Специальные вычислительные машины, используемые в системах наведения С200 и С300.

Лисовский Игорь Михайлович

В 1968 году С.А. Лебедев после жарких обсуждений в коллективе ИТМиВТ принял предложение разработать специализированный управляющий малогабаритный мобильный высокопроизводительный цифровой вычислительный комплекс (ЦВК) 5Э26 для применения в ракетных системах противовоздушной обороны (ПВО). Генеральный конструктор систем ПВО — Борис Васильевич Бункин:

О реализации такой возможности Сергей Алексеевич мечтал еще в 1950 году в Киеве после создания МЭСМ.

Конечно, эта работа несколько меняла профиль Института как разработчика стационарных универсальных ЭВМ и вызывала необходимость отвлечения части сотрудников на ее выполнение. Но нельзя было не учитывать, что коллектив Института в ходе создания ЭВМ второго поколения реализовал технические решения важные для спецмашин:

в 5Э92б и 5Э51
- аппаратный контроль исправности устройств,
- средства для создания многомашинных комплексов с автоматическим переходом на резерв,
- специальный процессор управления внешними устройствами,
- развитая система инженерного обеспечения устойчивого функционирования (в части электропитания и охлаждения).
Изучался опыт ввода и эксплуатации этих ЭВМ на многих объектах систем стратегического назначения и в вычислительных центрах.
в 5Э65 и 5Э67
- мобильность вычислительных систем для работы в тяжелых условиях эксплуатации.

Трехмашинный вычислительный комплекс 5Э67 с общим полем внешней памяти до настоящего времени эксплуатируется на Крайнем Севере. (Заместитель Главного конструктора ВК 5Э67 Игорь Константинович Хайлов за создание 5Э67 удостоен Государственной премии СССР).

Кроме того обеспечивалась возможность получения значительных финансовых средств, что позволяло расширять фронт работ по созданию ЭВМ третьего поколения с привлечением производственно-технологических мощностей заводов.

После решения ряда организационных и научно-технических проблем в развитие работ по 5Э26 с начала 1969 г. директор Института Сергей Адексеевич Лебедев провел крупнейшую за всю историю ИТМиВТ реорганизацию: ресурсы множества разрозненных лабораторий были объединены под руководством шести головных лабораторий (фактически были созданы отделения) — по ЭВМ общего назначения, по ЭВМ специального назначения,(включая архитектуру), по электронному конструированию, запоминающим устройствам, САПР и технологии.

ЦВК 5Э26 создавали молодые (в среднем 30-летние), но уже опытные специалисты. Трудились много и напряженно, радуясь важности доверенного им дела и новизне решаемых проблем. Успеху общего дела служили также дружеские и доверительные отношения между специалистами разных профилей. Возглавлял разработчиков Главный конструктор ЦВК 5Э26 С.А. Лебедев , заместитель Главного конструктора В.С. Бурцев. Основную группу составляли: Кривошеев Е.А., Борисов П.В., Трегубов К.Я., Острецов Ю.Д., ЛАУТ В.Н., Козлов Л.А., Подшивалов Д.Б., Рябов Г.Г., Гущин О.К., Новиков А.А., Рябцев Ю.С., Степанов В.И.

Была определена многопроцессорная архитектура ЦВК 5Э26, обеспечивающая работу до трех модулей центральных процессоров (ЦП) и двух специальных процессоров ввода-вывода информации (ПВВ) с общей памятью, которая состоит из модулей (блоков) командной независимой памяти и модулей оперативной памяти данных. Каждый ЦП имеет память данных типа КЭШ. В ЦВК может поступать большое число внешних прерываний. Модули ЦВК охвачены полным аппаратным контролем исправности. По сигналам аппаратного контроля выполняется автоматическая реконфигурация ЦВК, в результате которой в боевой работе остаются только исправные модули. Все действия по переходу с одной рабочей конфигурации ЦВК на другую занимают не более 17 мс.

Конструктивно ЦВК представляет собой шкаф (высота 1885, ширина 2870, глубина 655, все размеры в мм; потребляемая мощность 5,5 квт.) , который ставится у стенки транспортного средства (фургона или подобного), в шкафу имеются стойки-секции, каждая из которых содержит 7 одноэтажных мест для съемных блоков.Эксплуатация ЦВК осуществляется при подходе к шкафу с одной стороны, ремонт производится заменой блоков Используются блоки трех размеров по высоте (1,2 и 3-этажные). Резервирование в ЦВК осуществляется группами (модули резервирования), имеющими 1-3 блока.

