Русский | English   поискrss RSS-лента

Главная  → Материалы музея с 2013 по 2016 год  → Документы и публикации  → Материалы конференций  → Материалы Международной конференции Sorucom-2014  → Устройства и системы внутренней памяти в разработках М.А. Карцева

Устройства и системы внутренней памяти в разработках М.А. Карцева

Рассмотрены устройства и системы внутренней памяти четырех поколений ЭВМ и вычислительных комплексов, разработанных М.А. Карцевым и под его руководством с начала 1950-х годов до 1983 года, – от ЭВМ М-2 до системы М-13. Отмечены особенности и положительные свойства разработок памяти, в значительной степени определившие высокие характеристики вычислительных средств в целом.

Михаил Александрович Карцев был одним из крупнейших ученых и инженеров в области информатики и вычислительной техники. Доктор технических наук, профессор, Лауреат Государственной премии СССР, он был конструктором мощных отечественных вычислительных комплексов, глубоко и профессионально владел практически всеми аспектами hardware и software цифровой вычислительной техники. В 1950–1960 годах он, в частности, был признанным специалистом в области арифметических устройств электронных вычислительных машин (ЭВМ). Ему принадлежит ряд монографий, посвященных арифметике ЭВМ. Другой «привязанностью» Михаила Александровича была память ЭВМ.

М.А. Карцев остро понимал, что производительность и функциональные возможности компьютеров и вычислительных комплексов на их основе во все времена зависели и зависят от параметров памяти. Компьютеры и комплексы, разработанные М.А. Карцевым, всегда были обеспечены широкой иерархией памяти, но настоящая работа посвящена особенностям именно внутренней памяти вычислительных средств. Разработки этих устройств, при руководящей роли Карцева, выполнялись большим рядом его ведущих сотрудников, имена которых в целях экономии места в докладе не упоминаются, но зато приведены в библиографическом списке к докладу.

Машина М-2 (1953) [1] в лаборатории электросистем Энергетического института АН СССР была первой ЭВМ, созданием которой руководил М.А. Карцев, и в начале ее функционирования его изрядно удручала «слабость» ее памяти. Запоминающих устройств (ЗУ) в машине М-2 до 1957 года было два: на магнитном барабане емкостью 512 чисел и электростатическое на электронно-лучевых трубках 13Л037 в той же емкостью. В это время в вычислительной технике начиналась эра памяти на ферритовых сердечниках, продлившаяся около трех десятилетий. В составе Институте электронных управляющих машин (ИНЭУМ АН СССР) под личным руководством М.А. Карцева были выполнены разработка, изготовление и наладка ферритового запоминающего устройства емкостью 4096 36-разрядных чисел [2], которое в 1957 году было включено в состав М-2, существенно повысив ее параметры. ЗУ на ферритовых сердечниках К-65 было сконструировано по классической схеме 3D, имело практически те же характеристики, что и аналогичное ЗУ машины БЭСМ, и вошло в строй приблизительно в то же время.

Учитывая довольно длительное время от поколения к поколению крупных ЭВМ в СССР, М.А. Карцев уже в этой разработке ввел традицию: в течение срока службы каждой очередной машины модернизировать ее память.

В следующих поколениях ЭВМ [1], главным конструктором которых был Михаил Александрович, архитектура внутренней памяти претерпевает изменения. В первую очередь, дополнительно к оперативным ЗУ (ОЗУ) (что подразумевалось в предыдущем тексте), на тот же уровень внутренней памяти Карцев вводит постоянные ЗУ (ПЗУ) [3], более простые и дешевые, а также обеспечивавшие более высокую готовность машины, что было важно для наших основных заказчиков – военных. Заказчики были разработчиками и пользователями наиболее ответственных радиоэлектронных систем СССР в первую очередь, – системы предупреждения о ракетном нападении (СПРН).

