Машины И.С. Брука и его учеников

Исаак Семенович Брук - один из пионеров отечественной вычислительной техники. Он закончил МВТУ им. Н.Э.Баумана в 1925 г. (в одной группе с ним учился С.А.Лебедев). По окончании учебы работал во Всесоюзном электротехническом институте, на заводе в Харькове, с 1935 г. - в Энергетическом институте АН. Занимался разработкой механических и электронных аналоговых интеграторов. В 1948 г. вместе с Б.И. Рамеевым разработал проект цифровой ЭВМ, который так и не был реализован.

К созданию электронных цифровых вычислительных машин И.С. Брук вернулся в 1950 г. после принятия на работу талантливых выпускников МЭИ, среди которых были будущие крупные ученые и разработчики ЭВМ Н.Я. Матюхин и М.А. Карцев.

Матюхин Николай Яковлевич (1927-1984) - один из главных создателей вычислительной техники в СССР, один из первых разработчиков САПР вычислительных систем и устройств. Он в 1950 г. окончил МЭИ и был направлен в Энергетический институт АН СССР в лабораторию И.С. Брука.

Первой ЭВМ, созданной под руководством И.С. Брука, стала машина М-1. Ее главным конструктором фактически стал молодой специалист Н.Я. Матюхин. Машина М-1 была сдана в эксплуатацию в 1952 г. и стала второй ЭВМ в стране (после МЭСМ) и первой в Москве.

М-1 открыла новое направление в развитии отечественной вычислительной техники - малые ЭВМ преимущественно для научных применений. Позже Брук сформулирует концепцию создания малогабаритных специализированных и управляющих машин.

Машина М-1 действительно была первой малогабаритной ЭВМ. Она содержала 730 ламп и занимала площадь 15 м² (для сравнения МЭСМ - 6 тыс. ламп и 60 м²). М-1 выполняла 15-20 операций в секунду (сложение - 20 мс, умножение 2 с), оперативная память имела емкость 512 слов по 25 разрядов. М-1 создана в единственном экземпляре и использовалась для важных расчетов, которые выполняли коллективы под руководством академика И.В. Курчатова и главного конструктора С.П. Королева.

Машина М-2 также создавалась в лаборатории Брука. Ее главным конструктором был Михаил Александрович Карцев (1923-1983) - один из видных создателей отечественной вычислительной техники, в то время также выпускник МЭИ, сотрудник лаборатории Брука.

Работа над М-2 была проведена в короткий срок - с апреля по декабрь 1952 г. Быстродействие - 2 тыс. операций в секунду, содержала более 1,5 тыс. ламп. Эта машина была более совершенной, чем М-1, и эксплуатировалась 15 лет. Ее использовали Энергетический институт АН СССР, Институт экспериментальной и теоретической физики, Институт прогнозов погоды, МАИ, Курчатовский институт, Институт механики АН СССР, Институт экономики и др. Использование М-2 сопровождалось созданием математического обеспечения, включая обслуживающие программы - предшественницы операционных систем.

После сдачи в эксплуатацию М-1 Матюхин стал заниматься разработкой М-3. Эта ЭВМ была завершена в 1956 г. Она занимала всего 3 м² площади и была очень удачной с точки зрения технических решений: быстродействие 1,5 тыс. операций в секунду; память на ферритовых сердечниках. Схемы М-3 были взяты за основу при серийном производстве ЭВМ:

- в Армении (Ереванский институт математических машин) по документации М-3 в производство были запущены ЭВМ «Арагац» и «Раздан»;

- в Белоруссии (Завод счетных машин в Минске) машина М-3 взята за основу первой ЭВМ серии «Минск».

Схемы М-3 были переданы в АН Китая и Венгрии, что способствовало развитию вычислительной техники в этих странах.

Таким образом, М-3 окончательно воплотила концепцию Брука по созданию малогабаритных ЭВМ общего назначения, включая управление производственными процессами.

В 1956 г. лаборатория Брука выделилась из Энергетического института в самостоятельный научный коллектив под названием «Лаборатория управляющих машин и систем (ЛУМС)», которая в 1958 г. была переименована в ИНЭУМ - Институт электронных управляющих машин.

В 1957 г. ЛУМС приступает к разработке секретной ЭВМ для управления и обработки информации радиолокационной станции «Днепр», которая строилась в рамках системы раннего предупреждения о ракетном нападении (СПРН). Так же как и противоракетная оборона, эта система только начинала создаваться в СССР. Заметим, что ЭВМ для систем противоракетной обороны создавались под руководством С.А. Лебедева.

