Вычислительная техника
М.С. Шкабардня, А.М. Ищенко
В ХХ столетии как ни в какие предыдущие периоды исторического развития человечества наиболее выпукло и ярко проявились практически неисчерпаемые возможности научно-технического прогресса и его влияния на экономическое и социальное развитие общества. Одно поколение прошедшего столетия рождения до старости стало свидетелями вхождения в обиход как само собой автомобилей, радио, самолетов, видео- и аудиоаппаратуры, мобильных телефонов (в том числе сотовых), всемирной “паутины” — Интернета, космоса и многого другого.
Поразительным и наиболее ярким достижением прошлого века стало изобретение и бурное развитие электронных вычислительных машин (ЭВМ), без которых в наше время уже практически невозможна ни производственная, ни научная, ни коммерческая и вообще никакая другая более или менее осмысленная деятельность человека.
Мировая эволюция технического прогресса и вся предыстория развития науки привели к тому, что практически одновременно во многих странах появилась вычислительная техника разных исполнений, построенная на одних и тех же фундаментальных принципах.
Создание и развитие отечественной вычислительной техники связано прежде всего с именами таких выдающихся ученых, как академики Сергей Алексеевич Лебедев, Виктор Михайлович Глушков, член-корреспондент АЯ СССР Исаак Семенович Брук, талантливый инженер Юрий Яковлевич Базилевский, профессор Б. И. Рамеев и ряд других.
Первое в СССР авторское свидетельство на изобретение цифровой ЭВМ на имя И. С. Брука Б. И. Рамеева датировано декабрем 1948 г.
В 1950-195 1 гг. под руководством И. С. Брука была разработана малогабаритная электронная автоматическая цифровая машина М-1. Основные идеи построения М-1 были предложены И. С. Бруком и чл.-корр. АЯ СССР Н. Я. Матюхиным, в то время молодым инженером, выпускником Московского энергетического института. М-1 была принята в опытную эксплуатацию в 1952 г., примерно в то же время, что и малая электронная счетная машина (МЭСМ), созданная С. А. Лебедевым в Киеве.
Говоря об истории отечественной вычислительной техники, следует отметить, что и И.С. Брук, и С.А. Лебедев пришли к классическому построению цифровой вычислительной машины с хранимой программой независимо друг от друга и от работ американских ученых (в то время эти работы велись под грифом “секретно”). Отчет Принстонского университета (США) Burks A.W., Goldsti n e H.H., Neuman J. “Preliminary discussion of the logical design of an electronic computing instrument” был опубликован впервые в сокращенном виде в 1962 г., а полностью — в 1963 г. Его русский перевод появился в Кибернетическом сборнике № 9 за 1964 г.
Декабрь 1951 г. по праву считается датой рождения отечественной вычислительной техники, которая развивалась затем по классическим архитектурным направлениям благодаря тому, классическая архитектура фон Неймана была С.А. Лебедевым и И.С. Бруком.
Если школа И.С. Брука изначально была направлена на класс мелких и средних ЭВМ, то работавший в то же время в г. Киеве над проблемой создания вычислительных машин коллектив, возглавляемый академиком С.А. Лебедевым, сосредоточился в направлении создания ЭВМ максимальной производительности.
В годы войны С.А. Лебедев, находясь в Свердловске, в короткие сроки разработал систему стабилизации танкового орудия при прицеливании, которая была быстро принята на вооружение. Многим танкистам в годы войны она спасла жизнь, позволяя наводить и стрелять из орудия без остановки машины, что делало танк менее уязвимым.
Для системы стабилизации танковой пушки (и автоматического устройства самонаведения на цель авиационной торпеды) требовалось разработать аналоговые вычислительные элементы, выполняющие арифметические операции, а также дифференцирование и интегрирование.
Развивая это направление, С.А. Лебедев в 1945 г. создал первую в стране электронную аналоговую вычислительную машину для систем обыкновенных дифференциальных уравнений, которые часто встречаются в задачах, связанных с энергетикой. С тех пор С.А. Лебедев начал вынашивать идею создания цифровой ЭВМ, и такая машина была создана к концу 1951 г. в Киве в Институте энергетики АН Украины. Она получила название “малая электронно-счетная машина” (МЭСМ).
