Краткие основы и история создания отечественных модулярных ЭВМ. Истоки модулярной арифметики
Малашевич Борис Михайлович
Впервые о Системе остаточных классов (СОК) научная общественность узнала в 1955 г. из статьи чеха Миро Валаха и Антонина Свободы [1], предложивших новую идею цифрового кодирования, которая позже получила название «Система остаточных классов» (СОК), а арифметика на её основе – модулярной. Идея оказалась продуктивной и была реализована в 1958-1962 гг. в виде ламповой модулярной ЭВМ ЭПОС (рис. 1). Подробнее об истории развития модулярной арифметики в стране можно ознакомиться в [2, 3 и 4].
![Первые в мире модулярные ЭВМ Эпос и Эпос-2](http://computer-museum.ru/images/sorucom_2017/sorucom2017_30_1.jpg)
![Первые в мире модулярные ЭВМ Эпос и Эпос-2](http://computer-museum.ru/images/sorucom_2017/sorucom2017_30_2.jpg)
Рис. 1. Первые в мире модулярные ЭВМ "Эпос" и "Эпос-2"[5]
Эта мультипрограммная (до 5 программ) ЭВМ с режимом разделения времени и ферритовым ОЗУ ёмкостью 1024 65-разрядных слов выполняла 5 ÷ 20 тыс. оп/с над десятичными 12-разрядными операндами. В 1963 и 1964 гг. было изготовлено два экземпляра ЭПОС. В 1960-1965 г. была разработана более совершенная и экономичная транзисторная версия ЭВМ – ЭПОС-2 с производительностью до 40 тыс. оп/с. Два варианта ЭПОС-2 под названиями ZPA-600 и ZPA-601 серийно выпускались до 1973 г., всего было выпущено 30 комплектов ЭВМ, что по тем временам, особенно для маленькой Чехословакии, было много.
СОК
Первым в СССР в конце 1950-тых годов на систему счисления остаточных классов обратил внимание главный инженер КБ-1 Фёдор Викторович Лукин. Примерно в 1959 г. в КБ-1 (ныне ОАО "НПО "Алмаз"") по закрытым каналам поступила справка об этих работах. Ф.В. Лукин, имеющий личный опыт разработки счётно-решающих устройств и, особенно, их применения в крупнейших военных системах, сразу оценил перспективность этого направления. Но КБ-1 разработкой ЭВМ не занималось, и Фёдор Викторович направил заинтересовавшую его справку в СКБ-245, где она заинтересовала математика И.Я. Акушского и его начальника, ведущего разработчика ЭВМ Д.И. Юдицкого, ставших впоследствии основоположниками модулярной арифметики в СССР.
Последующие действия Ф.В. Лукина подтверждают, что именно его стараниями модулярная арифметика получила столь бурное и успешное развитие в стране, и не случайно с его уходом из жизни совпадает начало спада её разработок.
Полученная таким образом исходная информации, весьма краткая и поверхностная, дала старт научным исследованиям И.Я. Акушского и Д.И. Юдицкого. Первая в стране попытка осмыслить принципы построения модулярной ЭВМ была предпринята в 1957 г. в СКБ-245 Ю.Я. Базилевским, Ю.А. Шрейдером, И.Я. Акушским и Д.И. Юдицким, но не получила единого понимания – не все ее участники прониклись сутью СОКа. Как отмечает В.М. Амербаев: «Это было обусловлено неумением осмысливать сугубо компьютерные вычисления строго алгебраически, вне кодового представления чисел».
В 1960 г. Ф.В. Лукин, недавно назначенный директором и научным руководителем создаваемого НИИ-37 ГКРЭ (НИИ Дальней радиосвязи – НИИДАР), пригласил Д.И. Юдицкого и И.Я. Акушского для разработки ЭВМ. Они согласились. Д.И. Юдицкий в 1960 г. стал начальником отдела ЭВМ, а И.Я. Акушский – начальником лаборатории в этом отделе. Первой задачей Д.И. Юдицкого в НИИ-37 было завершение неудачной разработки ЭВМ "А-340А" для создаваемых предприятием радиолокационных станций (РЛС), И.Я. Акушский, как учёный-теоретик, сразу занялся разработкой научных основ построения модулярной ЭВМ.
Модулярные супер-ЭВМ 2-го поколения
В 1960–1963 гг., после успешного завершения работ над А340А, возглавляемый Д.И. Юдицким коллектив разработал первую в стране реально работавшую модулярную ЭВМ. В институте в 1960 г. был сделан макетный (сокращённый) образец ЭВМ, а затем в 1962 г. опытный завод при НИИДАР по эскизной документации изготовил ЭВМ под именем "Т340А". Теория и практика варианта модулярной арифметики и принципы построения ЭВМ "Т340А" на их основе были разработаны И.Я. Акушским, Д.И. Юдицким и Е.С. Андриановым. В ходе работы выяснилось много интересных свойств системы остаточных классов, о которых в первоисточниках и не упоминалось. Академик В.М. Амербаев рассказывает: «…Ф.В. Лукин привлёк внимание И.Я. Акушского к разработкам … нового способа организации параллельных вычислений. Выяснилось позднее, что он обладает свойством арифметической самокоррекции. ... Это была нетрадиционная компьютерная арифметика, и для её разработки требовался нетрадиционный подход. В ходе разработки … возникло множество ярких, оригинальных решений в архитектуре, живучести, параллельности, конвейерности ЭВМ…».
ЭВМ "Т340А", совместно с "А340А", активно использовалась в качестве стенда при построении РЛС дальнего обнаружения "Дунай-3УП" на Сары-Шаганском полигоне ПРО.
ЭВМ была построена на основе феррит-транзисторной логики, реализованной на дискретных транзисторах 1Т308В и ферритовых сердечниках (рис. 2).
![Ячейка ЭВМ Т340А и К340А](http://computer-museum.ru/images/sorucom_2017/sorucom2017_30_3.jpg)
Рис. 2. Ячейка ЭВМ "Т340А" и "К340А"
Полученные при её настройке и первом опыте эксплуатации результаты были использованы при создании в 1963-66 гг. комплекта конструкторской документации для серийного производства ЭВМ, но уже под именем "К340А".
