Школа И.С. Брука. Малые и управляющие ЭВМ
Наталья Дубова
Параллельно с С.И. Лебедевым в Москве свои оригинальные идеи в области вычислительной техники начал реализовывать член-корреспондент Академии наук СССР Исаак Семенович Брук, замечательный ученый, очень интересный и своеобразный человек.
Как и Лебедев, он начал свою научную деятельность в электроэнергетике. Работая в Энергетическом институте АН СССР (ЭНИН), Брук еще в 1939 году создал механический интегратор для решения дифференциальных уравнений, по сути, представлявший собой аналоговую цифровую вычислительную машину. А в 1948 году совместно с Б.И. Рамеевым разработал проект цифровой вычислительной машины с жестким программным управлением, в котором ученые очень близко подошли к идее хранимой в памяти программы.
Не случайно, что интерес и первые идеи по созданию вычислительной техники параллельно возникли у двух ученых-энергетиков. В те годы это была одна из самых развитых в техническом отношении отраслей советской экономики, и связанные с ней научные исследования требовали средств автоматизации проводимых сложнейших расчетов.
В 1950-51 годах в лаборатории ЭНИН (фактически в полулегальных условиях) Брук и несколько его талантливых учеников разработали и реализовали первую малогабаритную ламповую электронную вычислительную машину М-1. Такая машина сравнительно небольших размеров могла использоваться в научных лабораториях для решения различных задач. М-1 выполняла операции над 20-разрядными двоичными числами со скоростью 15-20 оп/с и имела память на магнитном барабане емкостью 256 чисел. Элементную базу составляли около 500 электронных ламп, а также несколько тысяч полупроводниковых устройств, впервые использованных при конструировании вычислительной машины. Это были трофейные немецкие выпрямители. Парадоксально, но факт, что поистине революционная идея малых ЭВМ для научных применений в некоторой степени обязана своим появлением малым масштабам (в материальном смысле) деятельности Брука: крошечной лаборатории на Ленинском проспекте, отсутствием какой-либо официальной поддержки работ по созданию машины и вследствие этого постоянной нехваткой средств и комплектующих. В лабораторию к Бруку попадали молодые талантливые выпускники МЭИ, которым по причине «пятен» в биографии был заказан путь в престижные закрытые организации.
Первая машина Брука была действительно первой во многих отношениях — в оригинальности идеи малой ЭВМ, в использовании нового типа элементов — полупроводников, наконец, в том, что это была первая действующая машина в Москве. БЭСМ и «Стрела» находились еще на стадии монтажа, когда на М-1 начали решаться реальные задачи. Хотя эта машина, подобно МЭСМ, фактически была создана в макетном исполнении, на ней делались серьезные расчеты, например, для ведомства академика Курчатова и для задач ракетостроения, решаемых в КБ под руководством Королева. В серийное же производство попала только последующая разработка команды Брука, малая ЭВМ М-3, генеральным конструктором которой был его ученик, Николай Яковлевич Матюхин, в будущем член-корреспондент АН СССР. М-3 работала со скоростью около 30 оп/с и имела память на магнитном барабане емкостью 1024 31-разрядных чисел. Матюхин и еще один ученик Брука, Михаил Александрович Карцев, впоследствии вели активную самостоятельную деятельность по созданию мощных специализированных ЭВМ.
В конце 50-х И.С. Брук выдвинул идею использования малых ЭВМ в качестве управляющих машин. Впервые предлагалось применять вычислительную технику не только для больших математических, физических или технических расчетов, но и в решении задач управления технологическими объектами и даже экономическими процессами. Идеи Брука послужили толчком к созданию в конце 50-х ряда научно-исследовательских организаций по управляющим машинам. В частности, на базе бруковской лаборатории в ЭНИН в 1958 году появился Институт электронных управляющих машин (ИНЭУМ АН СССР). Его первым директором стал сам Брук. В институте в 60-х годах разрабатывались новые модели машин серии М для управляющих применений в различных отраслях народного хозяйства. В 70-х ИНЭУМ стал головной организацией по созданию серии малых управляющих ЭВМ — СМ ЭВМ.