Задача управления такой РЛС предъявляла очень серьезные требования к объемам информации, скорости обработки, емкости памяти, надежности машины. Главным конструктором М-4 стал М.А. Карцев. Это был решающий поворот в его жизни. Вся дальнейшая научная деятельность будет связана с вычислительной техникой для СПРН.

М-4 была одной из первых машин на полупроводниковых транзисторах. Однако память по-прежнему делалась на ферритовых сердечниках. При создании М-4 был сделан ряд удачных новых решений:

- впервые внутренняя память была разделена на оперативную память данных и ПЗУ программ и констант (в результате повышалась устойчивость к отказам и сбоям);

- в М-4 появились спецпроцессоры ввода/вывода (параллельно выполнялись обработка данных и обмен с внешними устройствами);

- аппаратно реализовали операцию извлечения квадратного корня (в указанных задачах эта операция занимает примерно 30 % общего времени счета).

В итоге М-4 работала со скоростью 20 тыс. операций в секунду. В 1960 г. Загорский электромеханический завод выпустил 2 экземпляра машины М-4. Одну из машин установили на объект - РЛС «Днепр» около озера Балхаш. Совместно с разработчиками РЛС выполнялась настройка М-4. В 1962 г. объект в целом прошел государственные испытания и был принят в эксплуатацию.

Сложная структура СПРН предъявляла особые требования к мощности ЭВМ. В середине 60-х годов Карцев приходит к выводу, что при сохранении традиционной фон неймановской структуры быстродействие ЭВМ достигнет предела, за которым рост производительности станет невозможным. Причина - ограниченная скорость распространения электрических сигналов. Выход Карцев видел в создании многопроцессорных систем, которые могут параллельно выполнять различные части вычислительных задач.

В 1967 г. был предложен проект комплекса М-9. Система должна была состоять из нескольких крупных блоков, называемых «связками» и объединенных мощными магистральными связями. Центральная роль отводилась «функциональной связке» - матрице вычислителей с общим потоком команд (SIMD), которая выполняла операции не над числами, как в традиционных машинах, а над функциями одного или двух операндов, заданных в дискретных точках. Выполнение алгоритмов с меньшим параллелизмом возлагалось на «числовую связку» - линейный блок вычислителей (фактически векторную машину). «Ассоциативная связка» предназначалась для выполнения операций сравнения.

Кроме того, проект М-9 предусматривал возможность объединения нескольких таких комплексов в единую систему. По оценкам разработчиков, реализация всех этих идей должна была обеспечить быстродействие в миллиард операций в секунду.

Это была слишком смелая идея, и проект не был воплощен. В 1967 г. еще даже не пошла в эксплуатацию БЭСМ-6 с производительностью в 1 млн операций в секунду. В результате организационных сложностей отдел под руководством Карцева вышел из состава ИНЭУМ и был преобразован в НИИ вычислительных комплексов (НИИ ВК).

В 1972 г. завершилось создание новой ЭВМ (после М-4) для СПРН. Разработчики назвали ее М-10, заказчик обозначал как 5Э66. Это была суперпроизводительная ЭВМ, на основе которой создана система слежения за объектами в космосе с целью предупреждения о возможном ракетном нападении.

Машина М-10 была реализована как часть комплекса М-9, а именно - «числовая связка». М-10 - это многопроцессорная вычислительная система на микросхемах с распараллеливанием на уровнях команд и данных. Технические особенности: длинное командное слово с двумя кодами операций для одновременного выполнения на разных АЛУ; использование векторных операций. Несколько машин М-10 могли объединяться в более сложную систему и обеспечивать распараллеливание на уровне задач.

М-10 имела быстродействие 5 млн операций в секунду, емкость внутренней памяти - 5 Мбайт. С такими характеристиками она превосходила все советские машины до начала 80-х годов, но была секретной ЭВМ. В определенных физических расчетах М-10 была быстрее БЭСМ-6 более чем в 20 раз и в 45 раз быстрее одной из старших моделей ЕС ЭВМ.

В ЭВМ М-10 Карцев еще в начале 70-х годов реализует базовые принципы RISC-архитектуры:

- длинное командное слово;

- сокращенный набор команд;

- выполнение большинства операций за 1 такт.

Операционная система с разделением времени позволяла одновременно работать на машине с 8 терминальных пультов.

Следующий комплекс М-13 дорабатывался уже после смерти М.А. Карцева. Машина М-13 была запущена в производство в 1984 г. Она представляла собой многопроцессорную ЭВМ на элементной базе четвертого поколения – БИС, предназначенную для обработки больших потоков информации в реальном масштабе времени.

