Школа І.С. Брука. Малі та керуючі ЕОМ

Наталія Дубова

Паралельно з С.І. Лебедєвим в Москві свої оригінальні ідеї в області обчислювальної техніки почав реалізовувати член-кореспондент Академії наук СРСР Ісаак Семенович Брук, чудовий вчений, дуже цікавий і своєрідний хлопець.

Як і Лебедєв, він почав свою наукову діяльність в електроенергетиці. Працюючи в Енергетичному інституті АН СРСР (Енін), Брук ще в 1939 році створив механічний інтегратор для рішення диференціальних рівнянь, по суті, представляв собою аналогову цифрову обчислювальну машину. А в 1948 році спільно з Б.І. Рамєєва проект розробив цифрової обчислювальної машини з жорстким програмним управлінням, в якому вчені дуже близько підійшли до ідеї що зберігається в пам'яті програми.

Не випадково, що інтерес і перші ідеї щодо створення обчислювальної техніки паралельно виникли у двох вчених-енергетиків. У ті роки це була одна з найрозвиненіших в технічному відношенні галузей радянської економіки, і пов'язані з нею наукові дослідження вимагали засобів автоматизації що проводяться складних розрахунків.

В 1950-51 роках в лабораторії Енін (фактично в напівлегальних умовах) Брук і кілька його талановитих учнів розробили і реалізували перший малогабаритну лампову електронну обчислювальну машину М-1. Така машина порівняно невеликих розмірів могла використовуватися в наукових лабораторіях для вирішення різних завдань. М-1 виконувала операції над 20-розрядними двійковими числами зі швидкістю 15-20 оп/с і мала пам'ять на магнітному барабані ємністю 256 чисел. Елементну базу становили близько 500 електронних ламп, а також кілька тисяч напівпровідникових пристроїв, вперше використаних при конструюванні обчислювальної машини. Це були трофейні німецькі випрямлячі. Парадоксально, але факт, що справді революційна ідея малих ЕОМ для наукових застосувань певною мірою зобов'язана своєю появою малим масштабами (в матеріальному сенсі) діяльності Брука: крихітної лабораторії на Ленінському проспекті, відсутністю будь-якої офіційної підтримки робіт зі створення машини і внаслідок цього постійною нестачею коштів і комплектуючих. До лабораторії до Бруку попадали молоді талановиті випускники МЕІ, яким через «плям» в біографії був замовлений шлях в престижні закриті організації.

Перша машина Брука була дійсно перший з багатьох поглядів - в оригінальності ідеї малої ЕОМ, у використанні нового типу елементів - напівпровідників, нарешті, в тому, що це була перша діюча машина в Москві. БЕСМ і «Стріла» перебували ще на стадії монтажу, коли на М-1 почали вирішуватися реальні завдання. Хоча ця машина, подібно МЕСМ, фактично була створена в макетної виконанні, на ній серйозні розрахунки робилися, наприклад, для відомства академіка Курчатова і для завдань ракетобудування, що вирішуються в КБ під керівництвом Корольова. У серійне ж виробництво потрапила тільки подальша розробка команди Брука, мала ЕОМ М-3, генеральним конструктором якої був його учень, Микола Якович Матюхін, в майбутньому член-кореспондент АН СРСР. М-3 працювала зі швидкістю близько 30 оп/с і мала пам'ять на магнітному барабані ємністю 1024 31-розрядних чисел. Матюхін і ще один учень Брука, Михайло Олександрович Карцев, згодом вели активну самостійну діяльність по створенню потужних спеціалізованих ЕОМ.

В Наприкінці 50-х І.С. Брук висунув ідею використання малих ЕОМ як керуючих машин. Вперше пропонувалося застосовувати обчислювальну техніку не тільки для великих математичних, фізичних або технічних розрахунків, а й у вирішенні завдань управління технологічними об'єктами і навіть економічними процесами. Ідеї Брука послужили поштовхом до створення наприкінці 50-х ряду науково-дослідних організацій з керуючим машинам. Зокрема, на базі бруковской лабораторії в Енін в 1958 році з'явився Інститут електронних керуючих машин (ІНЕУМ АН СРСР). Його першим директором став сам Брук. У інституті в 60-х роках розроблялися нові моделі машин серії М для керуючих застосувань в різних галузях народного господарства. У 70-х ІНЕУМ став головною організацією зі створення серії малих керуючих ЕОМ - СМ ЕОМ.