И.С. Брук был человеком выдающимся и весьма своеобразным. По стилю своей деятельности это был, скорее, ученый-одиночка, генератор идей, которые подхватывали и реализовывали его ученики и соратники. А он переключал свою творческую энергию и талант на что-то новое. Рекламу себе и своим научным достижениям делать не умел, поэтому направление по разработке малых ЭВМ звучало, быть может, не так громко, как достижения создателей суперпроизводительных машин первого и второго поколения.
В последний период своей жизни ученый заинтересовался проблемами экономики и возможностями применения ЭВМ для управления экономическими процессами. Этот интерес возник в начале 60-х, когда в стране появились признаки экономических перемен, намечалось проведение хозяйственной реформы. Однако активное вмешательство Брука в решение экономических проблем не приветствовалось, и в 1964 году его фактически «вышли» на пенсию. Но и после этого ученый продолжал заниматься исследовательской работой, оставался научным консультантом и руководителем научно-технического совета ИНЭУМ.
СМ ЭВМ
Период перехода к вычислительной технике третьего поколения на интегральных схемах — это время активного развития миниЭВМ. Миникомпьютеры начала 60-х создавались как программируемые автоматические устройства для управления промышленными и научными установками. Родоначальницей этого класса машин стала разработка корпорации Digital Equipment — PDP-8. Миникомпьютеры заменяли на производстве и в научных лабораториях аппаратно реализованные контроллеры для управления объектом, позволяя значительно снизить стоимость и время реализации управляющих систем. Если раньше какие-либо изменения управляемого объекта влекли за собой серьезные модификации аппаратуры или полную замену контроллера, то с использованием ЭВМ изменение или смена управляющего автомата свелись к изменению или смене программы.
ЭВМ М1. Общий вид
На управляющие миникомпьютеры ложилась большая нагрузка по обработке символьной и логической информации, а также цифровых показаний приборов, как правило, не связанная с объемными вычислениями. Жесткие промышленные условия эксплуатации предъявляли особые требования к этим машинам, которые должны были обеспечивать высокую надежность, иметь средства сопряжения с внешними аналоговыми и цифровыми источниками различных типов, поддерживать работу в реальном масштабе времени.
Однако сравнительно низкая стоимость миникомпьютеров, их небольшие габариты, а также простота эксплуатации (поскольку они предназначались для применения на производстве и в лаборатории людьми, которые заведомо не имели высокой квалификации в области аппаратного и программного обеспечения) сделали этот класс техники привлекательным для широкого круга пользователей. Миникомпьютеры «пошли в массы»: в небольшие коллективы исследователей и разработчиков. Их стали использовать в качестве универсальных компьютеров для решения научных задач, не связанных с длительными и сложными вычислениями, автоматизации делопроизводств, обработки коммерческой информации, в учебном процессе.
В СССР работа по созданию малых управляющих машин, начатая в конце 50-х Бруком, продолжалась в ИНЭУМ под руководством академика Бориса Николаевича Наумова, который стал директором института в 1967 году. Фактически, параллельно с генеральной линией создания семейства общецелевых высокопроизводительных ЕС ЭВМ шла работа над другим классом машин, предназначенных для управления технологическими объектами и процессами в различных отраслях промышленности и в разного рода измерительных, испытательных, диспетчерских системах.
В 1970-74 годах в ИНЭУМ была создана система АСВТ-М (агрегатная система средств вычислительной техники на микроэлектронной базе), позволяющая реализовывать вычислительные комплексы для использования на различных уровнях иерархии управления. АСВТ-М включала три типа центральных ядер вычислительных систем (М-4000, М- 400 и М-40) с общим набором устройств ввода/вывода, отображения информации, устройств связи с объектами, устройств контроля и регулирования. М-4000 была первой в СССР машиной на интегральных схемах, по производительности оказавшаяся на уровне средних систем ряда ЕС. В качестве прототипа для машины среднего класса М-400 была избрана 16-разрядная PDP-11/40 производства DEC.
