Русский | English   поискrss RSS-лента

Главная  → Материалы музея с 2013 по 2016 год  → Документы и публикации  → Материалы конференций  → Материалы Международной конференции Sorucom-2017  → Краткие основы и история создания отечественных модулярных ЭВМ. Истоки модулярной арифметики

Краткие основы и история создания отечественных модулярных ЭВМ. Истоки модулярной арифметики

Впервые о Системе остаточных классов (СОК) научная общественность узнала в 1955 г. из статьи чеха Миро Валаха и Антонина Свободы [1], предложивших новую идею цифрового кодирования, которая позже получила название «Система остаточных классов» (СОК), а арифметика на её основе – модулярной. Идея оказалась продуктивной и была реализована в 1958-1962 гг. в виде ламповой модулярной ЭВМ ЭПОС (рис. 1). Подробнее об истории развития модулярной арифметики в стране можно ознакомиться в [2, 3 и 4].

Первые в мире модулярные ЭВМ Эпос и Эпос-2
Первые в мире модулярные ЭВМ Эпос и Эпос-2

Рис. 1. Первые в мире модулярные ЭВМ "Эпос" и "Эпос-2"[5]

Эта мультипрограммная (до 5 программ) ЭВМ с режимом разделения времени и ферритовым ОЗУ ёмкостью 1024 65-разрядных слов выполняла 5 ÷ 20 тыс. оп/с над десятичными 12-разрядными операндами. В 1963 и 1964 гг. было изготовлено два экземпляра ЭПОС. В 1960-1965 г. была разработана более совершенная и экономичная транзисторная версия ЭВМ – ЭПОС-2 с производительностью до 40 тыс. оп/с. Два варианта ЭПОС-2 под названиями ZPA-600 и ZPA-601 серийно выпускались до 1973 г., всего было выпущено 30 комплектов ЭВМ, что по тем временам, особенно для маленькой Чехословакии, было много.

СОК

Первым в СССР в конце 1950-тых годов на систему счисления остаточных классов обратил внимание главный инженер КБ-1 Фёдор Викторович Лукин. Примерно в 1959 г. в КБ-1 (ныне ОАО "НПО "Алмаз"") по закрытым каналам поступила справка об этих работах. Ф.В. Лукин, имеющий личный опыт разработки счётно-решающих устройств и, особенно, их применения в крупнейших военных системах, сразу оценил перспективность этого направления. Но КБ-1 разработкой ЭВМ не занималось, и Фёдор Викторович направил заинтересовавшую его справку в СКБ-245, где она заинтересовала математика И.Я. Акушского и его начальника, ведущего разработчика ЭВМ Д.И. Юдицкого, ставших впоследствии основоположниками модулярной арифметики в СССР.

Последующие действия Ф.В. Лукина подтверждают, что именно его стараниями модулярная арифметика получила столь бурное и успешное развитие в стране, и не случайно с его уходом из жизни совпадает начало спада её разработок.

Полученная таким образом исходная информации, весьма краткая и поверхностная, дала старт научным исследованиям И.Я. Акушского и Д.И. Юдицкого. Первая в стране попытка осмыслить принципы построения модулярной ЭВМ была предпринята в 1957 г. в СКБ-245 Ю.Я. Базилевским, Ю.А. Шрейдером, И.Я. Акушским и Д.И. Юдицким, но не получила единого понимания – не все ее участники прониклись сутью СОКа. Как отмечает В.М. Амербаев: «Это было обусловлено неумением осмысливать сугубо компьютерные вычисления строго алгебраически, вне кодового представления чисел».

В 1960 г. Ф.В. Лукин, недавно назначенный директором и научным руководителем создаваемого НИИ-37 ГКРЭ (НИИ Дальней радиосвязи – НИИДАР), пригласил Д.И. Юдицкого и И.Я. Акушского для разработки ЭВМ. Они согласились. Д.И. Юдицкий в 1960 г. стал начальником отдела ЭВМ, а И.Я. Акушский – начальником лаборатории в этом отделе. Первой задачей Д.И. Юдицкого в НИИ-37 было завершение неудачной разработки ЭВМ "А-340А" для создаваемых предприятием радиолокационных станций (РЛС), И.Я. Акушский, как учёный-теоретик, сразу занялся разработкой научных основ построения модулярной ЭВМ.

Модулярные супер-ЭВМ 2-го поколения

В 1960–1963 гг., после успешного завершения работ над А340А, возглавляемый Д.И. Юдицким коллектив разработал первую в стране реально работавшую модулярную ЭВМ. В институте в 1960 г. был сделан макетный (сокращённый) образец ЭВМ, а затем в 1962 г. опытный завод при НИИДАР по эскизной документации изготовил ЭВМ под именем "Т340А". Теория и практика варианта модулярной арифметики и принципы построения ЭВМ "Т340А" на их основе были разработаны И.Я. Акушским, Д.И. Юдицким и Е.С. Андриановым. В ходе работы выяснилось много интересных свойств системы остаточных классов, о которых в первоисточниках и не упоминалось. Академик В.М. Амербаев рассказывает: «…Ф.В. Лукин привлёк внимание И.Я. Акушского к разработкам … нового способа организации параллельных вычислений. Выяснилось позднее, что он обладает свойством арифметической самокоррекции. ... Это была нетрадиционная компьютерная арифметика, и для её разработки требовался нетрадиционный подход. В ходе разработки … возникло множество ярких, оригинальных реше¬ний в архитектуре, живучести, параллельности, конвейерности ЭВМ…».

ЭВМ "Т340А", совместно с "А340А", активно использовалась в качестве стенда при построении РЛС дальнего обнаружения "Дунай-3УП" на Сары-Шаганском полигоне ПРО.

