Академик А.В. Каляев – жизнь и деятельность
Анатолий Васильевич Каляев родился 29 июня 1922 года в г. Ртищево Саратовской области. 18-летним юношей поступил в Ленинградский политехнический институт. С самого начала Великой Отечественной войны он пошёл добровольцем в народное ополчение Ленинграда, затем участвовал в обороне Ленинграда в составе 42-й армии. Все три года обороны находился на фронте в кольце блокады.
После демобилизации А.В. Каляев продолжил учёбу в Ленинградском политехническом институте, где ещё студентом начал заниматься научной работой в области теоретической электротехники под руководством известных учёных – профессоров Павла Лазаревича Калантарова и Леонида Робертовича Неймана (впоследствии академика). Его интересами стали теория цепей и теория электромагнитного поля, электродинамика, проблемы нелинейной теоретической электротехники, однако уже в это время его внимание стали привлекать начавшиеся разработки вычислительных систем, в частности проводимые в ЛПИ разработки электромеханических систем.
В 1954 году после окончания аспирантуры и успешной защиты кандидатской диссертации он направляется по решению Минвуза СССР в Таганрогский радиотехнический институт (ТРТИ), в котором и проработал 50 лет.
В это время на кафедре, которую возглавлял тогда профессор Г.Е. Пухов и которая имела очень высокий научно-методический уровень, развёртываются научно-исследовательские работы в области аналоговых вычислительных структур, в которых А.В. Каляев принимает самое активное участие.
В первой половине пятидесятых годов за рубежом появились научные разработки, имеющие целью создание цифровых дифференциальных анализаторов (ЦДА), предназначенных для решения линейных и нелинейных дифференциальных уравнений высокого порядка, некоторых дифференциальных уравнений в частных производных, для вычисления сложных функциональных зависимостей, моделирования сложных динамических систем и т. п. Эти задачи были в то время наиболее актуальны в связи с бурным развитием ракетной и космической техники, систем автоматического управления, ядерной энергетики и многих других научных и технических направлений.
В СССР – в научных организациях и в промышленности – также возник и быстро возрастал интерес к этим проблемно-ориентированным вычислительным машинам, обладающим одновременно характерными чертами цифровых и аналоговых вычислительных машин. В то же время отсутствие в нашей стране каких-либо законченных разработок в области ЦДА и достаточно глубоких и широких исследований открывало перед А.В. Каляевым возможность перейти от научных исследований и разработок в области чисто аналоговой вычислительной техники (ВТ) к исследованиям и разработкам в области цифровой ВТ.
В конце 1959 года от НИИ-3 Министерства обороны СССР, который занимался системами управления ракет, траекторными расчётами и другими проблемами, кафедрой был получен заказ на разработку и создание первого в стране ЦДА для расчёта траекторий баллистических ракет.
И менее чем за два года были проведены опытно-конструкторская разработка (ОКР), изготовление и испытание первого в СССР цифрового дифференциального анализатора «Метеор-1».
Производительность ЦДА сильно ограничивала очень простая в реализации система одноразрядных бинарных приращений. Поэтому А.В. Каляев начал интенсивно разрабатывать теорию нового класса цифровых интегрирующих машин (ЦИМ), которые работали бы с цифровыми величинами с плавающей запятой и с многоразрядными приращениями переменных. Причём архитектура таких ЦИМ могла быть как последовательной однопроцессорной, так и параллельной многопроцессорной.
На основе этой теории в первой половине 1960-х годов А.В. Каляевым была выдвинута и реализована идея создания многопроцессорных цифровых интегрирующих машин с параллельной архитектурой, таких как ЦИМ «Метеор-3» на 100 параллельно работающих процессорах с общей производительностью более 3 млн операций в секунду; ЦИМ «Метеор-4» на 40 параллельно работающих процессорах с общей производительностью 4,2 млн операций в секунду; ЦИМ «Омега» и ряда других цифровых интегрирующих машин, проблемно-ориентированных на решение конкретных классов задач. ЦИМ «Омега» использовалась в Акустическом институте АН СССР для решения систем дифференциальных и алгебраических уравнений, вычисления сложных функций и интегралов, для моделирования динамических объектов и систем в реальном времени.
В это же время (1964 г.) в киевском издательстве «Наукова думка» выходит первая монография А.В. Каляева «Введение в теорию цифровых интеграторов», где впервые была подробно изложена теория работы цифровых интегрирующих устройств, послужившая основой для дальнейшего развития теории ЦИМ в целом, и которая стала незаменимым пособием для разработчиков и конструкторов новых типов таких машин.
Во второй половине 1960-х годов руководство Минвуза СССР, желая сохранить мощный научно-образовательный центр Юга России, каким уже тогда являлся ТРТИ, и, учитывая высокие административно-организационные качества А.В. Каляева, назначило его ректором ТРТИ. В этой должности он проработал более 18 лет.