Один этаж блока вмещает до 28 ячеек- типовых элементов замены, имеет каркас с объединительной панелью из двух многогслойных печатных плат МПП-2. Ячейка включает шестислойную печатную плату МПП-1 размером 170в110мм, на двух поверхностях которой монтируются корпуса интегральных схем (до 70 шт.), на одной стороне установлен разъемный соединитель с объединительной панелью блока, а на противоположной стороне МПП-1 имеется колодка-ручка с контактами для контрольных точек и сигналов индикации.

В качестве интегральных схем использовались в основном полупроводниковые микросхемы одних из первых отечественных серий-133 и 130 (ТТЛ-типа).

Важными особенностями МПП ЦВК 5Э26 явились:

наличие в платах, кроме сквозных, также «глухих» (внутренних) металлизированных отверстий для межслойных переходов;
наличие специальных слоев «земли» и «питания» с большой площадью проводников шин разводки;
большая (на конец 60-х гг.) площадь МПП (8-мислойные МПП-2 имели размеры 280в220мм.).

Указанные особенности МПП ЦВК 5Э26, которые в течение многих лет были недоступны для конструкторов других изделий, обеспечили высокое быстродействие и компактность аппаратуры, обусловленные большой плотностью связей при требуемой помехозащищенности, а также высокую технологичность-пригодность к автоматизированному производству, поскольку подавляющее большинство связей в серийных образцах должно было быть печатными.

Для проектирования и автоматизированного изготовления ячеек, панелей и блоков машины 5Э26 (которая была первой ЭВМ третьего поколения в ИТМиВТ и на заводах) потребовалось разработать и освоить в производстве множество новых процессов, материалов, оборудования и оснастки, организовать ряд специальных участков и цехов, переобучить инженеров и техников, технологов и производственников. Впервые были созданы:

система автоматизированного проектирования на ЭВМ ячеек, блоков и устройств на основе ИС и МПП с выпуском полного комплекта машинной документации, включая управляющие программы для производственно-технологических установок;
технологическая база, производственные участки автоматизированного изготовления МПП со сквозными и внутренними металлизированными переходами, включая новые материалы (тонкий фольгированный «травящийся» диэлектрик, сухой пленочный фоторезист, специальные фотопленки и многое другое);
специальное оборудование( координатограф, сверлильные станки, линии химико-гальванических покрытий, прессы и т.п.);
контрольно-измерительная аппаратура для проверки качества печатного монтажа и металлизации, устойчивости МПП к различного рода воздействиям и др;
технологические процессы, инструкции, методики;
участки со специальным инженерным обеспечением (гермозоны, очистные сооружения);
методика, оборудование и оснастка для монтажа ячеек и блоков, их доработки и ремонта;
методика, специальные стенды и оснастка для наладки, контроля и разнообразных испытаний ячеек, блоков и шкафов.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) ЦВК 5Э26 было выполнено на новых ферритовых сердечниках, разработанных в ИТМ иВТ, а для обеспечения устойчивости накопителей ОЗУ к механическим и климатическим воздействиям в полевых условиях эксплуатации матрицы из сердечников заливались специальным эластичным компаундом.

Принципиально новым устройством памяти, разработанным специально для ЦВК 5Э26, явилось запоминающее устройство команд (ЗУК), выполненное на ферритовых сердечниках с двумя отверстиями- биаксах. ЗУК удовлетворял очень жестким требованиям к памяти команд ЦВК:

обеспечивать хранение информации без какого-либо потребления энергии;
быть устойчивым ко всем видам возможных внешних воздействий- механическим, климатическим, радиационным, электрогмагнитным;
иметь достаточно большую емкость;
обеспечивать возможность простой электрической перезаписи информации для частого внесения изменений в программы.

В начале 70 — х гг.( да и многие годы потом) вариант ЗУК на сердечниках с двумя отверстиями был лучшим техническим решением, несмотря на большие размеры и массу модуля ЗУК, которые вызвали необходимость сделать специальное устройство для установки модуля в шкаф и извлечения его из шкафа. При разработке и организации производства ЗУК потребовалось решить сложные технические проблемы.

