Вычислительные средства для систем противоракетной и противосамолетной обороны страны. Роль С.А. Лебедева и В.С. Бурцева

Карпов Л.Е., Карпова В.Б.

Часть 1

Сергей Алексеевич Лебедев и Всеволод Сергеевич Бурцев, учитель и ученик (рис. 1), возглавляли один из самых квалифицированных в нашей стране и в мире коллективов разработчиков вычислительной техники на протяжении 30 лет. При их непосредственном участии была фактически создана целая отрасль народного хозяйства, они внесли огромный вклад в повышение обороноспособности нашей страны и снижение уровня военного противостояния.

Практически вся жизнь и деятельность этих двух замечательных ученых были посвящены нашей Родине, результаты их труда известны во всем мире, они до сих пор имеют и практическое значение.

Начиная с середины 1950-х годов С.А. Лебедев начал сотрудничество с главным конструктором системы противоракетной обороны (ПРО) полковником Григорием Васильевичем Кисунько (1918–1998). Результаты творческого взаимодействия этих замечательных учёных широко известны. К 1961 году в ИТМиВТ параллельно с разработками новых модификаций машины БЭСМ (БЭСМ-2, БЭСМ-3) и более современной машины М-20 (также выпускавшейся заводами в Ульяновске и Казани под разными наименованиями – БЭСМ-3М, БЭСМ-4, БЭСМ-4М, М-220, М-222) была разработана и подготовлена к Государственным испытаниям и другая линия вычислительных машин – машин специального назначения, предназначенных для работы в составе крупных управляющих комплексов.

Рис. 2. Машинный зал М-40

Началась эта линия с ламповой машины М-40 (рис. 2), которая в процессе развития элементной базы и теории структур вычислительных машин последовательно принимала формы М-50, 5Э92, 5Э92б и, наконец, превратилась в серийно выпускаемую полупроводниковую машину 5Э51. Вся эта работа продолжалась около 15 лет. По её результатам С.А. Лебедев и его ученик В.С. Бурцев стали участниками Государственных испытаний, во время которых управляемый разработанными ими ЭВМ комплекс сумел осуществить поражение головной части баллистической ракеты (с эффективной поверхностью рассеивания около 0,2 м2), разрабатывали вычислительные средства для экспериментальной системы противоракетной обороны – системы А (рис. 3) и сыграли большую роль в развитии вычислительной техники в СССР, за что в 1966 году получили Ленинскую премию.

Рис. 3. Оператор М-40 за работой во время испытательного пуска противоракеты

Серийный выпуск разработанных под руководством С.А. Лебедева и В.С. Бурцева ЭВМ 5Э51 начался в 1967 году. Машины 5Э51 использовались при создании многомашинных комплексов с единой внешней памятью, состоящей из большого количества магнитных барабанов, дисков и лент. Один из таких четырехмашинных комплексов работал в Центре контроля космического пространства (ЦККП). Позднее, при разработке МВК «Эльбрус» в ИТМиВТ машины 5Э51 использовались как вычислительные средства для системы автоматизации проектирования.

С конца 1960-х до середины 1970-х годов С.А. Лебедев вел еще одну разработку, чрезвычайно важную для обороны страны. На этот раз его заместителем был Игорь Константинович Хайлов, один из ближайших соратников и друзей В. С. Бурцева.

Перевозимый высокопроизводительный вычислительный комплекс специального применения 5Э65 предназначался для использования в системах противоракетной и противосамолетной обороны. Он был построен на полупроводниковых элементах и обеспечивал проведение работ в полевых условиях в реальном масштабе времени с высокой степенью достоверности, которая достигалась за счет применения памяти с неразрушающим считыванием, полного аппаратного контроля, средств устранения последствий сбоев. Эффективности проведения вычислительного процесса способствовали переменная длина слова (12, 24, 36 разрядов), безадресная система команд, магазинная организация арифметического устройства.

С применением комплекса были произведены исследования различных бортовых средств радиоизмерений и радионавигации в атмосфере и в космосе, отработка радиолокационной станции (РЛС) и противоракет. Машина располагалась в автоприцепе и имела производительность 200 тысяч операций в секунду, наработку на отказ 100 часов. В машине 5Э65 применялась крупноблочная конструкция и двухслойные печатные платы.

