ЦЭМ-1 и ЦЭМ-2 — первые ЭВМ Курчатовского института

Б. И. Шитиков

В 50-х годах прошлого столетия в РНЦ “Курчатовский институт”, называвшийся в то время Лабораторией измерительных приборов АН СССР (ЛИПАН), были сконструированы две цифровые электронные машины: ЦЭМ-1 и ЦЭМ-2.

Разработка ЦЭМ-1 была начата во второй половине 1951 г . по инициативе академика Л. Н.Соболева, руководившего в то время расчётным подразделением ЛИПАНа. Непосредственным руководителем работ был начальник сектора Н. А. Явлинский, подразделение которого в то время вело экспериментальные исследования на первых термоядерных установках типа ТОКАМАК. Собственно разработку конструкции ЦЭМ-1 проводил старший инженер Г. Н. Михайлов с моим участием. Я в то время был молодым специалистом, только закончившим. МЭИ по специальности “релейная защита и автоматика”.

ЦЭМ-1 была введена в эксплуатацию в 1953 г. и её характеризовали следующие данные:

1. принцип действия — последовательный;
2. система кодирования команд — двухадресная, с засылкой результата на место второго числа;
3. машина оперировала 30-разрядными двоичными числами (31-й разряд использовался для записи знака числа);
4. запоминающие устройства: оперативное, ёмкостью 496 чисел или команд на ультразвуковых линиях задержки (31 стальная трубка, заполненные ртутью, по 16 чисел или команд в каждой) и внешнее на магнитном барабане ёмкостью 4096 чисел или команд;
5. в ЦЭМ-1 использовалось около 1900 ламп (потребляемая мощность составляла 14 кВт);
6. средняя скорость выполнения операций:
   • сложения или вычитания 495 команд в секунду;
   • умножения или деления 232 команды в секунду.
7. для запоминания операндов арифметического устройства также использовались ртутные ультразвуковые линии задержки (4 стальные трубки, заполненные ртутью, каждая на одно число).

В ЦЭМ-1 был использован следующий набор команд: сложение, вычитание, умножение, деление, умножение и деление на целые степени (сдвиг вправо и влево на п разрядов), поразрядное логическое умножение, перенос чисел, условные переключения по знаку плюс и минус, ввод — чтение с перфоленты, вывод — запись на перфоленту.

Первоначально машина ЦЭМ-1 проектировалась как одноадресная, но в ходе её создания по предложению академика С. А. Соболева был сделан переход на двухадресное кодирование команд. В двухадресной команде записывались наименование операции и адреса двух чисел.

В течение нескольких лет ЦЭМ-1 использовалась для решения разнообразных задач научной тематики института. Однако круг решаемых задач сильно ограничивала её относительно низкая скорость работы, и в связи с этим в1954 г. мною было сделано предложение о создании новой ЭВМ — параллельного действия на новых элементах радиоэлектроники, что позволяло превзойти производительность ЦЭМ-1 в десятки раз. Это предложение было принято моим руководителем Н. А. Явлинским.

Вновь разрабатываемой ЭВМ было присвоено название — ЦЭМ-2, она имела следующие характеристики:

1. система команд — трёхадресная;
2. арифметическое устройство параллельного действия с представлением чисел с плавающей запятой (32 разряда — мантисса, 8 разрядов — показатель);
3. оперативная память на ферритовых кольцах ёмкостью 1024 слова по 40 бит в слове;
4. внешняя память на магнитном барабане ёмкостью 16000 слов;
5. оперативное запоминание кодов чисел и команд с использованием триггерных регистров, выполненных на электронных лампах (общее количество ламп 1500);
6. система управления арифметическими и логическими операциями — микропрограммная с использованием импульсно-потенциальной логики;
7. ввод данных и команд при помощи фотоввода собственной конструкции (с использованием стандартной телеграфной перфоленты);
8. вывод данных на перфоленту и бумагу с помощью стандартного телеграфного аппарата, позже замененного АЦПУ параллельного действия.
9. средняя скорость выполнения операций:
   • сложение или вычитание 30 тыс. команд в секунду;
   • умножение или деление 8 тыс. команд в секунду.

Благодаря ряду рассмотренных ниже особенностей конструкции ЦЭМ-2 была обеспечена высокая степень бесперебойности её функционирования в условиях двухсменного режима эксплуатации (с выключением на ночь).

