Автоматическая цифровая вычислительная машина М-1

Александриди Тамара Миновна

В декабре 1951 года в лаборатории электросистем Энергетического института АН СССР под руководством члена-корреспондента АН СССР Исаака Семеновича Брука был выпущен научно-технический отчет “Автоматическая цифровая вычислительная машина [M-1], утвержденный 15 декабря 1951 года директором ЭНИН АН СССР академиком Г.М. Кржижановским. Это был первый в СССР научный документ о создании отечественной ЭВМ. Машина успешно прошла испытания и была переведена в режим эксплуатации для решения задач как в интересах институтов Академии наук СССР, так и других организаций.

Начало исследовательских работ И.С. Брука по проблеме цифровых вычислительных машин относится к 1948 году. Он первым в СССР (совместно с Б.И.Рамеевым) разработал проект цифровой ЭВМ с жестким программным управлением. Первое в СССР свидетельство об изобретении на «ЦВМ с общей шиной» было получено ими в декабре 1948 года.

Постановление Президиума АН СССР о начале разработки М-1 вышло 22 апреля 1950 года. И.С. Брук получил возможность формировать команду разработчиков. Первым был принят Николай Яковлевич Матюхин, молодой специалист, только что окончивший радиотехнический факультет Московского энергетического института. Брук ознакомил его с основными идеями построения цифровой вычислительной машины, и затем они вместе разрабатывали структуру и состав будущей машины, ее основные характеристики и конкретные решения многих технических вопросов. В дальнейшем Н.Я. Матюхин при постоянной поддержке И.С. Брука практически выполнял функции главного конструктора.

Вот отрывок из воспоминаний Николая Яковлевича:

”Я хочу постараться оживить картинки нашей работы под руководством Исаака Семеновича, передать атмосферу первых лет работ в области вычислительной техники.”

Формирование группы и начало работ над АЦВМ М-1 — 1950 год.

Брук набирает на РТФ МЭИ команду молодых специалистов, нас семеро:

• два младших научных сотрудника — Залкинд  А.Б., Матюхин  Н.Я.
• два дипломника — Александриди  Т.М., Карцев  М.А.
• три техника — Рогачев  Ю.В., Шидловский  Р.П., Журкин  Л.М.

Первое задание Исаака Семеновича мне — построить ламповый диодный трехвходовой сумматор (проверка моей пригодности).
Второе задание — спроектировать типовой рабочий стол.
Третье задание мне, как руководителю группы — разработка АЦВМ М-1.

Серьезные трудности при проектировании М-1 и реализации проекта создавало почти полное отсутствие комплектующих изделий. Исаак Семенович нашел оригинальный выход, использовав имущество со складов военных трофеев. В результате в основу проекта были положены следующие идеи и “трофеи”:

• сочетание малой номенклатуры компонент самого разного происхождения;
• всего два типа электронных ламп;
• купроксные выпрямители электроизмерительных приборов;
• магнитные головки от бытового магнитофона;
• электронно-лучевые трубки от осциллографа;
• трофейный телетайп из генштаба вермахта.

О стиле руководства Исаака Семеновича Брука:

• глубокое понимание цели, простота и образность аргументации;
• никаких “разносов по неудачам”;
• уважительное отношение к исполнителям.

Занимаясь созданием машины М-1, приходилось разбираться в самых разных вопросах — от регулятора напряжения для мощных мотор-генераторов постоянного тока, служивших источниками вторичного питания машины, до разработки системы команд и программирования первых задач. Предстояло разработать архитектуру машины, ее основные устройства и систему элементов с учетом указанных выше ограничений в обеспечении комплектующими изделиями.

АЦВМ М-1 включала в свой состав арифметическое устройство, главный программный датчик (устройство управления), внутреннюю память двух видов (быструю — на электростатических трубках и медленную — на магнитном барабане), устройство ввода-вывода с использованием телеграфной буквопечатающей аппаратуры.

Осенью 1950 года “команда” Н.Я. Матюхина была укомплектована.

Разработка арифметического устройства и системы логических элементов выполнялась Н.Я. Матюхиным и Ю.В. Рогачевым, разработка главного программного датчика — М.А. Карцевым и Р.П. Шидловским, запоминающего устройства на магнитном барабане — Н.Я. Матюхиным и Л.М. Журкиным, запоминающего устройства на электростатических трубках — Т.М. Александриди, устройства ввода-вывода — А.Б. Залкиндом и Д.У. Ермоченковым, разработка электропитания — В.В. Белынским, разработка конструкции — А.И. Кокалевским. Комплексную отладку машины и отработку технологии программирования и тестирования возглавил Н.Я. Матюхин. Все разработчики проявляли исключительную изобретательность,приспосабливая к использованию в ЦВМ комплектующие изделия, ранее предназначавшиеся для других целей (магнитные головки от бытовых магнитофонов, электронно-лучевые трубки от осциллографов, буквопечатающий телетайп и др.).