Вариант 5Э67 представлял собой модификацию 5Э65 с общим полем внешней памяти и аппаратно-программными средствами реконфигурации на уровне машин. Комплекс обеспечивал работу в жестких климатических условиях. С участием комплекса были произведены уникальные радиоизмерения эпизодических явлений в верхних слоях атмосферы в реальном масштабе времени.

Машина располагалась в 4 автоприцепах и имела производительность 600 тысяч операций в секунду и наработку на отказ 1000 часов.

Машины 5Э65 и 5Э67 были выпущены в весьма малом количестве экземпляров. Выпуск этих машин был приостановлен в связи с подписанием и вступлением в силу договора об ограничении стратегических наступательных вооружений ОСВ-1.

Рис. 4. Инженерный пульт МВК Эльбрус 2

Параллельно с разработкой ЭВМ для системы противосамолетной обороны С-300П В.С. Бурцев в качестве Главного конструктора работает над многопроцессорным вычислительным комплексом (МВК) «Эльбрус» (рис. 4). Замечательные по своей структуре и качеству разработки ЭВМ для С-300П были для В.С. Бурцева этапом на пути к созданию сверхбыстродействующего вычислительного комплекса с суммарной производительностью около 100 млн. оп/с. Именно такую производительность требовалось по расчетам Г.В. Кисунько достичь для детального анализа отраженного сигнала в новой системе ПРО.

МВК Эльбрус создавался в два этапа:

• на первом этапе отрабатывались новые архитектурные принципы, включая программное обеспечение;
• на втором этапе наряду с принципами архитектуры отрабатывалась новая конструкторско-технологическая база.

Рис. 5. Открытый шкаф МВК Эльбрус-2

Результатом первого этапа стала реализация 10-процессорного МВК «Эльбрус-1» с производительностью 15 млн. оп/с, элементная база для которого была полностью освоена при разработке ЭВМ 5Э261 и 5Э262. На втором этапе был создан МВК «Эльбрус-2» (рис. 5) производительностью 120 млн. оп/с и объемом ОЗУ в 160 Мбайт. В состав комплексов входили центральные процессоры (до 10 штук). Контроль технического состояния комплексов Эльбрус осуществлялся специально разработанной аппаратурой. Проектом была предусмотрена возможность использования специализированных процессоров наряду с универсальными:

• специализированная вычислительная система (СВС, Эльбрус-1К2) – для реализации прикладных программ, написанных для ЭВМ БЭСМ-6;
• процессор быстрого преобразования Фурье (БПФ);
• универсального инженерного пульта (УИП) – для контроля, диагностики и ремонта модулей МВК Эльбрус.

Серийный выпуск многопроцессорного вычислительного комплекса (МВК) Эльбрус-1, предназначенного для двойного применения в задачах управления и научных расчетов, начался в 1980 году. Эльбрус-2 серийно выпускался с 1985 года.

По структуре и программному обеспечению МВК Эльбрус-2 незначительно отличается от МВК Эльбрус-1, однако при его разработке использована гораздо более современная элементная база. МВК Эльбрус-2 использовались в оборонной отрасли, в ядерных исследовательских центрах, а с 1991 г. применялись в системе противоракетной обороны А-135 и в других военных объектах.

Работа С.А. Лебедева и его ближайшего ученика В.С. Бурцева всегда была направлена на благо отечества.

Часть 2

На практике доказав колоссальные возможности цифровой техники при управлении сложнейшими техническими комплексами, успешно проведя в 1961 году Государственные испытания прототипа системы противоракетной обороны, завершившиеся уничтожением головной части баллистической ракеты, Сергей Алексеевич Лебедев и Всеволод Сергеевич Бурцев продолжили работу по разработке новых вычислительных машин, которые могли бы решать все усложнявшиеся задачи. Внешнеполитические условия требовали постоянного внимания к вопросам повышения обороноспособности нашей страны. Демонстрируя возможности отечественных ученых и инженеров, С.А. Лебедев и В.С. Бурцев вносили свой вклад в снижение уровня военного противостояния.