С 1963 года до середины 1970-х годов на объекты было поставлено более 50 машин М-4 (М4-2М и внешних вычислителей М4-3М). Все машины были оснащены ферритовыми ОЗУ по классической схеме 3D. Емкость этих ОЗУ «определяла» условный шифр машины: шифр 5Э71 соответствовал емкости 4096 слов, шифр 5Э72 – емкости 8192 слова, шифр 5Э73 – емкости 16384 слова. Машины М-4 имели также «прошивочные» ПЗУ той же емкости, что и ОЗУ (схемы прошивки от модели к модели варьировались), а с 1973 года при модернизации машины в ее состав взамен прошивочных ПЗУ была введена память на ферритовых кольцевых сердечниках КДО («циклоп»). Для записи информации в это ПЗУ использовался вначале загрузочный жгут, а позже было разработано специальное устройство записи информации УЗИ. Для записи информации блоки памяти отсоединялись от ПЗУ и подсоединялись к УЗИ. В качестве промежуточного носителя информации была применена бумажная перфолента. Заказчики признали машины М-4 лучшими отечественными вычислительными средствами второго поколения, М.А. Карцеву была присуждена Государственная премия СССР.

Разработки третьего поколения ЭВМ М.А. Карцев начал в конце 1960-х годов машиной М-10 (5Э66); фактически они начались с участия Карцева в проекте М-9, который «не пошел», но дал импульс всей разработке. В машине М-10 структура памяти получила дальнейшее развитие.

Внутренняя память М-10 [4] содержала два уровня (рис.1). На первом уровне (главная память) были расположены устройства оперативной памяти ОП и постоянной памяти ПП. На втором уровне (большая память) располагалось устройство большой памяти (БП). Всего в первой модификации М-10 внутренняя память занимала 20 стандартных шкафов (8-ОП, 8-ПП и 4-БП) из 31 шкафа и соответственно составляла большую часть потребляемой электроэнергии. В конце 1970-х годов были разработаны модификации перечисленных выше устройств, и в модифицированной машине М-10М (66И6) память составила всего 5 типовых шкафов (1-ОПМ, 2-ППМ и 2-БПМ).

Внутренняя память ЭВМ М-10

Рис. 1. Внутренняя память ЭВМ М-10

Устройство ОП [5] было ферритовым, использовались серийные сердечники М100П-2К1058, и для повышения быстродействия – система выборки 2D с разнополярным разрядным током. Конструктивно шкаф устройства состоял из 4 независимых блоков – модулей емкостью 1024 136-разрядных числа каждый, т.е. всего около 0,5 Мбайт. Независимость модулей позволяла обращаться к ним по разным адресам. Такие запись и чтение информации («змейка») позволяли более эффективно использовать емкость памяти. Быстродействие ОП (цикл 1,3 мкс и время выборки 0,8 мкс) с точки зрения необходимости в ЭВМ оказалось даже несколько завышенными, поскольку к концу разработки и настройки М-10 ее машинный такт стал равным 1,9 мкс. В модификации М-10М с начала 1980-х годов устройство ОПМ было выполнено на отечественных интегральных микросхемах памяти с использованием корректирующего кода Хэмминга. Его быстродействие было практически таким же.

Устройство ПП в первой модификации М-10 [6] было конденсаторного типа. Запись информации в ПП производилась путем пробивки отверстий в метакартах (метакарта – металлический экран из бериллиевой бронзы с отверстиями, расположенный между адресными и разрядными шинами). Для записи использовался специальный узел пробивки отверстий в метакартах – перфоратор. Метакарты собирались в кассеты по 64 карты в каждой, две кассеты составляли блок накопителя (модуль) емкостью 256 136-разрядных чисел. Блок памяти постоянного запоминающего устройства конденсаторного типа на металлических перфокартах был впоследствии признан памятником науки и техники I категории ЭВМ М-10 (сертификат № 604 07.12.2004 г.).

Замена метакарт в накопителе велась вручную. Компоновка накопителей в шкафу, включая возможность чтения «змейкой», были организованы так же, как в устройстве ОП.

Устройство ППМ было выполнено на тех же ферритовых сердечниках КДО, что и устройство ПЗУ в последних моделях М4-2М. Габариты и массу постоянной памяти удалось уменьшить в 4 раза, структура и организация (включая чтение «змейкой») сохранились. Параллельно было модернизировано устройство записи информации УЗИ – прообраз существующих ныне программаторов.

