Вклад отечественных ученых в развитие ЭВМ

2. Введение.

 

Компьютеры и  цифровая техника настолько прочно вошли в нашу жизнь, что сейчас воспринимаются как данность. И мало кто задает себе вопросы, кем и  каким трудом был проложен путь к  современным информационным технологиям. К сожалению, за годы искусственно созданной информационной закрытости государства в сознании многих людей сложился стереотип национального компьютерного нигилизма. Между тем, зная факты развития науки и техники не понаслышке, можно смело говорить о наличии глубоких корней и традиций отечественного компьютеростроения, имевшихся у нас достижений мирового уровня в этой области. 

Осознанию истинных масштабов участия наших соотечественников  в мировой компьютерной истории  призван способствовать рассказ  о вкладе академика Сергея Алексеевича Лебедева в становление электроники и вычислительной техники, как в нашей стране, так и в мире. 

По словам президента Российской академии наук академика  Ю.С. Осипова, уникальные разработки С.А. Лебедева «определили столбовую  дорогу мирового компьютеростроения на несколько десятилетий вперед». Именно академик Лебедев создал в тяжелые послевоенные годы первую отечественную ЭВМ и последующие все более и более производительные вычислительные машины. Появление электронно-вычислительных машин стало научно-технической революцией, кардинально изменившей развитие общества.

3. НАУЧНЫЙ ПОДВИГ С.А. ЛЕБЕДЕВА (1902 - 1974 гг.).

Сергей Алексеевич начал заниматься вопросами конструирования  вычислительной техники в 45 лет, будучи уже известным ученым-электриком.  К этому времени им были получены значительные научные результаты области  устойчивости работы электрических систем. В 1939 году ему была присвоена ученая доктора наук (минуя степень кандидата наук) за разработку теории "искусственной устойчивости" электрических систем. 

В годы войны  С.А.Лебедев работал в области  автоматизации управления сложными системами. Под его руководством были разработана система стабилизации танкового орудия при прицеливании, система автоматического самонаведения на цель авиационной торпеды.

Для разработки системы стабилизации танковой пушки и автоматического устройства самонаведения  на цель авиационной торпеды требовалось провести большие расчеты. Развивая это направление, С.А.Лебедев создал в 1945 году аналоговую вычислительную машину для решения системы обыкновенных дифференциальных уравнений.

По окончании  войны С.А.Лебедев  вернулся к  работам по повышению устойчивости энергосистем. За работы этого цикла  он получил в 1950 году Государственная  премия СССР.

А.С.Лебедев 

Как известно, за рубежом принципы компьютеростроения и электронного счета разработал фон Нейман, классическая архитектура компьютера так и называется «фон Неймановская». Научный подвиг Лебедева заключается в том, что в условиях информационной замкнутости тех лет Сергей Алексеевич пришел к тем же выводам, что и фон Нейман, но на полгода раньше.  

Разработанные теоретические выкладки позволили  Сергею Алексеевичу перейти к  практической работе. Первым значимым результатом стала Малая электронная  счетная машина (МЭСМ). В своей первой машине Лебедев реализовал основополагающие принципы построеия компьютеров, такие как:

• наличие арифметических устройств, памяти, устройств ввода/вывода и управления;

 

• кодирование и хранение программы в памяти, подобно числам;

 

•  двоичная  система счисления для кодирования чисел и команд;

 

•  автоматическое  выполнение вычислений на основе  хранимой программы; 

 

•  наличие  как арифметических, так и логических  операций;

 

• иерархический принцип построения памяти;

 

• использование численных методов для реализации вычислений.

В 1951 году она была принята комиссией в эксплуатацию, а в 1952 году на ней уже решались важные научно-технические задачи из области термоядерных процессов, космических полетов, ракетной техники, дальних линий передач и прочего. В Киеве, в Национальной академии наук Украины, где создавалась МЭСМ, сохранилась конструкторская документация и папки с материалами о первой отечественной ЭВМ, большая часть из которых составлена С.А.Лебедевым.

