Советские компьютеры (часть I)

Официальной "датой рождения" советской вычислительной техники следует считать, видимо, конец 1948 года. Именно тогда в секретной лаборатории в местечке Феофания под Киевом под руководством Сергея Александровича Лебедева (в то время — директора Института электротехники АН Украины и по совместительству руководителя лаборатории Института точной механики и вычислительной техники АН СССР) начались работы по созданию Малой Электронной Счетной Машины (МЭСМ).

Лебедевым были выдвинуты, обоснованы и реализованы (независимо от Джона фон Неймана) принципы ЭВМ с хранимой в памяти программой

В своей первой машине Лебедев реализовал основополагающие принципы построения компьютеров, такие как:
наличие арифметических устройств, памяти, устройств ввода/вывода и управления;
кодирование и хранение программы в памяти, подобно числам;
двоичная система счисления для кодирования чисел и команд;
автоматическое выполнение вычислений на основе хранимой программы;
наличие как арифметических, так и логических операций;
иерархический принцип построения памяти;
использование численных методов для реализации вычислений.
Проектирование, монтаж и отладка МЭСМ были выполнены в рекордно короткие сроки (примерно 2 года) и проведены силами всего 17 человек (12 научных сотрудников и 5 техников). Пробный пуск машины МЭСМ состоялся 6 ноября 1950 года, а регулярная эксплуатация — 25 декабря 1951 года.

Первую модель советского компьютера назвали просто — Малая Электронная Счетная Машина (МЭСМ). Она могла производить до трех тысяч счетно-вычислительных операций в минуту, что по меркам того времени было заоблачно много. В МЭСМ был применен принцип электронной ламповой системы, который уже апробирован западными коллегами («Колосс Марк 1» 1943 г., «ЭНИАК» 1946 г.).

 

В 1953 году коллективом, возглавляемым С.А.Лебедевым, была создана первая большая ЭВМ — БЭСМ-1 (от Большая Электронная Счетная Машина), выпущенная в одном экземпляре. Она создавалась уже в Москве, в Институте точной механики (сокращенно — ИТМ) и Вычислительном центре АН СССР, директором которого и стал С.А.Лебедев, а собрана была на Московском заводе счетно-аналитических машин (сокращенно — САМ).

После комплектации оперативной памяти БЭСМ-1 усовершенствованной элементной базой ее быстродействие достигло 10000 операций в секунду — на уровне лучших в США и лучшее в Европе. В 1958 году после еще одной модернизации оперативной памяти БЭСМ, уже получившая название БЭСМ-2, была подготовлена к серийному производству на одном из заводов Союза, которое и было осуществлено в количестве нескольких десятков.

Параллельно шла работа в подмосковном Специальном конструкторском бюро № 245, которым руководил М.А.Лесечко, основанном также в декабре 1948 года приказом И.В.Сталина. В 1950-1953 гг. коллектив этого конструкторского бюро, но уже под руководством Базилевского Ю.Я. разработал цифровую вычислительную машину общего назначения "Стрела" с быстродействием в 2 тысячи операций в секунду. Эта машина выпускалась до 1956 года, а всего было сделано 7 экземпляров. Таким образом, "Стрела" была первой промышленной ЭВМ, — МЭСМ, БЭСМ существовали в то время всего в одном экземпляре.

ЭВМ "Стрела"

Вообще, конец 1948 года был крайне продуктивным временем для создателей первых советских компьютеров. Несмотря на то, что обе упомянутые выше ЭВМ были одними из лучших в мире, опять-таки параллельно с ними развивалась еще одна ветвь советского компьютеростроения — М-1, "Автоматическая цифровая вычислительная машина", которой руководил И.С.Брук.

М-1 была запущена в декабре 1951 года — одновременно с МЭСМ

Однако быстродействие М-1 оказалось крайне низким — всего 20 операций в секунду, что, впрочем, не помешало решать на ней задачи ядерных исследований в институте И. В. Курчатова. Вместе с тем М-1 занимала довольно мало места — всего 9 квадратных метров (сравните со 100 кв.м. у БЭСМ-1) и потребляла значительно меньше энергии, чем детище Лебедева. М-1 стала родоначальником целого класса "малых ЭВМ", сторонником которых был ее создатель И.С.Брук. Такие машины, по мысли Брука, должны были предназначаться для небольших конструкторских бюро и научных организаций, не имеющих средств и помещений для приобретения машин типа БЭСМ.