На втором уровне внутренней памяти М-10 (большая память) располагается устройство большой памяти (БП) емкостью 4 Мбайт (65536 544-разрядных чисел) на термостабильных ферритовых микросердечниках М100П 2К105В (2,4ВТ-1) размерами 1,0х0,7х0,3 мм по системе 3D/4W (четыре обмотки).

Устройство БП является памятью с произвольной выборкой, но с быстродействием меньшим, чем в ОП (цикл обращения 6 мкс, с импульсом разрушения после записи 9 мкс). При непрерывном обращении возможен интерливинг (наложение циклов 4:1), причем эффективный цикл сокращается в 4 раза. Номинальная амплитуда токов выборки 320 мА, стабильность ±5%. Для уменьшения помех от полувыбранных сердечников применены прямоугольные (64х256 сердечников) матрицы накопителя, а также временной сдвиг передних фронтов полутоков Х и У при существенно различной крутизне этих фронтов.

Накопитель Большой памяти на ферритовых микросердечниках ЭВМ М-10 был впоследствии признан памятником науки и техники I категории (сертификат № 874 12.11.2006 г.).

Устройство БП [7] было единственным в мире серийным устройством памяти такой емкости на ферритовых сердечниках (во второй половине 1970-х годов началась эра полупроводниковой памяти). Также единственным в мире было удачное построение двухуровневой внутренней памяти суперкомпьютера М-10, которое позволило обеспечить ее емкость, в несколько раз превышавшую емкость одноуровневых внутренних ЗУ наиболее мощных суперЭВМ тех лет при практическом сохранении быстродействия этих ЗУ и их функциональных возможностей в обеспечении информацией центральной процессорной части и обмене информацией с внешними устройствами. Основным техническим решением при этом явилось введение в систему памяти специального узла обмена, фактически являющегося контроллером большой памяти и позволяющего производить обмен между главной и большой памятью одновременно с вычислениями в центральном процессоре (ЦП)[8].

Децентрализованная организация обмена во внутренней памяти освободила ЦП от необходимости формирования большого количества промежуточных команд и облегчила загрузку процессоров. Возможен как односторонний обмен, так и двусторонний – свопинг. При свопинге на место информации, считываемой из ОП, в том же такте (цикле обращения) записывается информация, считанная из БП.

Обмен с мультиплексным каналом (МК) осуществляется одиночными словами, причем предусмотрен обмен как с главной памятью, так и с большой. Обмен МК непосредственно с большой памятью служит, как правило, для накопления массивов информации во внутренней памяти М-10 и выгодно отличает описываемую организацию от многоуровневой памяти таких систем, как «Атлас», «Стретч» и им подобных, где обмен с МК сильно загружает главную память. Возможность прямого обращения МК к большой памяти обеспечивается тем, что устройство БП является памятью с произвольным доступом и обладает достаточно высоким быстродействием.

В 1978-79 гг. было разработано модифицированное устройство БП-М для модификации машины М-10М (изделие 66И6). Новое устройство БП-М было также сделано на термостабильных ферритовых микросердечниках М104П-2К1658 (2,4ВТ-4) несколько меньшего размера 0,7х0,4х0,2 мм. Матрицы БП-М были большего формата, чем в БП, отличались конструктивно и были собраны по двухпроводной системе 2,5D/2W. В электронике обрамления накопителя использовались гибридные микросхемы адресных и адресно-разрядных формирователей, а также усилителей воспроизведения.

Перечисленные усовершенствования позволили значительно сократить размеры большой памяти (2 типовых шкафа БП-М в машине М-10М вместо 4 типовых шкафов БП в машине М-10). Одновременно удалось повысить быстродействие устройства (цикл обращения 2,5 мкс вместо 6–9 мкс), однако в М-10М это преимущество использовано не было.

После замены устройств памяти структура внутренней памяти М-10М (66И6) не претерпела изменений. Изделия 5Э66 и 66И6 эксплуатировались на объектах Минобороны СССР и РФ до конца 1990-х годов.

