Русский | English   поискrss RSS-лента

Главная  → История отечественной вычислительной техники  → ЭЦВМ «5Э53»

ЭЦВМ «5Э53»

Фрагмент макетного образца ЭВМ «5Э53»

Электронная цифровая вычислительная машина, построенная на основе системы счисления остаточных классов (модулярная арифметика). ЭВМ разрабатывалась для комплектования Многоканальных стрельбовых комплексов «Аргунь» второй очереди системы ПРО «А-35», охраняющей Московский промышленный район. Заказ на разработку поступил по результатам проведения конкурса проектов ЭВМ, в котором победил проект «Алмаз» зеленоградского Центра микроэлектроники.

  1. Главный конструктор: Д. И. Юдицкий. Основные разработчики: И. Я. Акушский, В. М. Амербаев, В. М. Радунский, Л. Г. Рыков, М. Н. Белова, В. С. Хайков, В. С. Бутузов, Ю. Н. Черкасов, Ю. Е. Чичерин, В. Н. Главнов, А. И. Коекин, И. А. Большаков, В. Н. Шугин, Ю. Д. Сасов, М. Д. Корнев, Н. А. Смирнов, Н. В. Гаврилов, В. Н. Царев, П. В. Нестеров, П. П. Силантьев, В. А. Горшков, И. А. Князев, В. Н. Шмигельский, В. С. Кокорин, М. Н. Белова, И. П. Селезнев, Н. М. Воробьев, В. Н. Лукашов, Ю. Л. Захаров и др.
  2. Организация-разработчик: Специализированный вычислительный центр (СВЦ) Центра микроэлектроники, Зеленоград.
  3. Назначенный изготовитель — Загорский электромеханический завод.
  4. Годы разработки: 1969–1971 гг.
  5. Изготовление экспериментального образца опытным производством СВЦ– 1971 г.
  6. Область применения: базовая ЭВМ Многоканального стрельбового комплекса (МКСК «Аргунь») системы ПРО, включающего РЛС дальнего наблюдения, РЛС наблюдения за целью и РЛС наведения противоракеты, системы управления комплексом.

Описание машины.

ЭВМ построены на основе системы остаточных классов (СОК). В СОК каждое число, многоразрядное в позиционной системе счисления, представляется в виде нескольких малоразрядных позиционных чисел, являющихся остатками от деления исходного числа на взаимно простые основания. В обычной позиционной двоичной системе выполнение операций (например, сложение двух чисел) производилось последовательно по разрядам, начиная с младшего. При этом образуется перенос в следующий старший разряд, что и определяло поразрядную последовательность обработки. В СОК появилась возможность распараллелить этот процесс: все операции над остатками по каждому основанию выполняются отдельно и независимо (параллельно), следовательно, в связи с их малой разрядностью, легко и быстро. Проблемы возникают при переполнении диапазона представления чисел и округлении результатов, на их решение и потребовалась масса сил и интеллекта математиков.

Введя дополнительные основания, получаем избыточность, обеспечивающую контроль и исправление ошибок в процессе выполнения операций. Арифметичность — одно из важнейших преимуществ СОК перед всеми позиционными системами: ни одна из них не позволяет находить и тем более исправлять ошибки в процессе выполнения арифметических операций. Наоборот, в арифметическом устройстве они, раз возникнув, бесконтрольно размножаются. В результате в ЭВМ всех времен и народов, работающих в традиционных позиционных системах счисления, контроль и исправление ошибок (контроль на четность, избыточное кодирование, мажорирование и т. п.) обеспечиваются только в системах хранения и передачи информации. Арифметико-логические устройства — один из основных источников сбоев и ошибок в ЭВМ — остаются бесконтрольными. Сейчас, когда весь процессор размещается в одном кристалле БИС, это не столь критично. В те времена процессор занимал шкаф или несколько, содержал многие тысячи отдельных элементов и паяных контактов, а так же километры проводников — гарантированный источник различных помех и сбоев, причем бесконтрольных. Взяв под контроль эти источники сбоев и ошибок в процессоре, СОК резко повысил общую надежность модулярных ЭВМ по сравнению с современными им машинами.

