Z3 (كمبيوتر)

كان الحاسوب Z3 حاسوبًا كهروميكانيكيًا ألمانيًا صممه كونراد تسوزه عام 1938، واكتمل بناؤه عام 1941. وكان أول حاسوب رقمي قابل للبرمجة ويعمل بشكل آلي بالكامل في العالم . ^{[ 3 ]} بُني الحاسوب Z3 باستخدام 2600 مرحل ، مُنفذًا طول كلمة 22 بت ، ويعمل بتردد ساعة يتراوح بين 5 و10 هرتز . ^{[ 1 ]} كان رمز البرنامج يُخزن على فيلم مثقوب ، وتُدخل القيم الأولية يدويًا. ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] : 32-37} 

أُنجزت طائرة Z3 في برلين عام 1941. لم تُعتبر ذات أهمية حيوية، لذا لم تُستخدم في التشغيل اليومي. ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 7 ] [ 6 ] : 30، 38-39 [ أ ]} استنادًا إلى عمل مهندس الديناميكا الهوائية الألماني هانز جورج كوسنر (المعروف بتأثير كوسنر )، كُتب "برنامج لحساب مصفوفة معقدة" ^{[ ب ]} واستُخدم لحل مشاكل رفرفة الجناح . طلب ​​زوس من الحكومة الألمانية تمويلًا لاستبدال المرحلات بمفاتيح إلكترونية بالكامل، لكن رُفض التمويل خلال الحرب العالمية الثانية لأن هذا التطوير اعتُبر "غير ذي أهمية حربية". ^{[ 11 ] : 148}

دُمِّرَ النموذج الأصلي Z3 في 21 ديسمبر 1943 خلال قصف الحلفاء لبرلين . كان يُطلق على هذا النموذج في الأصل اسم V3 ( Versuchsmodell 3 أو النموذج التجريبي 3)، ولكن أُعيد تسميته لتجنب الخلط بينه وبين أسلحة V الألمانية . ^{[ 12 ]} في عام 1961، قامت شركة زوس، Zuse KG ، ببناء نسخة طبق الأصل تعمل بكامل طاقتها، وهي معروضة الآن بشكل دائم في المتحف الألماني في ميونيخ . ^{[ 6 ] : 30}

تم إثبات أن Z3 في عام 1998، من حيث المبدأ، كاملة تورينج . ^{[ 13 ]} ومع ذلك، نظرًا لافتقارها إلى التفرع الشرطي ، فإن Z3 لا تحقق هذا التعريف إلا من خلال حساب جميع النتائج الممكنة للحساب بشكل تخميني.

بفضل هذا الجهاز وما سبقه من أجهزة، يُنسب اختراع الحاسوب في كثير من الأحيان إلى كونراد تسوزه . ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}

صمّم زوس جهاز Z1 بين عامي 1935 و1936، وقام ببنائه بين عامي 1936 و1938. كان Z1 جهازًا ميكانيكيًا بالكامل، ولم يكن يعمل إلا لبضع دقائق في كل مرة على الأكثر. نصح هيلموت شراير زوس باستخدام تقنية مختلفة. ففي عام 1937، وخلال دراسته للدكتوراه في جامعة شارلوتنبورغ التقنية ( جامعة برلين التقنية حاليًا )، عمل على تطبيق العمليات المنطقية (أو ما يُعرف اليوم بالقلابات) باستخدام الصمامات المفرغة . وفي عام 1938، عرض شراير دائرةً مبنيةً على هذه التقنية أمام جمهور صغير، وشرح رؤيته لجهاز حاسوب إلكتروني، ولكن نظرًا لأن أكبر الأجهزة الإلكترونية العاملة آنذاك كانت تحتوي على عدد أقل بكثير من الصمامات، فقد اعتُبر هذا الأمر غير عملي. ^{[ ٢ ]} في ذلك العام، عندما قدّم زوس وشراير، الذي كان مساعدًا في معهد الاتصالات التابع لفيلهلم شتابلين في جامعة برلين التقنية، خطةً لجهاز كمبيوتر مزود بألفي أنبوب إلكتروني، شعر زوس وشراير، الذي كان مساعدًا في المعهد، بالإحباط من أعضاء المعهد الذين كانوا على دراية بمشاكل تقنية الأنابيب الإلكترونية. ^{[ ١٠ ] : ١١٣، ١٥٢.} يتذكر زوس لاحقًا: "ابتسموا لنا في عام ١٩٣٩، عندما أردنا بناء آلات إلكترونية... قلنا: الآلة الإلكترونية رائعة، ولكن يجب أولًا تطوير مكوناتها ." ^{[ ١٠ ] : ١٠٢.} في عام ١٩٤٠، تمكّن زوس وشراير من ترتيب اجتماع في القيادة العليا للجيش الألماني (OKW) لمناقشة مشروع محتمل لتطوير جهاز كمبيوتر إلكتروني، ولكن عندما قدّرا مدة المشروع بسنتين أو ثلاث سنوات، رُفض الاقتراح. ^{[ ١٠ ] : ١١٥}

