اما در سایه سنگین جنگ جهانی دوم، دور از آزمایشگاه‌های مجهز دولتی و بودجه‌های کلان نظامی، مهندسی جوان در اتاق نشیمن آپارتمان والدینش در برلین در حال ساخت دستگاهی بود که امروز به‌عنوان یکی از نخستین کامپیوترهای دیجیتال، برنامه‌پذیر و کاملاً خودکار دنیا شناخته می‌شود.

این داستان، روایت تلاش‌های بی‌وقفه کُنراد زوسه (Konrad Zuse) است. او مهندسی بود که کامپیوتر Z3 را به‌عنوان افتخار مهندسی دوران خود خلق کرد، اما ماشین جنگی و بروکراسی زمانه، او را دهه‌ها از جایگاه واقعی‌اش در تاریخ فناوری دور نگه داشت.

از استاتیک خسته‌کننده تا رویای دستگاه خودکار محاسبه

کنراد زوسه در سال ۱۹۱۰ در برلین متولد و در سال ۱۹۳۵ در رشته مهندسی عمران از دانشگاه فنی برلین فارغ‌التحصیل شد. پس از پایان تحصیلات، در دوران پیشاجنگ که صنعت آلمان به‌سرعت در حال رشد بود، او به‌عنوان مهندس سازه در شرکت هواپیماسازی هنشل شروع به‌کار کرد.

زوسه که ذهنی تصویرساز داشت، به این نتیجه رسید که باید راهی برای رهایی از فرسودگی محاسبات دستی یافت. او در سال ۱۹۳۴ به این درک بنیادی رسید که یک دستگاه محاسبه‌گر خودکار نیازمند سه واحد اصلی است: واحد کنترل، واحد پردازشگر (حساب) و واحد حافظه. این تفکیک میان واحد کنترل، محاسبه و حافظه، بعدها به یکی از اصول بنیادین معماری کامپیوترهای مدرن تبدیل شد.

پیشرفت ایده‌ها و نداشتن زمان برای پیاده‌سازی آن‌ها، زوسه را بر آن داشت تا در سال ۱۹۳۵ شغل باثبات خود را رها و با وجود مخالفت‌های خانواده، کارگاه کوچکی را در آپارتمان والدینش برپا کند.

پیش‌گامان صفر و یک: تکامل Z1 و Z2

مسیر ساخت کامپیوتر زوسه از ایده‌های روی کاغذ تا دستگاهی فیزیکی، مملو از آزمون و خطاهای مهندسی بود. زوسه با کمک مالی دوستان و خانواده‌اش، در سال ۱۹۳۸ نخستین ماشین خود را به‌نام Z1 (که در ابتدا V1 مخفف Versuchsmodell 1 نامیده می‌شد) تکمیل کرد.

برخلاف چارلز ببیج که در قرن نوزدهم ماشین تحلیلی خود را بر پایه سیستم دهدهی طراحی کرده بود، زوسه Z1 را به‌عنوان یک دستگاه کاملاً دودویی (صفر و یک) ساخت.

ماشین Z1 کاملاً مکانیکی بود. زوسه به‌جای چرخ‌دنده‌ها، از صفحات فلزی و پین‌هایی استفاده می‌کرد که حرکت خطی آن‌ها صفر و یک را نشان می‌داد. این ماشین توانایی پردازش اعداد ممیز شناور را نیز داشت و از نوار سوراخ‌دار برای دریافت دستورات استفاده می‌کرد. با این حال، اصطکاک و گیر کردن مکرر قطعات مکانیکی باعث می‌شد تا سیستم در انتقال سیگنال‌ها با خطاهای مکرر مواجه شود و عملاً ناپایدار باشد.

