[論文レビュー] The Design Principles of Konrad Zuse's Mechanical Computers

Raúl Rojas|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2016

History of Computing Technologies参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、1935年から1938年にかけて考案された、最初の2進数機械式コンピュータであるコンラート・ツーゼのZ1の設計原理を分析している。Z1は金属板とロッドを用いて機械的リレーを論理ゲートとして実装した。ツーゼは、完全にプログラム可能な2進浮動小数点計算機を、革新的な電気機械的論理によって実現したが、これは電子的要素を一切用いていなかったにもかかわらず、現代のコンピューティングの基盤的コンセプトを確立した。

ABSTRACT

Konrad Zuse built the Z1, a mechanical programmable computing machine, between 1935/36 and 1937/38. The Z1 was a binary floating-point computing device. The individual logical gates were constructed using metallic plates and interconnection rods. This paper describes the design principles Zuse followed in order to complete a complex calculating machine, as the Z1 was. Zuse called his basic switching elements "mechanical relays" in analogy to the electrical relays used in telephony.

研究の動機と目的

• コンラート・ツーゼのZ1、最初のプログラム可能2進数機械式コンピュータの機械的論理アーキテクチャを再構築し、説明すること。
• ツーゼが金属板やロッドといった純粋な機械的部品を用いて、2進数の算術演算および論理演算をどのように実装したかを明確にすること。
• ツーゼが『機械的リレー』と呼んだ設計原理を文書化すること。これは電気的リレーの類似物であり、複雑な計算を可能にする。
• Z1が現代のデジタルコンピュータの前身として、歴史的および技術的意義を確立すること。

提案手法

• 論文はZ1の機械的論理部品を再構築し、金属板と接続ロッドがどのように2進数スイッチとして機能するかに焦点を当てる。
• ツーゼの『機械的リレー』、つまり2安定状態を示す機械的要素が、2進数論理回路における電気的リレーの機能を模倣する方法を分析する。
• 2進浮動小数点算術の機械的実装、特に指数部と仮数部の処理を検討する。
• Z1の制御パスとデータパスをマッピングし、機械的リンクやレバーが機能ユニット間で操作を調整する方法を示す。
• 歴史的文書と物理的再構築に基づいて、ツーゼの設計の機械的妥当性を検証する。
• 図解と技術的記述を用いて、論理ゲートおよび算術ユニットの機械的実装を説明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンラート・ツーゼは、Z1で純粋な機械的部品を用いて2進数論理をどのように実装したか？
• RQ2 ツーゼの『機械的リレー』が、プログラム可能計算を可能にするために果たした機能的役割は何か？
• RQ3 Z1は機械的手段を用いて2進浮動小数点算術をどのように実行したか？
• RQ4 Z1が電子的要素の登場以前に、完全にプログラム可能な計算機として機能するにあたり、どのような設計原理が有効に使われたか？
• RQ5 ツーゼの機械的アーキテクチャは、後の電子コンピュータ設計をどのように予見していたか？

主な発見

• Z1は、回転するギアとレバーを用いて機械的に実装された、分離された指数部と仮数部を有する2進浮動小数点表現を使用していた。
• ツーゼの機械的リレーは、2進数スイッチとして機能する2安定状態の機械的要素であり、論理演算の基盤をなしていた。
• 機械的論理システムは、接続された板とロッドを通じて、基本的な算術および論理演算を実行可能であった。
• Z1の設計は、加算、減算、乗算、除算のための部品を備えた、極めて高度な機械的熟練性を示していた。
• 純粋に機械的であったにもかかわらず、Z1のアーキテクチャは、プログラム制御や2進数処理といった、後の電子コンピュータの重要な特徴を予見していた。
• 本論文は、Z1が命令を機械的に記憶し、物理的リンクを通じて実行する完全にプログラム可能なマシンであったことを確認した。