В 1964 г. Д.И. Юдицкий и И.Я. Акушский с группой специалистов, опять же по приглашению Ф.В. Лукина, назначенного директором создаваемого в будущем Зеленограде Центра микроэлектроники, перешли в него.
А разработку К340А завершил оставшийся коллектив под руководством Л.В. Васильева. ЭВМ была освоена в серийном производстве и стала базовой для РЛС, разрабатываемых в те годы в НИИ-37. Практически Т340А и К340А – это одна ЭВМ на разных этапах её создания.
ЭВМ «К4340А» серийно выпускалась опытным заводом при НИИДАР и Свердловским заводом радиоаппаратуры, всего было выпущено около 50 комплектов. Они использовались в РЛС дальнего обнаружения «Дунай-3У» системы «А-35» ПРО центрального промышленного района и в загороизонтных РЛС системы предупреждения о ракетном нападении (СПРН) «Дуга», «Дуга-2» и «Дуга-3», которые были построены, но, к сожалению, не оправдали возлагаемых на них надежд.
Несравненно лучше сложилась судьбы ЭВМ в составе РЛС «Дунай-3У» (рис. 3).
![РЛС Дунай-3У](http://computer-museum.ru/images/sorucom_2017/sorucom2017_30_4.jpg)
![РЛС Дунай-3У](http://computer-museum.ru/images/sorucom_2017/sorucom2017_30_5.jpg)
Рис 3. РЛС "Дунай-3У" – приёмная (слева) и передающая позиции – сооружения, измеряемые сотнями метров [6]
Узел системы дальнего обнаружения (СДО) целей ПРО «А-35» в составе двух РЛС "Дунай-3У", созданный в 1969–76 гг. недалеко от г. Чехова в Московской обл., в 1978 г. после серии положенных для таких объектов испытаний был принят на вооружение в режиме "Боевая работа". В СДО применено 20 комплектов ЭВМ К340А выпуска 1968-1976 гг., по 10 ЭВМ в каждой РЛС.
В 2010 г. мне удалось посетить этот СДО. К этому моменту по плану модернизации электроника РЛС, первой введённая в строй, была демонтирована для замены на современную, но вторая продолжает работать, превзойдя положенное для таких объектов время "продолжительности жизни" почти в 4 раза. Годы создания двух её ЭВМ (1970-й и 1972-й) подтверждаются формулярами их устройств (рис. 4).
![Наклейки на формулярах действующих устройств ЭВМ К340А](http://computer-museum.ru/images/sorucom_2017/sorucom2017_30_6.jpg)
![Наклейки на формулярах действующих устройств ЭВМ К340А](http://computer-museum.ru/images/sorucom_2017/sorucom2017_30_7.jpg)
Рис. 4. Наклейки на формулярах действующих устройств ЭВМ "К340А"
Структурная схема ЭВМ приведена на рис. 5.
![Структурная схема ЭВМ К340А](http://computer-museum.ru/images/sorucom_2017/sorucom2017_30_8.jpg)
Рис. 5. Структурная схема ЭВМ "К340А"
Основными системами ЭВМ являются вычислитель, накопительная система, пульт управления К340П1 (ПУ), регистратор (два принтера МП-16), система электропитания и система охлаждения (в то время в вычислительной технике ещё не было устоявшейся позже общей терминологии, поэтому каждый главный конструктор применял свою).
В состав вычислителя (в нынешней терминологии – процессор) входят следующие устройства:
- Устройство обработки данных (УОД), выполняющее арифметические и логические операции над числами,
- Буферный накопитель (БН), представляющий собой многовходовое быстродействующее запоминающее устройство на регистрах, предназначенное для связи между высокопроизводительным вычислителем и накопительной системой. Буферный накопитель используется для временного хранения информации и оперативного использования её в процессе работы. Ёмкость буферного накопителя – 16 45-разрядных слов.
- Накопитель команд (НК) служит для хранения команд программы. В состав накопителя команд входят четыре автономных накопителя НК1, НК2, НК3 и НК4, ёмкостью по 4096 45-разрадных слов каждый.
Здесь следует отметить, что задачи РЛС дальнего обнаружения и контроля космического пространства алгоритмически довольно консервативны, программы их решения эксплуатируются без изменений длительные сроки, поэтому в ЭВМ тогда для хранения программ использовались перепрограммируемые (часто, как и в данном случае, вручную) постоянные ЗУ. Таким был и НК.
Накопитель команд выполнен в виде перепрограммируемого ферритового постоянного запоминающего устройства на цилиндрических ферритовых сердечниках. Сердечники вручную вставлялись (и извлекались) в отверстия в матрице, содержащей 2х32 45-разрядного слова (рис. 6).
![Блок накопителя команд ЭВМ К340А](http://computer-museum.ru/images/sorucom_2017/sorucom2017_30_9.jpg)
![Блок накопителя команд ЭВМ К340А](http://computer-museum.ru/images/sorucom_2017/sorucom2017_30_10.jpg)
Рис. 6. Блок накопителя команд ЭВМ «К340А», левая и правая стороны. Черные точки – ферриты.
Накопительная система является основной памятью ЭВМ и выполняет задачи оперативной памяти (ОЗУ) при обмене информацией с вычислителем, и буферной памяти при обмене информацией с внешними устройствами. В накопительную систему входят: устройство управления (УУ), 16 независимых накопителей чисел (НЧ), накопитель констант (НКС) и буферный накопитель (БН).
Ёмкость каждого накопителя чисел – 1024 45-разрядных слов, ёмкость накопителя констант – 4096 45-разрядных слов с возможностью расширения до 8192 45-разрядных слов. В этой ЭВМ был реализован принцип независимых каналов памяти команд и данных (гарвардская архитектура). Но каждый НЧ имел по два порта для ввода-вывода информации: с абонентами (с возможностью параллельного обмена с любым числом блоков) и с процессором. Для увеличения быстродействия было реализовано программное расслоение оперативной памяти с чередованием адресов обращения процессора к блокам НЧ.