В процессе проектирования и разработки М-1 были предложены и реализованы принципиально новые технические решения, в частности двухадресная система команд, нашедшая впоследствии широкое применение в отечественной и зарубежной вычислительной технике. Вспоминая позднее об этом решении, Н.Я. Матюхин писал: “Сам выбор системы команд был для нас делом непростым — в то время общепринятой и наиболее естественной считалась трехадресная система, шедшая еще от работ фон Неймана, которая требовала достаточно большой разрядности регистрового оборудования и памяти. Наши ограниченные возможности стимулировали поиск более экономных решений. Как иногда бывает в тупиковых ситуациях, помог случай. Брук в то время пригласил на работу молодого математика Ю.А. Шрейдера. Шрейдер, осваивая вместе с нами азы программирования, обратил наше внимание на то, что во многих формулах приближенных вычислений результат операции становится для следующего шага одним из операндов. Отсюда было уже недалеко до первой двухадресной системы команд. Наши предложения были одобрены Бруком, и АЦВМ М-1 стала первой двухадресной машиной”

Впервые в мировой практике создания цифровых электронных вычислительных машин в М-1 диодные логические схемы строились на полупроводниковых элементах. Первоначально разработка начиналась на ламповых диодах 6в6. Был изготовлен с этими лампами и отлаживался макет двоичного счетчика. Но помогло случайное сочетание обстоятельств. Поиски путей сократить количество радиоламп в машине привели к попытке .использовать оказавшиеся на складе лаборатории среди трофейного имущества купроксные выпрямители КВМП-2-7 вместо радиоламп 6в6. 

Параметры купроксного выпрямителя КВМП-2-7:

• Допустимый прямой ток — 4 ма 
• Прямое сопротивление — 3-5 Ком
• Допустимое обратное напряжение — 120 в
• Обратное сопротивление — 0,5 — 2 Мом

Соотношение прямого и обратного сопротивлений (не хуже, чем 1:100) надежно могли обеспечить выполнение диодных функций в логических схемах. Предстояло только выяснить возможность их использования в импульсных схемах при работе на достаточно высокой частоте. Экспериментальные исследования логических схем, разработанных с учетом этих параметров, показывали их стабильную работу. Были проведены исследования работы макета одного разряда арифметического устройства с сумматором, дешифраторами и смесителями на выпрямителях КВМП-2-7 в различных режимах и с учетом отклонений уровней питающих напряжений и разбросов параметров комплектующих изделий. Макет работал устойчиво. В августе 1950 года были проведены его заключительные испытания с непосредственным участием И.С. Брука, которые также подтвердили надежную работу логических схем, построенных на базе купроксных выпрямителей КВМП-2-7. Бруком было принято решение в пользу этого варианта.

В своих воспоминаниях Н.Я. Матюхин так оценивал значение этого решения: “Одним из принципиальных решений, которое, как мне кажется, предопределило успех нашей первой машины и короткие сроки ее создания, был курс, принятый Бруком на широкое использование полупроводниковых элементов. Тогда они были представлены в нашей промышленности только малогабаритными купроксными выпрямителями, которые выпускались для нужд измерительной техники. Брук договорился о выпуске специальной модификации такого выпрямителя размером с обычное сопротивление, и мы создали набор типовых схем. В мастерской при лаборатории началось изготовление и монтаж блоков, и менее чем через год машина уже “задышала” (а было в ней несколько сотен ламп и несколько тысяч купроксов). Так АЦВМ М-1 стала первой в мире цифровой вычислительной машиной, в которой логические схемы строились на полупроводниковых приборах.

Серьезные проблемы возникли при проектировании электростатической памяти.

Известно, что в США и в СССР для этой цели разрабатывались специальные злектронно-лучевые трубки — потенциалоскопы. Однако в СССР эти трубки предназначались для тех организаций, которые разрабатывали ЭВМ по постановлениям правительства. К сожалению, на потенциалоскопы мы не могли рассчитывать, так как И.С. Брук вел разработку ЦВМ как инициативные исследования по планам АНСССР. Тогда он решил использовать для этой цели обычные электронно-лучевые трубки ЛО-737, которые применялись в осциллографах.

