Комплекс элементов «Уpал-10»

Г.С. Смирнов

Опыт разработок ЭВМ "Урал" первого поколения показал, как важно иметь добротный базовый набор элементов, который бы можно было применять не один год и в нескольких моделях машин. Настала пора создания такого набора для ЭВМ второго (полупроводникового) поколения. В отделе В.С. Маккавеева исследовались элементы, предназначенные для работы на СВЧ (Владимир Мошенский), на параметронах (Василий Мухин) и на транзисторах (Ефим Шприц).

Группу проектирования логических схем на полупроводниковых приборах усилили молодыми специалистами: в неё включили Владимира Цыганкова, Игоря Иловайского, потом Олега Сидоренко, Александра Бершадского и др. К создаваемым схемам Главным конструктором стали предъявляться повышенные требования в отношении рабочего температурного диапазона, технологичности и воспроизводимости в условиях крупносерийного производства. Именно в это время в стране запретили отбор полупроводниковых приборов. Разработанный набор импульсно-потенциальных логических схем, апробированный в БНФ-1, едва ли смог бы в таких условиях соответствовать рамеевским требованиям. Разработчики элементов стали склоняться к созданию диодно-транзисторного комплекса логических элементов (ДТЛ).

Б.И. Рамеев направляет меня к московским разработчикам элементов ЭВМ для ознакомления с их работами.

В наборе логических элементов Aлександра Залкинда (НИИАА) на транзисторах П15 и П11 - схемы с переключением тока (СПТ), которым свойственно особо высокое быстродействие, но их реализация связана с использованием очень большого количества тогда ещё дорогих транзисторов. Кроме этого, помехоустойчивость и работа схем в широком диапазоне температур, по мнению автора набора, оставались прoблематичными. На более совершенных транзисторах СПТ были применены в IBM -7030 (1961 г.) и в БЭСМ-6 (1967).

Основным элементом в логическом наборе Владислава Гринкевича (НИЭМ) был триггер на насыщенных транзисторах П16 с форсированным переключением для улучшения быстродействия; широко использовались импульсные трансформаторы, изготовление которых почти неизбежно связано с малопроизводительным ручным трудом. Комплексы потенциально-импульсных элементов для меньшего температурного рабочего диапазона нашли применение не только в машине «Проминь» и в нашем модуле памяти БНФ-1, но и в проектировавшихся в то время машинах «Минск-2» и
БЭСМ-4.

Сотрудник МИФИ Борис Николаевич Кононов – автор монографии «Симметричные триггеры на плоскостных полупроводниковых триодах. Госэнергоиздат, 1960. У него не было завершенного комплекса схем, но были заслуживающие внимания наработки по ненасыщенным (с обратной связью на кремниевых диодах) переключающим схемам, которые можно было строить и на диффузионных высокочастотных транзисторах П401. Эти потенциальные схемы имели входную диодную логику, могли образовать полноценный комплекс с минимальным набором разновидностей и выглядели весьма перспективными для массового производства. Замечу, что изданная в 1959 году прекрасная книга А.И. Прессмана с изложением техники проектирования схем ДТЛ « Design of Transistorized Circuits for Digital Computers » в русском переводе появилась лишь в 1963 году, когда разработка нашего набора логических элементов уже была завершена.

Набор на базе схем ДТЛ предлагали и наши разработчики. По существу, собранная мной и доложенная Рамееву информация подтвердила обоснованность их выбора. Наша основная схема «И-ИЛИ-НЕ» показана на рисунке. Все диоды – кремниевые (Д220), транзистор – П401, V 3=+6,3 В, V 2= -6,3 В, V 1= -30 В. После обсуждения схем в кругу ведущих разработчиков ЭВМ "Урал", включая заместителей Главного конструктора А. Невского, Г. Смирнова и В. Мухина, с участием Владимира Цыганкова и Игоря Иловайского этот выбор стал нашим общим решением, а Лев Богословский стал руководителем лаборатории логических элементов.