В декабре 1951 г. представительная комиссия под председательством академика М.В. Келдыша приняла первую отечественную ЭВМ в эксплуатацию. Так началась в нашем отечестве эпоха развития вычислительной техники.
На тот период ( 1958 г.) МЭСМ была практически единственной в стране ЭВМ, на которой решались важнейшие научно-технические задачи из области термоядерных процессов, космических полетов и ракетной техники, дальних линий электропередачи и некоторые другие. Техническое описание МЭСМ стало по существу первым учебником по вычислительной технике. МЭСМ явилась прототипом большой электронной счетной машины (БЭСМ).
К разработке и производству вычислительных машин в нашей стране в соответствии с решениями правительства конца 1950-х годов подключилось достаточно много сильных научных коллективов ряда министерств и ведомств. Ведущими из них в дальнейшем стали Минприбор СССР (малые счетные и управляющие ЭВМ, периферийное оборудование) и Минрадиопром СССР (большие электронных счетные машины). Академия наук СССР и Академии наук союзных республик также серьезно занимались проблемами создания и совершенствования вычислительных машин и их изготовлением в основном для специфических нужд обороны страны и научных исследований.
С образованием в 1965 г. Минприбора СССР разработка и производство малых ЭВМ и управляющих вычислительных комплексов (УВМ) получили новый существенный импульс в своем развитии. Определяющая роль здесь принадлежала выдающемуся организатору производства, крупному государственному деятелю, Министру СССР Константину Николаевичу Рудневу.
В первые же дни работы министерства было создано Главное управление по производству средств вычислительной техники, в номенклатуру которых входили: электронные вычислительные машины; управляющие вычислительные комплексы; периферийное оборудование; устройства числового программного управления станками и оборудованием; настольные счетно-клавишные машины; счетные машины; кассовые аппараты.
Выпуском указанной техники занимались лучшие предприятия отрасли, в их числе: Киевское объединение “Электронмаш” им. В.И. Ленина; Северодонецкое научно-производственное объединение “Импульс”; Черновицкое производственное объединение “Электронмаш” им. 60-летия Советской Украины; Литовское производственное объединение “Сигма” (г. Вильнюс); Тбилисское научно -производственное объединение “Элва”; Ленинградский завод “ЛЭМЗ”; Томское объединение “Контур”; Курское производственное объединение “Счетмаш” и ряд других объединений и предприятий.
В 1968-1976 гг. на предприятиях министерства было организовано серийное производство ЭВМ серий М6000 и М7000 (разработки Главного конструктора В. В. Резанова, НПО “Импульс”), которые в те годы стали основой построения АСУТП практически во всех сферах народного хозяйства, в ряде оборонных министерств и на атомных электростанциях. За 10 лет Киевский завод ВУМ, Северодонецкое НПО “Импульс” и Тбилисское НПО “Элва” выпустили более 18 тысяч комплексов М6000, а на их базе было создано более 15 тысяч АСУТП.
На развитие средств вычислительной техники оказывали “давление” системщики — создатели АСУ. АСУП. АСУТП и систем автоматизированного проектирования (САПР). Эти обстоятельства привели к новому фундаментальному понятию в компьютерной технике — управляющие ЭВМ, т. е. ЭВМ с развитой периферией в сторону объекта управления (устройства связи с объектом, контроллеры, локальные сети и т. п.).
К концу 1970-х годов в СССР были созданы значительные производственные мощности для выпуска универсальных и специализированных ЭВМ периферийного оборудования. Заводы Минприбора СССР и оборонных министерств выпустили около 20 типов универсальных ЭВМ, разных по архитектуре, структуре, элементной базе и программному обеспечению (ПО). Одновременно были разработаны и выпускались специализированные наземные и бортовые ЭВМ, к характеристикам которых предъявлялись более жесткие требования в соответствии с их назначением.
Многообразие типов ЭВМ требовало значительных затрат не только на их производство, но и на программирование задач, решаемых с их помощью. Объективно возникла задача создания семейства ЭВМ, обладающих достаточным уровнем модульности и унификации узлов и устройств, который позволил бы организовать их крупносерийное специализированное производство.