Руководителям ИНЭУМ в конце концов удалось доказать, что потребности страны в вычислительной технике невозможно покрыть машинами Единой Серии и что уже выпускаемые рядом заводов малые управляющие ЭВМ действительно необходимы. И в 1974 году на правительственном уровне было принято решение организовать производство еще одного семейства — СМ ЭВМ, в котором получили развитие принципы построения семейств управляющих машин, реализованные в серии АСВТ-М. СМ ЭВМ в 70-х — 80-х годах составили техническую базу управляющих систем для автоматизации научных исследований и экспериментов, автоматизации диспетчерского управления в крупных энергообъединениях и энергосистемах, управления технологическими процессами, производством, цехами и предприятиями в машиностроении, металлургии и других отраслях промышленности. Так же как и в случае ЕС, разработкой и производством СМ вместе с СССР занимались страны — члены СЭВ, головной организацией стал ИНЭУМ, а его директор — генеральным конструктором СМ ЭВМ. С 1983 года институт возглавляет ученик академика Наумова д.т.н. Николай Леонидович Прохоров.
Существенное отличие серии СМ ЭВМ от ЕС состояло в том, что первая представляла собой не один ряд машин, различающихся по производительности, а по существу, несколько семейств управляющих малых и микроЭВМ разной архитектуры. Это связано именно со спецификой применения таких машин. Управляющие системы на производстве или, скажем, в энергетике имеют сложную многоуровневую структуру (грубо говоря, технологический объект — технологический процесс — цех, или энергоблок — ряд энергоблоков — энергетическое объединение), и необходимо было обеспечить каждый из уровней вычислительным комплексом с соответствующими возможностями.
За 15 лет промышленного выпуска машин СМ появилось несколько очередей этих систем, при этом шло развитие архитектуры минимашин на базе общей шины (16-разрядные СМ-3 — СМ-4 — СМ-1420 — СМ-1600 — CМ-1425- микроЭВМ СМ-1300, 32-разрядные СМ-1700 и 1702) и создавались микрокомпьютеры другой архитектуры на основе процессоров Intel (8-разрядная СМ-1800, 16-разрядная СМ-1810). В разработке сохранялась ориентация на архитектурные решения DEC и, что интересно, в первые годы начиналось даже сотрудничество ИНЭУМ с этой компанией, которое, правда, с началом войны в Афганистане было прекращено. Попытки восстановить взаимодействие были предприняты в 1990 году, когда DЕС снова проявила интерес к линии СМ. Новые политические условия, казалось, благоприятствовали, но теперь воспрепятствовали условия экономические, поскольку с распадом СССР и началом экономической реформы производство СМ ЭВМ прекратилось.
Архитектура машин серии СМ базировалась на системном интерфейсе общей шины, которая соединяет процессор, память и внешние устройства и обеспечивает единые правила обмена информации между всеми модулями вычислительной системы. С использованием общей шины отпадала необходимость в специальных командах ввода/вывода центрального процессора, повышалась гибкость работы с внешними устройствами, а их число ограничивалось лишь физическими характеристиками машины. Для управляющих ЭВМ это особенно важно, так как в силу специфики их использования они должны иметь возможность поддерживать ввод и вывод данных на множество разнотипных модулей. Средства СМ ЭВМ нижнего уровня рассчитаны на локальную обработку информации непосредственно в местах ее возникновения. Номенклатура внешних устройств СМ ЭВМ включала порядка 100 названий, позволяя реализовать системы управления во всех тех отраслях, где применялись СМ. Накопители на магнитной ленте, магнитных и гибких дисках, устройства ввода/вывода графиков, графические интеллектуальные терминалы, АЦПУ, устройства связи с объектами — вот лишь неполный перечень основных классов внешних устройств.
