Русский | English   поискrss RSS-лента

Главная  → История отечественной вычислительной техники  → Неизвестные модулярные суперЭВМ

Неизвестные модулярные суперЭВМ

Истоки модулярной арифметики

Первым в СССР в конце 50-х годов на систему счисления остаточных классов (СОК) обратил внимание Федор Викторович Лукин. Один из ведущих теоретиков в области СОК и активных участников ее практического применения, доктор технических наук, профессор, академик НАН Казахстана Вильжан Мавлютинович Амербаев вспоминает: “Израиль Яковлевич Акушский рассказывал мне, что первую информацию о СОК он получил от Ф. В. Лукина в виде закрытой справки о работах в США. По словам Израиля Яковлевича, Федор Викторович считал СОК очень перспективным направлением развития вычислительной техники”. Последующие его действия подтверждают это — именно стараниями Ф. В. Лукина модулярная арифметика получила столь бурное и успешное развитие в стране, а с его уходом из жизни совпадает начало спада в ее развитии.

Сопоставляя отрывочную информацию из разных источников, можно реконструировать эту историю следующим образом. Первым мысль о возможности применения СОК в вычислительной технике в 1955 г. в краткой статье высказал чехословацкий инженер М. Валах, его активно поддержал математик А. Свобода. Они и стали первопроходцами СОК. Их работами заинтересовались американцы, завязалось тесное сотрудничество, в результате которого через несколько лет Свобода и Валах переехали в США, где работы над модулярной арифметикой (основанной на СОК) были развернуты широким фронтом.

Примерно в 1959 г. в КБ-1 (ныне ОАО “НПО «Алмаз»”) по закрытым каналам поступила справка об этих работах. Ф. В. Лукин, тогда главный инженер КБ-1, имевший личный опыт разработки счетно-решающих устройств и особенно их применения в крупнейших военных системах, сразу оценил перспективность этого направления. Но КБ-1 разработкой ЭВМ не занималось, и Федор Викторович направил заинтересовавшую его справку в СКБ-245 (в 1953 г. он был там председателем Госкомиссии по приемке ЭВМ “Стрела”, первый экземпляр которой был установлен в КБ-1). Справка заинтересовала математика И. Я. Акушского и его начальника, ведущего разработчика ЭВМ  Д. И. Юдицкого, ставших впоследствии основоположниками модулярной арифметики в СССР. Тогда же поступила информация и из открытого источника. Вот как об этом вспоминает В. С. Линский: “Примерно в 1957-1958 гг. (скорее всего в 1959 г.) начальник отдела НИЭМ” (СКБ-245) Э. А. Глузберг получил из реферативного журнала АН СССР для подготовки реферата копию статьи чехословацких ученых А. Свободы и М. Валаха о представлении натуральных чисел группой вычетов по различным модулям и операциях с ними, позже названном СОК. Статья была написана на чешском языке и далека от научных интересов Э. А. Глузберга. Поэтому он поручил разобраться с ней И. Я. Акушскому, а он, в свою очередь, попросил меня ознакомиться со статьей. Я перевел статью, для чего мне пришлось купить чешско-русский словарь (хранится у меня до сих пор), и изучил ее. Я пришел к выводу о нецелесообразности использования СОК в большинстве ЭВМ из-за низкой эффективности операций в ней с плавающей точкой. Однако  И. Я. Акушский со мной не согласился и приступил к научным исследованиям СОК“. По-видимому, информация о работах в США и вызвала запоздалый интерес в АН СССР к статье, вышедшей в печати в Праге еще в 1955 г.

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 (на основе СОК) была предпринята в 1959-1960 гг. 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. И когда в 1960 г. Ф. В. Лукин, недавно назначенный директором НИИ-37 ГКРЭ (НИИ ДАР), пригласил Д. И. Юдицкого и И. Я. Акушского для разработки ЭВМ, они согласились. Д. И. Юдицкий стал начальником отдела НИИ-37, 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), которую пришлось существенно переделать. И. Я. Акушский как ученый-теоретик сразу занялся научными основами построения модулярной ЭВМ.

После успешного завершения А-340А возглавляемый Д. И. Юдицким коллектив в 1960-1963 гг. создал первую в стране (а возможно, и в мире) реально работавшую модулярную ЭВМ Т-340А для полигонного варианта РЛС “Дунай-3УП” системы противоракетной обороны (ПРО) А-35. Теория и практика варианта модулярной арифметики, принципы построения ЭВМ на их основе были предложены И. Я. Акушским, Д. И. Юдицким и Е. С. Андриановым. Это была экспериментальная ЭВМ, изготовленная, отлаженная и реально прослужившая много лет в полигонной РЛС. Полученные результаты были использованы при проектировании ЭВМ К-340А, которая была освоена в серийном производстве и стала базовой для всех РЛС, разрабатываемых в те годы в НИИ-37. В этих ЭВМ впервые в стране был реализован принцип независимых каналов памяти команд и данных. Оперативная память была выполнена в виде 16 блоков емкостью по 1К слов. Каждый блок 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 (ОЗУ) с чередованием обращения процессора к блокам. Кроме того, была применена многовходовая буферная память 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 К-340А: задержек при обращении к памяти большого объема (бич ЭВМ тех лет) практически не было.

ЭВМ Т-340А и К-340А обладали невиданным для своего времени быстродействием в 1,2 млн. двойных или 2,4 млн. обычных операций в секунду. Типовое быстродействие ЭВМ в те времена измерялось десятками или сотнями тысяч операций в секунду. Это первая в мире ЭВМ с быстродействием более 1 млн. оп./с. И это была ЭВМ с самой низкой стоимостью единицы производительности — 25 коп. на операцию в секунду. Опытным заводом при НИИ-37 и Свердловским заводом радиоаппаратуры было выпущено более 50 комплектов К-340А. Только в РЛС “Дунай-3У” работало десять ЭВМ К-340А. Благодаря высочайшей надежности и уникальным характеристикам ЭВМ К-340А до сих пор (2004 г., 40 лет!!!) находятся в эксплуатации, демонстрируя значительно более высокую живучесть, чем работающие рядом с ними другие, современные электронные системы.

