Москва компьютерная
А.Д. Смирнов, Ю.С. Затуливетер, А.Н. Томилин
Канун компьютерной эры
В настоящее время — на границе ХХ-ХХI веков — человечество переживает глобальную информационную революцию. Оно затратило много усилий на ее основательную подготовку. Москва на протяжении последних пятидесяти лет являлась важнейшим научным и производственным создания отечественного компьютеростроения, центром компьютерных приложений и развития информатизации в целом.
Мир существенно изменился с появлением ядерной, ракетно-космической и вычислительной техники.
Первоначально электронные вычислительные машины (ЭВМ) создавали для решения “ядерных” и “ракетных” задач, не имевших аналогов ни по наукоемкости, ни по масштабам реализованной новизны. Компьютеростроение зарождалось под эгидой могущественных опекунов, отвечавших за равновесие военных потенциалов. В ходе решения очень сложных, но сравнительно узких по профилю вычислительных задач военной тематики компьютерные архитектуры быстро прогрессировали, становясь все более совершенными и доступными для более широкого применения. Благодаря отчетливо проявившейся универсальности и первым признакам комфортности сфера использования компьютеров стала быстро расширяться, возросла доля гражданских областей применения компьютерной техники, при этом стали складываться доселе неведомые стимулы ее развития. Их корни находятся в глубинах человеческого общества, наделенного уникальной способностью в ходе своей жизнедеятельности создавать, обрабатывать, накапливать и потреблять информацию.
Компьютеростроение стимулировало и вбирало в себя лучшие достижения смежных областей науки и техники: сначала — электроники, а затем и микроэлектроники, вложившей информационную мощь в миллионы мельчайших транзисторов. Микроэлектроника в последние 15-20 лет стала главной движущей силой компьютерной революции. В результате в условиях открытого информационного пространства в мире сформировалась массовая компьютерная индустрия, осуществляющая принципиально новую социальную функцию: обеспечение лавинообразного накопления информации, которая становится главной регулирующей силой жизни человечества.
Уже на первой стадии перехода к открытому информационному пространству и массовой компьютерной индустрии резко изменились условия соревнования сложившихся в мире компьютерных школ. Отечественные разработчики, многие из которых профессионально выросли в Москве и успешно обеспечивали паритетное развитие компьютерных архитектур при решении военных задач, оказались в изоляции от стимулов массовых гражданских применений. Информационно-закрытое государство искусственно отгородилось и от мировой экономики, и от своего общества, перекрыв тем самым себе естественные пути полноценного и самостоятельного развития компьютеростроения.
Масштабные, но весьма специфические российские проблемы перехода к открытому информационному пространству не имеют аналогов, и поэтому нельзя полагаться на законченные импортные разработок. Решать свои информационные проблемы предстоит не только поcедевшему научно-техническому сообществу, но и обществу в целом.
Хронология достижений и вклад московских компьютерных архитекторов сегодня мало известны широкой общественности. В данном обзоре делается попытка свести воедино доступные авторам факты и события, которые выявляют наличие глубоких корней и традиций отечественного компьютеростроения, имевшиеся у нас достижения мирового уровня в этой области.
Осознание истинных масштабов участия наших соотечественников в мировой компьютерной истории должно способствовать переосмыслению приоритетов, преодолению опасного синдрома национального компьютерного нигилизма, который, к сожалению, доминирует в сознании не только молодежи, но и политических и государственных деятелей.
Стартовый капитал
В конце 40-х годов к созданию ЭВМ оказались готовы только три страны: США, Англия, СССР.
Для разработки, развития и применения средств вычислительной техники (ВТ) необходимы следующие условия:
- постановка масштабных актуальных задач, не поддающихся решению без применения средств ВТ;
- наличие технической инфраструктуры и передовых технологий для разработки и применения ВТ;
- наличие вузов с профессорско-преподавательским составом, способным вести подготовку кадров в данной области.
Москва отвечала этим условиям. Многие достижения регионов страны в вычислительной технике, а также активно работавшие региональные и национальные компьютерные школы имели московские корни. Временами Москва подпитывала другие регионы, “отпочковывая” целые научно-конструкторские коллективы (в Пензу, Новосибирск, Минск и др.) В последующие годы взаимно обогащающие интеллектуальные связи не только сохранялись, но и развивались с нарастающей интенсивностью.
До появления первых цифровых ЭВМ научные организации Москвы уже имели солидные заделы в области теории и практики автоматизации вычислений. Известные математики и механики — М. А. Лаврентьев, А. А. Дородницын, М. В. Келдыш, А. Н. Тихонов, А. А. Самарский, Г. И. Марчук и др. — не только развивали теорию численных методов, но и доводили новые результаты до важнейших практических областей применения.
В разработке и внедрении аналоговых вычислительных машин Москва была лидером мирового масштаба. В Московском институте железнодорожного транспорта В. С. Лукьяновым был создан гидроинтегратор, при помощи которого решались задачи нестационарной фильтрации воды под гидросооружениями, динамики эксплуатируемых нефтяных месторождений, задачи теплопроводности конструкций, температурных напряжений при сварке металлов и др.
Гидроинтегратор позволяет управлять масштабом времени: например, процесс образования ледников на севере страны, происходящий в природе в течение десятков и сотен тысяч лет, моделировать и измерять за десятки минут, а процесс электродуговой сварки, протекающий за десятые доли секунды, “растягивать” во времени до десятков минут. Без выхода из помещения с учетом выделения или поглощения тепла при замерзании и оттаивании грунта была исследована работа теплотрасс в вечной мерзлоте.
В Институте точной механики и вычислительной техники (ИТМ и ВТ) в лаборатории Л. И. Гутенмахера на активных четырехполюсниках были созданы электроинтеграторы, моделирующие задачи динамики, например динамическую устойчивость самолетов и ракет. На электронной модели режимы испытания можно было доводить до катастрофических, что нельзя сделать при натурных испытаниях.
Но аналоговые машины не решали многих проблем. Во-первых, не всякую задачу можно было смоделировать на электро- или гидроинтеграторе, во-вторых, результаты имели невысокую точность (2-10%), а это во многих случаях было неприемлемо.
Кардинальным решением стал переход на цифровые электронные вычислительные машины (ЭВМ). Первая специализированная электронная цифровая машина “Колосс” появилась в Англии А. Тьюрингом во время Второй мировой войны для расшифровки секретных радиограмм, предназначенных для немецких подлодок.
Первой работающей ЭВМ достаточно универсального назначения можно считать ЭНИАК (США, 1945 г.). В 1946 г. венгерский физик и математик Дж. фон Нейман сформулировал основные принципы универсальных машинных вычислений, на которых основана и современная вычислительная техника. Но тогда эта жемчужина человеческой мысли оставалась в секретных сейфах холодной войны, надолго опустившей “железный занавес” не только между идеологиями, учеными и специалистами, но и между целыми народами.
В условиях противостояния информационная изоляция в начале была мощным стимулом, но потом стала главным тормозом развития. Фундаментальные принципы универсального машинного счета наши ученые открыли независимо от зарубежных коллег. Во второй половине 40-х годов Сергеем Алексеевичем Лебедевым, будущим академиком, формальным и неформальным лидером московских научных школ и основателем отечественного компьютеростроения, были разработаны универсальные принципы построения структуры ЭВМ. Пятьдесят лет назад, в 1947 г., он начал разработку проекта универсальной ЭВМ с хранимой программой, названной МЭСМ — малая (макетная) электронная счетная машина.
Другая плодотворная линия возникновения и развития отечественных ЭВМ связана с именем академика И. С. Брука, начавшего работы над ЭВМ в 1947 г. Его московская компьютерная школа дала импульс к развитию класса недорогих машин средней и малой мощности, выпускавшихся большими партиями во многих регионах страны. В 1948 г. И. С. Брук и Б. И. Рамеев (Москва) получили первое в стране авторское свидетельство на проект структуры ЭВМ.
До середины 50-х годов работы у нас и за рубежом велись параллельно и изолированно друг от друга. Машина МЭСМ делалась в Феофании (под Киевом) и была закончена в 1951 г., большая машина — БЭСМ — уже в Москве, в ИТМ и ВТ. Работы над БЭСМ велись С. А. Лебедевым открыто для коллег. Он делился со специалистами своими идеями и показывал им все этапы разработки БЭСМ.
Быть или не быть?
Всякое новое социально-значимое явление в жизни человеческого общества подвергается со стороны власть предержащих самой тщательной проверке и экспертизе. Так велит закон самосохранения власти. Колоссальная роль вычислительной техники для будущего — не только как новой области науки и техники, но и как принципиально нового фактора социального влияния — стала предметом пристального внимания политиков и идеологов с обеих сторон “железного занавеса”.
В начале 50-х годов в США по инициативе правительства (о чем у нас почти совсем неизвестно) была развернута общественная дискуссия на тему “Несут ли компьютеры угрозу американскому образу жизни?”. Правящие круги испытывали серьёзные опасения из-за возможного нарушения баланса на рынке труда. К экспертизе социальных последствий были подключены активно работавшие в области кибернетики ученые с мировыми именами: Дж. фон Нейман, Н. Винер, К. Шеннон и др. Вердикт всесторонней и независимой экспертизы поражает своей дальновидностью: при грамотном использовании компьютер усилит позиции общества, основанного на свободной конкуренции. Только после этого власти США дали зеленый свет свободному рыночному развитию вычислительной техники.