В 1969 году на основе двух научных отделов – по ЦИМ и по микроэлектронике, которые функционировали в то время при кафедрах, по инициативе А.В. Каляева при ТРТИ было создано Особое конструкторское бюро «Миус» (моделирующих и управляющих систем).
Под научным руководством А.В. Каляева в ОКБ «Миус» были развернуты крупные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы (НИОКР) по созданию проблемно-ориентированных вычислительных машин и специальных бортовых вычислителей, а также по разработке элементной базы для них.
В начале 1970-х годов здесь на микроэлектронной основе разрабатывается ряд многопроцессорных цифровых интегрирующих машин, в которых были развиты идеи А.В. Каляева, заложенные в созданных ранее ЦИМ типа «Метеор-3», «Метеор-4» и «Омега». Это, в частности, параллельная многопроцессорная цифровая интегрирующая машина на 50 параллельно работающих процессорах «Дон», изготовленная в 1970 году по заказу бакинского института АЗНЕФТЕХИМ, многопроцессорная ЦИМ «Таганрог» на 50 параллельно работающих процессорах с производительностью до 2 миллионов операций в секунду, изготовленная в 1971 году по заказу КБЭ (г. Харьков), и другие.
В 1970 году выходит монография А.В. Каляева «Теория цифровых интегрирующих машин и структур». В этой монографии он последовательно изложил полную теорию ЦИМ различных классов, включая теорию экстраполяционных и интерполяционных ЦИМ, последовательных и параллельных ЦИМ, работающих с многоразрядными и одноразрядными приращениями, имеющими фиксированную и плавающую запятую. Были рассмотрены методы численного интегрирования по Стилтьесу и получены конкретные формулы численного интегрирования по Стилтьесу. Было показано, что применение точных формул численного интегрирования по Стилтьесу, использование многоразрядных приращений, плавающей запятой, учёт погрешностей квантования и разработка параллельной архитектуры в сочетании с электронной динамической коммутацией обеспечивают повышение производительности ЦИМ на несколько порядков без существенного увеличения используемого оборудования и габаритов. Уже в этой монографии была выдвинута идея создания однородных цифровых интегрирующих структур на основе появившихся в то время первых поколений интегральных микросхем. Было показано, что успехи микроэлектроники обеспечили возможность разработать и реализовать однокристальный цифровой интегрирующий микропроцессор и однокристальный многоканальный коммутирующий элемент, позволяющий программировать каналы связи между параллельно работающими цифровыми интегрирующими микропроцессорами. Эта идея явилась в дальнейшем исходной точкой для разработки однородных параллельных многопроцессорных вычислительных систем с программируемой коммутацией.
Однако для развития микроэлектроники и вычислительной техники в ТРТИ было необходимо также создать научную базу для фундаментальных теоретических и экспериментальных разработок в этих научных направлениях с целью получения необходимого перспективного научного задела для дальнейшего развития и подъёма на мировой уровень прикладных исследований и опытно-конструкторских работ.
С этой целью А.В. Каляевым была выдвинута идея создания Научно-исследовательского института однородных микроэлектронных вычислительных структур (НИИ ОМВС).
29 декабря 1972 года Совет Министров РСФСР принял постановление об организации при ТРТИ такого института. А.В. Каляев был назначен директором НИИ ОМВС. В этой должности он проработал более двадцати лет.
В дальнейшем НИИ ОМВС был переименован в Научно-исследовательский институт многопроцессорных вычислительных систем (НИИ МВС), которому были установлены следующие научные направления:
- разработка теории, принципов построения и создания многопроцессорных вычислительных систем с программируемой архитектурой, предназначенных для решения широкого круга задач цифрового управления и моделирования;
- разработка математического обеспечения многопроцессорных вычислительных систем;
- разработка теории, принципов построения и создания сверхбольших интегральных схем (СБИС) с программируемой структурой для многопроцессорных вычислительных систем;
- разработка теории и принципов построения адаптивных нейроподобных вычислительных и робототехнических систем.
В НИИ МВС работало более 450 сотрудников, в том числе десятки докторов и кандидатов наук и более 250 инженерно-технических сотрудников. Более десяти крупных ученых, докторов наук, профессоров, имевших большой научный и организационно-административный опыт работы в области многопроцессорных вычислительных систем, их математического обеспечения и элементной базы, руководили коллективами отделов, лабораторий и исследовательских групп НИИ МВС.
Наряду с теоретическими и экспериментальными научными исследованиями в НИИ МВС под руководством А.В. Каляева было выполнено большое число прикладных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, в том числе десятки опытно-конструкторских работ, в результате которых были разработаны и изготовлены, испытаны и поставлены заказчикам опытные образцы более 20 универсальных и проблемно-ориентированных вычислительных систем, из которых около половины составили высокопроизводительные вычислительные системы с массовым параллелизмом и программируемой архитектурой.