Зеленоградский Центр микроэлектроники

В начале 1963 г. Ф. В. Лукин был назначен директором организуемого в строящемся Зеленограде Центра микроэлектроники (ЦМ, позже — Научный центр, НЦ). Оказавшись на переднем рубеже отечественной электроники, он решил соединить ее новые возможности с передовой для того времени мыслью в области вычислительной техники, проверенной им в НИИ-37 при создании модулярных суперЭВМ (под суперЭВМ будем понимать ЭВМ с рекордно высокими для своего времени характеристиками). Для этого Федор Викторович пригласил хорошо известный ему коллектив создателей ЭВМ Т340А и К340А во главе с Д. И. Юдицким и И. Я. Акушским. К этому времени ЭВМ Т-340А была спроектирована, изготовлена и настроена. Разработка проекта серийной ЭВМ К-340А, ее выпуск и отладка на опытном заводе НИИ-37 были завершены после ухода группы специалистов в Зеленоград оставшимся коллективом сотрудников под руководством Леонида Викторовича Васильева. А перешедшие образовали в 1964 г. отдел перспективных ЭВМ на предприятии п/я 2014 (позже — НИИ физических проблем или НИИФП, зам. директора Д. И. Юдицкий).

Вспоминает М. Д. Корнев: “Однажды Д. И. Юдицкий сказал мне: «К завтрашнему утру нужен проект системы команд мощной ЭВМ в остаточных классах. Будем обсуждать его все вместе». Это было уже конкретное дело. Я просидел весь день и почти всю ночь и наутро принес готовый вариант системы команд. Давлет Исламович собрал в своем кабинете всех спецов, и началось подробнейшее обсуждение каждой команды. Обсуждения продолжались несколько дней, в результате появилась система команд мощной ЭВМ, работающей в СОК”. Так началось создание новой высокопроизводительной модулярной ЭВМ. И когда появился заказчик, коллектив уже был готов к конкретному разговору.

Заказчик

В 1953 г. начались работы по созданию отечественной ПРО, вылившиеся в разработку боевой системы А-35 для защиты московского промышленного района (генеральный конструктор — Григорий Васильевич Кисунько, ОКБ “Вымпел”, Минрадиопром). Но когда А-35 была уже практически готова и в значительной степени изготовлена, в США появились межконтинентальные баллистические ракеты (БР) с разделяющимися боеголовками. А-35 бороться с такими БР не могла — в свое время ее заказчики не смогли предвидеть их появление. Было принято решение о модернизации А-35 и о создании ее второй очереди, т. е. о дополнении А-35 тремя принципиально новыми многоканальными стрельбовыми комплексами (МКСК) и была начата разработка и изготовления его полигонного варианта — МКСК “Аргунь”. Главным конструктором (ГК) МКСК “Аргунь” Г. В. Кисунько назначил Николая Кузьмича Остапенко.

По предварительным оценкам для МКСК требовалась ЭВМ с производительностью около 3,0 млн. алгоритмических операций в секунду. Как вспоминает Н. К. Остапенко:”Одна алгоритмическая операция на задачах МКСК соответствовала примерно 3-4 простейшим операциям ЭВМ";, — т. е. в обычном тогда понимании требовалась ЭВМ с быстродействием около 10 (9-12) млн. операций в секунду. Такой ЭВМ тогда ни где не было. Лучшие на конец 1966 г. ЭВМ США обладали быстродействием в 4-12 раз меньшим требуемого для МКСК (см. таблицу).

Фирма Модель Быстродействие ЭВМ,
млн. сложений в секунду
Быстродействие
элементов, нс
IBM 360/75 1,0 5
CDC 6600 2,5 10
Philco 2000/212 1,5 5
Burroughs B 5500 0,3 20
Sparry Rand 1108 1,2 5

Когда требования к ЭВМ прояснились, встал вопрос, где ее взять. В это время готовилось постановление ЦК КПСС и СМ СССР, вышедшее 5 ноября 1965 г., о создании эскизного проекта территориальной системы ПРО страны “Аврора” (как утверждает Г. В. Кисунько в своей книге, навязанного ему вопреки его позиции о несвоевременности такого проекта). Но для пользы дела Григорий Васильевич включил в это же постановление и дополнительные поручения по созданию МКСК “Аргунь”. В результате трем предприятиям: ЦМ (МЭП, Ф. В. Лукин), ИТМ и ВТ (МРП, С. А. Лебедев) и ИНЭУМ (Минприбор, М. А. Карцев) было дано конкурсное задание на создание и для “Авроры”, и для “Аргуни” эскизных проектов высокопроизводительной ЭВМ со сроком окончания 30 марта 1967 г.

Так в Зеленограде началась разработка эскизного проекта суперЭВМ “Алмаз”, главный конструктор — Давлет Исламович Юдицкий.

Проект “Алмаз”

В соответствии с исходными данными генерального конструктора ПРО к ЭВМ предъявлялись следующие требования: разрядность данных — 45 бит, производительность 2,5-3,0 млн. алгоритмических операций в секунду, сложные функции в одной команде, работа со словами переменной длины, объем памяти 217 45-разрядных слов (5,625М бит) и т. п. непростые для тех времен требования.