Предыдущая машина М-10 предусматривала распараллеливание вычислений на трех уровнях: уровне команд (длинное командное слово); уровне данных (векторная команда); уровне программ (многомашинные комплексы). В М-13 разработчики ограничились распараллеливанием на уровне данных, но добавили конвейеризацию операций. Машина М-13 стала первой в СССР векторно-конвейерной ЭВМ.

М-13 предназначалась для работы в комплексе с новой РЛС в системе СПРН. М-13 - это многопроцессорная машина, в которой каждый процессор был ориентирован на выполнение определенных функций. Все устройства ЭВМ группировались по функциональному назначению.

Основные вычисления выполнялись в центральной процессорной части, которая включала векторное АЛУ из 4, 8 или 16 арифметических процессоров (в зависимости от модели) и процессор мультиплексного канала. Производительность этой части составляла 12, 24 или 48 млн операций в секунду соответственно (в зависимости от конфигурации). В АЛУ была реализована уникальная система аппаратного контроля, которая автоматически обнаруживала любой неисправный блок.

Следующая группа устройств представляла собой средства аппаратной поддержки ОС и содержала центральный управляющий процессор, таблицы виртуальной трехуровневой памяти и средства поиска.

Еще одна часть машины - абонентская система - состояла из программируемых сопрягающих процессоров для подключения различных внешних устройств.

Для работы в составе вычислительного комплекса РЛС в М-13 потребовалось включить спецпроцессор цифровой обработки сигналов. Он выполнял такие функции, как быстрое преобразование Фурье (БПФ), вычисление корреляционных функций, сравнение с пороговыми значениями, проверка гипотез и др. Базовая операция этого спецпроцессора - двухточечное преобразование Фурье - выполнялась за один такт.

Далее кратко отметим достижениями другого известного ученика Брука - Матюхина Н.Я. В 1957 г. Матюхин и группа сотрудников лаборатории Брука перешли на работу в НИИ АА (НИИ автоматической аппаратуры). Тогда в этом НИИ началась разработка аппаратуры для советской системы ПВО. Матюхин в качестве главного конструктора участвовал в разработке ряда специализированных ЭВМ для управления в системах ПВО. Это ЭВМ «Тетива» (1962 г.), 5Э63 (1965 г.), 5Э76 (1973 г.), комплекс 65с180 (1976 г.) и др. Некоторые их этих машин выпускались до 1992 г. Например, машин 5Э63-1 было выпущено 330 штук.

Первая ЭВМ Матюхина для ПВО «Тетива» оказалась одновременно первой советской ЭВМ на полупроводниках и первой в СССР машиной с микропрограммным управлением. Также одним из первых в СССР Матюхин в этой машине реализовал разделение памяти данных (ОЗУ) и памяти программ (ПЗУ), что важно для повышения надежности.

В 1969 г. началась работа над глобальной АСУ оборонного назначения. Эта система должна была охватить территорию всей страны от Балтийского моря до Тихого океана сетью центров коммутации сообщений. К 1976 г. этот фактически первый проект глобальной сети ЭВМ в СССР стал реальностью. Он обеспечивал устойчивую связь между такими центрами коммутации сообщений и их безотказную круглосуточную работу в автоматическом режиме.

В центрах коммутации сообщений использовались двухмашинные комплексы на базе ЭВМ 5Э76. При любых сбоях происходило автоматическое переключение с машины на машину, хотя в комплексе было предусмотрено и рабочее место оператора. Опыт создания отказоустойчивых кластеров из двух машин был получен при создании комплексов из ЭВМ «Тетива» на объектах ПВО.

Машина 5Э76 интересна тем, что в этой специализированной ЭВМ была реализована архитектура универсальных машин серии ЕС ЭВМ. Это позволило значительно упростить разработку сложнейшего программного обеспечения для систем ПВО. Однако труднее стало строить аппаратную часть, так как к машинам специального назначения предъявляют особые требования по элементной базе, конструкции и др. Коллектив Матюхина был готов к решению этой задачи, поскольку с 1964 г. сам Матюхин серьезно занимался проблемой автоматизации проектирования средств вычислительной техники.

Заслугой Матюхина является создание первой в СССР САПР средств вычислительной техники с названием АСП-1 (1968 г.). В частности, в этой системе для логического моделирования цифровых устройств были предложены язык МОДИС и моделирующая программа на его основе.

Под руководством Матюхина издана первая в СССР книга по САПР ЭВМ, вышедшая в 1968 г. (монография «Применение вычислительных машин для проектирования цифровых устройств» под ред. Н.Я. Матюхина. М.: Советское радио, 1968 г.) Она содержала важнейшие принципы построения САПР ЭВМ, которые затем удалось с успехом применить на практике.