В 1978 году в Москве вышла в свет монография А.В. Каляева «Однородные коммутационные регистровые структуры», которая открыла еще одно новое научное направление. В книге была изложена разработанная А.В. Каляевым теория однородных коммутационных структур, предназначенных для синтеза и программирования многочисленных изменяющихся во времени каналов связи между большим числом параллельно работающих процессоров. В этой же книге впервые в мире были рассмотрены автоматы с программируемой структурой и с программируемой коммутацией, которые в дальнейшем легли в основу создания многопроцессорных вычислительных систем с программируемой архитектурой. Отдельная глава книги была посвящена проблемам коммутации в нейроподобных структурах, архитектуре плоских и пространственных нейроподобных структур, принципам и методам настройки и перестройки нейроподобных структур.
В 1984 году А.В. Каляев был избран членом-корреспондентом Академии Наук СССР.
Большую роль для развития дальнейших фундаментальных и прикладных исследований в НИИ МВС сыграл выход в свет в 1984 г. монографии А.В. Каляева «Многопроцессорные системы с программируемой архитектурой».
В этой монографии была выдвинута концепция, научно обоснована и глубоко разработана теория принципиально новых, не имеющих аналогов в мире сверхпроизводительных многопроцессорных вычислительных систем с массовым параллелизмом, программируемой архитектурой и структурной организацией вычислений, которые гарантируют производительность, близкую к пиковой, практически на всех задачах, обеспечивают линейный рост производительности в зависимости от числа параллельно работающих процессоров, существенно облегчают распараллеливание вычислительных процессов, обеспечивают простоту и эффективность программирования, высокую надёжность и живучесть, обладают модульностью и наращиваемостью структуры и позволяют наиболее полно использовать достижения современной микроэлектроники.
В основу многопроцессорных ВС с программируемой архитектурой положена выдвинутая А.В. Каляевым идея однокристальных макропроцессоров с программируемой структурой, которые работают на основе наборов крупных операций с внутренними машинными языками высокого уровня. Теория многоканальных макропроцессоров с программируемой структурой была развита в ряде его работ и работ его учеников, опубликованных в отечественной и зарубежной научной литературе.
За большой личный вклад в развитие вычислительной техники и подготовку научных и инженерных кадров Президиум Верховного Совета СССР присвоил А.В. Каляеву в 1986 году звание Героя Социалистического Труда.
В период с 1991 по 1993 год НИИ МВС выполнял в качестве головной организации Межвузовскую научно-техническую программу «Супермакронейрокомпьютер», утвержденную приказом Гособразования СССР.
Проект универсальной многопроцессорной ВС с программируемой архитектурой «Супермакрокомпьютер» был в общих чертах завершен в 1993 году. Для супермакрокомпьютера была использована специально разработанная в НИИ МВС элементная база с программируемой структурой, включая супертранспьютер, макропамять и макрокоммутатор, основанная на одномикронной технологии микросхем.
Одновременно с опытно-конструкторскими исследованиями и работами в области многопроцессорных вычислительных систем с массовым параллелизмом в НИИ МВС под руководством А.В. Каляева был выполнен ряд опытно-конструкторских работ в области цифровых нейропроцессорных сетей и цифровых нейрокомпьютеров с массовым параллелизмом и программируемой структурой.
В 1977 году был разработан, изготовлен и экспериментально исследован цифровой нейроноподобный ансамбль, включающий 10 цифровых параллельно работающих нейропроцессоров, способных перестраивать свою структуру на реализацию функций как формально-логических, так и динамических модулей нейронов, а также гибкую коммутационную систему, обеспечивающую возможность программирования архитектуры нейропроцессорного ансамбля.
В 1987 году разработан и создан действующий образец универсального моделирующего комплекса для нейрокибернетических исследований, включающий персональный компьютер, нейропроцессор с программируемой структурой, используемый в качестве сопроцессора-акселератора, и комплект программных средств, обеспечивающий моделирование различных нейропроцессорных ансамблей и нейропроцессорных сетей с числом нейроэлементов до 32×104 и числом синаптических связей до 2,5×106. Комплекс обеспечивал моделирование широкого класса нейропарадигм и имел производительность 106 CUPS (переключений межузловых связей в секунду).
В 1989 году разработана первая в мире БИС цифрового нейропроцессора (ЦНП) с программируемой структурой на основе базового матричного кристалла. Структура нейропроцессора могла программироваться на реализацию различных типов нейронов, в том числе динамических, адаптивных по входам и выходам, формально-логических и других типов нейронов.