Нельзя не отметить весьма дружественный характер поведения конкурентов. У главных конструкторов М. А. Карцева и Д. И. Юдицкого были прекрасные человеческие отношения, распространившиеся и на их коллективы. Как вспоминает М. Д. Корнев: “У нас и у Карцева проходили регулярные заседания НТС (научно-технический совет. — Прим. авт.), на которых специалисты обсуждали пути и проблемы построения ЭВМ. На эти заседания мы обычно приглашали друг друга: мы ездили к ним, они — к нам. И активно участвовали в обсуждении”. Это не мешало, а помогало им. Выбрав изначально разные стратегии в построении ЭВМ, они таким образом помогали друг другу в тактике их реализации.

К созданию ЭВМ “Алмаз” были привлечены все силы Зеленограда. На НИИФП возлагалась разработка архитектуры и процессора ЭВМ, на НИИ ТМ — базовой конструкции, системы питания и системы ввода-вывода информации, на НИИ ТТ — интегральных схем: в этом отношении проект “Алмаз” имел неоспоримое преимущество по сравнению с проектами С. А. Лебедева и М. А. Карцева, так как новейшая элементная база производилась здесь же, в Зеленограде, и на процесс ее создания можно было влиять. Но элементная база всех проблем не решала. Огромное значение имело применение СОК. Вот что писал Д. И. Юдицкий в итоговой справке по проекту “Алмаз” в марте 1968 г.:

“В результате проведенных исследований было установлено, что в непозиционных системах могут быть построены самокорректирующиеся коды, позволяющие восстанавливать истинные результаты вычислений по цепи элементарных операций, если во время этих вычислений имели место какие-либо искажения. Была построена теория специального кодирования в непозиционных системах, позволяющая введением минимальной избыточности в представление слова осуществлять исправление возникающих ошибок методами, близкими к исправлению, по смыслу на основе анализа последовательно получающихся слов в процессе обработки. Применение методов специального кодирования значительно увеличивает функциональную надежность вычислительных машин и позволяет создавать «живучие» машины, сохраняющие работоспособность при выходе из строя значительной части оборудования.

Таким образом, требования Генерального Конструктора оказалось возможным удовлетворить:

1) за счет использования разработанной в Научном Центре теории непозиционных систем исчисления, позволяющей добиваться высокой производительности на основе широ?кого распараллеливания выполнения элементарных операций и максимальной надежности в силу специфических самокорректирующих способностей непозиционных систем;

2) за счет использования микроэлектронной технологии изготовления системы логических элементов и основных блоков и узлов вычислительной машины, удачно сочетающейся со спецификой непозиционных систем. Разработка машины проведена на основе системы логических элементов типа «Посол» со средним временем распространения порядка 25-30 наносекунд”.

Наряду с применением модулярной арифметики был найден еще один архитектурный способ значительного увеличения общей производительности ЭВМ. Это было решение, широко применяемое позже в системах обработки сигналов, — введение в систему процессора предварительной обработки сигнала. Но тогда это было новым словом в науке и технике. В состав ЭВМ “Алмаз” было введено три типа вычислительных процессоров:

Информация от антенн радиолокатора (поток 30 тыс. 100-разрядных слов в секунду) подается на ПИ, проходит предварительную обработку в реальном темпе ее поступления, что исключает необходимость ее промежуточного хранения. Результаты этой обработки (их объем многократно меньше исходного) поступают на модулярный процессор. Расчеты показали, что предлагаемый ПИ имеет производительность, эквивалентную примерно 4,0 млн. алгоритмических операций в секунду и позволяет сэкономить около 3 млн. бит памяти. Модулярный процессор ЭВМ “Алмаз” имеет производительность 3,5 млн. алгоритмических операций в секунду. В результате эффективная производительность ЭВМ “Алмаз” составляет 3,5 + 4,0 = 7,5 млн. алг. оп./с., т. е. в два-три раза выше требуемой. Эти расчетные данные были подтверждены результатами моделирования на универсальной ЭВМ.

Так в рамках единого проекта общими усилиями специалистов предприятий ЦМ под руководством и при непосредственном участии Ф. В. Лукина, Д. И. Юдицкого и И. Я. Акушского многие проблемы построения высокопроизводительной ЭВМ были решены и проверены на макетном образце ЭВМ “Алмаз”.

Эскизный проект был разработан и 30 марта 1967 г. представлен заказчику. Распоряжением  Д. Ф. Устинова, в то время председателя Военно-Промышленной комиссии при Совмине СССР (ВПК), под председательством главного конструктора МКСК  Н. К. Остапенко была создана Государственная комиссия для оценки эскизных проектов. Академик  С. А. Лебедев, ИТМ и ВТ которого был и без того перегружен работами по “Эльбрусу” и БЭСМ, ознакомившись с другими проектами, снял свой вариант с рассмотрения. Осталось два проекта: “Алмаз” Д. И. Юдицкого и М-9 М. А. Карцева.

Конкурс выиграла ЭВМ “Алмаз”. К этому времени проект территориальной системы “Аврора” был отвергнут, но задача создания МКСК “Аргунь” осталась. Двадцатого мая 1967 г. ОКБ “Вымпел” и НЦ заключили договор на разработку высокопроизводительной ЭВМ 5Э53 и пятимашинного комплекса на ее основе с организацией серийного производства на Загорском электромеханическом заводе (ЗЭМЗ) и сдачей комплекса на противоракетном полигоне. Главным конструктором 5Э53 был назначен Д. И. Юдицкий. В октябре 1969 г. коллектив разработчиков ЭВМ был выделен в самостоятельное предприятие — Специализированный вычислительный центр (СВЦ), директор Д. И. Юдицкий, зам. по науке — И. Я. Акушский.

