Цитата сообщения _Maximus_ Очерки истории советской вычислительной техники

Отрывок:
...
Не вызывает сомнения тот факт, что Советский Союз в 50-е – 60-е годы имел очень сильную научную школу, точнее, несколько школ разработки вычислительной техники. Первые модели электронных счетных машин появляются примерно в одно и то же время в США и Европе (Англия) и чуть позже в СССР. Идеи создания таких машин зарождаются в разных странах, можно сказать, параллельно.

Когда советские ученые начинали свои разработки, они знали, что на Западе ЭВМ уже существуют. Однако сведения были весьма скудными, и на данном этапе говорить о каком-либо копировании западных образцов нельзя. Идеи и разработки были совершенно оригинальными.

В конце 60-х годов в стране был накоплен достаточный опыт по производству ЭВМ. В этот момент делается решительный шаг от многообразия к унификации, от моделей с различными принципами организации к серии машин единой архитектуры разной производительности. В качестве образца такой единой серии выбирается архитектура мейнфреймов IBM 360. Этот поворотный момент в истории советской вычислительной техники трактуется по-разному, в том числе, как начало ее конца. Однако, как мы видим сегодня, при всем многообразии моделей, есть ряд определяющих архитектурных стандартов, которых придерживаются разработчики компьютеров во всем мире.

В пользу выбора архитектуры американских машин говорит также тот факт, что в нашей стране практически отсутствовала индустрия программного обеспечения. Воспроизведение архитектурных принципов западных систем автоматически давало нам в руки богатейшую библиотеку ПО.

Другое дело, что создание IBM- или DEC-подобных компьютеров происходило, по сути, без возможности легального доступа к первоисточникам. Можно только предположить, насколько плодотворным было бы открытое сотрудничество ученых двух стран. Однако тогда машины воспроизводились во многом на основании лишь примерных сведений об их прототипах, так что нашим разработчикам все же оставался большой простор для творчества. Создатели ЕС и СМ настаивают на том, что эти машины являются оригинальными разработками, ориентированными на отечественную промышленность.

Общение с ведущими специалистами советского компьютеростроения 70-х – 80-х годов позволяет сделать вывод, что одной из основных причин печального конца отечественного компьютеростроения была очень слабая элементная база. Уже в 80-е годы отстававание на уровне чипов было катастрофическим, и о создании конкурентоспособных ПК в стране не могло быть и речи. Опять же запрет на использование западной микроэлементной базы, который можно объяснить только политическими соображениями, не давал возможности производить вычислительную технику на современном уровне. Если бы такого запрета не было, вероятно, дела пошли бы иначе. Во всяком случае, опыт современных российских сборщиков позволяет так думать.

На мой взгляд, нашей главной бедой в этой области было отсутствие нормальной интеграции в мировой процесс развития вычислительной техники. Если бы работа шла в условиях сотрудничества на равных, то при нашем научном потенциале наверняка результаты были бы совсем иные.

А начиналось все, как уже говорилось, параллельно и независимо, в характерной для холодной войны обстановке глубочайшей секретности. В США главным заказчиком зарождающейся вычислительной техники было Министерство обороны. У нас в конце 40-х – начале 50-х годов появляются первые идеи, первые проекты и, наконец, первые цифровые вычислительные машины – совершенно оригинальные, не скопированные с западных образцов. Собственно, никаких образцов и быть не могло. Формируются основные научные школы, создававшие машины первого и второго поколений. Это прежде всего школа выдающегося ученого, основоположника ЦВМ в нашей стране, академика С.А.Лебедева. Это школа И.С. Брука, под руководством которого создавались малые и управляющие ЭВМ. Это Пензенская научная школа, которую возглавлял Б.И. Рамеев и которая до конца 60-х годов успешно занималась универсальной вычислительной техникой общего назначения (см. схему). Безусловно, в одной статье невозможно дать полную картину развития советской вычислительной техники. За рамками нашего рассказа останется многое: деятельность выдающегося ученого В.М.Глушкова – блестящего теоретика и практика в деле разработки вычислительной техники, еще в 60-е годы выдвинувшего идею создания глобальной информационной инфраструктуры по управлению экономическими процессами; разработка ЭВМ для спецприменений, которой занимались Н.Я. Матюхин и М.А.Карцев, ученики И.С.Брука; компьютеростроение в Белоруссии и Армении, разработка нетрадиционных архитектур ЭВМ. Каждая из этих тем заслуживает отдельного разговора. Да мы и не стремились охватить все. Равно как и не можем гарантировать абсолютной объективности изложения, поскольку опирались в основном на субъективные воспоминания участников тех событий. Но, без сомнения, историю развития ЭВМ в своем отечестве надо знать. Надо знать, что она была, богатая событиями и выдающимися личностями. "И дым отечества нам сладок и приятен"ѕ
Школа Лебедева: высокопроизводительные ЭВМ

