Fordomsteknik

Detta inlägg är del två i en serie om Konrad Zuse, mannen som 1936 lade grunden till den moderna datorn. Läs del ett här.

När vi sist såg Konrad Zuse hade han precis färdigställt Z1, världens första elektriska dator. Han konstruerade den av 30.000 figursågade metallskivor i sina föräldrars vardagsrum. Men han var inte helt nöjd med den. Mekanikens komplexitet krävde en finmekanisk precision som han helt enkelt inte kunde uppnå på egen hand, vilket gjorde maskinen opålitlig. Zuse valde istället att gå vidare med elektriska reläer. Han hade övervägt dem redan till Z1, men kom att välja metallskivorna eftersom de var kompaktare – en relämaskin hade förmodligen inte ens fått plats i vardagsrummet. Nu började han dock bygga en ny maskin.

Vi kan här notera att Zuse redan nu övervägde att bygga sin maskin med vakuumrör. Idén kom från hans vän Helmut Screyer, en ingenjör i högfrekvensteknik, men Zuse trodde först att det var ett skämt (han beskrev det som en ”Schnappsidée”). Men när vännerna diskuterat tanken kom de fram till att den var fullt tänkbar. Elektronrör var åtskilligt snabbare än såväl mekanik som reläer. De fann dock att tekniken inte var mogen för det: logiska operatorer fanns inte i rörform, och de lämpade sig dåligt att seriekopplas på det sätt som behövdes.

Zuse återanvände det mekaniska minnet, som fungerade bra nog och var mycket billigt att bygga (och som han dessutom hade patent på), men konstruerade en ny beräkningsenhet av 800 begagnade reläer som han skaffat från gamla telefonväxlar. Resultatet kallade han Z2, och den övertygade honom om att reläer var en användbar teknik, och den tekniken ville han nu ta till sin fullländning.

Problemet var att Zuse började bygga sin Z2 1939, och kriget satte käppar i hjulet för honom. Han blev inkallad till soldat i infanteriet, och hade begränsad tid att arbeta med konstruktionen. Han vände sig till militären för att försöka övertyga dem om att dessa räknemaskiner var av nationellt intresse, men när myndigheterna fått klart för sig att han behövde flera år på sig fick han avslag – hur lång tid trodde han egentligen att det skulle ta att vinna kriget!? Hans maskin bedömdes som ”strategiskt ointressant” i ett Tyskland där kriget styrde allting. Men han slapp ifrån sin militärtjänstgöring, inte för att bygga datorer, utan för att fortsätta sitt gamla arbete med att konstruera flygplan.

Zuse arbetade dock vidare på sina idéer på fritiden och slutförde arbetet med Z2 1941. När han kunde visa upp en färdig maskin lyckades Zuse få upp intresse för den från statsmakten, och det tyska aerodynamiska forkningsinstitutet gav honom ett mindre anslag. De närmaste två åren skulle han tillämpa sina tankar på en dator helt byggd av elektriska reläer, kallad Z3, som skulle bevisa att denna teknik var kommersiellt användbar.

Med elektronikens hjälp kunde han nu också realisera sina planer på en mycket avancerad logisk beräkningsenhet. Den kunde förutom heltal också hantera flyttal – alltså decimaltal som beskrivs på ett sätt som är oberoende av decimalkommats placering, vilket möjliggör även mycket små och mycket stora tal. Detta behärskade t ex IBM inte förrän 1954. Den hade sinnrika metoder för att multiplicera och dividera med mycket få klockcykler, och kunde även beräkna kvadratrötter. Den hade till och med representationer för oändligt stora tal, och kunde hantera sådana oändligheter matematiskt korrekt. Maskinen kunde köras med en klockfrekvens på 5,3 Hertz innan reläerna började få överslag, vilket möjliggjorde multiplikation av två flyttal på tre sekunder. Som de tidigare maskinerna hade den ett minne som kunde lagra 64 tal, och var fullt programmerbar från hålremsor. Den bestod av 2400 reläer, vägde ett ton och had en strömförbrukning på omkring 4 kilowatt. Z3 var världens första fullt fungerande och generellt programmerbara dator.