Первая задача, решенная на М1

В скором времени М-1 была серьезно усовершенствована, и ее быстродействие достигло уровня "Стрелы" — 2 тысячи операций в секунду, в то же время размеры и энергопотребление выросли незначительно. Новая машина получила закономерное название М-2 и введена в эксплуатацию в 1953 году.

По соотношению стоимости, размеров и производительности М-2 стала наилучшим компьютером Союза. Именно М-2 победила в первом международном шахматном турнире между компьютерами

В результате в 1953 году серьезные вычислительные задачи для нужд обороны страны, науки и народного хозяйства можно было решать на трех типах вычислительных машин — БЭСМ, "Стрела" и М-2. Все эти ЭВМ — это вычислительная техника первого поколения. Элементная база — электронные лампы — определяла их большие габариты, значительное энергопотребление, низкую надежность и, как следствие, небольшие объемы производства и узкий круг пользователей, главным образом, из мира науки. В таких машинах практически не было средств совмещения операций выполняемой программы и распараллеливания работы различных устройств; команды выполнялись одна за другой, АЛУ ("арифметико-логическое устройство", блок, непосредственно выполняющий преобразования данных) простаивало в процессе обмена данными с внешними устройствами, набор которых был очень ограниченным. Объем оперативной памяти БЭСМ-2, например, составлял 2048 39-разрядных слов, в качестве внешней памяти использовались магнитные барабаны и накопители на магнитной ленте. (! Это еще при жизни Сталина  -прим. мое)

На Западе дело в то время обстояло не слишком лучше. Вот пример из воспоминаний академика Н.Н.Моисеева, ознакомившегося с опытом своих коллег из США: "Я увидел, что в технике мы практически не проигрываем: те же самые ламповые вычислительные монстры, те же бесконечные сбои, те же маги-инженеры в белых халатах, которые исправляют поломки, и мудрые математики, которые пытаются выйти из трудных положений." Напомним, что в 1953 г. в США был выпущен компьютер IBM 701 с быстродействием до 15 тысяч операций в секунду, построенный на электронно-вакуумных лампах, бывший наиболее производительным в мире

Но более производительной была следующая разработка Лебедева — ЭВМ М-20, серийный выпуск которой начался в 1959 году.

Число 20 в названии означает быстродействие — 20 тысяч операций в секунду, объем оперативной памяти в два раза превышал ОП БЭСМ, предусматривалось также некоторое совмещение выполняемых команд. В то время это была одна из наиболее мощных и надежных машин в мире, и на ней решалось немало важнейших теоретических и прикладных задач науки и техники того времени. В машине М20 были реализованы возможности написания программ в мнемокодах. Это значительно расширило круг специалистов, которые смогли воспользоваться преимуществами вычислительной техники. По иронии судьбы компьютеров М-20 было выпущено ровно 20 штук

Второй этап развития вычислительной техники конца 50-х — начала 60-х годов характеризуется созданием развитых языков программирования (Алгол, Фортран, Кобол) и освоением процесса автоматизации управления потоком задач с помощью самой ЭВМ, то есть разработкой операционных систем. Первые ОС автоматизировали работу пользователя по выполнению задания, а затем были созданы средства ввода нескольких заданий сразу (пакета заданий) и распределения между ними вычислительных ресурсов. Появился мультипрограммный режим обработки данных. Наиболее характерные черты этих ЭВМ, обычно называемых "ЭВМ второго поколения":
совмещение операций ввода/вывода с вычислениями в центральном процессоре;
увеличение объема оперативной и внешней памяти;
использование алфавитно-цифровых устройств для ввода/вывода данных;
"закрытый" режим для пользователей: программист уже не допускался в машинный зал, а сдавал программу на алгоритмическом языке (языке высокого уровня) оператору для ее дальнейшего пропуска на машине.

В конце 50-х годов в СССР было также налажено серийное производство транзисторов.

Отечественные транзисторы (1956 г).

