Развитие информатики в Сибири.

Фет Яков Ильич

Аннотация

Знание о формировании и развитии информатики и смежных с ней наук, несомненно, является ценным. Знакомство с историческим событиями и учеными, внесшими большой вклад в эти науки, должно стать необходимым компонентом образования в области информатики. В докладе представлены некоторые результаты по истории развития информатики в Сибири.

1. Введение

Образование Сибирского филиала Академии Наук СССР и огромная творческая работа, проделанная в последующие годы исследователями нового научного центра, является важной вехой в истории информатики в России (СССР). Подробно рассматривая эти события, можно понять принципиальный вклад Сибирских ученых в теорию автоматизации, параллельную и распределенную технологию вычисления, теоретическое и прикладное программирование и т.д.

Каждое из этих подразделений было представлено определенной научной школой, во главе которой стоял известный научный руководитель. Вместе со своими студентами и последователями руководитель проводил исследования в соответствующей области.

Известно, что в 60-ые годы Сибирский филиал наук привлекал большое внимание мирового научного сообщества. Это было следствием того факта, что многие ведущие советские математики — Михаил Лаврентьев, Сергей Соболев, Леонид Канторович, Гурий Марчук, Алексей Ляпунов, Андрей Ершов и многие другие переехали в Новосибирск. С самого начала в Сибирском филиале приоритеты отдавались развитию вычислительной математики, математическому моделированию, сомпьютерным технологиям, программированию. Здесь использовались самые современные модели отечественных компьютеров

Основатели Сибирского филиала полагали, что все науки (даже гуманитарные) могут значительно ускорить свое развитие на основе владения информатикой. В самом начале становления Сибирского филиала, в конце 50-ых годов, М. Лаврентьев писал: “Вместо того, чтобы строить реальные экспериментальные установки, теперь, с помощью компьютеров, мы можем оценить каждую версию, произвольно меняя ее параметры”.

Таким образом, мы твердо убеждены, что в 60-ые-70-ые годы прошлого столетия точка концентрации исследований в области кибернетики передвинулась в Новосибирск

Несомненно, успешное развитие компьютерной науки в Сибири связано с имнем академика М. Лаврентьева. Он известен кА один из инициаторов создания Сибирского филиала и его президент. Но не нужно забывать, что именно М. Лаврентьев увидел перспективы развития компьютерной науки и компьютерных технологий уже в конце 40-ых годов. Все еще работая в Киеве, М. Лаврентьев направил письмо И.В. Сталину, где подчеркивал важность поддержки развития компьютерных технологий. Именно  М. Лаврентьев возглавлял некоторое время институт ИТМВТ и пригласил С. Лебедева работать в этом институте. Можно утверждать, что благодаря М. Лаврентьеву ИТМВТ создал славу советской компьютерной технологии.

В этом докладе будут представлены избранные страницы из истории развития информатики в Сибири.

2. Алексей Ляпунов

В истории Российской науки профессор Алексей Ляпунов (1911-1973) занимает особое место в связи с его деятельностью по защите кибернетики и генетики.

A. A. Ляпунов был выходцем из старого русской дворянской семьи, которая воспитала много талантливых представителей русской науки и культуры 19-го и 20-го веков. Будучи молодым талантливым математиком, который, тем не менее, уже был Великой Отечественной войны профессором кафедры математики Московской артиллерийской академии, Алексей Ляпунов возглавил в 50-ые годы борьбу за признание кибернетики как науки в СССР. В то суровое время, когда догматичные философы объявили кибернетику “реакционной псевдонаукой”, профессор Ляпунов в 1954-1955 академическом учебном году организовал семинар по кибернетике в Московском государственном университете. Семинар привлек большое внимание ученых и превратился в событие, значимое для всей Москвы и даже для всего Советского Союза. Он приглашал крупных советских и зарубежных ученых для участия в семинаре. В течение 10 лет (1954-1964) было проведено более 121 сессии семинара, известного под название “Большой Лаврентьевский семинар”.