Обеспечению удобной наладки первых образцов, простоты ремонта и обслуживания ЦВК в полевых условиях уделялось много внимания. Для наладки и выявления места неисправности ( компонента, связи, контакта и т. д.) были разработаны специальные технологические стенды- производственный на заводе и эксплуатационный в ремонтном органе в войсковых частях. В этих стендах блоки работающего ЦВК размещались не в штатном шкафу, а в специальных разнесенных по плошади стойках, позволяющих иметь доступ щупами контрольно-измерительной аппаратуры к элементам на объединительной панели блока и ко всем контактам ячеек. Сигналы с ячеек передавались на технологический пульт для индикации. В реморгане восстановленный блок проходил полный контроль в составе технологического ЦВК, после чего передавался в качестве ЗИП в места эксплуатации ЦВК. Ремонт штатного ЦВК производился оператором заменой блоков ( с использованием ЗИП) на основании индицируемых на шкафу сигналов «Авария» по результатам аппаратного контроля и тестирования.

Особое значение придавалось обеспечению надежности выполнения боевой задачи. Кроме структурных методов резервирования с автоматической реконфигурацией при аппаратном контроле исправности модулей для получения требуемых показателей надежности ЦВК осуществлялись самые разнообразные мероприятия по повышению «физической» безотказности всех составляющих ЦВК (компонентов, печатных плат, ячеек, блоков, межблочного монтажа и др.) во всех диапазонах изменения параметров внешних воздействий. Схемы ЦВК разрабатывались с использованием руководящих технических материалов, которые были созданы с учетом всех возможных факторов, влияющих на надежность работы схем во всех условиях и режимах работы ЦВК.

Конструкция ЦВК разрабатывалась специалистами Загорского электромеханического завода (ЗЭМЗ), которые имели опыт создания аппаратуры для установки в транспортные средства и работы в полевых условиях.

В работах по ЦВК 5Э26, которые обеспечивали становление отечественной научно-технической и производственной базы высокопроизводительных специальных ЭВМ третьего поколения, участвовало несколько предприятий радиопромышленности СССР:

ИТМиВТ — головной разработчик;
Загорский электромеханический завод (ЗЭМЗ) — головной производитель и соразработчик;
НПО «Алмаз»- головной «комплексник» и организатор работ по технической базе (Генеральный конструктор Б.В. Бункин);
НПО «Авангард»(по гибридным микросхемам ЗУ),ЦНИТИ (по печатным платам);
Львовское ПО им. В.И. Ленина — второй завод-поставщик ЦВК и др.

Необходимые новые материалы, компоненты, технологические процессы и оборудование для изготовления ЦВК 5Э26 создавались на предприятиях электронной, электротехнической, химической, станкоинструментальной промышленности СССР.

При производстве ЦВК применялись известные (в том числе по зарубежным публикациям) методы обеспечения надежности: контроль и испытания материалов и покупных комплектующих изделий, пооперационный контроль в производстве, технологические испытания и тренировки узлов, устройств и комплекса в целом, периодические и отладочные испытания и др.

Кроме общеизвестных методов обеспечения надежности аппаратуры, которые в последующие годы стали традиционными для различных изделий, при создании ЦВК 5Э26 были использованы также особые мероприятия, в том числе испытания партий микросхем на выявление «перемежающихся» отказов и испытания блоков в режиме изменения их температуры. Наличие «перемежающихся» отказов в микросхемах, при которых дефект проявляется некоторое время в виде кратковременных самовосстанавливающихся неисправностей и лишь позже приводит к полному отказу, долгое время не признавалось отечественными поставщиками микросхем. Много времени и труда пришлось затратить Главному конструктору 5Э26 С.А. Лебедеву и коллективу Института, чтобы добиться поставок качественных микросхем.

При производстве ЦВК 5Э26 были созданы стенды, на которых проводились также испытания комплекса в целом на устойчивость к механическим воздействиям в процессе решения задач.

Принятые меры по повышению надежности ЦВК 5Э26 и накопленные знания имели большое практическое значение, поскольку это был первый отечественный опыт в области надежности специальных ЭВМ третьего поколения.