У проекта ЭВМ М-9 М. А. Карцева была иная судьба. Он не победил в конкурсе и не был признан в родном Минприборе, отказавшемся от продолжения работ по созданию мощных ЭВМ. Коллективу  М. А. Карцева было предложено перейти в МРП, что он в середине 1967 г. и сделал. Еще с 1958 г. М. А. Карцев тесно сотрудничал с академиком А. Л. Минцем (Радиотехнический институт — РТИ), разрабатывая для его систем предупреждения о ракетном нападении (СПРН) высокопроизводительные ЭВМ М-4, М4-2М и комплексы на их основе, серийно выпускавшиеся ЗЭМЗом (МРП). В это время наступила очередь создания нового поколения СПРН и 16.10.1969 г. М. А. Карцев получил заказ на разработку для нее мощной ЭВМ 5Э66 (фирменное наименование — М-10), в которой были использованы наработки по М-9. Далее оба проекта (5Э53 и 5Э66) развивались независимо, их производство планировалось на одном заводе — ЗЭМЗ.

СуперЭВМ 5Э53

5Э53 была предназначена для решения следующих основных задач:

Пока разрабатывался “Алмаз”, в ОКБ “Вымпел” шла работа над МКСК “Аргунь”, требования к ЭВМ были уточнены. Для второй очереди системы А-35 требовалась общая производительность до 0,6 млрд. операций в секунду. Эту вычислительную мощность должны были обеспечивать 15 ЭВМ (по пять в каждом МКСК) производительностью на задачах ПРО 10 млн. алгоритмических операций в секунду (около 40 млн. обычных операций в секунду каждая), ОЗУ 7,0 Мбит, ППЗУ 2,9 Мбит, ВЗУ 3 Гбит, аппаратура передачи данных на сотни километров. То есть 5Э53 должны быть существенно мощнее “Алмаза”.

В составе “Аргуни” планировалось использовать пять комплектов ЭВМ 5Э53 (в РЛС цели “Истра” — два, в РЛС наведения противоракет — 1 и в командно-вычислительном пункте — 2), объединенных в единый комплекс.

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

Применение СОК обеспечивало два основных бесспорных преимущества:

Архитектура 5Э53 имела много принципиально новых решений:

Для 5Э53 было разработано ОЗУ на основе интегрального носителя — цилиндрических магнитных пленок (ЦМП). По быстродействию, габаритам, массе, энергопотреблению, технологичности и стоимости (1 коп./бит) оно было гораздо привлекательнее применявшихся тогда ОЗУ на ферритовых сердечниках. 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. Сравнение реальных устройств показывает, что преимущества ЦМП перед ферритами составляют: по физическому объему в 15 раз, по быстродействию в 5 раз.

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, но допускающая смену информации. Для 5Э53 разработано ППЗУ с индукционной связью. На печатной плате реализовалась система ортогональных адресных и разрядных шин. На их пересечение накладывался или не накладывался замкнутый виток связи. Если виток наложен — индукционная связь есть, при подаче адресного импульса в разрядной шине индуцируется импульс, соответствующий информации “0”. Если витка нет — нет и разрядного импульса, значит, записан “1”. Все эти витки связи размещаются на тонкую печатную плату — интегральную карту, которая плотно прижимается к матрице адресных и разрядных шин. Меняя вручную карту (не выключая ЭВМ), меняем информацию.

В качестве внешней памяти большой емкости было разработано ЗУ на оптической ленте. Оно имело много общего с основными в то время ВЗУ на магнитных 35 мм 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. Образец накопителя был изготовлен и работал в составе макетного образца 5Э53.

Повышенная надежность 5Э53 обеспечивалась самокорректирующимися свойствами СОК в арифметическом устройстве, полным мажорированием (два из трех) всех других систем машины, технологией монтажа межъячеечных и межсубблочных соединений методом накрутки и другими средствами.

Проектирование

Разработка 5Э53 была проведена в рекордно короткий срок. Весь коллектив предприятия трудился с необыкновенным подъемом, не щадя себя, по 12 часов в день и более. Руководитель военной приемки в СВЦ В. Н. Каленов вспоминает реплику одного из ведущих разработчиков, В. М. Радунского: “Вчера до того доработался, что входя в квартиру предъявил жене пропуск”. Е. М. Зверев, возглавлявший группу по наладке макетного образца 5Э53, вспоминает другой пример: “В то время были нарекания на помехоустойчивость ИС серии 243. Как-то часа в два ночи на макет пришел Давлет Исламович, взял щупы осциллографа и долго сам просматривал наиболее сложные места в схемах, разбирался в причинах помех”. Ночью работали и инженеры, и директор. Такой напряженный труд хорошо оплачивался, для активных участников проекта применялась аккордная оплата, по завершении этапов работы давались премии, применялись различные меры морального стимулирования.

В ходе разработки продолжались теоретические исследования с целью совершенствования методов обработки информации в СОК: операции типа умножения, деления, определение знака и т. п. к тому времени не имели удовлетворительных алгоритмов решения в СОК. В результате напряженной работы В. М. Амербаева и его команды проблема была решена, алгоритмы разработаны и реализованы в проекте. Разработка алгоритмов проводилась одновременно с их аппаратной реализацией. Вспоминает  М. Д. Корнев: “Ночью Вильжан Мавлютинович думает, утром результаты приносит В. М. Радунскому. 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 в ходе разработки 5Э53.

При создании 5Э53 в СВЦ широко применялось машинное проектирование, в основном собственной разработки. В начале 1971 г. подготовка документации была завершена. У В. Н. Каленова сохранились записи о ее объемах: 160 типов ячеек, 325 типов субблоков, 12 типов блоков питания, 7 типов шкафов, инженерный пульт управления, масса стендов. Были проведены все необходимые испытания ячеек и субблоков, изготовлен и испытан макетный образец 5Э53. Восемь комплектов конструкторской документации (по 97 272 листа каждый) колонной машин 27 февраля 1971 г. были доставлены на ЗЭМЗ. Началась подготовка производства. Закончить ее, к сожалению, не удалось.

