Новаторские научные решения Н.Я. Матюхина в первых ЭВМ и вычислительных комплексах

Александриди Т.М., Матюхина Е.Н.

Пройдя «школу» И.С. Брука, Н.Я. Матюхин стал выдающимся ученым, создателем собственной научной школы.

В марте 1950 г. отдел кадров МЭИ направил в лабораторию Брука Николая Яковлевича Матюхина, полу- чившего диплом с отличием за блестящую учебу и участие в научных исследованиях еще на студенческой скамье – два авторских свидетельства за изобретение новой системы радиопередатчика с повышенным КПД – тому подтверждение.

О том, сколь удачным для лаборатории было такое пополнение в единственном лице, говорит тот факт, что уже в апреле, т.е. всего через два месяца, И.С. Брук, уверовавший в талант новообретенного помощника, оформляет постановление президиума АН СССР о разработке цифровой электронной вычислительной машины, получившей впоследствии название М-1.

Первое задание руководителя – спроектировать важный узел ЭВМ, дешифратор, да еще безламповый: использовать для построения логических элементов вместо электронных ламп поступившие по репарациям немецкие купроксные выпрямители. Со слов остальных участников создания машины, Н.Я. Матюхин фактически был главным конструктором М-1, а затем ЭВМ М-3, формально не являясь таковым, а И.С. Брук в полной мере выполнил роль научного руководителя разработки.

Быстро разобравшись в структуре и архитектуре ЭВМ, Н.Я. Матюхин занялся детальной разработкой арифметико-логического устройства, а также узлом управления памятью на магнитном барабане.

В 1950–1951 гг. была создана первая в Российской Федерации малая цифровая электронная вычислительная машина с хранимой в памяти программой M-1, содержащая 730 электронных ламп (вместо 6000 в МЭСМ). Запущенная в опытную эксплуатацию в начале 1952 г., она оказалась единственной в РФ действующей ЭВМ. В M-1 впервые вместо электронных ламп (диодов) были использованы полупроводниковые (купроксные) выпрямители, рулонный телетайп, рассчитанный на печать длинной строки (вместо ленточного на одно число в строке), впервые была применена двухадресная система команд.

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 и вводе в строй автоматической цифровой вычислительной машины.

В этом отчете 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.

Впервые в мировой практике создания цифровых электронных вычислительных машин в М-1 диодные логические схемы строились на полупроводниковых элементах (купроксные выпрямители КВМП-2-7).

При разработке 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 стимулировалипоиск 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 после АЦВМ М-1 получили дальнейшее развитие в машине М-3 и серии машин «Минск».

Комплексную отладку машины, разработку системы команд, отработку технологии программирования и тестирования возглавил Н.Я. Матюхин, который фактически выполнял функции главного конструктора.

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 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.

М-3 стала одной из первых ЭВМ класса малых машин, подготовленной для серийного производства. Машина была настолько проста в изготовлении и эксплуатации, что ряд организаций смог самостоятельно изготовить и наладить ее у себя по документации, выпущенной во ВНИИЭМ. В 1958 г. конструкторская документация на ЭВМ М-З была передана Минскому заводу счетных машин для выпуска малой серии, первая М-3 выпущена в сентябре 1959 г.

Так, по стечению обстоятельств, детище И.С. Брука и его ученика Н.Я. Матюхина, разработанное в Москве, стало выпускаться в Минске – на родине Брука.

В 1957 г. Николай Яковлевич перешел на работу в Научно-исследовательский институт автоматической аппаратуры Минрадиопрома, где, будучи главным инженером, принимал участие в работах по созданию ЭВМ для ПВО страны, был главным конструктором серийных ЭВМ и управляющих комплексов специального назначения. Именно здесь в полном объеме проявились его талант и гигантская работоспособность.

Работы по созданию ЭВМ «Тетива» проводились коллективом Николая Яковлевича Матюхина.

Под его руководством и при непосредственном участии были созданы целые серии специализированных ЭВМ: «Тетива», 5Э63, 5Э63-1, 5Э76, 5Э76-Б, которые и в настоящее время «служат» в составе соответствующих АСУ не только в России, но и в ближнем и дальнем зарубежье.

Хотелось бы остановиться на новых решениях, использованных в этих работах.

ЭВМ «Тетива» должна была обеспечить первичную обработку радиолокационной информации.