Zuse hade vid den här tiden startat ett företag vid sidan om arbetet på aerodynamikinstitutet, och beslöt sig 1942 för att börja bygga en maskin kallad Z4 – denna gång med kommersiell avsikt. Men arbetet gick trögt under kriget. Hans tidigare arbetsgivare, flygplanstillverkaren Henschel, lät honom dock bygga två relämaskiner för att mäta ytan på vingar med. Dessa, kallade S1 och S2, bestod av 600 respektive 800 reläer och stod klara 1942. De var sannolikt de första datorer i världen som användes inom industriproduktion. S2 hade dessutom en analog- till digitalomvandlare, sannolikt även denna den första i sitt slag.

Arbetet med Z4 tog större delen av tiden fram till krigsslutet. Det blev allt svårare att arbeta i Berlin, och från 1943 bombades staden nästan dagligen. Zuse fick flytta maskinen till säkrare lokaler flera gånger, och de tidigare maskinerna föll alla offer för bomber. Till slut blev situationen i Berlin ohållbar. Zuse och hans fru Gisela, som var gravid vid tillfället, bestämde sig för att fly till Göttingen, där han skulle presentera sin dator för professorer på aerodynamikinstitutet.

Datorn i sig kom att göra detta enklare – men enbart på grund av ett missförstånd. Jag har här benämnt Zuses maskiner Z1-Z4, men det är något av en efterhandskonstruktion. Vid denna tid kallade Zuse dem för V1-V4, där V stod för Versuchsmodell, försöksmodell. Detta ledde till att militären misstog Z4 för att vara en efterföljare till den ökända raketen V2, vilket i sin tur ledde till att Zuse fick förfogande till en militär lastbil. I den flydde han mot Göttingen, med sin gravida fru i passagerarsätet och sin banbrytande maskin på lastbilsflaket. Men det han såg i Göttingen skulle få honom att fly vidare. I nästa avsnitt ska jag berätta om detta, och hur Konrad Zuse slutförde arbetet på Europas enda dator med hjälp av konservburkar och träsnittstavlor.

Året är 1989 och en nästan åttioårig tysk man betraktar en precis färdigställd maskin. Den består huvudsakligen av små metallskivor sågade i olika former, hängande på metallstänger och drivna av en elektrisk motor. Maskinen har kostat omkring 800.000 D-mark att färdigställa, och det mesta har bekostats av ett företagskonsortium med Siemens AG i spetsen. Dessa pengar hade räckt till tio fabriksnya Mercedes 500 SE, men dessa företag har istället valt att lägga pengarna på en maskin utan någon egentlig praktisk tillämpning.

Mannen heter Konrad Zuse, och maskinen är en replika av Z1, den första egentliga datorn, som han konstruerade i sina föräldrars vardagsrum 1936-38.

Zuse började fundera på räknemaskiner 1934. Han var då 24 år gammal och civilingenjör hos flygtillverkaren Henschel. Han var genuint uttråkad av alla beräkningar han var tvungen att göra i tjänsten, och började fundera. Skulle inte allt det där mekaniska räknandet som ingenjörer världen över behövde göra kanske göras bättre av, tja, mekaniska räknare?

Tankarna ledde honom till en serie uppfinningar som ännu idag ter sig förvånansvärt moderna, och som om de presenterats på engelska snarare än tyska kanske hade fått betydligt större uppmärksamhet. Ja, det finns till och med de som säger att om tidsresor skulle visa sig möjliga, så är Konrad Zuse en av de bästa kandidaterna till att ha tagit med sig framtidsteknik tillbaka till 1930-talet.

