От первых ЭВМ до суперкомпьютеров

В. С. Мухтарулин, Ю. В. Рогачев

В мае 2003 года исполняется 80 лет со дня рождения Михаила Александровича Карцева, выдающегося ученого и инженера, конструктора электронных вычислительных машин четырех поколений и мощных вычислительных комплексов реального времени.

Родился Михаил Александрович 10 мая 1923 года в Киеве в семье педагогов. Десятилетку окончил перед самой Великой Отечественной войной, в июне 1941-го.

Тем же летом его направляют на оборонительные работы в Донбасс, а с сентября 1941 года по февраль 1947-го он служит в рядах Советской армии. Во время войны прошел на танке через бои Юго-Западного, Южного, Северо-Кавказского и 2-го Украинского фронтов, освобождал Румынию, Венгрию, Чехословакию и Австрию. За проявленное мужество награжден орденом Красной Звезды и медалью «За отвагу».

После демобилизации в феврале 1947 года Михаил Карцев решает поступать в высшее учебное заведение. Однако его аттестат об окончании школы утерян, а получить дубликат в разрушенном и разграбленном Киеве было практически невозможно. Тогда он экстерном сдает экзамены по всем предметам средней школы и получает новый аттестат зрелости. В сентябре 1947-го он становится студентом радиотехнического факультета МЭИ, и в этом же учебном году успешно сдает экзамены сразу за первый и второй курсы.

В 1950 году, будучи студентом пятого курса, М. А. Карцев поступает на работу в лабораторию электросистем Энергетического института АН СССР, где в это время начиналась разработка одной из первых в нашей стране автоматической цифровой вычислительной машины АЦВМ М-1. Позднее ученый так говорил об этом: «В 1950 году в лабораторию электросистем Энергетического института АН СССР им. Г. М. Кржижановского, которую возглавлял член-корреспондент АН СССР Исаак Семенович Брук, начали собираться молодые люди для того, чтобы поднимать советскую вычислительную технику. Первым дипломированным специалистом среди нас был Николай Яковлевич Матюхин — молодой специалист, окончивший МЭИ весной 1950 года, и вокруг него было несколько дипломников из МЭИ, МАИ, из Горьковского государственного университета. А я, инженер-недоучка, студент 5-го курса МЭИ, поступил по совместительству. Всего нас было человек десять. Никто из нас до прихода в лабораторию электросистем не только не был специалистом по вычислительной технике, но даже не знал, что может быть электронная вычислительная машина, и что такое вообще возможно. Такими-то силами мы начали делать одну из первых советских вычислительных машин — вычислительную машину М-1. Может быть, это было нахальством с нашей стороны, но точно не было халтурой». М. А. Карцев разрабатывал для этой машины устройство управления — главный программный датчик. М-1 прошла испытания в декабре 1951 года и находилась в эксплуатации более трех лет, причем первые полтора года это была единственная в РСФСР действующая ЭВМ.

Защитив весной 1952 года диплом, Карцев становится штатным сотрудником лаборатории И. С. Брука, который поручает ему возглавить проектирование и изготовление новой вычислительной машины — быстродействующей М-2. Термин «быстродействующая» означал требование технических характеристик современного уровня (в то время уже шла работа над вычислительными машинами БЭСМ и «Стрела»). К делу приступили очень активно: по мере разработки технической документации на отдельные узлы машины шло их изготовление на ряде опытных производств научных институтов. Затем их проверку, стыковку и комплексную настройку машины осуществляли в лаборатории сами разработчики. М-2 была создана в рекордно короткий срок: начали весной 1952 года; к 10 октября были включены первые две стойки — арифметика и управление машины; к 7 ноября — шкаф питания и магнитный барабан; наконец, к 5 декабря включили последний шкаф — электронную память. И уже в январе 1953-го машина работала с магнитным барабаном, а к лету — и с электронной памятью. Такой метод организации работ Карцев использовал во всех последующих разработках.