Этот шаг, на первый взгляд, локального (для одной страны) значения воспринимается сегодня как открытие, масштабы которого только начинают осознаваться социологами. Широкое и свободное развитие вычислительной техники с неизбежностью приводит к созидательной информационной трансформации общественного сознания в целом.
Так искали и находили ответы на вопрос “быть или не быть” власти на Западе. В нашей стране блюстители идейной чистоты, к сожалению, поспешили определить кибернетику, а вместе с ней и вычислительную технику, как “буржуазную лженауку”. Чтобы лечить “болезни” с таким диагнозом, надо было иметь гражданское мужество. В защиту вычислительной техники активно выступили академики А. И. Берг, А. А. Дородницын, С. А. Лебедев. В результате в эшелонах власти вычислительная техника получила зеленую улицу, но только для решения задач достижения военного паритета. Ревнители идей обобществления вслепую отвергли для широкого общества то огромное богатство обобществленной собственности, которое сейчас лавинообразно реализуется в среде мировых информационных ресурсов. Таковы парадоксы истории.
Достаточно долго и успешно вычислительная техника развивалась у нас в русле проблемы достижения и удержания стратегических оборонных паритетов. С. П. Королев, И. В. Курчатов, М. В. Келдыш (великий союз “трех К”) понимали, что для космоса и атомной техники нужны мощные ЭВМ и вопреки трудностям идеологического характера выступили инициаторами выпуска промышленностью серийных ЭВМ.
Первые отечественные
Компьютеростроение как отрасль промышленности возникло под покровительством Министерства радиопромышленности. В Москве было создано СКБ-245 с заводом счетно-аналитических машин (САМ) и институтом НИИcчетмаш. Все три организации возглавил М. А. Лесечко. В СКБ приступили к разработке большой ЭВМ “Стрела”, а затем и её серийному производству. Первый экземпляр “Стрелы” был создан в 1953 г. (Ю. Я. Базилевский, Б. И. Рамеев и др.). В том же 1953 г. была закончена БЭСМ.
Параллельно в 1951-1954 гг. в Москве продолжались работы по другим ЭВМ. Среди них созданные под руководством И. С. Брука малые ЭВМ М-1 (1952 г.) и М-2 (1953 г.).
Среди разработчиков первых отечественных ЭВМ были выпускники МЭИ (В. А. Мельников, В. С. Бурцев, Н. Я. Матюхин, М. А. Карцев и др.) — одного из первых вузов в Москве, освоивших подготовку кадров для компьютеростроения.
Самой производительной была лебедевская БЭСМ (быстродействие 8000 оп./с), положившая начало не только целому семейству больших ЭВМ, ставших классикой, но и одному из самых мощных и организованных в истории отечественной науки направлений, собравших ярких интеллектуалов из различных областей знаний. К сожалению, БЭСМ была выпущена лишь в одном экземпляре.
Первая малая промышленная серия ЭВМ (7 машин) была выполнена на базе “Стрелы”, которая имела меньшее быстродействие. Сегодня трудно установить, какие аргументы сработали при выборе образца для первой промышленной серии.
Мало было создать и запустить в работу ЭВМ. Надо было обучить кадры эксплуатационников и программистов. В московских вузах предстояло наладить подготовку студентов по новым специальностям, организовать новые факультеты и кафедры. Но сначала надо было разработать методику эксплуатации больших ЭВМ, их профилактику, тестирование, текущий ремонт, быстрый поиск неисправностей. А в машине более 8000 ламп, несколько десятков тысяч диодов, резисторов и других радиодеталей. Два московских академических института — ИТМ и ВТ и Институт прикладной математики (ИПМ) взяли это на себя. В ИТМ и ВТ работу возглавил ученик С. А. Лебедева, будущий академик В. А. Мельников, в ИПМ — А. Н. Мямлин. За два года в процессе эксплуатации ЭВМ была проведена огромная работа, в результате которой коэффициент суточного использования машин достиг соответственно 72 и 73%. Для обеих машин были разработаны тестовые программы, методика эксплуатации. Дальнейшую эксплуатацию можно было передавать молодым специалистам.
Итак, для решения важнейших государственных задач (атомная промышленность, расчеты ядерного взрыва, ракетно-космическая тематика) Москва обеспечила создание первых в стране промышленно выпускаемых ЭВМ, не уступавших по своим характеристикам американским.
Разработанные и построенные к 1953 г. в Москве другие ЭВМ послужили основой для создания конструкторских и научных коллективов, разработки и серийного производства ЭВМ в других городах страны (Пензе, Минске, Киеве, Казани, Ульяновске и др.).
Наращивание мощности
Европейские рекорды семьи М-20
В 1956 г. было принято решение разработать новую более производительную ЭВМ для серийного производства, используя опыт ИТМ и ВТ, СКБ-245 и ИПМ. Главным конструктором машины, получившей шифр М-20, стал С. А. Лебедев, заместителем по электронной части — М. К. Сулим (из СКБ-245) и заместителем по системе команд и программному обеспечению М. Р. Шура-Бура (из ИПМ).
В 1958 г. машину передали в серийное производство на заводы в Москве (завод САМ) и в Казани. По быстродействию (20 тыс. оп./с) она была передовой в Европе. Благодаря широкому применению купроксных диодов число ламп в ней по сравнению с ЭВМ “Стрела” было сокращено примерно в пять раз, что повысило ее надежность, уменьшило габариты и энергопотребление. В одном машинном цикле были совмещены работа арифметического устройства и выборка следующей команды.
Машинами М-20 оснастили все крупные вычислительные центры институтов Академии наук и оборонных ведомств.
Коллектив С. А. Лебедева совмещал работы по созданию ЭВМ общего и чисто военного применения. Им была разработана многомашинная компьютерная система управления противоракетным (ПРО) комплексом, для которого были построены две специализированные ЭВМ М-40 (40 тыс. оп./с) и М-50. На этих машинах рассчитывалась точка встречи ракеты и противоракеты, давались команды на пуск и управление противоракетой. В системе были задействованы также специализированные ЭВМ, связанные с радиолокаторами дальнего обнаружения и точного наведения. Осуществлялась передача данных между ними и решающими ЭВМ. Фактически это был первый вычислительный комплекс для обработки информации и управления в реальном времени.
Руководителями работ по созданию описанного вычислительного комплекса для ПРО были В. С. Бурцев (аппаратура ЭВМ), Л. Н. Королев (программное обеспечение).
Для более широкого применения в Москве были созданы ЭВМ второго поколения с системой команд М-20 — ЭВМ М-220 (Главный конструктор В. С. Антонов) и М-222.
Восточный экспресс набирает скорость
Для решения задач ядерных и аэродинамических расчетов требовалось увеличить время бесперебойной работы ЭВМ. Обычным способом предупреждения потери результатов счета было разбиение программы на участки, фиксация результатов счета в конце участка и повторение счета. Если результаты двух просчетов совпадали, то программа переходила к следующему участку счета, если нет, счет участка повторялся. При такой организации время на решение задачи значительно увеличивалось.
В ИПМ А. Н. Мямлин, исследуя статистику сбоев в “Стреле” на “длинных задачах”, пришел к выводу, что можно ввести схемный контроль в наиболее слабых участках ЭВМ. Он решил создать ЭВМ со схемным контролем работы арифметического и запоминающего устройств. Эта работа потребовала от него не только знаний конструктора-архитектора, но и глубокой математической подготовки. Такая задача была им решена. На весь контроль было затрачено меньше оборудования, чем на полное дублирование устройства для параллельного счета.
Важным новым достижением стала разработка магнитных барабанов с головками, “плавающими” в пограничном слое воздуха с минимальным зазором от поверхности барабана, но без опасности касания, что привело к увеличению емкости и скорости работы запоминающего устройства (ЗУ) на магнитном барабане.
Эти и другие свои изобретения А. Н. Мямлин применил в ЭВМ “Восток”. Фактическое быстродействие “Востока” было свыше 100 тыс. оп./с.
Частичные сведения о “Востоке” были опубликованы в 1963 г. Интересно, что американцы, очень внимательно изучающие сведения о наших средствах ВТ, заметили эту информацию. Так как название ЭВМ в ней не приводилось, они ее окрестили “машина Мямлина”, рассчитали производительность довольно точно и написали, что у русских есть ЭВМ класса IBM 7094 — на тот период одной из лучших серийных американских ЭВМ. “Восток” уверенно проработал в ИПМ до 1966 г., пока не появилась БЭСМ-6.