СуперЭВМ 5Э53 пала жертвой бескомпромиссной борьбы в МРП и МО вокруг ПРО. Это другая интересная и трагичная история, и писать о ней ее участникам. Ограничимся лишь констатацией факта, что в 1971 г. началось планомерное сворачивание работ по созданию полигонного МКСК “Аргунь”, а в 1972-м они были практически прекращены. В связи с этим в 1971 г., когда подготовка серийного производства 5Э53 подходила к концу и началось изготовление ее устройств, было прекращено финансирование работ по ЭВМ в СВЦ и ЗЭМЗ. Главного инициатора и основной опоры проекта Ф. В. Лукина уже не было среди живущих. Его преемник А. В. Пивоваров вспоминает: “Я обратился к заместителю министра МРП  В. И. Маркову. Владимир Иванович объяснил мне, что загорский завод перегружен, что он уже выпускает аналогичную ЭВМ разработки МРП, их вполне удовлетворяющую (5Э66), и что 5Э53 Минрадиопрому для ПРО не нужна”. Два завода, в Выборге и Днепропетровске, были готовы выпускать 5Э53, но оба они принадлежали МРП, которое ни разрешения на это, ни средств, необходимых для организации производства, естественно, не дало. В. И. Марков лукавил. Во-первых, ЭВМ 5Э53 и 5Э66 совершенно не аналогичны, а во-вторых, разработчики ПРО не получили ни той, ни другой. И в момент прекращения почти завершенной организации производства 5Э53 в ЗЭМЗ работы по 5Э66 только начинались, на нее на заводе еще даже не было полного комплекта документации. А новый гигантский корпус выпускного цеха 14 еще стоял полупустой, что автор лично наблюдал в середине 1971 г. Проблемы с мощностями для выпуска 5Э66 действительно возникли в ЗЭМЗ к концу 1972 г., но после того, как 5Э66 получила второе применение (в спутниковой системе обнаружения стартов ракет академика А. И. Савина) и потребность в ней резко возросла. Но в 1971 г., когда работы по 5Э53 в ЗЭМЗ были остановлены, об этом еще известно не было. И решили возникшую проблему просто, подключив другие заводы.

Невостребованной 5Э53 оказалась и в МЭП — задач для нее еще не было. Тогда МЭП разрабатывал интегральные схемы низкой интеграции, которые вполне поддавались ручному проектированию. Время мощных систем автоматизированного проектирования еще не наступило. Если бы 5Э53 появилась в эпоху микропроцессоров и других сложных БИС — а на таких задачах модулярная арифметика весьма эффективна — скорее всего ее ожидала бы иная судьба.

ЭВМ четвертого поколения

На этом работы по созданию модулярной высокопроизводительной ЭВМ в СВЦ не закончились. Когда теоретические подразделения закончили свою часть работы и центр тяжести по созданию 5Э53 переместился на схемотехников и конструкторов, в СВЦ началась работа по созданию образа новой мощной вычислительной системы — ЭВМ четвертого поколения (ЭВМ IV). Задумывалась модульная реконфигурируемая система с аппаратно-микропрограммной реализацией языка программирования высокого уровня типа PL-1 и IPL, считавшихся тогда наиболее перспективными. ЭВМ включала подсистемы центральной обработки (до 16 центральных процессоров — ЦП), ввода-вывода (до 16 процессоров ввода-вывода — ПВВ), ОЗУ (до 32 секций ОЗУ 32Кх64 бит) и мощную 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. операций в секунду. В ЦП планировалась табличная реализация СОК: результат не вычисляется, а считывается из ПЗУ — в СОК это возможно. При этом любая непрерывная функция одной или двух переменных может выполняться за один машинный такт. Предполагалось использовать парадоксальное свойство СОК: эффективная производительность модулярной ЭВМ может быть многократно выше ее физического быстродействия или производительности позиционной ЭВМ с таким же быстродействием.

Для реализации табличной ЭВМ требовалось компактное постоянное ЗУ большой емкости. Его разработкой в СВЦ уже несколько лет занималось подразделение С. А. Гаряинова. Суть этой работы заключалась в создании бескорпусных диодных матриц, а также конструкции и технологии изготовления устройств на их основе.

К этому времени в подразделении С. А. Гаряинова была разработана диодная 256-битная матрица на диэлектрической подложке — ДМР-256, на заводе “Микрон” начиналось ее производство. Там же на основе этой матрицы была разработана соответствующая оригинальная конструкционная система:

Таким образом на фоне бурных событий, связанных сначала с разработкой, а потом с борьбой за выживание 5Э53, в спокойной обстановке создавался задел для реализации следующего проекта. В это время все внимание Д. И. Юдицкого было сконцентрировано на событиях вокруг 5Э53, но он регулярно интересовался и перспективными проработками, доверяя в то же время их руководителям. Как впоследствии выяснилось, не все они оправдали доверие.

Аванпроспект ЭВМ IV был закончен в начале 1973 г. Эта ЭВМ задумывалась как прототип для последующих разработок СВЦ. Однако еще до его завершения ЭВМ IV, ей, казалось, нашлось хорошее применение.

СуперЭВМ 41-50, “Лидер”

В начале 1972 г. СВЦ получил заказ ГРУ МО на разработку эскизного проекта суперЭВМ для обработки векторных и структурированных данных, получившей условное наименование 41-50, ОКР “Лидер”. 64-разрядная ЭВМ должна была обладать быстродействием в 200 млн. операций в секунду, иметь ОЗУ емкостью 16 Мб, развитую периферию. В то время за рубежом уже были известны ЭВМ такого типа, например фирмы Burroughs (США), но они были заметно слабее. Это многопроцессорные машины, обрабатывающие одиночным потоком команд множественный поток данных. Основная задача заключалась в распараллеливании данных между процессорами, которую обычно решали на основе традиционных скалярных процессоров, со скалярными системами команд на программном уровне. В СВЦ строили изначально векторную архитектуру ЭВМ с векторной системой команд, работающих над массивами, ориентированную на реализацию алгоритмов заказчика. Задача динамического распараллеливания при этом решалась на аппаратно-микророграммном уровне, на основе внутренних алгоритмов, что приводило к резкому повышению эффективности системы в целом.