زوسه با درک محدودیت‌های مکانیک مطلق، در توسعه نسل بعدی یعنی Z2، رویکرد الکترومکانیکی اتخاذ کرد. او دریافت که استفاده از رله‌های الکترومکانیکی موجود در در تجهیزات تلفن (سوئیچ‌هایی که با جریان الکتریکی قطع و وصل می‌شوند) بسیار کارآمدتر از اهرم‌های فلزی است.

دستگاه Z2 در سال ۱۹۴۰ تکمیل شد و اگرچه هنوز حافظه مکانیکی Z1 را یدک می‌کشید، او توانست در یک ارائه موفقیت‌آمیز، مدیران مؤسسه تحقیقات هوانوردی آلمان را در میانه جنگ جهانی دوم متقاعد کند تا بودجه‌ای محدود برای توسعه مدل بعدی به او اختصاص دهند.

موفقیت Z2 برای زوسه فقط به معنای دریافت بودجه نبود، این موفقیت او را به مهم‌ترین قطعه فناوری آن دوران، یعنی رله‌های تلفنی، نزدیک‌تر کرد. آلمان در میانه جنگ قرار داشت و از کمبود شدید مواد اولیه و تجهیزات صنعتی رنج می‌برد. برای زوسه، تهیه هزاران رله به منظور پیشبرد پروژه تحقیقاتی شخصی، تقریباً غیرممکن به‌نظر می‌رسید. زوسه ناچار شد بخشی از قطعات مورد نیاز خود را از تجهیزات مستعمل مخابراتی یا انبارهای مازاد تهیه کند.

تولد Z3: شاهکار مهندسی در دل جنگ

ساخت Z3 بیش از آنکه شبیه یک پروژه دانشگاهی باشد، به یک نبرد فرساینده با کمبود قطعات، خطاهای سیم‌کشی و محدودیت‌های جنگ شباهت داشت. در دوره‌ای که هنوز مدار چاپی (PCB) وجود نداشت، هزاران سیم، اتصال و کنتاکت مکانیکی باید با دقت در کنار یکدیگر قرار می‌گرفتند تا ماشین بتواند حتی ساده‌ترین عملیات ریاضی را انجام دهد.

با حمایت جزئی دولت، زوسه در ۱۲ مه ۱۹۴۱ کامپیوتر Z3 را در برلین به جمعی از دانشمندان از جمله آلفرد تایشمان (Alfred Teichmann) و کورت اشمیدن (Curt Schmieden) ارائه کرد. این دستگاه با بودجه‌ای در حدود ۵۰ هزار رایش‌مارک (معادل چند صد هزار دلار امروزی) ساخته شد. در شرایطی که تامین نوارهای کاغذی استاندارد به‌دلیل جنگ دشوار بود، زوسه با خلاقیتی بی‌نظیر از نوارهای فیلم سلولوئیدی ۳۵ میلی‌متری دور ریخته‌شده برای پانچ کردن کدهای برنامه استفاده کرد.

ساختار سخت‌افزاری Z3 بسیار جالب توجه بود. جدول زیر مشخصات فنی این غول الکترومکانیکی را به‌طور خلاصه نشان می‌دهد:

نوآوری در معماری: استفاده خلاقانه از ممیز شناور

در مقایسه با بسیاری از ماشین‌های محاسباتی هم‌دوره و حتی برخی سامانه‌های تخصصی بعدی مانند Colossus بریتانیا، یکی از مهم‌ترین ویژگی‌هایی که Z3 را از سایر دستگاه‌های محاسباتی هم‌عصر خود متمایز می‌کرد، استفاده از معماری اعداد ممیز شناور دودویی بود.

زوسه برای حل این مشکل، از نمایش نیمه‌لگاریتمی استفاده کرد. در کامپیوتر Z3، هر کلمه ۲۲ بیتی به این شکل ساختار یافته بود:

• ۱ بیت برای علامت عدد (Sign)
• ۷ بیت برای توان (Exponent) همراه با علامت آن
• ۱۵ بیت برای مانتیس یا بخش اعشاری (Mantissa)، که شامل ۱۴ بیت ذخیره‌شده و ۱ بیت پنهان بود.