ЭВМ была построена на основе феррит-транзисторной логики, реализованной на дискретных транзисторах 1Т308В и ферритовых сердечниках (рис. 2).

Ячейка ЭВМ Т340А и К340А

Рис. 2. Ячейка ЭВМ "Т340А" и "К340А"

Полученные при её настройке и первом опыте эксплуатации результаты были использованы при создании в 1963-66 гг. комплекта конструкторской документации для серийного производства ЭВМ, но уже под именем "К340А".

В 1964 г. Д.И. Юдицкий и И.Я. Акушский с группой специалистов, опять же по приглашению Ф.В. Лукина, назначенного директором создаваемого в будущем Зеленограде Центра микроэлектроники, перешли в него.

А разработку К340А завершил оставшийся коллектив под руководством Л.В. Васильева. ЭВМ была освоена в серийном производстве и стала базовой для РЛС, разрабатываемых в те годы в НИИ-37. Практически Т340А и К340А – это одна ЭВМ на разных этапах её создания.

ЭВМ «К4340А» серийно выпускалась опытным заводом при НИИДАР и Свердловским заводом радиоаппаратуры, всего было выпущено около 50 комплектов. Они использовались в РЛС дальнего обнаружения «Дунай-3У» системы «А-35» ПРО центрального промышленного района и в загороизонтных РЛС системы предупреждения о ракетном нападении (СПРН) «Дуга», «Дуга-2» и «Дуга-3», которые были построены, но, к сожалению, не оправдали возлагаемых на них надежд.

Несравненно лучше сложилась судьбы ЭВМ в составе РЛС «Дунай-3У» (рис. 3).

РЛС Дунай-3У
РЛС Дунай-3У

Рис 3. РЛС "Дунай-3У" – приёмная (слева) и передающая позиции – сооружения, измеряемые сотнями метров [6]

Узел системы дальнего обнаружения (СДО) целей ПРО «А-35» в составе двух РЛС "Дунай-3У", созданный в 1969–76 гг. недалеко от г. Чехова в Московской обл., в 1978 г. после серии положенных для таких объектов испытаний был принят на вооружение в режиме "Боевая работа". В СДО применено 20 комплектов ЭВМ К340А выпуска 1968-1976 гг., по 10 ЭВМ в каждой РЛС.

В 2010 г. мне удалось посетить этот СДО. К этому моменту по плану модернизации электроника РЛС, первой введённая в строй, была демонтирована для замены на современную, но вторая продолжает работать, превзойдя положенное для таких объектов время "продолжительности жизни" почти в 4 раза. Годы создания двух её ЭВМ (1970-й и 1972-й) подтверждаются формулярами их устройств (рис. 4).

Наклейки на формулярах действующих устройств ЭВМ К340А
Наклейки на формулярах действующих устройств ЭВМ К340А

Рис. 4. Наклейки на формулярах действующих устройств ЭВМ "К340А"

Структурная схема ЭВМ приведена на рис. 5.

Структурная схема ЭВМ К340А

Рис. 5. Структурная схема ЭВМ "К340А"

Основными системами ЭВМ являются вычислитель, накопительная система, пульт управления К340П1 (ПУ), регистратор (два принтера МП-16), система электропитания и система охлаждения (в то время в вычислительной технике ещё не было устоявшейся позже общей терминологии, поэтому каждый главный конструктор применял свою).

В состав вычислителя (в нынешней терминологии – процессор) входят следующие устройства:

Здесь следует отметить, что задачи РЛС дальнего обнаружения и контроля космического пространства алгоритмически довольно консервативны, программы их решения эксплуатируются без изменений длительные сроки, поэтому в ЭВМ тогда для хранения программ использовались перепрограммируемые (часто, как и в данном случае, вручную) постоянные ЗУ. Таким был и НК.

Накопитель команд выполнен в виде перепрограммируемого ферритового постоянного запоминающего устройства на цилиндрических ферритовых сердечниках. Сердечники вручную вставлялись (и извлекались) в отверстия в матрице, содержащей 2х32 45-разрядного слова (рис. 6).

Блок накопителя команд ЭВМ К340А
Блок накопителя команд ЭВМ К340А

Рис. 6. Блок накопителя команд ЭВМ «К340А», левая и правая стороны. Черные точки – ферриты.

Накопительная система является основной памятью ЭВМ и выполняет задачи оперативной памяти (ОЗУ) при обмене информацией с вычислителем, и буферной памяти при обмене информацией с внешними устройствами. В накопительную систему входят: устройство управления (УУ), 16 независимых накопителей чисел (НЧ), накопитель констант (НКС) и буферный накопитель (БН).

Ёмкость каждого накопителя чисел – 1024 45-разрядных слов, ёмкость накопителя констант – 4096 45-разрядных слов с возможностью расширения до 8192 45-разрядных слов. В этой ЭВМ был реализован принцип независимых каналов памяти команд и данных (гарвардская архитектура). Но каждый НЧ имел по два порта для ввода-вывода информации: с абонентами (с возможностью параллельного обмена с любым числом блоков) и с процессором. Для увеличения быстродействия было реализовано программное расслоение оперативной памяти с чередованием адресов обращения процессора к блокам НЧ.

Кроме того, была применена многовходовая буферная память (буферный накопитель–БН) для двухоперационных команд (в каждой команде выполнялось по две операции, каждая из которых в других ЭВМ того времени выполнялась в виде отдельной команды). Эти особенности построения системы памяти обеспечили высокую эффективность ЭВМ: задержек при обращении к памяти большого объёма (бич ЭВМ тех лет) практически не было.

Вычислитель перерабатывает информацию, содержащуюся в буферном накопителе. Вычислитель и накопительная система способны работать параллельно, независимо друг от друга, каждый по своей команде из одного командного слова. Это обеспечивает возможность одновременного выполнения двух операций в одной команде, т.е. вдвое увеличивать производительность ЭВМ.