Для решения этой проблемы на правительственном уровне было принято решение о создании программно-совместимых Единой системы ЭВМ (ЕС ЭВМ) и Системы малых ЭВМ (СМ ЭВМ). Создание ЕС ЭВМ было поручено Минрадиопрому СССР, и оно с этой задачей успешно справился. Минприбору СССР было поручено возглавить разработку и организовать серийное производство вычислительных машин серии СМ ЭВМ (Генеральный конструктор — академик Борис Николаевич Наумов).
Комплекс НИР и ОКР по СМ ЭВМ выполняли более ЗО институтов, КБ и предприятий Советского Союза, Болгарии, Венгрии, ГДР, Республики Куба, Польши, Румынии и Чехословакии.
При создании СМ ЭВМ впервые в нашей стране были приняты международные стандарты МЭК на размерные ряды конструкций электронного оборудования, что обеспечило их конструктивную совместимость с изделиями ведущих зарубежных фирм и позволило открыть широкую перспективу развития международной интеграции в области вычислительной техники.
Важнейшие с точки зрения пользователей массовые области применения обеспечивались созданием проблемно-ориентированных комплексов СМ ЭВМ, которые выпускались заводами-изготовителями в конфигурациях, отвечающих заказным спецификациям и снабженных ПО для решения задач в этих отраслях, например, комплексы автоматизированных рабочих мест конструктора-технолога для предприятий машиностроения и радиоэлектроники, измерительно-вычислительные комплексы (ИВК) для автоматизации научных исследований и т. д. Примером более сложных решений может служить специальный ИВК на базе ЭВМ модели СМ-4 и Фурье-процессора, созданный в Институте электронных управляющих машин (ИНЭУМ, г. Москва, Минприбор СССР) и институтом радиотехники и электроники АЯ СССР для обработки радиолокационных изображений поверхности Венеры, получаемых с искусственного спутника.
Так сложилось, что основные производственные мощности по выпуску СМ ЭВМ были сосредоточены на Украине: Киевское НПО “Электронмаш”, Северодонецкое НПО “Импульс”, Винницкий завод “Терминал”, Одесский завод “Электронмаш”, Черновицкий завод “Электронмаш”, Лубянский завод “Счетмаш”. Все эти заводы являлись базовыми предприятиями по выпуску всего семейства СМ ЭВМ (СМ-1 — СМ-4) и периферийного оборудования, их модификаций и последующих поколений (СМI2IО, СМI6З4, СМ 1700, СМ 1702), управляющих вычислительных комплексов (УВК) на базе малых ЭВМ, а таюке широкой гаммы периферийного оборудования.
Это был огромный научно-технический и производственный комплекс, действительно способный решать крупнейшие народнохозяйственные задачи.
Предприятиями Минприбора СССР было поставлено около 17 тыс. УВК на базе СМ ЭВМ, из них более 10 тыс. были использованы в системах управления производствами и технологическими процессами. Наиболее широко эта техника была внедрена в системах энергетического и военного назначений. Только на космодроме Байконур использовалось более 100 УВК СМ-1 и СМ-2.
В целом к середине 1980-х годов практически во всех отраслях промышленности работало более 140 тыс. УВК различных модификаций, изготовленных предприятиями Минприбора СССР.
В микроэлектронике еще в начале 1960-х годов была выдвинута концепция однородных микроэлектронных логических и вычислительных структур, состоящих из однотипных функциональных элементов с одинаковыми связями между ними (тип нейронных сетей). Концепция разрабатывалась под руководством д-ра техн. наук, профессора, академика ГССР Ивери Варламовича Прангишвили. В работах И.В. Прангишвили и его сотрудников было показано, что использование избыточности, регулярности, параллельности и перестраиваемости однородных структур и связей является кардинальным принципом повышения надежности и производительности логических и вычислительных устройств, автоматической адаптации их к выполняемым функциям.
Первой в реализации исследований была микро-ЭЦМ ПС-300, созданная Институтом проблем управления (ИПУ) АН СССР и Минприбора совместно с НПО “Элва” (г. Тбилиси) в 1976 г. Дальнейшее развитие нетрадиционных принципов динамической перестраиваемости вычислительных средств привело к разработке высокопроизводительных многопроцессорных вычислительных систем с перестраиваемой структурой (ПС).