Архитектура ЭВМ соответствовала классической архитектуре фон Неймана. Основные устройства: центральное устройство управления (ЦУУ), арифметическое устройство (АУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), долговременное запоминающее устройство (ДЗУ), память программ, устройство связи с внешними устройствами (УСВ). ЭВМ была построена на СПТ-схемах (схемах переключателей тока). В этих схемах не было ни диодов, ни конденсаторов, только триоды и сопротивления. Основу их составляли триоды типа р-н-р (П-15). Для межкаскадных переходов использовались триоды п-р-п (ПИ). Они (СПТ) были по тому времени очень быстрыми по переключению.

«Тетива» была первой отечественной ЭВМ с микропрограммным управлением. т.е. в устройстве управления использовалась микропрограмма, хранящаяся в матрице ДЗУ. Позже микропрограммное управление было применено в ЭВМ «Наири» (1964 г.), «Мир» и ЕС-1020. Долговременное запоминающее устройство (ДЗУ) обеспечивало большую надежность и возможность быстрого (при необходимости) изменения.

Оригинальным было решение использовать в АУ прямые коды операндов. Весь мир использовал обратные или дополнительные коды, а здесь – прямые. Такое АУ было более дорогим по оборудованию, чем известные, но самым быстрым и самоконтролируемым. Конечно, АУ в прямых кодах «дороже» по схемам переноса, но оно было «быстрым». так как готовило одновременно три варианта: А+В, А-В и В-А.

Кроме знака результата на выходе старшего разряда формировался признак «>», «<» или «=», а главное признак «сбой». Он констатировал наличие сбоя в АУ, что всегда сложно.

Среди «новинок» надо отметить и так называемый «авторегистр», обеспечивающий программируемую подмену команд. Этот механизм успешно использовался при рестарте программ для коррекции ошибок, обеспечивая тем самым непрерывность вычислительного процесса – важнейшего качества для систем реального времени.

Производительность ЭВМ 20 тыс.опер/сек (32 тыс. сложений в секунду).

Объем оперативной памяти 1024, разрядность – 18 бит, ПЗУ – 3072 кода, число команд – 70.

Сейчас практически во всех компьютерах при начальном включении происходит контроль работоспособности, который заканчивается исполнением определенной мелодии.

В ЭВМ «Тетива» за счет работы счетчика циклов исполнялась мелодия «Подмосковные вечера». Ноты использовались и на рабочих программах. По ним определялась работа ЭВМ: «зацикливание» программ и, конечно, «остановы» ЭВМ.

Главным принципом разработки ЭВМ была «надежность, надежность, надежность и простота ремонта». Надежность обеспечивалась используемой элементной базой, применением ДЗУ (долговременных прошиваемых запоминающих устройств) для хранения программ и микропрограмм. Этим обеспечивалось безотказное выполнение программ.

Работа над первой отечественной полупроводниковой ЭВМ «Тетива» для системы ПВО началась с макетной проработки в 1960 году. Производство ЭВМ «Тетива» было освоено заводом в Минске. В 1962 г. восемь машин были установлены на объектах . Для обеспечения постоянной круглосуточной работы системы ПВО был подготовлен и использован «безотказный ВК» на базе 2-х «Тетив». При любых сбоях в ВК переключались сами «Тетивы».

Более 30 лет (бессменно) трудился комплекс и даже «засек» в 1986 г. самолет Руста, который приземлился на Красной площади в Москве.

Еще не кончился этап освоения системы ПВО на основе «Тетивы», как полным ходом начались макетные работы над первым мобильным вариантом ЭВМ 5Э63 и 5Э63.1. Размещение в полуприцепах требовало малых установочных размеров и небольшой эксплуатационной площади. Это достигалось, в том числе, за счет одностороннего обслуживания.

В основе конструктивного подхода были функционально законченные блоки (устройство управления, арифметическое устройство, оперативная память, долговременное запоминающее устройство, устройство связи с внешними абонентами и др.). Блоки размещались в стойках-стеллажах. Соединение между блоками и стойками осуществлялось посредством соединительных колонок с разъемами, в которых были и контрольные выходы для практически всех основных сигналов. Для обслуживающего персонала это предоставляло дополнительное удобство при поиске неисправностей. В ЗИПах закладывались резервные блоки. Все это обеспечивало высокие параметры коэффициента готовности (Кг). В 1967 г. после успешных испытаний в Капустином Яре (военном полигоне под Астраханью) машины были запущены в серийное производство. С тех пор выпущены многие их сотни.