Значительную долю внешнего оборудования СМ составляли управляющие устройства самого нижнего уровня — микропроцессорные устройства для сбора данных с датчиков управляемого объекта и выдачи сигналов на исполнительные механизмы управляющего комплекса СМ. Разработка и производство этого класса устройств до сих пор поддерживался на достаточно высоком уровне силами института, который в лабораторных условиях имел лучшее в России производство печатных плат.
В семействе 16-разрядных СМ ЭВМ на базе общей шины младшие модели — СМ-3, СМ-1300 и старшие — СМ-4, СМ-1420, СМ-1600, СМ-1425 — обладали программной совместимостью и различались по производительности вследствие увеличения быстродействия процессора и внесения дополнительных архитектурных возможностей (например, реализации спецпроцессора обработки чисел с плавающей запятой в СМ-1420 и 1600). Производительность этих машин варьировалась от 200 тыс. оп/с в СМ-3 до 1 млн. оп/с в СМ-1420, объем оперативной памяти — от 64 Кбайт в СМ-3 до 2 Мбайт в старших моделях. Благодаря реализации механизма виртуальной памяти поддерживался мультипрограммный режим работы системы, позволяющий совместить на одной машине выполнение нескольких управляющих задач, а также разработку управляющих программ.
С началом промышленного производства микропроцессоров появились новые модели СМ — 8-разрядная микроЭВМ СМ 1800 и несколько ее разновидностей на базе интерфейсной шины типа Multibus, предназначенные для использования на нижних уровнях иерархии системы управления. Одними из последних разработок в серии СМ были 32-разрядные суперминиЭВМ СМ 1700/1702 на микропроцессорной базе с существенно более высокими быстродействием (3 млн.оп/с ) и емкостью оперативной памяти (до 5 Мбайт). Обладая принципиально иной архитектурой, этот высокопроизводительный компьютер сохранял совместимость со своими 16-разрядными предшественниками благодаря использованию общей шины в качестве системного интерфейса и режиму совместимости центрального процессора.
По словам Прохорова, не было отрасли народного хозяйства, где бы не применялись СМ ЭВМ. Эти машины работали даже на предприятиях ВПК, которому по существовавшей в те годы системе отраслевого подчинения ИНЭУМ до 1989 года не принадлежал. . (Особенно масштабным было использование СМ в энергетике; автоматизация единой энергосистемы СССР полностью основывалась на СМ ЭВМ. Между прочим, на отечественных электростанциях до сих пор можно встретить работающие экземпляры этих машин.) Институт вообще несколько раз менял ведомство и на момент начала развития линии СМ относился уже не к Академии наук, а к Министерству приборостроения и систем управления. Данное министерство не входило в число работавших на военные нужды, и потому объем средств, выделяемых на разработку СМ ЭВМ, на порядок отличался от расходов на ту же ЕС.
Общая тенденция использования миникомпьютеров не только в целях управления технологическими процессами, но и в научных исследованиях, процессе обучения, для обработки информации в непромышленных сферах не могла не затронуть и СМ, которая стала в стране основной машиной для автоматизации научных исследований и экспериментов. Делались специальные комплексы по заказам Академии наук. Младшие модели СМ ЭВМ могли применяться в качестве устройств, которые мы теперь бы назвали офисным компьютером, в качестве лабораторных вычислителей и интеллектуальных терминалов. В зависимости от масштаба решаемых задач вычислительный комплекс мог соединять в себе машины разных линий — СМ и ЕС. Необходимость сопряжения с определенными моделями ЕС возникала, например, в области САПР, а если процесс проектирования задействовал расчеты особенно высокого уровня сложности, возможно было совместное использование СМ с суперЭВМ БЭСМ-6 или «Эльбрус». Именно эта область приложений стимулировала появление микропроцессорной высокопроизводительной суперминиЭВМ СМ 1700/1702.