В 1990 году разработана и изготовлена в виде экспериментальной партии микросборка ансамбля цифровых нейропроцессоров, содержащая в одном корпусе микросборки 6 бескорпусных БИС цифровых нейропроцессоров и программируемый коммутатор, позволяющий программировать в микросборке различные типы нейропроцессорных ансамблей. Микросборка экспонировалась на всесоюзных и международных выставках и была отмечена серебряной медалью ВДНХ.
В 1992 году разработан и изготовлен экспериментальный образец первого в мире параллельного мультинейропроцессорного цифрового нейрокомпьютера с программируемой архитектурой в виде комбинированной нейрокомпьютерной системы, включающей персональный компьютер PC AT и параллельный сопроцессор-акселератор, состоящий из 15 параллельно работающих цифровых нейропроцессоров с программируемой структурой и программируемой коммутационной системой.
В 1990 г. А.В. Каляевым вместе с соавторами опубликована монография «Однородные управляющие структуры адаптивных роботов». В этой монографии были рассмотрены вопросы разработки и создания систем управления адаптивных роботов третьего поколения с элементами искусственного интеллекта на базе однородных нейроподобных структур. Изложены принципы построения однородных нейроподобных структур, предназначенных для управления движением роботов в динамически изменяющейся внешней среде с препятствиями. Описаны алгоритмы и структуры, предназначенные для планирования поведения как отдельных роботов, так и их коллективов. Приведены характеристики реальных разработанных роботов.
В 1990 году в НИИ МВС разработана и выпущена опытная партия сверхбольших интегральных схем (СБИС) однородной нейроподобной структуры, ориентированной на решение задач планирования траектории движения робота в сложной среде с препятствиями. Одна СБИС содержала 128 параллельно работающих элементарных нейропроцессоров.
В 1992 году была разработана бортовая многопроцессорная вычислительная система повышенной живучести для управления трехосной стабилизированной платформы «Аргус», создаваемой в рамках программы «Марс-94» и предназначенной для работы в составе орбитальной станции, исследующей поверхность Марса. В 1993-1994 гг. были изготовлены и испытаны действующие образцы подобной системы, принятой заказчиком с высокой оценкой.
В период с 1997 по 2003 годы основные усилия участников научной школы, возглавляемой А.В. Каляевым, были направлены на решение проблемы создания аппаратно-программных средств поддержки систем программирования, настройки и реконфигурации архитектуры многопроцессорных вычислительных систем с массовым параллелизмом, а также на решение проблемы достижения сверхвысокой производительности таких систем и обеспечение линейного роста их производительности, близкой к пиковой на любых классах задач. Решение этих проблем позволяет достичь высокой производительности суперЭВМ с массовым параллелизмом и программируемой архитектурой на уровне лучших образцов зарубежных суперкомпьютеров и обойти при построении суперЭВМ трудности, связанные с отставанием отечественной микроэлектронной технологии.
Параллельно велись крупные научные исследования по созданию системного ПО многопроцессорных ВС с массовым параллелизмом и программируемой архитектурой и разрабатывалась технология синтеза прикладных программ для таких систем, а также технология трансляции существующих последовательных программ в параллельные. В результате ряда фундаментальных работ в этих направлениях были получены оригинальные решения многих научных задач, связанных с развитием многопроцессорных ВС.
В мае 2000 года общее собрание Российской академии наук избрало Анатолия Васильевича Каляева академиком РАН.
В 2003 году коллектив научной школы А.В. Каляева участвовал в выполнении программы Союзного государства России и Беларуси «Разработка и освоение в серийном производстве семейства высокопроизводительных ВС с параллельной архитектурой (суперкомпьютеров) и создание прикладных программно-аппаратных комплексов на их основе» (шифр «СКИФ»). В ходе выполнения работ по программе «СКИФ» были разработаны и созданы универсальный минисуперкомпьютер на основе модульно-наращиваемой многопроцессорной системы с программируемой архитектурой и структурно-процедурной организацией вычислений и его программное обеспечение.
В 2003 г. А.В. Каляевым с соавторами были изданы монографии «Модульно-наращиваемые многопроцессорные системы со структурно-процедурной организацией вычислений», и «Оценка производительности многопроцессорных вычислительных систем с массовым параллелизмом».
Всего за время 50-летней научной и научно-педагогической деятельности под руководством академика РАН А.В. Каляева выполнено свыше 200 разработок, им подготовлено 18 докторов технических наук, 59 кандидатов технических наук, опубликовано более 380 научных работ, среди которых 13 монографий и 69 авторских свидетельств на изобретения и патентов.
За заслуги перед Родиной А.В. Каляев награжден орденом Ленина, тремя орденами Трудового Красного знамени, орденом Отечественной войны II степени, орденом Дружбы народов и шестнадцатью медалями.
Умер А. В. Каляев 10 марта 2004 года в Таганроге. Похоронен на городском кладбище.
Статья опубликована 28.06.2013 г.
