Безламповый модуль ферритовой памяти
Г.С. Смирнов
В МЭИ я прослушал курс лекций профессора И.Л. Каганова по полупроводниковым приборам. Рассматриваласьэлектронно-дырочная проводимость и ее интерпретация по В. Шокли (Теория электронных полупроводников. ИИЛ. 1953). У нас возникло беспокойство, не сметут ли в ближайшее время новые приборы хорошо освоенные нами электронные лампы.
В 1953 году был образован НИИ-35 с заводом, и начался выпуск точечно-контактных транзисторов С1 и С2. Их использовали в СКБ-245. Однако «первоначальные предположения относительно возможностей применения, повторяемости свойств, надежности, стабильности и стоимости реализовывались очень медленно» (Ричардс Р.К. Элементы и схемы цифровых вычислительных машин. М., ИИЛ, 1961).
Практическое применение тогда получили лишь полупроводниковые диоды: они появились в машинах М-1 и «Стрела», а потом и на кафедре вычислительной техники. Их я успешно использовал в своем дипломном проекте.
В 1957 году я несколько отстраненно посматривал на попытки В.С. Маккавеева с помощью молодых специалистов Евгения Пономарева, Станислава Бычкова и Ефима Шприца создать схемы арифметического устройства на первых, ещё несовершенных отечественных плоскостных транзисторах типа П1. Обратил внимание на попытки разработок цифровых схем на транзисторах в отделе А.А Тимофеева (СКБ-245), где бывал неоднократно. Первые их успехи были связаны с использованием новейших тогда германиевых плоскостных триодов П6 из НИИ-35.
В начале 1959 года по своей инициативе я начал проработку вопросов построения ферритового модуля памяти без электронных ламп, надеясь существенно улучшить надежность ферритовой памяти. В связи с этим, нельзя не вспомнить известное выражение «хохмачей» тех лет: «Разработка нового устройства – это удовлетворение своего интереса за государственный счет».
Я старательно собирал сведения об отечественных транзисторах, особенно с повышенным коллекторным током . Во время командировок в столицу я говорил с коллегами и знакомыми специалистами о новинках в нашей технике, пополнял свои познания. Стремился при случае почитать свеженький отчёт или какой-нибудь другой информационный материал. Всегда заглядывал в московские книжные магазины, подкупал новинки "печатной мысли". Несколько новых книг мне прислал мой однокурсник, москвич Игорь Потемкин. "Здоровая крестьянская жадность" в таком деле мне была не чужда. И мне повезло. Я узнал о выпуске транзисторов «Полет».
На одной из текущих встреч Башир Искандарович спросил меня, не веду ли я какие-нибудь внеплановые работы (видимо, кто-то услужливо проинформировал его о моих начинаниях). Услышав подтверждение, он выразил понимание моей тяги к «новенькому» и обещал априори поддерживать меня при условии полного информирования его о ходе работ. Именно по просьбе Рамеева, поддержанной обкомом и аппаратом ЦК КПСС, была нами получена партия транзисторов «Полет». К этому времени мы получили и маломощные транзисторы П6 и П403.
Мне было известно, что Рамеев обдумывал вариант модернизации серийной машины «Урал-1» путем замены в оперативной памяти магнитного барабана на ферритовую память. Я посчитал полезным и перспективным проработать вопросы построения безламповой ферритовой памяти с емкостью 1024 слова.
С февраля 1959 года с Евгенией Филипповой, выпускницей Рязанского радиотехнического института, разрабатывал усилитель считывания на высокочастотных транзисторах П403. На входе усилителя мы использовали импульсный трансформатор. Усилитель был простейший, не дифференциальный. Подобным образом начинали и американцы.
Вскоре я подключил к экспериментальным работам по дешифратору координатных токов Анатолия Михайлова, познакомившегося с техникой проектирования ферритовой памяти во время дипломного проектирования в нашей лаборатории. Экспериментировали на «уральских» ячейках в типовом «уральском» шкафу. Конечно, мною рассматривалась возможность использования диодно-трансформаторной схемы в новом ферритовом запоминающем устройстве. Но решил отказаться от такой схемы.
Представлялось более заманчивым использовать диодный адресный дешифратор. В ключах напряжения могли применяться транзисторы «Полет» с трансформаторным входом. Анатолию Михайлову и предстояло отрабатывать такую схему.