Кроме того, была применена многовходовая буферная память (буферный накопитель–БН) для двухоперационных команд (в каждой команде выполнялось по две операции, каждая из которых в других ЭВМ того времени выполнялась в виде отдельной команды). Эти особенности построения системы памяти обеспечили высокую эффективность ЭВМ: задержек при обращении к памяти большого объёма (бич ЭВМ тех лет) практически не было.
Вычислитель перерабатывает информацию, содержащуюся в буферном накопителе. Вычислитель и накопительная система способны работать параллельно, независимо друг от друга, каждый по своей команде из одного командного слова. Это обеспечивает возможность одновременного выполнения двух операций в одной команде, т.е. вдвое увеличивать производительность ЭВМ.
К340А имеет развитую систему обмена данными с внешними абонентами. Все внешние абоненты по объёму принимаемой и выдаваемой информации разделяются на массовые и одиночные. При обмене информацией все одиночные абоненты рассматриваются как ячейка специального накопителя. В ЭВМ предусмотрена возможность обмена с 8-ю внешними одиночными абонентами (по приёму и по выдаче). Для обмена с массовыми абонентами может быть использован любой накопитель чисел, который специальной управляющей командой выводится из состава накопительной системы ЭВМ и становится внешним буферным запоминающим устройством.
В ЭВМ имеется развитая система прерываний по внешним сигналам с жёсткой (аппаратной) и гибкой (программной) приоритетной системой. Система прерываний рассчитана на 15 запросов прерывания.
Для контроля за работой всех устройств ЭВМ и ручного управления служит пульт управления (рис. 7), на котором имеются необходимые элементы индикации и управления.
Все устройства ЭВМ построены на основе единой базовой конструкционной системы в виде типовых ячеек, блоков и шкафов ЭВМ была разработана ранее РЛС "Дунай-3УП". Её конструктивные решения оказались достаточно удачными и были применены при построении электронных устройств Дунай-3У и других электронных устройств РЛС, в которых применялась ЭВМ К340А (рис. 8, 9).
![Шкаф №15 (НЧ15 и НЧ16) ЭВМ К340А](http://computer-museum.ru/images/sorucom_2017/sorucom2017_30_13.jpg)
Рис. 9. Шкаф №15 (НЧ15 и НЧ16) ЭВМ "К340А"
Пульт управления и регистратор имеют специализированные конструкции с применением типовых ячеек и блоков.
Общая компоновка ЭВМ представлена на рис. 10.
Работа ЭВМ
Работа ЭВМ производится по командам, выбираемым из накопителя программ в соответствии с поступающим на него адресом.
Для обеспечения совмещения работы отдельных устройств в одной машинной команде размещаются две команды К1 и К2. Команда К1 располагается в разрядах 1 – 20 слова команды, команда К2 располагается в разрядах 21 – 45. Код выбранной из НК команды (К1, К2) поступает в УУ на регистры РК1 и РК2.
По команде К1, в зависимости от имеющегося в нём признака команды, операции выполняются в арифметическом устройстве или в устройстве управления.
Арифметическое устройство имеет двухсторонний обмен информацией с буферным накопителем.
Команды К2 обеспечивают выполнение операций обмена между буфером и накопителем чисел или констант, а также обмен информацией между ЭВМ и внешним и абонентами. Код команды К2 расшифровывается в УУ, и сигналы управления выдаются в НЧ, НКС или абоненту. Одиночные абоненты подразделяются на внутренние, от устройств ЭВМ, и внешние.
Каждый одиночный абонент жёстко связан цепями выдачи и приёма информации с блоком управления одиночными абонентами в УУ. В режиме «Запись абоненту» регистр одиночных абонентов принимает информацию из БН и переписывает её одному из абонентов, адрес которого указан в команде. В режиме «Чтение» информация от абонента принимается в регистр абонента и затем передаётся в БН.
Для обмена с массовыми абонентами используется НЧ, которые соединены связями с данным абонентом. Перед началом обмена в НЧ заносится признак режима (чтение – запись), начальный адрес и количество слов.
ЭВМ обладала невиданным в те времена быстродействием – 1,25 млн. двойных оп/с. (т.е. 2,5 млн. оп/с в обычном тогда исчислении). Типовое быстродействие ЭВМ в те времена измерялось десятками или сотнями тысяч оп/с. Такую производительность удалось получить благодаря применению СОК и ряда других приёмов. Действительно, максимальная разрядность основания в ЭВМ равна 6 бит, при этом обрабатывались 45-разрядные слова. Следовательно, даже без учёта массы других хитростей, производительность ЭВМ в 7,5 раз превышает производительность двоичной ЭВМ при прочих равных условиях (45/6=7,5). Производительность двоичной ЭВМ при прочих равных условиях составляла бы 2 500 000 / 7,5 = 333 333 оп/с, что соответствовало характеристикам лучших ЭВМ того времени.
Каждая ЭВМ при применении имела свой состав устройств ввода-вывода информации. По этим признакам (общий с системой конструктив и специальный состав периферии) ЭВМ называлась в НИИДАР-е специализированной цифровой ЭВМ (СЦВМ), хотя по архитектуре и структуре она соответствовала универсальным вычислительным машинам.
Опытным заводом при НИИ-37 и Свердловским заводом радиоаппаратуры было выпущено более 50 её комплектов.
Первые ЭВМ "К340А" применялась в полигонной РЛС "Дунай-3УП" в виде 5-машинного вычислительного комплекса, включающего:
- систему ассоциативного распределения информации, центральный вычислитель (ЦВС) на трёх ЭВМ "К340А",
- систему автоматического управления РЛС на двух машинах К340-А.
Пропускная способность вычислительного комплекса – не менее 300 траекторий космических объектов одновременно.
Аналогично было применение К340А в боевой РЛС "Дунай-3У", но уже в составе 10-машинного комплекса, включающего:
- систему ассоциативного распределения информации, центральный вычислитель (ЦВС) на семи ЭВМ " К340А ",
- систему автоматического управления РЛС на трёх машинах К340-А.
