ЭВМ “Урал-16” — последняя машина ряда

В 1965 году произошла очередная ломка структуры народного хозяйства страны: вместо совнархозов появляются министерства, усиливается централизованное управление. В этот год (время начала выпуска машин System/360) стало окончательно ясно, что в разработке машин нашего ряда мы останемся одни. Это ведущий отдел А. Н. Невского, частично отделы Е. Б. Рассказова, А. К. Щенникова и Н. М. Конопли. “Костяком” Пензенской школы конструирования полупроводниковых ЭВМ Башир Искандарович считал заместителей Главного конструктора А. Н. Невского, Г. С. Смирнова, В. И. Мухина и ведущих разработчиков Л. Н. Богословского, А. С. Горшкова, В. И. Буркова (с 1968 г. ставших также заместителями Главного конструктора), О. Ф. Лобова, Ю. В. Пинигина, В. К. Елисеева, В. Г. Желнова, Н. М. Коноплю, А. И. Плетминцева, Н. М. Князева.

Объективно оценивая возможности “уральских” разработчиков, нельзя не признать, что это была не сравнимая с 20 КБ компании IBM сила, что не могло не сказаться, в частности, на сроках реализации проекта. Пензенский НИИВТ участвовал в разработке устройства У-370, а также разрабатывал “для всех” магнитные барабаны МБ-9, МБ-11 и диски НД-3. И теперь не были подключены сторонние организации (например, академический ИПМ) к разработке ставшего особо важным программного обеспечения, работы новой и трудоёмкой (по зарубежным оценкам: один час работы программиста на одну машинную команду при объеме программы не более 5000 команд, при большем объеме — трудоемкость существенно выше). Нашему математическому отделу суждено было не только выполнять трассировку ячеек (их оказалось больше, чем в “Урале-14”), составлять таблицы соединений более десятка шкафов, разрабатывать тесты и библиотеку стандартных подпрограмм, но и создавать очередную операционную систему машины (Д2У-16). Своей очереди ждал транслятор с автокода АРМУ на машинный язык этой модели, объем подобного транслятора (MADLEN) для БЭСМ-6 — 4000 команд.

К этому времени цена американских микросхем приблизилась к цене схем на дискретных элементах и не превышала 10 долларов за штуку, групповой процесс массового изготовления микросхем предопределял дальнейшее существенное снижение цены. Доля микросхем в вычислительных системах возросла с 7-10 процентов в 1964 г. до 12-17 в 1966 г, ожидавшаяся доля в 1972 г. — 65 процентов. Особо важный прогноз, который не всеми нашими ведущими разработчиками был учтен в своей работе! Технические характеристики микросхем позволяли увеличить скорость счета по сравнению с машиной на дискретных элементах в несколько раз и увеличить функциональную сложность машин для достижения большей эффективности.

Теперь, многие годы спустя, мне представляется, что эту ситуацию следовало использовать для иного, заманчивого и перспективного шага: заняться переложением созданных “уральских” машин на микроэлектронные элементы, но без поддержки на правительственном уровне скоротечную, полномасштабную ОКР по народно-хозяйственной машине выполнять было вряд ли возможно. Первое применение гибридных микросхем ДТЛ “Посол” было в ЭВМ “Бета-2” (НИЭМ, С. А. Крутовских, А. М. Ларионов) и в ЕС-подобной машине 5Э76 (НИИАА, Н. Я. Матюхин), предназначенных для решения важных задач МО СССР и потому обеспечивавшихся самыми перспективными компонентами; эксплуатация этих машин началась в начале семидесятых. Промышленный выпуск монолитных микросхем из первого десятка типов был освоен в нашей стране лишь в 1967 г. (для ракетных систем).

Попытки модернизировать наш комплекс диодно-транзисторных логических элементов были (В. Д. Цыганков, Л. Н. Богословский), но они были направлены в основном на снижение себестоимости за счет более дешевых компонент, а не на повышение быстродействия и не на достижение лучшей компактности, что представлялось очень желательным разработчикам МОЗУ. Тем временем начали появляться новые, более быстрые отечественные транзисторы и интегрированные компоненты (диодные сборки и пр.), привлекавшие внимание разработчиков ферритовой памяти (Г. С. Смирнов, Ю. Э. Саксонов, В. А. Соколов), нуждавшихся в более быстрых элементах: свои новые решения по логическим схемам они стали применять в разрабатываемых модулях ферритовой памяти У-465, У-465МВ, У-466С с t_ц менее 3 мкс. В процессоре и других устройствах использование комплекса “Урал-10” (как и набора внешних устройств, созданного при разработке ЭВМ “Урал-11” и “Урал-14”) сохранилось.