Опыт проектирования и эксплуатации описанных выше устройств и систем показал, что структура новой машины должна быть более гибкой как в организации входящих в нее систем, так и в части производительности и в части сопряжения с источниками обрабатываемой информации. Проект ЭВМ М-13 (13М6), разработка которой была начата М.А. Карцевым в конце 1970-х годов, предусматривал три базовые модели: М13/10 (малая модель), М13/20 (средняя модель), М13/30 (большая модель), а также ряд их модификаций, различающихся комплектностью устройств памяти, дополнительных внешних устройств и др.

Внутренняя память ЭВМ М-13 [9] (рис. 2) представляет собой сложную разветвленную структуру, включающую устройства и узлы локальной памяти (нулевой уровень внутренней памяти), относящиеся к процессорам и устройствам машины, а также двухуровневое центральное ядро внутренней памяти (уровень главной памяти и уровень большой памяти).

Система внутренней памяти ЭВМ М-13 (центральное ядро)

Рис. 2. Система внутренней памяти ЭВМ М-13 (центральное ядро)

Уровень главной памяти включает восемь функционально независимых блоков оперативной памяти (ОПГ) и два функционально независимых блока постоянной памяти (ППГ). Уровень большой памяти содержит устройство оперативной памяти полупроводниковой (ОПП), функционально представляющее собой один блок.

Система центрального ядра внутренней памяти ЭВМ М-13, представленная на рисунке , базируется на матричном центральном коммутаторе информации (ЦКИ), обеспечивающем информационные связи типа «каждый с каждым» между блоками памяти и процессорами (процессорными устройствами) машины.

Связь процессоров и процессорных устройств с блоками памяти осуществляется по восьми шинам чтения ШЧт и шести шинам записи ШЗп. С помощью дополнительных девятой шины чтения ШЧт9 и седьмой шины записи ШЗп7 может быть осуществлен информационный обмен между уровнями и, в принципе, – даже между отдельными блоками памяти. Кроме доступа к запоминающим устройствам, ЦКИ обеспечивает также информационный обмен между процессорными устройствами.

Центральный коммутатор информации включает в себя два функционально самостоятельных узла – коммутатор шин чтения КмШЧт и коммутатор шин записи КмШЗп. Для компактности рисунка изображения обоих коммутаторов на нем наложены друг на друга.

Все блоки памяти функционально независимы, и допускается одновременное обращение к различным блокам в одном машинном также без каких-либо ограничений. В результате обеспечиваются максимально возможная нагрузка и параллельность работы всех устройств и процессоров М-13 – как устройств памяти, так и процессоров и процессорных устройств. Поскольку суммарная пропускная способность всех интерфейсов процессоров и процессорных устройств несколько выше, чем суммарная пропускная способность всех интерфейсов памяти, в режиме пиковой производительности системы оказываются загруженными и работают без простоя все запоминающие устройства центрального ядра внутренней памяти.

Работу центрального ядра памяти определяет устройство управления кодовыми шинами (на рисунке оно не показано). Устройство формирует для каждого блока памяти команду обращения, а для ЦКИ – команду коммутации, в которой каждой шине чтения указан источник информации (один из блоков памяти), а каждой шине записи – потребитель.

Емкость памяти и разрядность шин определяются комплектацией ЭВМ М-13. Наращивание общей емкости памяти осуществляется «слайсами» за счет увеличения емкости и формата блоков памяти и соответственного увеличения разрядности информационных шин.

В максимальной комплектации емкость каждого блока ОПГ составляет 128 Кбайт (2К×64 байта), емкость блока ППГ 256 Кбайт (4К×64 байта) и емкость ОПП 32 Мбайт (512К×64 байта). Общая емкость центрального ядра внутренней памяти при этом равна 34 Мбайт. Цикл обращения к устройствам ОПГ и ППГ составляет три машинных такта, но за счет конвейерной организации этих устройств (интерливинга 3:1) в режиме непрерывного обращения эффективный цикл равен одному машинному такту (300 нс). Цикл обращения к устройству ОПП равен шести машинным тактам (1,8 мкс).

