynálezce nebyl s výsledkem spokojen. Příčinou byla aritmetická jednotka přístroje, která se ustavičně zasekávala, což způsobovalo nespolehlivost celého zařízení. Zuse tedy přístroj rozebral, aby mohl využít součástky ke konstrukci zdokonalené verze, označované později jako Z2. Tento přístroj disponoval vylepšenou mechanickou pamětí, ale pro vlastní výpočty již používal obvody na bázi telefonních elektromagnetických relé (což bylo v podstatě obdobné řešení, k jakému o pár let později dospěl Howard Aiken ve Spojených státech amerických). Přesto stále nesplňoval to, co od něj Zuse očekával. V té době, na počátku války, navíc získal cenného spolupracovníka v osobě Helmuta Schreyera. Schreyer, který byl elektrický inženýr, byl Zuseho prací nadšen a navrhl řadu vylepšení, které mohly vylepšit funkčnost přístroje. (V již zmíněné autobiografii Zuse dokonce popisuje, že Schreyer přišel již v předvečer války s myšlenkou použití elektronek, tedy ještě dříve, než tento koncept navrhl Američan John W. Mauchy.) Aby se vymanili z pouhého domácího hračičkářství, založili Zuse a Schreyer v roce 1940 společnost Zuse Apparatebau, jejímž záměrem byl vývoj a produkce výpočetních strojů pro vědecké účely. Funkční programovatelný počítač Že vývoj počítače Konrada Zuseho probíhal v krajně neutěšené době, není jistě třeba zdůrazňovat. Ještě před tím, než byl zcela dokončen zkušební model Z2, nacistické Německo napadlo Polsko a v rozhárané Evropě vypukla druhá světová válka. Když devětadvacetiletý Zuse obdržel povolávací rozkaz, zdálo se, že několikaleté úsilí, jehož výsledkem měl být funkční počítač, bude zmařeno. Nakonec jej zachránila odvaha jeho nadřízeného, který napsal na vojenské velitelství dopis s prosbou, aby tento mladý vynálezce dostal dovolenou na dokončení práce, jež bude velmi přínosná pro letecký průmysl. Velící důstojník údajně prohlásil: Nechápu, s čím by tenhle vynálezce ještě mohl přijít. Německé letectvo je přece nejlepší na světě. Nicméně díky tomuto dopisu a zřejmě i intervenci vlivných přátel Helmuta Schreyera (jenž byl členem NSDAP) byl Zuse o šest měsíců později osvobozen od vojenské povinnosti. Mohl pracovat nadále jako inženýr v leteckém průmyslu, a co víc, o konstrukci počítače projevila zájem i německá vláda. Celý projekt sice podléhal utajení, ale vedení německého letectva mu nepřisuzovalo takřka žádný strategický význam, zvláště na počátku čtyřicátých let. To však Zusemu a Schreyerovi vyhovovalo, neboť měli volné ruce a mohli se plně soustředit na konstrukci modelu Z3.

4 Druhou stranou mince byla skutečnost, že nikdo neschválil použití elektronek, jež navrhoval Helmut Schreyer. Důvod odmítnutí tohoto konceptu byl prostý: nikdo nevěřil tomu, že by zařízení obsahující dva tisíce křehkých elektronek bylo provozuschopné a využitelné. Zet trojka byla dokončena v polovině května 1941 a jednalo se zřejmě o první zcela funkční programovatelný počítač. Zařízení, vyplňující takřka půlku místnosti, obsahovalo elektromagnetických relé, přičemž relé bylo určeno pro paměť a 600 relé pro aritmetickou jednotku. V paměti mohlo být 64 slov dlouhých 22 bitů. Přístroj, pracující ve dvojkové soustavě a s čísly s plovoucí desetinnou čárkou, prováděl matematické operace v překvapivé rychlosti; programy byly do Z3 načítány z děrovaného filmu díky této inovaci nebylo nutné při výměně programu znovu ručně přenastavovat propojovací pole. Když Konrad Zuse se svými spolupracovníky předvedl možnosti počítacího stroje vědcům z Německého výzkumného ústavu letectva (Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt), dočkal se konečně uznání leč pouze od vědců, vedení Luftwafe nepochopilo, jaký potenciál by mohl počítač představovat. Z tohoto důvodu byl Helmut Schreyer z vývoje výpočetního stroje odvolán, aby se mohl věnovat práci, která byla podle nadřízených pro vojenské účely důležitější. Zet trojka