Plankalkül: злой язык для вундерваффе

Современным разработчикам, живущим в мире Open Source, глобального рынка, открытых границ и свободного обмена идеями, наверное, трудно представить, что всего век назад всё было иначе.

Кибернетики (так раньше называли айтишников) работали не просто в полной изоляции друг от друга — они буквально участвовали в войне на выживание. Что, впрочем, не мешало им совершать удивительные открытия, которые заложили основы нынешних IT.

Об одном из них, Алане Тьюринге, мы много писали в предыдущих статьях. Сегодня поговорим о представителе противоположного лагеря, чьи достижения, пожалуй, не менее глобальны, но, к сожалению, гораздо менее известны. О создателе первого в мире языка программирования высокого уровня — Plankalkül (читается как «планкалкюль»).

Конрад Цузе и его университеты

Если бы Цузе родился в другое время и в другом месте, его имя, скорее всего, было бы известно не только в узкопрофессиональной среде — оно гремело бы на весь мир. Однако судьбе было угодно иначе.

Наш герой родился в 1910 году в Берлине. С раннего возраста он проявлял огромные способности к изобретательству. Например, ещё школьником сконструировал действующий аппарат по размену мелочи (для сравнения, советские инженеры введут нечто подобное в массовый оборот только через полвека) и спроектировал город с населением 37 млн человек (это, на минутку, полтора современных Пекина, три Москвы или четыре Нью-Йорка). В 1935 году Цузе окончил Берлинскую высшую техническую школу — культовый по тем временам вуз.

Это неудивительно, если учесть, что химфак Школы в разное время окончили, например, Антон Кёлиш, придумавший MDMA, более известный как «экстази» (это была его дипломная работа), и Фриц Габер — нобелевский лауреат, подаривший миру азотные удобрения и «Циклон Б».

Вообще, знаменитостей в Берлине училось немало. Из одних только обладателей Нобелевки можно составить несколько футбольных команд.

Остановимся, однако, на однокашниках Цузе, с которыми так или иначе будет связана вся его работа с окончания Школы и вплоть до 1945 года:

• Альберт Шпеер — архитектор и по совместительству министр вооружений в Третьем рейхе, автор идеи принудительного выселения евреев, куратор проекта концентрационных лагерей;
• Вернер фон Браун — ракетостроитель, создатель первых в мире баллистических ракет;
• Гельмут Греттруп — инженер-ракетчик, ближайший сподвижник фон Брауна;
• Вальтер Дорнбергер — администратор, генерал-майор вермахта, непосредственный руководитель Греттрупа и фон Брауна, подчинённый Шпеера.

Тройка последних с конца 1930-х составляла костяк ракетного исследовательского центра в Пенемюнде, где и были придуманы все немецкие вундерваффе — от летающей бомбы V-1 до первой в мире БРДД ФАУ-2.

Как мы видим, недостатка в средствах, мотивации и конструкторских идеях у немецких ракетостроителей не было. Однако любой ракетой нужно как-то управлять. Кроме того, для проектирования требуются сложнейшие расчёты, которые под силу только ЭВМ. Настало время вернуться к нашему главному герою.

ЭВМ на букву Z

Идея сделать машину для рутинных расчётов пришла к Цузе ещё в студенческие годы. Причём она настолько его охватила, что юный изобретатель, проработав на авиазаводе всего год после получения диплома, перешёл на полставки и вплотную занялся её осуществлением.

Через три года была готова первая модель, которую Цузе назвал по первой букве своей фамилии (Zuse) — Z1. Устройство весило полтонны и было собрано буквально из подручных средств. Работало оно на моторе от старого пылесоса, данные вводились с помощью клавиатуры от печатной машинки, а переключателями служили 20 000 металлических пластин, которые Цузе с друзьями вручную выпилили лобзиками.

Несмотря на такую монструозность, Z1 обладала памятью на 64 слова по 22 бита и умела складывать числа за пять секунд и перемножать за 10.

Вдохновлённый первым успехом, Цузе тут же взялся за более совершенную модель Z2. После двух лет поисков он, наконец, нашёл заинтересованных инвесторов — ими как раз и стали геноссен из Пенемюнде.

Проекты Цузе и Дорнбергера — Греттрупа — фон Брауна плотно переплелись до самого конца Второй мировой. За Z2 последовал первый в мире работоспособный программируемый компьютер Z3, на котором рассчитывались параметры ФАУ. А позже — единственный на тот момент в Европе цифровой компьютер Z4.

Читайте также:

«Компьютеры Гитлера»: как Германия стала родиной программируемых машин

Z4, по сути, был прототипом современных ПК. Чтобы он нормально функционировал, одного умения выпиливать лобзиком было недостаточно. Цузе приступил к созданию собственного языка программирования.