В 1958 он начал свою известную серию публикаций “Проблемы кибернетики” (Системный анализ), будучи ее главным редактором. За период с 1958 по 1984 серия выдержала более 41 издания

Бесстрашная борьба за новую науку увенчалась полной победой.

А. Ляпунов был известным математиком, специалистом по теории чисел. Область его интересов, однако, была настолько широка, что его можно было бы назвать человеком энциклопедических знаний. Известный русский историк науки, Модест Гаазе-Раппопорт, писал об А. Ляпунове: “Несмотря на широкий спектр его научных интересов, деятельность Ляпунова в науке оставалась высокопрофессиональной. Биологи считали его биологом, геофизики — геофизиком, а философы — философом”. [1]

Начиная с 1961, профессор Ляпунов жил и работал в Новосибирске, в Сибирском филиале Российской Академии Наук. Это был один из наиболее плодотворных периодов его жизни. А. Ляпунов был выдающимся педагогом и пропагандистом научных знаний. Его интересы в образовании касались всех уровней — от начальной школы до университета

Профессор Игорь Полетаев, один из пионеров русской компьютерной науки и близкий друг Ляпунова, писал: “Предметом его служения всегда являлась только научная истина, а поиск этой истины — почти культом. Это бескорыстное рыцарское служение истине добавлялось его личным обаянием <…> и удивительно глубоким чувством юмора. Даже неоднозначные мнения звучали в устах Ляпунова привлекательными и почти убедительными. Каждая беседе или личный контакт с Ляпуновым воспринимались как интеллектуальное событие и эстетический опыт”. convincing. Every conversation and personal contact with him was an intellectual event and aesthetic experience“.

A.A. Ляпунов был выдающимся педагогом и распространителем научных знаний. Педагогическая деятельность А. Ляпунова достигла пика в Новосибирском Академгородке. По предложению А. Ляпунова и М.А. Лаврентьева была открыта первая в России Физико-математическая школа для одаренных школьников при Новосибирском университете. Он также был одним из организаторов Сибирской математической олимпиады и Летней физико-математической школы.

Алексей Ляпунов — один из выдающихся российских ученых в области информатики, которому была присвоена награда как пионеру исследований в области компьютерных технологий. Компьютерное общество IEEE отметило, что “Алексей Ляпунов… основал советскую кибернетику и программирование”. Вторым лауреатом был Сергей Лебедев (1902-1974), основатель советской компьютерной индустрии.

Известно, что IFIP WG 9.7 (История компьютерных технологий) разработало программу “Дни первопроходцев” для признания вклада выдающихся ученых.

В период с 8 по 11 октября 2001 года в Новосибирске проводилась международная конференция, посвященная 90-летию со дня рождения Ляпунова. В рамках конференции “День первопроходцев” был утвержден официальным научным праздником. На открытии конференции профессор Гюзо Ковач (Будапешт) выступил с кратким вступительным словом, в котором сказал, что международная сообщество ученых имеет свои традиции и праздники. Затем Наталья Ляпунова, дочь ученого, представила воспоминания о своем отце. Она показала публике медаль, которой был награжден ее отец за свои заслуги в области компьютерных технологий.

3. Леонид Канторович

Леонид Канторович (1912-1986) является одним из тех блестящих ученых, чья жизнь неотделима от истории 20 века в России. Можно сказать, что Канторович прожил две разные жизни в науке как математик и как экономист. Канторович-математик начал свои исследования в возрасте 15 лет и вскоре был признан ведущим ученым.

Имя Леонида Канторовича, его жизнь, его роль в науке и его борьба за идеи занимают особое место в истории науки 20 века.

Канторович родился в Санкт-Петербурге в семье врача. Он проявил свой талант очень рано, поступил в ленинградский университет в 1926 году, когда ему было только 14 лет. Закончив его в 1930, Канторович занялся педагогической деятельностью и активной научной работой. В 1932 году он стал профессором ленинградского института промышленного строительства и доцентом ленинградского государственного университета, где он получил звание профессора, а докторское звание было утверждено без защиты диссертации в 1935. С тех пор Канторович продолжал работать в ленинградском университете.