К340А имеет развитую систему обмена данными с внешними абонентами. Все внешние абоненты по объёму принимаемой и выдаваемой информации разделяются на массовые и одиночные. При обмене информацией все одиночные абоненты рассматриваются как ячейка специального накопителя. В ЭВМ предусмотрена возможность обмена с 8-ю внешними одиночными абонентами (по приёму и по выдаче). Для обмена с массовыми абонентами может быть использован любой накопитель чисел, который специальной управляющей командой выводится из состава накопительной системы ЭВМ и становится внешним буферным запоминающим устройством.

В ЭВМ имеется развитая система прерываний по внешним сигналам с жёсткой (аппаратной) и гибкой (программной) приоритетной системой. Система прерываний рассчитана на 15 запросов прерывания.

Для контроля за работой всех устройств ЭВМ и ручного управления служит пульт управления (рис. 7), на котором имеются необходимые элементы индикации и управления.

Б.М. Малашевич у пульта одной из 10 действующих К340А 25 ноября 2010 г.

Рис. 7. Б.М. Малашевич у пульта одной из 10 действующих "К340А" 25 ноября 2010 г.

Все устройства ЭВМ построены на основе единой базовой конструкционной системы в виде типовых ячеек, блоков и шкафов ЭВМ была разработана ранее РЛС "Дунай-3УП". Её конструктивные решения оказались достаточно удачными и были применены при построении электронных устройств Дунай-3У и других электронных устройств РЛС, в которых применялась ЭВМ К340А (рис. 8, 9).

Ячейки и блоки ЭВМ К340А

Рис. 8. Ячейки и блоки ЭВМ "К340А"

Шкаф №15 (НЧ15 и НЧ16) ЭВМ К340А

Рис. 9. Шкаф №15 (НЧ15 и НЧ16) ЭВМ "К340А"

Пульт управления и регистратор имеют специализированные конструкции с применением типовых ячеек и блоков.

Общая компоновка ЭВМ представлена на рис. 10.

Общая компоновка ЭВМ К340А

Рис. 10. Общая компоновка ЭВМ "К340А"

Работа ЭВМ

Работа ЭВМ производится по командам, выбираемым из накопителя программ в соответствии с поступающим на него адресом.

Для обеспечения совмещения работы отдельных устройств в одной машинной команде размещаются две команды К1 и К2. Команда К1 располагается в разрядах 1 – 20 слова команды, команда К2 располагается в разрядах 21 – 45. Код выбранной из НК команды (К1, К2) поступает в УУ на регистры РК1 и РК2.

По команде К1, в зависимости от имеющегося в нём признака команды, операции выполняются в арифметическом устройстве или в устройстве управления.

Арифметическое устройство имеет двухсторонний обмен информацией с буферным накопителем.

Команды К2 обеспечивают выполнение операций обмена между буфером и накопителем чисел или констант, а также обмен информацией между ЭВМ и внешним и абонентами. Код команды К2 расшифровывается в УУ, и сигналы управления выдаются в НЧ, НКС или абоненту. Одиночные абоненты подразделяются на внутренние, от устройств ЭВМ, и внешние.

Каждый одиночный абонент жёстко связан цепями выдачи и приёма информации с блоком управления одиночными абонентами в УУ. В режиме «Запись абоненту» регистр одиночных абонентов принимает информацию из БН и переписывает её одному из абонентов, адрес которого указан в команде. В режиме «Чтение» информация от абонента принимается в регистр абонента и затем передаётся в БН.

Для обмена с массовыми абонентами используется НЧ, которые соединены связями с данным абонентом. Перед началом обмена в НЧ заносится признак режима (чтение – запись), начальный адрес и количество слов.

ЭВМ обладала невиданным в те времена быстродействием – 1,25 млн. двойных оп/с. (т.е. 2,5 млн. оп/с в обычном тогда исчислении). Типовое быстродействие ЭВМ в те времена измерялось десятками или сотнями тысяч оп/с. Такую производительность удалось получить благодаря применению СОК и ряда других приёмов. Действительно, максимальная разрядность основания в ЭВМ равна 6 бит, при этом обрабатывались 45-разрядные слова. Следовательно, даже без учёта массы других хитростей, производительность ЭВМ в 7,5 раз превышает производительность двоичной ЭВМ при прочих равных условиях (45/6=7,5). Производительность двоичной ЭВМ при прочих равных условиях составляла бы 2 500 000 / 7,5 = 333 333 оп/с, что соответствовало характеристикам лучших ЭВМ того времени.

Каждая ЭВМ при применении имела свой состав устройств ввода-вывода информации. По этим признакам (общий с системой конструктив и специальный состав периферии) ЭВМ называлась в НИИДАР-е специализированной цифровой ЭВМ (СЦВМ), хотя по архитектуре и структуре она соответствовала универсальным вычислительным машинам.

Опытным заводом при НИИ-37 и Свердловским заводом радиоаппаратуры было выпущено более 50 её комплектов.

Первые ЭВМ "К340А" применялась в полигонной РЛС "Дунай-3УП" в виде 5-машинного вычислительного комплекса, включающего:

Пропускная способность вычислительного комплекса – не менее 300 траекторий космических объектов одновременно.

Аналогично было применение К340А в боевой РЛС "Дунай-3У", но уже в составе 10-машинного комплекса, включающего:

Пропускная способность вычислительного комплекса – не менее 1000 траекторий космических объектов (32 сложных баллистических целей–СБЦ) одновременно.

ЭВМ «Т340А» и «К340А»

Разработка принципов построения ЭВМ в СОК и способов их реализации – И.Я. Акушский и Д.И. Юдицкий.

Главный конструктор:

Изготовители: опытный завод при НИИ-37 и Свердловский завод радиоаппаратуры, в 1966–1976 гг. выпущено более 50 комплектов.