5Э53 была предназначена для решения следующих основных классов задач:

Пока разрабатывался Алмаз, у Генерального конструктора ПРО шла работа над МКСК «Аргунь», требования к ЭВМ были уточнены. Для второй очереди Системы А-35 требовалась общая производительность до 0,6 млрд. оп/с — тогда эти цифры выглядели фантастично. Эту вычислительную мощность должны были обеспечивать 15 ЭВМ (по 5 в каждом из трех МКСК) производительностью на задачах ПРО по 10 млн. алгоритмических оп/с (около 40 млн. обычных коротких оп/с), ОЗУ 10,0 Мбит, ППЗУ 2,9 Мбит, ВЗУ 3 Гбит, аппаратура передачи данных на сотни километров, т. е. 5Э53 должны быть мощнее Алмаза.

В 5Э53 был реализован целый букет новых и прогрессивных для того времени идей, изобретений и решений. Вот некоторые примеры.

СОК

Главное — это использование непозиционной системы счисления остаточных классов, обеспечивающей два основных бесспорных преимущества:

Применение СОК имело и негативные моменты. Во-первых, теория СОК в то время была еще молодой и недостаточно отработанной. К началу разработки 5Э53 алгоритмы выполнения некоторых операций в ней были еще весьма далеки от совершенства. Многие из них удалось существенно доработать в ходе проектирования ЭВМ, многие ждали своего часа. Однако не все операции, выполняемые в ЭВМ, являются модулярными, т. е. выполняемыми независимо и параллельно по каждому основанию. Выполнение не модулярных операций в СОК так же возможно, но по сложному алгоритму, как правило, последовательно по основаниям, т. е. с большими затратами времени. Ярким представителем не модулярной операции является сравнение чисел: при рассмотрении двух чисел не очевидно, какое из них больше или меньше. А такие сравнения очень часто используется в программировании при формировании условных переходов. В этом заключается основная специфичность программирования ЭВМ в СОК, серьезно смущающая многих программистов, воспитанных на программировании традиционных ЭВМ. Для решения этой проблемы были разработаны методы построения алгоритмов программ, позволяющие минимизировать или полностью исключить переходы по сравнениям, но обычным программистам они не были известны.

Архитектура

Архитектура 5Э53 имела много принципиально новых элементов и не соответствовала главной в те годы классической ЭВМ фон Неймана. Об особенностях 5Э53 вспоминает один из ведущих ее разработчиков на системном уровне М. Д. Корнев:

«ЭВМ 5Э53 была прежде всего оригинальной по своей системе счисления — системе остаточных классов (СОК), благодаря которой ряд арифметических операций (типа сложения и умножение), а также процедур вычисления элементарных функций удавалось реализовать за один машинный такт (166 нс), равный времени выборки данных из малоразрядной таблицы. Этот машинный такт определял предельное быстродействие ЭВМ. Чтобы достичь показателей требуемой производительности, нужно было обеспечить непрерывную работу арифметики. Это значит, что все операции выборки команд, их дешифрации, модификации адресов и чтения и записи операндов не должны были замедлять работу арифметики. Достичь этого удалось путем применения всевозможных методов совмещения времен выполнения различных операций.

В ЭВМ 5Э53 впервые появились:

Все эти нововведения предварительно оценивались по объему оборудования и их влиянию на быстродействие ЭВМ. Вначале интуитивно выбранные способы потребовали своего теоретического обоснования и обобщений. Так был сделан вывод о том, что все виды совмещений в исполнении операций разделяются на два: совмещение в виде конвейера (трубопровода) и совмещение в виде параллелизма. В первом случае процесс исполнения сложной операции (или множества операций) осуществлялся на последовательно соединенных, а во втором — на несвязанных друг с другом и независимо работающих операционных блоках.