В первые послевоенные годы Сергей Александрович Лебедев был директором Института электротехники АН Украины и по совместительству руководил лабораторией Института точной механики и вычислительной техники АН СССР. В этих научных организациях и была начата разработка первых действующих ЭВМ. Нашим ученым было известно о создании в США машины ENIAC – первой в мире ЭВМ с электронными лампами в качестве элементной базы и автоматическим программным управлением. В 1948-49 годов в Англии появились вычислительные машины с хранимыми в памяти программами. Сведения о разработках на Западе поступали отрывочные, и, естественно, документация по первым ЭВМ была недоступна нашим специалистам.

Лебедев начал работу над своей машиной в конце 1948 года. Разработка велась под Киевом, в секретной лаборатории в местечке Феофания. Независимо от Джона фон Неймана Лебедев выдвинул, обосновал и реализовал в первой советской машине принципы построения ЭВМ с хранимой в памяти программой. Малая электронная счетная машина (МЭСМ) – так называлось детище Лебедева и сотрудников его лаборатории – занимала целое крыло двухэтажного здания и состояла из 6 тысяч электронных ламп. Ее проектирование, монтаж и отладка были выполнены в рекордно быстрый срок – за 2 года, силами всего лишь 12 научных сотрудников и 15 техников. Те, кто создавал первые вычислительные машины, были одержимы своей работой, и это вполне объяснимо. Несмотря на то, что МЭСМ по существу была лишь макетом действующей машины, она сразу нашла своих пользователей: к первой ЭВМ выстраивалась очередь киевских и московских математиков, задачи которых требовали использования быстродействующего вычислителя.

В своей первой машине Лебедев реализовал основополагающие принципы построения 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.

После Малой электронной машины была создана и первая Большая – БЭСМ-1, над которой С.И. Лебедев работал уже в Москве, в ИТМ и ВТ АН СССР. В 1953 году, после сдачи новой ЭВМ в эксплуатацию, ее создатель стал действительным членом АН СССР и директором института, который был в то время средоточием научной мысли в области вычислительной техники.

Одновременно с ИТМ и ВТ и конкурируя с ним, разработкой ЭВМ занималось недавно сформированное СКБ-245 со своей ЭВМ "Стрела". Между этими двумя организациями шла борьба за ресурсы, причем промышленное СКБ-245, находившееся в ведомстве Министерства машиностроения и приборостроения, часто получало приоритет по отношению к академическому ИТМиВТ. Только на "Стрелу", в частности, были выделены потенциалоскопы для построения запоминающего устройства, а разработчикам БЭСМ пришлось довольствоваться памятью на ртутных трубках, что серьезно повлияло на первоначальную производительность машины.

БЭСМ и "Стрела" составили парк созданного в 1955 году Вычислительного центра АН СССР, на который сразу легла очень большая нагрузка. Потребность в сверхбыстрых (по тем временам) расчетах испытывали математики, ученые-термоядерщики, первые разработчики ракетной техники и многие другие. Когда в 1954 году оперативная память БЭСМ была укомплектована усовершенствованной элементной базой, быстродействие машины (до 8 тысяч операций в секунду) оказалось на уровне лучших американских ЭВМ и самым высоким в Европе. Доклад Лебедева о БЭСМ в 1956 году на конференции в западногерманском городе Дармштадте произвел настоящий фурор, поскольку малоизвестная советская машина оказалась лучшей европейской ЭВМ. В 1958 году БЭСМ, теперь уже БЭСМ-2, в которой память на потенциалоскопах была заменена ЗУ на ферритовых сердечниках и расширен набор команд, была подготовлена к серийному производству на одном из заводов в Казани. Так начиналась история промышленного выпуска ЭВМ в Советском Союзе.
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.