Параллельно с  завершающим этапом работ над  МЭСМ в 1950 году была начата разработка первой Большой (впоследствии переименованной в Быстродействующую) Электронно-счетной машины. Разработка БЭСМ велась уже в Москве, в лаборатории ИТМиВТ, которую возглавил С.А. Лебедев. В те годы не было собственной элементной базы, необходимых конструкций под вычислительные блоки, охладительных систем. Приходилось самим изготавливать шасси и стенды, сверлить и клепать, монтировать и отлаживать различные варианты триггеров, счетчиков сумматоров, проверять их на надежность в работе. В кратчайший срок такая машина была создана. В апреле 1953 года быстродействующая электронная вычислительная машина БЭСМ-1 была принята Государственной комиссией в эксплуатацию. Она имела 5 тыс. электронных ламп, выполняя 8 - 10 тыс. операций в секунду, являлась одной из самых быстродействующих машин в мире. Машина была принята, но в серию не пошла. Это было следствием противодействия со стороны Министерства машиностроения и приборостроения, которое всеми силами пыталось "протолкнуть" свою более слабую и менее надежную машину. В октябре 1955 года в Дармштадте (ФРГ) на Международной конференции по электронным счетным машинам доклад о наших достижениях произвел сенсацию – БЭСМ была признана самой быстродействующей машиной в Европе. Ее быстродействие оказалось рекордным – 8 000 оп/с. После триумфальной победы БЭСМ, под руководством Лебедева сразу начались работы над следующей версией ЭВМ, с улучшенными характеристиками: повышенным быстродействием, большей памятью, увеличенным временем устойчивой работы. Так появились следующие версии семейства БЭСМ – БЭСМ-2, БЭСМ-3М, БЭСМ-4. Эти машины уже выпускались серийно на Заводе Счетно-аналитических машин ЗСАММ, сначала по несколько десятков экземпляров – затем сотнями. МЭСМ, "Стрела" и первые машины серии БЭСМ - это вычислительная техника первого поколения. Элементная база первых вычислительных машин - электронные лампы - определяла их большие габариты, значительное энергопотребление, низкую надежность и, как следствие, небольшие объемы производства и узкий круг пользователей, главным образом, из мира науки. В таких машинах практически не было средств совмещения операций выполняемой программы и распараллеливания работы различных устройств; команды выполнялись одна за другой, АЛУ простаивало в процессе обмена данными с внешними устройствами, набор которых был очень ограниченным. Объем оперативной памяти БЭСМ-2, например, составлял 2048 39-разрядных слов, в качестве внешней памяти использовались магнитные барабаны и накопители на магнитной ленте. Лучшей в серии БЭСМ по праву стала знаменитая БЭСМ-6 – первый в мире серийный «миллионник» (1 млн. оп/с). Главный конструктор реализовал в ней множество революционных для того времени решений, благодаря чему машина пережила три поколения вычислительной техники и выпускалась 17 лет. Надежность и простота в эксплуатации, экономичность, малый расход энергии, развитое программное обеспечение, хорошее быстродействие, вот что характеризовало ее. Вот что обеспечивало ее популярность и конкурентно способность, даже когда появились громоздкие монстры EС. За это время было произведено около 450 машин, что является абсолютным рекордом для ЭВМ класса «суперкомпьютер». До настоящего времени сохранился последний экземпляр БЭСМ-6, работающий под Санкт-Петербургом в Учебном центре Военно-морского флота.

¹

БЭСМ-6  

На базе БЭСМ-6 был создан многомашинный вычислительный комплекс АС-6, который в течение 15 лет использовался в центрах  управления полетами космических аппаратов  для обработки информации в реальном времени. Так в 1975 году при совместном полете космических кораблей «Союз» и «Аполлон» наш АС-6, обрабатывая информацию, обсчитывал данные по траектории полета за 1 минуту, в то время как у американской стороны такой расчет занимал полчаса.

Ни один из типов  машин С.А. Лебедева не являлся копией какой-либо иностранной ЭВМ, все создавалось на собственной научной базе, с применением оригинальных подходов к решению теоретических и прикладных задач. И в этом проявление высоких интеллектуальных способностей действительно выдающегося русского ученого и его научный подвиг.

Для нашей страны создание собственных вычислительных технологий было большим прорывом. Сергей Алексеевич еще в далекие 60-е годы понимал, что электронная  вычислительная техника явится одним  из самых мощных средств научно-технического прогресса, окажет огромное воздействие на развитие науки, экономики и обороны страны. Впоследствии в одной из своих статей он напишет: «Внедрение таких машин, реорганизацию умственного труда человека по их результатам можно сравнить только с таким этапом истории человечества, как введение машинного труда взамен ручного».  

Первая БЭСМ стала основой серии из 6 поколений  машин, внесших огромный вклад в  развитие отечественной науки и  техники: в освоении космоса, в атомной  промышленности, в создании противоракетной  обороны. Вне всякого сомнения, без Лебедевской вычислительной техники в этих отраслях сложно было бы достичь таких результатов. Этот вклад был настолько существенен, что его высоко ценили сами конструктора, в чьих интересах создавались ЭВМ. 

С.А.Лебедев внес основополагающий вклад в становление и развитие вычислительных наук в бывшем СССР. Им разработаны главные принципы построения и структура универсальных электронных цифровых вычислительных машин, организована работа коллективов разработчиков высокопроизводительных ЭВМ, промышленное производство этих ЭВМ и их внедрение, подготовка кадров. 

С.А.Лебедева называют "отцом вычислительной техники" в СССР.

4. Вклад в развитие ЭВМ  И.С.Брука (1902-1974).

 

И.С.Брук  

В нашей стране в 1948 г. проблемы развития вычислительной техники становятся общегосударственной задачей. В этом году развернулась разработка первого в СССР проекта цифровой электронной вычислительной машины. В августе 1948 года совместно со своим сотрудником молодым инженером Б.И.Рамеевым (в дальнейшем известным конструктором вычислительной техники, создателем серии "Урал") он представил проект автоматической вычислительной машины. В октябре того же года ими были представлены детально проработанные предложения по организации в Академии наук лаборатории для разработки и строительства цифровой вычислительной машины.