Груз плановых обязательств и некоторые назревавшие другие обстоятельства побудили Главного конструктора ограничиться лишь определённым изменением объёма проектных работ по новой, более производительной, 48-разрядной машине нашего ряда. Б. И. Рамеев принимает решение завершить разработку нашего ряда машиной “Урал-16” с новыми центральными устройствами. Это — 48-разрядное арифметическое устройство У-330 (ведущий разработчик О. Ф. Лобов, разработчики Ф. П. Невская, Е. М. Гольдгабер, С. Г. Кочетов и другие), устройство управления У-331 (ведущий разработчик А. С. Горшков, разработчики Ю. В. Пинигин, Г. С. Богословская, Л. А. Собина, В. Н. Гневшева, В. К. Францев, А. А. Ермоленко, Л. И. Еремина, Г. М. Морозов и другие), коммутатор ферритовой памяти У-652 (В. И. Мухин, Ю. И. Гневшев, В. И. Кузнецов, А. С. Тимаев) и пульт управления У-635 (В. И. Мухин, С. Ф. Папшев, Ю. И. Гневшев). Ведущим разработчиком системы команд машины остался В. И. Бурков. Остальные устройства машины можно было заимствовать из набора “уральских” устройств, без какой-либо доработки. У нас имелись все условия для скоротечной разработки этих четырех новых устройств машины.

В опытном образце машины “Урал-16” уже в 1964-1965 годах можно было бы использовать хотя бы для наладки процессора серийные модули ферритовой памяти У-451, если бы был быстро подготовлен процессор. Однако, к сожалению, в это время разработка процессора была фактически приостановлена. “МОЗУшники” своими силами с решительного одобрения Рамеева стали готовить для всех “Уралов” более емкие ферритовые модули У-454. Первый модуль У-454 (шкаф Ш-2, емкость 16К слов) для машины был налажен в 1966 г. В следующем году он был в серийном производстве. Выпуск остальных модулей У-454 для машин шел без каких-либо осложнений.

Вместо объявленного ранее 48-разрядного модуля У-455 с t_ц=9 мкс были развернуты работы по проектированию более быстрого, с перспективной (в отношении последующего перехода на микроэлектронное обрамление) схемотехникой модуля ферритовой памяти У-465 емкостью 16384в52 бит с временем цикла 2,8 мкс. Таких модулей ферритовой памяти в нашей стране тогда не было. Главный конструктор Г. С. Смирнов, разработчики К. Е. Юренков, Т. В. Грачева, Н. В. Морозов, Г. И. Нефедов, В. И. Степушкин и др.

Максимальный размер адресного пространства оперативной памяти в машине “Урал-16” был определён “центристами” почему-то в 64К — 256К 48-разрядных слов (в более мощных БЭСМ-6 32К — 128К слов, IBM-7030 16K-256K слов), для чего ввели в состав машины коммутатор НФ У-652. Коммутатор мог работать с четырьмя группами из ферритовых накопителей и обеспечивал скорость обмена до 4,8 Мбит/с. Корректирующие коды как в IBM-7030 не применялись, использовались лишь дополнительные разряды в каждом слове для контроля по модулю 3 в процессоре. Информация должна была сохраняться в наших накопителях при плановых и внеплановых включениях и выключениях сетевого напряжения, необходимые схемы для этого мы уже имели.

Использование в машинах большого количества модулей ферритовой памяти побудило нас разработать легко перемещаемое по машинному залу устройство контроля накопителей (У-726). По своим функциональным возможностям оно не уступало хорошо зарекомендовавшему себя устройству У-725. Основные соисполнители Ю. Ф. Филатов, Г. Ф. Глазунов, А. Б. Кузнецов и др.