Пропускная способность вычислительного комплекса – не менее 1000 траекторий космических объектов (32 сложных баллистических целей–СБЦ) одновременно.
ЭВМ «Т340А» и «К340А»
Разработка принципов построения ЭВМ в СОК и способов их реализации – И.Я. Акушский и Д.И. Юдицкий.
Главный конструктор:
- Т340А – Д.И. Юдицкий,
- К340А – Д.И. Юдицкий, с 1964 г. – Л.В. Васильев.
- Разработка, НИИ-37:
- Т340А – 1960–1963 гг.,
- К340А – 1963–1966 гг.
Изготовители: опытный завод при НИИ-37 и Свердловский завод радиоаппаратуры, в 1966–1976 гг. выпущено более 50 комплектов.
Разрядность данных и команд – 45 бит.
Форма представления команд – двоичная.
Трехадресная, две операции в одной команде.
Система счисления – СОК.
СОК – основания и занимаемые ими разряды слова:
Основания | |||||||||
2 | 5 | 23 | 63 | 17 | 19 | 29 | 13 | 31 | 61 |
Разряды машинного слова | |||||||||
1 | 2 - 4 | 5 - 9 | 10 - 15 | 16 - 20 | 21 - 25 | 26 - 30 | 31 - 34 | 35 - 39 | 40 - 45 |
Форма представления чисел в АУ при выполнении арифметических операций в СОК с фиксированной запятой.
Диапазон представления чисел ±1,6×1012.
Система команд содержит полный набор арифметических, логических и управляющих операций с развитой системой индикации.
Команды АУ и УУ трёхадресные относительно Буферного накопителя (БН), команды обмена между БН и накопительной системой – двухадресные.
Время выполнения коротких операций [арифметических (в т.ч. умножения), логических, операций сдвига на n разрядов (n=1 … 45), операций индексной арифметики, операций передачи управления] составляет один стандартный машинный такт, равный 1 мкс.
Максимальное быстродействие – 1,25 млн. двухоперационных оп/с (в общепринятом тогда исчислении – 2,5 млн. оп/с).
Обнаружение ошибки в слове при выполнении операций в арифметическом устройстве.
Многовходовая регистровая буферная память (БН) – 16×45 бит. Время обращения к БН – 1,0 мкс.
Накопитель чисел НЧ (ОЗУ) данных – 16К 45-разрядных слов (720К бит). Время обращения к НЧ – 3,0 мкс.
Накопитель команд НК (ПЗУ) – 16К 45-разрядных слов (720К бит). Время обращения к НК – 1,0 мкс.
Накопитель констант НКС (ПЗУ) – 4К или 8К 45-разрядных слов (180К или 360К бит). Время обращения к НК – 1,0 мкс.
Система обмена информации с внешними абонентами многоканальная:
- 16 массовых независимых 45-разрядных каналов с максимальным темпом обмена по каждому 3,0 мкс. Максимальная пропускная способность системы обмена по массовым каналам – 300 млн. бит/с.
- 16 одиночных 45-разрядных каналов с максимальным темпом обмена по каждому – 3 мкс.
- 64 управляющих сигнала с максимальным временем выработки каждого – 1 мкс.
Система прерываний с жёсткой (аппаратной) и гибкой (программной) приоритетной схемой, рассчитанной на 15 причин, с возможностью программной и аппаратной блокировки. Время выхода на прерывающую программу – от 8 до 20 мкс.
Аппаратный и программный контроль.
Вывод результатов с помощью печатающего устройства МП-16 на 16 мм бумажную ленту. Максимальная скорость печатающего устройства – 20 строк/с.
Среднее время безотказной работы – 50 час. Среднее время восстановления неисправности – 30 мин.
Стоимость ЭВМ:
– опытной – 1,2 млн. руб.,
– серийной – 0,6 млн. руб.
Стоимость единицы производительности – 24 коп/оп в сек.
Элементная база – транзисторы, диоды, ферриты и т.п.
Потребляемая мощность – 33 кВт.
Размер шкафа – 900×700×2200 мм.
Количество шкафов – 20, расположенных в 3 ряда (рис. 11).
Учитывая специфику модулярных ЭВМ, Военная Инженерная Радиотехническая академия имени Л.А. Говорова начиная с 1968-69 учебного года включила в учебные программы кафедры вычислительной техники и АСУ изучение ЭВМ "К340А" и особенностей её программирования.
Т340А/К340А принадлежит несколько мировых рекордов. Это первая в мире ЭВМ с быстродействием более 1 млн. оп/с. И это была ЭВМ с самой низкой стоимостью единицы производительности – 25 коп за 1 оп/сек. Это самая высокопроизводительная в мире ЭВМ среди машин второго поколения (на дискретных транзисторах). Ни в каких доступных ныне источниках не удалось обнаружить информации об ЭВМ второго поколения с более высокой производительностью. На сайте Виртуального компьютерного музея www.computer-museum.ru в разделе «Забытые и утраченные отечественные приоритеты и рекорды» 20 мая 2009 г. автором размещена информация:
Первый в мире компьютер-миллионник
Первый в мире компьютер, производительность которого превысила 1 млн. оп/с разработан в 1960–1963 гг. в московском НИИ-37 (позже НИИ ДАР). Это экспериментальный компьютер второго поколения (на дискретных транзисторах) Т340А с производительностью 2,5 млн. оп/с., (гл. конструктор Д.И. Юдицкий), ряд лет проработавший но полигоне ПРО. На его основе был разработан компьютер К340А, выпущенный промышленностью в количестве около 50 комплектов. Высокая производительность компьютеров была достигнута благодаря применению модулярной арифметики.
Т340А и К340А остались мировыми рекордсменами производительными среди компьютеров второго поколения.
Подробнее смотрите: ЭВМ Т340А и К340А
До настоящего времени, в течение более 8 лет, никто не опротестовал это заявление, что является подтверждением его верности.