Разрядность данных и команд – 45 бит.

Форма представления команд – двоичная.

Трехадресная, две операции в одной команде.

Система счисления – СОК.

СОК – основания и занимаемые ими разряды слова:

Основания
2 5 23 63 17 19 29 13 31 61
Разряды машинного слова
1 2 - 4 5 - 9 10 - 15 16 - 20 21 - 25 26 - 30 31 - 34 35 - 39 40 - 45

Форма представления чисел в АУ при выполнении арифметических операций в СОК с фиксированной запятой.

Диапазон представления чисел ±1,6×1012.

Система команд содержит полный набор арифметических, логических и управляющих операций с развитой системой индикации.

Команды АУ и УУ трёхадресные относительно Буферного накопителя (БН), команды обмена между БН и накопительной системой – двухадресные.

Время выполнения коротких операций [арифметических (в т.ч. умножения), логических, операций сдвига на n разрядов (n=1 … 45), операций индексной арифметики, операций передачи управления] составляет один стандартный машинный такт, равный 1 мкс.

Максимальное быстродействие – 1,25 млн. двухоперационных оп/с (в общепринятом тогда исчислении – 2,5 млн. оп/с).

Обнаружение ошибки в слове при выполнении операций в арифметическом устройстве.

Многовходовая регистровая буферная память (БН) – 16×45 бит. Время обращения к БН – 1,0 мкс.

Накопитель чисел НЧ (ОЗУ) данных – 16К 45-разрядных слов (720К бит). Время обращения к НЧ – 3,0 мкс.

Накопитель команд НК (ПЗУ) – 16К 45-разрядных слов (720К бит). Время обращения к НК – 1,0 мкс.

Накопитель констант НКС (ПЗУ) – 4К или 8К 45-разрядных слов (180К или 360К бит). Время обращения к НК – 1,0 мкс.

Система обмена информации с внешними абонентами многоканальная:

Система прерываний с жёсткой (аппаратной) и гибкой (программной) приоритетной схемой, рассчитанной на 15 причин, с возможностью программной и аппаратной блокировки. Время выхода на прерывающую программу – от 8 до 20 мкс.

Аппаратный и программный контроль.

Вывод результатов с помощью печатающего устройства МП-16 на 16 мм бумажную ленту. Максимальная скорость печатающего устройства – 20 строк/с.

Среднее время безотказной работы – 50 час. Среднее время восстановления неисправности – 30 мин.

Стоимость ЭВМ:
– опытной – 1,2 млн. руб.,
– серийной – 0,6 млн. руб.

Стоимость единицы производительности – 24 коп/оп в сек.

Элементная база – транзисторы, диоды, ферриты и т.п.

Потребляемая мощность – 33 кВт.

Размер шкафа – 900×700×2200 мм.

Количество шкафов – 20, расположенных в 3 ряда (рис. 11).

Учитывая специфику модулярных ЭВМ, Военная Инженерная Радиотехническая академия имени Л.А. Говорова начиная с 1968-69 учебного года включила в учебные программы кафедры вычислительной техники и АСУ изучение ЭВМ "К340А" и особенностей её программирования.

ЭВМ К340А - 20 шкафов в три ряда, инженерный пульт и регистратор – два принтера

Рис. 11. ЭВМ "К340А" - 20 шкафов в три ряда, инженерный пульт и регистратор – два принтера

Т340А/К340А принадлежит несколько мировых рекордов. Это первая в мире ЭВМ с быстродействием более 1 млн. оп/с. И это была ЭВМ с самой низкой стоимостью единицы производительности – 25 коп за 1 оп/сек. Это самая высокопроизводительная в мире ЭВМ среди машин второго поколения (на дискретных транзисторах). Ни в каких доступных ныне источниках не удалось обнаружить информации об ЭВМ второго поколения с более высокой производительностью. На сайте Виртуального компьютерного музея www.computer-museum.ru в разделе «Забытые и утраченные отечественные приоритеты и рекорды» 20 мая 2009 г. автором размещена информация:

Первый в мире компьютер-миллионник

Первый в мире компьютер, производительность которого превысила 1 млн. оп/с разработан в 1960–1963 гг. в московском НИИ-37 (позже НИИ ДАР). Это экспериментальный компьютер второго поколения (на дискретных транзисторах) Т340А с производительностью 2,5 млн. оп/с., (гл. конструктор Д.И. Юдицкий), ряд лет проработавший но полигоне ПРО. На его основе был разработан компьютер К340А, выпущенный промышленностью в количестве около 50 комплектов. Высокая производительность компьютеров была достигнута благодаря применению модулярной арифметики.

Т340А и К340А остались мировыми рекордсменами производительными среди компьютеров второго поколения.

Подробнее смотрите: ЭВМ Т340А и К340А

До настоящего времени, в течение более 8 лет, никто не опротестовал это заявление, что является подтверждением его верности.

Не выявлено и ЭВМ, обнаруживающих ошибки при выполнении операций в арифметическом устройстве машины – до сих пор это единственная в мире из серийно выпускавшихся.

В качестве конкурента по производительности на первый взгляд может рассматриваться американская CDC-6600 с её 2,5 ÷ 3,3 млн. оп/с, но это 10-процессорная система, т.е. вычислительное средство совершенно другого класса, сравнивать её с однопроцессорной К340А совершенно недопустимо. Ее можно сравнивать с 10-машинным комплексом РЛС «Дунай-3У», имеющим суммарную производительность 25 млн. оп/с.

Таким образом, мировой рекорд по производительности и надежности ЭВМ 2-го поколения принадлежит нашей стране.