В машине “Урал-16” как и в других машинах нашего ряда одноадресная система команд. А. С. Горшков, В. И. Бурков, Ю. В. Пинигин не пошли по пути простого (и более быстрого в реализации) увеличения разрядности с 24 (“Урал-14”) до 48 (“Урал-16”). Они увеличили и количество команд, базисных регистров (до 512), каналов прерывания (до 64+24), уровней прерывания (до 64) и, естественно, использовали индексные регистры (14 шт.). В систему команд ввели операции быстрого извлечения квадратного корня, преобразования чисел из одной системы счисления в другую, выполнявшиеся в машинах “Урал-11”, “Минск-22” и др. с использованием подпрограмм с потерей времени миллисекундного уровня.

Разрядность обрабатываемых слов — переменная, 1-48 бит, что давало возможность эффективной обработки и 5-, 6-, 7-, 8-битовых кодов, использовавшихся в телеграфной аппаратуре, при представлении алфавитно-цифровых символов и обеспечивавших возможность информационной совместимости с носителями данных других машин. С помощью экстракодов стала допустимой работа с числами, длиною более 48 бит, а также 96 и более 96 бит. Расположение слова в ячейке оперативной памяти определялось адресом начала слова и указанной длиной (нечто подобное в IBM-7030). Программист мог адресовать массивы слов длиной 24, 48, 72 … 98304 бита. Команды — 24-разрядные. Относительный адрес ячейки в массиве задавался 12-ю разрядами, номер индексного регистра — тремя, номер базисного регистра на одном уровне — двумя, остальные 7 разрядов задавали исполняемую операцию.

В машине — 300 команд. В системе команд появились операции подсчета единиц в двоичном слове, “сборки” и “разборки” слов. Среди них команды для “общения” с 1-8 “уральских” машин, команды подключения ЭВМ, прерывания во внешней машине. Одновременно могли обрабатываться до четырех команд. Была предусмотрена многопрограммная работа с обеспечением соответствующей защиты.

Представление чисел не только с фиксированной, но и с плавающей запятой без использования сопроцессоров. Время выполнения операции сложения в машине снизили до 10 мкс, а операции умножения — до 15-30 мкс. Однако при этом объем оборудования процессора (А. С. Горшков, О. Ф. Лобов) увеличился до 10 шкафов Ш-2 (в 6 из них было размещено АЛУ). Эти временные параметры близки к указанным в аван-проекте для машин “Урал-14” (t+=15, t*=100 мкс) и “Урал-15” (t+=8, t*=50 мкс) и лучше значений, которые можно было получить в ЭВМ “Урал-11” или “Урал-14” при использовании соответствующих сопроцессоров (У-345) нашего ряда машин.

В устройстве У-652, выполненном в четырех шкафах Ш-1, помимо основной функции коммутации модулей оперативной памяти еще и средства обеспечения связи по трем группам шин с устройствами типа У-417, У-420, У-425, У-670, У-672 и c другими, причем на каждой группе шин могло быть до 8 устройств. Кроме этого в коммутаторе была дополнительная группа шин для подключения второй ЭВМ нашего ряда. 24-разрядные данные могли передаваться со скоростью 2,2 Мбит/с. Таким образом, обеспечивалась и двухмашинное построение системы машин и построение общего поля памяти внешних устройств системы. По существу, это было штатная реализация функций апробированного ранее устройства У-370.

В команде обращения к внешнему устройству как и в других машинах нашего ряда и как в IBM-7030 указание номера устройства. Команда обмена информацией устройствами сопряжения с МОЗУ — двух строчная, по 24 разряда в каждой строке: помимо начального и конечного 20-разрядного адреса указывалась одна из 16 операций и один из 16 признаков (работа с цепочкой массивов и др.). Использовался механизм приостановок для сокращения потерь времени.

Емкость памяти на магнитном барабане — 98444 — 787552 24-разрядных слова, на магнитной ленте — 8-48 млн. 24-разрядных слов, скорость обмена информацией между оперативной памятью и магнитным барабаном — до 0,5 Мбит/с, между оперативной памятью и НМЛ — 0,13-0,7 Мбит/с, скорость обмена с устройствами сопряжения каналов связи — 2,2 Мбит/с. В качестве датчика времени предлагалось использование устройства У-695, выполненное Ю. Л. Соколовым в шкафу Ш-1.