Не выявлено и ЭВМ, обнаруживающих ошибки при выполнении операций в арифметическом устройстве машины – до сих пор это единственная в мире из серийно выпускавшихся.
В качестве конкурента по производительности на первый взгляд может рассматриваться американская CDC-6600 с её 2,5 ÷ 3,3 млн. оп/с, но это 10-процессорная система, т.е. вычислительное средство совершенно другого класса, сравнивать её с однопроцессорной К340А совершенно недопустимо. Ее можно сравнивать с 10-машинным комплексом РЛС «Дунай-3У», имеющим суммарную производительность 25 млн. оп/с.
Таким образом, мировой рекорд по производительности и надежности ЭВМ 2-го поколения принадлежит нашей стране.
Модулярные супер-ЭВМ 3-го поколения
8 августа 1962 года в подмосковном городе-спутнике, названном через полгода Зеленоградом, Постановлением ЦК КПСС и СМ СССР был создан Центр микроэлектроники (позже Научный центр – НЦ) Министерства электронной промышленности (МЭП). Его первым директором был назначен Ф.В. Лукин.
Одной из задач НЦ было определено: «Разработка принципов конструирования … ЭВМ на основе микроэлектроники …». Для ее решения директор НЦ Федор Викторович Лукин пригласил коллектив Давлета Исламовича Юдицкого, хорошо ему известный по совместной работе в НИИ-37 и имевший опыт создания модулярных ЭВМ Т340 и К340А. Так во вновь организованном НИИ физических проблем (НИИ ФП) появился отдел перспективных ЭВМ, в котором главный инженер Д.И. Юдицкий собрал высококлассных специалистов. Это было зернышко, из которого выросло одно из видных древ компьютеризации страны.
К этому времени в ОКБ "Вымпел" Г.В. Кисунько уже были проработаны основные принципы построения второй очереди системы ПРО "А-35", способной отражать сложные баллистические цели – головные части межконтинентальных баллистических ракет, разделяющиеся на отдельные боеголовки и средства преодоления ПРО. Был также проработан и велась разработка полигонного варианта Многоканального стрельбового комплекса (МКСК) "Аргунь", главным конструктором которого был назначен Н.К. Остапенко.
МКСК должен был обеспечивать полную автоматизацию управления технологическими средствами и целевой обработки данных в цикле от обнаружения целей до их поражения. Для этого требовались очень высокие по тем временам вычислительные ресурсы.
Постановлением ЦК КПСС и СМ СССР от 5 ноября 1965 года (о системе ПРО “Аврора” и второй очереди Системы А-35) трем предприятиям: НЦ (МЭП, Ф. Лукин), ИТМ и ВТ (МРП, С. Лебедев) и ИНЭУМ (Министерство приборостроения и средств автоматики — МПСА, М.Карцев) было дано задание на разработку эскизных проектов мощной ЭВМ со сроком окончания 30 марта 1967г.
К ЭВМ предъявлялись следующие требования: разрядность данных – 45 бит, производительность – 2,5–3 млн. алгоритмических оп/с, реализация сложных функций в одной команде, работа со словами переменной длины, объем памяти – 217 45-разрядных слов (5,625 Мбит) и т.п.
В Зеленограде в этом проекте, названном “Алмаз”, участвовали молодые предприятий НЦ: НИИ ФП – разработка архитектуры и процессора ЭВМ, НИИ ТМ – конструкции, системы питания и ввода/вывода информации, НИИ ТТ – интегральные схемы (ИС).
Общими усилиями предприятий НЦ эскизный проект был разработан, изготовлен и испытан экспериментальный образец и точно в срок представлен Министерству обороны (МО). Причем производительность ЭВМ была выше требуемой – 8 млн. алгоритмических оп/с. Оборудование в 11 шкафах занимало 100 кв.м. и стоило 2,6 млн. руб. (рис. 12).
![Инженерный пульт управления ЭВМ Алмаз](http://computer-museum.ru/images/sorucom_2017/sorucom2017_30_16.jpg)
Рис. 12. Инженерный пульт управления ЭВМ Алмаз
Огромную роль в зарождении и развитии в Зеленограде сыграли директор Центра Микроэлектроники Ф.В. Лукин, его заместитель С.М. Бутузов и научные лидеры Д.И. Юдицкий, И.Я. Акушский и В.М. Амербаев (рис. 13).
![Организаторы и научные руководители создания модулярный ЭВМ в Зеленограде](http://computer-museum.ru/images/sorucom_2017/sorucom2017_30_17-1.jpg)
Рис. 13. Организаторы и научные руководители создания модулярных ЭВМ в Зеленограде
![Организаторы и научные руководители создания модулярный ЭВМ в Зеленограде](http://computer-museum.ru/images/sorucom_2017/sorucom2017_30_17-2.jpg)
![Организаторы и научные руководители создания модулярный ЭВМ в Зеленограде](http://computer-museum.ru/images/sorucom_2017/sorucom2017_30_17-3.jpg)
![Организаторы и научные руководители создания модулярный ЭВМ в Зеленограде](http://computer-museum.ru/images/sorucom_2017/sorucom2017_30_17-4.jpg)
![Организаторы и научные руководители создания модулярный ЭВМ в Зеленограде](http://computer-museum.ru/images/sorucom_2017/sorucom2017_30_17-5.jpg)
Проект ЭВМ “Алмаз” выиграл конкурс и был принят Генеральным конструктором ПРО в качестве базовой ЭВМ для МКСК. По результатам конкурса в мае 1968 года был заключен договор на разработку ЭВМ 5Э53 для МКСК. Д. Юдицкий назначается ее главным конструктором и заместителем ГК МКСК "Аргунь" по вычислительной технике. Разработчиков ЭВМ “Алмаз” объединили в новом предприятии – Специализированном вычислительном центре (СВЦ) с директором Д. Юдицким и его зам. по научной работе – И. Акушским.