Более производительной была следующая разработка Лебедева – ЭВМ М-20, серийный выпуск которой начался в 1959 году. Число 20 в названии означает быстродействие – 20 тысяч операций в секунду, объем оперативной памяти в два раза превышал ОП БЭСМ, предусматривалось также некоторое совмещение выполняемых команд. В то время это была одна из самых мощных машин в мире, и на ней решалось большинство важнейших теоретических и прикладных задач науки и техники.

Очень трудоемким и малоэффективным был процесс общения человека с машиной первого поколения. Как правило, сам разработчик, написавший программу в машинных кодах, вводил ее в память ЭВМ с помощью перфокарт и затем вручную управлял ее выполнением. Электронный монстр на определенное время отдавался в безраздельное пользование программисту, и от уровня его мастерства, способности быстро находить и исправлять ошибки и умения ориентироваться за пультом ЭВМ во многом зависела эффективность решения вычислительной задачи. Ориентация на ручное управление определяла отсутствие каких бы то ни было возможностей буферизации программ.

Надо отметить, что первые шаги к созданию основ системного программного обеспечения Лебедев сделал в машине М20,где были реализованы возможности написания программ в мнемокодах. И это значительно расширило круг специалистов, которые смогли воспользоваться преимуществами вычислительной техники.
Машины второго поколения. БЭСМ-6

В 1948 году американскими учеными был создан полупроводниковый транзистор, который стал использоваться в качестве элементной базы ЭВМ. Это изобретение позволило разработать машины значительно меньших габаритов и энергопотребления и гораздо более высокой производительности и надежности при меньшей стоимости. Для машин второго поколения тем более актуальной становилась задача автоматизации программирования, поскольку увеличивался разрыв между временем на разработку программ и непосредственно временем счета. Второй этап развития вычислительной техники конца 50-х – начала 60-х годов характеризуется созданием развитых языков программирования (Алгол, Фортран, Кобол) и освоением процесса автоматизации управления потоком задач с помощью самой ЭВМ, то есть разработкой операционных систем. Первые ОС автоматизировали работу пользователя по выполнению задания, а затем были созданы средства ввода нескольких заданий сразу (пакета заданий) и распределения между ними вычислительных ресурсов. Появился мультипрограммный режим обработки данных.

Если говорить в общих чертах о структурных изменениях машин второго поколения, то это, прежде всего, появление возможности совмещения операций ввода/вывода с вычислениями в центральном процессоре, увеличение объема оперативной и внешней памяти, использование алфавитно-цифровых устройств для ввода и вывода данных. "Открытый" режим использования машин первого поколения сменился "закрытым", при котором программист уже не допускался в машинный зал, а сдавал свою программу на алгоритмическом языке оператору ЭВМ, который и занимался ее дальнейшим пропуском на машине.

Компьютеры этого времени становились более доступными, расширялась область их применения и наряду с задачами вычислительными появлялись задачи, связанные с обработкой текстовой информации. Их решение стало возможным благодаря появлению команд, оперирующих символами. Тогда же, кстати, появился восьмиразрядный байт, байтовая струтктура ОП, более удобная для работы с текстами. Машины первого поколения имели гораздо большую разрядность, например, в БЭСМ-1 было 39 разрядов.

К концу 50-х годов советская электронная промышленность освоила и начала серийный выпуск транзисторов. Таким образом, появилась возможность создания ЭВМ на полупроводниковой элементной базе. Ярчайший представитель советских ЭВМ второго поколения – БЭСМ-6, вершина научного творчества С.А. Лебедева и его коллег. Рассказать об этой машине мы попросили чл.-кор. РАН Геннадия Георгиевича Рябова, директора ИТМиВТ, который много лет работал с Лебедевым и знает о легендарной БЭСМ-6 практически все. По его словам, при разработке этой машины с самого начала была задана высокая планка – приблизиться к производительности в миллион одноадресных операций в секунду. И это высочайшее на тот момент быстродействие было достигнуто.

Однако не только, и даже не столько высокой производительностью отличается эта машина. Многие принципы ее структурной организации были революционными для своего времени и, по существу, предвосхищали архитектурные особенности машин третьего поколения.