Весна — время новых начинаний
В 1964 г. был сделан еще один значимый шаг в компьютеростроении — создана вычислительно-информационная система “Весна” на полупроводниковой элементной базе. Вычислительный блок этой ЭВМ имел быстродействие около 250 тыс. оп./с с 48-разрядными числами с плавающей запятой. Машина имела широкий набор операций над числами разнообразной структуры (с плавающей запятой, с фиксированной запятой, с двойной точностью) и, как у современных компьютеров, широко развитую иерархию запоминающих устройств. На самом “горячем” уровне вычислений (рядом с арифметическим устройством) были 32 быстрых регистра, далее — малая оперативная память емкостью 1024 числа с циклом обращения 1 мкс, еще далее — большое ЗУ с циклом 10 мкс, состоящее из четырех блоков, работающих с расслоением, т. е. чередованием адресов по блокам. И, наконец, внешние ЗУ состояли из 32 накопителей на магнитных лентах и 8 магнитных барабанов. И, что совсем по-современному, был предусмотрен ввод-вывод данных с телеграфных и телефонных линий, который работал параллельно с обработкой данных.
Основными разработчиками ЭВМ “Весна” были В. С. Полин, В. К. Левин (в настоящее время член-корреспондент РАН), М. Р. Шура-Бура и др.
“Весна” применялась в таких сферах, где требуется обработка и хранение больших объемов данных, в частности в Гидрометеоцентре.
Первый серийный миллионник
БЭСМ-6 — не только гранд отечественного, но и классика мирового компьютеростроения. Изредка случается, что выпускаются новые изделия, в которых сразу и успешно внедрены многие революционные технические идеи. Такие машины, морально не устаревая, живут два-три нормальных жизненных срока, а их авторы становятся во главе научных школ, их имена делаются нарицательными. К ним безусловно относится имя С. А. Лебедева.
Разработанная в ИТМ и ВТ и выпущенная в 1966 г. БЭСМ-6, главным конструктором которой был С. А. Лебедев, руководителями разработки аппаратуры и программного обеспечения были В. А. Мельников (впоследствии академик), А. А. Соколов и Л. Н. Королев (впоследствии член-корреспондент РАН), была в то время среди универсальных ЭВМ одной из самых высокопроизводительных в мире.
В БЭСМ-6 были реализованы новые архитектурные и схемотехнические решения, многие из которых можно увидеть в появившихся потом машинах третьего поколения. Она построена на элементной базе транзисторных переключателей тока и диодно-резистивной комбинационной логике и ферритовой памяти (затем ферритовую память заменили памятью на интегральных схемах).
Конвейерный принцип организации управления (“водопроводный”, как называл его С. А. Лебедев) позволял совмещать выполнение до восьми машинных команд, находящихся на разных стадиях выполнения. При этом работа модулей оперативной памяти, устройства управления и арифметико-логического устройства осуществлялась параллельно и асинхронно, благодаря наличию буферных устройств промежуточного хранения данных. Ассоциативная память на сверхбыстрых регистрах позволяла производить локальную автоматическую оптимизацию использования ее регистров в динамике счета и тем самым сократить число обращений к оперативной памяти. “Расслоение” оперативной памяти обеспечивало возможность одновременного обращения к разным ее модулям.
В БЭСМ-6 были предусмотрены мультипрограммный режим работы, страничная организация памяти с аппаратным преобразованием математических (виртуальных) адресов в физические адреса и возможность динамического распределения памяти в процессе вычислений средствами операционной системы, аппаратные механизмы защиты памяти для команд и операндов, развитая система прерываний. Для ускорения выполнения команд имелась отдельная регистровая память хранения индексов, отдельный модуль адресной арифметики, ускоренные алгоритмы умножения и деления.
БЭСМ-6 за счет многочисленных нововведений архитектурного плана при основной тактовой частоте 10 МГц выполняла в среднем 1 млн. операций в секунду над 48-разрядными операндами.
БЭСМ-6 серийно выпускалась Московским заводом САМ (директор В. С. Петров). С 1967 г. в течение 17 лет было изготовлено около 400 машин, ими были оснащены основные вычислительные центры страны.
Разработка БЭСМ-6, составившей целую эпоху в отечественном вычислительном машиностроении, являлась ярким примером свойственного школе С. А. Лебедева творческого подхода к созданию ЭВМ, учитывающего все возможности, предоставляемые технической базой, математическим моделированием структурных решений, а также возможности производства для достижения наилучших характеристик машины.
Активными участниками разработки БЭСМ-6 были также Л. А. Зак, В. Н. Лаут, В. И. Смирнов, А. Н. Томилин, М. В. Тяпкин.
В дальнейшем была создана совместимая с БЭСМ-6 новая машина — “Эльбрус Б”, на порядок более быстрая, чем БЭСМ-6. Машинное слово ее могло быть 48-разрядным, как на БЭСМ-6, и 64-разрядным, как у большинства супер-ЭВМ. В этом случае за счет более длинного адреса существенно увеличивалось адресное пространство оперативной памяти, как физической, так и виртуальной.
В 1971-1973 гг. с использованием БЭСМ-6 был создан многомашинный вычислительный комплекс АС-6 с разделяемой памятью и функциональной ориентацией вычислительных модулей, сопрягаемых высокоскоростным каналом. В центральных процессорах АС-6 имелись средства аппаратной поддержки и взаимодействия программных процессов, обеспечивающие защиту и динамическую загрузку программ. В комплекс входили также машины БЭСМ-6 и специализированные периферийные машины ввода-вывода данных.
На базе комплекса АС-6 была реализована идея создания конвейера нескольких ЭВМ, одновременно выполняющих последовательные стадии обработки поступающих порций информации.
С 1973 г. в течение более 15 лет АС-6 использовался в центрах управления полетами космических аппаратов для обработки информации о полетах в реальном времени. В 1975 г. комплекс АС-6 был применен для обработки информации при совместном полете космических кораблей “Союз”-“Апполон”.
Руководителями разработки АС-6 и его программного обеспечения были В. А. Мельников, А. А. Соколов, В. П. Иванников, Л. Н. Королев.
Рождение вычислительных наук
Между открытием или эпохальным изобретением и широким внедрением в жизнь его результатов в начале века проходило несколько десятилетий. Например, между открытием С. А. Чаплыгиным эффекта сверхзвуковых течений газа и полетом первого серийного сверхзвукового самолета (Миг-17) прошло 48 лет (1902-1950 г.г.). Первые серийные ЭВМ были созданы на стыке нескольких наук: импульсной электроники, вычислительной математики, математической логики, точной механики, электротехники и т. д. всего лишь через 6-8 лет!
ЭВМ была способна выполнять в секунду несколько тысяч простейших операций. Нужно было свести решение задач к последовательности выполнения таких операций, названной “программой”. Появилось новая наука — программирование. Управлять ЭВМ, делающей тысячи операций в секунду, вручную нельзя, так как человек может выполнить одно управляющее действие в лучшем случае за несколько секунд. Следовательно, сама работа ЭВМ (загрузка программы, пуск ее, контроль правильности работы ЭВМ, смена программы и т. п.) должна также управляться программой.
Поэтому возникли два направления в программировании: 1) составление программ для решения задач на ЭВМ — прикладное программирование; 2) составление программ управления работой ЭВМ и автоматизации программирования — системное программирование.
Научное проектирование самой ЭВМ превратилось в самостоятельную науку — разработку архитектуры ЭВМ. Новым научным направлением стала также микроэлектроника и элементная база ЭВМ.
Появление ко второй половине 60-х годов ЭВМ с аппаратной поддержкой многозадачности и управления параллельной работой своих устройств стимулировали создание для этих ЭВМ операционных (управляющих) программных систем (ОС).
Первые в стране ОС, а в дальнейшем все более совершенные операционные системы для интенсивно развивающихся вычислительных комплексов были созданы в организациях Москвы, сосредоточивших в себе высокий научный и конструкторский потенциал — ИТМ и ВТ и ИПМ Академии наук. Выдающиеся ученые XX века академики Сергей Алексеевич Лебедев и Мстислав Всеволодович Келдыш, имена которых в настоящее время носят эти институты, активно способствовали развитию работ по операционным системам ЭВМ. В ИТМ и ВТ группу пионеров — создателей ОС возглавил Л. Н. Королев, в ИПМ — М. Р. Шура-Бура.
Были созданы многозадачные ОС для больших ЭВМ БЭСМ-6 и “Весна”. Созданные ОС обеспечивали выполнение параллельных процессов обработки информации и их иерархическую организацию, интерактивный режим работы коллектива пользователей ЭВМ и работу ЭВМ в режиме обработки информации в реальном времени.
В 70-х годах под руководством Л. Н. Королева и В. П. Иванникова впервые была создана распределенная ОС многомашинного комплекса, обеспечивающая сетевое взаимодействие вычислительных процессов в ЭВМ комплекса, а также с процессами в глобальных сетях ЭВМ и использование внешних устройств всех ЭВМ в любых вычислительных процессах, выполняющихся в комплексе.
Все эти разработки, в особенности для ЭВМ БЭСМ-6, которая более десяти лет оставалась самой высокопроизводительной машиной в стране, и для многомашинного вычислительного комплекса реального времени АС-6, обеспечившего развитую обработку информации в центрах управления космическими полетами, во многом определили дальнейшие направления и характер работ в отечественном системном программировании. За время эксплуатации нескольких сотен БЭСМ-6 была накоплена уникальная библиотека программ, которая стала беспрецедентным интеллектуальным богатством страны.