Эскизный проект 41-50 СВЦ выполнял совместно с Институтом кибернетики (ИК) АН Украины, директор ИК академик В. М. Глушков был научным руководителем проекта. В связи с этим в ИК было создано два специальных подразделения (филиал СВЦ) во главе с З. Л. Рабиновичем и Б. Н. Малиновским. Главным конструктором проекта был Д. И. Юдицкий, активное участие в его реализации принимали Н. М. Воробьев, М. Д. Корнев, В. Г. Сиренко, В. А. Савеличев, В. С. Петровский, В. М. Елагин, И. П. Селезнев, П. Н. Казанцев, Ю. М. Сокол, Ю. Г. Бобошко, Ж. Мамаев, В. Ф. Лукин, Т. Г. Родкина и др.

Первоначально планировалось строить ЭВМ на основе задела, выполненного в рамке проекта ЭВМ IV поколения. Этого по ряду причин не получилось.

Проектирование 41-50 начиналось с изучения алгоритмов решения задач заказчика. Поэтому в первую очередь начали просматривать реализацию специфичных алгоритмов заказчика на основе разработанного варианта табличной реализации модулярной арифметики. Работу возглавили В. М. Амербаев в качестве математика и основного автора модулярной арифметики, и Л. Г. Рыков в качестве схемотехника, реализующего эти алгоритмы. Этот хорошо сработавшийся дуэт дал возможность трезво оценить ситуацию. Вспоминает  Л. Г. Рыков: “И. Я. Акушский был больше математиком и теоретиком и до таких понятий, как время задержки, гонка импульсов и других схемотехнических неприятностей, не опускался. Вильжан Мавлютинович — совершенно другой человек. Он не гнушался наших проблем и всегда старался найти такой вариант математического решения, который наиболее удачно реализуется аппаратно”. Результаты этого напряженного труда были аккумулированы в руководящем техническом материале РТМ У10.012.003 “Машинные алгоритмы двухступенчатой непозиционной арифметики”. Проведенный анализ показал, что на алгоритмах заказчика (процент логических операций, не выполнявшихся тогда в СОК, в них был значительно выше обычного) производительность модулярной ЭВМ не превышает производительности обычной двоичной позиционной ЭВМ. Оставалось некоторое преимущество по надежности за счет арифметичности СОК, но в табличной арифметике и это мало что давало, так как табличная арифметика реализуется в памяти, в которой хорошо работают традиционные методы обнаружения и исправления ошибок. Таким образом применительно к задачам 41-50 преимущества СОК практически не срабатывали. В результате оправдать применение СОК могли только более удачные конструктивно-технологические решения реализации табличной арифметики на основе полупроводниковой постоянной памяти. Они обещали существенное сокращение объема аппаратуры по сравнению с традиционной двоичной позиционной арифметикой.

Но своевременно задуманный конструктивно-технологический задел не оправдал надежд. Когда он потребовался, выяснилось, что он еще весьма далек от возможности практического применения. Все это в совокупности привело к отказу от применения СОК в проекте 41-50. Начался второй этап реализации проекта на основе традиционной двоичной арифметики, но это уже другая история.

Система 41-50 была последней разработкой в СВЦ высокопроизводительных многоразрядных ЭВМ. Проект был выполнен и блестяще сдан Госкомиссии. Заказчик, фактически соисполнитель, внес в него все, что ему было нужно, высоко оценил проект и верил в успех. Но в МРП, где изначально планировалось и заказчиком было согласовано производство 41-50, изготовителя для нее не нашлось и продолжения работ не последовало. Далее СВЦ занимался созданием изделий, которые можно было производить своими силами, — 16-разрядных мини- и микроЭВМ, микропроцессоров и систем на их основе. А в малоразрядных системах преимущества модулярной арифметики несущественны, и работы по ее практическому применению в СВЦ были свернуты.

Судьба СОК

В шестидесятых — семидесятых годах прошлого века в связи с разработками ЭВМ К-340А, 5Э53 и ЭВМ IV в СВЦ и в сотрудничавших с ним предприятиях проводились серьезные научные исследования в области модулярной арифметики и было много публикаций на эту тему в открытой печати, в том числе и монографий. Они возбудили серьезный интерес у иностранных специалистов. Вот что вспоминает академик В. М. Амербаев: “В 1970-1971 гг. большой интерес к модулярной арифметике проявили банковские структуры США. Им требовались высокопроизводительные средства для высоконадежных вычислений с самокоррекцией — именно этим и характерна модулярная арифметика. По данным открытой печати (статьи, книги, патенты) они оценили результаты работы И. Я. Акушского и Д. И. Юдицкого как передовые в мире и обратились в МЭП с предложением о закупке модулярных алгоритмов (предложили около 20 млн. долларов США). Начавшиеся переговоры были пресечены “компетентными органами”. Об этом же случае, а возможно, и о другом вспоминает уже цитированный нами В. С. Линский: “Во время работы в НИИ ФП — СВЦ в 1966-1970 гг. я открыто выражал негативное отношение к СОК, вплоть до обращения в Военно-промышленную комиссию при СМ СССР (ВПК). С моим мнением был ознакомлен В. С. Бурцев, выразившийся в том смысле, что однозначный ответ о СОК преждевременен. На вопрос сотрудников ВПК о том, почему американцы хотят закупить результаты И. Я. Акушского и Д. И. Юдицкого, я ответил, что, по-видимому, это им выгоднее, чем самим проводить исследования в этой области”. А. В. Пивоваров вспоминает другой случай: “У Юдицкого был контакт с французской фирмой, не помню ее название, которая пожелала купить проект ЭВМ. Д. И. Юдицкий пришел ко мне за разрешением на такую сделку, но я отказал ему по двум причинам. Во-первых, для выполнения такой сделки необходимо изготовление образца ЭВМ для полной отработки технологии, а сделать-то его было негде. Во-вторых — зачем нам вооружать французов, тогда наших потенциальных военных противников. Да если бы я и согласился, нам все равно бы это не позволили сделать вышестоящие органы”. Были и другие примеры интереса зарубежных фирм к работам СВЦ по СОК, но все они были пресечены “в установленном порядке”.