В годы расцвета его таланта, открытие в 27 лет новых методов планирования и управления, чрезвычайная широта его интересов, бескомпромиссная природа борца и в то же время его скромность и благородство — все эти уникальные черты были свойственны Канторовичу.

Математические исследования Канторовича сформировали базу новых важных направлений в математике. В то же время он справедливо считался одним из основателей современной математической экономики, ядром которой является линейное программирование, которое он создал. Это новая концепция экономической кибернетики чрезвычайно важна, так как позволяет трансформировать экономику в перспективную науку, обеспечивая таким образом наиболее эффективные результаты экономической деятельности.

Функциональный анализ играет особую роль в научной деятельности Канторовича как математика. Будучи классиком в этой области и автором теории векторных направляющих в пространстве, Канторович сделал функциональный анализ- естественным языком вычислительной математики.

Он понимал важность компьютерных технологий в истоке их зарождения и полагал, что это изобретение”повлияет на человеческую деятельность до той же степени, до которой на не повлияли изобретение книгопечатания, паровой машины и радио.

Известная книга Канторовича “Оптимальное применение экономический ресурсов”, опубликованная в 1959 году, встретила враждебную критику среди советских экономистов и обусловила широкую дискуссию, которая продолжалась до середины шестидесятых годов, привлекая острый интерес зарубежных ученых. Именно в это время его первые работы по линейному программированию, переведенные на иностранные языки, стали известными и принесли ему признание на Западе.

Канторович является автором более 300 научных работ, которые включают широкий спектр интересов, но объединяются его личностью так же как и присущей им цельностью и ассоциативностью идей.

В 1939 году Леонид Канторович опубликовал маленькую брошюру “Математические методы в организации и планировании производства”, содержащую открытие линейного программирования, новое научное направление, которое имело огромное влияние на развитие экономической науки. В этой фундаментальной работе Канторовича впервые нашли математическое выражение экономических проблем планирования и были предложены эффективные методы их решения.

Новый, истинно научный подход к экономике, предложенный Л. Канторовичем, был несовместим с официальной советской идеологией. Долгое время открытие линейного программирования оставалось неизвестным на Западе. В конце 40-х годов прошлого столетия сходные подходы к оптимизации были независимо предложены в США. В 1975 году Канторович был награжден вместе с американским ученым Т. Купманом Нобелевской премией в области экономики “За вклад теорию оптимального использования ресурсов”.

Экономика являлась одной из тех гуманитарных наук наряду с историей философии, где идеологические конфликты были наиболее драматичными, а борьба была более напряженной

Со стороны догматических экономистов началось открытое преследование Леонида Канторовича. Всю жизнь нобелевского лауреата Леонида Канторовича заставляли бороться с глупой и абсурдной оппозицией ортодоксальных советских экономистов в то время как он преследовал только одну цель — помочь своей стране. Большую часть своей жизни Леонид Канторович посвятил демократизации экономики в России, служению науки на благо человечества.

Канторович координировал многие проекты по компьютеризации, включая ядерные исследования и исследования по оптимизации легкой промышленности. Очарованный компьютерами, Канторович разработал одну из первых систем для автоматического программирования и несколько новых компьютерных конфигураций, некоторые из которых были внедрены в практику [2].

В 1957 году Канторовича пригласили во вновь создаваемый Сибирский филиал Академии наук СССР, и он был избран членом-корреспондентом АН в области экономики и статистики. С тех пор его работы были посвящены экономической кибернетике.

4. Поиск эффективности: нетрадиционные сибирские архитектуры

К сожалению, неразвитость советской технологии и недостаточная компетентность менеджмента оставили страну далеко позади западных достижений в области создания и использования компьютеров.

В начале 60-х годов сибирским ученым стало понятно, что единственный подход к построению высокопроизводительных систем находится в области параллельных компьютерных технологий.

Давайте кратко рассмотрим некоторые ранние проекты Сибирского филиала в области архитектуры компьютеров.

