Z3 (컴퓨터)

3. 기술적 특징

Z3의 성공은 약 3세기 전 고트프리트 빌헬름 라이프니츠가 고안하고 이후 조지 불이 불 대수를 만드는 데 사용한 이진수 시스템을 채택한 덕분이라고 평가받는다. 1937년 MIT의 클로드 섀넌은 불 대수를 릴레이를 사용한 디지털 회로로 구현하는 연구를 진행했는데^[9], 추제는 이러한 개념들을 통합하여 프로그램을 통해 제어되는 Z3를 만들었다.^[10] Z3는 1941년, 이전 모델인 Z1과 Z2보다 빠르고 신뢰성 높게 완성되었다. 이 과정에서 부동소수점 처리 능력이 개선되었고, 프로그램은 외부 테이프에 저장되어 배선 변경 없이 수정이 가능했다. 이 프로젝트는 독일 정부에 의해 극비로 취급되었으며^[5], 독일 항공성의 지원을 받았다.^[6][7] 1941년 5월 12일, 알프레드 타이히만(Alfred Teichmann)과 쿠르트 슈미덴(Curt Schmieden) 등 과학자들 앞에서 공개되었다.^[8]

Z3는 릴레이를 사용하여 제작된 반면, 비슷한 시기 또는 이후에 등장한 다른 초기 컴퓨터들과는 기술적인 차이가 있었다. 영국의 암호 해독기 콜로서스 (1943)^[12]와 미국의 아타나소프-베리 컴퓨터 (1942)는 진공관을 사용했으며 이진수로 숫자를 표현했다. 하지만 이들은 플러그 보드 배선 변경이나 스위치 설정으로 프로그래밍하여, 현대적인 의미의 프로그램 가능 컴퓨터로 보기는 어렵다. Z3보다 4년 뒤에 완성된 ENIAC 역시 진공관을 사용했고, Z3와 달리 십진수를 사용했다. 또한 1948년까지 ENIAC은 배선을 변경하여 프로그래밍했지만, Z3는 외부 테이프에서 프로그램을 읽어 들였다.

Z3는 프로그램을 외부에 저장했지만, 프로그램 내장 방식은 아니었다. 존 폰 노이만이 1945년의 논문에서 제시한 폰 노이만 구조를 따른 최초의 컴퓨터는 1948년의 맨체스터 베이비 또는 1949년의 EDSAC으로 여겨진다. 다만 프로그램 내장 방식의 개념 자체는 추제가 1936년에 신청했으나 성립되지 않은 특허 출원서에서 이미 언급된 바 있다.

3. 1. 부동소수점 연산

3. 2. 프로그램 저장 방식

3. 3. 명령어 집합

4. 튜링 완전성

Z3는 조건 분기 명령 없이 루프 구성만 가능했지만, 이론적으로는 튜링 완전하다는 것이 증명되었다. 1998년 라울 로하스는 Z3로 범용 튜링 기계를 구현하는 방법을 제시했다.^[13][14] 그는 프로그램 테이프를 충분히 길게 만들어 모든 가능한 계산 경로를 미리 실행하고, 나중에 불필요한 결과를 걸러내는 방식으로 튜링 완전성을 달성할 수 있다고 설명했다. 이는 일종의 추측 실행과 유사한 방식이다.

로하스는 Z3의 주소 공간이 튜링 기계의 무한 테이프 역할을 할 만큼 충분히 크다고 가정하고^[15], Z3의 프로그램 테이프를 이용해 튜링 기계의 헤드를 제어하는 유한 오토마타를 구현하는 방식으로 증명했다.^[16] 즉, 모든 가능한 상태 변화를 테이프에 기록하고 이를 반복 실행하면서, Z3의 명령 조합을 통해 현재 상태에 해당하는 연산만 수행하도록 하는 것이다.^[17]

로하스는 "추상적인 이론적 관점에서 Z3의 컴퓨팅 모델은 오늘날 컴퓨터와 동일하지만, 실용적인 관점과 실제 프로그래밍 방식에서는 현대 컴퓨터와 같지 않다"고 결론지었다. 실제로 Z3는 콘라트 추제가 토목 기사로서 겪는 계산 문제를 해결하기 위해 설계되었으며, 1940년대의 공학적 응용에 필요한 실용적인 명령어 집합을 갖추고 있었다.

5. 다른 컴퓨터와의 관계

Z3는 현대 컴퓨터의 여러 특징을 선구적으로 구현했지만, 동시대 및 이후 등장한 다른 초기 컴퓨터들과는 기술적인 차이점을 보인다.

Z3는 릴레이를 사용하여 제작되었고 이진법 연산을 수행했으며, 프로그램은 외부의 천공 테이프를 통해 공급되었다.^[10] 이는 이후 등장한 여러 컴퓨터들과 비교된다. 예를 들어, 미국의 아타나소프-베리 컴퓨터 (ABC, 1942년)와 영국의 암호 해독용 컴퓨터 콜로서스 (1943년)는 Z3와 마찬가지로 이진법을 사용했지만, 부품으로는 진공관을 사용했다.^[12] 이들 컴퓨터의 프로그래밍은 주로 물리적인 배선 변경이나 스위치 조작을 통해 이루어졌다.