Модулярные супер-ЭВМ 3-го поколения

8 августа 1962 года в подмосковном городе-спутнике, названном через полгода Зеленоградом, Постановлением ЦК КПСС и СМ СССР был создан Центр микроэлектроники (позже Научный центр – НЦ) Министерства электронной промышленности (МЭП). Его первым директором был назначен Ф.В. Лукин.

Одной из задач НЦ было определено: «Разработка принципов конструирования … ЭВМ на основе микроэлектроники …». Для ее решения директор НЦ Федор Викторович Лукин пригласил коллектив Давлета Исламовича Юдицкого, хорошо ему известный по совместной работе в НИИ-37 и имевший опыт создания модулярных ЭВМ Т340 и К340А. Так во вновь организованном НИИ физических проблем (НИИ ФП) появился отдел перспективных ЭВМ, в котором главный инженер Д.И. Юдицкий собрал высококлассных специалистов. Это было зернышко, из которого выросло одно из видных древ компьютеризации страны.

К этому времени в ОКБ "Вымпел" Г.В. Кисунько уже были проработаны основные принципы построения второй очереди системы ПРО "А-35", способной отражать сложные баллистические цели – головные части межконтинентальных баллистических ракет, разделяющиеся на отдельные боеголовки и средства преодоления ПРО. Был также проработан и велась разработка полигонного варианта Многоканального стрельбового комплекса (МКСК) "Аргунь", главным конструктором которого был назначен Н.К. Остапенко.

МКСК должен был обеспечивать полную автоматизацию управления технологическими средствами и целевой обработки данных в цикле от обнаружения целей до их поражения. Для этого требовались очень высокие по тем временам вычислительные ресурсы.

Постановлением ЦК КПСС и СМ СССР от 5 ноября 1965 года (о системе ПРО “Аврора” и второй очереди Системы А-35) трем предприятиям: НЦ (МЭП, Ф. Лукин), ИТМ и ВТ (МРП, С. Лебедев) и ИНЭУМ (Министерство приборостроения и средств автоматики — МПСА, М.Карцев) было дано задание на разработку эскизных проектов мощной ЭВМ со сроком окончания 30 марта 1967г.

К ЭВМ предъявлялись следующие требования: разрядность данных – 45 бит, производительность – 2,5–3 млн. алгоритмических оп/с, реализация сложных функций в одной команде, работа со словами переменной длины, объем памяти – 217 45-разрядных слов (5,625 Мбит) и т.п.

В Зеленограде в этом проекте, названном “Алмаз”, участвовали молодые предприятий НЦ: НИИ ФП – разработка архитектуры и процессора ЭВМ, НИИ ТМ – конструкции, системы питания и ввода/вывода информации, НИИ ТТ – интегральные схемы (ИС).

Общими усилиями предприятий НЦ эскизный проект был разработан, изготовлен и испытан экспериментальный образец и точно в срок представлен Министерству обороны (МО). Причем производительность ЭВМ была выше требуемой – 8 млн. алгоритмических оп/с. Оборудование в 11 шкафах занимало 100 кв.м. и стоило 2,6 млн. руб. (рис. 12).

Инженерный пульт управления ЭВМ Алмаз

Рис. 12. Инженерный пульт управления ЭВМ Алмаз

Огромную роль в зарождении и развитии в Зеленограде сыграли директор Центра Микроэлектроники Ф.В. Лукин, его заместитель С.М. Бутузов и научные лидеры Д.И. Юдицкий, И.Я. Акушский и В.М. Амербаев (рис. 13).

Организаторы и научные руководители создания модулярный ЭВМ в Зеленограде

Рис. 13. Организаторы и научные руководители создания модулярных ЭВМ в Зеленограде

Организаторы и научные руководители создания модулярный ЭВМ в Зеленограде
Организаторы и научные руководители создания модулярный ЭВМ в Зеленограде
Организаторы и научные руководители создания модулярный ЭВМ в Зеленограде
Организаторы и научные руководители создания модулярный ЭВМ в Зеленограде

Проект ЭВМ “Алмаз” выиграл конкурс и был принят Генеральным конструктором ПРО в качестве базовой ЭВМ для МКСК. По результатам конкурса в мае 1968 года был заключен договор на разработку ЭВМ 5Э53 для МКСК. Д. Юдицкий назначается ее главным конструктором и заместителем ГК МКСК "Аргунь" по вычислительной технике. Разработчиков ЭВМ “Алмаз” объединили в новом предприятии – Специализированном вычислительном центре (СВЦ) с директором Д. Юдицким и его зам. по научной работе – И. Акушским.

Требования к ЭВМ 5Э53 по сравнению с “Алмазом” заметно повысились. Вторая очередь Системы А-35 нуждалась в общей вычислительной мощности до 0,5 млрд. оп/с – тогда эти цифры выглядели фантастично. Её должны были обеспечивать 12 ЭВМ, каждая – с производительностью 10 млн. алгоритмических оп/с (около 40 млн. обычных оп/с), с ОЗУ 10 Мбит, ППЗУ 2,9 Мбит, ВЗУ 3 Гбит и с аппаратурой передачи данных на сотни километров. Для этого в 5Э53 был реализован целый букет новых, прогрессивных решений, запатентованных изобретений. Главное – это применение модулярной арифметики, обладающей на задачах МКСК рядом бесспорных преимуществ. Среди них – повышенная производительность и простота аппаратной реализации процессора за счет малой разрядности оснований и высокая надежность системы благодаря самокорректирующимся свойствам СОК. Архитектура 5Э53 отличалась от классической в те годы фон-неймановской, и имела много принципиально новых элементов. Так, команды разделялись на арифметические и управленческие. Первые выполнялись на модулярных процессорах, вторые – на традиционных двоичных. Основные процессы — вычисления, обращения к памяти и другие – были аппаратно конвейеризированы: одновременно выполнялось до восьми последовательных операций. Среди других особенностей – блочная реализация арифметики (блок сложения/вычитания, умножения, управления адресами и т.п.), разделение памяти на оперативную данных и полупостоянную (с механической сменой носителя информации) программ, разделение шин команд и данных (гарвардская архитектура). Аппаратное расслоение памяти на восемь поочередно адресуемых блоков позволяло при времени выборки информации из одного блока ОЗУ 700 нс обращаться к памяти с тактовой частотой процессора – 166 нс.