Модель М-2 имела высокие по тем временам показатели мирового уровня: быстродействие — 2000 операций в секунду, емкость памяти — 16 Кб, широкий список операций над числами с фиксированной и плавающей запятой, страничную организацию памяти. Время подтвердило замечательные качества этой ЭВМ: в лаборатории электросистем Энергетического института АН СССР она бессменно проработала 15 лет, обеспечив решение многих задач в различных областях науки и техники. По своим техническим характеристикам она стояла тогда в одном ряду с самыми современными машинами и имела такую же производительность, что и «Стрела» (2000 операций в секунду) и БЭСМ первого периода эксплуатации.

Результаты научных исследований и технические решения, заложенные Карцевым в ЭВМ М-2, были опубликованы в его первой книге по вычислительной технике «Арифметические устройства электронных цифровых машин» (Физматгиз, 1958). Автор сформулировал в этом труде основные принципы построения арифметических схем, провел их систематизацию и предложил критерии оценки различных вариантов схем. Эти же результаты стали основой кандидатской диссертации, которую М. А. Карцев защитил в 1958 году.

Тогда же под руководством И. С. Брука создается Институт электронных управляющих машин АН СССР и М. А. Карцеву поручается разработка ЭВМ М-4 — вычислительной машины для и обработки информации экспериментального радиолокационного комплекса, создаваемого академиком А. Л. Минцем.

Это была одна из первых серийных отечественных транзисторных ЭВМ. В ее структуру вкладывались особенности, связанные с конкретным назначением. Предусматривалась аппаратная реализация некоторых сложных операций (извлечение квадратного корня, двойное сравнение и др.), внутренняя постоянная память для хранения программ и констант, параллельные вычисления, обеспечиваемые специализированными процессорами ввода-вывода. Среднее быстродействие машины составляло 20 тыс. операций в секунду.

Летом 1962 года машина М-4 успешно выдержала совместные государственные испытания в составе радиолокационного комплекса и была предложена в серийное производство для использования в создаваемой системе предупреждения о ракетном нападении. Сложность задач диктовала необходимость поиска новых технических решений, способных обеспечить применение машины на всех уровнях системы. Карцев предложил новую разработку — ЭВМ М4-2М с более высокими техническими характеристиками и возможностью переменной комплектации. Арифметическое устройство этой ЭВМ было конвейерным. Машина имела расширенный диапазон чисел — порядок от +127 до -128 и уменьшенную мантиссу. Система команд предусматривала результат повышенной точности с 40-разрядной мантиссой. Быстродействие машины составляло 220 тыс. операций в секунду. Как управляющая и работающая в реальном времени машина имела развитую систему прерываний. Обеспечивалось 12 активных и 12 пассивных прерываний. Переход на программу прерывания происходил за два-три машинных такта. Связь с объектом управления и другими системами осуществлялась по последовательному синхронному шлейфу с пропускной способностью 100 кбит/с. Был предусмотрен параллельный шлейф для связи однотипных ЭВМ при построении вычислительных комплексов из нескольких машин.

В дополнение к М4-2М на той же технической базе был разработан внешний вычислитель М4-3М с разветвленной системой внешних связей. Вычислительный комплекс из двух машин обеспечивал быстродействие около 400 тыс. операций в секунду. и отличался высокой надежностью — свыше 800 часов наработки на отказ. За разработку этих ЭВМ в 1967 году М. А. Карцеву была присуждена Государственная премия СССР.

В 1969-м был завершен первый этап создания системы предупреждений о ракетных нападениях, для которой многие десятки машин М4-2М и М4-3М, соединенных каналами передачи данных длиной в тысячи километров, были объединены в единую вычислительную сеть.

Научная сторона разработок этого периода явилась основой докторской диссертации М. А. Карцева.

Новые поколения радиолокационных станций системы требовали и более мощных как по производительности, так и по объемам памяти вычислительных машин. Карцев предложил принципиально новую архитектуру построения ЭВМ — векторную многопроцессорную вычислительную систему, обеспечивающую параллельную обработку информации. Он показал четыре вида возможностей распараллеливания вычислений и для каждого определил его аппаратную реализацию.

Для воплощения такой архитектуры в жизнь Карцев добился создания в Министерстве радиопромышленности СССР института и приступил к разработке многопроцессорного вычислительного комплекса М-9 с производительностью в 1 млрд. операций в секунду. Полностью реализовать этот проект на существовавшей элементной базе не удалось. Только в 1970 году одна из его составных частей — числовая связка — была использована при разработке новой ЭВМ третьего поколения, многопроцессорной векторно-параллельной вычислительной машины М-10.

