Советские компьютеры: преданные и забытые (Начало)

[moscowfix]

Советские компьютеры: преданные и забытые
10.12.02
Владимир Сосновский, Антон Орлов

Советские компьютеры... Для большинства читателей это словосочетание наверняка звучит довольно странно, — на протяжении последнего десятка лет найти хотя бы какое-нибудь "железо" российского производства было неразрешимой задачей. Но такая ситуация сложилась именно в последнее десятилетие, — в предыдущие годы компьютеростроение в нашей стране развивалось, и довольно успешно.

Однако в истории советских компьютеров случались и вершины успеха, и пропасть предательства. Да-да — и предательства, приведшего к очень серьезным последствиям.

Обо всем этом и пойдет дальше рассказ.

Сколько критических стрел было выпущено за последние годы по поводу состояния нашей вычислительной техники! И что была она безнадежно отсталой (при этом обязательно ввернут про "органические пороки социализма и плановой экономики"), и что сейчас развивать ее бессмысленно, потому что "мы отстали навсегда". И почти в каждом случае рассуждения будут сопровождаться выводом, что "западная техника всегда была лучше", что "русские компьютеры делать не умеют"...

Обычно, критикуя советские компьютеры, акцентируется внимание на их ненадежности, трудности в эксплуатации, малых возможностях. Да, многие программисты "со стажем" наверняка помнят те "зависающие" без конца "Е-Эс-ки" 70-80-х годов, могут рассказать о том, как выглядели "Искры", "Агаты", "Роботроны", "Электроники" на фоне только начавших появляться в Союзе IBM PC (даже и не последних моделей) в конце 80-х — начале 90-х, упомянув о том, что такое сравнение оканчивается отнюдь не в пользу отечественных компьютеров. И это так — указанные модели действительно уступали западным аналогам по своим характеристикам.

Но стоит заметить, что эти перечисленные марки компьютеров отнюдь не являлись лучшими отечественными разработками, — несмотря на то, что были наиболее распространенными. И на самом деле советская электроника не только развивалась на мировом уровне, но и иной раз опережала аналогичную западную отрасль промышленности!

Но почему же тогда сейчас мы используем исключительно иностранное "железо", а в советское время даже с трудом "добытый" отечественный компьютер казался грудой металла по сравнению с западным аналогом? Не является ли утверждение о превосходстве советской электроники голословным?

Нет, не является! Почему? Ответ — в этой статье.

Слава наших отцов

Официальной "датой рождения" советской вычислительной техники следует считать, видимо, конец 1948 года. Именно тогда в секретной лаборатории в местечке Феофания под Киевом под руководством Сергея Александровича Лебедева (в то время — директора Института электротехники АН Украины и по совместительству руководителя лаборатории Института точной механики и вычислительной техники АН СССР)

начались работы по созданию Малой Электронной Счетной Машины (МЭСМ). Лебедевым были выдвинуты, обоснованы и реализованы (независимо от Джона фон Неймана) принципы ЭВМ с хранимой в памяти программой.

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.
Проектирование, монтаж и отладка МЭСМ были выполнены в рекордно короткие сроки (примерно 2 года) и проведены силами всего 17 человек (12 научных сотрудников и 5 техников). Пробный пуск машины МЭСМ состоялся 6 ноября 1950 года, а регулярная эксплуатация — 25 декабря 1951 года.

В 1953 году коллективом, возглавляемым С.А.Лебедевым, была создана первая большая ЭВМ — БЭСМ-1 (от Большая Электронная Счетная Машина), выпущенная в одном экземпляре. Она создавалась уже в Москве, в Институте точной механики (сокращенно — ИТМ) и Вычислительном центре АН СССР, директором которого и стал С.А.Лебедев, а собрана была на Московском заводе счетно-аналитических машин (сокращенно — САМ). После комплектации оперативной памяти БЭСМ-1 усовершенствованной элементной базой ее быстродействие достигло 10000 операций в секунду — на уровне лучших в США и лучшее в Европе. В 1958 году после еще одной модернизации оперативной памяти БЭСМ, уже получившая название БЭСМ-2, была подготовлена к серийному производству на одном из заводов Союза, которое и было осуществлено в количестве нескольких десятков.