І.С. Брук був людиною визначним і дуже своєрідним. За стилем своєї діяльності це був, скоріше, вчений-одинак, генератор ідей, які підхоплювали і реалізовували його учні та соратники. А він перемикав свою творчу енергію і талант на щось нове. Рекламу собі і своїм науковим досягненням робити не вмів, тому напрямок з розробки малих ЕОМ звучало, бути може, не так голосно, як досягнення творців суперпродуктивна машин першого і другого покоління.

В останній період свого життя вчений зацікавився проблемами економіки і можливостями застосування ЕОМ для управління економічними процесами. Цей інтерес виник на початку 60-х, коли в країні з'явилися ознаки економічних змін, намічалося проведення господарської реформи. Однак активну Брука втручання у вирішення економічних проблем не вітали, і в 1964 році його фактично «вийшли» на пенсію. Але і після цього вчений продовжував займатися дослідницькою роботою, залишався науковим консультантом і керівником науково-технічної ради ІНЕУМ.

СМ ЕОМ

Період переходу до обчислювальної техніки третього покоління на інтегральних схемах -- це час активного розвитку мініЕВМ. Мінікомп'ютери початку 60-х створювалися як програмовані автоматичні пристрої для управління промисловими і науковими установками. Родоначальницею цього класу машин стала розробка корпорації Digital Equipment - PDP-8. Мінікомп'ютери замінювали на виробництві та в наукових лабораторіях апаратно реалізовані контролери для управління об'єктом, дозволяючи значно знизити вартість і час реалізації керуючих систем. Якщо раніше будь-які зміни керованого об'єкта тягли за собою серйозні модифікації апаратури або повну заміну контролера, то з використанням ЕОМ зміна або зміна керуючого автомата звелися до зміни або зміну програми.        

            

ЕОМ М1. Загальний вигляд     

На керуючі мінікомп'ютери лягала велике навантаження з обробки символьної і логічної інформації, а також цифрових показників приладів, як правило, не пов'язана з об'ємними обчисленнями. Жорсткі промислові умови експлуатації пред'являли особливі вимоги до цих машин, які повинні були забезпечувати високу надійність, мати засобу сполучення із зовнішнім аналоговим і цифровими джерелами різних типів, підтримувати роботу в реальному масштабі часу.

Однак порівняно низька вартість мінікомп'ютерів, їх невеликі габарити, а також простота експлуатації (оскільки вони призначалися для застосування на виробництві і в лабораторії людьми, які свідомо не мали високої кваліфікації в області апаратного і програмного забезпечення) зробили цей клас техніки привабливим для широкого кола користувачів. Мінікомп'ютери «Пішли в маси»: у невеликі колективи дослідників і розробників. Їх стали використовувати в якості універсальних комп'ютерів для вирішення наукових завдань, не пов'язаних з тривалими і складними обчисленнями, автоматизації діловодства, обробки комерційної інформації, в навчальному процесі.

В СРСР робота зі створення малих керуючих машин, розпочата наприкінці 50-х Бруком, тривала в ІНЕУМ під керівництвом академіка Бориса Миколайовича Наумова, який став директором інституту в 1967 році. Фактично, паралельно з генеральною лінією створення сімейства общецелевих високопродуктивних ЄС ЕОМ йшла робота над іншим класом машин, призначених для управління технологічними об'єктами і процесами в різних галузях промисловості і в різного роду вимірювальних, випробувальних, диспетчерських системах.

В 1970-74 роках у ІНЕУМ була створена система АСОТ-М (агрегатна система засобів обчислювальної техніки на мікроелектронної базі), що дозволяє реалізовувати обчислювальні комплекси для використання на різних рівнях ієрархії управління. АСОТ-М включала три типи центральних ядер обчислювальних систем (М-4000, М-400 і М-40) із загальним набором пристроїв введення/виводу, відображення інформації, пристроїв зв'язку з об'єктами, пристроїв контролю і регулювання. М-4000 була першою в СРСР машиною на інтегральних схемах, по продуктивності яка виявилася на рівні середніх систем ряду ЄС. В якості прототипу для машини середнього класу М-400 була обрана 16-розрядна PDP-11/40 виробництва DEC.

