Комплекс типовых элементов “Урал-10”

В 1948 г. Дж. Бардин и У. Брейттен изобрели точечно-контактный транзистор. В следующем году в нашей стране такой транзистор изготовили А. В. Красилов и С. Г. Мадоян. “Однако первоначальные предположения относительно возможностей применения, повторяемости свойств, надежности, стабильности и стоимости реализовывались очень медленно” — свидетельствовал известный специалист США  Р. К. Ричардс. В 1953 г. по постановлению Правительства был образован НИИ-35 с заводом для разработок и промышленного выпуска транзисторов, тогда же начали изготавливаться точечно-контактные транзисторы С1 и С2.

К числу первых транзисторных машин относится экспериментальная, последовательная, 16-разрядная, двоичная, узко специализированная ЭВМ TRADIC (1954 г), в которой точечно-контактные транзисторы фирмы Bell использовались в качестве усилителей между диодно-резистивными логическими схемами или линиями задержки, выполнявшими, в частности, функции оперативной памяти всего лишь на 13 слов. Построенная на 800 транзисторах и 11000 диодах машина решала единственную задачу (250 команд) в течение 15 мс. В том же 1954 году в СКБ-245 началась разработка на полупроводниковых точечно-контактных приборах собственного изготовления экспериментальной ЭВМ “Волга” (A. A. Тимофеев). Заданное быстродействие — до 2500 оп/с. Реализовывалась более сложная структура машины.

В 1955 году в США выход годных транзисторов был на уровне 5-10 процентов, производство транзисторов было бесприбыльным, а сортировка этих полупроводниковых приборов по группам было общепризнанным явлением. Еще 7-8 лет по объему применения электронные лампы превосходили транзисторы.

О первых результатах экспериментальных разработок базовых элементов для ЭВМ (на точечно-контактных германиевых приборах) в нашей стране было сообщено в марте 1956 г. на конференции “Пути развития советского математического машиностроения и приборостроения” (А. Н. Зимарев и др.). Разработанные сплавные (R.N. Hall, W.C. Dunlap, 1950), поверхностно-барьерные (W.E. Bradley, J.N. Tiley, R.A. Dilliams, 1953), диффузионные (W.C. Dunlap, середина 50-х гг), дрейфовые с мезаструктурой (1956 г) и другие транзисторы обладали более привлекательными для разработчиков ЭВМ свойствами. В 1956 году на поверхностно-барьерных транзисторах, использовавшихся в логических схемах с непосредственными связями, была построена экспериментальная машина TRANSAC (США), в которой только в 19-разрядном АУ было 1242 транзистора. В следующем году появилось сообщение о разработке особо быстрых схем, на переключателях тока.

Первые отечественные германиевые плоскостные транзисторы НИИ-35 П1, П2, П3 обладали весьма непривлекательными свойствами, но с 1956 года в части задания параметров, отработки методики и аппаратуры контроля транзисторов с этим НИИ стало сотрудничать СКБ-245, которому транзисторы были нужны для ЭВМ “Радон”, заказанной МО СССР. В результате сотрудничества появились плоскостные транзисторы П6…П16, которые и были применены в “Радоне” (1957-1964 гг.). Более того, несмотря на относительно невысокие частотные свойства этих транзисторов в Ногинске, Ереване, Киеве и в других городах были предприняты многочисленные попытки построения на транзисторах П6, П13…П16 новых логических схем, процессоров и других устройств.

При построении оперативной памяти для машин с безламповыми процессорами проблемы были настолько сложны, что приходилось допускать использование некоторого количества электронных ламп. В ферритовой памяти Массачусетского технологического института (MIT, 1957 год) для экспериментальной ЭВМ ТХ-0 использовались 625 транзисторов и 425 двойных электронных ламп. Электронное обрамление в МОЗУ транзисторной ЭВМ “Волга” (1954-1957 гг.) было полностью ламповым. В МОЗУ опытного образца транзисторной ЭВМ М-4 (1958-1960 гг.) пришлось использовать до 100 электронных ламп. По словам Главного конструктора этой машины М. А. Карцева, “…это была первая опытная машина, сделанная на транзисторах. Она трудно настраивалась, ее было бы трудно повторить в производстве”.