Параллельно шла работа в подмосковном Специальном конструкторском бюро № 245, которым руководил М.А.Лесечко, основанном также в декабре 1948 года приказом И.В.Сталина. В 1950-1953 гг. коллектив этого конструкторского бюро, но уже под руководством Базилевского Ю.Я. разработал цифровую вычислительную машину общего назначения "Стрела" с быстродействием в 2 тысячи операций в секунду. Эта машина выпускалась до 1956 года, а всего было сделано 7 экземпляров. Таким образом, "Стрела" была первой промышленной ЭВМ, — МЭСМ, БЭСМ существовали в то время всего в одном экземпляре.

Вообще, конец 1948 года был крайне продуктивным временем для создателей первых советских компьютеров. Несмотря на то, что обе упомянутые выше ЭВМ были одними из лучших в мире, опять-таки параллельно с ними развивалась еще одна ветвь советского компьютеростроения — М-1, "Автоматическая цифровая вычислительная машина", которой руководил И.С.Брук. М-1 была запущена в декабре 1951 года — одновременно с МЭСМ и почти два года была единственной в Российской Федерации действующей ЭВМ (МЭСМ территориально располагалась на Украине, под Киевом). Однако быстродействие М-1 оказалось крайне низким — всего 20 операций в секунду, что, впрочем, не помешало решать на ней задачи ядерных исследований в институте И. В. Курчатова. Вместе с тем М-1 занимала довольно мало места — всего 9 квадратных метров (сравните со 100 кв.м. у БЭСМ-1) и потребляла значительно меньше энергии, чем детище Лебедева. М-1 стала родоначальником целого класса "малых ЭВМ", сторонником которых был ее создатель И.С.Брук. Такие машины, по мысли Брука, должны были предназначаться для небольших конструкторских бюро и научных организаций, не имеющих средств и помещений для приобретения машин типа БЭСМ.

В скором времени М-1 была серьезно усовершенствована, и ее быстродействие достигло уровня "Стрелы" — 2 тысячи операций в секунду, в то же время размеры и энергопотребление выросли незначительно. Новая машина получила закономерное название М-2 и введена в эксплуатацию в 1953 году. По соотношению стоимости, размеров и производительности М-2 стала наилучшим компьютером Союза. Именно М-2 победила в первом международном шахматном турнире между компьютерами.

В результате в 1953 году серьезные вычислительные задачи для нужд обороны страны, науки и народного хозяйства можно было решать на трех типах вычислительных машин — БЭСМ, "Стрела" и М-2. Все эти ЭВМ — это вычислительная техника первого поколения. Элементная база — 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 ("арифметико-логическое устройство", блок, непосредственно выполняющий преобразования данных) 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.

На Западе дело в то время обстояло не слишком лучше. Вот пример из воспоминаний академика Н.Н.Моисеева, ознакомившегося с опытом своих коллег из США: "Я увидел, что в технике мы практически не проигрываем: те же самые ламповые вычислительные монстры, те же бесконечные сбои, те же маги-инженеры в белых халатах, которые исправляют поломки, и мудрые математики, которые пытаются выйти из трудных положений." Напомним, что в 1953 г. в США был выпущен компьютер IBM 701 с быстродействием до 15 тысяч операций в секунду, построенный на электронно-вакуумных лампах, бывший наиболее производительным в мире.

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 наиболее мощных и надежных машин в мире, и на ней решалось немало важнейших теоретических и прикладных задач науки и техники того времени. В машине М20 были реализованы возможности написания программ в мнемокодах. Это значительно расширило круг специалистов, которые смогли воспользоваться преимуществами вычислительной техники. По иронии судьбы компьютеров М-20 было выпущено ровно 20 штук.

ЭВМ первого поколения выпускались в СССР довольно долго. Даже в 1964 году в Пензе еще продолжала производиться ЭВМ "Урал-4", служившая для экономических расчетов.

Победной поступью

В 1948 году в США был изобретен полупроводниковый транзистор, который стал использоваться в качестве элементной базы ЭВМ. Это позволило разработать ЭВМ с существенно меньших габаритов, энергопотребления, при существенно более высокой (по сравнению с ламповыми компьютерами) надежности и производительности. Чрезвычайно актуальной стала задача автоматизации программирования, так как разрыв между временем на разработку программ и временем собственно расчета увеличивался.