Требования к ЭВМ 5Э53 по сравнению с “Алмазом” заметно повысились. Вторая очередь Системы А-35 нуждалась в общей вычислительной мощности до 0,5 млрд. оп/с – тогда эти цифры выглядели фантастично. Её должны были обеспечивать 12 ЭВМ, каждая – с производительностью 10 млн. алгоритмических оп/с (около 40 млн. обычных оп/с), с ОЗУ 10 Мбит, ППЗУ 2,9 Мбит, ВЗУ 3 Гбит и с аппаратурой передачи данных на сотни километров. Для этого в 5Э53 был реализован целый букет новых, прогрессивных решений, запатентованных изобретений. Главное – это применение модулярной арифметики, обладающей на задачах МКСК рядом бесспорных преимуществ. Среди них – повышенная производительность и простота аппаратной реализации процессора за счет малой разрядности оснований и высокая надежность системы благодаря самокорректирующимся свойствам СОК. Архитектура 5Э53 отличалась от классической в те годы фон-неймановской, и имела много принципиально новых элементов. Так, команды разделялись на арифметические и управленческие. Первые выполнялись на модулярных процессорах, вторые – на традиционных двоичных. Основные процессы — вычисления, обращения к памяти и другие – были аппаратно конвейеризированы: одновременно выполнялось до восьми последовательных операций. Среди других особенностей – блочная реализация арифметики (блок сложения/вычитания, умножения, управления адресами и т.п.), разделение памяти на оперативную данных и полупостоянную (с механической сменой носителя информации) программ, разделение шин команд и данных (гарвардская архитектура). Аппаратное расслоение памяти на восемь поочередно адресуемых блоков позволяло при времени выборки информации из одного блока ОЗУ 700 нс обращаться к памяти с тактовой частотой процессора – 166 нс.
В 5Э53 применялась новейшая тогда в стране элементная база: ИС серий «Тропа», «Посол», «Терек», специально разработанная СВЦ серия быстродействующих ИС «Конус», цилиндрические магнитные плёнки (ЦМП) для ОЗУ и т.п. В то время одним из наиболее “узких мест” ЭВМ были ОЗУ и ПЗУ. Для 5Э53 вместо дорогой и громоздкой памяти на ферритах были разработаны ОЗУ и ППЗУ на интегральных носителях ЦМП и сменных индукционных картах. По габаритам, массе, быстродействию, энергопотреблению, технологичности и стоимости они были гораздо привлекательнее ЗУ на ферритах. В качестве внешнего накопителя большой емкости использовалось ЗУ на оптической ленте. Оно имело много общего с основными в то время ВЗУ на магнитных лентах (конструкция, привод, электроника), но отличалось носителем и методами записи/чтения информации – фото/светодиоды через оптоволокно на фотопленку. В результате емкость ВЗУ при тех же габаритах повышалась на два порядка и достигала 3 Гбит. Надежность 5Э53 обеспечивало не только применение СОК в арифметическом устройстве, но полное мажорирование (2 из 3) всех других систем ЭВМ, монтаж межблочных и межячеечных соединений методом накрутки и др.
В ходе разработки совершенствовались модулярные алгоритмы. Над этим работал В. Амербаев и его команда. Вспоминает М. Корнев: «Ночью Вильжан Мавлютинович думает, утром результаты приносит В. Радунскому (ведущий разработчик). Схемотехники просматривают аппаратную реализацию нового варианта, задают Амербаеву вопросы, он уходит думать опять и так до тех пор, пока его идеи не поддадутся хорошей аппаратной реализации».
Это характерный пример взаимодействия подразделений и специалистов СВЦ. Специфичные и общесистемные алгоритмы разрабатывались заказчиком, а машинные – в СВЦ коллективом математиков во главе с И. Большаковым. При разработке 5Э53 в СВЦ широко применялось тогда еще редкое машинное проектирование, как правило, собственной разработки. Весь коллектив предприятия работал с необыкновенным подъемом не щадя себя, по 12 и более часов в день, причем и инженеры, и директор! Такой труд хорошо оплачивался и был морально стимулирован. Для ускорения освоения 5Э53 в серийном производстве загорский электромеханический завод (ЗЭМЗ) командировал в СВЦ группу специалистов для изучения ЭВМ. Разработка 5Э53 была проведена в рекордно короткий срок – за полтора года.
В начале 1971 года она завершилась. 160 типов ячеек, 325 типов субблоков, 12 типов блоков питания, 7 типов шкафов, инженерный пульт управления, масса стендов. Изготовлен и испытан макетный образец ЭВМ 5Э53 (рис. 14).
В результате 5Э53 представляла собой 8-процессорный комплекс (4 модулярных и 4 двоичных процессора), работающий с тактовой частотой 6 МГц; 25 компактных шкафов, занимавших 120 м2. Наработка на отказ составляла 600 часов (у других ЭВМ тогда – менее 100 часов).
27 февраля 1971 года восемь комплектов конструкторской документации (по 97272 листа) были доставлены на ЗЭМЗ. Началась подготовка производства.
Закончить ее, к сожалению, не удалось. В Минрадиопроме с 1971 г. велась упорная борьбы со второй очередью системы "А-35" и её полигонным МКСК "Аргунь". Первой пала "5Э53", без которой Аргунь невозможен. В начале 1972 г. заместитель министра Радиопрома издал приказ о прекращении фондирования ЦНПО Вымпел для завершения работ по договору с СВЦ о создании 5Э53 и работ по организации производства 5Э53 на ЗЭМЗ. Все работы остановились, навсегда. Причины – это другая история [2, 7 и 8]
На момент прекращения работ, по оценке заместителя ГК 5Э53 по внедрению ЭВМ в производство Н.Н.Антипова, подготовка серийного производства 5Э53 в ЗЭМЗ была выполнена более чем на 70%. Было подготовлено соответствующее оборудование, изготовлены стенды и оснастка, расписаны технологии, обучены специалисты и т.д. Все это пропало. Д. Юдицкий и И. Акушский искали других изготовителей 5Э53. Нашлись заводы, готовые взяться за ее производство, но они были в МРП, и им не позволили. Невостребованной 5Э53 оказалась и в МЭПе – задач для неё ещё не было. Время мощных САПР ИС с их топологическими задачами, где СОК эффективна, ещё не наступило. Восемь комплектов документации на 5Э53, возвращённых из ЗЭМЗ, бесславно сгорели в зеленоградском лесу.