미국에서 Z3보다 4년 늦게 완성된 ENIAC (1946년) 역시 진공관을 사용했지만, Z3와 달리 십진법으로 연산을 수행했다. 초기 ENIAC의 프로그래밍 방식도 콜로서스와 유사하게 배선을 직접 연결하는 방식이었으나, Z3는 외부 테이프에서 프로그램을 읽어 들였다.

프로그램을 컴퓨터 내부에 저장하는 프로그램 내장 방식은 Z3 이후에 구현되었다. 1948년의 맨체스터 베이비와 1949년의 맨체스터 마크 1, EDSAC 등이 프로그램과 데이터를 동일한 메모리에 저장하는 방식을 채택한 최초의 컴퓨터들로 여겨진다. 이는 흔히 존 폰 노이만의 이름을 딴 폰 노이만 구조로 알려져 있는데, 이 개념은 1945년 논문에서 제시되었지만, 폰 노이만은 앨런 튜링의 기여를 인정했다고 전해진다. 프로그램 내장 개념 자체는 추제가 1936년 특허 출원(거부됨)에서 이미 제시한 바 있다. 추제 자신은 전쟁 중 기술적 한계로 이를 구현하기 어려웠다고 회고했다.

한편, 추제의 동료였던 헬무트 슈라이어는 1942년에 약 100개의 진공관을 이용한 실험적인 전자 컴퓨터 모델을 만들었으나 전쟁 중 소실되었고,^[11] 나치 독일의 페네뮌데 육군 연구 센터에서는 헬무트 홀처가 V-2 로켓 궤도 계산을 위한 아날로그 컴퓨터를 제작하기도 했다.

5. 1. 이진법 사용

5. 2. 프로그램 저장 방식 비교

5. 3. 폰 노이만 구조와의 관계

6. 상세 사양

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7. 현대적 복원

라울 로하스와 호르스트 추세가 주도하여 1997년에 시작해 2003년에 완성한 현대적인 복원품이 있다. 이 복원품은 메모리가 32 단어로 원본의 절반 크기이며, 전력 소비량은 약 400 W, 무게는 약 30kg이다. 이 복원품은 현재 독일 휜펠트의 콘라트 추세 박물관에 전시되어 있다.

참조

_[1] 서적 Der Computer. Mein Lebenswerk. Springer-Verlag
_[2] Wayback Crash! The Story of IT: Zuse http://www.crash-it.[...] 2008-03-18
_[3] 서적 Kognitive Strukturen und Steuerungsprobleme der Forschung. Kernphysik und Informatik im Vergleich Schriften des Max-Planck-Instituts für Gesellschaftsforschung Köln
_[4] 웹사이트 Kapitel 14 - Die ersten programmierbaren Rechner (i.e. The first programmable computers) http://cs.uni-muenst[...] 2010-06-21
_[5] 서적 New perspectives, computer concepts https://books.google[...] Cengage Learning 2010-03-14
_[6] 문서 1977-compilation by Zuse of people in contact to his computers from 1935 to 1945 http://www.zib.de/zu[...]
_[7] 웹사이트 Konrad Zuse und die ETH Zürich http://e-collection.[...] 2011-10-26
_[8] 웹사이트 An einem 12. Mai http://www.dhm.de/ga[...] Deutsches Historisches Museum (German Historical Museum) 2012-04-07
_[9] 저널 A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits
_[10] 서적 Kognitive Strukturen und Steuerungsprobleme der Forschung. Kernphysik und Informatik im Vergleich Schriften des Max-Planck-Instituts für Gesellschaftsforschung Köln
_[11] 문서 "Helmut Schreyer\" at the University of Berlin" http://www.nue.tu-be[...]
_[12] 서적 Colossus: The Secrets of Bletchley Park's Codebreaking Computers Oxford University Press
_[13] 저널 How to make Zuse's Z3 a universal computer
_[14] 웹사이트 How to Make Zuse's Z3 a Universal Computer http://www.zib.de/zu[...] 2012-04-07
_[15] 문서 절대량으로
_[16] 문서 예를 들어
_[17] 문서 정확하게
_[18] 뉴스 A Computer Pioneer Rediscovered, 50 Years On http://www.nytimes.c[...] 1994-04-20
_[19] 서적 Der Computer. Mein Lebenswerk. Springer-Verlag
_[20] 저널 Featured Photographs: Konrad Zuse, Z1 and Z3 computers http://www.cbi.umn.e[...] 2007-Spring
_[21] 웹인용 보관된 사본 http://www.crash-it.[...] 2008-03-18
_[22] 서적 Kognitive Strukturen und Steuerungsprobleme der Forschung. Kernphysik und Informatik im Vergleich Schriften des Max-Planck-Instituts für Gesellschaftsforschung Köln
_[23] 문서 Z3 Computer (1938-1941) http://www.computerm[...]
_[24] 저널 How to make Zuse's Z3 a universal computer
_[25] 웹인용 How to Make Zuse's Z3 a Universal Computer http://www.inf.fu-be[...]
_[26] 문서 RTD Net http://www.rtd-net.d[...]
_[27] 문서 GermanWay http://www.german-wa[...]
_[28] 문서 Monsters & Critics http://www.monstersa[...]
_[29] 문서 About.com http://inventors.abo[...]