Восхождение на «Эльбрус». Суперкомпьютер академика Бурцева

Владимир Тучков

Разработчик советских супер-ЭВМ Всеволод Сергеевич Бурцев в равной степени работал как на «мир», так и на «войну». До сих пор актуальны не только его идеи, реализованные в быстродействующем «железе» с уникальной надежностью, но и сами машины, которые более 40 лет находятся на боевом посту.

Люди такого могучего дарования, каким обладал Бурцев, самостоятельно прокладывают дорогу к профессиональным высотам. Однако ему в этом отношении повезло: после окончания школы он поступил в МЭИ, где в то время преподавал корифей цифровой техники Сергей Алексеевич Лебедев. Именно Лебедев и заметил талантливого студента, и пригласил Бурцева вместе с семью дипломниками заняться серьезным мужским делом – принять участие в разработке ЭВМ БЭСМ.

Так Бурцев, будучи студентом, в 1950 году стал инженером лаборатории № 1 ИТМиВТ АН СССР, которой заведовал Лебедев. И его дипломный проект «Управление системой команд БЭСМ» был не просто проверкой подготовки выпускника вуза, а реальным рабочим документом, реализованным в ЭВМ, за которую в составе коллектива разработчиков чуть позже он был награжден орденом Ленина.

Уже тогда Бурцев проявил одну из сильнейших своих сторон – стремление к повышению надежности работы узлов ЭВМ за счет нетривиальных технических решений. Дипломник предложил новую схему триггера, которая отличалась от существовавших аналогов повышенной помехоустойчивостью.

И как разработчик, и как руководитель Бурцев прогрессировал стремительно. Его творческая самостоятельность, естественно, под чутким наблюдением Лебедева, началась рано. В 1953 году ему было поручено провести НИР по созданию первой отечественной управляющей ЭВМ, которая оцифровывала бы снятые с радиолокатора данные, обрабатывала их и визуализировала траекторию движения отслеживаемого объекта.

Эта задача в 1955 году была перевыполнена. Под руководством Бурцева были созданы две машины: «Диана-1» и «Диана-2». Первая обрабатывала данные по движению цели и истребителя, а вторая управляла наведением на самолет противника. Причем эта система была способна отслеживать до десяти целей.

На основании этой работы Бурцев подготовил кандидатскую диссертацию, которую защитил позже – в 1962 году. Члены ученого совета единодушно пришли к мнению, что уровень диссертации и качество проработки вопроса значительно выше скромных притязаний соискателя, и присвоили ему докторскую степень.

Это направление получило развитие на качественно более высоком уровне. В 1955 году молодой конструктор возглавил группу, которая приступила к разработке машины М-40 с рекордным для того времени быстродействием в 40 тыс. операций в секунду. Она была готова уже через два года. Еще через два года в серию была запущена М-50 с быстродействием 50 тыс. оп./с. Эта управляющая машина решала задачи противоракетной обороны в реальном времени. Как вспоминал впоследствии Бурцев, сложнее всего было обеспечить высокую степень попадания (менее 25 метров) и временную синхронизацию, в особенности выдачу сигнала подрыва противоракеты с точностью до нескольких микросекунд.

Машины семейства «М» обладали рядом революционных по тем временам структурных решений. В них осуществлялась параллельная работа устройств управления, ОЗУ, внешних устройств и каналов связи, вычислительная сеть обладала мультиплексными каналами. Прием и передача данных осуществлялась по семи дуплексным асинхронно работающим каналам с общей пропускной способностью в 1 Мбит/с. Объекты, с которыми система обменивалась информацией, были удалены на расстояние до 200 км.

Именно с этих машин и на их базе в СССР возникла ПРО, или, как она закодированно называлась, Система «А». Система состояла из нескольких ЭВМ: М-40, М-50 и 5Э92 (полупроводниковая модификация М-50), которые были соединены в единую сеть и обменивались по специально разработанным протоколам информацией, решая единую задачу. Так, в 1959 году впервые в мире была запущена компьютерная сеть, которая с большой временной задержкой была воспроизведена в США. Первая сеть, связавшая по телефонным линиям два компьютера в Массачусетсе и один в Калифорнии, была запущена в 1965 году. Ну а полноценную сеть ARPANET Министерство обороны США развернуло лишь в 1969 году.