К этой работе, как и ко всему остальному, инженер подошёл фундаментально. Он исходил из того, что новый язык должен быть готов к применению не только на Z4, но и на любом другом компьютере. Кроме того, Цузе изначально строил логическую систему числовых и символьных обозначений, пригодную для решения какой угодно задачи.

Его концепция программирования понятна уже из названия, которое он придумал для своего языка, — Plankalkül (в переводе с немецкого — «запланированные вычисления»).

Цузе предложил разделить работу компьютера на две составляющие: программу, то есть план работы вычислительного устройства, и собственно вычисления, которые это устройство будет производить. Таким образом, он предвосхитил современные понятия hardware и software.

Результат был ошеломляющим: немецкий кибернетик опередил конкурентов на десятки лет. И вот почему.

Язык для modern talking

Plankalkül стал первым в мире высокоуровневым языком программирования с собственной символьной лексикой (термина «алгоритмический язык» ещё не существовало) и техникой трансляции адресов.

Переменные записывались сочетанием «буква-число», где буква обозначала их вид. Например:

• V — параметр ввода;
• Z — промежуточное значение;
• R — результирующее значение;
• C — константа.

Цузе придумал оператор присваивания , аналогичный сегодняшнему => или, в американской раскладке, : =. Приведём типичный пример его использования для сравнения переменных V1 и V2. Если они равны, в результат R1 заносится значение TRUE, в противном случае — FALSE. Записывалось это так:

V1 = V2 => R1

Для числовых переменных использовалась запись S1.n, где n — размерность в битах (значение n = 0 соответствовало размерности в 1 бит).

Кортеж указывался в скобках — допустим, запись (2.0, 5.0) обозначала кортеж из двух переменных в 2 и 5 битов соответственно.

Аналогично, структура из трёх компонентов записывалась как (A2, S1.4, A3), где A2 и A3 — объекты, определённые в программе.

В строчке выше нет опечатки — язык действительно позволял работать с массивами. Массив размерности [n] x [m] обозначался как n.m.S0 (индексация всегда начиналась с 0). К примеру, запись 4.5.0 обозначала массив из четырёх элементов по 5 бит в каждом. А запись 32. (0, 8.0, 16.0) — массив из 32 кортежей, в каждом из которых по три переменных размерностью 1, 8 и 16 бит.

Предусматривались и операции с многомерными массивами: например, трёхмерный массив V [i] [j] [k] указывался матрицей V [i] и вектором V [j] [k].

Программы и подпрограммы в Plankalkül считались переменными и обозначались префиксом P. Скажем, запись P3.7 означала вызов седьмой программы третьей программной группы.

Синтаксис, изобретённый Цузе, для современных разработчиков выглядит странновато. Все записи были многомерными: в верхней строке записывалось само выражение, а в нижних — его аргументы (индексы, типы переменных и так далее). В соответствующей статье «Википедии» приведён пример с присваиванием на языке Plankalkül:

[5] = A [4] + 1:

| A + 1 => A

V | 4 5

S | 1.n. 1.n.

V в данном случае — это строка для индексов, S — строка для задания типов данных, 1.n — целое число размером n бит. Как предполагают многие исследователи, такие архитектурные излишества были связаны с необходимостью переводить всё на перфокарты и перфоленты, бывшие тогда чуть ли единственным способом хранения информации для ЭВМ.

Как это работало

Исторически сложилось, что Plankalkül разрабатывался для электромеханических устройств, а потому не предполагал компилятора. В 2000 году инженеры Свободного университета Берлина восполнили этот пробел и создали интерпретатор Plankalkül-2000 — по сути, модернизированный и слегка упрощённый диалект оригинала.

Таким образом, любой желающий мог почувствовать дух той эпохи, скачав интерпретатор на свой компьютер, и поупражняться в написании программ.

К сожалению, на данный момент ссылка выдаёт ошибку 404, но кое-какие примеры в Сети всё-таки остались. Например, та же статья в «Википедии» содержит код программы для вычисления максимума трёх переменных с помощью программы max3 и подпрограммы max:

P1 max3 (V0[:8.0],V1[:8.0],V2[:8.0]) => R0[:8.0]

max(V0[:8.0],V1[:8.0]) => Z1[:8.0]

max(Z1[:8.0],V2[:8.0]) => R0[:8.0]

END

P2 max(V0[:8.0],V1[:8.0]) => R0[:8.0]

V0[:8.0] => Z1[:8.0]

(Z1[:8.0] < V1[:8.0]) => V1[:8.0] => Z1[:8.0]

Z1[:8.0] => R0[:8.0]

END

Как мы видим, все программы и подпрограммы записываются с помощью символа P, уникального номера и имени, по которому они вызываются. Их конец обозначается командой END — как вы понимаете, это уже придумка наших современников, в изначальном языке Цузе её не было и быть не могло.