قرر زوس تنفيذ التصميم التالي القائم على المرحلات. وقد ساهم كورت بانكه ، الذي كان يصنع آلات حاسبة صغيرة، في تمويل إنجاز جهاز Z2 . أُنجز جهاز Z2 وعُرض على جمهور من المختبر الألماني للطيران (Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt) عام 1940 في برلين-أدلرسوف. كان زوس محظوظًا، إذ كان هذا العرض من بين الحالات النادرة التي نجح فيها جهاز Z2 بالفعل، مما أقنع المختبر الألماني للطيران بتمويل التصميم التالي جزئيًا. ^{[ 2 ]}

في عام 1941، قام بتطوير الطائرة Z3، وهي طائرة أساسية من طراز Z2، ضمن مشروع سري للغاية للحكومة الألمانية. ^{[ 18 ]} كان جوزيف جينيسن (1905-1977)، ^{[ 19 ]} عضوًا في "قيادة البحث" ( Forschungsführung ) في وزارة طيران الرايخ، ^{[ 20 ]} وتولى الإشراف الحكومي على طلبات الوزارة لشركة زوسه، ZUSE Apparatebau . ^{[ 21 ]} وكان هربرت أ. فاغنر ، المتخصص في الديناميكا الهوائية، وسيطًا آخر بين زوسه ووزارة طيران الرايخ . ^{[ 22 ]}

أُنجزت معالجة Z3 في عام 1941، وكانت أسرع وأكثر موثوقية بكثير من Z1 وZ2. وقد طُوّرت حسابات الفاصلة العائمة في Z3 مقارنةً بـ Z1، حيث طبّقت معالجة الاستثناءات "باستخدام عدد قليل من المرحلات"، وأصبح بالإمكان توليد القيم الاستثنائية (موجب ما لا نهاية، سالب ما لا نهاية، وغير مُعرّف) وتمريرها عبر العمليات. كما أُضيفت إليها تعليمة الجذر التربيعي.

كان جهاز Z3، كغيره من الأجهزة السابقة، يخزن برنامجه على شريط مثقوب خارجي، مما أغنى عن إعادة توصيل الأسلاك لتغيير البرامج. مع ذلك، لم يكن مزودًا بخاصية التفرع الشرطي الموجودة في الحواسيب العالمية اللاحقة. ^{[ 23 ] : 7}

في 12 مايو 1941، تم تقديم Z3 لجمهور من العلماء بما في ذلك الأساتذة ألفريد تيشمان وكيرت شميدن ^{[ 24 ]} من Deutsche Ver suchsanstalt für Luftfahrt ("المختبر الألماني للطيران") في برلين ، ^{[ 25 ]} المعروف اليوم باسم مركز الفضاء الجوي الألماني في كولونيا . ^{[ 26 ]}

انتقل زوس إلى تصميم الصاروخ Z4 ، الذي أنجزه في ملجأ بجبال هارتس ، بالتزامن مع تطوير فيرنر فون براون للصواريخ الباليستية. وعندما انتهت الحرب العالمية الثانية، لجأ زوس إلى هينترشتاين في جبال الألب مع الصاروخ Z4، حيث مكث هناك لعدة سنوات. ^{[ 27 ]}

كان جهاز Z3 يعمل كآلة مكدس بمكدس مكون من سجلين، R1 وR2. تقوم عملية التحميل الأولى في البرنامج بتحميل محتويات موقع ذاكرة إلى R1؛ وتقوم عملية التحميل التالية بتحميل محتويات موقع ذاكرة إلى R2. تُنفذ التعليمات الحسابية على محتويات R1 وR2، وتُخزن النتيجة في R1، وتُفرغ R2؛ وتقوم عملية التحميل التالية بالتحميل إلى R2. تقوم عملية التخزين بتخزين محتويات R1 في موقع ذاكرة، وتُفرغ R1؛ وتقوم عملية التحميل التالية بتحميل محتويات موقع ذاكرة إلى R1. ^{[ 23 ] : 8}