Очевидно, что в случае конвейера быстродействие устройства зависело от самого медленного операционного блока, а задержка одной операции в конвейере — от числа таких блоков. В случае параллелизма быстродействие зависело не столько от времени работы отдельного блока, сколько от числа этих блоков в устройстве, а на задержку операции, кроме времени работы одного блока, существенно влияли средства коммутации операционных блоков.

Возникли задачи поиска методов эффективной загрузки таких устройств, вообще говоря, связанными друг с другом множествами операций.

Для решения задач удалось привлечь и развить существовавшие методы в экономике (транспортная задача, задача коммивояжера, задача загрузки двух станков) и ряд других методов исследования операций (теория расписаний, теория графов, теория массового обслуживания, математическое моделирование). В результате для каждого метода организации устройств (параллелизма и трубопровода) были найдены эффективные алгоритмы распараллеливания множества операций. С их помощью строились оптимальные, или близкие к оптимальным, расписания для выполнения множества несвязанных или связанных операций на заранее заданном количестве операционных блоков, а также определялось количество таких блоков, которое целесообразно иметь для реализации того или иного вида совмещения.

Применительно к ЭВМ 5Э53, в зависимости от решаемой задачи, в качестве операционных блоков рассматривались процессорные модули, предназначенные для выполнения так называемых модульных и немодульных операций СОК, блоки оперативной памяти, БЗУ — регистровое быстродействующее запоминающее устройство и так далее. Множество операций определялось алгоритмами вычисления элементарных функций, пересчета координат, матричными задачами и так далее, то есть задачами, выбранными из алгоритмов специального программного обеспечения ЭВМ. Так, для арифметического устройства было установлено, что для его эффективной работы достаточно иметь один модульный процессор и два немодульных. Было показано, что введение в состав ЭВМ БЗУ увеличивает ее быстродействие на 45%.

Появление в ЭВМ двух независимых трактов — тракта выборки команд и тракта операндов — позволило осуществлять выборку команд из полупостоянной памяти, работающей с тактом 150 нс, а работу с операндами организовать по принципу трубопровода. В его состав входило ОЗУ, выполненное по принципу аппаратного расслоения.

Идея такого расслоения впервые была предложена в неосуществленном проекте IBM-360/92. В соответствии с методом расслоения ОЗУ разбивается на некоторое число отдельных блоков (в 5Э53 их было восемь), а запись и чтение данных, расположенных в последовательных адресах ОЗУ, осуществляется в соседние блоки памяти. Благодаря такой организации ОЗУ времена чтения и записи операндов удалось существенно приблизить к машинному такту.

На стадии проектирования ЭВМ был проработан, а потом частично реализован способ повышения вычислений за счет команд условных переходов. Именно при исполнении этих команд, когда условие перехода выполнялось, возникали существенные ожидания в вычислениях, так как все буферы, в которых находились подготовленные команды и данные, необходимо было ликвидировать и начать их заполнение с новых адресов. Для реализации был выбран вариант анализа одновременно двух ветвей программы: одна в предположении, что условие перехода не выполнится, другая — наоборот. Этот подход оказался весьма эффективным. В дальнейшем на этом пути (уже не у нас) появился кэш команд, особенно эффективный при реализации циклов.»

В 5Э53 получила дальнейшее развитие реализация идеи двойных команд. Как и в К-340А, в каждом командном слове размещались две команды, выполнявшиеся различными устройствами одновременно. По одной команде выполнялась арифметическая операция (на СОК-процессорах), по второй — управленческая: пересылка из регистра в память или из памяти в регистр, условный или безусловный переход и т. п. (на традиционных двоичных процессорах).

Конвейерная организация основных процессов: вычислений, обращения к памяти и др. Выполнение следующей операции начиналось, не дожидаясь окончания предыдущей, в результате одновременно выполнялось несколько (до 8) последовательных операций на различных этапах их реализации.