Использование СМ для решения широкого круга проблем (управление технологическими процессами в реальном времени, САПР, АСУ, автоматизация документооборота) на крупных предприятиях ставило проблему создания единых управляющих комплексов на базе СМ, реализации систем ГАП (гибкая автоматизация производства), которые решались с той или иной степенью успеха благодаря наличию в оборудовании СМ сетевых средств и возможностям конфигурирования многомашинных территориально распределенных комплексов. В конце 80-х было начато промышленное производство средств для создания локальных сетей СМ ЭВМ.
На семейство СМ ЭВМ работала целая инфраструктура, включающая не только заводы-производители и различные НИИ и КБ, но и проектные организации, занимавшиеся разработкой и внедрением автоматизированных систем и прикладного ПО, фонды алгоритмов и программ, внешнеторговые организации. Машины серии успешно продавались в соцстраны, и спрос на них часто даже превышал выделенные квоты на продажи.
Не менее 70 заводов по выпуску самих машин, комплектующих были разбросаны по просторам нашей тогда еще необъятной родины. В Москве функционировал только опытный завод, а основные производители вычислительных комплексов СМ располагались в Киеве и Вильнюсе. Между головными заводами существовала даже определенная конкуренция, что благоприятно сказывалось на качестве выпускаемых машин. Процессоры Intel-подобной архитектуры выпускались в Киеве, а по прототипам DEC — на Воронежском объединении «Электроника», различные полупроводниковые элементы машин — в нескольких городах от Новосибирска до Минска. К «чистоте» элементной базы подходили тогда предельно строго, требуя, чтобы она была исключительно отечественного производства, хотя при разработке широко использовались западные образцы. При сдаче очередной машины на завод целый отдел ИНЭУМ занимался сбором справок для каждого используемого компонента, документально подтверждающих, что он произведен в СССР.
Но как раз здесь заключалось слабое место СМ ЭВМ, поскольку советская электронная промышленность была не в состоянии обеспечить достаточный технологический уровень производства электронных комплектующих. Отсюда постоянное отставание от западных машин по быстродействию микропроцессоров, по весу, габаритам и энергопотреблению, но, как считает Прохоров, не по функциональным возможностям. Для того чтобы хоть как-то компенсировать это отставание, в ИНЭУМ разрабатывались спецпроцессоры, позволяющие строить высокопроизводительные системы для частных задач. Оснащенная спецпроцессором СМ-4, например, использовалась для картографирования Венеры. Создавались языковые процессоры, был начат выпуск спецпроцессоров для моделирования БИС. Это направление, однако, не получило должного развития.
Производство СМ ЭВМ продолжалось до начала 90-х, к этому времени общий парк машин составлял около 80 тысяч (сегодня осталось 10 тысяч). В последние годы ставился вопрос о расширении сотрудничества с другими европейскими странами, и не только с социалистическими, причем предполагалось не ограничивать такое сотрудничество продажами машин, а проводить совместную разработку, дабы повысить технический уровень комплектующих для СМ. Новые экономические веяния начала перестройки пробудили было надежды на лучшее будущее — поступление части валютных средств от экспорта СМ ЭВМ непосредственно в руки ее создателей позволил бы им развиваться. Но с развалом СССР предприятия, производившие ЭВМ, практически разорились, причем основные производители оказались за границей, и работы по созданию отечественных малых управляющих ЭВМ быстро сошли на нет.
ИНЭУМ сегодня
Нельзя сказать, что научная деятельность в ИНЭУМ умерла. Помимо разработки управляющих индустриальных модулей самого нижнего уровня, в институте поддерживается производство небольших управляющих систем по спецзаказам, а также разработка спецпроцессоров. Продолжаются работы в области программного обеспечения. В годы активного развития СМ ЭВМ специалисты института разрабатывали операционные системы, в том числе ОС реального времени по подобию DEC RSX, а также пилотные прикладные системы для ряда комплексов автоматизации управления. В настоящее время в институте создана оригинальная Unix-подобная операционная система с элементами реального времени USIX (намек на шестую версию Unix).