تقوم عملية قراءة لوحة المفاتيح بقراءة رقم من لوحة المفاتيح وتخزينه في المسجل R1، ثم مسح المسجل R2. وتقوم تعليمة العرض بعرض محتويات المسجل R1 ومسح المسجل R2؛ وتقوم تعليمة التحميل التالية بتحميل البيانات في المسجل R2. ^{[ 23 ] : 8}

كان من الممكن إنشاء حلقات تكرارية على جهاز Z3، لكن لم تكن هناك تعليمات للتفرع الشرطي . ومع ذلك، كان جهاز Z3 كاملاً من حيث قدرة تورينج على التنفيذ - وقد أوضح راؤول روخاس في عام 1998 كيفية تنفيذ آلة تورينج شاملة على جهاز Z3 . اقترح روخاس أن يكون برنامج الشريط طويلاً بما يكفي لتنفيذ كل مسار ممكن عبر جانبي كل تفرع. سيحسب البرنامج جميع الإجابات الممكنة، لكن النتائج غير الضرورية ستُحذف (نوع من التنفيذ التخميني ). ويخلص روخاس إلى القول: "لذلك يمكننا القول، من منظور نظري مجرد، إن نموذج الحوسبة لجهاز Z3 يُعادل نموذج الحوسبة لأجهزة الكمبيوتر الحالية. أما من منظور عملي، وبالطريقة التي تمت بها برمجة جهاز Z3 فعلياً، فلم يكن يُعادل أجهزة الكمبيوتر الحديثة." ^{[ 13 ]}

هذا القيد الظاهري يخفي حقيقة أن جهاز Z3 قدّم مجموعة تعليمات عملية للتطبيقات الهندسية النموذجية في أربعينيات القرن العشرين. وإدراكًا منه للقيود المفروضة على الأجهزة آنذاك، كان هدف زوس الرئيسي في ذلك الوقت هو الحصول على جهاز عملي لتسهيل عمله كمهندس مدني . ^{[ 28 ]}

يُعزى نجاح جهاز Z3 الخاص بزوس غالبًا إلى استخدامه للنظام الثنائي البسيط. ^{[ 6 ] : 21} وقد اخترعه غوتفريد لايبنتز قبل ذلك بثلاثة قرون تقريبًا ؛ واستخدمه بول لاحقًا لتطوير جبره البولياني . استلهم زوس فكرته من كتاب هيلبرت وأكرمان حول المنطق الرياضي الأولي ، "مبادئ المنطق الرياضي" . ^{[ 10 ] : 113، 152.} في عام 1937، قدم كلود شانون فكرة ربط الجبر البولياني بالمرحلات الإلكترونية في عمل رائد حول تصميم الدوائر الرقمية . مع ذلك، لم يكن زوس على دراية بعمل شانون، وطوّر الأساس بشكل مستقل ^{[ 11 ] : 149} لجهازه الحاسوبي الأول Z1 ، الذي صممه وبناه بين عامي 1935 و1938.

قام زميل زوس هيلموت شراير ببناء نموذج تجريبي رقمي إلكتروني لجهاز كمبيوتر باستخدام 100 أنبوب مفرغ ^{[ 29 ]} في عام 1942، لكنه فُقد في نهاية الحرب.

قام عالم الصواريخ هيلموت هولزر ببناء حاسوب تناظري في عام 1942 في مركز أبحاث الجيش في بينيمونده لمحاكاة مسارات صواريخ V-2 ^{[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] . [ 33 ] [ 34 ]}

استخدم كل من جهاز كولوسوس ( 1943) ^{[ 35 ] [ 36 ]،} الذي بناه تومي فلاورز ، وجهاز أتاناسوف-بيري (1942) الصمامات الحرارية (أنابيب التفريغ) والتمثيل الثنائي للأرقام. وكانت البرمجة تتم عن طريق إعادة توصيل لوحات التوصيل وضبط المفاتيح.

استخدم حاسوب إينياك ، الذي اكتمل بناؤه بعد الحرب، الصمامات المفرغة لتنفيذ المفاتيح، واستخدم النظام العشري لتمثيل الأرقام. وحتى عام 1948، كانت البرمجة، كما هو الحال مع كولوسوس، تتم عبر أسلاك التوصيل والمفاتيح. ^{[ 37 ] [ 38 ]}