На указанных принципах ИПУ совместно с НПО “Импульс” (г. Северодонецк) в 1975-1980 гг. были разработаны и освоены в серийном производстве микропроцессорные ВК ПС-2ООО, ориентированные на решение векторно-матричных задач большой размерности, в первую очередь, в геофизике, метеорологии, при обработке спутниковой информации и т. д. с производительностью до 100 млн. оп./с.
В создание принципиально новых высокопроизводительных ЭВМ решающий вклад внесли академик И.В. Прангишвили, заместитель директора по науке НПО “Импульс”, Главный конструктор ВК ПС-2000 (ЭГВК ПС-2000) В.В. Резанов, И.Л. Медведев, И.И. Итенберг, С.Я. Виленкин со своими сотрудниками. Восемь комплектов первых ЭГВК ПС-2000, демонстрировавшихся в 1980 г. перед Государственной комиссией на гео-физических задачах, давали суммарную производительность около 1 млрд. оп./с.
С 1981 по 1989 гг. Северодонецкий НПО “Импульс” выпустил около 180 ЭГВК ПС-2000 и свыше 240 мультипроцессоров ПС-2000. ЭГВК-2000 были применены прежде всего для обработки данных сейсмической разведки месторождений нефти и газа. На период до 1990 г. в отрасли Мингео СССР успешно эксплуатировалось около 90 экспедиционных ЭГВК ПС-2000, обеспечивающих углубленную обработку значительной части данных сейсмической разведки нефти и газа.
На базе нескольких комплексов ПС-2000 были созданы высокопроизводительные системы обработки гидроакустической и телеметрической информации в реальном масштабе времени. Телеметрический вычислительный комплекс центра управления космическими полетами (ЦУП) использовал с 1986 г. вплоть до 1997 г. систему предварительной обработки телеметрической информации на базе ЭГВК ПС-2000, связанную в единый комплекс с центральной системой обработки на базе многопроцессорного ВК “Эльбрус- 2” . Первые комплексы ПС-2000 поступили в ЦУП в 1982 г., последние — в 1988 г.
На базе ПС-2000 в нашей стране был решен ряд важнейших для науки и практики задач. Так, сотрудники ИПУ и ВНИИ геофизики решили прямую задачу магнитотеллурики, имеющую большое значение для поиска рудных ископаемых. Совместно с Институтом прикладной механики (г. Новосибирск) была разработана параллельная версия метода индивидуальных частиц, позволившая решить сложные задачи физической гидродинамики. В НПО “Энергия” была сдана первая очередь системы обработки данных быстроизменяющихся процессов, связанных с телеметрией комплекса “Энергия-Буран”. Решен ряд задач ядерной тематики совместно со специалистами ВНИИЭФ (г. Саров, бывший Арзамас) и НИТИ (г. Сосновый Бор, Ленинградская обл.).
К концу 1980-х годов в ИПУ было создано новое поколение ЭВМ серии ПС — ПС2IОО, более мощной производительности, но из-за развала страны они не были реализованы в серийном производстве.
Наряду с малыми ЭВМ и УВК предприятия Минприбора выпускали широкую гамму настольных вычислительных машин, кассовые аппараты, периферийное оборудование для ЭВМ, устройства числового программного управления (УЧПУ) для станков, автоматизированные места конструктора, технолога, диспетчера, управленца, программируемые контроллеры и микроконтроллеры, растровые графические и другие цветные видеотерминалы и т. д.
Не останавливаясь на описании широкой номенклатуры этой техники, приведем здесь лишь отдельные примеры.
Вильнюсское ПО “Сигма” серийно выпускало превосходное автоматизированное рабочее место (АРМ) конструктора машиностроителя средней производительности на базе ЭВМ СМ-1700 (АРМ СМ 1700-М), предназначенное для интерактивного конструирования сложных изделий машиностроения и подготовки чертежей деталей с помощью графических терминалов и графопостроителей. АРМ СМ 1700-М позволяло проектировать групповые детали с помощью ввода необходимых параметров, а также подготавливать программы для изготовления этих деталей на станках с УЧПУ.