В настоящее время эксплуатируется более 1000 экземпляров ЦВК 5Э26 и их модификаций.

За создание ЦВК 5Э26 удостоены Государственных премий СССР: Кривошеев Е.А., Острецов Ю.Д., Рябцев Ю.С. Многие из разработчиков получили Государственные награды.[1]

Коллектив разработчиков воспитанников Сергея Алексеевича Лебедева продолжал разработку вычислительной техники для развития систем ПВО Генерального конструктора Б.В. Бункина в лучших традициях школы С.А. Лебедева.

В 1977 г. по результатам заводских и государственных испытаний, производства и эксплуатации ЦВК 5Э26 было принято решение разработать новые модели ЦВК 5Э26.

В новых моделях (5Э265 и 5Э266) удалось:

повысить эффективность аппаратного контроля (АК) как за счет некоторого увеличения аппаратуры АК, так и путем увеличения программного доступа к АК;
создать конструкцию ЦВК такой, чтобы можно было добраться щупом до большинства контактов в логических блоках во включенном состоянии;
повысить эффективность прведения реконфигурации с помощью доработки программ, обеспечивающих изменение конфигурации;
улучшить расположенную на шкафу индикацию состояния ЦВК для обеспечения ремонта и отладки боевых программ.

Архитектура новых моделей осталась такой же, как и у 5Э26, но потребовалось практически заново разработать все ячейки, блоки и шкаф ЦВК. Ячейки сохранили свои размеры, а конструкция печатных плат была улучшена.

ЦВК выпускались в двух модификациях- малая (5Э262, 5Э266) и большая- (5Э261, 5Э265) машины. Отличались они тем, что большая машина имела не одну,а две секции памяти, при этом емкость командной и оперативной памяти удваивалась.

ЦВК 5Э265(6) проявили лучшие характеристики надежности,чем 5Э261(2). В связи с этим были откорректированы требования ТУ на ЦВК в части среднего времени наработки на отказ (увеличено почти в два раза).[2]

Работы по 5Э26 открыли в ИТМиВТ, а также на нескольких заводах новое направление СВТ- семейство управляющих цифровых вычислительных комплексов 5Э26 — 40У6, которое до сих пор остается важным.

Для развития систем ПВО Генерального конструктора Б.В. Бункина в 1980 г. была начата разработка новой ЭВМ 40У6, Главный конструктор Е.А. Кривошеев, которая представляет собой программно-совместимый (на уровне подмножества системы команд) с ЦВК 5Э26 вычислительный комплекс с более высокими, чем у 5Э265, характеристиками по производительности, емкости памяти (оперативной и командной), пропускной способности каналов ввода-вывода с широким набором интерфейсов, с улучшенными механизмами прерываний и системы «горячего» резервирования и реконфигурации, с обеспечением ввода данных с клавиатуры и вывода экспресс-информации о ходе боевой работы на печать.

В состав ЦВК 40У6 входит следующая аппаратура:

5 центральных процессоров (ЦП) — при резервировании боевая программа может задать требование на любое соотношение рабочих и резервных ЦП, либо работать в режиме деградации;
2 процессора ввода-вывода — резервирование 1:1, т.е. одно устройство находится в рабочем режиме и одно резервное;
2 блока оперативной памяти — резервирование 1:1, при этом обеспечивается дублирование информации, объем памяти 256 Кбайт;
2 блока командной памяти — резервирование 1:1, возможно включение обоих блоков без резерва с удвоением объема памяти, объем памяти 512 Кбайт;
блок адаптера каналов;
блок пульта управления — не резервируется и блокируется при боевой работе;
система питания — позволяет ЦВК работать от сети 50 или 400 Гц;
внешняя память используется для холодной загрузки памяти команд, ввода информации, смены версий боевых программ;
телетайп — ручной ввод информации и печать данных.

Каждое логическое устройство размещается в одном блоке, а вся перечисленная аппаратура — в шкафу объемом 2,5 куб. метра.

Требуемая производительность ЦВК 40У6 ( 2,5 млн. опер. / сек. ) достигнута за счет следующих архитектурно-технических решений:

многопроцессорности;
аппаратной реализации вычислений элементарных функций;
быстрой локальной оперативной памяти в каждом процессоре;
одновременного обращения процессоров к командной и оперативной памяти, расслоение памяти;
организации ввода — вывода без обращения к ЦП.