К нам, в НИИУВМ, начала поступать экспресс-информация (сокращенные переводы зарубежных статей) по новинкам электронной и вычислительной техники. Б.И. Рамеев, главный инженер НИИУВМ, вторым (после директора) просматривал полученную новую литературу и на вкладышах помечал, кто из сотрудников немедленно (вне очереди) должен быть ознакомлен с данным материалом. Признаюсь, я часто был его адресатом. С некоторой задержкой мы получили материалы о первых зарубежных разработках экспериментальных устройств ферритовой памяти с транзисторным управлением.
В статье E.L. Yonker (Trans. IRE, vol. EC-6, №1, March 1957) рассказывалось о запоминающем устройстве на ферритовых сердечниках ёмкостью 1024 18-разряных числа с циклом 20 мкс. Сердечники с размерами 2,03х1,27х0,63 мм переключались за 4 мкс. Каждый из них прошивался 6 проводами: в цепи чтения и записи использовались отдельные координатные шины. В ферритовой памяти экспериментальной машины ТХ-0, выполненной на сердечниках S -1 с внешним диаметром 2 мм, использовались и транзисторы, и электронные лампы. Подражать не захотелось.
Появились отечественные германиевые транзисторы П16, пригодные для логических переключающих схем относительно невысокого быстродействия. На нашем предприятии базовые логические схемы импульсно-потенциального типа разработал Е. Шприц со своими коллегами. Мы решили использовать их в своём первом модуле ферритовой памяти, в электронике которого не было бы ламп.
Невысокое допустимое коллекторное напряжение транзисторов «Полет» накладывало ограничение на возможное суммарное напряжение противоЭДС, возникающее на ферритовых сердечниках при возбуждении их координатным полутоком. Это побуждало уменьшать размеры сердечников: с диаметра 2,55 мм решил перейти на диаметр 1,2 мм. В это время, как помнится, американцы работали на сердечниках с диаметром 1,27 мм, а москвичи (ИТМ и ВТ), начав с диаметра 3,0 мм, пока использовали сердечники с внешним диаметром 2,0 мм марки ВТ-1.
В Пензенском НИИЭМП в наших интересах в рамках НИР с июля 1959 г . начал разрабатывать такие сердечники С-1 Валентин Чубаров со своими молодыми коллегами. Прежние его успехи на поприще освоения запоминающих сердечников К-28 и университетская подготовка (физик-теоретик) обусловливали нашу полную уверенность в успехе дела. К формированию технических требований по новому сердечнику я имел самое непосредственное отношение. Мои требования распространялись не только на импульсные параметры сердечников, но и на методы контроля. В частности, я настойчиво убеждал исполнителей жёстко контролировать высоту всех сердечников.
По договоренности уже на этой стадии мы стали получать экспериментальные партии сердечников С-1. Пришлось самим подготовить ручные установки сортировки сердечников с осциллографическим контролем выходных сигналов. Для работы на них подобрали группу молоденьких "остроглазых" девушек-лаборанток.
Одной из первых эту работу стала выполнять Валентина Макарова, появившаяся среди нас в 1958 году по рекомендации Б.И. Рамеева. Они были соседями, жили в одном доме. Валя окончила школу и искала место работы. Рамеева не подвела, оказалась трудолюбивой и добросовестной сотрудницей и на проверке матриц МЭ-1, и на проверке ферритовых сердечников С-1.
Выход годных ферритов не был высоким, все сердечники повторно проверялись, и потому пришлось привлечь к такой работе Валентину Остроухову и Валентину Александрову.
В декабре 1960 г в НИИЭМП НИР по сердечникам С-1 была завершена. По рекомендации Рамеева мне пришлось возглавлять работу комиссии, в которой помимо разработчиков принимал участие представитель Кузнецкого завода приборов №2 Николай Давыдов.
Матрица МЭ-2
Началась ОКР, ее возглавил Эдуард Смирнов из лаборатории Валентина Чубарова. Не без моего влияния техническим заданием на работу предусматривалось создание средств автоматического контроля, включая проверку импульсных параметров ферритовых сердечников: разрушенной единицы dV 1 и разрушенного нуля dV 0. Предпочтительным считался метод непосредственного измерения параметра, без использования сигнала с эталонного ферритового сердечника. Энтузиазм молодых специалистов, решающих серьёзную техническую задачу, и полное взаимопонимание с нами, перспективными потребителями, порождали определённые радужные надежды.