Б.И. Рамеевым была принята модульная реализация таких схем с использованием новой тогда технологии печатного монтажа. Основным логическим элементом являлся модуль Б-1 (схема И-ИЛИ-НЕ) с временем переключения 0,7 мкс при наихудших сочетаниях элементов и в диапазоне температур от -10 до +50 градусов Цельсия. Более быстрый логический модуль А-1 переключался быстрее 0,25 мкс. Модуль Д-1 расширял их логические возможности, а модуль Е-1 имел повышенную нагрузочную способность (30 модулей вместо пяти у Б-1, А-1), модуль Ж-1 использовался как регулируемая задержка, а И-1 для возбуждения светоиндикатора. Не могу не отметить, что комплекс логических элементов «Урал-10» даже в 1971 году приводился, как образцовый, в учебном пособии для студентов МЭИ, специализирующихся по вычислительной технике (Шигин А.Г. "Цифровые Вычислительные Машины", М., Энергия, 1971).

Для проверки модулей был разработан генератор пачек импульсов и стенд С-1 с индикатором на электронно-лучевой трубке (ведущий разработчик Вячеслав Григорьевич Желнов). Последняя разработка произвела на меня сильное впечатление. Несколько позже Юрием Пинигиным был разработан и передан в серийное производство более простой стенд У-604В, ориентированный на обеспечение проверки логических модулей в условиях эксплуатации наших машин.

В рамках принятых конструктивных решений в моей лаборатории на базе работ по безламповому накопителю проводилась разработка специализированного набора модулей для построения схем ферритовой памяти: Анатолий Михайлов отрабатывал модули верхнего транзисторного ключа напряжения М-1 и нижнего транзисторного ключа напряжения М-2 (на снимке слева) для "силовых" избирательных схем. Иван Кручинин разработал модуль для считанных сигналов (дифференциальный усилитель М-3) и схему стробирования с "защёлкой" М-4. Выходы до четырех модулей М-3 можно было объединить для выполнения логической функции «ИЛИ».

Юрий Саксонов разработал модули ненасыщенных схем М-5 и М-6, соответственно, для регенерации информации и переключения координатных полутоков. Валерий Сафронов - модуль М-7 для схем формирования импульсов стробирования. Все эти модули были включены Рамеевым в комплекс элементов "Урал-10".

Стабилизированные источники питания П-1 разрабатывались под руководством Виктора Кирилловича Елисеева. Мне было предложено Рамеевым сформулировать технические требования к источнику питания П-6 для специальных схем ферритовой памяти. Поскольку нестабильность тока возбуждения сердечников должна быть меньше 8-10 процентов и зависела от изменения кода слова, разброса остаточного напряжения транзисторных ключей и напряжения коммутирующих диодов, а также от изменения величины токозадающих резисторов, то заданная мною нестабильность источника питания (+60 В) составляла не более одного процента. Переговоры с В.К. Елисеевым вел Башир Искандарович. Требования были восприняты как слишком трудно реализуемые. Была принята компромиссная, слегка ослабленная норма на нестабильность источника питания П-6.

Необходимость определенной унификации элементной базы стала осозноваться и руководителями Госкомитетов, ответственных за состояние вычислительной и электронной техники в нашей стране. По приказу ГКРЭ и ГКЭТ от 26 июня 1961 г была начата ОКР по созданию набора унифицированных элементов «Урал-10В». Предусматривалось расширение диапазона рабочих температур схем ДТЛ до -40 … +70 градусов Цельсия. Лев Богословский провел необходимые исследования и дополнительную работу, которые успешно завершились в ноябре 1962 г. Массовый выпуск набора логических элементов «Урал-10»/ «Урал-10В» был освоен на заводе города Волжска, специализированные модули выпускались на заводах-изготовителях ЭВМ "Урал" в Пензе и Москве.

Следующая статья книги

Из книги "Ферритовая память ЭВМ «Урал»". Пенза, 2006 г.
Перепечатываются с разрешения автора.