В 5Э53 применялась новейшая тогда в стране элементная база: ИС серий «Тропа», «Посол», «Терек», специально разработанная СВЦ серия быстродействующих ИС «Конус», цилиндрические магнитные плёнки (ЦМП) для ОЗУ и т.п. В то время одним из наиболее “узких мест” ЭВМ были ОЗУ и ПЗУ. Для 5Э53 вместо дорогой и громоздкой памяти на ферритах были разработаны ОЗУ и ППЗУ на интегральных носителях ЦМП и сменных индукционных картах. По габаритам, массе, быстродействию, энергопотреблению, технологичности и стоимости они были гораздо привлекательнее ЗУ на ферритах. В качестве внешнего накопителя большой емкости использовалось ЗУ на оптической ленте. Оно имело много общего с основными в то время ВЗУ на магнитных лентах (конструкция, привод, электроника), но отличалось носителем и методами записи/чтения информации – фото/светодиоды через оптоволокно на фотопленку. В результате емкость ВЗУ при тех же габаритах повышалась на два порядка и достигала 3 Гбит. Надежность 5Э53 обеспечивало не только применение СОК в арифметическом устройстве, но полное мажорирование (2 из 3) всех других систем ЭВМ, монтаж межблочных и межячеечных соединений методом накрутки и др.

В ходе разработки совершенствовались модулярные алгоритмы. Над этим работал В. Амербаев и его команда. Вспоминает М. Корнев: «Ночью Вильжан Мавлютинович думает, утром результаты приносит В. Радунскому (ведущий разработчик). Схемотехники просматривают аппаратную реализацию нового варианта, задают Амербаеву вопросы, он уходит думать опять и так до тех пор, пока его идеи не поддадутся хорошей аппаратной реализации».

Это характерный пример взаимодействия подразделений и специалистов СВЦ. Специфичные и общесистемные алгоритмы разрабатывались заказчиком, а машинные – в СВЦ коллективом математиков во главе с И. Большаковым. При разработке 5Э53 в СВЦ широко применялось тогда еще редкое машинное проектирование, как правило, собственной разработки. Весь коллектив предприятия работал с необыкновенным подъемом не щадя себя, по 12 и более часов в день, причем и инженеры, и директор! Такой труд хорошо оплачивался и был морально стимулирован. Для ускорения освоения 5Э53 в серийном производстве загорский электромеханический завод (ЗЭМЗ) командировал в СВЦ группу специалистов для изучения ЭВМ. Разработка 5Э53 была проведена в рекордно короткий срок – за полтора года.

В начале 1971 года она завершилась. 160 типов ячеек, 325 типов субблоков, 12 типов блоков питания, 7 типов шкафов, инженерный пульт управления, масса стендов. Изготовлен и испытан макетный образец ЭВМ 5Э53 (рис. 14).

Фрагмент экспериментального образца суперЭВМ 5Э53

Рис. 14. Фрагмент экспериментального образца суперЭВМ 5Э53

В результате 5Э53 представляла собой 8-процессорный комплекс (4 модулярных и 4 двоичных процессора), работающий с тактовой частотой 6 МГц; 25 компактных шкафов, занимавших 120 м2. Наработка на отказ составляла 600 часов (у других ЭВМ тогда – менее 100 часов).

27 февраля 1971 года восемь комплектов конструкторской документации (по 97272 листа) были доставлены на ЗЭМЗ. Началась подготовка производства.

Закончить ее, к сожалению, не удалось. В Минрадиопроме с 1971 г. велась упорная борьбы со второй очередью системы "А-35" и её полигонным МКСК "Аргунь". Первой пала "5Э53", без которой Аргунь невозможен. В начале 1972 г. заместитель министра Радиопрома издал приказ о прекращении фондирования ЦНПО Вымпел для завершения работ по договору с СВЦ о создании 5Э53 и работ по организации производства 5Э53 на ЗЭМЗ. Все работы остановились, навсегда. Причины – это другая история [2, 7 и 8]

На момент прекращения работ, по оценке заместителя ГК 5Э53 по внедрению ЭВМ в производство Н.Н.Антипова, подготовка серийного производства 5Э53 в ЗЭМЗ была выполнена более чем на 70%. Было подготовлено соответствующее оборудование, изготовлены стенды и оснастка, расписаны технологии, обучены специалисты и т.д. Все это пропало. Д. Юдицкий и И. Акушский искали других изготовителей 5Э53. Нашлись заводы, готовые взяться за ее производство, но они были в МРП, и им не позволили. Невостребованной 5Э53 оказалась и в МЭПе – задач для неё ещё не было. Время мощных САПР ИС с их топологическими задачами, где СОК эффективна, ещё не наступило. Восемь комплектов документации на 5Э53, возвращённых из ЗЭМЗ, бесславно сгорели в зеленоградском лесу.