По целому ряду свойств это была необычная машина. Здесь было реализовано расслоение оперативной памяти на блоки, допускающие одновременную выборку информации, что позволяло резко повысить быстродействие обращений к системе памяти. Метод буферизации запросов к системе памяти вместе со специальными механизмами устройства управления давал возможность сгладить неравномерность поступления запросов к памяти и тем самым повысить эффективность ее использования. Еще одной структурной особенностью БЭСМ-6 является появление прообраза современной кэш-памяти – сверхоперативной, неадресуемой из программы памяти небольшого объема, в которой размещались часто используемые операнды и небольшие внутренние командные циклы. Применение таких быстрых регистров позволяло сократить число обращений к ОЗУ и существенно повысить общее быстродействие машины.

Перечисленные особенности структурной организации получили название "вододпроводной" структуры машины. По существу, впервые в советских ЭВМ было реализовано конвейерное асинхронное выполнение команд процессора. Кроме того, в БЭСМ-6 нашла воплощение идея виртуальной памяти – аппаратный способ преобразования математических (виртуальных) адресов в физические. Поддерживалась постраничная организация памяти и на этой основе – средства защиты информации, была создана развитая система прерываний, необходимая для эффективной реализации многозадачности и обращения к внешним устройствам.

Интересные архитектурные решения ЭВМ, как правило, имеют определенные излишества, которые требуют дополнительной аппаратуры. В то же время машина, предназначенная для серийного выпуска, должна быть достаточно рациональна в конструктивном отношении. В этой связи Г.Рябов подчеркнул, что С.А.Лебедев, генеральный конструктор БЭСМ-6, был действительно гениальным инженером: он сумел разработать во многих отношениях оригинальную архитектуру и в то же время отсечь все лишнее, все дополнительные компоненты, способные снизить надежность основной аппаратуры.

Заместителем С.А.Лебедева при разработке новой машины был Владимир Андреевич Мельников. Государственные испытания БЭСМ-6 завершились в 1967 году. А демонтаж последней машины этой марки произошел всего три-четыре года тому назад. По словам Г.Рябова, подобная ситуация уникальна – вряд ли в мире удастся найти другую модель, которая эксплуатировалась бы почти 25 лет. За все время существования БЭСМ-6 московским заводом САМ было выпущено 350 таких машин. Несмотря на отсутствие серийности производства в полном смысле этого слова – печатный монтаж находился в зачаточном состоянии, очень многие операции выполнялись вручную – роль этой системы для отечественной науки и народного хозяйства в целом трудно переоценить. На основе БЭСМ-6 создавались центры коллективного пользования, координационно-вычислительные системы телеобработки и т.д. Один пример: БЭСМ-6 успешно эксплуатировалась в центре управления полетами, в частности, при обработке информации по программе "Союз-Аполлон". География применения БЭСМ-6 тоже впечатляет: эта машина работала не только в обеих столицах, но и на Дальнем Востоке, в Новосибирске, Иркутске и многих других городах Советского Союза.

Будучи универсальной, а не управляющей машиной, БЭСМ-6, тем не менее, могла использоваться в системах управления реального времени за счет высокой скорости обработки данных, а также очень хорошего программного обеспечения. О матобеспечнии этой машины стоит сказать особо. При создании БЭСМ-6 впервые с успехом объединились как инженерные, так и математические научные силы. И именно начиная с БЭСМ-6 матобеспечение стало поставляться заводом-изготовителем как неотъемлемая часть системы. Институт прикладной математики АН СССР, Вычислительный центр Академии наук, Московский Государственный Университет сделали очень многое, чтобы достойно "одеть" новую машину. Созданная в Университете библиотека численных методов для БЭСМ-6 сама по себе представляла огромную ценность.

Структурные особенности БЭСМ-6, такие как постраничная организация памяти, защита, механизмы прерываний и поддержка режимов многозадачности, позволяли развернуть на ней полноценную операционную систему. Такая операционная система была разаработана в МГУ под руководством член-корреспондента АН СССР Льва Николаевича Королева.
Многопроцессорные вычислительные комплексы "Эльбрус"

В дальнейшем ИТМиВТ продолжил работы по созданию суперЭВМ, разработав семейство высокопроизводительных машин "Эльбрус". Этот проект был начат еще Лебедевым, а после его смерти работу и институт возглавил ученик и соратник ученого Всеволод Сергеевич Бурцев. В конце 60-х в стране были начаты работы по созданию единой серии ЭВМ общего назначения, о чем мы подробнее поговорим позже. Надо сказать, что С.А.Лебедеву предлагали возглавить этот масштабный проект, однако академик предпочел развивать линию вычислительных систем сверхвысокой производительности. Разработка таких "предельных" машин имела определенные отличия от создания универсальных ЭВМ, поскольку здесь предъявлялись максимальные требования и к архитектуре, и к элементной базе, и к конструкции вычислительной системы.