Запоминающие устройства главной памяти обеспечивают обращение с точностью до 1 байта (устройство ОПГ – запись и чтение, устройство ППГ – чтение). Устройство большой памяти ОПП обеспечивает запись с точностью до 1 байта, чтение в ОПП осуществляется полной строкой. Длина строки зависит от комплектации М-13. В малой комплектации она составляет 16 байт, в средней – 32 байта, в максимальной комплектации М-13 длина строки составляет 16 байт.

При чтении в команде обращения к устройствам ОПГ и ППГ указываются два адреса строки – основной и дополнительной, а также номер первого байта, считываемого по основному адресу. Результатом исполнения такой команды является выдача информации, прочитанной по основному адресу от начального до последнего байта в строке и по дополнительному адресу, начиная с нулевого байта до байта, предшествующего заданному в команде. При записи в ОПГ или ОПП команда обращения содержит основной и дополнительный адреса и номера двух байтов – начального и конечного, подлежащих записи. В результате исполнения команды производится запись информации по основному адресу от начального до конечного байта включительно. При наличии так называемого «перегиба», т.е. когда номер конечного байта меньше начального, по основному адресу производится запись до последнего байта в строке, а по дополнительному – записываются байты, начиная с нулевого до конечного, указанного в команде. Другими словами, реализуется та же «змейка», которая описана выше.

Узлы управления блоков памяти обеспечивают реализацию описанных функций.

Устройство ОПГ построено на микросхемах статического nМОП типа 132РУ4А с организацией 1К×1. Устройство ППГ реализовано на магнитных запоминающих элементах «микробиакс». Наконец, в устройстве ОПП применены микросхемы динамического типа nМОП 565РУ3 с организацией 16К×1.

Традиционно еще до окончания Государственных испытаний М-13 в НИИВК были разработаны и переданы в производство модернизированные устройства оперативной памяти ОПГ на микросхемах ЗУПВ nМОП 132РУ6А с организацией 16К×1и постоянной памяти ППГ на микросхемах ЗУПВ КМОП 537РУ14А с аварийным электропитанием от гальванических элементов, полностью взаимозаменяемое с устройством ППГ на микробиаксах.

Из устройств и узлов локальной памяти М-13 здесь рассмотрено только устройство памяти гипотез УПГ [10], входящее в процессор обработки функций (ПОФ). В начале 1980-х годов ПОФ был на передовом уровне развития принципиально нового направления вычислительной техники – цифровой обработки сигналов (ЦОС). Важнейшим узлом УПГ явился автомат формирования адресов памяти – адресный автомат. Благодаря этому узлу УПГ учитывает особенности выполняемых процедур и структуру обрабатываемой информации при ЦОС. Из состава локальной памяти М-13 устройство УПГ имеет самую большую емкость (4 Мбайт) и, за счет своей многопортовости, выполняет ряд функций, не свойственных собственно устройствам памяти.

Устройство УПГ реализовано на тех же динамических БИС памяти nМОП 565РУ3 16К×1, что и ОПП. Всего в системе ПОФ предусмотрено подключение до 10 устройств УПГ с общей емкостью до 40 Мбайт. За счет интерливинга 4:1 эффективный такт обращения к устройству УПГ составляет 300 нс.

Устройство УПГ оснащено пятью портами, один из которых – универсальный на запись/чтение и служит для загрузки информации в УПГ из главной памяти, либо из процессорных устройств ПОФ, а также выгрузки информации из УПГ в обратном направлении. Остальные четыре порта – порты чтения, которые служат для выборки из устройства УПГ различных составляющих информации и передачи этих составляющих в процессорные устройства ПОФ в качестве управляющей информации.

В устройстве УПГ предусмотрены две модификации режима чтения. В обычном режиме каждая прочитанная строка фиксируется на выходных шинах в течение одного такта, в модифицированных режимах – в течение двух или четырех тактов. Это техническое решение позволило существенно сэкономить общий объем аппаратуры ПОФ, поскольку в УПГ оно обходится практически без дополнительного оборудования, а перенесение функции задержки в процессорные устройства ПОФ потребовало бы большого числа громоздких регистров.