Керівникам ІНЕУМ врешті-решт вдалося довести, що потреби країни в обчислювальній техніці неможливо покрити машинами Єдиної Серії і що вже випускаються поруч заводів малі керуючі ЕОМ дійсно необхідні. І в 1974 році на урядовому рівні було ухвалено рішення організувати виробництво ще одного сімейства - СМ ЕОМ, у якому отримали розвиток принципи побудови сімейств керуючих машин, реалізовані в серії АСОТ-М. СМ ЕОМ у 70-х - 80-х роках склали технічну базу керуючих систем для автоматизації наукових досліджень і експериментів, автоматизації диспетчерського управління у великих енергооб'єднання і енергосистемах, управління технологічними процесами, виробництвом, цехами і підприємствами у машинобудуванні, металургії та інших галузях промисловості. Так само як і у випадку ЄС, розробкою та виробництвом СМ разом з СРСР займалися країни - члени РЕВ, головною організацією став ІНЕУМ, а його директор - генеральним конструктором СМ ЕОМ. З 1983 року інститут очолює учень академіка Наумова д.т.н. Микола Леонідович Прохоров.

Істотне відміну серії СМ ЕОМ від ЄС полягала в тому, що перша представляла собою не один ряд машин, що розрізняються за продуктивністю, а по суті, кілька сімейств керуючих малих і мікроЕОМ різної архітектури. Це пов'язано саме з специфікою застосування таких машин. Керуючі системи на виробництві або, скажімо, в енергетиці мають складну багаторівневу структуру (грубо кажучи, технологічний об'єкт - технологічний процес - цех, або енергоблок - ряд енергоблоків - енергетичне об'єднання), і необхідно було забезпечити кожен з рівнів обчислювальним комплексом з відповідними можливостями.

За 15 років промислового випуску машин СМ з'явилося кілька черг цих систем, при цьому йшов розвиток архітектури мінімашін на базі загальної шини (16-розрядні РМ-3 - СМ-4 - СМ-1420 - СМ-1600 - CМ-1425-мікроЕОМ СМ-1300, 32-розрядні РМ-1700 і 1702) і створювалися мікрокомп'ютери іншої архітектури на основі процесорів Intel (8-розрядна СМ-1800, 16-розрядна СМ-1810). У розробці зберігалася орієнтація на архітектурні рішення DEC і, що цікаво, в першу роки починалося навіть співпрацю ІНЕУМ з цією компанією, яке, щоправда, з початком війни в Афганістані було припинено. Спроби відновити взаємодія були зроблені в 1990 році, коли DЕС знову проявила інтерес до лінії РМ. Нові політичні умови, здавалося, сприяли, але тепер перешкодили умови економічні, оскільки з розпадом СРСР і початком економічної реформи виробництво СМ ЕОМ припинилося.

Архітектура машин серії СМ базувалася на системному інтерфейсі загальної шини, що з'єднує процесор, пам'ять і зовнішні пристрої і забезпечує єдині правила обміну інформації між всіма модулями обчислювальної системи. З використанням загальної шини відпадала необхідність у спеціальних командах введення/виводу центрального процесора, підвищувалася гнучкість роботи із зовнішніми пристроями, а їх число обмежувалося лише фізичні характеристики машини. Для керуючих ЕОМ це особливо важливо, тому що в силу специфіки їх використання вони повинні мати можливість підтримувати введення і виведення даних на безліч різнотипних модулів. Засоби СМ ЕОМ нижнього рівня розраховані на локальну обробку інформації безпосередньо в місцях її виникнення. Номенклатура зовнішніх пристроїв СМ ЕОМ включала близько 100 назв, дозволяючи реалізувати системи управління у всіх тих галузях, де застосовувалися РМ. Накопичувачі на магнітної стрічки, магнітних і гнучких дисках, пристрої введення/виводу графіків, графічні інтелектуальні термінали, АЦПУ, пристрої зв'язку з об'єктами -- ось лише неповний перелік основних класів зовнішніх пристроїв.