В период 60-70-х годов в Москве были получены важные результаты и в области автоматизации программирования: созданы первые трансляторы с алгоритмических языков высокого уровня, использовавшиеся для трансляции программ производственного назначения, разработаны интегрированные многоязыковые системы программирования.
В этой области особая заслуга принадлежит коллективам системных программистов ИПМ (руководители — М. Р. Шура-Бура, Э. З. Любимский) и Вычислительного центра Академии наук (В. М. Курочкин, А. И. Срагович), а также МГУ им. Ломоносова (Н. П. Трифонов, Е. П. Жоголев). Работы в области системного программирования в Вычислительном центре активно поддерживались директором Центра академиком Анатолием Алексеевичем Дородницыным и член-корр. РАН С. С. Лавровым — одним из основных разработчиков первых трансляторов для ЭВМ.
Следует особо отметить, что описанные работы в области системного программирования во многом базировались на теории схем программ, созданной выдающимся московским математиком Алексеем Андреевичем Ляпуновым, которого справедливо называют основателем всей области программирования для ЭВМ. Неоценимый вклад в развитие теоретического программирования и создание систем автоматизации программирования был внесен А. П. Ершовым, возглавившим затем программирование в Сибирском отделении Академии наук.
Для разработки ЭВМ и программ для них требовались квалифицированные кадры. Ведущие московские вузы (МГУ, МЭИ, МВТУ, МАИ) и созданный в послевоенное время Московский физико-технический институт под руководством ректора академика О. М. Белоцерковского (МИФИ) организовали у себя факультеты и кафедры, выпускавшие специалистов по тематике, необходимой для развития вычислительной техники.
В ряде московских вузов с 60-х годов развивалась активная подготовка кадров по специальности “Прикладная математика”, включавшей и область программирования. Большое значение имело создание в 1970 г. факультета вычислительной математики и кибернетики МГУ, которым руководил академик Андрей Николаевич Тихонов. Специализированными в области системного программирования кафедрами руководили Л. Н. Королев, Н. П. Трифонов, М. Р. Шура-Бура.
Был создан журнал “Программирование” (главными редакторами журнала были Н. П. Бусленко, Н. Н. Говорун; в настоящее время им является В. П. Иванников).
Московскими учеными написан ряд книг по ЭВМ, программированию, математическому и программному обеспечению ЭВМ и вычислительных комплексов (“Решение математических задач на автоматических цифровых машинах. Программирование для быстродействующих электронных счетных машин” Л. А. Люстерника, А. А. Абрамова, В. И. Шестакова, М. Р. Шуры-Буры — первая монография по программированию; “Электронные цифровые машины” А. И. Китова; “Курс программирования” Е. А. Жоголева и Н. П. Трифонова; “Структуры ЭВМ и их математическое обеспечение” Л. Н. Королева; “Архитектура цифровых вычислительных машин” М. А. Карцева; “Архитектура вычислительных систем” А. Д. Смирнова; учебник “Программирование” Э. З. Любимского, Н. П. Трифонова и В. В. Мартынюка; “Электронные вычислительные машины и системы” Б. М. Кагана и др.).
В 1984 г. по инициативе вице-президента Академии наук академика Е. П. Велихова было образовано Отделение информатики, вычислительной техники и автоматизации Академии наук — ОИВТА (академики-секретари Е. П. Велихов, затем С. В. Емельянов), объединившее ряд соответствующих институтов Академии. В последнее десятилетие организованы новые институты ОИВТА: автоматизации проектирования (директор — академик О. М. Белоцерковский), научный центр по фундаментальным проблемам вычислительной техники и систем управления (академик К. А. Валиев), системных исследований (В. Б. Бетелин), математического моделирования (академик А. А. Самарский), вычислительной математики (академик Г. И. Марчук).
В последние годы созданы Институт высокопроизводительных вычислительных систем (академик В. С. Бурцев), Институт системного программирования (член-корр. РАН — В. П. Иванников).
Компьютерные ряды
На перепутье
В середине 60-х годов успехи в разработке и выпуске ЭВМ разных классов привели к накоплению огромного количественного разнообразия технических решений. Но из-за отсутствия единой общегосударственной технической политики в развитии средств вычислительной техники в стране выпускались десятки ЭВМ, не стыковавшихся по системам команд, структуре данных, плохо обеспеченных периферийным оборудованием.
В таких условиях дальнейший прогресс компьютеростроения стал невозможным. Законы типового индустриального развития потребовали передачи работы в руки производственников-серийщиков. В этой сфере в дополнение к научно-техническим нормам неукоснительно (явно или неявно) действуют законы рынка. Отношения производитель-товар-потребитель уводили разработчиков далеко от научных лабораторий. Таковы были предпосылки перехода к третьему поколению ЭВМ.
К середине 60-х годов в проектировании и выпуске больших ЭВМ для научных расчетов и оборонной тематики дела все еще обстояло благополучно. В этой области мы по прежнему были “впереди Европы всей”. В то же время в США был сделан новый рывок — освоен серийный выпуск супер-ЭВМ того времени CDC-6600, на базе этих ЭВМ созданы первые сети коллективного пользования, фирма IBM заняла монопольное положение в мире, захватив около 70% рынка ЭВМ. IBM выпустила семейство ЭВМ 360, состоящее из семи моделей, программно совместимых снизу вверх, управляемых общей ОС и обладающих стандартным внешним интерфейсом. Хотя в нашей стране на год раньше подобную идею провел Б. И. Рамеев на семействе ЭВМ “Урал”, но по объему задействованных средств это было соревнованием “людоедки” Эллочки с миллиардершей Вандербильдшей“. Вдобавок Госплан отказывался планировать средства на развитие программного обеспечения ЭВМ, считая это делом не более серьезным, чем считать товаром “мертвые души”.
ЕС-ЭВМ. Плоды кооперации
Во главе работ по осуществлению программы перехода к индустриальному компьютеростроению был поставлен главк Министерства радиопромышленности во главе с М. К. Сулимом. Но только один главк вряд ли мог организовать революционные преобразования промышленности ЭВМ, распыленной по всей стране. Призыв к директорам заводов и конструкторских бюро объединяться остался гласом вопиющего в пустыне.
Целесообразно было бы создание нового ряда машин вести в содружестве с передовыми инофирмами, но фирмы США оказались для нас закрыты вследствие политики “холодной” войны. Объединению с Францией на государственном уровне помешала отставка президента де Голля в мае 1967 г. В результате было принято решение создавать ряд своими силами, приняв за прототип (в части архитектуры и конструктивов) наиболее широко распространенную американскую систему IBM 360.
Работу возглавил созданный целевым назначением московский Научно-исследовательский центр электронной вычислительной техники (НИЦЭВТ). Директором его был назначен С. А. Крутовских, главным инженером — конструктор “Весны” В. К. Левин, заместителем по программному обеспечению главный конструктор Пензенского КБ и НИИ Б. И. Рамеев (в дальнейшем руководство НИЦЭВТом осуществлялось А. М. Ларионовым, затем В. В. Пржиялковским). Было решено также построить несколько новых заводов по производству ЭВМ. Москва стала ядром и мозгом широкомасштабной акции. На этом этапе было решено организовать кооперацию в рамках стран соцлагеря. Каждая страна получала часть работ из длинного списка разнородной номенклатуры изделий. Это создавало определенные преимущества, хотя при таком разрастании количества организационных стыков, да к тому же разнесенных по разным странам, добиться управляемости и надежности производственных цепочек разработки и изготовления сложнейших изделий было непросто.
Генеральным заказчиком машин ряда под названием Единой системы ЭВМ (ЕС ЭВМ) становилось Министерство обороны. За НИЦЭВТ закреплялись разработки старших, самых дорогих и мощных моделей системы.
До сих пор “ломаются копья” по поводу правильности копирования в ЕС ЭВМ решений, принятых в IBM 360. С этого ли началось отставание развития ЭВМ у нас от Запада, в первую очередь в США? Нет, не с этого! Уже в первых машинах Единой Системы удалось применить твердотельные (монолитные) интегральные схемы, в то время как машины фирмы IBM выпускались еще на гибридных элементах. Большую роль в этом сыграл академик К. А. Валиев — в сфере электронной промышленности, а в НИЦЭВТе — Б. Н. Файзулаев, возглавлявший до этого разработку транзисторно-диодной схемотехники ЭВМ “Весна”.
Прогрессивными чертами ЕС ЭВМ стали также аппаратная совместимость различных моделей ЭВМ, единая элементная и конструктивная базы, большой набор периферийных устройств, программная совместимость ЭВМ снизу-вверх, наличие развитого базового программного обеспечения.
Начальная из старших моделей — ЕС-1050 (Антонов В. С.) — была пущена в серию в 1973 г. Она представляла собой стационарную ЭВМ общего назначения, предназначенную для использования в крупных вычислительных центрах.