Успешные испытания Системы «А» состоялись в марте 1961 года на полигоне Сары-Шаган: противоракета с первого раза сбила боеголовку межконтинентальной баллистической ракеты Р-12. В США смогли повторить уничтожение макета советской ядерной боеголовки лишь 23 года спустя.

А первый комплекс ПРО А-35, поставленный на боевое дежурство, был развернут в 1966 году в Подмосковье для защиты Москвы от ракет «Титан-2» и «Минитмен-2». Система была построена на базе новой ЭВМ 5Э92б, рассредоточенные вычислительные комплексы были связаны высокоскоростной сетью общей протяженностью более 1000 км.

5Э92б, разработанная под руководством Бурцева, была двухпроцессорной машиной, уникальной по надежностным характеристикам. В системе ПРО 12 ЭВМ 5Э92б образовывали комплекс. При этом две машины находились в горячем резерве. В случае отказа одной из десяти работающих машин одна из резервных подключалась к комплексу, на что уходило несколько миллисекунд.

5Э92б имела полный аппаратный контроль вычислительного процесса, отлавливавший не только отказы, но и сбои. А наличие двух резервных машин делало комплекс самой надежной вычислительной системой в стране. К тому же эта ЭВМ имела и уникальную ремонтопригодность: программа мгновенно идентифицировала отказавший узел, на замену которого тратилось 25 секунд.

Машина имела двухадресную систему команд и ОЗУ на ферритовых кольцах объемом в 32К 48-разрядных чисел с фиксированной запятой. Производительность «большого» процессора составляла 500 тыс. оп./с, «малого», обслуживавшего внешние устройства и каналы связи, – 37 тыс. оп./с. Структура процессоров и эффективная система прерываний позволяла всем машинам, входящим в комплекс, работать с общими внешними запоминающими устройствами – 4 магнитными барабанами и 16 лентопротяжками.

ЭВМ 5Э92б в 1966 году начала выпускаться серийно. Есть ряд свидетельств того, что в некоторых вычислительных центрах благодаря своей уникальной надежности эти машины используют до сих пор в качестве специализированных коммутаторов информационных потоков.

Следующей этапной работой Бурцева, которой он занимался с 1969 до 1972 года, стала разработка компьютера для мобильной системы зенитно-ракетного комплекса ПВО С-300П, который до сих пор чрезвычайно популярен на международном рынке вооружений. Всего лишь за три с небольшим года им были выпущены для управления подвижными ракетными комплексами две ЭВМ, безотказно работающие в полевых условиях: 5Э261 и 5Э262. Позже они были переведены на новую элементную базу, что позволило уменьшить их габариты и увеличить быстродействие, и получили название 5Э265 и 5Э266. Они стали самыми массово выпускаемыми в СССР машинами – всего их было произведено более полутора тысяч.

Уровень надежности и безотказности их работы стал еще выше, чем в предыдущей разработке. Эта трехпроцессорная система, размещавшаяся в объеме менее 2 куб. м, была построена по модульному принципу. Все ее модули были охвачены системой полного аппаратного контроля, которая позволяла не только резервировать модули в случаях сбоев и отказов, но и проводить автоматическое изменение конфигурации вычислительных комплексов непосредственно в процессе выполнения боевой задачи.

5Э261, которая появилась чуть позже, чем супер-ЭВМ БЭСМ-6, имела ту же самую производительность в 1 млн. оп./с, но при этом обладала меньшими габаритами и «нечеловеческой» надежностью.

Бурцев сделал и суперкомпьютер. Его разработка в ИТМиВТ началась в начале 1970-х годов. Перед главным конструктором была поставлена, казалось бы, невыполнимая на тот момент задача: получить быстродействие в 100 млн оп./с. В 1973-м после ухода с поста директора ИТМиВТ академика Лебедева институт возглавил Бурцев.

В 1975 году многопроцессорный вычислительный комплекс (МВК) «Эльбрус» был готов, а в 1978 году он прошел государственные испытания. Однако это было окончание промежуточного этапа: десяти-процессорный комплекс делал лишь 15 млн оп./с.