Совершенно очевидно, что грандиозность поставленной задачи требовала высокой степени организованности коллектива, который приходилось создавать прямо по мере развития выполнявшегося проекта. С.А. Лебедев всегда уделял максимум внимания вопросам развития коллектива разработчиков. Еще в 1950 году по приглашению директора академического Института точной механики и вычислительной техники (ИТМиВТ) академика Михаила Алексеевича Лаврентьева С.А. Лебедев начал работу над быстродействующей электронной счетной машиной (БЭСМ) с формирования группы высококвалифицированных инженеров.

Сотрудников в институте в начале 1950-х годов было мало, специалистов в области электронной вычислительной техники не хватало. Приступив к новой работе, С.А. Лебедев сразу начал преподавать в Московском Энергетическом институте (МЭИ), выделившемся из Московского Высшего Технического училища (МВТУ), которое он окончил. В МЭИ ему удалось создать группу из девяти студентов, которые сразу же подключились к работе над БЭСМ.

Обучение своих студентов С.А Лебедев вел по системе Физтеха, к созданию которого он также приложил свои усилия. Студентам выдали производственные задания, они были вовлечены в настоящую научную и практическую работу института. Результаты, показанные студентами этой группы, блестяще подтверждают умение Сергея Алексеевича разглядеть в совсем молодых людях их способности и таланты. Все студенты стали впоследствии кандидатами наук, пятеро из девяти защитили докторские диссертации, они получили одну Ленинскую премию и семь Государственных, двое стали действительными членами Академии наук СССР. Среди этих студентов был и Всеволод Сергеевич Бурцев. Его дипломный проект был связан с разработкой блока управления командами машины БЭСМ, он был выполнен и защищен вполне успешно: вскоре БЭСМ прошла Государственные испытания и была принята в эксплуатацию.

Когда В. С. Бурцев уже стал штатным сотрудником ИТМиВТ, в институте была создана группа, которая занималась разработкой методов связи между цифровыми машинами и реальными объектами и исследовала возможности применения цифровых машин для управления реальными объектами. Основой этих работ были исследования методов преобразования дискретных величин в непрерывные и обратно.

Хотя эта работа стояла в стороне от основной тематики Института по разработке сверхбыстродействующих машин, но С. А. Лебедев считал возможным не только проводить эти исследования, но и по завершению разработки БЭСМ счел необходимым существенно их усилить, переведя в эту группу В.С. Бурцева с рядом сотрудников.

С. А. Лебедев обладал удивительной способностью, характерной для лучших русских ученых: он умел ставить ранее не известные, но не менее важные задачи. Он понял, что молодежи требуется дело, которое не будет казаться слишком легким, и поставил перед своими молодыми коллегами задачу, которая заведомо не могла быть решена «за четыре месяца» – задачу управления объектами в реальном времени.

В.С. Бурцев вспоминал: «Мы поехали с ним в НИИ-17 к Виктору Васильевичу Тихомирову, главному конструктуру всех наших самолетных радиолокационных средств. Он выделил нам станцию обзорного действия «Топаз», установленную на самолете для прикрытия хвоста бомбардировщика. На этой станции мы снимали данные с радиолокатора обзорного действия и впервые осуществили одновременное сопровождение нескольких целей».

Большой опыт В. С. Бурцева и его сотрудников в разработке БЭСМ позволил провести опытную работу по разработке малых вычислительных машин «Диана-1» и «Диана-2». Малая вычислительная машина «Диана-1» последовательного действия с коммутируемой программной обработкой, предназначалась для работы в составе систем наведения самолетов-истребителей на цели. Машина проводила автоматическое снятие данных с радиолокатора с селекцией объекта от шумов, переводила их в цифровой вид и выдавала траектории движения нескольких целей на экраны.

Система команд машин «Диана-1» и «Диана-2» была одноадресной и состояла из 14 команд, машина «Диана-2» кроме целочисленных вычислений могла также оперировать с 10-разрядными числами, имевшими фиксированную запятую. В состав машин входила командная память на 256 команд, ЗУ констант, оперативная память на магнитострикционных линиях задержки, логические элементы на миниатюрных радиолампах.