Значну частку зовнішнього обладнання СМ становили керуючі пристрої самого нижнього рівня - мікропроцесорні пристрої для збору даних з датчиків керованого об'єкта і видачі сигналів на виконавчі механізми керуючого комплексу СМ. Розробка і виробництво цього класу пристроїв до цих пір підтримувався на досить високому рівні силами інституту, що в лабораторних умовах мав краще в Росії виробництво друкованих плат.

В сімействі 16-розрядних СМ ЕОМ на базі загальної шини молодші моделі - СМ-3, СМ-1300 і старші - СМ-4, СМ-1420, СМ-1600, СМ-1425 - мали програмної сумісністю і розрізнялися за продуктивністю внаслідок збільшення швидкодії процесора і внесення додаткових архітектурних можливостей (наприклад, реалізації спецпроцесора обробки чисел з плаваючою комою в РМ-1420 і 1600). Продуктивність цих машин варіювалася від 200 тис. оп/с в РМ-3 до 1 млн. оп/с в РМ-1420, обсяг оперативної пам'яті - від 64 Кбайт у РМ-3 до 2 Мбайт у старших моделях. Завдяки реалізації механізму віртуальної пам'яті підтримувався мультипрограмному режим роботи системи, що дозволяє поєднати на одній машині виконання декількох керуючих задач, а також розробку керуючих програм.

З початком промислового виробництва мікропроцесорів з'явилися нові моделі СМ -- 8-розрядна мікроЕОМ СМ 1800 і кілька її різновидів на базі інтерфейсній шини типу Multibus, призначені для використання на нижніх рівнях ієрархії системи управління. Одними з останніх розробок у серії СМ були 32-розрядні супермініЕВМ СМ 1700/1702 на базі мікропроцесорної з істотно більш високими швидкодією (3 млн.оп/с) і ємністю оперативної пам'яті (до 5 Мбайт). Маючи принципово інший архітектурою, цей високопродуктивний комп'ютер зберігав сумісність зі своїми 16-розрядними попередниками завдяки використанню загальної шини в якості системного інтерфейсу і режиму сумісності центрального процесора.

За словами Прохорова, не було галузі народного господарства, де б не застосовувалися СМ ЕОМ. Ці машини працювали навіть на підприємствах ВПК, якому за що існувала в ті роки системі галузевого підпорядкування ІНЕУМ до 1989 року не належав. . (Особливо масштабним було використання СМ в енергетиці; автоматизація єдиної енергосистеми СРСР повністю грунтувалася на СМ ЕОМ. Між іншим, на вітчизняних електростанціях до цих пір можна зустріти працюють екземпляри цих машин.) Інститут взагалі кілька разів міняв відомство і на момент початку розвитку лінії СМ ставився вже не до Академії наук, а до Міністерства приладобудування і систем управління. Дане міністерство не входило до числа які працювали на військові потреби, і тому обсяг коштів, що виділяються на розробку СМ ЕОМ, на порядок відрізнявся від витрат на ту ж ЄС.

Загальна тенденція використання мінікомп'ютерів не тільки в цілях управління технологічними процесами, але і в наукових дослідженнях, процес навчання, для обробки інформації в непромислових сферах не могла не торкнутися і СМ, яка стала в країні основною машиною для автоматизації наукових досліджень і експериментів. Робилися спеціальні комплекси на замовлення Академії наук. Молодші моделі СМ ЕОМ могли застосовуватися як пристрої, які ми тепер б назвали офісним комп'ютером, в якості лабораторних обчислювачів і інтелектуальних терміналів. У залежності від масштабу вирішуваних завдань обчислювальний комплекс міг поєднувати у собі машини різних ліній - СМ і ЄС. Необхідність сполучення з певними моделями ЄС виникала, наприклад, в області САПР, а якщо процес проектування задіяв розрахунки особливо високого рівня складності, можливо було спільне використання СМ з суперЕОМ БЕСМ-6 або «Ельбрус». Саме ця область додатків стимулювала поява мікропроцесорної високопродуктивної супермініЕВМ СМ 1700/1702.