ЭВМ ЕС-1060, ЕС-1061 (В. С. Антонов, Ю. Ф. Ломов) включали в себя дополнительные средства, повышающие эффективность системного применения ЭВМ: виртуальную память, расширенный набор команд, расширенную систему прерываний, расширенную диагностику.
В то же время следует отметить, что в этот период темпы развития вычислительной техники за рубежом стали возрастать более стремительно по сравнению с прогрессом отечественной вычислительной техники. Сказались социальные причины. Зацентрализованная плановая экономика не смогла оперативно охватить весь спектр разнообразных гражданских областей применения, которые породили на Западе новые стимулы к самостоятельному и независимому от государства развитию массовой компьютерной индустрии. Именно в условиях опережающего спроса на гражданские сферы применения потребовались новые технологии для массового производства недорогих и надежных компьютеров, доступных обычному потребителю. Использование сверхчистых материалов, интенсивное создание чистых производств явились также основой создания за рубежом все более быстродействующих супер-ЭВМ. Так были заложены основы грандиозной компьютерной революции.
Выпуск старших моделей ЕС ЭВМ явно запоздал. Так ЕС-1065 (Плюснин В. У.) была разработана лишь в 1984 г.
Центральный процессор ЭВМ ЕС-1065 состоит из нескольких функционально и конструктивно независимых оперативных устройств и устройств управления памятью. Аппаратные и программные средства позволяют производить реконфигурацию ЭВМ при отказе функциональных модулей. Однако в серию эта машина не пошла.
ЭВМ ЕС-1066 (Ю. Ф. Ломов) была разработана в 1987 г. и являлась самой высокопроизводительной из существующих ЭВМ “Ряд-3”. Сочетание высокой производительности, большой емкости оперативной памяти и высокой пропускной способности системы ввода-вывода с возможностью подключения большого набора периферийных устройств из номенклатуры ЕС ЭВМ и наличие эффективной операционной системы позволяли строить на базе ЭВМ ЕС-1066 мощные вычислительные системы самого различного назначения.
Особого внимания заслуживает экспериментальная “вышедшая вон из Ряда” ЕС-2704 (В. А. Торгашев, В. У. Плюснин), не связанная с американской родословной. Это оригинальный мультипроцессор с динамической архитектурой и массовым параллелизмом. Основа необычной архитектуры — адаптивная сеть вычислительных модулей с полностью децентрализованным управлением. Внутренняя аппаратно поддержанная распределенная ОС обеспечивает динамическое управление ресурсами в ходе решения задач, подготовленных для выполнения в сети процессоров, высокую степень распараллеливания и сверхвысокую живучесть вычислений. Яркие архитектурные и языковые идеи, заложенные в эту систему, имеют фундаментальный характер и найдут своё продолжение в развитии ВТ.
Система ЕС-2704 имела следующий состав: число вычислительных модулей — 24, коммутационных процессоров — 12; процессоров ввода-вывода — 6.
Кроме стационарных ЭВМ ЕС в НИЦЭВТ разрабатывались также бортовые ЦВМ серий ЕА 2165 и ЕА 2166, предназначенные для организации рабочих мест операторов в стационарных и подвижных автоматизированных системах управления, а также для управления объектами в реальном масштабе времени, на вездеходных колесных и гусеничных шасси и в аппаратуре для авиационного применения.
В рамках программы ЕС ЭВМ было выпущено около 10 моделей совместимых ЭВМ различной производительности и стоимости, более 10 версий ОС, сотни пакетов прикладных программ.
Система малых ЭВМ
Идея разработки более простой и дешевой — малой ЭВМ возникла у И. С. Брука еще в начале 50-х годов. В 1953 г. во ВНИЭМ была создана первая опытная малая ЭВМ М-1.
Если школа С. А. Лебедева складывалась в направлении ЭВМ максимальной производительности, достижимой для каждого поколения технической базы, то школа И. С. Брука изначально ориентировалась на класс малых и средних ЭВМ, для которых весьма существенным были показатель цена/производительность и сбалансированный компромисс характеристик.
Первым решением задачи создания малых ЭВМ была разработка ЭВМ М-3, проведенная в 1956 г. Лабораторией управляющих машин и систем Академии наук (преобразованной в 1958 году в ИНЭУМ) и ВНИЭМ. М-3 работала с 30-разрядными двоичными числами с фиксированной запятой, имела двухадресный формат команд, память емкостью 2048 чисел на магнитном барабане и производительность 30 оп./с. При работе с ферритовой памятью той же емкости производительность М-3 составляла 1,5 тыс. оп./с. Машина была настолько проста в изготовлении и эксплуатации, что ряд организаций смогли самостоятельно изготовить и наладить ее по документации, выпущенной ВНИЭМ.
Техническая документация на М-3 была передана Минскому заводу для выпуска малой серии (в 1959 г. на ее базе была изготовлена малая ЭВМ Минск-1), академиям наук Китая и Венгрии.
Таким образом, М-3 послужила прототипом для двух промышленных серий ЭВМ: “Минск” — в Белоруссии и “Раздан” — в Армении. Управляющие машины разработки ВНИЭМ также имели своей прародительницей М-3. Во ВНИЭМе в начале 60-х сконструированы управляющие ЭВМ ВНИЭМ-1 и ВНИЭМ-2 (Б. М. Каган). Они были надежными и предназначались для управления агрегатами ГЭС.
В 1956-1957 гг. И. С. Брук занялся решением научной проблемы разработки теории, принципов построения и применения электронных управляющих машин. При этом требовалось систематизировать основные направления в области автоматизации производства и управления объектами с помощью цифровых электронных машин и создания систем управления, включающих в качестве звена системы человека-оператора, взаимодействующего с машиной. По содержанию эта проблема была направлена на развитие исследований и разработок в области кибернетики (как потом стали говорить — технической кибернетики) и явилась толчком к организации в стране в конце 50-х годов ряда научно-исследовательских институтов и конструкторских бюро, прежде всего в оборонных отраслях промышленности, для решения задач управления военными объектами. В то время они создавали в основном специализированные управляющие машины из-за ограниченных возможностей технической базы машин первого поколения. Одной из таких разработок была ЭВМ “Тетива” (Н. Я. Матюхин), построенная на принципе микропрограммного управления. Она использовалась в аппаратуре систем ПВО страны.
В традициях школы малых ЭВМ Н. П. Брусенцовым была выполнена разработка ЭВМ “Сетунь”, выпускавшейся серийно Казанским заводом ЭВМ с 1959 г. Машина “Сетунь” интересна тем, что она реализовала троичную систему счисления. Интересен также опыт программирования на “Сетуни”, который дал еще в то время представление о подходах к структурному программированию и диалоговому режиму работы.
Разработка малых управляющих машин продолжалась в Киеве, Северодонецке, Ленинграде, в Армении.
Вступивший на должность директора ИНЭУМа Б. Н. Наумов решил провести в сфере малых ЭВМ те же преобразования, которые были осуществлены НИЦЭВТ в области средних и больших ЭВМ. Ряд малых машин — СМ ЭВМ разрабатывался с учетом опыта наиболее известных зарубежных машин и начался с М-400, программно совместимой с PDP-11 фирмы DEC. В 1977-1978 гг. были созданы серийные машины СМ-3 и СМ-4, совместимые с М-400.
В 1979-1987 гг. на базе СМ-3, СМ-4 и их модификаций были созданы многомашинные комплексы, СМ-1700, успешно применявшиеся в АСУ, АСУ ТП, в управлении сложными экспериментальными установками.
Сферы деятельности
С появлением таких ЭВМ, как БЭСМ-6 с графической периферией, в 70-х годах в машиностроении начала интенсивно развиваться система автоматизации проектирования сложных инженерных объектов (САПР-М). Наиболее быстро методы САПР стали разрабатываться и внедряться в авиастроении.
Вскоре весь сквозной процесс создания летательного аппарата проводился с использованием ЭВМ: формирование оптимального облика самолета с использованием математического моделирования его поверхности, численный расчет аэродинамических характеристик самолета и программирование работы станков для изготовления деталей летательных аппаратов. В создании самолета участвуют НИИ различного профиля, КБ, заводы. В каждой из этих организаций накапливается база данных и в процессе проектирования идет интенсивный обмен ими по информационно-вычислительным сетям.
Накапливается и корректируется программное обеспечение. Система управления самолетом и динамика его полета моделируются на пилотажных стендах, управляемых ЭВМ. Показателем достижений использования вычислительной техники служит беспилотный космический полет системы “Энергия”-“Буран” с автоматической посадкой “Бурана”.
Для изготовления деталей на станках с программным управлением в ЦАГИ и НИАТ разработаны язык программирования и программирующая программа, создающая управляющие программы для станков с ЧПУ. В 1983 г эта система АПТ-ЕС была внедрена в машиностроительных ведомствах оборонного комплекса (В. Ф. Соколов, Н. Г. Буньков, А. Д. Смирнов, А. Н. Левченко).
Моделирование атмосферы
Примером большой программы в этой области может служить программа “Ядерная зима” для БЭСМ-6, в которой моделировался климатический эффект ядерной войны. Эта программа была разработана в ВЦ Академии наук академиком Моисеевым Н. Н. и Александровым В. А. Проведенные с ее помощью исследования способствовали заключению соглашений ОСВ-1 и ОСВ-2.