Таким образом, устройство УПГ обеспечивает необходимую аппаратную поддержку высокой (порядка нескольких миллиардов операций в секунду) производительности процессора обработки функций М-13 благодаря максимальному учету в структуре памяти особенностей выполнения всех алгоритмов ПОФ. При этом на устройство возложено выполнение вспомогательных функций ПОФ – промежуточное хранение информации, ее сдвиг, «упаковка» в разрядной сетке и др., что позволяет освободить от этих функций основное процессорное оборудование ПОФ.

Принятые при разработке УПГ технические решения позволили ограничиться в системе ПОФ универсальным устройством памяти одного типа и тем самым сократить номенклатуру устройств ПОФ.

Внешняя память в разработках М.А. Карцева не является предметом настоящего доклада. Необходимо только отметить, что в разработках Карцева иерархическая многоуровневая организация доступа к внешней памяти обеспечивала режим реального времени для привилегированной задачи и режим разделения времени для остальных задач.

Коллектив М.А. Карцева собственно устройств внешней памяти не разрабатывал (если не считать разработки начала 1950-х годов), и лишь в отдельных случаях они подвергались доработке и адаптации.

Список литературы

  1. Рогачев Ю.В. Вычислительная техника от М-1 до М-13 (1950-1990). – НИИВК, М., 1998, 102с.
  2. Глухов Ю.И., Золотаревский В.И., Карцев М.А., Константинов В.П., Шидловский Р.П. Ферритовое запоминающее устройство на 4096 чисел. Выпуск «Михаил Александрович Карцев», – ГК Синерджента Техносфера, М., 2013, с.81-92.
  3. Вахновецкий И.И., Зенин В.Н., Коренев Н.И. Постоянные запоминающие устройства в ЭВМ серии М. – «Всего лишь 40» – Юбилейный выпуск, НИИВК, М., 2007, с.90-93.
  4. Крупский А.А. Внутренняя память ЭВМ М-10. – «Вопросы радиоэлектроники», сер. ЭВТ, 1980, вып. 9, с. 26-28.
  5. Емелин В.М., Иванов Л.В., Лазарев В.А., Макарова Р.П. Устройство оперативной памяти ЭВМ М-10. – «Вопросы радиоэлектроники», сер. ЭВТ, 1980, вып. 9, с.29-31.
  6. Шидловский Р.П., Слипченко Б.И. Устройство постоянной памяти ЭВМ М-10. – «Вопросы радиоэлектроники», сер. ЭВТ, 1980, вып. 9, с.32-36.
  7. Крупский А.А. Большая память в суперЭВМ М-10 и М-10М. – «Всего лишь 40». – Юбилейный выпуск, изд. НИИВК, М., 2007, с.100-104.
  8. Крупский А.А., Левин Ю.Б. Организация двухуровневой внутренней памяти в суперкомпьютере конца ХХ века. – «Вопросы радиоэлектроники», сер. ЭВТ, 2014, вып. 4, с.38-43.
  9. Георгиев Н.В., Емелин В.М., Крупский А.А., Левин Ю.Б., Миллер Л.Я. Внутренняя память ЭВМ М-13. – «Вопросы радиоэлектроники», сер. ЭВТ, 1990, вып. 10, с.3-6.
  10. Георгиев Н.В., Крупский А.А., Левин Ю.Б. Устройство памяти гипотез ЭВМ М-13. – «Вопросы радиоэлектроники», сер. ЭВТ, 1990, вып. 10, с.6-8.

Об авторе: Научно-исследовательский институт вычислительных комплексов им. М.А. Карцева
Москва, Россия
hradio1@mail.ru
Материалы международной конференции Sorucom 2014 (13-17 октября 2014)
Помещена в музей с разрешения авторов 28 Мая 2015

Проект Эдуарда Пройдакова
© Совет Виртуального компьютерного музея, 1997 — 2017