Главный конструктор машин “Урал” с повышенным вниманием относился к информации о разработке новых элементов. В 1957 г. им была создана лаборатория новых, перспективных элементов. По его указанию В. И. Мухин познакомился в Москве с материалами зарубежного отчета “Электрон” о результатах поисковых работ по новым элементам с самыми различными физическими принципами действия. В том же году автор этих строк познакомился в СКБ-245 с применением транзисторов в схемах постоянной памяти ЭВМ. Позже в НИИУВМ по инициативе Б. И. Рамеева проводились поисковые работы по исследованию и апробации в вычислительных схемах элементов, перспективных в отношении повышения быстродействия, снижения потребляемой мощности и улучшения надежности. Исследовались параметроны на ферритовых сердечниках (В. А. Болотский), параметроны на полупроводниковых приборах (С. С. Телков, В. А. Болотский, В. И. Мухин и другие), приборы диапазона СВЧ (В. Т. Мошенский), включая предложенный Баширом Искандаровичем особо быстрый полусумматор.

В 1959 г. в Пензе шла работа по последним ламповым ЭВМ “Урал”. Настало время обобщения накопленного опыта и составления планов дальнейших работ. Молодая рамеевская школа конструирования к этому времени становилась лидером отечественного математического машиностроения в классах малых, средних, планово-экономических и многих специализированных ЭВМ первого поколения. Были освоены методы проектирования с высокими техническими показателями процессоров, оперативных и внешних запоминающих, а также периферийных устройств. Пришло время поиска решений по новому поколению наших машин.

Экспериментальные работы по построению диодно-трансформаторных логических схем и статических регистров на насыщенных транзисторах П15 выполняли Е. И. Шприц, изучавший транзисторные схемы с 1957 г, и его коллеги; В. С. Яшина рассказывала позже, что они же начали составлять первые процессорные схемы.

Работа по созданию безлампового ферритового накопителя БНФ-1 (с экономичной схемой выбора типа 3D,4W) началась по инициативе и под руководством автора этих строк в первой половине 1959 г. Во время одной из наших встреч Башир Искандарович спросил меня, не веду ли я какие-либо внеплановые работы (кто-то уже услужливо проинформировал его). Услышав о начавшихся поисковых работах по БНФ-1 (информационная емкость — 1024 20-разрядных слова, время цикла — 15 мкс), он заявил о поддержке их при условии полного информирования его о ходе работ. Моими соисполнителями по БНФ-1 стали молодые специалисты А. А. Михайлов, И. Т. Шульпин из Пензенского индустриального института и Е. С. Филиппова из Рязанского радиотехнического института. С помощью нашего весьма доброжелательного гостя (первого секретаря Пензенского обкома КПСС) нам удалось получить крайне дефицитные тогда опытные образцы отечественных транзисторов “Полет”. Позже они получили обозначение П601, П602, П603. Ток переключения транзисторов — несколько сот миллиампер при напряжении до 30 В. С учетом этого в Пензенском НИИЭМП нами была заказана разработка и срочная поставка в НИИУВМ магний-марганцевых ферритовых запоминающих сердечников С-1. Внешний диаметр — вдвое меньшим, чем в серийных сердечниках модулей У-400. Это позволило снизить в МОЗУ полутоки возбуждения запоминающих сердечников до приемлемой величины (250-260 мА). Для выбора координатных шин мы использовали очень перспективную бестрансформаторную диодную матрицу, все ключи-возбудители — на транзисторах “Полет” с трансформаторным входом, генератором тока был источник постоянного напряжения с балластным сопротивлением, усилитель считывания — на высокочастотных транзисторах П403, созданных в НИИ-35, логические схемы — диодно-трансформаторные, регистровые статические схемы — на насыщенных транзисторах П15. Емкость элементарной матрицы МЭ-2 — 256 бит. Тогда же нами были промакетированы основные технические решения по БНФ-1, ставшие базовыми для наших дальнейших работ по ферритовой памяти. Началась инициативная, может быть даже пионерская работа по созданию опытного образца безлампового ферритового накопителя БНФ-1.

В 1959 году Рамеевым были сформулированы, но не афишированы основные черты нового поколения машин “Урал”. За этим последовала проработка вопросов создания новой конструктивной и технологической базы.