Прекращение работ по 5Э53 вызвало определенный психологический шок у сторонников СОК, их научная активность существенно снизилась, число открытых публикаций резко сократилось. Имеются свидетельства, что данный факт был замечен зарубежными учеными и их “компетентными органами”, сделавшими вывод о засекречивании этих работ в СССР. Некоторые страны, например США, последовали этому “примеру” и засекретили работы по модулярной арифметике у себя.

Таким образом, печальная судьба 5Э53 стала причиной пресечения нового, перспективного направления развития отечественной вычислительной техники, превосходящего все имевшееся и в стране, и за рубежом, — модулярной арифметики. Истинных причин остановки проекта суперЭВМ на основе СОК практически никто не знал. Но сам факт, получив широкую огласку в кругах специалистов, начал самостоятельную жизнь и стал почти непреодолимым барьером на дальнейшем пути внедрения СОК в отечественную вычислительную технику. Далее модулярной арифметикой в нашей стране занимались только отдельные энтузиасты, в основном в теоретическом плане.

Уровень элементной базы шестидесятых — семидесятых годов прошлого века (электронные лампы, транзисторы и диоды, интегральные схемы низкой и средней интеграции) не позволял создавать ЭВМ с характеристиками, полностью удовлетворяющими потребителя. Каждая ЭВМ того периода была результатом компромисса между желаемым и возможным. Поэтому разработчики ЭВМ искали самые разнообразные методы повышения их производительности и надежности. Одним из таких методов была модулярная арифметика, и именно поэтому и именно тогда она вызывала повышенный к себе интерес и получила интенсивное развитие. В восьмидесятые годы с появлением микропроцессоров и других интегральных схем все возрастающей интеграции существенно сгладились проблемы и производительности, и надежности ЭВМ (исчезли километры проводов и миллионы паек). В настоящее время подавляющее число потребителей использует лишь малую часть возможностей своих ЭВМ и не подозревают, что проблемы производительности и надежности были когда-то очень актуальны и часто непреодолимы. И поиски путей их преодоления существенно сократились. За последние 20-30 лет в мире почти не появилось новых архитектурных решений и других системных новаций в принципах построения ЭВМ — практически используется задел шестидесятых — семидесятых годов. Колоссальный прогресс вычислительной техники определяется в основном микроэлектроникой.

Но в настоящее время развитие вычислительной техники, похоже, подходит к очередному кризису. Вызвано это многими причинами, в том числе:

В этих условиях интерес к поиску системных методов повышения эффективности вычислительных средств пробуждается вновь. В печати заметно увеличилось количество соответствующих публикаций, в том числе и по модулярной арифметике. Ряд серьезных фирм начал пока теоретические, задельные работы в данной области. В этой связи интересно и полезно знать историю и современное состояние отечественной модулярной арифметики.

Настоящая статья является попыткой комплексно отразить главную страницу истории зарождения и развития отечественной модулярной арифметики. Естественно, она далеко не полная и, наверное, в чем-то ошибочная. О дальнейшем ее развитии у автора имеются отрывочные сведения, не позволяющие нарисовать общую картину развития СОК.

2005 г. — год 50-летнего юбилея СОК и основанной на ней модулярной арифметики. Это хороший повод для подведения итогов ее развития, оценки современного состояния и перспектив развития. Поэтому Московский институт электронной техники (МИЭТ, Зеленоград), еженедельник PC Week и Виртуальный компьютерный музей (Москва) и ОАО “Ангстрем” (Зеленоград) приняли решение о проведении юбилейной специальной научной международной конференции “Модулярная арифметика”, проводимой в два этапа:

Материалы конференции планируется разместить на сайтах МИЭТа и музея, и издать в виде сборника трудов.


Система остаточных классов — СОК

В системе остаточных классов 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 определяет 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. Малая разрядность остатков обеспечивает возможность реализации табличной арифметики, при которой результат операции не вычисляется каждый раз, а, однажды рассчитанный, помещается в запоминающее устройство (ЗУ) и при необходимости считывается из него. То есть операция в СОК при табличной арифметике и конвейеризации выполняется за один период синхронизирующей частоты (машинный такт). Проблемы возникают при переполнении диапазона представления чисел и округлении результатов, на их решение и потребовалось масса сил и интеллекта математиков.

Табличным способом в СОК можно выполнять не только простейшие операции, но и сложные функции, и тоже за один машинный такт. Этим определяется одно из парадоксальных свойств модулярной арифметики: эффективная производительность модулярной ЭВМ может быть значительно, в разы, в десятки и сотни раз выше, чем у позиционной ЭВМ с той же тактовой частотой. Действительно, операцию, которую обычная ЭВМ выполняет за 100 тактов, модулярная ЭВМ выполняет за один такт, естественно, ее эффективная производительность на этих операциях при прочих равных условиях в 100 раз выше.

Введя дополнительные основания, получаем избыточность, обеспечивающую контроль и исправление ошибок в процессе выполнения операций. Это одно из важнейших преимуществ СОК (арифметичность) 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, когда процессор занимал шкаф или несколько, содержал многие тысячи отдельных элементов и паяных контактов, а также километры проводников, он был гарантированным источником различных помех и сбоев, причем бесконтрольных. Взяв под контроль эти источники сбоев и ошибок в процессоре, СОК резко повысил общую надежность ЭВМ К-340А и 5Э53 (о них позже) по сравнению с современными им машинами.