رابطه ریاضی برای بازسازی این اعداد به فرمول آشنای زیر شبیه بود :

این ساختار پیشگامانه به Z3 اجازه می‌داد تا عملیات پایه ریاضی از جمله جمع، تفریق، ضرب، تقسیم و حتی استخراج ریشه دوم (جذر) را با دقت و بهینگی بی‌نظیری نسبت به سایر دستگا‌ه‌های هم‌عصر خود انجام دهد. ایده استفاده از نمایش ممیز شناور دودویی بعدها در نسل‌های بعدی کامپیوترها تکامل یافت و سرانجام در استاندارد IEEE 754 به‌شکلی رسمی استانداردسازی شد.

معمای Z3 و ماشین تورینگ

یک پردازنده از نگاه علوم کامپیوتر، زمانی کامل ارزیابی می‌شود که بتواند از نظر تئوری هر الگوریتم قابل محاسبه‌ای را پردازش کند. این مفهوم که با نام تورینگ کامل (Turing-complete) معروف است، در سال ۱۹۳۶ توسط آلن تورینگ در مقاله مشهوری، به‌عنوان پایه نظری محاسبات معرفی شده بود.

برای سال‌ها Z3 به دید یک ماشین تورینگ کامل نگاه نمی‌شد. بزرگترین انتقاد وارده به Z3، نبود دستور پرش شرطی در ساختار سخت‌افزاری آن بود. پرش شرطی (معادل ساختار If/Else)، پایه‌ای‌ترین مفهوم در برنامه‌نویسی مدرن است.

به‌دلیل فقدان این دستور، تا دهه‌ها تصور می‌شد که ماشین زوسه، برخلاف انیاک که در سال ۱۹۴۶ ساخته شد، یک کامپیوتر جامع نیست. خود زوسه نیز به‌دلیل کاربردهای صرفاً مهندسی، نیازی به طراحی پرش شرطی در ماشین خود احساس نکرده بود و اساساً در آن دوران شناختی از مقالات تورینگ نداشت.

بیداری غول خفته: چگونه ۱۸ هزار لامپ خلا در یک زیرزمین تاریک، آینده بشر را رقم زد؟

اما در سال ۱۹۹۸، رائول روخاس (Raúl Rojas)، استاد علوم کامپیوتر، در مقاله‌ای اثبات کرد که Z3 می‌تواند در عمل یک ماشین تورینگ کامل باشد. روخاس نشان داد که با اعمال برخی فرض‌های نظری، از جمله تبدیل نوار برنامه به یک حلقه نامتناهی، می‌توان Z3 را به یک ماشین تورینگ-کامل تبدیل کرد.

ویرانی، فرار و بازسازی: سرنوشت Z3 و خلق Z4

یکی از نکات کمتر شناخته‌شده درباره Z3 این است که زوسه در سال‌های جنگ بارها تلاش کرد توجه مقامات نظامی را به ظرفیت‌های محاسباتی ماشین خود جلب کند. بااین‌حال، بسیاری از مسئولان آلمانی هنوز کامپیوتر را چیزی فراتر از یک ماشین‌حساب سریع نمی‌دانستند.

در آن دوران مفهوم رایانش همه‌منظوره اساساً هنوز شکل نگرفته بود و کمتر کسی می‌توانست کاربردهای گسترده چنین دستگاهی را درک کند. این سوءبرداشت تاریخی باعث شد پروژه زوسه هرگز به اولویت راهبردی حکومت آلمان تبدیل نشود.