Компьютер проектирует компьютеры
С начала 60-х годов важную роль во всем процессе разработки и производства самой вычислительной техники стали играть системы автоматизированного проектирования (САПР), создаваемые ИТМ и ВТ им. С. А. Лебедева. Начав в 1963 г. с решения на ЭВМ задач технического проектирования — раскладки печатных плат и выдачи управляющей информации для координатографов и других станков с программным управлением — институт в дальнейшем к 1970 г. решал задачи комплексной автоматизации с ведением на ЭВМ всего архива текущей разработки и выдачей как текстовых документов, так и перфо- и магнитных носителей для непосредственного управления технологическими линиями на заводах-изготовителях.
В последующие годы эта система, разработанная под руководством Г. Г. Рябова (ныне директор ИТМ и ВТ и член-корреспондент РАН) еще со времени создания БЭСМ-6, была расширена включением подсистемы автоматизированного проектирования матричных БИС, что позволило в Зеленоградском центре изготовлять десятки и даже сотни типов сверхбыстродействующих БИС.
Первый компьютерный шахматный чемпион имел московскую прописку
Большие логические возможности компьютера использовались и для проектирования сложных задач искусственного интеллекта. Так программа КАИССА, созданная Г. М. Адельсоном-Вельским, В. Л. Арлазаровым, М. В. Донским в 1974 г. (Институт проблем управления) вошла в мировую компьютерную историю как первый компьютерный чемпион мира по шахматам. Эта работа имела большой резонанс в мире. Была с успехом использована одна из немногих доступных отечественным школам программирования возможностей продемонстрировать для международной общественности свой потенциал.
Развитие элементной базы ЭВМ
История российской микроэлектроники началась в 60-х годах решением правительства страны создать в городе-спутнике Москвы Зеленограде научный центр, основной задачей которого стало развитие микроэлектронной технологии, разработка и производство на ее базе интегральных схем как элементной базы нового поколения вычислительной техники и радиоэлектронной аппаратуры. Почти одновременно были образованы институты: материаловедения с заводом “Элма” — для разработки и производства комплекса материалов для микроэлектронной технологии; точного машиностроения с заводом “Элион” — для разработки и производства технологического и измерительного оборудования; точной технологии с заводом “Ангстрем” — для производства гибридных схем; молекулярной электроники с заводом “Микрон” — для производства монолитных кремниевых интегральных схем; микроприборов с заводом “Компонент” — для производства микроэлектронной аппаратуры; физических проблем — для перспективных исследований в области микроэлектронной технологии и приборов; специализированный вычислительный центр с задачей разработки опытных образцов высокопроизводительных ЭВМ. Комплекс микроэлектронных предприятий замкнуло Центральное бюро применения интегральных микросхем.
Первой задачей Центра было привлечение научных сотрудников, способных понять всю совокупность проблем микроэлектроники — от создания материалов и оборудования до разработки и производства микросхем и микроэлектронной аппаратуры. Основной костяк кадров новых институтов и заводов был создан путем привлечения прежде всего “бесквартирной” молодежи из институтов Академии наук, московских вузов, предприятий полупроводниковой промышленности, из НИИ “Гиредмет” и московских предприятий машиностроения. Быстрым темпом велось городское (жилищное) и промышленное строительство. Развитие города Зеленограда и Научного Центра было постоянной заботой государственных органов, руководства города Москвы. Результаты не замедлили сказаться: уже в 1965-1967 гг. был организован выпуск первых серий интегральных схем, создано производство технологического оборудования, материалов и вся необходимая инфраструктура. Отечественная микроэлектроника в 60-80-х годах развивалась быстрыми темпами, обеспечивала ежегодный прирост производства в 20-30%. Она обеспечила элементную базу для разработок и производства важнейших оборонных и промышленных систем, таких как системы противоракетной (ПРО) и противовоздушной обороны (система С-300), систем ЭВМ СМ и ЕС, систем промышленной автоматики и связи.
Следует еще раз подчеркнуть роль академика К. А. Валиева в становлении отечественной микроэлектроники.
В нелегких современных условиях предприятия Зеленограда сохранили научно-технический потенциал и нашли свои ниши на мировом рынке микроэлектронных изделий. В отсутствие заказов для ЭВМ проектируются БИСы для бытовых приборов по заказам зарубежных производителей бытовой электронной техники.
Прорыв в многопроцессорные измерения
Принципы универсальных машинных вычислений (по фон Нейману) легли в основу компьютеров первых поколений. На их базе работает большая часть нынешних компьютеров. Но эти аксиомы существенно ограничивают способы реализации машинного счета. Они диктуют последовательную (команда за командой) реализацию. Такое ограничение сильно сужает разнообразие архитектурных решений и лишает их перспектив неограниченного наращивания производительности за счет увеличения числа одновременно работающих над одной задачей процессоров.
Искусство творения компьютеров имеет свои вершины мастерства. Многопроцессорные высокопараллельные архитектуры, выходя за пределы юрисдикции классической модели последовательного счета, требуют от своих создателей нестандартного, многомерного, но очень здравого мышления. В этой области компьютеростроения архитектурных тайн и сегодня остается значительно больше, чем найдено решений. И тем ценнее достижения, прошедшие проверку практикой. Через положительный опыт открывается путь к новейшим многокомпонентным архитектурам.
ПС-2000 — многопроцессорный первенец гражданского компьютеростроения
Создание вычислительных систем для эффективной обработки массовой информации, к середине 70-х годов стало важной народнохозяйственной задачей. Такие системы были необходимы для обработки массовой геофизической информации, изображений в реальном времени, поступающих со спутников Земли в интересах сельского хозяйства, поиска полезных ископаемых, картографии, метеорологии и т. п. Еще более мощные системы требовались при обработке акустической и радиолокационной информации. Особенностью таких задач является то, что они хорошо описываются параллельными алгоритмами, а исходные потоки данных имеют ограниченную разрядность, что позволяет значительно ускорить выполнение всех операций.
Многие из этих задач не удавалось решать на имеющихся ЭВМ третьего поколения из-за недостаточной производительности. Только для полномасштабной обработки данных сейсморазведки в геофизике, суммарная вычислительная мощность парка ЭВМ должна была составлять 10-100 млрд. оп./с, т. е. в сотни и тысячи раз больше по сравнению с имевшейся. Приращение производительности на порядки не может достигаться за счет простого наращивания количества машин.
Для решения перечисленных классов задач в 1972-1975 гг. в Москве, в Институте проблем управления (ИПУ РАН) под руководством И. В. Прангишвили была разработана структура и архитектура ПС-2000 — мультипроцессора с единым потоком команд и многими потоками данных. Его создавателям удалось найти оригинальное структурное решение, которое соединило относительную простоту управления единым потоком команд с высокой гибкостью программирования высокопараллельной обработки информации. Предложенные в ИПУ РАН структурные решения впервые сориентировали конструкторов на проектирование для таких задач высокопараллельных компьютеров с высокой производительностью в расчете на единицу стоимости. Их производительность достигла 200 млн. оп./с.
За период с 1975 по 1980 г. ИПУ РАН и НИИУВМ (В. В. Резанов) Министерства приборостроения выполнили полный комплекс ОКР по созданию системы ПС-2000.
Решающий вклад в разработку и развитие собственно мультипроцессора ПС-2000 внесли И. Л. Медведев, С. Я. Виленкин, И. И. Итенберг со своими сотрудниками.
В 1980 г. Госкомиссия приняла опытные образцы и санкционировала серийное производство ВК. Сразу восемь экземпляров ВК ПС-2000, демонстрировавшихся перед комиссией на геофизических задачах (пакет программ НПО “Геофизика”, Москва), давали суммарную производительность около 1 млрд. оп./с. Столь высокая производительность проблемно-ориентированных ВК ПС-2000 достигалась лишь на хорошо распараллеливаемых задачах, которые в то же время характерны для многих практических областей применений. При решении таких задач на комплексе ПС-2000 достигался рекордный “гражданский” показатель “производительность/стоимость”.
С 1981 по 1990 г. на предприятии Министерства приборостроения было выпущено около 200 вычислительных комплексов ПС-2000. Высокопроизводительные и недорогие вычислительные они работали в различных областях народного хозяйства во всех регионах страны и на специальных объектах.
Комплексы ПС-2000 содержат собственно мультипроцессор, мониторную подсистему и от одной до шестнадцати подсистем внешней памяти (СВП). Мультипроцессор включает в себя от 8 до 64 одинаковых процессорных элементов (основной формат слова — 24 разряда) со сравнительно небольшой рабочей частотой (около 3 МГц), обрабатывающих множество потоков данных по программам, находящимся в общем модуле управления. Мониторная подсистема на базе малой ЭВМ СМ-2М выполняет функции ОС, а также трансляцию, редактирование текстов, счет по вспомогательным программам, управление СВП и средствами отображения. При работе с физическими объектами в реальном времени возможно подключение потоков информации к мультипроцессору как через СВП, так и через специальные высокоскоростные каналы.