Іс?? ользованіе СМ для вирішення широкого кола проблем (керування технологічними процесами в реальному часі, САПР, АСУ, автоматизація документообігу) на великих підприємствах ставило проблему створення єдиних керуючих комплексів на базі СМ, реалізації систем ГАП (гнучка автоматизація виробництва), які вирішувалися з тією чи іншою мірою успіху завдяки наявності в обладнанні СМ мережевих засобів і можливостям конфігурування багатомашинних територіально розподілених комплексів. Наприкінці 80-х було почато промислове виробництво коштів для створення локальних мереж СМ ЕОМ.

На сімейство СМ ЕОМ працювала ціла інфраструктура, що включає не тільки заводи-виробники і різні НДІ і КБ, але й проектні організації, що займалися розробкою та впровадженням автоматизованих систем і прикладного ПЗ, фонди алгоритмів і програм, зовнішньоторговельні організації. Машини серії успішно продавалися в соцкраїни, і попит на них часто навіть перевищував виділені квоти на продажу.

Не менш 70 заводів з випуску самих машин, комплектуючих були розкидані по просторах нашої тоді ще неосяжної батьківщини. У Москві функціонував тільки дослідний завод, а основні виробники обчислювальних комплексів СМ розташовувалися в Києві і Вільнюсі. Між головними заводами існувала навіть певна конкуренція, що сприятливо позначалося на якості що випускаються машин. Процесори Intel-подібної архітектури випускалися в Києві, а по прототипам DEC - на Воронезькому об'єднанні «Електроніка», різноманітні напівпровідникові елементи машин - в декількох містах від Новосибірська до Мінська. До «чистоту» елементної бази підходили тоді гранично строго, вимагаючи, щоб вона була виключно вітчизняного виробництва, хоча при розробці широко використовувалися західні зразки. При здачі чергової машини на завод цілий відділ ІНЕУМ займався збором довідок для кожного використовуваного компонента, документально підтверджують, що його виробили в СРСР.

Але як раз тут полягала слабке місце СМ ЕОМ, оскільки радянська електронна промисловість була не в змозі забезпечити достатній технологічний рівень виробництва електронних комплектуючих. Звідси постійне відставання від західних машин по швидкодії мікропроцесорів, по вазі, габаритам і енергоспоживання, а, як вважає Прохоров, не за функціональними можливостями. Для того щоб хоч якось компенсувати це відставання, в ІНЕУМ розроблялися спецпроцесора, що дозволяють будувати високопродуктивні системи для приватних завдань. Оснащена спецпроцесора СМ-4, наприклад, використовувалася для картографування Венери. Створювалися мовні процесори, був початий випуск спецпроцесорів для моделювання БІС. Цей напрямок, однак, не набуло належного розвитку.

Виробництво СМ ЕОМ тривало до початку 90-х, до цього часу загальний парк машин становив близько 80 тисяч (сьогодні залишилося 10 тисяч). В останні роки ставилося питання про розширення співпраці з іншими європейськими країнами, і не тільки з соціалістичними, причому передбачалося не обмежувати таке співробітництво продажами машин, а проводити спільну розробку, щоб підвищити технічний рівень комплектуючих для СМ. Нові економічні віяння початку перебудови пробудили було надії на краще майбутнє - надходження частини валютних коштів від експорту СМ ЕОМ безпосередньо в руки її творців дозволив би їм розвиватися. Але з розвалом СРСР підприємства, які виробляли ЕОМ, практично розорилися, причому основні виробники опинилися за кордоном, і роботи по створенню вітчизняних малих керуючих ЕОМ швидко зійшли нанівець.

ІНЕУМ сьогодні

Не можна сказати, що наукова діяльність у ІНЕУМ померла. Крім розробки керуючих індустріальних модулів самого нижнього рівня, в інституті підтримується виробництво невеликих керуючих систем за спецзамовленнями, а також розробка спецпроцесорів. Тривають роботи в галузі програмного забезпечення. У роки активного розвитку СМ ЕОМ фахівці інституту розробляли операційні системи, у тому числі ОС реального часу за подобою DEC RSX, а також пілотні прикладні системи для ряду комплексів автоматизації управління. В даний час в інституті створена оригінальна Unix-подібна операційна система з елементами реального часу USIX (натяк на шосту версію Unix).