Однако это была уникальная система, способная штурмовать мировые рекорды производительности при переводе ее с устаревшей элементной базы на микросхемах ТТЛ-технологии средней степени интеграции на современную.

МВК был 10-процессорным компьютером, который впервые в мире имел суперскалярную архитектуру, позволявшую параллельно отрабатывать несколько машинных команд. Наряду с центральным процессором имелись специализированные: для обмена данными с внешними устройствами, для быстрого преобразования Фурье, для эмуляции команд БЭСМ-6 и для решения целого ряда специальных задач. Объем оперативной памяти достигал солидного на тот момент объема в 64 Мб.

К новым решениям относится и использование тегов, которые дополняют каждое хранящееся в памяти слово и ориентируют процессор на выполнение тех или иных действий с командами и операндами.

Несколько институтов (ИТМиВТ и его Новосибирский филиал, Ленинградский университет, Ростовский университет, Институт кибернетики АН СССР) разрабатывали для «Эльбруса» не только операционную систему, но и языки программирования высокого уровня, которые имели бы возможность воспользоваться достоинствами оригинальной архитектуры и системы команд МВК. Так, например, базовым языком стал Эль-76, в определенном смысле модификация Алгола.

Триумф суперкомпьютерной программы состоялся в 1985 году, когда в серийное производство был запущен «Эльбрус-2», который представлял собой незначительно модернизированный с точки зрения схемотехники «Эльбрус-1», переведенный на новую элементную базу микросхем ЭСЛ-технологии. Этот МВК выполнял 125 млн оп./с.

В процессе его разработки Бурцев занимался не только схемотехникой, но и значительные усилия тратил на решение технологических вопросов. Необходимо было обеспечить эффективное охлаждение узлов, выделявших значительную энергию. Активное участие он принимал и в создании технологии производства прецизионных многослойных печатных плат, и в формировании технических требований для разработчиков быстродействующих микросхем, высокочастотных разъемов, микрокабелей и других компонентов, необходимых для того, чтобы выжать из МВК максимально возможное быстродействие.

Было выпущено 30 МВК «Эльбрус-2», которые работали в системах ПРО, в Центре управления полетами, в ядерных центрах – там, где требуется суперкомпьютерная обработка данных.

Следующим проектом, к которому намеревался вплотную приступить Бурцев, должно было стать создание векторного процессора. И даже был реализован эскизный проект, который обещал достичь производительности в пределах от 200 до 300 млн оп./с. При включении в МВК нескольких таких процессоров можно было превысить 1 млрд оп./с и получить рекордный по производительности суперкомпьютер. Однако работы по созданию суперкомпьютера были остановлены в связи с тем, что в 1985 году в силу обстоятельств Бурцев был вынужден уйти из института и перейти в Вычислительный центр коллективного пользования АН СССР, где он занял пост вначале замдиректора, а в 1992 году – директора. В этом же году он был избран академиком.

После закрытия Центра Всеволод Сергеевич с 1993 по 1997 год был директором Института высоко-производительных вычислительных систем РАН. И в ВЦКП, и на новом месте Бурцев посвятил себя научным поискам новых принципов подхода к архитектуре компьютера и организации вычислительных процессов. Он предложил схему распараллеливания хода вычислений за счет новых аппаратных решений, основанных на принципах оптической обработки информации. Широкое использование ассоциативной логики, построение «вычислительного кольца» на излучающих на сверхвысоких частотах проводниках и прочие вполне реализуемые предложения академика теоретически могли бы повысить производительность «бурцевского компьютера» до 1014 оп./с. Однако в связи с реальным положением дел в отечественной электронной промышленности эти предложения так и остались «научными гипотезами».

С 1998 года он работал советником президента РАН. Умер академик Всеволод Сергеевич Бурцев, лауреат Ленинской и дважды Государственной премий, кавалер орденов Ленина, Октябрьской Революции и Трудового Красного знамени 14 июня 2005 года в возрасте 78 лет.

Опубликовано в журнале «Суперкомпьютеры» №6/2011.
Публикуется с разрешения редакции
Материал помещен в музей 20 мая 2012