В 1967 г. была начата работа над первой ЕС-подобной ЭВМ в блочном исполнении – 5Э76. Первая ЭВМ 5Э76 была использована в составе комплекса из 6-ти ЭВМ.

В 1969 г. начались проработки АСУ «глобального» масштаба – от берега балтийского до берега тихоокеанского... Главным в ней было обеспечение связи через ЦКС и постоянная круглосуточная (круглогодичная) работа в автоматическом режиме.

Исходя из ограниченных площадей объектов ЦКС и требований надежности, для них был выбран 2-машинный ВК: из 2-х ЭВМ 5Э76-Б (модернизированная 5Э76). Новый ВК именовался 65с180. Всего за период 1972–1992 гг. было изготовлено 32 машины 65с180.

Все они были созданы, под непосредственным руководством Н.Я. Матюхина, его соратниками и учениками, в их числе В.П. Харитонов, А.В. Тамошинский, АЛ. Залкинд, Е.Г. Сталин, Г.С. Вилышанский, Г.Г. Карпов, Ю.С. Бравый, В.А. Лущекин, Л.А. Шифрина, В.А. Бирюков.

Среди важнейших научных результатов, полученных Н.Я. Матюхиным в теории вычислительных машин и систем, следует выделить разработку архитектурных принципов построения вычислительных машин и комплексов для сложных территориальных автоматизированных систем управления (реального времени) и систем передачи данных в них.

Матюхин был главным конструктором многих вычислительных машин и комплексов, имеющих важное оборонное значение. Под его руководством разработано семейство сложных вычислительных комплексов второго и третьего поколений, которые десятки лет благодаря своим высоким эксплуатационно-техническим характеристикам и архитектурным особенностям, примененялись в различных мобильных и стационарных средствах ПВО.

Впервые созданные в СССР Н.Я. Матюхиным в 1968–1971 гг. многомашинные комплексы на основе ЕС-подобных ЭВМ показали их высокую эффективность для применения в развивающихся системах. Дальнейшее развитие этих принципов позволило Матюхину в 1972–1975 гг. создать центр коммутации данных для информационных сетей, также явившийся первой крупной отечественной работой в этом бурно развивающемся в последние годы научно-техническом направлении.

Являясь главным конструктором ряда крупных разработок, Н.Я. Матюхин одним из первых отечественных ученых почувствовал острую необходимость в автоматизации проектирования средств вычислительной техники и, начиная с 1964 г., выполнил ряд основополагающих исследований в этом важнейшем направлении. Под руководством и при непосредственном участии Матюхина издается первая отечественная монография в этой области («Применение ЦВМ для проектировании цифровых устройств», 1968 г.). В ней выдвинуты и обоснованы принципы построения систем автоматизированного проектирования средств вычислительной техники, лежащие ныне в основе многих разработанных и проектируемых САПР.

В это же время Матюхиным был разработан язык моделирования цифровых устройств (МОДИС) и первая система моделирования ЭВМ, нашедшие широкое применение; разработан комплексный подход к проектированию приборов, объединявший логическое моделирование с процессом автоматизированного конструирования; разработаны принципы сопряжения САПР с системой подготовки производства и выполнен ряд работ по автоматизации планово-производственных задач, возникающих при освоении новых изделий.

На созданной под руководством Н.Я. Матюхина первой в СССР системе автоматического проектирования (АСП-1) в 1968–1969 гг. было проведено комплексное проектирование крупной ЭВМ третьего поколения.

В 1969 г. под его научным руководством и по его инициативе проводился Первый всесоюзный семинар по автоматизированному проектированию ЭВМ, в котором принял участие практически весь круг ведущих отечественных специалистов, были обсуждены и сформулированы важнейшие научные и практические проблемы в этой области.

В 1975–1977 гг. Н.Я. Матюхин в составе созданной по поручению СМ СССР прогнозной комиссии по проблемам автоматизации проектирования руководил разработкой раздела, посвященного САПР в радиоэлектронике, где им лично были разработаны основные классификационные характеристики САПР, сформулированы тенденции развития и основные проблемы в этой области на период 1980-1985 гг. Проблемные доклады Матюхина на Всесоюзных научных конференциях и семинарах по автоматизации проектирования неизменно вызывали большой интерес у специалистов, работающих в этой области.

Об авторах: Московский автомобильно-дорожный институт (Государственный технический университет)
alexandridi@mail.ru
Институт проблем информатики РАН
Материалы международной конференции SORUCOM 2011 (12–16 сентября 2011 года)
Статья помещена в музей 21.10.2011 с разрешения авторов