Ще один напрям роботи інституту - розробка обчислювальних модулів реального часу для медичних застосувань. У ІНЕУМ створений мобільний прилад для дослідження судин головного мозку, призначений як для стаціонарного використання в медичних установах, так і для машин «Швидкої допомоги», а також для рятувальних робіт в надзвичайних умовах. Крім того, розроблено система автоматизації лікарень і ведеться цікавий проект зі створення системи визначення загального стану здоров'я пацієнта з аналізу його кардіограми.

Остання розробка інституту відроджує ім'я та ідеї СМ ЕОМ - це керуючий обчислювальний комплекс СМ 1820М, призначений в першу чергу для заміни повністю виробили свій ресурс машин серії СМ в атомній енергетиці. СМ 1820М має індустріальне виконання і відповідає останнім віянням в області апаратних промислових систем, де все більш популярною стає архітектура IBM PC. Нова машина ІНЕУМ побудована на базі процесора Pentium і використовує промисловий варіант шини PCI - Compact PCI - для приєднання додаткових модулів зв'язку з об'єктом. В якості операційної системи можуть використовуватися Windows NT, Unix, популярна операційна система для вбудованих застосувань QNX і власна розробка - USIX. В інституті вважають, що в країні є умови для промислового виробництва таких машин (перші зразки виготовлені на заводах «Енергопрібор» і САМ), і сподіваються, що незабаром буде налагоджено серійний випуск нових СМ.

Так що немає ніяких підстав завершувати заупокой розпочатий за здоров'я розповідь про одному з флагманів радянської обчислювальної техніки. Головний інститут по створення сімейства малих керуючих машин сьогодні, як це зараз модно говорити, знайшов свою нішу. І нехай масштаби його діяльності не так вражаючі, як в недавньому минулому. Головне, що керівництву інституту вдалося знайти застосування золотого фонду своїх фахівців та запропонувати певні перспективи новим кадрам.

Кілька слів на закінчення

Хочеться ще раз наголосити - у цій серії нарисів ми спробували викласти лише самі загальні факти з історії вітчизняних ЕОМ. І нехай простить нас прискіпливий читач, який знає про це більше і краще. Давайте розглядати ці публікації як своєрідне запрошення тим, хто готовий брати участь у формуванні свого роду літопису створення обчислювальних машин у СРСР. Якийсь час тому один з читачів тижневика Computerworld Росія в своєму відгуку на матеріал, присвячений п'ятдесятиріччю транзисторів, зауважив, що необхідно більш особистісне ставлення до викладати факти і описуються персонажам. Історія радянських ЕОМ як не можна більш розташовує до висловом такого особистісного ставлення того, хто своїми очима бачив ЕОМ розміром в кімнату, яка видавала результат на досить допотопну друкарську машинку. Того, хто починав працювати в університетських лабораторіях на PDP - прародительку СМ - і «Електроніку». Того, чиї батьки на початку 50-х закінчували МЕІ, кузню кадрів зароджується комп'ютеробудування, і сиділи в тих же аудиторіях і ходили з тих самих коридорах, що і творці самих-самих перших ЕОМ. Саме тому неможливо допустити навіть йоти зневаги та зверхності в описі наших досягнень і невдач в цій області, хоча зараз прийнято лаяти свою недавню історію. Спілкування ж з її реальними учасниками викликає велику повагу до них і серйозний інтерес до тих подій.

На рубежі тисячоліть спогади стають модними. Зазирніть у програму ТБ -- «Старий телевізор», «Стара квартира» - передачі, ностальгічно розповідають про справи минулих, але не таких уже й давніх. А може бути, в одній з комп'ютерних ЗМІ з'явиться рубрика «Старий комп'ютер», де очевидці самі розкажуть про те, як вони працювали на БЕСМ або програмували для однієї з моделей ЄС ЕОМ?

В Насамкінець хотілося б висловити подяку директору ІТМіВТ Г.Г. Рябову, д.т.н. В.В. Пржиялковського та директору ІНЕУМ д.т.н. Н.Л. Прохорову за надані матеріали і допомогу в підготовці огляду.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.osp.ru/