علی‌رغم توانمندی‌های بی‌نظیر Z3، دولت نازی هیچ‌گاه ارزش واقعی آن را درک نکرد. این دستگاه تنها برای محاسبات لرزش بال هواپیماها بر اساس اثر کوسنر استفاده شد. زمانی که زوسه درخواست بودجه‌ای برای جایگزین کردن رله‌های کُند الکترومکانیکی با لوله‌های خلأ (سوئیچ‌های کاملاً الکترونیکی) کرد، مقامات با این استدلال دست رد به سینه او زدند:

این پروژه اهمیت جنگی ندارد. (Dieses Projekt hat keine militärische Bedeutung)

در شب ۲۱ دسامبر ۱۹۴۳، در جریان بمباران هوایی سنگین نیروهای متفقین بر فراز برلین، آپارتمان زوسه و کارگاه او با خاک یکسان شد. ماشین Z3 به‌همراه تمامی نمونه‌های قبلی، اسناد مهندسی و نقشه‌ها در آتش سوخت. امروزه تنها یک تصویر مهندسی از آن دوران باقی مانده است و دستگاهی که در موزه فناوری آلمان در مونیخ در معرض دید عموم قرار دارد، نسخه‌ای بازسازی‌شده است که در سال ۱۹۶۱ توسط شرکت بنا نهاده شده توسط زوسه (Zuse KG) ساخته شد.

اما زوسه تسلیم نشد. او حتی پیش از پایان جنگ، کار بر روی دستگاه پیشرفته‌تر Z4 را آغاز کرده بود. با پیشروی نیروهای شوروی از شرق و متفقین غربی، زوسه دستگاه Z4 را در جعبه‌هایی بسته‌بندی کرد و به‌همراه تیمش، سفری پرمخاطره را آغاز نمود. آن‌ها دستگاه را به روستای هینترشتاین در رشته‌کوه‌های آلپ در باواریا بردند و در سردابی مخفی کردند تا از گزند مصادره توسط نیروهای متفقین در امان بماند.

کمی بعد، زوسه این غول الکترومکانیکی را به روستای هوپفراو منتقل کرد و آن را در یک اصطبل تغییر کاربری‌داده‌شده (یا به روایتی دیگر، انبار آرد یک نانوایی) مستقر کرد. در همین محیط روستایی و در کنار گله گوسفندان، زوسه با قطعات بازیافتی و حلبی‌های به‌جامانده از سربازان آمریکایی، به بازسازی و تکمیل کامپیوتر خود پرداخت.

در سال ۱۹۵۰، پروفسور ادوارد اشتیفل (Eduard Stiefel) از موسسه فناوری فدرال سوئیس (ETH Zurich)، پس از بازدید از این دستگاه، آن را برای دانشگاه اجاره کرد. سرانجام Z4 در ۱۹۵۰ به ETH زوریخ رسید و در اوایل آن دهه تنها کامپیوتر دیجیتالِ فعال در قاره اروپا بود.

دعوای حقوقی بر سر اختراع: پرونده تلخ Z391

در کنار چالش‌های جنگ و آوارگی، زوسه باید در جبهه‌ای دیگر و در یک نبرد حقوقی، برای اثبات حق اختراع دستگاه خود نیز می‌جنگید. او برای نخستین بار در ۱۶ ژوئن ۱۹۴۱، مدت کوتاهی پس از رونمایی Z3، درخواست ثبت اختراع خود را با شماره پرونده Z26476 IXb/42m به اداره ثبت اختراعات رایش تحویل داده بود. اما به‌دلیل شرایط جنگی، این درخواست مسکوت ماند.

پس از پایان جنگ، زوسه در سال ۱۹۵۰ این پرونده را با شماره جدید Z391 در اداره ثبت اختراعات آلمان غربی دوباره به جریان انداخت. درخواست او در دسامبر ۱۹۵۲ منتشر شد، اما با مقاومت و مخالفت شدید شرکت‌های بزرگ و تولیدکنندگان ماشین‌حساب مواجه شد. شرکت IBM و شرکت آلمانی Triumph-Werke (سازنده موتورسیکلت و ماشین‌های حسابداری) با طرح اعتراضات متوالی سعی کردند تا از صدور یک ثبت اختراع جامع کامپیوتر برای زوسه جلوگیری کنند.