Выбор импульсно-потенциальной логики для устройства управления и арифметического устройства позволил для создания наиболее массового элемента (реализующего логическую операцию “И”) использовать схему (в составе ЦЭМ-2 их было около 7000), состоящую всего из трёх простейших, практически безотказных деталей:

1. полупроводникового диода — в качестве вентиля, пропускающего переключающий импульс на вход триггера (диод позволяет одновременно реализовывать ещё и функцию “ИЛИ” при объединении выходов нескольких схем “И” на входе одного триггера);
2. конденсатора, используемого для подачи на катод диода переключающего отрицательного импульса;
3. омического сопротивления, используемого для подачи на катод диода напряжения, запирающего диодный вентиль.

Для исполнения каждой микрокоманды использовалась последовательность переключающих импульсов. Причём подобный импульс через схемы “И” мог действовать одновременно на все триггеры 32-разрядного регистра арифметического устройства. Для реализации всего набора микроопераций было задействовано около 40 генераторов одиночных импульсов, названных исполнительными элементами. Реализация машинных команд осуществлялась путём поочередного запуска соответствующих исполнительных элементов через заданные интервалы времени — такты. Обычно в ЭВМ принято задавать эти интервалы с помощью непрерывно действующего тактового генератора импульсов. Но при этом возникает необходимость в построении системы отбора тактовых импульсов (с требуемыми интервалами их следования) и наложении логических условий (определяющих исполнение тех или иных микрокоманд), что усложняет процесс отладки системы управления ЭВМ и поиска неисправных элементов.

В ЦЭМ-2 такты следования исполнительных импульсов задаются с помощью электромагнитных линий задержки с отводами. Каждой категории родственных машинных команд (например, сложению с вычитанием) соответствует отдельная цепочка линий задержки. Нетрудно заметить, что при этом такая цепочка одновременно выполняет функцию динамической памяти для микропрограммы соответствующей машинной команды. Для запуска микропрограммы требуется, как правило, простейшая логическая схема, пропускающая импульс на вход такой цепочки. Импульсы с выбранных отводов линии задержки (с заданными интервалами) поступают непосредственно на входы соответствующих исполнительных элементов. Выбор отводов производится в соответствии с требуемыми интервалами между смежными исполнительными импульсами. Нетрудно заметить, что при этом естественным образом обеспечивается модульность микропрограммной системы управления (ибо каждая микропрограмма запоминается отдельной цепочкой линий задержки), а это существенно упрощает процедуру отладки системы управления ЭВМ. При запуске процесса исполнения команд программы одиночный импульс начинает циркулировать по цепочкам линий задержки в соответствии с последовательностью микропрограмм машинных команд, задействованных в программе.

С учётом того что в ЦЭМ-2 в качестве силовых элементов использовалось большое количество электронных ламп, особое внимание было уделено разработке системы электропитания, перед которой ставились следующие задачи:

1. предотвращение выхода из строя элементов машины при её запуске (дело в том, что ламповым ЭВМ был присущ такой недостаток);
2. обеспечение профилактического контроля работоспособности элементов машины;
3. защиту от случайных кратковременных бросков напряжения электрической сети, обеспечивающей электропитание ЦЭМ-2.

Для удовлетворения поставленных условий все используемые напряжения электропитания (в том числе напряжение накала ламп) были стабилизированы и могли плавно регулироваться в требуемых пределах. Это позволяло при запуске машины поочередно плавно поднимать напряжения электропитания до нужных уровней и во время профилактики производить отбраковку элементов ЦЭМ-2, отклоняя от номинальных значений уровни соответствующих напряжений электропитания. С целью защиты от перепадов напряжения питающей электросети ЦЭМ-2 была подключена к электросети через мотор-генератор со стабилизированным выходным напряжением.

Благодаря вышеперечисленным конструктивным особенностям машины ЦЭМ-2 её отладка и последующая эксплуатация осуществлялась всего двумя инженерами и двумя операторами. В её отладке и последующей эксплуатации принимали участие З. Д. Доброхотова и В. И. Николаев.

Введена в строй ЦЭМ-2 была в1955 г. и проработала она в Курчатовском Институте до 1963 г. Затем её передали в один из институтов Минздрава СССР.

В 1957 г. ЦЭМ-2 прошла экспертизу межведомственной комиссии Радиокомитета СССР и экспертиза подтвердила высокую степень надежности её функционирования. За десять дней двухсменной работы (под контролем комиссии) не было зафиксировано ни одного сбоя радиоэлектроники машины. Несмотря на все достоинства конструкции ЦЭМ-2, серийное производство её не было рекомендовано комиссией (это было сделано по указанию руководства Радиокомитета СССР), и только благодаря инициативе энтузиастов аналогичные машины были построены еще в трёх организациях — две в Москве и одна в Башкирии.

Статья помещена в музей 09.02.2007