Созданной С.А. Лебедевым группой первые в СССР на макете радиолокационной станции обзорного действия был проведен эксперимент одновременного сопровождения нескольких реальных целей (до 10 самолетов) и наведения самолета на эти цели при опережающем расчете их траекторий. Выдача координат осуществлялась в дискретном цифровом виде. В 1956 году этот эксперимент был повторен на реальных испытаниях под Курском на серийной станции П-30 с посылкой оцифрованного сигнала управления на самолет перехвата целей.

Задача, поставленная С.А. Лебедевым, определила деятельность В.С. Бурцева на долгие годы, построение надежных вычислительных комплексов для систем реального времени стало делом всей его жизни.

В 1969 году С.А. Лебедев и В.С. Бурцев стали выполнять разработку новой серии вычислительных машин, предназначавшихся для использования в возимой противосамолетной системе. С.А. Лебедев не дожил до завершения разработки. Он скончался 3 июля 1974 года, на посту директора Института его сменил В.С. Бурцев. Первоначально в серию входили только две ЭВМ – 5Э261 и 5Э262 (несколько уменьшенный по габаритам и объему памяти вариант). Эти ЭВМ имели три центральных процессора и были построены по модульному принципу. Все модули (центральные процессоры, устройства обмена, блоки оперативной памяти и памяти команд) были охвачены внутренней системой полного аппаратного контроля, что позволяло обеспечивать резервирование на уровне модулей на случаи сбоев и отказов и проводить автоматическую реконфигурацию вычислительных комплексов непосредственно в процессе выполнения боевой задачи.

Совокупная производительность комплекса не уступала производительности БЭСМ-6, но вместо площади в 200 кв. м, новой ЭВМ требовалось не более 3 кв. м.

Сам комплекс противовоздушной обороны С-300П разрабатывался под руководством Генерального конструктора Бориса Васильевича Бункина, который был очень высокого мнения об ИТМиВТ, о работах С.А. Лебедева и В.С. Бурцева. Умение разработчиков ИТМиВТ создавать отказоустойчивые системы способствовало тому, что при отработке системы С-300 по вине ЭВМ было не так много испорченных пусков.

Машина 5Э261 (рис. 1) – одна из первых в нашей стране многопроцессорная высокопроизводительная мобильная управляющая вычислительная система, построенная по модульному принципу, с ной системой автоматического резервирования, базирующейся на аппаратном контроле по модулю 3.

Рис. 1. ЭВМ 5Э261

ЭВМ работают в широком диапазоне климатических и механических воздействий, имеют систему автоматизации программирования. Машины работали в составе систем ПВО С-300ПТ сухопутного и морского базирования и в ряде других систем управления реального времени. Производительность машин составляла 1,5 миллиона операций в секунду, длина слова 32 разряда, представление информации – слово, полуслово, байт, отдельный разряд. Объем оперативной памяти от 3 (5Э262) до 5 (5Э261) блоков по 8К байт, из которых один блок находится в резерве. Объем командной памяти от 2 (5Э262) до 4 (5Э261) блоков по 64К байт.

В машине имелось независимое устройство обмена информацией (одно такое же устройство находится в резерве) по 12 каналам связи.

Машина имеет энергонезависимую память команд на микробиаксах, а также возможность электрической перезаписи информации с применением внешней аппаратуры записи.

Размер команды – переменный, от 1 до 4 байт. Адресация команд – с точностью до байта, адресация констант и оперативных данных – с точностью до 1 разряда. Для представления чисел была выбрана четверичная система счисления, позволявшая существенно увеличить диапазон представимых чисел с небольшой потерей точности.

Система команд позволяла использовать как одноадресные, так и безадресные (магазинные) команды. Среди замечательных особенностей системы адресации – наличие «цепного» разряда в адресных дескрипторах, позволяющего обеспечивать косвенную адресацию произвольной глубины косвенности (в том числе в командах косвенных безусловных переходов).

Машина 5Э262 по сравнению с 5Э261 имела половинный объем памяти команд и оперативной памяти и, как следствие, уменьшенные габариты.