Удачная идея применения элементарных матриц вновь была использована нами, сохранена и четырехпроводная схема прошивки сердечников. Но теперь размеры матриц заметно уменьшились, что обеспечило снижение индуктивности шин куба памяти. Величина полутока возбуждения снизилась до 250-260 мА. На снимке показана матрица МЭ-2.
Выпускник ППИ Иван Шульпин модернизировал стенд проверки матриц СПМ-1. Установил новое прижимное приспособление, уменьшил токи возбуждения, изменил канал считывания и регенерации. «Уральский» шкаф окружил регулируемыми источниками питания. Получился стенд проверки матриц СПМ-2. Мы получили возможность определять области устойчивой работы ферритовых матриц МЭ-2. Влияния некоторого изменения температуры окружающей матрицы среды мы не заметили.
Валентина Макарова и Геннадий Нефедов вели проверку первых матриц МЭ-2. Область безошибочной работы матрицы регистрировались ими и регистрировалась область работы при числе ошибок до трех включительно. Замена плохих сердечников улучшала область устойчивой работы и не была для монтажниц матриц обременительной работой. К счастью, они и не жаловались на зрительную усталость при монтаже сердечников С-1. А разрядную плоскость собирали из четырех матриц МЭ-2. Спаивание контактов матриц, как и монтаж всего ферритового куба, выполняли классные электромонтажники. Конструкция ферритового куба КФ-2 представляла собой каркас с 24-мя разрядными плоскостями.
Анатолий Михайлов работал в тесном контакте со мной. Он прекрасно зарекомендовал себя как экспериментатор. Его работа была наиболее сложной и весьма ответственной. Настойчивость помогла преодолеть многочисленные препятствия, возникавшие в ходе работы.
Ключевые схемы на новейших в то время транзисторах "Полёт" с трансформаторным входом "капризничали", невыбранные ключи "приоткрывались" из-за паразитной связи через переход коллектор-база: первоначально мы недооценили влияние его достаточно большой ёмкости. Справились и с этим. Очень привлекательная диодная схема выборки, на отработку которой направлялись тогда основные усилия, послужила нам на славу в течение почти десяти последующих лет.
С такой схемой выборки у нас стал работать генератор тока, представлявший собой открытый (в состоянии покоя) транзистор "Полёт", коллекторный ток которого от высоковольтного ( минус 40 В) стабилизированного источника постоянного напряжения ограничивался группой параллельно включенных "безиндуктивных" прецизионных резисторов R н типа БЛП. Для формирования координатного полутока в шине ферритового куба адресованные ключи открывались импульсным сигналом, а потом, с небольшой задержкой закрывался транзистор генератора тока. Благодаря этому в выбранную координатную шину переключался высокостабильный импульс тока, напряжение же на коллекторах транзисторов не превышало паспортных допустимых значений. В такой схеме весьма просто контролировать величину координатного тока. Позже мне попалось описание зарубежного патента по схеме, очень близкой к разработанной нами для БНФ-1. Приятно всё же сознавать, что мы работали на патентном уровне!
В качестве источников питания мы использовали СВНП, стабилизированные источники питания. Рамеев порекомендовал мне принять в лабораторию Анатолия Кучера (третий слева), своего соседа по дому. Анатолий стал обслуживать систему питания БНФ-1.
Как-то в 1958 г., во время наладки ЭВМ "Урал-2", я попросил Башира Искандаровича командировать меня в Кищинев, на конференцию по вычислительной технике, и привычно аргументировал свою просьбу: быть в курсе профессиональных новинок. Моя работа по ферритовой памяти «Урала-2» перешла в рутинную плоскость - можно и отлучиться. Неожиданно последовал совет отказаться от поездки (конференции ещё будут, фактор моего присутствия сейчас среди своих сотрудников не надо принижать). Рамеев попытался выяснить еще, нет ли иной причины, кроме ознакомительной. Не скрою, была: я надеялся повстречаться со своими знакомыми, с которыми давно не виделся. Башир Искандарович поездку не разрешил, но пообещал, что после междуведомственных испытаний машины он командирует меня в любую точку страны, лишь была бы возможность отметить командировку.