Областью активного использования комплексов ПС-2000 стала геофизика, которая объективно нуждалась в компьютерах этого класса. Быстрорастущие стеллажи из внушительных катушек магнитных лент (размером с большую тарелку каждая) с записями данных сейсморазведки, годами безмолвно хранивших нефтяные и газовые секреты, предопределили успех ПС-2000. Уже в 70-е годы сейсмическая разведка настолько интенсивно “просвечивала” и записывала на ленты километровые глубины недр, что за год едва удавалось расшифровывать лишь несколько процентов того, что поступало за предыдущий.
Для обработки данных сейсмической разведки месторождений нефти и газа во ВНИИ геофизики (Москва) при участии ИПУ РАН была создана система промышленной обработки геофизической информации СОС-ПС (В. М. Крейсберг). В отрасли успешно эксплуатировалось около 90 экспедиционных геофизических вычислительных комплексов ЭГВК ПС-2000, обеспечивающих углубленную обработку значительной части данных сейсморазведки на нефть и газ.
ЭГВК ПС-2000 разрабатывался в соответствии с требованиями Мингео и являлся единственным в стране проблемно-ориентированным вычислительным комплексом, полностью оснащенным всем необходимым оборудованием для обработки данных сейсморазведки. ЭГВК ПС-2000 не требовал большой площади, имел малое энергопотребление; низкие эксплуатационные расходы, обеспечивал высокую надежность при работе в условиях геофизических экспедиций. Применение ЭГВК ПС-2000 позволило Мингео отказаться от импорта дорогостоящих зарубежных вычислительных комплексов.
На базе нескольких комплексов ПС-2000 были созданы высокопроизводительные (до 1 млрд. оп./с) системы обработки гидроакустической и телеметрической информации в реальном масштабе времени. Каждая такая система содержит три-четыре ВК ПС-2000, соединенных в единый конвейер, а для быстрого ввода и вывода гидроакустической, спутниковой информации для таких систем создавались специализированные высокоскоростные каналы.
Разработка параллельных программ для ВК ПС-2000 требовала особого искусства. Эффективность использования машинных ресурсов мультипроцессора удивляла самих программистов. Ощущение прорыва в будущее испытали многие, ранее имевшие дело с прототипами программ на обычных машинах. На некоторых задачах время счета ускорялось в сотни раз.
Ныне действующий телеметрический вычислительный комплекс центра управления космическими полетами (ЦУП) имеет работающую с 1986 г. систему предварительной обработки телеметрической информации на базе ВК ПС-2000, связанную в единый комплекс с центральной системой обработки на базе многопроцессорного вычислительного комплекса “Эльбрус-2”. Первые комплексы ПС-2000 поступили в ЦУП в 1982 г., последние — в 1988 г. К одной центральной системе “Эльбрус-2” подключена пара 32-х процессорных ВК ПС-2000 для обработки восьми полных потоков телеметрии. С целью дублирования параллельно действуют два телеметрических комплекса.
Многопроцессорная вершина — “Эльбрус-2”
С течением времени возрастали требования к производительности ЭВМ. Новой высокопроизводительной ЭВМ, разработанной в ИТМ и ВТ, стала многопроцессорная система “Эльбрус-2” (прототип — машина с меньшим быстродействием “Эльбрус-1”, созданная в ИТМ и ВТ в 1977 г.). Основными разработчиками “Эльбруса-2” были В. С. Бурцев и Б. А. Бабаян, ныне академик и член-корреспондент РАН. Система “Эльбрус-2 выпускалась серийно в Сергиевом Посаде (Загорске) Московской области с 1985 г. Она имела производительность до 125 млн. оп./с над полноразрядными операндами при 10 процессорах и была в тот период самой быстрой “скалярной” машиной в стране. Оперативная память с глубоким расслоением для увеличения быстродействия была общей. Блоки оперативной памяти соединялись с любым центральным процессором (их могло быть до 10) через быстродействующий коммутатор. К этому же коммутатору подсоединялись периферийные процессоры, обслуживающие внешнюю память, периферию и линии связи.
Система команд соответствовала автокоду (фактически языку высокого уровня), что облегчало программирование. Широкое применение магазинной памяти (стеков) и другие средства аппаратной поддержки способствовали организации развитой структуризации программ и данных и ускорению обращения к ним.
Для реализации совместимости с БЭСМ-6 на уровне прикладных программ в комплексах “Эльбрус” был предусмотрен процессор “Эльбрус 1-К2” (“интегральная” БЭСМ-6).
Компьютерный страж страны
В 1962 г. в ИНЭУМ коллектив, руководимый М. А. Карцевым, завершил разработку электронной управляющей машины М-4, одной из первых в стране транзисторных машин предназначенной для управления в реальном масштабе времени экспериментальным комплексом радиолокационных станций (РЛС) наблюдения за искусственными объектами в околоземном космическом пространстве. Решение о запуске М-4 в серийное производство было принято в 1962 г., однако М. А. Карцев настоял на ее модернизации, имея в виду резкое улучшение характеристик за счет применения новой элементной базы. Загорский электромеханический завод начал производство модернизированной машины — М-4-М в 1964 г. Она имела производительность 220 тыс. оп./с на программах, записанных в постоянной памяти объемом 8-16 К слов и 110 тыс. оп./с на программах, хранящихся в оперативной памяти объемом 4-16 К слов. В М-4-М реализовалось разделение памяти программ и памяти данных. Машина включала узлы обмена информацией с РЛС, буферную память для обмена, устройства первичной обработки информации (перекодирования и определения координат обьектов). В составе вычислительных комплексов на базе М-4-М объединялись несколько десятков машин, работавших в реальном времени. М-4-М выпускалась серийно в Загорске в течение 15 лет.
Задачи наблюдения за околоземным космическим пространством, где уже в 60-х годах были сотни искусственных спутников Земли, с помощью радиолокационных станций требовали вычислительных средств с производительностью на два-три порядка большей, чем производительность имевшихся в то время ЭВМ. В связи с этими требованиями М. А. Карцев предложил в 1967 г. дерзкий по тем временам проект “Октябрь” по созданию вычислительной системы М-9. Целью проекта было достижение производительности порядка 1 млрд. оп./с. М. А. Карцевым была предложена структура системы, состоящая из нескольких крупных блоков (“связок”), объединенных мощными магистральными связями. Функциональная связка (основная вычислительная мощность М-9) представляла матрицу 32в32 элементарных вычислителей с общим потоком команд и выполнением операций над новым классом операндов — функциями одной или двух переменных, определенных в дискретных точках. На связку элементарных процессов могла накладываться “маска” разрешения операций, которая получалась в результате работы “картинной арифметики” — матрицы 32в32 логических вычислителя булевых переменных. Числовая связка М-9 предназначалась для реализации алгоритмов с меньшим параллелизмом. Это была линейка элементарных вычислителей, выполняющих по одному коду одну, две, четыре или восемь операций над парами операндов длиной 128 (или 64, 32, 16) разрядов. Эти операции могли быть с фиксированной или с плавающей запятой. Ассоциативная связка М-9 представляла собой линию вычислителей с операциями сравнения.
Проект М-9, богатый новыми в то время идеями, не был реализован в полной мере по ряду организационных и технических причин. В 1967-1970 гг. числовая связка проекта М-9 была разработана и испытана в НИИ вычислительных комплексов, созданном в 1967 г. С 1974 г. она выпускалась серийно в Загорске.
В 1973 г. в Загорске был начат выпуск высокопроизводительной векторной параллельной ЭВМ М-10 с архитектурой класса SIMD для систем предупреждения о ракетном нападении и общего наблюдения за околоземным космическим пространством. М-10 имела две подсистемы арифметических устройств, одновременно выполнявших операции над векторами. Операции задавались длинной командой с двумя кодами операций и выполнялись параллельно над компонентами вектора. Длинное командное слово сочеталось в архитектуре М-10 с сокращенным набором команд. Большинство операций выполнялось за один такт. Как видно, в архитектуре М-10 были использованы основные принципы RISC-архитектур. Распараллеливание на уровне программных модулей осуществлялось комплексированием нескольких машин М-10. Для задач, обладающих в достаточной мере естественным параллелизмом, средняя производительность М-10 превышала 5 млн. оп./с. Примером таких задач может служить численное двумерное моделирование параметрической неустойчивости плазмы, проведенное в Институте теоретической физики им. Л. Д. Ландау.
В 1986 г. Загорский завод приступил к выпуску ЭВМ М-13, многопроцессорной векторно-конвейерной ЭВМ с производительностью 12, 24, 48 млн. оп./с. в зависимости от исполнения центральной процессорной части (4, 18 или 16 процессоров) и памятью 8,5, 17 или 34 Мб. Специализированная процессорная часть М-13 обрабатывала большие массивы информации (быстрое преобразование Фурье, вычисление корреляционных функций, проверка гипотез и др.) с базовой операцией — произведение двух комплексных чисел, которая выполнялась в М-13 за один машинный такт.