Zuses fält var mekanik, inte elektronik, och han insåg att mekanisk logik enklast konstruerades utgående ett binärt system där de enskilda delarna endast kunde befinna sig i ett av ändlägena. Detta system för att arbeta med heltal och decimaltal i binär form påminner förvånansvärt mycket om det som än idag används i datorer. Men inte nog med det, han ansåg också att maskinen skulle vara helt flexibel i vilka uppgifter den skulle kunna ta – idag skulle vi säga programmerbar. Zuses tanke var att låta instruktionerna – programmet – vara nedtecknat i form av hål i en remsa, som kunde följas av en läsare och agera på indata som var lagrat i ett maskinminne, också bestående av binär mekanik.

Om teorin var modern så var dock praktiken mer ovan för dagens ögon. Zuse var som sagt ingen elektrotekniker, så han byggde sin maskin av metallskivor som han sågade till med en figursåg i rätt form, och sedan hängde upp i metallpinnar. En elektrisk motor kunde skjuta dessa metallskivor i en ledd, och det indata som kom från hålremsläsaren fick dem att förskjutas i en annan ledd. Skivorna hakade på så sätt i varandra, rörelserna fortplantades genom de sinnrikt formade skivorna, och på det sättet ufördes beräkningar som sedan lagrades i minnet, också det bestående av metallskivor. Maskinen hade också in- och utmatningsenheter för att ta in respektive skriva ut värden, samt en kontrollenhet för hela maskinen.

Denna konstruktion med sina distinkt olika delsystem var den allra första i sitt slag, men dess principiella uppbyggnad används även av den dator du läser det här på. Den enda större skillnaden mot en nutida dator är att Zuses maskin, som han kallade Z1, inte läste in programmet i minnet innan det utfördes. I samtida dokument kan läsas att han övervägde den lösningen, men att den skulle kräva för mycket minne för att vara motiverbart. Istället kördes programmet direkt från hålremsläsaren i samma takt som det lästes av. Som hålremsor använde Zuse vanlig 35-millimeters fotofilm.

Hur som helst måste Z1, där den 1936 stod i vardagsrummet hos hans uppenbarligen mycket förstående föräldrar, betraktas som den första fritt programmerbara datorn. Idag är denna mycket grundläggande datorarkitektur känd som Von Neumann-arkitekturen, men John von Neumann beskrev den inte förrän 1945.

Z1 var bestyckad med 64 enheter minne om 22 bitar vardera, och dess motor kunde ge den en klockfrekvens av en Hertz – alltså en enkel beräkning per sekund. Idag när vi mäter minne i gigabytes och klockfrekvens i gigahertz kan detta verka oanvändbart, men det betydde att den kunde dividera två stora decimaltal med varandra på tio sekunder, och det var någonting helt revolutionerande på trettiotalet. Ja, faktum är att IBM:s första dator som alls kunde hantera decimaltal inte dök upp förrän 1954. Z1 kunde ta emot decimaltal från ett slags tangentbord, som konverterades till ett internt format mycket likt det som ännu används i dagens datorer. Den kunde också visa resultatet för användaren i decimal form. Den bestod av omkring 30.000 av de figursågade metallblecken och vägde runt ett ton.

Konrad Zuse hade vid det här laget sagt upp sig från sitt arbete för att färdigställa sin maskin, och han hade fått patent på minneskonstruktionen. Maskinen hade tagit honom två år att bygga, men han var inte helt nöjd med den. Metallskivorna som skötte beräkningen var inte pålitliga på grund av maskinens stora komplexitet, och han beslöt sig för att utvärdera en annan binär teknik, nämligen elektriska reläer. I nästa del ska vi titta närmare på de maskiner han byggde med reläteknik, och vi ska följa honom på flykt genom ett krigshärjat Tyskland med sina maskiner på lastbilsflaket.

Den omkonstruerade Z1 på Deutsches Technikmuseum Berlin. Bild: Wikipedia.