60-летие первой российской АЦВМ М-1

Александриди Т.М., Рогачев Ю.В., Шидловский Р.П.

В декабре 1951 года в Лаборатории электросистем Энергетического института АН СССР под руководством чл.-корр. 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. Ниже представлен титульный лист этого отчета с подписями исполнителей. Очевидно, что 15 декабря 2011 года исполняется 60 лет первому в СССР научному документу о создании отечественной АЦВМ. Единственный экземпляр этого отчета случайно сохранился в научном архиве семьи Н.Я.Матюхина и несколько лет назад передан в Политехнический музей (рис. 1).

О стиле руководства Исаака Семеновича Брука:

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

В процессе проектирования и создания машины M-1 приходилось разбираться в самых разных вопросах – от регулятора напряжения для мощных моторенераторов 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.

При разработке M-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 M-1 стала первой двухадресной машиной».

Впервые в мировой практике создания цифровых электронных вычислительных машин в M-1 диодные логические схемы строились на полупроводниковых элементах. Первоначально разработка начиналась на ламповых диодах 6Х6. 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 6Х6.

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 на широкое использование полупроводниковых элементов, принятый Бруком. 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)». АЦВМ M-1 стала первой в мире цифровой вычислительной машиной, в которой логические схемы строились на полупроводниковых приборах.

С целью улучшения характеристик M-1 И.С. Брук решил включить в ее состав быстродействующее электростатическое запоминающее устройство. Тогда в США и в СССР для этой цели разрабатывались специальные электронные трубки – потенциалоскопы. К сожалению, по постановлению нашего Правительства, такие трубки были предназначены другим разработчикам (ИТМиВТ, СКБ-245), а нашей лаборатории они были недоступны. Тогда Бруком было принято решение попытаться использовать обычные электростатические трубки, которые применялись в осциллографах. В сентябре 1950 г. в лабораторию была принята дипломница радиотехнического факультета МЭИ Т.М. Александриди. Именно ей в качестве темы дипломного проекта была предложена разработка электростатического ЗУ на осциллографических трубках. Проведенные ею экспериментальные исследования показали возможность построения такого типа быстродействующей электронной памяти, что и было реализовано в дипломном проекте.

Осенью 1950 года «команда» Н.Я. Матюхина была укомплектована. Обязанности между коллективом разработчиками были распределены следующим образом:

• арифметическое устройство и система логических элементов выполнялись Н.Я. Матюхиным и Ю.В. Рогачевым;
• главный программный датчик – М.А. Карцев и Р.П. Шидловский;
• запоминающее устройство на магнитном барабане – Н.Я. Матюхин и Л.М. Журкин;
• запоминающее устройство на электростатических трубках – Т.М. Александриди;
• устройство ввода–вывода – А.Б. Залкинд и Д.У. Ермоченков;
• электропитание – В.В. Белынский;
• конструкция – А.И. Кокалевский.

И.С.Брук

Н.Я.Матюхин М.А.Карцев

Т.М.Александриди А.Б.Залкинд

Ю.В.Рогачев Р.П.Шидловский

Рис. 2 Авторский состав создания одной из первых в СССР цифровой машины ЭВМ М-1 (1950-1951 гг.)

Комплексную отладку машины, разработку системы команд, отработку технологии программирования и тестирования возглавил Н.Я. Матюхин, который фактически выполнял функции главного конструктора. Все разработчики проявляли исключительную изобретательность, приспосабливая для использования в ЭВМ комплектующие изделия, предназначавшиеся для других целей (магнитные головки от бытовых магнитофонов, электронно-лучевые трубки от осциллографов, буквопечатающий телетайп для систем связи и др.).

Рис. 3 Блок–схема АЦВМ M-1

К осени 1951 года закончились работы по изготовлению и настройке машины M-1, ее упрощенная структурная схема изображена на рис. 3. Машина успешно прошла испытания и в начале 1952 года была переведена в режим эксплуатации для решения задач как в интересах институтов Академии наук СССР, так и других организаций. В эксплуатации M-1 была около 3-х лет и первые полтора года являлась единственной ЦВМ, работавшей в России. В дальнейшем разработчики M-1 стали крупными учеными и инженерами, руководителями НИИ, главными конструкторами Оборонных Систем СССР.

Брук Исаак Семенович (1902–1974) – чл.-корр. АН СССР , д.т.н., основатель и первый директор ИНЭУМ, который назван его именем.

Матюхин Николай Яковлевич (1937–1984) – чл.-корр. АН СССР, д.т.н., проф., главный конструктор вычислительных средств систем ПВО СССР, лауреат Государственной премии СССР.

Карцев Михаил Александрович (1923–1983) – д.т.н., проф., главный конструктор вычислительных средств СПРН, основатель и первый директор НИИВК, лауреат Государственной премии СССР.

Александриди Тамара Миновна (1924) – к.т.н., проф., основатель и заведующий. кафедрой АСУ МАДИ.

Рогачев Юрий Васильевич (1925) – к.т.н., главный инженер НИИВК, директор НИИВК, лауреат Государственной премии СССР.

Залкинд Александр Борисович (1927–1995) – к.т.н., ведущий специалист вычислительных средств ПВО в НИИАА.

Белынский Владалекс Владимирович (1926–2001) – к.т.н. ведущий специалист по вычислительной технике ИНЭУМ.

Шидловский Рене Павлович (1926) – к.т.н., зам. главного конструктора вычислительных средств СПРН, лауреат Государственной премии СССР.

АЦВМ M-1 включала в свой состав арифметическое устройство АУ, главный программный датчик (ГПД), который выполнял функции устройства управления, внутреннюю память двух видов: быструю – на электростатических трубках (ЭП) и медленную – на магнитном барабане (МП), устройство ввода–вывода (УВВ) с использованием перфолент и телеграфной буквопечатающей аппаратуры.

Основные характеристики M-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.

К концу 1951 года машина успешно прошла комплексные испытания и была передана в эксплуатацию. Далее АЦВМ М-1 была переведена в режим эксплуатации для решения задач как в интересах институтов Академии наук СССР, так и других организаций. В ее конструкции были представлены следующие новые научные решения, впервые предложенные в мировой практике создания электронных вычислительных машин:

• построение логических схем на полупроводниковых диодах;
• двухадресная структура команды;
• построение быстродействующей электростатической памяти на обычных осциллографических электронных трубках.

Ознакомиться с работой первой московской ЭВМ приезжали видные ученые, в том числе академики А.Н. Несмеянов, М.А. Лаврентьев, С.Л. Соболев, А.И. Берг. Одним из первых на M-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 M-1 находилась в эксплуатации и первые полтора года была единственной в Рос- сийской 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.

Об авторах: Московский автомобильно-дорожный институт (Государственный технический университет)
alexandridi@mail.ru
НИИ вычислительных комплексов им. М.А. Карцева
Материалы международной конференции SORUCOM 2011 (12–16 сентября 2011 года)
Статья помещена в музей 21.10.2011 с разрешения авторов