Обмен информацией с системой организуется с помощью специального ПВВ. Такое решение позволяет освободить ЦП от ведения обмена, за исключением пуска каналов при запуске боевых программ. В дальнейшем ПВВ самостоятельно управляет обменом. ПВВ имеет 16 каналов, суммарный темп обмена — 2 Мбайта / сек.

Для обеспечения высоких параметров надежности в ЦВК 40У6 реализована система резервирования, базирующаяся на следующих принципах:

применена система аппаратного контроля для организации автоматического резервирования и подтверждения достоверности результатов вычислительного процесса;
посредством практически полного аппаратного контроля (АК) устройств достигается высокая эффективность контроля при выполнении боевых программ в боевом режиме (испытаниями установлено, что АК охватывает 97% аппаратуры 40У6);
программный контроль в режиме теста проверяет всю программно-доступную аппаратуру, задавая режимы проверки как для цепей, охваченных АК, так и для цепей, доступных только программе;
каждое функциональное устройство имеет резерв с собственным блоком питания;
в резервную оперативную память введено дублирование информации;
штатная конфигурация ЦВК 40У6 для выполнения рабочей программы состоит из одного устройства каждого типа и четырех ЦП;
реконфигурация во время выполнения боевых программ проводится в течение не более 17 мс;
начальная конфигурация формируется с учетом результатов прохождения функционального контроля по всему объему аппаратуры;
в случае недостаточности исправных функциональных блоков для создания штатной рабочей конфигурации или превышения времени реконфигурации формируется сигнал «отказ ЦВК».

Параметры надежности зависят также от организации ремонта. Поэтому в системе аппаратно-программного контроля ЦВК введена индикация на каждой ячейке «авост собственный» и «авост смежный». «Авост собственный» указывает на наличие неисправности в данной ячейке.«Авост смежный» возникает, когда неисправность находится на «ничейной земле», т. е. в аппаратуре, расположенной между последним уровнем контроля в ячейке, откуда приходит некорректная информация, и входным контролем в данной ячейке. Любой «авост» по желанию оператора может блокировать движение информации в ЦВК. Этим достигается наиболее точное указание области аппаратуры, в которой возникла неисправность.

Для ЦВК 40У6 разработана «Методика направленного поиска неисправностей», в которой входной информацией являются сигналы контроля, а выходная информация указывакт оператору на необходимое следующее элементарное действие. За несколько шагов неисправность, как правило, локализуется с точностью до нескольких ячеек.Такая организация ремонта не требует персонала высокой квалификации.

В качестве элементной базы для ЦВК 40У6 были выбраны ИС серий 530 и 533, 537 РУ6 (для командной и оперативной памяти), отдельные ИС серий 539 и 169, ИС 537 РУ9А для локальной оперативной памяти. Наличие режима хранения информации в ИС 537 РУ6 при пониженном напряжении дало возможность сохранять командную информацию с выключенным питанием ЦВК. Это обеспечивается введением специального внутреннего источника питания — аккумуляторной батареи. Емкости одной батареи хватает на 3- 5 лет, а при соответствующей подзарядке — на весь срок эксплуатации ЦВК .

ЦВК 40У6 разрабатывался в то время, когда предприятия радиопромышленности (НПО «Алмаз», НПО «Авангард» и др.) с участием многих отраслей промышленности СССР в соответствии с постановлением правительства начали решать сложную проблему общесоюзного значения — создание базы автоматизированного серийного изготовления радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). При этом предусматривалось разработать унифицированные конструктивы, пригодные для автоматизированного производства узлов и устройств РЭА, создать необходимые материалы, технологические прессы, оборудование и оснастку, типовые участки, цехи и заводы, организовать специализированные производства и их кооперацию. Комплексы 40У6 должны были стать первой крупной продукцией автоматизированного производства, поэтому для них были заданы конструктивы, разрабатывавшиеся в НПО «Алмаз» в качестве унифицированных. Однако в процессе разработки ЦВК 40У6 и организации их производства в ПО «Звезда»потребовалось основательно доработать первоначальный проект металлоконструкций и наполнить его базовыми технологическими решениями по реализации разнообразных связей и электропитания, что было с успехом сделано (по настоянию Генералного конструктора системы ПВО Б.В. Бункина) при тесной совместной работе специалистов ИТМиВТ, ПО«Звезда» и НПО «Алмаз».