И свое обещание Рамеев исполнил. С Василием Мухиным в солнечный день октября 1959 г лечу через Харьков и Ростов в Закавказье. Это мой первый полет. Под нашим «Илом» белоснежные облака и величественные Кавказские горы - красота сказочная, незабываемая! Появляется панорама большого города, виден высоченный, возвышающийся над городом памятник И.В. Сталину. Ереван.
Спрашиваем у горожан, как проехать в институт математических машин. Не знают. Говорим, что там директором работает математик академик Сергей Мергелян. Оживляются, институт Мергеляна знают, дают пояснения, как добраться.
Нас принимает заместитель директора Мелик-Шахназаров, в недавнем прошлом студент нашего факультета (ЭВПФ МЭИ). Он радушен, образно, с присущим только ему юмором знакомит нас с обстановкой в НИИММ. Как приятно видеть однокурсников Бориса Волкова, Михаила Кадирова, Г.Д. Смирнова, разработчика изделия «Волна», с которым учился в одной институтской группе, работал на кафедре вычислительной техники во время дипломного проектирования. Они нам показывают ламповые ЭВМ "Арагац", "Ереван", созданные с участием московских специалистов, подробно рассказывают о их особенностях, не скрывая недостатков. Большие затруднения с ферритовой памятью типа 2 D на сердечниках Л-2. Междуведомственных испытаний еще не было.
Выходим в город, заглядываем в парикмахерскую: посетителей нет. Погружаюсь в удобное кресло, мастер аккуратно обслуживает, а на мой вопрос по завершении процедуры "Сколько заплатить?" невозмутимо отвечает: "Сколько дашь".
Ефим Брусиловский, выпускник ЭВПФ МЭИ, главный конструктор ЭВМ "Раздан-2" и давний знакомый Василия Мухина, был гостеприимен и откровенен. Он подробно рассказывал о системе команд, выбранной для машин "Раздан-2" и отличавшейся от нашей одноадресной и от трёхадресной системы ЭВМ БЭСМ, о трудностях проектирования в специфических ереванских условиях. Расспрашивал о новинках в "Уралах", заинтересовался нашими работами по безламповому устройству ферритовой памяти и предложил мне перебраться на время к нему, чтобы спроектировать подобную память для транзисторной модели "Раздан-2": его местные коллеги ещё не отважились на разработку экономичного МОЗУ с выбором 3D. В свою очередь, помимо удовлетворения схемотехнического любопытства мы поинтересовались, не частную ли парикмахерскую мы посещали? "Нет, государственную. Путаница карманов здесь имеет место".
Василий Мухин не поверил. Тогда наш "ереванец" предложил мне поэкспериментировать по его "программе". Согласившись, я на другой день в ближайшем же киоске попросил газету, протянув рубль (при цене 20 коп.), получил газету, а потом попросил сдачу. Киоскер в гневе вскричал: "Возьми свой паршивый рубль, отдай мою газету!" и выкинул мою купюру. Надо ли говорить, что мои товарищи находились рядом, все видели и слышали (а ведь мы не забыли, как продавали газеты в МЭИ: без киоскера газеты лежали на стуле рядом с "копилкой" для оплаты - торговля была безубыточной!). С такими случаями я встретился впервые. За Кавказскими горами советская жизнь имела свою специфику!
Побродили по городу. В центре - новые, современные здания, на гористой окраине много старых, одноэтажных построек. Напоминают сакли, описанные Л.Н. Толстым в «Кавказском пленнике». Направились к памятнику И.В. Сталину. Подъем был очень крутым. Впервые почувствовал боль в сердце. Съездили в Эчмиадзин, посмотрели древнейший собор (303 г) и храмы, построенные в седьмом веке. Граница с Турцией совсем рядом, в нескольких километрах. Видна гора Арарат, которую армяне считают своей.