Подпрограмма max находит максимум из переменных V0 и V1. Вначале за максимум берётся V0, значение которой присваивается вспомогательной переменной Z1. Потом Z1 сравнивают с V1. Если последняя оказывается больше, то переменной Z1 присваивают её значение и найденный таким образом максимум присваивается результирующей R0.

Затем программа max3 ищет максимум из переменных Z1 и V2 посредством вызова подпрограммы max.

Что было дальше

Plankalkül мог стать настоящим прорывом в 1940–1950-е годы. Нигде больше не было условных конструкций, двух видов циклов (аналогов современных while и for), массивов и кортежей, возможности описывать и вызывать подпрограммы (правда, справедливости ради надо сказать, что рекурсии в Plankalkül не было).

По мощности он приближался к Algol 68, разработанному почти четверть века спустя, и при этом существенно превосходил его в надёжности.

Но, к сожалению, хитом он не стал. Компьютер Z4 был окончательно готов лишь к декабрю 1944 года, когда войска союзников уже воевали на территории Германии и дальнейшие разработки утратили для Третьего рейха всякий смысл.

Гитлер, до этого относившийся к ракетной программе скептически, осознал свою ошибку, но было, к счастью для человечества, поздно. Появись ФАУ-2 на вооружении у вермахта, например, году в 1942-м — неизвестно, сколько бы ещё продлилась Вторая мировая.

Более того: Z4 едва не был уничтожен в результате бомбардировок Берлина. В марте 1945-го Цузе был вынужден разобрать его и вывезти в глухую альпийскую деревушку, где и хранил три года.

После войны судьба его коллег сложилась по-разному. Шпеера признали военным преступником. Нюрнбергский трибунал осудил его на 20 лет тюремного заключения. Выйдя на свободу, он кормился мемуарами.

Дорнбергер был арестован американскими войсками в мае 1945 года. Получил два года тюрьмы за использование рабского труда при производстве ФАУ-2. После освобождения работал советником министра обороны США, стал одним из основателей американской ПРО и программы космических челноков. Выйдя на пенсию, жил в Мексике, потом перебрался в Германию, где и оставался до самой смерти.

Вернер фон Браун, арестованный вместе с Дорнбергером, почти сразу был переправлен в США. Он считается одним из отцов американской космической программы.

Греттруп оказался в зоне советской оккупации. С 1946 года — руководитель группы немецких специалистов по баллистическим и управляемым ракетам в «шарашке» на острове Городомля, озеро Селигер. После возвращения в ГДР в 1953 году занялся вычислительной техникой и стал одним из авторов современных смарт-карт.

Цузе к ответственности не привлекался и даже остался в ФРГ. В 1950 году он восстановил свой Z4, работавший с частотой 30 Гц и обрабатывавший числа с плавающей точкой. ЭВМ умела выполнять арифметические действия, извлекать квадратный корень и обрабатывать исключения. Но всё это, по большому счёту, интересовало уже только немцев. Z4 использовали для вычислений до 1960 года. Сегодня он находится в Немецком музее в Мюнхене.

Руководство по Plankalkül опубликовали лишь в 1972 году, когда уже были и Fortran, и Lisp, и COBOL, и две версии Algol (1960 и 1968 годов). Язык остался на обочине мировой кибернетики, вызвав некоторое любопытство лишь у небольшой группы профессионалов.

Тем не менее карьера Цузе сложилась успешно. В 1946 году он основал компанию по производству компьютеров Zuse-Ingenieurbüro Hopferau. Ещё через три года — фирму Zuse KG. За 17 лет она поставила 251 компьютер бренда Z на сумму около 100 млн дойчмарок — последней моделью была Z31. С 1967 года, продав свой бизнес Siemens AG, Цузе работал в ней консультантом, а также занимался наукой.

Он был почётным доктором и профессором многих университетов Европы. В 1999 году его имя внесли в Книгу славы калифорнийского Музея компьютерной истории, а в 2003-м даже признали величайшим из немцев за всю историю по результатам опроса на общенациональном телеканале ZDF.

К своей работе на Третий рейх Цузе относился философски:

После ухода на пенсию Цузе посвятил себя любимому хобби — живописи. Умер в возрасте 85 лет. Его именем названы улицы и здания, а также школа в Хюнфельде.

Что интересно, Цузе всю жизнь был убеждённым социалистом и даже стремился поставить ЭВМ на службу идеям всеобщего равенства, справедливости и плановой экономики. В частности, он много лет работал над проектом «компьютерного социализма», в котором все мировые проекты будут управляться объединённой сетью мощнейших ЭВМ.

Кто знает — возможно, когда-нибудь и эта его идея будет успешно реализована? Пусть, как и все его предыдущие проекты, с некоторым опозданием.