В мае того же года в нашей стране американской делегации сообщили о ведущейся разработке транзисторной машины “Раздан-2”, а в октябре главный конструктор машины Е. Л. Брусиловский рассказал В. И. Мухину и мне об особенностях и трудностях построения этой машины, в частности, МОЗУ типа 2D. Он предлагал мне поработать у них и поделиться своими наработками по более экономичному БНФ-1 (с выбором типа 3D,4W).

В это же время на американском рынке появилась ЭВМ на полупроводниковых элементах RCA-501 с ферритовой памятью емкостью 4K 24-разрядных слов со временем цикла 15 мкс и IBM-1620 с ферритовой памятью емкостью 80 килобит с временем выборки 20 мкс, со скоростью счета 17000 оп/с, на фирме IBM созревала идея создания для производства в небывало массовом объеме ЭВМ IBM-1401 на 10000 транзисторах, с ферритовой памятью емкостью до 4К цифр при времени цикла 11,5 мкс. Велись разработки и больших транзисторных ЭВМ как на этой фирме, так и на других: на фирме CDC в 1960 г. начали выпускать CD1604 (25000 транзисторов и 100000 диодов), однако первоначально время работы машины без сбоя было всего лишь несколько часов. Но это была лишь скоротечная “детская болезнь”. Разработчики фирмы IBM уже проектировали даже такую модель как IBM-7030, в которой использовалось более 200000 транзисторов.

Важной составляющей технической политики на фирме IBM стало переложение своих серийных ЭВМ на полупроводниковую элементную базу. В таблице 4 показаны основные параметры новых моделей машин. Следует обратить внимание на быстроту процесса переложения: полупроводниковая модель IBM-7090 на 20000 транзисторах (по 80 долларов за штуку) появилась в июне 1960 г, спустя всего лишь 21 месяц после запуска в эксплуатацию своего лампового прототипа (IBM-709).

И в нашей стране это направление развития вычислительной техники представлялось целесообразным: наиболее совершенные модели ЭВМ того времени (М-20, “Урал-4”) решено было переложить на полупроводниковые элементы, хотя технические характеристики отечественных транзисторов и диодов все еще сильно уступали американским, объем выпуска транзисторов был на порядок ниже американского.

В апреле 1960 г. в НИИУВМ был образован отдел, тематика которого содержала не только работы по завершению ламповых машин “Урал”, но и работы по проектированию ЭВМ типа “Урал-4” на полупроводниковых элементах. В состав этого отдела (нач. А. Н. Невский) включили лаборатории ОЗУ (нач. Г. С. Смирнов), ВЗУ (нач. А. Г. Калмыков), процессоров (нач. А. Я. Пыхтин), конструкторское бюро С. М. Долбенского и макетную мастерскую В. С. Сергеева. В сильно поредевшем отделе специальных машин, руководимом В. С. Маккавеевым, меняется направление работ: в лаборатории Е. И. Шприца появляются энергичные молодые специалисты В. Д. Цыганков, И. В. Иловайский, позже А. М. Бершадский, Ю. П. Безверхов, А. Н. Цупак и другие. Они подключаются к отработке логических элементов на полупроводниковых приборах. В лаборатории В. И. Мухина разрабатывается опытный образец настольно-клавишной машины на параметронах вместо использовавшихся в то время в таких устройствах электромеханических реле. Целью этой работы являлась апробация разработанных параметронов в цифровых узлах вычислительной машины для оценки перспективы их дальнейшего использования в более сложных, высоконадежных машинах.

Таблица 4. Параметры американских универсальных полупроводниковых ЭВМ. 1959-1964 гг.

Созданные в НИИУВМ импульсно-потенциальные логические схемы на транзисторах П15 надежно работали в нашем модуле БНФ-1, но не удовлетворяли повышенным требованиям Рамеева в отношении технологичности и воспроизводимости в условиях предполагавшегося им массового производства элементов. Именно в это время в стране запретили повсеместно использовавшийся отбор полупроводниковых приборов. Этот запрет усложнил работу наших проектировщиков элементов и побудил к переходу на еще не использовавшуюся в отечественных машинах диодно-транзисторную логику (ДТЛ) на новых и дорогих тогда кремниевых диодах Д220 и диффузионных транзисторах П401…П403 в ненасыщенном режиме. Перед окончательным выбором Б. И. Рамеев направил автора этих строк к московским разработчикам элементов для ознакомления с их работами и сопоставления с нашими.