Таким образом, в результате интриг перспективный проект суперЭВМ 5Э53 был погублен. Тем самым было пресечено новое, перспективное направление развития отечественной вычислительной техники, превосходящее все имевшееся и в стране, и за рубежом, – модулярная арифметика. В целом работы СВЦ по СОК примерно на 10 лет опережали зарубежный уровень. О том, что первая серийная модулярная ЭВМ К-340А прекрасно работает (РЛС ДО «Дунай-3У»), поражая своей надёжностью, знали только ее создатели и потребители – это был секретный объект. Слух же, что Д. Юдицкий и И. Акушский не смогли сделать ЭВМ в СОК, получил широкую огласку и стал серьёзным барьером на пути внедрения СОК в ВТ. Задел, созданный в ходе работ по 5Э53, полностью не пропал. Блоки ОЗУ и ППЗУ на интегральных носителях широкое применялись в последующих разработках. Пригодились и разработанные в рамках проекта 5Э53 технические и программные средства для создания многомашинных комплексов с развитой периферией. Они понадобились, когда в недрах СВЦ созрела мысль об объединении всех ЭВМ Научного центра Единой вычислительной сетью (ЕВС). Руководство НЦ предложение поддержало. Одну из ЭВМ (М-220), существенно доработав, превратили в ЭВМ-диспетчер сети. Дополнили ее систему команд, ввели таймеры, систему прерываний, подключили мультиплексный канал аппаратуры передачи информации (АПИ) от 5Э53, ВЗУ на магнитном барабане МБ-11, специально разработанные устройства телевизионного отображения. Все это вылилось в почти удвоение объема аппаратуры М-220. Часть докупили, но больше пришлось делать самим, используя разработки и конструкцию 5Э53. Работы по созданию ЕВС начались в сентябре 1971 года, а в июне 1972 г. первая ее очередь уже эксплуатировалась. С появлением дисплеев (в первую очередь – венгерских “Видеотонов-340”) сеть терминалов через АПИ значительно расширили. Абонентами сети стали программисты, разработчики аппаратуры, абоненты АСУ НПО Научный центр, что потребовало расширения ЕВС практически на всю европейскую часть СССР. В результате НЦ стал одним из первых мощных объединений в стране (возможно, самым первым), реально внедрившим автоматический мониторинг своих предприятий. ЕВС проработала много лет и постепенно, по мере морального и физического старения аппаратуры, была переведена на ЕС ЭВМ.
Модулярные супер-ЭВМ 4-го поколения
В 1971 году в СВЦ началась поисковая работа над эскизным проектом мощной вычислительной системы – ЭВМ четвертого поколения ЭВМ-IV. Это была модульная реконфигурируемая система с аппаратно-микропрограммной реализацией языка программирования высокого уровня типа PL-1 и IPL, считавшихся тогда наиболее перспективными. ЭВМ включала в себя подсистемы центральной обработки (до 16 центральных процессоров – ЦП), ввода-вывода (до 16 процессоров ввода-вывода), ОЗУ (до 32 секций ОЗУ 32Кх64 бита) и мощную модульную систему динамичной коммутации перечисленных модулей по сложному графу (любой ЦП мог быть соединен с любым ПВВ и любой секцией ОЗУ). Общая производительность ЭВМ оценивалась в 200 млн. оп/с.
В ЦП планировалась табличная реализация СОК: результат не вычисляется, а считывается из ПЗУ. В СОК это не сложно, а любая функция одной/двух переменных может выполняться за один машинный такт. В результате проявляется парадоксальное свойство СОК – эффективная производительность модулярной ЭВМ может быть многократно выше ее физического быстродействия или производительности позиционной ЭВМ с таким же быстродействием.
Основой системы конструкционной системы ЭВМ-IV была 256-битная диодная матрица ДМР-256. Кристаллы ДМР-256 и других ИС монтировались на ситалловую плату, семь плат собирались в этажерку с межплатным монтажом по четырем граням этажерки – многофункциональный блок (МФБ). Эти блоки устанавливались на кросс-плату, несколько кросс-плат с МФБ монтировались в металлический герметичный корпус, заполняемый фреоном, – «чемодан» в обиходной терминологии СВЦ. Тепло из блока отводилось по тепловым трубкам. Эскизный проспект ЭВМ-IV был закончен в начале 1973 года. Эта ЭВМ задумывалась как прототип для последующих разработок СВЦ.
В конце 1971 года ОКБ «Кулон» авиаконструктора П.О. Сухого обратилось в СВЦ с заказом на разработку комплекса САПР самолетов, в его основе планировалась ЭВМ-IV. Система предполагала мощнейшую ЭВМ с необыкновенно развитой периферией: около 700 автоматизированных рабочих мест, каждое должно был работать в интерактивном режиме и комплектовалось графическим дисплеем, АЦПУ, графопостроителем и средствами связи с ЭВМ. Эскизный проект САПР заказчик с удовлетворением принял. Но расчетная стоимость системы оказалась настолько высокой, что Минавиапром отказался от ее создания.
В начале 1972 года СВЦ получил заказ ГРУ МО на разработку эскизного проекта суперЭВМ для обработки векторных и структурированных данных, получившей условное наименование “41-50”. В то время за рубежом уже были известны ЭВМ такого типа, например фирмы Burroughs (США). Это многопроцессорные машины, обрабатывающие одиночным потоком команд множественный поток данных (SIMD-архитектура). Основная задача заключалась в распараллеливании данных между процессорами, которую обычно решали программно на основе традиционных скалярных процессоров. В СВЦ строили изначально векторную ЭВМ, работающую над массивами и ориентированную на алгоритмы заказчика. Задача динамического распараллеливания решалась на аппаратно-микропрограммном уровне, что резко повышало эффективность системы в целом. Эскизный проект “41-50” СВЦ выполнял совместно с Институтом кибернетики (ИК) АН Украины, директор института академик В.М.Глушков был научным руководителем проекта, а Д. Юдицкий – главным конструктором.