كان جهاز مانشستر بيبي عام 1948، إلى جانب مانشستر مارك 1 وإيدساك عام 1949 ، من أوائل الحواسيب العاملة في العالم التي خزّنت تعليمات البرنامج والبيانات في نفس المساحة. وقد طبّقت هذه الأجهزة مفهوم البرنامج المخزّن ، الذي يُنسب خطأً في كثير من الأحيان إلى ورقة بحثية نُشرت عام 1945 لجون فون نيومان وزملائه. ^{[ 39 ] [ 40 ]} ويُقال إن فون نيومان قد نسب الفضل في ذلك إلى آلان تورينج ، ^{[ 35 ] [ 41 ]} وقد ذُكر المفهوم بالفعل سابقًا من قِبل كونراد تسوزه نفسه، في طلب براءة اختراع عام 1936 (الذي رُفض). ^{[ 42 ] [ 43 ]} وقد ذكر كونراد تسوزه نفسه في مذكراته: "خلال الحرب، كان من الصعب للغاية بناء أجهزة فعّالة لتخزين البرامج على أي حال". ^{[ 44 ]} كتب فريدريك ل. باور لاحقًا: "كانت أفكاره الرائدة (البرامج الحية) التي لم تُنشر إلا بعد سنوات تهدف إلى الاتجاه العملي الصحيح، لكنه لم ينفذها قط." ^{[ 45 ] [ 46 ]}

• متوسط ​​سرعة الحساب: الجمع - 0.8 ثانية، الضرب - 3 ثوانٍ ^{[ 1 ]}
• وحدة الحساب: نظام الفاصلة العائمة الثنائي ، 22 بت، الجمع، الطرح، الضرب، القسمة، الجذر التربيعي ^{[ 1 ]}
• ذاكرة البيانات: 64 كلمة 22 بت ^{[ 1 ]}
• ذاكرة البرنامج: شريط السيلولويد المثقوب ^{[ 1 ]}
• المدخلات: أرقام عشرية ذات فاصلة عائمة ^{[ 1 ]}
• الناتج: أعداد عشرية ذات فاصلة عائمة ^{[ 1 ]}
• تم تسهيل الإدخال والإخراج بواسطة طرفية، مع لوحة مفاتيح خاصة للإدخال وصف من المصابيح لعرض النتائج ^{[ 2 ]}
• العناصر: حوالي 2000 مرحل (1400 للذاكرة) ^{[ 2 ]}
• التردد: 5-10 هرتز ^{[ 1 ]}
• استهلاك الطاقة: حوالي 4000 واط ^{[ 1 ]} 
• الوزن: حوالي طن واحد (2200 رطل) ^{[ 1 ]} 

بدأ ترميم حديث، بإشراف راؤول روخاس وهورست تسوزه، عام ١٩٩٧ وانتهى عام ٢٠٠٣. وهو معروض الآن في متحف كونراد تسوزه في هونفيلد، ألمانيا. ^{[ ٤٧ ] [ ٤٨ ]} تم تخفيض سعة الذاكرة إلى النصف لتصبح ٣٢ كلمة. يبلغ استهلاك الطاقة حوالي ٤٠٠  واط، والوزن حوالي ٣٠ كيلوغرامًا (٦٦ رطلاً) . ^{[ ٤٩ ]} 

في عام 2008، بدأ هورست تسوزه عملية إعادة بناء سيارة Z3 بنفسه. ^{[ 50 ]} وعُرضت السيارة في عام 2010 في متحف كونراد تسوزه في هونفيلد. ^{[ 51 ] [ 52 ]}

• تاريخ أجهزة الحوسبة
• التدوين البولندي العكسي (RPN)

• روخاس، راؤول ؛ داريوس، فرانك؛ جوكتكين، جونيت؛ هاين، جورج (22 أغسطس/آب 2005). "إعادة بناء جهاز Z3 لكونراد تسوزه". حوليات IEEE لتاريخ الحوسبة . 27 (3): 23-32 . doi : 10.1109/mahc.2005.48 . eISSN 1934-1547 . ISSN 1058-6180 . S2CID 16288658 .   
• روخاس، راؤول (ربيع 2006) [12-05-2005]. "حواسيب زوس" . القيامة - نشرة جمعية صيانة الحواسيب (نص مُحرَّر للخطاب). المجلد  37. ندوة الحوسبة قبل الحواسيب، متحف العلوم: جمعية صيانة الحواسيب (CCS). الرقم الدولي الموحد للدوريات 0958-7403 . مؤرشف من الأصل في 25-06-2022 . تم الاطلاع عليه في 26-07-2008 . 

• صفحة Z3 على موقع هورست تسوسي
• حياة وأعمال كونراد تسوزه
• مجموعة بول إي. سيروزي عن كونراد تسوزه (CBI 219) . معهد تشارلز باباج ، جامعة مينيسوتا. تحتوي المجموعة على تقارير منشورة ومقالات ومواد تعريفية بالمنتجات ومواد أخرى.