Таким образом, в результате интриг перспективный проект суперЭВМ 5Э53 был погублен. Тем самым было пресечено новое, перспективное направление развития отечественной вычислительной техники, превосходящее все имевшееся и в стране, и за рубежом, – модулярная арифметика. В целом работы СВЦ по СОК примерно на 10 лет опережали зарубежный уровень. О том, что первая серийная модулярная ЭВМ К-340А прекрасно работает (РЛС ДО «Дунай-3У»), поражая своей надёжностью, знали только ее создатели и потребители – это был секретный объект. Слух же, что Д. Юдицкий и И. Акушский не смогли сделать ЭВМ в СОК, получил широкую огласку и стал серьёзным барьером на пути внедрения СОК в ВТ. Задел, созданный в ходе работ по 5Э53, полностью не пропал. Блоки ОЗУ и ППЗУ на интегральных носителях широкое применялись в последующих разработках. Пригодились и разработанные в рамках проекта 5Э53 технические и программные средства для создания многомашинных комплексов с развитой периферией. Они понадобились, когда в недрах СВЦ созрела мысль об объединении всех ЭВМ Научного центра Единой вычислительной сетью (ЕВС). Руководство НЦ предложение поддержало. Одну из ЭВМ (М-220), существенно доработав, превратили в ЭВМ-диспетчер сети. Дополнили ее систему команд, ввели таймеры, систему прерываний, подключили мультиплексный канал аппаратуры передачи информации (АПИ) от 5Э53, ВЗУ на магнитном барабане МБ-11, специально разработанные устройства телевизионного отображения. Все это вылилось в почти удвоение объема аппаратуры М-220. Часть докупили, но больше пришлось делать самим, используя разработки и конструкцию 5Э53. Работы по созданию ЕВС начались в сентябре 1971 года, а в июне 1972 г. первая ее очередь уже эксплуатировалась. С появлением дисплеев (в первую очередь – венгерских “Видеотонов-340”) сеть терминалов через АПИ значительно расширили. Абонентами сети стали программисты, разработчики аппаратуры, абоненты АСУ НПО Научный центр, что потребовало расширения ЕВС практически на всю европейскую часть СССР. В результате НЦ стал одним из первых мощных объединений в стране (возможно, самым первым), реально внедрившим автоматический мониторинг своих предприятий. ЕВС проработала много лет и постепенно, по мере морального и физического старения аппаратуры, была переведена на ЕС ЭВМ.

Модулярные супер-ЭВМ 4-го поколения

В 1971 году в СВЦ началась поисковая работа над эскизным проектом мощной вычислительной системы – ЭВМ четвертого поколения ЭВМ-IV. Это была модульная реконфигурируемая система с аппаратно-микропрограммной реализацией языка программирования высокого уровня типа PL-1 и IPL, считавшихся тогда наиболее перспективными. ЭВМ включала в себя подсистемы центральной обработки (до 16 центральных процессоров – ЦП), ввода-вывода (до 16 процессоров ввода-вывода), ОЗУ (до 32 секций ОЗУ 32Кх64 бита) и мощную модульную систему динамичной коммутации перечисленных модулей по сложному графу (любой ЦП мог быть соединен с любым ПВВ и любой секцией ОЗУ). Общая производительность ЭВМ оценивалась в 200 млн. оп/с.

В ЦП планировалась табличная реализация СОК: результат не вычисляется, а считывается из ПЗУ. В СОК это не сложно, а любая функция одной/двух переменных может выполняться за один машинный такт. В результате проявляется парадоксальное свойство СОК – эффективная производительность модулярной ЭВМ может быть многократно выше ее физического быстродействия или производительности позиционной ЭВМ с таким же быстродействием.

Основой системы конструкционной системы ЭВМ-IV была 256-битная диодная матрица ДМР-256. Кристаллы ДМР-256 и других ИС монтировались на ситалловую плату, семь плат собирались в этажерку с межплатным монтажом по четырем граням этажерки – многофункциональный блок (МФБ). Эти блоки устанавливались на кросс-плату, несколько кросс-плат с МФБ монтировались в металлический герметичный корпус, заполняемый фреоном, – «чемодан» в обиходной терминологии СВЦ. Тепло из блока отводилось по тепловым трубкам. Эскизный проспект ЭВМ-IV был закончен в начале 1973 года. Эта ЭВМ задумывалась как прототип для последующих разработок СВЦ.

В конце 1971 года ОКБ «Кулон» авиаконструктора П.О. Сухого обратилось в СВЦ с заказом на разработку комплекса САПР самолетов, в его основе планировалась ЭВМ-IV. Система предполагала мощнейшую ЭВМ с необыкновенно развитой периферией: около 700 автоматизированных рабочих мест, каждое должно был работать в интерактивном режиме и комплектовалось графическим дисплеем, АЦПУ, графопостроителем и средствами связи с ЭВМ. Эскизный проект САПР заказчик с удовлетворением принял. Но расчетная стоимость системы оказалась настолько высокой, что Минавиапром отказался от ее создания.

В начале 1972 года СВЦ получил заказ ГРУ МО на разработку эскизного проекта суперЭВМ для обработки векторных и структурированных данных, получившей условное наименование “41-50”. В то время за рубежом уже были известны ЭВМ такого типа, например фирмы Burroughs (США). Это многопроцессорные машины, обрабатывающие одиночным потоком команд множественный поток данных (SIMD-архитектура). Основная задача заключалась в распараллеливании данных между процессорами, которую обычно решали программно на основе традиционных скалярных процессоров. В СВЦ строили изначально векторную ЭВМ, работающую над массивами и ориентированную на алгоритмы заказчика. Задача динамического распараллеливания решалась на аппаратно-микропрограммном уровне, что резко повышало эффективность системы в целом. Эскизный проект “41-50” СВЦ выполнял совместно с Институтом кибернетики (ИК) АН Украины, директор института академик В.М.Глушков был научным руководителем проекта, а Д. Юдицкий – главным конструктором.

Первоначально планировалось строить ЭВМ на основе задела, полученного в рамках проекта ЭВМ-IV. Однако анализ специфичных алгоритмов заказчика (процент логических операций в них был значительно выше обычного) показал, что на данных задачах СОК не дает заметного преимущества в быстродействии. Оправдать применение СОК могла удачная конструктивно-технологическая реализация табличной арифметики, обещавшая существенное сокращение объема аппаратуры. Но на поверку задел оказался весьма сырым, не пригодным к практической реализации.