Смоленское ПО “Искра” в 1980-х гг. выпускало в крупносерийном производстве персональную профессиональную ЭВМ “Искра- 1 ОЗОМ”, пользующуюся в те годы большим потребительским спросом. К числу передовых и актуальных технических средств на тот период можно отнести и ВК СМI65О, выпускавшийся московским заводом “Энергоприбор”. СМI65О применялся для решения задач цифровой обработки изображений в различных областях науки и техники.
С начала 1980-х гг. большое развитие в производстве и применении получили программируемые контроллеры (ПК) и микроконтроллеры. Выпуском этой техники только в Минприборе СССР занималось более 20 предприятий. Контроллеры выпускались также Минрадиотехпромом, Минрадиопромом, Минэлектронпромом и рядом других министерств. Выпуск контроллеров к середине 1980-х гг. только предприятиями Ми- прибора СССР превышал 100 тыс, в год. Одним из первых разработчиков и изготовителей контроллеров в отрасли приборостроения было НПО САУ, г. Харьков (директор К.И. Диденко). Этим же объединением изготавливался программируемый микроконтроллер (МПК) МП59.01, предназначенный для комплектования отдельных узлов гибких производственных систем и агрегатных станков с числом входов и выходов до 20.
Нельзя, конечно, не остановиться хотя бы вкратце на выпуске устройств числового программного управления (УЧПУ) металлообрабатывающими станками. В начале 1950-х гг. за рубежом и в Советском Союзе начались интенсивные работы над созданием программно-управляемых станков.
Одна из первых в Минприборе СССР систем цифрового программного управления газорезательным станком была создана Киевским институтом автоматики в начале 1960-х гг. Станок предназначался для изготовления деталей сложного профиля из листового проката, включая разметку и маркировку. Система управления станком обеспечивала автоматическое двухкоординатное перемещение рабочих органов по программе, записан- ной на магнитную ленту, а также выдачу команд для исполнения всех вспомогательных технологических операций.
С 1967 г. выпуск УЧПУ был поручен министерством Ленинградскому электромеханическому заводу (ЛЭМЗ), который впоследствии и стал головным предприятием отрасли по их разработке и производству. В 1974 г. выпуск УЧПУ достиг., 5 тыс. шт. Однако потребность в них постоянно возрастала. К производству подключились Томский завод “Контур”, Нальчикский завод “Телемеханика” и ряд других предприятий министерства. Только заводом ЛЭМЗ к 1989 г. было изготовлено свыше 28 тыс. шт. УЧПУ.
Учитывая бурный рост потребности в программных средствах управления станками и технологическими линиями, по предложению Мин- прибора СССР Правительством страны было принято решение о строительстве двух заводов “под ключ” зарубежными фирмами по их документации (были закуплены лицензии) для выпуска перспективных УЧПУ (в г. Ленинграде) и командоаппаратов (в г. Ереване).
Завод по производству УЧПУ был построен итальянской фирмой “Оливетти” к 1991 г. Это был ультрасовременный завод с полностью замкнутым циклом производства на выпуск 20000 УЧПУ в год.
Но… случился август 1991 г., и уже к концу 1993 г. нового завода по производству УЧПУ не стало.
Не стало с 1991 г. ни единой страны, ни министерства. На обочине истории оказались сильнейшие научные и производственные коллективы, еще не так давно являвшиеся гордостью нашего Отечества.
Сегодня перед нашей страной стоят сложнейшие, кажущиеся невыполнимыми задачи. Уже не “догнать” или “уменьшить отставание”, а создать под стратегическим руководством и контролем государства современные электронно-вычислительную и управляющую технику, электронику, микро- и наноэлектронику. микросистемную технику, осуществить огромный скачок в мир сегодняшней техники. Примером такого действия в недавней истории была Япония после Второй мировой войны, для этого в стране должны найтись средства. И они есть. Необходимо понять, что без собственного обновленного промышленного производства Россия существовать не может. Следует стремительно мобилизовать все ресурсы — экономические, политические, финансовые — и первостепенной задачей государства считать развитие промышленности страны и, в первую очередь, тех отраслей, которые сегодня определяют научно-технический прогресс. Только это станет гарантом целостности, безопасности и процветания России.
Статья опубликована в журнале “Датчики и системы” № 9, 2007 г.
Публикуется с разрешения автора.
Статья помещена в музей 03.06.2008