Для организации доступа двум любым “уральским” машинам к устройствам ввода и вывода могло использоваться устройство У-690. Скорость ввода с перфолент — до 1000 строк/с, с перфокарт — до 700 карт/мин, с каналов связи — до 2,2 Мбит/с, скорость вывода на бумажную перфоленту — до 80 строк/с, на перфокарты — до 110 карт/мин, на АЦПУ — до 400 строк/мин, в каналы связи — до 2,2 Мбит/с.

Параметры используемых устройств для ввода-вывода предполагалось существенно улучшать по мере готовности новых разработок (У-217, У-218, У-547 и др.).

Рабочая температура окружающей среды для машины: +5 … +40 градусов.

В 1966 г. наш НИИ получил новое, более точно соответствующее выполняемым работам наименование — НИИ математических машин (ПНИИММ), но был выведен из Главка разработчиков ЭВМ и включен в “системный” Главк МРП, а Пензенский завод ВЭМ был оставлен в прежнем, восьмом. Лучше от этого не стало ни нам, ни заводчанам.

Монтажную документацию центральных устройств от ячейки до шкафа выполнили машинным способом (А. И. Барышев, Л. Змачинский). но лишь в 1967 г. коммутатор НФ, АУ и УУ поступили под наладку. Это уже не удовлетворяло новый Главк МРП: руководители ПНИИММ были лишены квартальной премии, а В. А. Шумов лишил премии А. Н. Невского, М. П. Князева и Е. Б. Рассказова.

С июля 1968 г. в институте велась круглосуточная бригадная (И. В. Бойков, Ф. П. Невская, С. Г. Кочетов) наладка арифметического устройства У-330. Наладку устройства управления У-331 вели Ю. В. Пинигин, Г. С. Богословская, Л. А. Собина, В. Н. Гневшева, Л. С. Гальченко, Н. Я. Шварц и др.

С августа работы продолжались уже без нашего лидера, выдающегося конструктора и высоко ценимого нами руководителя Б. И. Рамеева, переведенного на работу в Москву. Огромная, невосполнимая потеря для “уральского” коллектива разработчиков ЭВМ и для меня лично! Годы моей совместной работы с ним — самые плодотворные и не побоюсь сказать — самые счастливые. Тогда же я сказал В. Т. Мошенскому, что для нашего института наступает трудная пора, но услышал в ответ, что остался работоспособный, отлаженный коллектив разработчиков, работы пойдут “по накатанному пути”. Я остался при своем мнении. У меня были тогда и сомнения в успехе Рамеева на новом месте, полагал, что не будет там необходимых условий для его плодотворной работы.

Главным инженером НИИММ стал ветеран “уральских” разработок, специалист с большим опытом организационно-хозяйственной работы А. Н. Невский. Его хорошо знали и на заводах, и в Главке. Смена руководителя прошла бесконфликтно.

Тем временем наши разрабатывавшиеся машины и комплексы стали пополняться дополнительными, изготовленными своими силами устройствами: У-435, У-445, У-454 и др. В 1969 г. в НИИММ изготавливались 26 устройств У-445, 4 — У-435, 6 — У-454, 1- У-451 и другие, хотя все они тогда выпускались серийно.

А в “портфеле планов” — разработка устройства У-218 с механизмом ВУ-1500/2000 для ввода информации с перфокарт со скоростью до 2000 карт/мин, алфавитно-цифровое устройство на базе нового унифицированного механизма АЦПУ-128-5 для распечатки со скоростью 800 128-разрядных стр/мин., удаленного на расстояние до 500 метров пульта оператора У-646, устройства визуализации (дисплея) с использованием ЭЛТ для показа 2048 символов. Продолжалась отладка модуля ферритовой памяти У-465 емкостью 16384 52-разрядных слов с tц=2,8 мкс. Разработчики выпустили информационный материал, в котором привели краткие сведения о структуре машины “Урал-16”, особенностях системы команд, о математическом обеспечении (транслятор с АРМУ на машинные коды “Урала-16”) и о расширенном наборе устройств, которые предназначены для использования в машинах “уральского” ряда.

1968 год называют завершающим для комплексной отладки опытного образца “Урал-16” и он был последним, когда ожидаемая стоимость изготовленных в мире дискретных полупроводниковых приборов превышала суммарную стоимость изготовленных микросхем. Время неумолимо приближалось к завершению второго поколения ЭВМ.