Аппаратная блочная реализация арифметики (блок сложения/вычитания, блок умножения, блок управления адресами и т. п.), разделение памяти на оперативную и полупостоянную (с механической сменой носителя информации), разделение шин команд и данных (Гарвардская архитектура), аппаратное расслоение памяти на 8 блоков с чередующейся адресацией по блокам — всё это позволяло при времени выборки информации из ОЗУ, равном 700 нс, обращаться к памяти с тактовой частотой процессора 166 нс. До 5Э53 такой подход аппаратно не был реализован нигде в мире, он был лишь описан в нереализованном проекте IBM 360/92.

Архитектура 5Э53 в целом соответствовала архитектуре универсальной ЭВМ, ее специализация определялась только модулярным процессором с фиксированной запятой (с плавающей запятой модулярная арифметика тогда не работала), эффективность которого была несомненно высокой на одних задачах и неудовлетворительной на других. Понимая это, ряд специалистов СВЦ предлагал ввести в состав ЭВМ двоичные процессоры с плавающей запятой и тем самым обеспечить действительную универсальность ЭВМ. Это не было сделано по двум причинам. Во-первых, для применения ЭВМ в составе МКСК этого просто не требовалось. Во-вторых, И. Я. Акушский, будучи самым ортодоксальным приверженцем СОК, не разделял мнение о недостаточной универсальности 5Э53 и в корне пресекал все попытки внедрения в неё двоичной крамолы.

Фактически 5Э53 была специализированной ЭВМ, одной из основных задач которой была обработка радиолокационных сигналов, отражаемых целью и противоракетой. Она оказалось прообразом современных спецпроцессоров для цифровой обработки сигналов (ЦОС), получивших широкое распространение через полтора десятка лет.

Элементная база

Для построения 5Э53 была разработана специальная серия интегральных микросхем на основе ненасыщенных элементов с пониженным напряжением питания, повышенным быстродействием и внутренним резервированием (серия 243, Конус), которая многие годы после того выпускалась заводом «Экситон», г. Павловский Посад. (Ю. Е. Чичерин (ГК), В. В. Овчинников, Б. В. Шевкопляс, В. Л. Дшхунян и др.). Для ОЗУ на ЦМП в НИИ МЭ были разработаны специальные усилители серии «Ишим». В Ереване было организовано производство цилиндрических магнитных пленок (ЦМП) для ОЗУ. Кроме того, применялись новейшие в то время отечественные ИС серий «Тропа», «Посол», «Терек». Для реализации монтажа методом накрутки предприятиями МЭП были разработаны и производились специальные разъемы.

ОЗУ на ЦМП

Как мы уже говорили, одной из главных проблем вычислительной техники тех лет была оперативная память. Основными запоминающими элементами были разнообразные тороидальные ферритовые сердечники. А это огромные габариты, высокие мощности и низкая надежность (вспомним, что в 5Э66 13 шкафов из 31 занимала память на ферритах). За решение этой проблемы по указанию Ф. В. Лукина взялись еще подразделения НИИ ТТ, переведенные впоследствии в СВЦ.

Принцип действия ОЗУ на ЦМП

Принцип действия ОЗУ на ЦМП

Итогом этих работ было создание не-полупроводникового интегрального ОЗУ на основе цилиндрических магнитных пленок (интегрального на носителе информации). По габаритам, массе, энергопотреблению, технологичности и стоимости (1 коп/бит) они были гораздо привлекательнее применявшихся тогда ЗУ на ферритовых сердечниках. Время выборки информации в них было значительно меньше. Интегральная технология обещала существенно упростить производство и снизить стоимость памяти.

Конструкция ОЗУ на ЦМП выглядит следующим образом. В качестве носителя информации используется тонкая магнитная пленка, гальванически нанесенная в круговом магнитном поле на проводящую подложку — полированную проволоку диаметром 0,1 мм из бериллиевой бронзы. Одновременно провод-подложка выполняет функцию разрядной линии. Адресные линии формируются в запоминающей матрице в виде петли из печатных проводников, огибающей разрядные шины. Физика работы ЗУ на ЦМП довольно сложная, сложнее, чем у ферритов, поэтому оставим ее для специалистов, ограничимся констатацией факта, что многие научные и инженерные проблемы были решены и ОЗУ на ЦМП работало.