4.1. Вклад Канторовича

Диапазон интересов Леонида Канторовича был необычайно широк и позволил ему

сделать незаурядный вклад во все области различных видов научной деятельности.

Будучи выдающимся математиком и автором фундаментальных математических теорий, Канторович также уделял значительное внимание технической реализации сложных вычислительных процессов.

Уже в 40-х годах, еще до появления электронных компьютеров, Канторович успешно использовал счетные машины для научных расчетов. В ленинградском филиале математического института АН СССР он разработал то, что теперь мы бы назвали мультипроцессорной параллельной вычислительной системой, построенной на табуляторах. С помощью этой системы табуляция функций Бесселя по специальной программе проводилась одновременно для 121 функции.

Затем Канторович предложил увеличить емкость табуляторов с помощью того, что теперь мы называем специализированными процессорами. Один такой процессор, разработанный для вычислительных функций, был создан в конце 40-х годов.

Концепция крупноблоковой организации вычислительного процесса, выдвинутая Канторовичем в начале 50-ых годов и развитая позднее в его многочисленных публикациях, составила его важный вклад в информатику. Позднее некоторые из идей этого подхода были разработаны в таких языках программирования APL, PL-l, Algol-68 и т.д.

Крупноблоковая система файлов операндов и выделенные массивы операций открывает широкие возможности для новых архитектурных решений. Они, в частности, включают различные формы одновременной обработки многих элементов по качеству. Таким образом, в организации арифметических операций по качеству естественно применять независимую параллельную обработку всех компонентов.

Идея ускорения вычислительных возможностей компьютеров была сформулирована в общем виде [3], где была предложена вычислительная система, которая состояла из универсального компьютера с традиционной архитектурой и небольших специализированных компьютеров, предназначенных для обработки определенных задач. Было принято, что универсальные машины выделяли большие блоки операций в программе и передавали их для исполнения в специальный узел. Высокая производительность специального процессора достигалась выполнением особенностей различных операций operators and operands представленных архитектурой специализированного малого компьютера. Чтобы достичь нужной гибкости и увеличить набор операций специального процессора, использовались микро программированное управление и различный формат данных; для соединения с главным компьютером был разработан специальный интерфейс.

В начале 60-х годов в институте математики Сибирского филиала, где Канторович работал в то время, под его руководством разрабатывался проект описанной выше архитектуры, которая называлась “арифметическая машина” (АМ). Эта машина была в основном предназначена для ускорения решения проблем в области линейной алгебры и линейного программирования.

Опытный образец компьютера АМ был разработан и запущен в компьютерном центре Сибирского филиала в 1967 и работал до 1968 года. Для векторных и матричных операций выигрыш по скорости был выше на порядок по сравнению с универсальными компьютерами. Компьютер АМ был одним из первых pipeline векторных процессоров и, таким образом, явился прототипом современного суперкомпьютера.

4.2. Однородные вычислительные системы

В 1962 году в Новосибирске Эдуард Евреинов предложил так называемый универсальные компьютерные системы (УКС) с программной структурой [4]. Основными чертами УКС были:

• основным элементом УКС является компьютер широкого пользования (элементарная машина, ЭМ);
• УКС имел однородную структуру, то есть состоял из идентичных одинаково соединенных ЭМ; 
• количество ЭМ в системе могло меняться;
• набор инструкций, объем памяти и длина слова ЭМ также могли меняться.

Она была предназначена для выделения УКС в соответствии с их топологией и могла быть 1-,2-, и мультиразмерная в соответствии с типом обмена между ЭМ: параллельным, последовательным и параллельно-последовательным; в соответствии с пространственным расположением ЭМ, также могла быть концентрированная и распределенная.

В концепции Евреинова рассматривались 2 уровня организации параллельных вычислительных систем: макроструктурные, которые кратко были описаны и выше, и микроструктурные, касающиеся внутренней структуры машинных элементов.

Здесь снова был предложен однородный подход, основанный на так называемых однородных вычислительных средах (ОВС).