našla využití při konstrukční práci v leteckém průmyslu pro statickou analýzu vibrací křídel letadel. Počítač byl zničen při spojeneckém bombardování Berlína v roce Na základě konceptu Z3 sestrojil Zuse jednodušší verze počítačů S1 a S2, které byly využívány pro balistické výpočty navádění raket V1, jimiž nacisté ke konci války ostřelovali Londýn. Podle Zuseho knihy pamětí tyto stroje skončily v roce 1945 v rukou sovětské armády, která ale patrně neodhalila, k čemu ve skutečnosti sloužily. I když sutiny ze zničeného hlavního města Třetí říše navždy pohřbily zet trojku, myšlenka žila dále. A co víc, o dvacet let později vznikla v Zuseho firmě přesná replika počítače Z3, která je v současnosti uložena v Deutsche Museum v Mnichově. Od roku 1942 neúnavný německý inženýr pracoval jednak na konceptu vyspělého programovacího jazyka pod označením Plankalkül (viz rámeček), jednak na dalším vývojovém stupni svého počítacího stroje Z4. Ten disponoval jak mechanickou pamětí s takřka dvacateronásobnou kapacitou, než jakou měl jeho předchůdce, tak i vylepšenou schopností programovatelnosti. Práci na tomto modelu ovšem komplikoval vývoj války. Poté, co byl počítač v polovině roku 1944 téměř zkompletován, musel být kvůli hrozbě bombardování neustále převážen z místa na místo.

5 Těsně před koncem války jej Zuse předvedl několika vědcům v univerzitním městě Göttingen, kolébce kvantové mechaniky. Ale i odtud byl na příkaz vedení Luftwafe odvezen společně s projekty tajných zbraní do Bavorska. Části rozebrané zet čtyřky Zuse společně se svou manželkou nakonec ukryl ve stodole v alpském městečku Hinterstein, čímž je zachránil před americkou posádkou, jejímž úkolem bylo počítač vypátrat. Společnost Zuse KG Bezprostředně po válce žil německý inženýr se svou manželkou a právě narozeným synem v Hintersteinu. Aby obstaral pro rodinu alespoň skromné jídlo, vyráběl a prodával dřevoryty, v nichž zobrazoval okolní krajinu. Tyto dřevoryty znovu upomínají na jeho nesporný výtvarný talent. Pokus obnovit společnost Zuse Apparatebau společně s Helmutem Schreyerem ztroskotal. Důvodem bylo, že na území Německa v té době nesměly vznikat společnosti na výrobu elektrických přístrojů. Zatímco Schreyer krátce nato odcestoval do Brazílie, kde se stal profesorem na univerzitě v Sao Paulu, Zuse zůstal v Německu s nadějí, že pro své počítače v budoucnosti najde podporu. Krátce nato jej v Hintersteinu navštívil Eduard Stiefer, profesor matematiky na Technické univerzitě v Curychu, který se zajímal o výpočetní techniku. Možnosti zet čtyřky ho nadchly a nabídl Zusemu, že stroj odkoupí pro svou univerzitu. Částka, kterou obdržel za model Z4, umožnila Konradu Zuseovi založit v Neukirchenu společnost Zuse KG. V budově bývalé pošty zkompletoval se svými spolupracovníky nejen zet čtyřku, která později sloužila pro vědecké výpočty na zmíněné curyšské Technické univerzitě, ale později i elektronkový model počítače Z22. Ačkoli situace v poválečném Německu nebyla pro rodící se počítačový byznys nijak příznivá (německé společnosti, které se ve válkou zničené zemi pomalu vzpamatovávaly, neměly kapitál na nákup tak drahých zařízení), společnosti Zuse KG se přesto podařilo i v této době prodat několik počítačů postavených na základě Z4, k objednavatelům patřily jednak firmy na výrobu optických přístrojů, jednak univerzity. Situace se změnila ve druhé polovině padesátých let, kdy Zuse KG velmi dobře prosperovala. O několik let později však už nebyla schopna konkurovat větším firmám, zvláště úspěšné americké společnosti IBM. Z tohoto důvodu se nakonec Konrad Zuse rozhodl pro prodej firmy, kterou nejprve získala společnost Rheinstahl, než se v roce 1969 stala součástí průmyslového konglomerátu Siemens AG. A Konrad Zuse? Věnoval se publikační a přednáškové činnosti a vedle počítačů, měl konečně i čas na svou druhou vášeň, jíž bylo malířství.