А 16-21 ноября я уже в Москве. На Всесоюзном совещании по вычислительной математике и вычислительной технике в МГУ им. Ломоносова с большим интересом слушал доклад В.А. Гринкевича о «Системе элементов для быстродействующей цифровой вычислительной машины на полупроводниковых приборах». Познакомился с докладчиком, выпускником ЭВПФ МЭИ, очень информированным специалистом. В течение многих последующих лет он делился со мной сведениями по новейшим полупроводниковым приборам. Н.П. Брусенцов рассказал о единственной в мире машине «Сетунь», работавшей в троичной системе счисления, А. Н. Мямлин - о первой отечественной ЭВМ с аппаратным контролем («Восток»), Л.И. Гутенмахер - о ЛЭМ-1, работавшей на феррит-диодных элементах. По непонятной причине был снят доклад Ю.А. Лавренюка «Опыт работы ферритового запоминающего устройства на 4096 чисел а машине М-2». И мы могли бы рассказать о ферритовой памяти «Урала-2».
А в Пензе узнаю, что по предложению Рамеева. нашу разработку выделили в плановую ОКР, в рамках которой предстояло изготовить опытный образец БНФ-1.
В 1960-1961 годах мы успешно выполнили и эту работу. В электронике обрамления ферритового куба у нас не было ни одной электронной лампы! Все схемы мы разместили в типовых элементах замены (ячейках), конструкция которых заимствована мною и Х. Гольберг с ЭВМ "М-20". Они были закуплены нашим предприятием по какой-то теме, но не востребованы покупателем.
Мы использовали и «корзину» ячеек машины М-20. Корзины с ячейками поместили в шкаф с «уральскими» размерами. Общее количество ячеек - 192 шт. Добавили в шкаф панель управления и сигнализации, панель управления питанием и профилактическим контролем. Поместили внизу шкафа и блоки питания, разработанные В.К. Елисеевым. Наш безламповый ферритовый накопитель БНФ-1 ёмкостью 1024 24-разрядных двоичных чисел полностью разместился в одном шкафу, получился функционально и конструктивно законченный модуль (устройство) памяти. В БНФ-1 мы включили и схемы, облегчавшие оперативную автономную проверку работы устройства.
Проверка модуля памяти показала очень хорошую работоспособность, малое энергопотребление, поразительную надёжность. Мне стало ясно, что разработанная схемотехника могла бы послужить основой для разработки ряда модулей ферритовой памяти разной информационной ёмкости.
Мы вправе гордиться своими достижениями на поприще транзисторизации первых модулей ферритовой памяти, тем более, что во время разработки схем нам не были известны работы «пионеров» в таком деле Хелбига У.А., Рамбла У.Г., Уорена С.С., Бредли У.Е., опубликованные в 1960 г. (Применение транзисторных и магнитных элементов в ЦВМ. Сов. радио, 1960). Легко понять, что это не было следствием нашего пренебрежения к зарубежным работам.
Сожалею, что в 1961 г. в Пензенском НИИУВМ не оказалось завершенных работ по процессору (АУ и УУ), чтобы можно было скомплектовать транзисторную ЭВМ. В то время начался выпуск 17000 ЭВМ IBM -1401 с дискретной транзисторной логикой и с ферритовой памятью ёмкостью до четырех тысяч символов и временем цикла 11,5 мкс. (Антонов Г.С., Андрианова В.Д, Митяев И.. Зарубежная вычислительная техника. Минск, Наука и техника, 1970). В июне была запущена в производство полупроводниковая ЭВМ RW -300 (США).
Были ли в это время в нашей стране безламповые накопители? Это не могло не интересовать ни меня, ни Б.И. Рамеева. Преподаватель МЭИ Игорь Потемкин сообщил мне, что над такой проблемой работают инженеры у члена-корреспондента АН СССР И.С. Брука и прошла своего рада презентация их работы. Б.И. Рамеев согласился послать меня к коллегам Брука, но почему-то попросил меня быть предельно корректным при встрече с Исааком Семеновичем. Меня это удивило, так как я не давал повода для рекомендаций подобного рода.
Было время отпусков. Разработчиков ферритовой памяти не было, как и самого Брука. Все же мне удалось переговорить с какими-то сотрудниками, не разрабатывавшими МОЗУ, но они не смогли ответить на интересовавшие меня вопросы. "Лучом надежды" было их замечание, что составлен отчёт, который находится "на подписи" у самого И.С. Брука, где интересующий материал подробно изложен специалистами.