Это позволило приступить к созданию ЭВМ второго поколения с большей производительностью, но меньшими занимаемой площадью и энергопотреблением. Развитие вычислительной техники в Союзе пошло едва ли не "взрывными" темпами: в короткий срок число различных моделей ЭВМ, пущенных в разработку, стало исчисляться десятками: это и М-220 — наследница лебедевской М-20, и "Минск-2" с последующими версиями, и ереванская "Наири", и множество ЭВМ военного назначения — М-40 с быстродействием 40 тысяч операций в секунду и М-50 (еще имевшие в себе ламповые компоненты). Именно благодаря последним в 1961 году удалось создать полностью работоспособную систему противоракетной обороны (во время испытаний неоднократно удалось сбить реальные баллистические ракеты прямым попаданием в боеголовку обьемом в половину кубического метра). Но в первую очередь хотелось бы упомянуть серию "БЭСМ", разрабатываемую коллективом разработчиков ИТМ и ВТ АН СССР под общим руководством С.А.Лебедева, вершиной труда которых стала ЭВМ БЭСМ-6 созданная в 1967 году. Это была первая советская ЭВМ, достигшая быстродействия в 1 миллион операций в секунду

Кроме высокого быстродействия (лучший показатель в Европе и один из лучших в мире), структурная организация БЭСМ-6 отличалась целым рядом особенностей, революционных для своего времени и предвосхитивших архитектурные особенности ЭВМ следующего поколения (элементную базу которых составляли интегральные схемы). Так, впервые в отечественной практике и полностью независимо от зарубежных ЭВМ был широко использован принцип совмещения выполнения команд (до 14 машинных команд могли одновременно находиться в процессоре на разных стадиях выполнения). Этот принцип, названный главным конструктором БЭСМ-6 академиком С.А.Лебедевым принципом "водопровода", стал впоследствии широко использоваться для повышения производительности универсальных ЭВМ, получив в современной терминологии название "конвейера команд".

Интересна в этой связи статья куратора Музея вычислительной техники в Великобритании Дорона Свейда о том, как он покупал в Новосибирске одну из последних работающих БЭСМ-6. Заголовок статьи говорит сам за себя:

"Российская серия суперкомпьютеров БЭСМ, разрабатывавшаяся более чем 40 лет тому назад, может свидетельствовать о лжи Соединенных Штатов, объявлявших технологическое превосходство в течение лет холодной войны".

При создании БЭСМ-6 были заложены основные принципы системы автоматизации проектирования ЭВМ (САПР). Компактная запись схем машины формулами булевой алгебры явилась основой ее эксплуатационной и наладочной документации. Документация для монтажа выдавалась на завод в виде таблиц, полученных на инструментальной ЭВМ.

Создателями БЭСМ-6 были В.А.Мельников, Л.Н.Королев, В.С.Петров, Л.А.Теплицкий — руководители; А.А.Соколов, В.Н.Лаут, М.В.Тяпкин, В.Л.Ли, Л.А.Зак, В.И.Смирнов, А.С.Федоров, О.К.Щербаков, А.В.Аваев, В.Я.Алексеев, О.А.Большаков, В.Ф.Жиров, В.А.Жуковский, Ю.И.Митропольский, Ю.Н.Знаменский, В.С.Чехлов, общее руководство осуществлял С.А.Лебедев.

В 1966 году над Москвой была развернута система противоракетной обороны на базе созданной группами С.А.Лебедева и его коллеги В.С.Бурцева ЭВМ 5Э92б с производительностью 500 тысяч операций в секунду, просуществовавшая до настоящего времени (в 2002 году должна быть демонтирована в связи с сокращением РВСН).

Была также создана материальная база для развертывания ПРО над всей территорией Советского Союза, однако впоследствии согласно условиям договора ПРО-1 работы в этом направлении были свернуты. Группа В.С.Бурцева приняла активное участие в разработке легендарного противосамолетного зенитного комплекса С-300, создав в 1968 году для нее ЭВМ 5Э26, отличавшуюся малыми размерами (2 кубических метра) и тщательнейшим аппаратным контролем, отслеживавшим любую неверную информацию. Производительность ЭВМ 5Э26 была равна аналогичной у БЭСМ-6 — 1 миллион операций в секунду.

Предательство

Многообразие выпускавшихся ЭВМ и их несовместимость друг с другом на программном и аппаратном уровнях не удовлетворяло их создателей. Необходимо было навести мало-мальский порядок во всем множестве производимых компьютеров, например, взяв какой-либо из них за некий стандарт. Но...