Супер-машины для самых сложных задач
Супер-ЭВМ “электроника ССБИС”
В 1989 г. под руководством академика В. А. Мельникова была изготовлена и запущена в опытную эксплуатацию векторноконвейерная супер-ЭВМ “Электроника ССБИС” с архитектурой типа ЭВМ Cray разработки Института проблем кибернетики РАН и предприятий электронной промышленности. Производительность в однопроцессорном варианте — 250 млн. операций с плавающей запятой над полноразрядными операндами в секунду (250 Мфлопс). Революционная роль в отечественной электронной промышленности, принадлежащая системе “Электроника ССБИС”, связана с освоением для ее разработки и производства в промышленности первых больших интегральных схем на матричных кристаллах.
Новое эффективное решение в системе “Электроника ССБИС” — организация передачи данных между массовой интегральной памятью и оперативной памятью под управлением специализированного процессора, реализующего произвольные методы доступа. Основными руководителями разработки были В. А. Мельников, Ю. И. Митропольский, В. З. Шнитман, В. П. Иванников.
К сожалению, в связи с прекратившемся финансированием работ другие экземпляры системы “Электроника ССБИС”, выпущенные на заводе “Кварц” в г. Калининграде и отправленные заказчикам, не были введены в эксплуатацию.
Новые супер-“Эльбрусы”
Новый этап работ в ИТМ и ВТ — создание супер-ЭВМ с небольшим количеством наиболее мощных процессоров. Первой была выпущена вычислительная система “Эльбрус 3-1” (руководитель работ — директор ИТМ и ВТ Г. Г. Рябов). Она содержала процессорную часть на базе модульных конвейерных процессоров (МКП), модульную массовую память, подсистему дисковой памяти и подсистему внешних устройств, объединенных системным каналом коммутации и передачи данных. Модули массовой памяти составляют оперативную память второго уровня, общедоступную для остальных компонентов системы. Механизм виртуальной памяти МКП охватывал как локальную оперативную память, так и массовую память. Через специальные устройства сопряжения к ней можно было подключать ЭВМ других типов — “Эльбрус Б”, “Эльбрус-2”, ЕС ЭВМ, СМ ЭВМ.
Производительность одного МКП на основных векторных операциях составляла до 500 Мфлопс.
Параллельная работа модулей процессорной части поддерживалась расслоением локальной памяти на 32 банка и обеспечением 8 параллельных потоков слов с темпом обмена одно слово за такт в каждом потоке. Команды управления МКП поддерживали такие понятия языков программирования высокого уровня, как блок, процедура, цикл, исключение. Поток команд в МКП был адекватен понятию процесса и поддерживался аппаратной реализацией стека состояний процесса. Синхронизация потоков команд поддерживалась операциями над семафорами и командами прямого управления между процессами.
Главный конструктор МКП — А. А. Соколов (зам. главного конструктора — А. Ю. Бяков).
Первый экземпляр системы “Эльбрус 3-1”, созданный с участием завода САМ, был принят Государственной комиссией и используется для решения важных задач, требующих большого объема вычислений. К сожалению, из-за трудностей с финансированием было выпущено всего несколько экземпляров системы.
В ИТМ и ВТ под руководством члена-корреспондента РАН Б. А. Бабаяна разрабатывалась также супер-система с названием, схожим с названием описанной выше разработки, — “Эльбрус-3”. Система должна была состоять из 16 процессоров, содержащих по несколько функциональных устройств выполнения различных операций. Предполагалось, что полная производительность системы будет более 10 млрд. операций с плавающей запятой над полноразрядными операндами в секунду. Основная особенность процессоров системы “Эльбрус-3” заключалась в использовании в них архитектуры VLIW — “длинного командного слова”, содержащего операции для всех функциональных устройств и подаваемого на них в каждом такте работы процессора.
Документация для изготовления системы “Эльбрус 3” была передана на завод-изготовитель в Сергиев Посад, однако производство машины так и не началось…
Гигафлопы по-московски
В НИИ “Квант” и ИПМ им. М. В. Келдыша в последние годы выполнена разработка семейства выскопроизводительных многопроцессорных вычислительных систем (суперкомпьютеров) МВС-100. Авторы разработки: В. К. Левин (руководитель проекта), В. В. Корнеев, А. В. Забродин и др. Эти системы предназначались для решения задач с большим объемом вычислений и обработки данных, в особенности задач математического моделирования в области авиакосмической и ядерной техники, высокоточной навигации, обработки спутниковой информации, разведки и добычи ископаемых, метеорологии, экологии, биоинженерии, для исследования сложных структур, обработки и распознавания сигналов и изображений.
Многопроцессорная вычислительная система МВС-100, относящаяся к классу систем с массовым параллелизмом, представляет собой объединение высокопроизводительных процессорных модулей, управляемых одной или несколькими управляющими ЭВМ (ими могут быть персональные компьютеры, рабочие станции); в систему входят также внешняя память (магнитные диски) и устройства ввода-вывода, включая средства сопряжения с внешними информационно-вычислительными сетями.
Работающие в настоящее время системы МВС-100 достигают производительности более 10 Гфлопс (гигафлоп — 1 млрд. операций с плавающей запятой над полноразрядными операндами в секунду).
Процессоры через транспьютерные каналы объединены в сеть — решающее поле со структурой на основе двумерной решетки; при числе процессоров 32 и более для сокращения маршрутов межпроцессорного обмена вводятся дополнительные диагональные связи. Внешняя память на магнитных дисках может входить в состав управляющего компьютера, а также, по усмотрению потребителя, подключаться непосредственно к многопроцессорному массиву. Через управляющий компьютер осуществляется операторское управление системой, ввод-вывод данных, а также подключение к локальным сетям, телефонным и оптоволоконным каналам связи, сети Интернет и др.
Программное обеспечение МВС-100 включает ОС многопроцессорного решающего поля, взаимодействующую со стандартной операционной системой управляющего компьютера (МS DOS, Unix и др.). В качестве базовых используются компоненты программного обеспечения микропроцессора Intel 860 и транспьютерных систем. Для прикладных программ используются языки высокого уровня Fortran 77 и С, расширенные средствами описания параллельных процессов, а также непроцедурный язык Норма (разработка ИПМ им.М. В. Келдыша).
Вычислительными системами МВС-100 оснащаются суперкомпьютерные центры, предназначенные для решения указанных выше важных задач. Создание таких суперкомпьютерных центров на базе МВС-100 является наиболее экономичным и перспективным решением: зарубежные системы аналогичной производительности стоят на порядок больше, а их перспективность определяется хорошей приспосабливаемостью алгоритмов и программ решаемых системой задач к выполнению параллельных вычислений на массово-параллельных вычислительных системах.
Пути к возрождению компьютеростроения
Современные технологии сверхбольших интегральных схем (СБИС) и доступ к зарубежной информации открывают перед нашими разработчиками высокопараллельных компьютеров новые перспективы. Наступило время воплощения самых смелых архитектурных замыслов, которые основываются на собственном и потому бесценном опыте промышленной обкатки высокопараллельных архитектурных решений, которые в силу своей фундаментальности не устаревают со временем, а лишь обретают новые формы эффективного воплощения.
Эти уникальные знания и опыт еще более возрастают в цене, если учесть, что сверхбыстрый прогресс микроэлектроники намного опередил известные на сегодня архитектурные предложения. Специальный анализ базовых тенденций развития мировой компьютерной индустрии показывает нарастание кризисного явления под названием “архитектурный голод”. Количество транзисторов на кристалле СБИС растет настолько стремительно, что хорошо накатанные архитектурные подходы на основе модели фон Неймана сегодня уже не в состоянии эффективно задействовать дополнительные десятки миллионов транзисторов для пропорционального роста вычислительных мощностей. В этой ситуации в скором времени образуется неудовлетворенный спрос на высокопараллельные архитектуры, способные к эффективному СБИС-погружению. Уровень сложности и фундаментальность этой проблемы очень значительны.
Спираль развития именно сейчас дарит нам уникальный шанс к возрождению отечественных компьютерных школ и достойному включению их в мировое сообщество компьютеростроителей. Два-три года отведено на поиск компьютерных архитектур новых поколений. Среди них вполне могут и должны быть и наши решения. Этот срок слишком мал для тех, кто впервые войдет в многопроцессорные лабиринты, но достаточен для тех, кто прошел через жесткий отбор многопроцессорных проектов.
История не злонамеренна. Она дает шанс всем, кто в нем нуждается. Сегодня мы должны и можем начать вторую попытку. Но для этого надо до конца выправить идейные ошибки прошлого, которые обрекли страну на самоизоляцию.
Вплоть до переломного момента начала реформ Москва оставалась для страны компьютерным локомотивом. Налицо парадокс: лидеры реформ, сумевшие снять с великой страны “железный занавес”, не видят для нее своих путей к информационно-компьютерному суверенитету. Накопленный в стране интеллектуальный потенциал, способный активно влиять на будущее страны, остается невостребованным. Неужели на ухабах реформ Москва отказалась от бремени лидерства? Не хочется думать, что после 850 лет преодолений на очередном затяжном подъёме стало невмоготу крутить компьютерные педали.
Статья опубликована 28.07.2003 г.