Еще одно направление работы института — разработка вычислительных модулей реального времени для медицинских применений. В ИНЭУМ создан мобильный прибор для исследования сосудов головного мозга, предназначенный как для стационарного использования в медицинских учреждениях, так и для машин «Скорой помощи», а также для спасательных работ в чрезвычайных условиях. Кроме того, разработана система автоматизации больниц и ведется интересный проект по созданию системы определения общего состояния здоровья пациента по анализу его кардиограммы.
Последняя разработка института возрождает имя и идеи СМ ЭВМ — это управляющий вычислительный комплекс СМ 1820М, предназначенный в первую очередь для замены полностью выработавших свой ресурс машин серии СМ в атомной энергетике. СМ 1820М имеет индустриальное исполнение и соответствует последним веяниям в области аппаратных промышленных систем, где все более популярной становится архитектура IBM PC. Новая машина ИНЭУМ построена на базе процессора Pentium и использует промышленный вариант шины PCI — Compact PCI — для подсоединения дополнительных модулей связи с объектом. В качестве операционной системы могут использоваться Windows NT, Unix, популярная операционная система для встроенных применений QNX и собственная разработка — USIX. В институте считают, что в стране есть условия для промышленного производства таких машин (первые образцы изготовлены на заводах «Энергоприбор» и САМ), и надеются, что в скором времени будет налажен серийный выпуск новых СМ.
Так что нет никаких оснований завершать заупокой начатый за здравие рассказ об одном из флагманов советской вычислительной техники. Головной институт по созданию семейства малых управляющих машин сегодня, как это сейчас модно говорить, нашел свою нишу. И пусть масштабы его деятельности не так впечатляющи, как в недавнем прошлом. Главное, что руководству института удалось найти применение золотому фонду своих специалистов и предложить определенные перспективы новым кадрам.
Несколько слов в заключение
Хочется еще раз подчеркнуть — в этой серии очерков мы попытались изложить лишь самые общие факты из истории отечественных ЭВМ. И да простит нас придирчивый читатель, который знает об этом больше и лучше. Давайте рассматривать эти публикации как своеобразное приглашение тем, кто готов участвовать в формировании своего рода летописи создания вычислительных машин в СССР. Некоторое время назад один из читателей еженедельника Computerworld Россия в своем отклике на материал, посвященный пятидесятилетию транзисторов, заметил, что необходимо более личностное отношение к излагаемым фактам и описываемым персонажам. История советских ЭВМ как нельзя более располагает к выражению такого личностного отношения того, кто своими глазами видел ЭВМ размером в комнату, которая выдавала результат на довольно допотопную пишущую машинку. Того, кто начинал работать в университетских лабораториях на PDP — прародительнице СМ — и «Электронике». Того, чьи родители в начале 50-х заканчивали МЭИ, кузницу кадров зарождающегося компьютеростроения, и сидели в тех же аудиториях и ходили по тем же коридорам, что и создатели самых-самых первых ЭВМ. Именно поэтому невозможно допустить даже йоты пренебрежения и высокомерия в описании наших достижений и неудач в этой области, хотя сейчас принято ругать свою недавнюю историю. Общение же с ее реальными участниками вызывает большое уважение к ним и серьезный интерес к тем событиям.
На рубеже тысячелетий воспоминания становятся модными. Загляните в программу ТВ — «Старый телевизор», «Старая квартира» — передачи, ностальгически рассказывающие о делах минувших, но не таких уж и давних. А может быть, в одной из компьютерных СМИ появится рубрика «Старый компьютер», где очевидцы сами расскажут о том, как они работали на БЭСМ или программировали для одной из моделей ЕС ЭВМ?
В заключение хотелось бы выразить благодарность директору ИТМиВТ Г.Г. Рябову, д.т.н. В.В. Пржиялковскому и директору ИНЭУМ д.т.н. Н.Л. Прохорову за предоставленные материалы и помощь в подготовке обзора.
Список литературы
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.osp.ru/