این کشمکش فرسایشی بیش از یک دهه به طول انجامید. سرانجام در اواسط سال ۱۹۶۷، یعنی بیست و شش سال پس از ثبت اولیه، دادگاه فدرال ثبت اختراعات آلمان با این ادعا که معماری این دستگاه فاقد ویژگی‌های نوآوری لازم است، تمامی ادعاهای زوسه را رد کرد و او از دریافت حق اختراع دستگاه خود محروم ماند. لیست تمام ثبت اختراع‌های زوسه را می‌توانید از این لینک دنبال کنید.

زوسه که تحت فشارهای مالی بود، مجبور شد شرکت خود را در میانه دهه ۱۹۶۰ به BBC واگذار کند. سپس بین سال‌های ۱۹۶۷ تا ۱۹۶۹ این شرکت به Siemens رسید. خود زوسه هم بعدتر از شرکت کنار رفت و به کار مشاوره ادامه داد

پلان‌کالکول: پیشگام در دنیای کدنویسی

میراث کنراد زوسه تنها به سخت‌افزار محدود نبود. او بین سال‌های ۱۹۴۳ تا ۱۹۴۵، زمانی که امکان توسعه سخت‌افزار به حداقل رسیده بود، یکی از نخستین زبان‌های برنامه‌نویسی سطح بالا و الگوریتمیک دنیا را با نام پلان‌کالکول (Plankalkül) طراحی کرد. این زبان که بر اساس منطق ریاضی و برای حل مسائل پیچیده طراحی شده بود، به‌دلیل فروپاشی آلمان و مشکلات پس از جنگ، تا سال ۱۹۷۲ به‌صورت رسمی منتشر نشد.

تا آن زمان، زبان‌های برنامه‌نویسی دیگری نظیر فورترن (FORTRAN) و کوبول (COBOL) توسعه یافته بودند و پلان‌کالکول هیچ‌گاه به‌صورت تجاری مورد استفاده قرار نگرفت. بااین‌حال، ساختارهای به‌کار رفته در آن نشان می‌داد که زوسه دهه‌ها پیش از شکل‌گیری صنعت نرم‌افزار، چالش‌های نوشتن الگوریتم‌های پیچیده را درک کرده بود.

بااین‌حال، بررسی‌های بعدی نشان داد که پلان‌کالکول مفاهیمی را در خود داشت که سال‌ها بعد در زبان‌های برنامه‌نویسی مدرن رایج شدند؛ از جمله تعریف ساختارهای داده، انتساب مقادیر، زیرروال‌ها و توصیف الگوریتم‌ها به‌شکلی مستقل از سخت‌افزار. به‌همین‌دلیل بسیاری از مورخان علوم کامپیوتر، آن را نخستین تلاش جدی برای طراحی یک زبان برنامه‌نویسی سطح بالا می‌دانند.

علاوه‌براین، زوسه در سال ۱۹۶۹ کتاب پیشگامانه خود با عنوان فضای محاسباتی (Rechnender Raum) را منتشر و در آن تئوری فیزیک دیجیتال را پایه‌گذاری کرد. او معتقد بود که قوانین هستی بر پایه محاسبات گسسته عمل می‌کنند و جهان را می‌توان به‌عنوان خروجی محاسبات یک اتوماتای سلولی (دستگاه چندمرحله‌ای) عظیمی تصور کرد.

چرا Z3 نقطه عطف تاریخ کامپیوتر محسوب می‌شود؟

اگرچه Z3 از بسیاری جهات با کامپیوترهای امروزی تفاوت داشت، چند مفهوم بنیادین را وارد دنیای محاسبات کرد. این مفاهیم هنوز در معماری سامانه‌های مدرن دیده می‌شوند.