На последнем этапе подготовки к междуведомственным испытаниям опытного образца “Урала-16” лишь программисты определяли “критический путь”. Сотрудники нашего небольшого математического отдела (В. И. Бурков, А. И. Плетминцев и др.), состоявшего из нескольких десятков программистов (в Минске же — 120, в Киеве еще больше, в НИИ-5 — многие сотни), разрабатывали транслятор с автокода АРМУ на машинный язык этой модели, тестовые программы, сервисные программы и операционную систему Д2У-16. Последняя организовывала взаимодействие с оператором, ввод-вывод информации, распределение памяти и пакетную многопрограммную обработку данных при улучшенном использовании ресурсов машины. Отмечу, что в НИИММ уже использовался автокод АКУ, пригодный для программирования и “Урала-16”. В этом перегруженном работами отделе разрабатывались и программы для вычислительных комплексов “БАНК”, “СТРОИТЕЛЬ” и других. В 1968-1969 годах отдел пополнился молодыми специалистами из Горьковского и Мордовского университетов, но они были математиками “общего профиля”. Системных программистов начали готовить на ВМК МГУ, образованном лишь в 1970 г.

Для сравнения следует отметить, что к моменту появления опытного образца БЭСМ-6 и вводу его в эксплуатацию (1967 г) в состав математического обеспечения БЭСМ-6 уже входил диспетчер, обеспечивавший управление мультипрограммным режимом работы, система символьного кодирования АВТОКОД, библиотека стандартных программ часто встречавшихся вычислительных алгоритмов, система экстракодов обращения к вводу-выводу и набор обслуживающих и тестовых программ для обеспечения эксплуатации машины. В следующем году усилиями нескольких организаций было создано типовое математическое обеспечение, которое стало поставляться с машиной. Была создана операционная система (диспетчер Д-68). Сотрудниками ОИЯИ и ВЦ МГУ был создан транслятор с ФОРТРАНа, сотрудниками ВЦ АН СССР и ИТМ и ВТ был разработан транслятор с полного языка АЛГОЛ-60. Профессор МГУ  Л. Н. Королев отметил, что это был первый успешный случай привлечения к разработке столь крупных математических сил и что лишь с БЭСМ-6 математическое обеспечение стало поставляться отечественными заводами, изготовлявшими ЭВМ, как неотъемлемая часть машины.

К сожалению, “уральские” подобные проблемы решались не столь эффективно. Лишь на финишной стадии наших работ стали использоваться математики Иркутского и Ростовского университетов. Была предпринята попытка использования киевских системных программистов, которым был предоставлен “Урал-16 как инструментальное средство. Но далее технического проекта дело, видимо, не пошло. В. К Елисеев рассказывал, что свои услуги по разработке программного обеспечения для нашей машины предлагали и шведы. Поздно! В конце шестидесятых годов для “Урала-16” был создан транслятор с языка “СИМУЛА”, использованного за рубежом для проектирования первых СБИС-чипов фирмы INTEL (Бобровский С., PC Week/RE, номера 28 и 29, 5 и 12 августа 2003). В НИИММЛ Змачинским была создана система автоматизации проектирования “уральских” ТЭЗов и других узлов.

В ноябре 1970 года в ПНИИММ проводятся лабораторные испытания машины “Урал-16”, а фирма IBM завершает разработку IBM-360/195 со скоростью счета до 10 млн. оп/с, последней модели семейства 360.

В феврале 1971 года разработчиками получен серийный образец машины “Урал-16”, который прошел междуведомственные испытания (председатель комиссии А. А. Дородницын) в июне 1971 года — слишком поздно! Промышленный выпуск машины был прекращен. Две заводские машины поступили в Москву, одна строителям, другая энергетикам, одна — в Киев, в военный ВУЗ, остальные — в НИИММ.

Планировавшееся ранее использование “Урала-16” в системе “МТО СН” (А. Н. Невский, В. И. Мухин, В. К. Елисеев), в вычислительном комплексе “БАНК” (Е. Б. Рассказов), в управляющем вычислительном комплексе “ЛИСТОПРОКАТ” (Н. С. Николаев) и других стало бесперспективным.

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