Основным элементом в логическом наборе выпускника МЭИ  В. А. Гринкевича (НИЭМ) был триггер на насыщенных транзисторах П16 с форсированным переключением для улучшения быстродействия; в логических и триггерных схемах широко использовались импульсные трансформаторы, изготовление которых почти неизбежно связано с малопроизводительным ручным трудом. Мне было уже известно, что комплексы импульсно-потенциальных элементов на транзисторах П15, П16А (с широким использованием импульсных трансформаторов) для меньшего частотного (250 кГц) и температурного рабочих диапазонов отрабатывались для применения в машинах “Раздан-2”, “Минск-2”, “Курс”. Совместимости комплексов по напряжениям питания, сигналам или конструкции типовых узлов замены не было. Перспективы существенного улучшения параметров схем не было.

В наборе выпускника МЭИ  A.Б. Залкинда (НИИАА) на транзисторах П15 и П11 схемы с переключением тока, которым свойственно особо высокое быстродействие, но их реализация связана с использованием большого количества транзисторов. Кроме этого работа схем в широком диапазоне температур как и помехоустойчивость в ряде устройств, по мнению автора набора, были проблематичными. Тем не менее, планировалось их применение в машине специального назначения. На более высокочастотных транзисторах схемы с переключением тока стали применять в IBM-7030 (1961 г.), “Весна” (1964 г.) и БЭСМ-6 (1967 г.), но для относительно узкого температурного диапазона.

Однокурсник Мухина и Невского Б. Н. Кононов (МЭИ, МИФИ), автор монографии по симметричным триггерам на транзисторах, как и Р. Бейкер (США), использовал ненасыщенные (с диодной обратной связью) переключающие схемы, которые можно было строить как на транзисторах П16, так и на диффузионных П401…П403. С входной диодной логикой эти схемы могли быть расширены до полноценного комплекса с минимальным набором разновидностей, с малой номенклатурой деталей и выглядели весьма перспективными для массового механизированного производства.

Собранная мною и доложенная Баширу Искандаровичу информация подтверждала обоснованность выбора нашими молодыми разработчиками готовившегося ими варианта базового комплекса элементов. После обсуждения основных схем комплекса Главным конструктором и заместителями Главного (А. Н. Невским, Г. С. Смирновым и В. И. Мухиным) с участием разработчиков схем В. Д. Цыганкова, И. В. Иловайского и после небольшой корректировки схем этот выбор стал нашим общим решением. В связи с увольнением руководителя разработок элементов Е. И. Шприца физик Л. Н. Богословский, обобщавший опыт эксплуатации серийных машин “Урал”, был назначен руководителем лаборатории логических элементов.

Для достижения более глубокой унификации типовых элементов Б. И. Рамеевым была принята не применявшаяся в стационарной вычислительной технике нашей страны модульная реализация базовых элементов по типу специального набора (на сверхминиатюрных лампах) “Элемент-2” с использованием технологии печатного монтажа. Размер модуля — 34в54 мм. У нас были “одноэтажные” и “двухэтажные модули”. Основным логическим элементом нашего комплекса стала схема “И-ИЛИ-НЕ” (модуль Б-1) с временем переключения не более 0,63 мкс (среднее время задержки менее 200 нс) при наихудших сочетаниях параметров элементов, питающих напряжений и в диапазоне температур от -10 до +50 (позже -40…+70) градусов Цельсия; более быстрый логический модуль А-1 переключался быстрее 250 нс. Модуль Д-1 расширял их логические возможности, а модуль Е-1 имел повышенную нагрузочную способность (30 модулей вместо 5 у Б-1 и А-1), модуль Ж-1 использовался как регулируемая задержка, а И-1 для возбуждения светоиндикатора, см. “Узлы функциональные (модули). Сборник технических описаний. ПС3.308.012”. Основными питающими напряжениями были +6,3 В, -6,3 В и -30 В. В модуле Б-1 — германиевый транзистор П-402 (П-416А), 7 кремниевых диодов Д220 и 4 резистора. Эти диоды и транзисторы в те годы были чрезмерно дорогими. Но с расширением их производства цена должна была быстро падать.