Программное обеспечение, поставляемое с ЦВК под обозначением КОП- 40У6, содержит контрольные и обслуживающие программы, используемые при производстве и эксплуатации.

Контрольные програмы включают тесты всей аппаратуры, доступной программному контролю: функциональных блоков, межблочных связей, аппаратуры контроля и управления конфигурацией, внешних связей, периферийных устройств органов управления и индикации.

Обслуживающие программы производят начальную загрузку памяти команд, всю работу с конфигурационным состоянием ЦВК, определяют состояние «ЦВК исправен»и «ЦВК неисправен», обеспечивают оперативный обмен информацией с внешними устройствами и использование дублированной информации в памяти.

Работа обслуживающих программ в части конфигурации ЦВК проводится в условиях жесткого реального времени, обеспечивая во время боевой работы завершение перехода на новую конфигурацию ЦВК и продолжение выполнения боевой программы не более чем через 17мс после возникновения неисправности.

Встроенная разветвленная система аппаратного контроля пронизывает все схемы ЦВК 5Э26 — 40У6 и обеспечивает их безотказность при работе в режиме жесткого реального времени с требуемым очень коротким временем реакции на сбои и отказы, а также временем готовности 15 сек.

Все составляющие ЦВК семейства 5Э26 — 40У6 — архитектура, элементная и конструктивно-технологическая база, программное обеспечение являются полностью отечественными. Реализованные на этой основе комплексы около 1300 экземпляров обеспечили все требования, предъявляемые к вычислительным средствам сложных мобильных систем вооружения. Для этих систем имеется хорошо отработанное программное обеспечение, а также средства его сопровождения, модернизации и развития, имеются ремонтные базы, тренажеры, накопленная методика эксплуатации.

Высокие качества ЦВК 5Э26 — 40У6 обусловили их долгую жизнь в системах, которые еще много лет будут находиться на вооружении ВС РФ.

Часть систем с ЦВК 5Э26 — 40У6 была продана зарубежным странам и до сих пор поступает на экспорт.

Задачи поддержания ЦВК семейства 5Э26 — 40У6 в эксплуатации, их модернизации и развития остаются актуальными и в настоящее время.

За создание ЦВК 40У6 Главный конструктор Е.А. Кривошеев удостоен Государственной премии, а ряд разработчиков получили Государственные награды.

После известных событий еще остался небольшой костяк коллектива, который способен продолжить развитие семейства 5Э26 — 40У6. Хочется верить,что скоро опять понадобится создавать в Росии ЭВМ с отечественной архитектурой и технической базой для систем, которые по своим тактико-техническим показателям не уступают зарубежным, как это было в относительно недавнем прошлом.

Примечания

1. После окончания разработки моделей 5Э261,5Э262, 5Э265, 5Э266 в 1978 г. Государственный Комитет СССР по делам изобретений и открытий выдал Авторское Свидетельство № 157346 на изобретение ЦВК 5Э26 авторы:: Бурцев В.С., Кривошеев Е.А., Борисов П.В., Острецов Ю.Д., Степанов В.И., Румянцев Е.М., Трегубов К.Я., Фадеев М.Ф., Обидин Д.И., Козлов Л.А., Крылов А.С., Рябцев Ю.С.(заявка № 2271485, приоритет изобретения 10 января 1980 года).

2. Госкомитет СМ СССР по делам изобретений и открытий выдал Авторское Свидетельство № 94472 Кривошееву Е.А., Фадееву М.Ф., Степанову В.И., Обидину Д.И., Вайсеру О.Г. на изобретение процессора обмена для ЦВК 5Э26 в соответствии с описанием и приведеной в нем формулой, по заявке № 1584552 с приоритетом от 26 декабря 1974 г.

Об авторе: Институт точной механики и вычислительной техники им.С.А.Лебедева РАН, начальник НИО-2, irina_lis@hotmail.com
Статья помещена в музей 14.05.2008 с разрешения автора