Чуть позднее  Государственный комитет Совета министров СССР по внедрению передовой  техники в народное хозяйство  выдал И.С.Бруку и Б.И.Рамееву  Авторское Свидетельство за №10475 на изобретение цифровой вычислительной машины с приоритетом от 4 декабря 1948 года. Это первый официально зарегистрированный документ, касающийся развития вычислительной техники в нашей стране. Этот день мы с полным правом можем объявить днем рождения российской информатики.

Вскоре, однако, Рамеева призвали в армию и темпы создания ЭВМ замедлились.  Специалистов в области создания электронной вычислительной техники в стране не было и Брук пригласил на работу выпускников и дипломников Н.Матюхина, Т.Александриди, М.Карцева. Все они в последствии стали крупными учеными, конструкторами вычислительной техники. Таким образом, работы по созданию нового научного направления сочетались с подготовкой специалистов для новой области.

В апреле 1950 года И.С.Брук оформляет постановление  президиума Академии наук СССР о разработке цифровой электронной вычислительной машины М-1.

М-1

 Машина под  руководством И.С.Брука была сконструирована  и собрана выпускниками и студентами вузов. Все они стали впоследствии крупными специалистами в области вычислительной техники. Окрыленный успехом в апреле 1952 Брук начинает новый проект - разработку вычислительной машины М-2, которая положила начало созданию экономичных машин среднего класса. В машине М-2 использовались 1879 ламп, меньше, чем в ''Стреле'', а средняя производительность составляла 2000 операций в секунду. М-2 имела трехадресную систему команд, формат 34 двоичных разряда, представление чисел с плавающей точкой и фиксированной точкой, память на электронно-лучевых трубках (ЭЛТ) емкостью 512 чисел и дополнительную память на магнитном барабане емкостью 512 чисел. Были задействованы 3 типа памяти: электростатическая на 34 трубках Вильямса, на магнитном барабане и на магнитной ленте с использованием обычного для того времени магнитофона МАГ-8И уже через полгода новая машина была смонтирована и поставлена на отладку, а к лету будущего года заработала в полном объеме.  На этой машине проводились расчеты по ядерным исследованиям для Института атомной энергии, проводились расчеты по прочности плотин, строящихся тогда Куйбышевской и Волжской гидроэлектростанций, проводились расчеты термодинамических и газодинамических параметров воздуха для задач, связанных с запуском ракет. О высоких характеристиках машины говорит тот факт, что она эксплуатировалась в течение 15 лет. Вероятно, впервые в М-2 М.А.Карцевым была реализована идея укороченных адресов в командах и укороченных кодов операций. Эта идея была предшественником способов формирования исполнительных адресов в ЭВМ второго и третьего поколений.

Тем не менее, эта машина не была запущена в серию. Сказалось противодействие  со стороны Министерства машиностроения и приборостроения, который как монополист в области производства электронной аппаратуры не поставлял необходимые для сбора машины компоненты и всеми силами пытался "протолкнуть" свою более слабую и менее надежную машину.

Почти одновременно с конструированием М-2 Брук начал  разработку машины М-3,которая работала с 30-разрядными двоичными числами с фиксированной точкой, имела двухадресный формат команд, память емкостью 2048 чисел на магнитном барабане и производительность 30 оп/сек. При работе с ферритовой памятью той же емкости производительность М-3 возрастала до 1,5 тыс. оп/сек. Она имела всего 770 электронных ламп и 3тыс. купроксных диодов и занимала площадь 3 кв.м. Основные идеи построения М-3 были сформулированы И.С.Бруком, Н.Я.Матюхиным и В.В.Белынским. Но внедрение и этой машины встретило сильные препятствие. Ввину разработчикам было поставлено, что эта машина появилась "незаконно". Она была разработана в порядке личной инициативы. Тем не менее этой машине повезло больше. Она стала основой для разработок на ее основе машин в Армении, Белоруссии, Венгрии и Китая. 

В традициях  школы малых ЭВМ И.С.Брука была выполнена разработка машины "Сетунь", выпускавшейся серийно Казанским заводом ЭВМ. Автор машины "Сетунь" Н.П.Брусенцов сотрудничал с И.С.Бруком во время создания М-2 и развил инженерные подходы к конструированию малых ЭВМ, которые были свойственны школе И.С.Брука. Машина "Сетунь" интересна тем, что она была основана на троичной системе счисления. Интересен также опыт программирования задач на машине "Сетунь", который дал представление о подходах к структурному программированию и диалоговому режиму работы. 

В 1956 году И.С.Брук выступил с докладом на сессии Академии наук, где изложил главные направления промышленного применения вычислительных машин. В 1958 году под его руководством была подготовлена проблемная  записка "Разработка теории, принципов построения и применения специализированных вычислительных и управляющих машин".  Эти документы явились толчком для организации в СССР ряда научно-исследовательских организаций и конструкторских бюро по управляющим машинам и системам. В частности был создан Институт электронных управляющих машин (ИНЭУМ) Академии наук, первым директором, которого был назначен И.С.Брук. Одновременно он был утвержден Президиумом АН СССР научным руководителем проблемы "Разработка теории, принципов построения и применения управляющих машин".