Следует заметить, что скоростные характеристики схем ДТЛ могли значительно улучшиться по мере совершенствования использовавшихся в них транзисторов и минимизации размеров модуля: в 1960 г. в США схемы ДТЛ были со временем задержки 700 нс, а через несколько лет это время удалось снизить более чем на порядок. В 1965 г. в моделях ЭВМ IBM System/360 использовались четыре группы ДТЛ схем (в гибридном исполнении) с временем задержки на элемент 300, 30, 10 и 6 нс.

В рамках принятых конструктивных решений сотрудниками лаборатории ОЗУ  Г. С. Смирновым, рук., А. А. Михайловым, И. Ф. Кручининым, Ю. Э. Саксоновым на базе завершенных работ по накопителю БНФ-1 был разработан набор специальных модулей М-1…М-7 для построения гаммы устройств ферритовой памяти емкостью до 16К слов, кроме этого в лаборатории Е. Н. Павлова были разработаны модули М-8, М-9 и М-10 для периферийных устройств типа АЦПУ, см. “Узлы функциональные (модули) специальные. Сборник технических описаний. ПС3.308.013”. Все эти модули вошли в комплекс типовых элементов “Урал-10”.

По свидетельству Башира Искандаровича, в это время “вопросу унификации было уделено особое внимание”: принцип модульного исполнения конструктивов всех уровней (модуль, ячейка с размером 150в230 мм, с числом “посадочных мест” для модулей до 12, панель, блок питания, шкаф) стал у нас доминирующим.

В то время каждый НИИ, проектировавший вычислительные машины, разрабатывал самостоятельно, без согласования с другими разработчиками набор логических элементов, конструктивы и необходимые устройства. Видимо поэтому, по решению ГКРЭ и ГКЭТ от 27 июня 1961 г, не без участия Рамеева, нашему предприятию была поручена разработка комплекса унифицированных элементов для ЭВМ. “Урал-10” и был предложен в таком качестве.

Учащаются и становятся более многолюдными совещания у Башира Искандаровича: помимо заместителей Главного конструктора А. Н. Невского и Г. С. Смирнова, ведущих разработчиков-электриков А. Г. Калмыкова, Ю. В. Пинигина, Л. Н. Богословского на них присутствуют конструкторы И. К. Кутний, позже М. П Князев, А. И. Елатонцев. Нами, электриками, формулируются и обобщаются технические требования, предлагаются начальные варианты исполнения компонент машины. Одна из наших главных целей заключается в том, чтобы размер шкафа с ячейками, содержащими модули, и с источниками вторичного стабилизированного напряжения питания был оптимальным для размещения функционально законченного устройства: накопительного, центрального или периферийного. Большая номенклатура устройств и различия в схемном и конструктивном исполнении приводят к выбору двух типовых шкафов для наших новых машин: Ш-1 (1850в630 в 430 мм) и Ш-2 (1850в1260 в 430 мм) с максимальным количеством ячеек 84 и 168 соответственно. Монтажная панель Ф-1 (“корзина”) содержала до 14 ячеек. Используемые в корзине разъёмы допускали запаивание лепестков своих контактов с контактными штырьками вилки ячейки: это могло существенно повысить надёжность конструкций в процессе эксплуатации. Типовой источник питания П-1, как и специальный П-6 для МОЗУ, разрабатывались В. К. Елисеевым и его коллегами, при этом ими были получены пять авторских свидетельств. Эти компоненты машин были включены Рамеевым в комплекс типовых узлов и блоков “Урал-10” для новых машин.

Констpуктоpское подразделение ведет детальную пpоpаботку предлагаемых решений: Б. И. Рамеев — главный участник и приёмщик таких работ. Он настаивает на выполнении норм на радиоэлектронную аппаратуру (нормаль “Мороз”) для обеспечения использования машин по двойному назначению, в связи с этим подключаются независимые от разработчиков испытатели. Ведутся макетирование, испытания, оценки и очередные доработки панели, шкафа, клавиатуры.

А. М. Барашков со своими коллегами бьётся над освоением технологии печатного монтажа модулей и ячеек. Директор  В. А. Шумов регулярно заслушивает их отчёты на многолюдных совещаниях, но дело продвигается неприемлемо медленно. Над увлечённым экспериментатором сгущаются тучи. Вскоре пригласили нового технолога.