От СОК в ЭВМ “41-50” пришлось отказаться. Началась проработка проекта на основе традиционной двоичной арифметики. Но это уже другая история.

Три неудачных попытки - 5Э53, САПР самолётов, а затем и 41-50, показал, что разместить производство мощных ЭВМ, не профильных Минэлектронпрому, в других министерствах практически не удаётся – конкуренции в СССР официально не было, но межведомственные барьеры были несокрушимы. Поэтому Д.И. Юдицкий принял решение о смене курса на мини-ЭВМ и системы и микропроцессоры. Но это малоразрядные ЭВМ (8 или 16 бит), а на малоразрядных операндах СОК не эффективен. Поэтому работы по модулярной арифметике в СВЦ были прекращены.

Юбилей модулярной арифметики

В 2005 г. исполнилось 50 лет первой публикации А.Свободы и М.Валаха о системе остаточных классов, т.е. о модулярной арифметике. Зеленоградцы академик В.М. Амербаев и Б.М. Малашевич решили отметить этот юбилей специальной конференцией и заодно выяснить современное состояние модулярной арифметики. К организации конференции удалось привлечь ряд фирм и специалистов России, Белоруссии, Казахстана, Украины и США. В результате в ноябре 2005 г. в Зеленограде была проведена Юбилейная Международная научно-техническая конференция "50 лет модулярной арифметике".

В конференции приняли участие 49 участников, представивших 32 фирмы указанных стран, выступивших с 44 докладами. Был выпущен сборник трудов конференции общим объемом 774 страницы [3]. Сборник размещен на сайте Виртуального компьютерного музея www.computer-museum.ru, одного из учредителей и организаторов конференции.

В сборнике трудов приведена также обширная библиография по модулярной арифметике, включающая 1354 публикаций, в т.ч. 981 (72,1%) на русском языке, и 378 (27,9%) на английском. Библиография включает 34 монографии, 566 статей, 337 докладов на конференциях, 426 патентов (в т.ч. 323 Авторские свидетельства СССР, 75,8%) и 5 пособий.

На рис. 15 [9]приведена гистограмма распределения публикаций, из которой следует, что пики активности публикаций приходятся на 1980-е и 2000-е годы, что свидетельствует о росте интереса к модулярной арифметике.

Публикации по модулярной арифметике

Рис. 15. Публикации по модулярной арифметике

В материалах конференции на основе анкетирования участников конференции сделан анализ различных аспектов развития и применения модулярной арифметики. Анализ содержит много интересной информации, с которой можно ознакомиться в материалах конференции на вышеуказанном сайте. Мы остановимся только на одном моменте – на оценке участниками конференции областей эффективности модулярной арифметики (рис. 20). По их оценке наиболее эффективна модулярная арифметика на задачах обработки сигналов, изображений, в криптозащите и целочисленной арифметике, при обработке многоразрядных (сотни и тысячи бит) данных. В этом спектре задач и применялись первые модулярные ЭВМ К340А и 5Э53.

Материалы конференции выявили многочисленные примеры реального применения модулярной арифметики, которые были объединены в 4 группы:

  1. Технологии построения программных и аппаратных модулярных средств обработки информации.
  2. Аппаратная реализация модулярных средств обработки информации.
  3. Программные модулярные средства обработки информации (эмуляторы).
  4. Учебные пособия для высшей школы.

Области эффективности модулярной арифметики

Рис. 16. Области эффективности модулярной арифметики

Серьезного исследования зарубежных научных исследований и практических разработок в рамках конференции провести не удалось – участники конференции оказались недостаточно информированы о зарубежных работах. Хотя некоторые результаты получены были.

Серьёзные исследования в модулярной математике ведутся и сегодня [10].

Литература

Валах М., Свобода А. Origin of the code and number system of remainder classes, в сборнике "Stroje Na Zpracovani Informaci", vol. 3, Nakl. CSAV. 1955. Прага

Малашевич Б.М. 50 лет отечественной микроэлектронике. Краткие основы и история развития //Очерки истории российской электроники, вып. 5. Техносфера, М, 2013, 800 с.

Малашевич Б.М., автор-составитель. Труды Юбилейной научно-технической конференции "50 лет модулярной арифметики" – Россия, Москва, Зеленоград, 23-25 ноября 2005, издательство МИЭТ, тираж 150 экз., 774 с.

Малашевич Б.М. Система остаточных классов и модулярные супер-ЭВМ. – В сб. «История отечественной электронной вычислительной техники», М. 2014, ИД «Столичная Энциклопедия», с. 179 - 201.

Вычислительная техника стран СЭВ. Часть вторая: Чехословакия. https://itnan.ru/post.php?c=2&p=278886

Родионов Н.И. 40 лет на контроле космоса//ОАО НПК НИИДАР.М. 2008. 686 с.

Остапенко Н.К., Малашевич Б.М. Немного о ПРО и о ПРОшниках. Как оно было на самом деле. (Исповедь главного конструктора) – М, Петит-А, 2005, 20 с.

Остапенко Н.К. Ещё больше о ПРО. Были из моей маленькой жизни. М. 2007.

Малашевич Б.М., Малашевич Д.Б. Модулярная арифметика – взгляд изнутри. В сб. «50 лет модулярной арифметики. Юбилейная Международная научно-техническая конференция.» // Петит-А. М. 2005. с. 47-100.

Амербаев В.М. Модулярная арифметика сегодня. В сб. «Труды Юбилейной научно-технической конференции "50 лет модулярной арифметики"» – Зеленоград, из. МИЭТ, с. 441-448.

Материалы международной конференции Sorucom 2017
Помещена в музей с разрешения автора 26 Сентября 2017

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