نخست، این ماشین یکی از اولین نمونه‌های موفق استفاده عملی از محاسبات دودویی در مقیاس بزرگ بود. در دورانی که بسیاری از ماشین‌های محاسباتی بر پایه دهدهی طراحی می‌شدند، زوسه نشان داد که نمایش دودویی می‌تواند پیاده‌سازی سخت‌افزاری ساده‌تر و قابل‌اعتمادتری داشته باشد.

دوم، Z3 از تفکیک میان حافظه و واحد محاسباتی استفاده می‌کرد؛ رویکردی که بعدها به یکی از اصول مهم طراحی کامپیوترهای مدرن تبدیل شد. هرچند این ماشین از معماری ذخیره‌برنامه (Stored Program) بهره نمی‌برد، اما جداسازی وظایف حافظه و پردازش گامی مهم در مسیر شکل‌گیری معماری‌های بعدی بود.

سوم، استفاده از اعداد ممیز شناور دودویی در عمل، Z3 عددها را طوری نمایش می‌داد که برای محاسبات علمی و مهندسی مناسب‌تر باشند؛ یعنی با جداسازی علامت، توان و مانتیس. این ایده بعدها در نسل‌های بعدی کامپیوترها تکامل یافت و به استانداردهای مدرن محاسبات عددی راه پیدا کرد.

تجربه‌های فنی زوسه در طراحی Z3 به ساخت دستگاهی رسید که پس از جنگ، به یکی از مهم‌ترین سامانه‌های محاسباتی اروپا تبدیل شد. میراث Z3، مستقیماً در توسعه Z4 ادامه یافت و نقش مهمی در حفظ دانش رایانش در قاره اروپا ایفا کرد.

فراتر از خود دستگاه‌ها، فعالیت‌های زوسه زمینه شکل‌گیری نخستین صنعت رایانه در آلمان را نیز فراهم کرد. شرکت Zuse KG در دهه‌های پس از جنگ از مهم‌ترین تولیدکنندگان رایانه در اروپای غربی بود و نسل جدیدی از مهندسان و پژوهشگران آلمانی را با فناوری رایانش آشنا کرد.

پایان یک عصر: میراث زنده در دنیای امروز

داستان کنراد زوسه، تقابل نبوغ انسان با جبر تاریخ است. او به‌دلیل انزوای جغرافیایی آلمان در دوران جنگ، تاخیر در استفاده از قطعات الکترونیکی و سال‌ها درگیری در مدیریت کسب‌وکار، در تاریخ‌نگاری اولیه علوم کامپیوتر غالباً نادیده گرفته شد. اما بررسی‌های موشکافانه دهه‌های اخیر، از جمله تحقیقات دانشگاه فرای برلین و کشفیات رائول روخاس، پرده از جایگاه واقعی او برداشت.

دستگاه Z3، نمادی از استقامت مهندسی بود. معماری ممیز شناور، حافظه مجزا از پردازنده و ساختار برنامه‌پذیر آن، مستقیماً با معماری کامپیوترهایی که امروز اقتصاد دیجیتال ما را شکل داده‌اند، گره خورده است. کنراد زوسه در دسامبر ۱۹۹۵ در سن ۸۵ سالگی درگذشت. او پیش از مرگ توانست نسخه‌های بازسازی شده دستگاه‌های خود را در موزه‌های برلین و مونیخ ببیند.

امروزه، وقتی از امنیت داده‌ها، هک، الگوریتم‌های هوش مصنوعی و معماری پردازنده‌ها در رسانه‌های فناوری صحبت می‌کنیم، نباید فراموش کنیم که ریشه بسیاری از این مفاهیم، نه فقط در سیلیکون‌ولی، بلکه در اتاق نشیمن آپارتمانی در برلین و با استفاده از رله‌های دورریخته‌شده تلفن و نوارهای فیلم سلولوئیدی شکل گرفت.