Для 5Э53 было разработано ОЗУ данных общей емкостью 7М бит с высокими временными характеристиками: темп выборки 150 нс, время цикла 700 нс. Каждый блок имел емкость 4096 64-разрядных слов (256К бит). В каждом шкафу размещалось по четыре таких блока с общей емкостью 1М бит. В комплект ЭВМ входило 7 шкафов.

Для иллюстрации преимуществ ЦМП сравним ОЗУ на ЦМП ЭВМ 5Э53 с современным ему ОЗУ на ферритах ЭВМ 5Э66:

Цифры говорят сами за себя: в пересчете на 1М бит преимущества ЦМП перед ферритами по физическому объему в 15,5 раз, по быстродействию в 5,3 раза.

ЗУ на ЦМП и ферритовых сердечниках не выдержали конкуренции с полупроводниковыми ЗУ. Но это случилось в 1977 г., когда в «Ангстреме» появились первые в стране ИС памяти емкостью 4К бит 565РУ1 и блоки памяти ОЗУ-64К (128К байт) на ее основе. Но это было почти через 10 лет после создания 5Э53. До этого ОЗУ на ЦМП применялось в еще нескольких разработках СВЦ. Подробнее конструкция блока ОЗУ на основе ЦМП будет приведена при описании мини-ЭВМ «Электроника НЦ-1».

ППЗУ на индукционных картах

Еще одной из главных проблем было построение полупостоянной памяти для хранения программ и констант. В системах ПРО задачи меняются не часто, поэтому требовалась достаточно простая и быстрая постоянная память, допускающая смену информации. Ранее постоянная память также делалась на ферритовых сердечниках, информация в такую память вносилась при помощи технологии, очень похожей на швейную: провод, как игла (а иногда и иглой), прошивался через отверстие в феррите. С тех пор термин «прошивка» закрепился за процессом внесения информации в любые ПЗУ, в т. ч. и полупроводниковые. В зависимости от необходимости «зашить» «1» или «0» в разряд слова, адресная шина этого слова проходила через отверстие в ферритовом сердечнике или мимо него. Изменить информацию в таком ЗУ практически невозможно.

Принцип действия ПЗУ индукционного типа

Принцип действия ПЗУ индукционного типа

Поэтому и для 5Э53, и для 5Э66 были применены близкие по построению ППЗУ, отличающиеся физикой передачи информации. В обоих случаях на печатной плате реализовалась система ортогональных шин: адресных и разрядных. В таких условиях связи между шинами не было. В СВЦ для организации индукционной связи между адресными и разрядными шинами на их пересечение накладывался или не накладывался замкнутый виток связи (в НИИ ВК для 5Э66 устанавливали емкостную связь). Если виток наложен — индукционная связь есть, при подаче адресного импульса в разрядной шине индуцируется импульс, соответствующей информации «0». Если витка нет — нет и разрядного импульса, значит, записана «1». Все эти витки связи помещаются на тонкую печатную плату — интегральную карту, которая плотно прижимается к матрице адресных и разрядных шин. Меняя вручную карту (не выключая ЭВМ), меняем информацию.

Для 5Э53 было разработано ППЗУ данных общей емкостью 2,9М бит с высокими временными характеристиками: темп выборки 150 нс, время цикла 350 нс. Каждый блок имел емкость 1024 72-разрядных слов (72К бит). В каждом шкафу размещалось по 8 таких блока с общей емкостью 576К бит. В комплект ЭВМ входило 5 шкафов.

Эти ЗУ также не выдержали конкуренции с полупроводниковыми, и также примерно через 10 лет после создания 5Э53. До этого ППЗУ на сменных индукционных картах применялось в еще нескольких разработках СВЦ. Подробнее конструкция блока ППЗУ будет приведена при описании мини-ЭВМ «Электроника НЦ-1».