Весною 1961 г. вернувшись с французской выставки, автор этих строк рассказал Б. И. Рамееву об использовании в экспонировавшейся там ЭВМ печатного монтажа для межъячеечных соединений на панелях. Для нас это новинка. Тут же на наших панелях появляется печатный монтаж, но с пензенской “спецификой”: не гибкий, сплошной, а из отдельных пластин с печатными проводниками (они возьмут на себя часть регулярного монтажа). Процессорщики предлагают использовать ЭВМ “Урал-4” для трассировки связей между ячейками и этим стала заниматься группа автоматизации проектирования под руководством выпускника (1959 г) Пензенского пединститута А. И. Барышева.

Через несколько месяцев сотрудники НИИУВМ разместились в новом, более просторном, построенном В. А. Шумовым помещении, вне территории завода САМ. На заводе САМ директором становится Б. А. Маткин, работавший на заводе главным инженером. Через несколько лет его сменил В. А. Стукалов. Много лет спустя Башир Искандарович написал, что лучшие, наиболее продуктивные годы его деятельности протекали в научно-производственных коллективах, которыми руководили М. А. Лесечко и В. А. Шумов.

В НИИУВМ поднимается большой пласт проектных работ, который послужит фундаментом для создания базового набора устройств ряда полупроводниковых ЭВМ “Урал”.

В марте 1962 г. была изготовлена партия модулей комплекса “Урал-10” для макета АУ лаборатории А. Я. Пыхтина, в декабре того же года комплекс “Урал-10” прошел Госиспытания: были изготовлены 330 модулей, партия ячеек с модулями и показана работа модулей в макете АУ. После разработки в лаборатории В. Г. Желнова высокопроизводительного стенда С-1 для проверки логических модулей в ноябре 1963 года сотрудниками лаборатории Л. Н. Богословского и ОТК нашего предприятия была проведена дополнительная проверка модулей на соответствие ТУ. После этого комплект документации на комплекс унифицированных потенциальных элементов ДТЛ “Урал-10” был окончательно передан Волжскому заводу РТЭ для массового производства. Общий объем выпуска модулей (по оценке Б. И. Рамеева) составил несколько миллионов штук. Они использовались не только в “уральских” изделиях, но и в УВМ “Тбилиси”, “Ритм-2”, АЦВК “Сатурн” и других. По оценке наших разработчиков интенсивность отказов модулей — 5/(100 млн.) 1/час. Л. Н. Богословским был составлен итоговый отчет по разработке логических модулей. Отчет был прочитан Рамеевым и помещен в его сейф.

Следует заметить, что в 1964 году в Киеве главным конструктором элементной базы машин “Днепр” и “Мир” С. С. Забарой был также разработан комплекс потенциальных элементов (“Мир-10”), сменивший устаревшие к этому времени импульсно-потенциальные схемы и ставший базой для создания всех машин второго поколения в Министерстве приборостроения СССР.

До микроминиатюрного исполнения подобных элементов (например, типа гибридных схем “Посол”) оставалось не более шага, однако первопроходцами по применению стали разработчики военной (аэрокосмической и др.) техники. С 1956 г. разработкой гибридных схем занимались в ленинградской специальной лаборатории, руководимой Ф. Г. Старосом. В 1959-1962 гг. Б. В. Малин в НИИ-35 вел разработку объемных (монолитных) микросхем. 8 августа 1962 г. в нашей стране было принято решение о строительстве в Зеленограде Научного Центра микроэлектроники (с заводами) и об организации его филиалов в Киеве, Минске, Риге и Вильнюсе. В том же году фирмы Texas Instrument (TI) и Fairchild приступили к серийному производству первых микросхем, среди первых типа ДТЛ — приборы серии 930 фирмы Fairchild (t_з=25 нс), SE100 фирмы Signetic (t_з=30 нс) и UM200 фирмы Westinghouse (t_з=35 нс). Цена на микросхемы снизилась с 450 до 20-25 долларов за штуку (в среднем), но могла радикально снижаться в условиях планировавшегося массового производства. С копирования американских схем серии SN51 фирмы TI в нашей стране началось производство монолитных микросхем ТС-100 для ракетной аппаратуры.

Из книги Г. С. Смирнова “Семейство ЭВМ «Урал». Страницы истории разработок.” Пенза, 2005 г.
Перепечатывается с разрешения автора.