Текст книги "Очерки истории советской вычислительной техники"

Автор книги: Наталья Дубова

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 4 страниц)

Наталья Дубова
Очерки истории советской вычислительной техники

Очерк первый: ИТМ и ВТ. Машины 1 и 2 поколений

Подпись к рисунку: Многие принципы структурной организации БЭСМ-6 были революционными для своего времени и предвосхищали архитектурные особенности машин третьего поколения. «Генеология» вычислительной техники в СССР.

Плачевное состояние советской вычислительной техники сегодня, как говорится, налицо. Окидывая беглым взглядом эту некогда славную империю, родину знаменитых БЭСМов, давшую миру столько выдающихся инженеров – специалистов в компьютерной области, видишь лишь дым пожарища. Все сгорело!..

Нет, где-то вроде еще теплится жизнь. Вот остатки НИЦЭВТ под флагом IBM, вот ИНЭУМ, тоже еще живой... И все же это погорельцы. Однако, как было ясно еще Грибоедову, и дым отечества нам сладок и приятен. Бросим еще один взгляд на родные пепелища. Если и не утешимся, то по крайней мере ответим на кое-какие вопросы. Например: была ли у нас альтернатива западному пути в компьютеростроении, как была она в космонавтике и оборонной промышленности? Или для нас неизбежным было копирование IBM, как в политике и экономике единственным выходом оказалась западная либерализация? А может быть либерализация 90-х годов стала неизбежной после всеобщего поворота к архитектуре IBM в конце 60-х годов?

Как бы то ни было, печальный итог вполне закономерен. Можно говорить о негибкости советской экономики вообще, о принципиальной для нее невозможности воспринимать и эффективно использовать достижения научно-технического прогресса. В сфере вычислительной техники все экономические пороки проявили себя раньше и ярче, чем в других отраслях советской промышленности. Возможно, потому, что именно здесь последние 50 лет идет наиболее интенсивное, захватывающее широкий круг людей научно-техническое развитие.

И тем не менее, кажется, все могло быть иначе. 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"?

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.