Основными свойствами ОВС являлись: однородность, кратковременность взаимодействия, универсальность ячеек, возможность установки каждой ячейки для выполнения функции от избранного универсального набора.

По Евреинову ОВС должна изготавливаться в едином технологическом процессе как некая компьютерная ткань, получая требуемый образец на последней стадии производства с помощью необходимой конфигурации.

Основной идеей однородной среды было запечатление логических сетей, то есть реализация произвольных автоматов в плоскостную однородную структуру, формируя ячейки в соответствующей форме.

В некотором смысле идеи Евреинова предвосхитили современное состояние информатики и наметили большинство фундаментальных проблем развития высокопроизводительных компьютерных систем.

4.3. Распределенная функциональная структура

Большинство из моделей ячеистых автоматов, включая ОВС Евреинова, являются универсальными. Они могут реализовывать произвольные функции и алгоритмы и синтезировать необходимые логические структуры, используя классическую теорию автоматов. К сожалению, наиболее специфичные функции будут замедлять работу машины и увеличивать программное обеспечение, если их внедрять таким образом.

Специализированные однородные структуры, которые немедленно вводят алгоритмы в схему, представляют альтернативу универсальным структурам. В этих структурах данный алгоритм симулируется проникновением сигнала через специализированную логическую сеть. Классическим примером такой структуры является содержательно адресованная или ассоциативная память с особой базовой операцией равного поиска. Появились и другие специализированные структуры, реализующие другие базовые операции.

В 1971 году в Новосибирске была предложена специализированная ячеистая конструкция, так называемая а-структура, имеющая базовую операцию экстремального поиска. Позднее были разработаны многочисленные конструкции, включающие различные базовые операции (пороговый поиск, поиск ближайшего соседа, сжатие и т.д.). Конструкции этого типа назывались распределенными функциональными структурами (РФ-структуры) [5].

Важной особенностью РФ-структуры является ее многофункциональность. Так, а-структура может быть эффективно использована не только для экстремального выбора, но также для ассоциативной памяти, программируемой логики конструкции, связи в сети и т.д.

Концепция РФ-структур позволяет разрабатывать эффективные параллельные ускорители для разнообразной компьютерной архитектуры. Современные технологии позволяют внедрять распределенные функциональные конструкции достаточного размера, которые становятся частью продукта VLSI ячеистых микропроцессоров.

Заключение

Сибирский филиал был основан с самого начала как сильный математический и кибернетический центр. В течение определенного периода Новосибирский Академгородок был чем-то вроде столица советской компьютерной науки.

Обращаясь к истории образования и развития информатики в Сибири, можно предположить, что нет ничего удивительного в том, что здесь, в Сибирском филиале РАН, появилась инициатива исследовать историю информатики. Серия книг по истории российской компьютерной науки были опубликованы нами за последние годы как в Сибири, так и в Москве. Некоторые главы из книг этой серии были представлены в нашем докладе.

В настоящее время исследования продолжаются.

Литература

1. А.А. Ляпунов /Под ред. Н. Ляпуновой, Я.Фета. – Новосибирск, РАН, 2001
2. Л.В.Кантарович Человек и ученый. Т.1./ Под ред. В.Кантаровича, С.Кутателадзе, Я.Фета, Новосибирск, РАН, 2002
3. Л.В.Кантарович, Я.Фет Вычислительные системы, включающие универсальный цифровой компьютер и малый цифровой компьютер. Патент на изобретение СССР № 172567, 1963
4. Е.В. Евреинов, Ю.Г. Косарев Высокопроизводительные однородные универсальные компьютерные системы. Новосибирск, Наука, 1966
5. Ya.I. Fet. Parallel processing in cellular arrays / Tounton, England: Research Studies Press, 1995. — 196 pp.

Об авторе: главный научный сотрудник института вычислительной математики и математической геофизики Сибирского отделения РАН, отдел высокопроизводительных вычислительных систем, fet@ssd.sscc.ru
Статья помещена в музей 22.04.2008 с разрешения автора