ВЗУ на оптической ленте

В качестве внешней памяти большой емкости было разработано ЗУ на оптической ленте. Оно имело много общего с основными в то время ВЗУ на магнитных лентах (подобные конструкция, привод, электроника), но отличалось носителем информации 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. Для систем ПРО это было привлекательное решение, т. к. их программы и константы имели огромный объем, но очень редко менялись. В то время других накопителей такой емкости не было. Образец накопителя был изготовлен и работал в составе макетного образца 5Э53.

Конструкция

Для 5Э53 была разработана компактная конструкция, включающая 3 уровня: шкаф, субблок (блок), ячейку.

Шкаф имел небольшие размеры: ширина по фронту 80 см, глубина 60 см, высота 180 см. Полный его физический объем составлял 0,864 м3.

Конструкция субблока

Конструкция субблока

В шкафу размещалось 4 ряда субблоков по 25 субблоков в каждом ряду. Сверху над субблоками размещались блоки питания. Под субблоками размещались нагнетающие вентиляторы воздушного охлаждения.

Субблок представлял собой коммутационную плату в металлическом обрамлении, на одну из поверхностей платы укладывались ячейки. Размер субблока 350х305х30 мм.

Блоки питания имели два типоразмера: 160х230х300 мм и 160х300х300 мм.

Конструкция ячейки

Конструкция ячейки

Ячейки выполнялись на платах из стеклотекстолита с двусторонним печатным монтажом. Ширина ячеек 37 мм, длина вариантная — 40, 52, 64, 76, 88, 103, 115 или 127 мм, т. е. для размещения на них по 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18 или 20 микросхем. Некоторые ячейки имели двойную ширину. По бокам ячейки устанавливались квадратные штыревые контакты (от 26 на самой короткой до 84 на самой длинной ячейке) для монтажа накруткой в субблоке.

Конструкция в составе макетного образца ЭВМ успешно прошла полный цикл климатических и механических испытаний.

Технология

Была применена прогрессивная в то время технология монтажа межъячеечных и межсубблочных соединений методом накрутки. Испытаниями и реальной эксплуатацией аппаратуры было доказана значительно более высокая надежность (на один-два порядка) накрутки, по сравнению с пайкой. Это объясняется тем, что при накрутке провода (обычно 6 витков) на квадратный контакт с нормированным усилием в результате диффузии образуется 24 точки микросварки. Кроме того, монтаж накруткой значительно технологичнее и в производстве (легко автоматизируется), и при настройке и ремонте (накрутку легко снять и восстановить). Накрутка безопаснее пайки: нет горячего паяльника и припоя, нет флюсов и не требуется их последующая отмывка, исключаются замыкания проводников от излишнего растекания припоя, нет локального перегрева, иногда портящего элементы при пайке, и т. п. Был разработан и изготовлен удобный монтажный инструмент в виде «пистолета» и «карандаша», проводились работы по автоматизации монтажа.

Надежность

Повышенная надежность 5Э53 обеспечивалась не только самокорректирующимися свойствами СОК в арифметическом устройстве, но и полным мажорированием (2 из 3) всех других систем машины, технологией монтажа межячеечных и межсубблочных соединений методом накрутки и другими средствами.

Технические характеристики.

Судьба проекта.

ЭВМ «5Э53» была разработана, силами опытного производства СВЦ был изготовлен экспериментальный образец, проведены все требуемые испытания и по их результатам проведена корректировка конструкторской документации. 27 февраля 1971 г. документация была передана для подготовки серийного производства на Загорский электромеханический завод. Но в тот момент, когда подготовка серийного производства ЭВМ была выполнена более чем на 70% и началось изготовление отдельных ее устройств, в связи с прекращением работ над МКСК «Аргунь» финансирование и завода, и СВЦ было остановлено, что привело к гибели ЭВМ 5Э53.

Статья опубликована 20.09.2005 г.

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