С появлением новой элементной базы в середине 80-х годов были разработаны полностью программно-совместимые с первыми моделями серии ЭВМ 5Э265 и 5Э266 (также уменьшенный в габаритах и по объему памяти вариант), ставшие самыми массово выпускаемыми вычислительными машинами в СССР.

Уже после того как В.С. Бурцев перестал быть директором института, работа над серией ЭВМ для системы С-300П продолжилась. В 1990 году закончилась разработка и началось серийное изготовление комплекса 40У6 (рис. 2).

Рис. 2. ЭВМ 40У6 в составе управляющей станции С-300ПМУ1

Пятипроцессорный вычислительный комплекс 40У6 до сих пор используется в составе системы С-300ПМ сухопутного и морского базирования, а также в сложных системах управления крупными объектами специального назначения, рассчитан на работу в широком диапазоне климатических и механических воздействий. В составе систем ПВО С-300ПМУ1 эта ЭВМ поставляется в Индию и Китай.

Наши выдающиеся ученые С.А. Лебедев и В.С. Бурцев внесли огромный вклад в развитие отечественной науки, много сделали для развития отечественной промышленности, но особенно важен их вклад в повышение безопасности страны. Изучение творческого наследия СА. Лебедева и В.С. Бурцева, сохранение памяти о них, их коллегах и достижениях является нашей общей задачей.

Список литературы

1. http://www.ipmce.ru/
2. http://www.computer-museum.ru/
3. В.С. Бурцев и др., Принципы построения многопроцессорных вычислительных комплексов Эльбрус. ИТМиВТ, 1977.
4. В.С. Бурцев и др., Тенденции развития высокопроизводительных систем и многопроцессорные вычислительные комплексы, ИТМиВТ, 1977.
5. Королев Л.Н. Структура ЭВМ и их математическое обеспечение. Главная редакция физико-математической литературы, М., «Наука», 1978.
6. В. М. Пентковский. Автокод Эльбрус. Под ред. А.П. Ершова, М., «Наука», 1982.
7. Л.Е. Карпов. Программная система – Универсальный инженерный пульт МВК Эльбрус, ИТМиВТ, 1984.
8. От БЭСМ до суперЭВМ. Страницы истории ИТМиВТ им. С.А. Лебедева АН СССР в воспоминаниях сотрудников. Институт точной механики и вычислительной техники им. С.А. Лебедева, под ред. Г.Г. Рябова, в 2 томах, 1988.
9. С.А. Лебедев – творец отечественных ЭВМ. Институт точной механики и вычислительной техники им. С.А. Лебедева, под ред. Г. Г. Рябова, 1990, 2002.
10. Б.Н. Малиновский История вычислительной техники в лицах. К.: фирма «КИТ», ПТОО «А.С.К.», 1995. - 384 с., ил.ISBN 5-7707-6131-8 (http://lib.ru/memuary/malinowskij/0.txt).
11. В.С. Бурцев Параллелизм вычислительных процессов и развитие архитектуры суперЭВМ, М., т. 1, 1997, т. 2, 1998.
12. Сергей Алексеевич Лебедев. К 100-летию со дня рождения основоположника отечественной электронной вычислительной техники. Под ред. В.С. Бурцева, М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002.
13. Т.А. Бурцева, Л.Е. Карпов, В.Б. Карпова, Всеволод Бурцев и суперЭВМ. Открытые системы. СУБД. № 9, 2007 г.,стр. 70-73 (http://www.osp.ru/os/2007/09/4570045/).
14. Л.Е. Карпов, В.Б. Карпова, СуперЭВМ – от задач к машине. Открытые системы. СУБД. № 4, 2010 г., стр. 54-58 (http://www.osp.ru/os/2010/04/13002418/).
15. Я.А. Хетагуров (ред.), История отечественных управляющих вычислительных машин (1955-1987 гг.). Труды Виртуального компьютерного музея, М., 2011 г. (www.computer-museum.ru ).

Об авторах: Институт системного программирования РАН
Институт точной механики и вычислительной техники им. С. А. Лебедева РАН
mak@ispras.ru

Материалы международной конференции SORUCOM 2011 (12–16 сентября 2011 года)
Статья помещена в музей 05.11.2012 с разрешения авторов