В конце 60-х руководством страны было принято решение, имевшее, как показал ход дальнейших событий, катастрофические последствия: о замене всех разнокалиберных отечественных разработок среднего класса (их насчитывалось с полдесятка — "Мински", "Уралы", разные варианты архитектуры М-20 и пр.) — на Единое Семейство ЭВМ на базе архитектуры IBM 360, — американского аналога.

Вот оценка члена-корреспондента РАН Бориса Арташесовича Бабаяна (полный текст статьи доступен с адреса znanie-sila.ru/ online/issu...):

"Потом наступил второй период, когда был организован ВНИИЦЭВТ. Я считаю, что это критический этап развития отечественной вычислительной техники. Были расформированы все творческие коллективы, закрыты конкурентные разработки и принято решение всех загнать в одно "стойло". Отныне все должны были копировать американскую технику, причем отнюдь не самую совершенную. Гигантский коллектив ВНИИЦЭВТ копировал IBM, а коллектив ИНЭУМ — DEC."

Однако отнюдь не все оригинальные отечественные разработки были свернуты. Как уже говорилось, коллектив В.С.Бурцева продолжал работу над серией ЭВМ "Эльбрус", и в 1980 году ЭВМ "Эльбрус-1" с быстродействием до 15 миллионов операций в секунду был запущен в серийное производство. Симметричная многопроцессорная архитектура с общей памятью, реализация защищенного программирования с аппаратными типами данных, суперскалярность процессорной обработки, единая операционная система для многопроцессорных комплексов — все эти возможности, реализованные в серии "Эльбрус", появились раньше, чем на Западе. В 1985 году следующая модель этой серии, "Эльбрус-2", выполнял уже 125 миллионов операций в секунду. "Эльбрусы" работали в целом ряде важных систем, связанных с обработкой радиолокационной информации, на них считали в номерных Арзамасе и Челябинске, а многие компьютеры этой модели до сих пор обеспечивают функционирование систем противоракетной обороны и космических войск.

Весьма интересной особенностью "Эльбрусов" являлся тот факт, что системное программное обеспечение для них создавалось на языке высокого уровня — Эль-76, а не традиционном ассемблере. Перед исполнением код на языке Эль-76 переводился в машинные команды с помощью аппаратного, а не программного обеспечения.

С 1990 года выпускался также "Эльбрус 3-1", отличавшийся модульностью конструкции и предназначавшийся для решения больших научных и экономических задач, в том числе моделирования физических процессов. Его быстродействие достигло 500 миллионов операций в секунду (на некоторых командах). Всего было произведено 4 экземпляра этой машины.

С 1975 года группой И.В.Прангишвили и В.В.Резанова в научно-производственном обьединении "Импульс" начал разрабатываться вычислительный комплекс ПС-2000 с быстродействием в 200 миллионов операций в секунду, пущенный в производство в 1980 году и применявшийся в основном для обработки геофизических данных, — поиска новых месторождений полезных ископаемых. В этом комплексе максимально использовались возможности параллельного исполнения команд программы, что достигалось хитроумно спроектированной архитектурой.

Большие советские компьютеры, вроде того же ПС-2000, во многом даже превосходили своих зарубежных конкурентов, но стоили гораздо дешевле — так, на разработку ПС-2000 было затрачено всего 10 миллионов рублей (а его использование позволило получить прибыль в 200 миллионов рублей). Однако их сферой применения были "крупномасштабные" задачи — та же противоракетная оборона или обработка космических данных. Развитие средних и малых ЭВМ в Союзе предательством кремлевской верхушки было заторможено всерьез и надолго. И именно поэтому тот прибор, что стоит у вас на столе и о котором рассказывается в нашем журнале, сделан в Юго-Восточной Азии, а не в России.

Катастрофа

С 1991 года для российской науки настали тяжелые времена. Новая власть России взяла курс на уничтожение российской науки и оригинальных технологий. Прекратилось финансирование подавляющего большинства научных проектов, вследствие разрушения Союза прервались взаимосвязи заводов-производителей ЭВМ, оказавшихся в разных государствах, и эффективное производство стало невозможным. Многие разработчики отечественной вычислительной техники были вынуждены работать не по специальности, теряя квалификацию и время. Единственный экземпляр разработанного еще в советское время компьютера "Эльбрус-3", в два раза более быстрого, чем самая производительная американская супермашина того времени Cray Y-MP, в 1994 году был разобран и пущен под пресс