При появлении Исаака Семеновича Брука немолодая, интеллигентная секретарша зашла в кабинет с моим сопроводительным письмом, но, заметно огорченная, вернулась: отказано в приёме, письмо "не по адресу". Я сказал, что это какое-то недоразумение, мне известно, что накануне неких приглашенных знакомили с работами по МОЗУ, я же направлен сюда с личной просьбой Б.И. Рамеева ответить на мои вопросы. Услышав это, секретарша вновь сходила в кабинет и, вернувшись, предложила зайти. Выслушав меня, Исаак Семенович сказал, что отчёт не готов, и он ничем не может мне помочь. Формально он был прав, но, по существу, врал мне в глаза. И это был не рядовой сотрудник предприятия, а член-корреспондент Академии Наук СССР. Моё возмущение было столь велико, что я пренебрег просьбой Рамеева и сказал лжецу-членкору об истинном состоянии их технического отчёта и заявил, что и без их информации мы, «уральцы», решали и решим свои задачи. Привыкший к доброжелательному отношению каждой принимавшей меня стороны, я высказал и Баширу Искандаровичу своё искреннее возмущение, а он почему-то не разделил моих чувств и только улыбался: оказывается они работали вместе ещё в 1948 г , и он хорошо знал скверный характер прежнего коллеги, а потому для него такое поведение не было неожиданным.
По свидетельству Б.Н. Малиновского (История вычислительной техники в лицах. Киев, «КИТ», ПТОО «А.С.К.», 1995), сотрудники И.С. Брука М.А. Карцев, Л.В. Иванов, Е.Н. Филинов и другие в 1960 году завершили разработку первой в стране опытной специализированной ЭВМ М-4 на транзисторах. В ее оперативной ферритовой памяти ёмкостью 1024 24-разрядных слова в схемах выборки токов возбуждения запоминающих сердечников использовались электронные лампы. В М-4 - транзисторы П14, П15, П16, П203 и до 100 радиоламп. В конце 1960 года эту опытную машину передали заказчику, Радиотехническому институту. По словам ее Главного конструктора М.А. Карцева: «Она трудно настраивалась и ее трудно было бы повторить в производстве». В ноябре 1962 года все же вышло постановление Правительства СССР о запуске серийного производства ЭВМ М-4. Но Главный конструктор машины настоял на замене логических элементов на новые, более совершенные элементы и на исключении ламп из оперативного устройства памяти на ферритах. Модернизированная ЭВМ получила обозначение М-4М, два первых образца в октябре 1964 г. ушли в места эксплуатации. Начался промышленный выпуск машин М-4М (одновременно с полупроводниковыми ЭВМ "Урал").
Пелена секретности тогда закрывала от нас многие разработки, и ферритовой памяти в том числе. В ряде случаев сами разработчики ограничивали утечку информации о своих проектах и экспериментах. Я часто бывал в ИТМ и ВТ, но не знал о проводившихся работах по БЭСМ-4 и ее ферритовой памяти. В сборнике статей «Магнитные элементы», изданном в ИТМ и ВТ в 1960 году, нашел описание безуспешного эксперимента В.В. Бардижа и В.В. Кобелева по построению одноразрядного макета ферритовой памяти в выбором типа 3 D . Они намеревались улучшить надежность работы запоминающих элементов за счет работы с импульсами тока возбуждения, не превышавшими трети от тока переключения сердечника. Но потребовалось такое большое количество электронных ламп, что даже МОЗУ с выборкой типа 2 D оказалось более экономичным. Запоминающий элемент – сердечник К-28 с внешним диаметром 3 мм. Считаю, что повышать надежность ферритовой памяти надо было иначе: за счет повышения надежности электронного обрамления,
Среди новых книг «Ферриты. Физические и физико-химические свойства. Минск, АН БССР, 1960», которую внимательно изучил, но нашел там лишь устаревший материал. В том же году опубликована более интересная книга (Digital applications of magnetic devices . New York , J . Wiley , 1960), перевод которой на русский язык появился лишь в 1964 году.
Из книги "Ферритовая память ЭВМ «Урал»". Пенза, 2006 г.
Перепечатываются с разрешения автора.