Примерно в это же время в сентябре 1950 г. в лаборатории появилась новая дипломница Радиофакультета Московского Энергетического Института Александриди Тамара. И.С. Брук предложил ей выполнить дипломный проект на тему “Электростатическое запоминающее устройство”, которое предназначалось для АЦВМ-1

Сначала исследования проводились непосредственно на обычном осциллографе, укомплектованном трубками ЛО-737 и дополнительными измерительными схемами. Уже первые эксперименты показали, что эффект запоминания информации на экране электронно-лучевой трубки может быть реализован. Сразу же началось проектирование электростатического запоминающего устройства для М-1.

Рассмотрим кратко физические процессы, на которых основана электростатическая память (ЭП). Информация в памяти хранится в виде определенного распределения статических зарядов на экране электроно-лучевой трубки. Эффект запоминания основан на явлении вторично- электронной эмиссии. При определенной величине ускоряющего напряжения коэффициэнт вторичной эмиссии экрана больше единицы, т.е. при бомбардировке экрана лучом число вторичных электронов, покидающих экран, больше числа первичных электронов, попадающих на него. Вследствие этого облучаемый участок экрана приобретает положительный заряд. Для записи двоичной информации использовалась система чтения-записи “фокус-дефокус”, при которой“1” записывалась сфокусированным лучом, “0”- расфокусированным лучом, считывание выполняется расфокусированным лучом. При считывании “1” появляется положительный сигнал, но при этом информация стирается. Поэтому после чтения выполняется регенерация, т.е. снова записывается “1”.

Весной 1951 г. Александриди Т. под руководством И.С. Брука написала и защитила диплом инженера на тему “Электростатическое запоминающее устройство”. К этому же времени в лаборатории была изготовлена ЭП и началась ее наладка.

К концу 1951 г. ЦВМ-1 впервые в мире вступила в опытную эксплуатацию с быстродействующим запоминающим устройством, реализованным на обычных электронно-лучевых трубках ЛО-737. Конструктивно ЭП состояла из 8-ми трубок ЛО-737 и блоков развертки и управления.

На экране каждой трубки находились 32 строки, в каждой из которых содержались 25 точек, т.е. одно число или команда. Следовательно, общий объем быстродействующей ЭП был равен 256 25-разрядных двоичных слов. Операция сложения с ЭП выполнялась за 50мксек, т.е. обеспечивалось быстродействие 20000 операций в секунду.

Осенью 1951 года закончились работы по настройке машины М-1. К декабрю этого же года машина успешно прошла комплексные испытания и была передана в эксплуатацию.

Основные характеристики М-1.

• Система счисления — двоичная.
• Количество двоичных разрядов — 25.
• Система команд — двухадресная.
• Объем внутренней памяти: на электростатических трубках — 256 адресов, на магнитном барабане — 256 адресов.
• Быстродействие: с медленной памятью — 20 оп/сек, с быстрой памятью операция сложения выполнялась за 50 мксек, операция умножения — за 2000 мксек.
• Количество электронных ламп — 730.
• Потребляемая мощность — 8 Квт.
• Занимаемая площадь — 4 кв. метра.

Ознакомиться с работой АЦВМ М-1 приезжали видные ученые, в том числе академики А.Н. Несмеянов, М.А. Лаврентьев, С.Л. Соболев, А.И. Берг. Одним из первых на М-1 решал задачи по ядерным исследованиям академик С.Л. Соболев, бывший в то время заместителем по научной работе в институте И.В. Курчатова.

Три года машина М-1 находилась в эксплуатации и первые полтора года была единственной в Российской федерации действующей ЭВМ. Она была изготовлена в единственном экземпляре, но ее архитектура и многие принципиальные схемные решения были приняты в дальнейшем за основу при разработке серийных машин М-3, “МИНСК”, “РАЗДАН” и др. 

Создатели машины М-1 стали крупными специалистами в области вычислительной техники и внесли значительный вклад в ее развитие, возглавляя различные научные, учебные и производственные коллективы. Их труд был высоко оценен присвоением ученых степеней и почетных званий, присуждением государственных наград.

Об авторе: МАДИ(ГТУ), Кафедра АСУ, alexandridi@mail.ru
Материалы международной конференции SORUCOM 2006 (3-7 июля 2006 года)
Статья помещена в музей 3.11.2007 с разрешения автора