Перед создателями М-10 стояла довольно сложная задача: имея микросхемы серии 217 со скоростью срабатывания порядка 15-25 нс на вентиль и степенью интеграции до трех-пяти вентилей в корпусе, нужно было построить ЭВМ с производительностью не менее 5 млн. операций в секунду.

В 1972 году началось серийное производство ЭВМ М-10, и уже в 1976-м вычислительный комплекс из этих машин с программным обеспечением и пакетом рабочих программ заказчика успешно выдержал государственные испытания. Ряду разработчиков, изготовителей и программистов была присуждена Государственная премия СССР, а главный конструктор М. А. Карцев награжден орденом Ленина. Институт получил официальное наименование — Научно-исследовательский институт вычислительных комплексов (НИИВК).

Следующим шагом развития многопроцессорной архитектуры явилось создание М. А. Карцевым новой вычислительной машины четвертого поколения — ЭВМ М-13, первой отечественной многопроцессорной векторно-конвейерной ЭВМ. Впервые в отечественной практике в структуру М-13 вводился мощный процессор сигнальной обработки (до 2 млрд. операций в секунду).

Серийный выпуск ЭВМ М-13 начался уже без М. А. Карцева. Он скоропостижно скончался 23 апреля 1983 года. Сердце, однажды уже перенесшее обширный инфаркт, не выдержало напряжения последних месяцев...

Все вычислительные машины, созданные под руководством М. А. Карцева, получали высокую оценку пользователей. Особенно отмечалось его техническое решение по созданию многопроцессорных ЭВМ, позволивших значительно повысить производительность, что так необходимо было целому ряду систем в начале 70-х годов.

Приведем одно из многочисленных высказываний в адрес ученого, опубликованных его коллегами: «М. А. Карцевым предложена, насколько можно судить — впервые в мире, концепция полностью параллельной вычислительной системы с распараллеливанием на всех четырех уровнях (программ, команд, данных, слов), и, что очень важно, эта концепция реализована в виде созданных на базе ЭВМ М-10 вычислительных комплексов. Вклад параллельной архитектуры в повышение производительности оказался столь весомым, что при большой длительности машинного такта в 1,9 мкс (из-за несовершенной элементной базы) производительность ЭВМ М-10 оказалась 5,1 млн. оп./с (в пиках значительно выше). ЭВМ М-10 вплоть до развертывания МВК „Эльбрус“ оставалась наиболее мощной отечественной ЭВМ» (проф. Б. А. Головкин, докт. техн. наук, «Эволюция параллельных архитектур и машины серии М». Вопросы радиоэлектроники: Сер. ЭВТ, 1993, вып. 2).

Как главный конструктор ЭВМ и вычислительных комплексов второго, третьего и четвертого поколений Карцев находил и внедрял новые идеи и оригинальные технические решения, которые намного опережали свое время и широкое применение порой находили только спустя годы. Эти новшества были обобщены и опубликованы: в общей сложности им написано пять фундаментальных монографий и 60 научных статей в периодических изданиях. Михаил Александрович получил 20 авторских свидетельств на изобретения.

Одержимый идеями, связанными с вычислительной техникой и смежными прикладными областями, М. А. Карцев и свой коллектив формировал и воспитывал в духе такой же одержимости. И в настоящее время ученые, инженеры, конструкторы, математики, программисты — весь штат ордена Трудового Красного Знамени Научно-исследовательского института вычислительных комплексов им. М. А. Карцева — продолжают традиции своего основателя.

Вот только некоторые направления работ НИИВК:

• резервируемые вычислительные комплексы для систем реального времени;
• комплексы и рабочие станции обработки сигналов и изображений многоцелевого применения с производительностью в десятки миллиардов операций в секунду;
• программно-технические комплексы и автоматизированные системы управления для транспортных и промышленных систем, требующих высокой надежности и производительности;
• канальная аппаратура передачи данных для волоконно-оптических линий связи;
• бортовые регистраторы аварийных событий;
• силовая электроника;
• новые информационные технологии с использованием компьютерной техники в образовательных и медицинских учреждениях.

Статья опубликована в PC Week/RE № 15, 2003 г., c. 34.