Первоначально планировалось строить ЭВМ на основе задела, полученного в рамках проекта ЭВМ-IV. Однако анализ специфичных алгоритмов заказчика (процент логических операций в них был значительно выше обычного) показал, что на данных задачах СОК не дает заметного преимущества в быстродействии. Оправдать применение СОК могла удачная конструктивно-технологическая реализация табличной арифметики, обещавшая существенное сокращение объема аппаратуры. Но на поверку задел оказался весьма сырым, не пригодным к практической реализации.
От СОК в ЭВМ “41-50” пришлось отказаться. Началась проработка проекта на основе традиционной двоичной арифметики. Но это уже другая история.
Три неудачных попытки - 5Э53, САПР самолётов, а затем и 41-50, показал, что разместить производство мощных ЭВМ, не профильных Минэлектронпрому, в других министерствах практически не удаётся – конкуренции в СССР официально не было, но межведомственные барьеры были несокрушимы. Поэтому Д.И. Юдицкий принял решение о смене курса на мини-ЭВМ и системы и микропроцессоры. Но это малоразрядные ЭВМ (8 или 16 бит), а на малоразрядных операндах СОК не эффективен. Поэтому работы по модулярной арифметике в СВЦ были прекращены.
Юбилей модулярной арифметики
В 2005 г. исполнилось 50 лет первой публикации А.Свободы и М.Валаха о системе остаточных классов, т.е. о модулярной арифметике. Зеленоградцы академик В.М. Амербаев и Б.М. Малашевич решили отметить этот юбилей специальной конференцией и заодно выяснить современное состояние модулярной арифметики. К организации конференции удалось привлечь ряд фирм и специалистов России, Белоруссии, Казахстана, Украины и США. В результате в ноябре 2005 г. в Зеленограде была проведена Юбилейная Международная научно-техническая конференция "50 лет модулярной арифметике".
В конференции приняли участие 49 участников, представивших 32 фирмы указанных стран, выступивших с 44 докладами. Был выпущен сборник трудов конференции общим объемом 774 страницы [3]. Сборник размещен на сайте Виртуального компьютерного музея www.computer-museum.ru, одного из учредителей и организаторов конференции.
В сборнике трудов приведена также обширная библиография по модулярной арифметике, включающая 1354 публикаций, в т.ч. 981 (72,1%) на русском языке, и 378 (27,9%) на английском. Библиография включает 34 монографии, 566 статей, 337 докладов на конференциях, 426 патентов (в т.ч. 323 Авторские свидетельства СССР, 75,8%) и 5 пособий.
На рис. 15 [9]приведена гистограмма распределения публикаций, из которой следует, что пики активности публикаций приходятся на 1980-е и 2000-е годы, что свидетельствует о росте интереса к модулярной арифметике.
В материалах конференции на основе анкетирования участников конференции сделан анализ различных аспектов развития и применения модулярной арифметики. Анализ содержит много интересной информации, с которой можно ознакомиться в материалах конференции на вышеуказанном сайте. Мы остановимся только на одном моменте – на оценке участниками конференции областей эффективности модулярной арифметики (рис. 20). По их оценке наиболее эффективна модулярная арифметика на задачах обработки сигналов, изображений, в криптозащите и целочисленной арифметике, при обработке многоразрядных (сотни и тысячи бит) данных. В этом спектре задач и применялись первые модулярные ЭВМ К340А и 5Э53.
Материалы конференции выявили многочисленные примеры реального применения модулярной арифметики, которые были объединены в 4 группы:
- Технологии построения программных и аппаратных модулярных средств обработки информации.
- Аппаратная реализация модулярных средств обработки информации.
- Программные модулярные средства обработки информации (эмуляторы).
- Учебные пособия для высшей школы.
Серьезного исследования зарубежных научных исследований и практических разработок в рамках конференции провести не удалось – участники конференции оказались недостаточно информированы о зарубежных работах. Хотя некоторые результаты получены были.
Серьёзные исследования в модулярной математике ведутся и сегодня [10].
Литература
Валах М., Свобода А. Origin of the code and number system of remainder classes, в сборнике "Stroje Na Zpracovani Informaci", vol. 3, Nakl. CSAV. 1955. Прага
Малашевич Б.М. 50 лет отечественной микроэлектронике. Краткие основы и история развития //Очерки истории российской электроники, вып. 5. Техносфера, М, 2013, 800 с.
Малашевич Б.М., автор-составитель. Труды Юбилейной научно-технической конференции "50 лет модулярной арифметики" – Россия, Москва, Зеленоград, 23-25 ноября 2005, издательство МИЭТ, тираж 150 экз., 774 с.
Малашевич Б.М. Система остаточных классов и модулярные супер-ЭВМ. – В сб. «История отечественной электронной вычислительной техники», М. 2014, ИД «Столичная Энциклопедия», с. 179 - 201.
Вычислительная техника стран СЭВ. Часть вторая: Чехословакия. https://itnan.ru/post.php?c=2&p=278886
Родионов Н.И. 40 лет на контроле космоса//ОАО НПК НИИДАР.М. 2008. 686 с.
Остапенко Н.К., Малашевич Б.М. Немного о ПРО и о ПРОшниках. Как оно было на самом деле. (Исповедь главного конструктора) – М, Петит-А, 2005, 20 с.
Остапенко Н.К. Ещё больше о ПРО. Были из моей маленькой жизни. М. 2007.
Малашевич Б.М., Малашевич Д.Б. Модулярная арифметика – взгляд изнутри. В сб. «50 лет модулярной арифметики. Юбилейная Международная научно-техническая конференция.» // Петит-А. М. 2005. с. 47-100.
Амербаев В.М. Модулярная арифметика сегодня. В сб. «Труды Юбилейной научно-технической конференции "50 лет модулярной арифметики"» – Зеленоград, из. МИЭТ, с. 441-448.
Материалы международной конференции Sorucom 2017
Помещена в музей с разрешения автора
26 сентября 2017