ЭВМ Т-340А и К-340А

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

Главный конструктор:

Т-340А — Д. И. Юдицкий,

К-340А — Д. И. Юдицкий, позже Л. В. Васильев.

Годы разработки (НИИ-37):

Т-340А — 1960-1963 гг.,

К-340А — 1963-1966 гг.

Изготовители: опытный завод при НИИ-37 и Свердловский завод радиоаппаратуры, в 1966-1973 гг. выпущено более 50 комплектов.

Разрядность данных и команд: 45 бит.

Трехадресная ЭВМ: две операции в одной команде.

Система счисления: СОК с дополнительным основанием.

СОК: основания и занимаемые ими разряды слова:

основания: 2; 5; 23; 63; 17; 19; 29; 13; 31; 61;

разряды слова: 1; 2-4; 5-9; 10-15; 16-20; 21-25; 26-30; 31-34; 35-39; 40-45.

Производительность: 1,2 млн. двухоперационных команд в секунду (в общепринятом исчислении — 2,4 млн. операций в секунду).

Обнаружение ошибки в слове при выполнении операций в арифметическом устройстве.

Многовходовая буферная память: 16 в 45 бит.

ОЗУ данных: 16К 45-разрядных слов (720 кбит).

ПЗУ команд: 16К 45-разрядных слов (720 кбит).

Стоимость ЭВМ:

опытной — 1,2 млн. руб.;

серийной — 0,6 млн. руб.

Стоимость единицы производительности — 25 коп. за операцию в секунду.

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

Потребляемая мощность: 33 кВт.

Размер шкафа: 600 в 700 х1800 мм.

Количество шкафов — 12.


ЭВМ “Алмаз”

Эскизный проект — март I967 г.

Главный конструктор Д. И. Юдицкий, научный руководитель И. Я. Акушский.

Разработчик: Центр микроэлектроники МЭП, Зеленоград.

Разрядность данных и команд: 45 бит.

Диапазон представления чисел: ?2?30.

Производительность: 7,5 млн. алгоритмических операций в секунду (в общепринятом исчислении — до 30 млн.).

Система счисления остаточных классов (СОК) с дополнительным основанием.

СОК — основания и занимаемые ими разряды слова:

основания: 2; 5; 23; 63; 17; 19; 29; 13; 31; 61;

разряды слова: 1; 2-4; 5-9; 10-15; 16-20; 21-25; 26-30; 31-34; 35-39; 40-45.

Обнаружение двойных и исправление одиночных ошибок при выполнении операций в арифметическом устройстве.

Адресность: двухадресная.

Вычисления значения специальных функций в качестве элементарной команды.

Работа со словами переменной длины.

Параллельная обработка малоразрядной информации.

Режим с плавающим диапазоном.

Объем памяти: 128К 45-разрядных слов (5,898 Мбит).

Быстрая буферная память: 32 55-разрядных слов.

Вероятность безотказной работы в течение 15 мин: 0,999.

Коэффициент готовности в установившемся режиме: 0,999.

Размер шкафа: 550 в 800 х1750 мм.

Объем оборудования: 11 шкафов, инженерный пульт управления, внешние устройства.

Занимаемая площадь: 80-100 м2.

Потребляемая мощность: 5 кВт.

Расчетная стоимость:

опытного образца — 4,2 млн. руб.

серийного образца — 2,6 млн. руб.


СуперЭВМ 5Э53

Технический проект — февраль I971 г.

Главный конструктор: Д. И. Юдицкий.

Разработчик: Специализированный вычислительный центр, МЭП, Зеленоград.

Назначенный завод-изготовитель: Загорский электромеханический завод, МРП.

Разрядность:

- данных — 20 и 40 бит,

- команд — 72 бит.

Система счисления: СОК с дополнительным основанием.

Основания: 17; 19; 26; 31; 23; 25; 27; 29.

разряды слова: 1-5; 6-10; 11-15; 16-20; 21-25; 26-30; 31-35; 36-40.

Тактовая частота: 6,0 МГц.

Производительность:

- 10 млн. алгоритмических операций в секунду на задачах ПРО (40 млн. коротких операций в секунду),

- 6,6 млн. коротких операций в секунду на одном модулярном процессоре.

Формат алгоритмической операции — 3-4 коротких.

Время выполнения модулярных операций: 1 такт = 166 нс.

Число процессоров: 8 (4 модулярных и 4 двоичных).

ППЗУ команд:

- емкость:

- общая — 2,8 Мбит;

- шкафа — 573 кбит;

- блока — 1024 в 72 бит = 73 728 бит = 72 кбит;

- время цикла — 332 нс;

- темп выборки — 166 нс;

- число блоков — 40;

- число шкафов — 5.

ОЗУ данных:

- емкость:

- общая — 7,0 Мбит;

- шкафа — 1,0 Мбит;

- блока — 4096 в 64 = 262 144 бит = 256 кбит;

- время цикла 700 нс;

- темп выборки — 166 нс;

- число блоков — 28;

- число шкафов — 7;

- стоимость — 1 коп./бит в ценах 1972 г.

Объем оборудования ЭВМ:

- типов шкафов — 7 и инженерный пульт управления;

- число шкафов — 24.

Размер шкафа, HxBxL: 1800в800 в 600 мм.

Потребляемая мощность: 60 кВт.

Среднее время безотказной работы: 600 ч.

Занимаемая площадь (со стендовым и ремонтным оборудованием): 120 м2.


Статья опубликована в PC Week/RE № 9 от 22.03.2005 г., стр. 44, и № 10 от 29.03.2005 г., стр. 52.

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