Говоря об "Эльбрусах", нам придется несколько забежать вперед, поскольку эти ЭВМ относятся даже не к третьему, а к четвертому поколению вычислительной техники. В работе над "Эльбрусами" и ряде предшествующих им разработок института во главу угла ставились вопросы эффективной реализации отказоустойчивости и безостановочной работы системы. Поэтому в них появляются такие особенности, как многопроцессорность и связанные с ней средства распараллеливания ветвей задачи.

Многопроцессорный вычислительный комплекс Эльбрус-1, выпущенный в 1979 году, включал 10 процессоров и базировался на схемах средней интеграции. В этой машине советские ученые опередили американцев, создав симмеричную многопроцессорную систему с общей памятью. По принципам построения система команд ЦП "Эльбрусов" близка системе команд машин компании Burroughs, считающейся нетрадиционной. Машина Эльбрус-1 обеспечивала быстродействие от 1,5 млн. до 10 млн. оп/с, а Эльбрус-2 – более 100 млн. оп/с.

Эльбрус-2, работа над которым была завершена в 1985 году, также представлял собой симметричный многопроцессосрный вычислительный комплекс из 10 суперскалярных процессоров на матричных полузаказных БИС, которые выпускались в Зеленограде. Серийное производство машин такой сложности потребовало срочного развертывания систем автоматизации проектирования ЭВМ, и эта задача была решена под руководством Г.Г.Рябова настолько успешно, что ее авторы были удостоены Государственной премии.

"Эльбрусы" вообще несли в себе ряд революционных новшеств. Суперскалярность процессорной обработки, симметричная многопроцессорная архитектура с общей памятью, реализация защищенного программирования с аппаратными типами данных – все эти возможности появились в отечественных машинах раньше, чем на западе. Г.Г.Рябов особо выделил создание единой операционной системы для многопроцессорных комплексов, которым руководил Борис Арташесович Бабаян, в свое время отвечавший за разработку системного программного обеспечения БЭСМ-6. Одной из важнейших задач этой ОС было управление параллельно выполняющимися процессами и их синхронизация.

Наконец, функционирование столь масштабных систем требовало особого внимания к вопросам сопровождения и ремонта, замены элементов, обеспечения нон-стопности и помехоустойчивости ЭВМ, поиска эффективных решений проблемы теплоотвода и т.д.

"Эльбрусы" были мощными счетными машинами, потребность в которых испытывали многие научные организации. Но основным заказчиком этих комплексов был ВПК. Машины работали в целом ряде важных систем, связанных с обработкой радиолокационной информации, на них считали в номерных Арзамасе и Челябинске, ими комплектовалась обработка данных в центре управления полетами. На некоторых крупных объектах "Эльбрусы" функционируют и по сей день.

Интересно, что в рамках программы "Эльбрус" в конце 80-х годов была создана микроэлектронная копия БЭСМ-6 – суперЭВМ "ЭльбрусБ" (руководитель работы – М.В.Тяпкин), на которой можно было работать в системе команд БЭСМ-6. Этих машин было выпущено немного, не более десятка экземпляров, из них четыре стояли в вычислительном центре МГУ. Благодаря им эстафетная палочка богатейшего матобеспечения БЭСМ6 была передана в 80–90-е годы.

Работа над последней машиной семейства, Эльбрус-3, с быстродействием до 1 млрд. оп/с и 16 процессорами, была закончена в 1991 году. Однако на существовавшей в тот момент элементной базе система получилась чересчур громоздкой. Кроме того, как отмечает Г.Г.Рябов, в это время развитие рабочих станций и появление возможностей строить комплексы на их основе позволяли сделать вывод, что наращивание мощности за счет более простых структур во многих отношениях может оказаться экономически эффективнее.

Сама статья тут