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. Наиболее характерные черты этих ЭВМ, обычно называемых "ЭВМ второго поколения":
совмещение операций ввода/вывода с вычислениями в центральном процессоре;
увеличение объема оперативной и внешней памяти;
использование алфавитно-цифровых устройств для ввода/вывода данных;
"закрытый" режим для пользователей: программист уже не допускался в машинный зал, а сдавал программу на алгоритмическом языке (языке высокого уровня) оператору для ее дальнейшего пропуска на машине.
В конце 50-х годов в СССР было также налажено серийное производство транзисторов. Это позволило приступить к созданию ЭВМ второго поколения с большей производительностью, но меньшими занимаемой площадью и энергопотреблением. Развитие вычислительной техники в Союзе пошло едва ли не "взрывными" темпами: в короткий срок число различных моделей ЭВМ, пущенных в разработку, стало исчисляться десятками: это и М-220 — наследница лебедевской М-20, и "Минск-2" с последующими версиями, и ереванская "Наири", и множество ЭВМ военного назначения — М-40 с быстродействием 40 тысяч операций в секунду и М-50 (еще имевшие в себе ламповые компоненты). Именно благодаря последним в 1961 году удалось создать полностью работоспособную систему противоракетной обороны (во время испытаний неоднократно удалось сбить реальные баллистические ракеты прямым попаданием в боеголовку обьемом в половину кубического метра). Но в первую очередь хотелось бы упомянуть серию "БЭСМ", разрабатываемую коллективом разработчиков ИТМ и ВТ АН СССР под общим руководством С.А.Лебедева, вершиной труда которых стала ЭВМ БЭСМ-6 созданная в 1967 году. Это была первая советская ЭВМ, достигшая быстродействия в 1 миллион операций в секунду (показатель, превзойденный отечественными ЭВМ последующих выпусков только в начале 80-х годов при значительно более низкой, чем у БЭСМ-6, надежности в эксплуатации).

Кроме высокого быстродействия (лучший показатель в Европе и один из лучших в мире), структурная организация БЭСМ-6 отличалась целым рядом особенностей, революционных для своего времени и предвосхитивших архитектурные особенности ЭВМ следующего поколения (элементную базу которых составляли интегральные схемы). Так, впервые в отечественной практике и полностью независимо от зарубежных ЭВМ был широко использован принцип совмещения выполнения команд (до 14 машинных команд могли одновременно находиться в процессоре на разных стадиях выполнения). Этот принцип, названный главным конструктором БЭСМ-6 академиком С.А.Лебедевым принципом "водопровода", стал впоследствии широко использоваться для повышения производительности универсальных ЭВМ, получив в современной терминологии название "конвейера команд".

БЭСМ-6 выпускалась серийно на московском заводе САМ с 1968 по 1987 год (всего было выпущено 355 машин) — своего рода рекорд! Последняя БЭСМ-6 была демонтирована уже в наши дни — в 1995 году на московском вертолетном заводе Миля. БЭСМ-6 были оснащены крупнейшие академические (например, Вычислительный Центр АН СССР, Обьединенный Институт Ядерных Исследований) и отраслевые (Центральный Институт Авиационного Машиностроения — ЦИАМ) научно-исследовательские институты, заводы и конструкторские бюро.

Интересна в этой связи статья куратора Музея вычислительной техники в Великобритании Дорона Свейда о том, как он покупал в Новосибирске одну из последних работающих БЭСМ-6. Заголовок статьи говорит сам за себя: "Российская серия суперкомпьютеров БЭСМ, разрабатывавшаяся более чем 40 лет тому назад, может свидетельствовать о лжи Соединенных Штатов, объявлявших технологическое превосходство в течение лет холодной войны". Полный ее текст (на ангийском языке) доступен по адресу inc.com/incmagazine/ archiv...

В 1966 году над Москвой была развернута система противоракетной обороны на базе созданной группами С.А.Лебедева и его коллеги В.С.Бурцева ЭВМ 5Э92б с производительностью 500 тысяч операций в секунду, просуществовавшая до настоящего времени (в 2002 году должна быть демонтирована в связи с сокращением РВСН). Была также создана материальная база для развертывания ПРО над всей территорией Советского Союза, однако впоследствии согласно условиям договора ПРО-1 работы в этом направлении были свернуты.

Группа В.С.Бурцева приняла активное участие в разработке легендарного противосамолетного зенитного комплекса С-300, создав в 1968 году для нее ЭВМ 5Э26, отличавшуюся малыми размерами (2 кубических метра) и тщательнейшим аппаратным контролем, отслеживавшим любую неверную информацию. Производительность ЭВМ 5Э26 была равна аналогичной у БЭСМ-6 — 1 миллион операций в секунду.

Продолжение - в следующем посте