Столетняя годовщина

Как солнце восходит на Востоке, так и многим кажется, что все, касающееся информационных технологий, приходит к нам с Запада. Нет, первые вековины — столетие со дня рождения сподвижников ИТ — мы справляем в России и связываем их с именем Сергея Алексеевича Лебедева, известного своими «малыми и большими» счетными машинами.

Сергей Лебедев родился 2 ноября 1902 года в Нижнем Новгороде в семье состоявшего под надзором полиции мещанина Алексея Ивановича Лебедева и учительницы дворянки Анастасии Петровны Мавриной. Родители Сергея были широко известны в Поволжье своей просветительской деятельностью, что и определило тягу к знаниям у детей. Начав учиться еще до революции в гимназии, где директорствовала его бабушка, он перед поступлением в Московское высшее техническое училище экстерном завершил среднее образование. Время грандиозных планов по электрификации России не оставило равнодушным молодого человека, и он стал студентом электротехнического факультета, по специальности физика высоких напряжений. Здесь уместно заметить, то, что Сергей Алексеевич длительный период своей жизни занимался проблемами устойчивой работы больших энергетических сетей, сыграло значительную роль не только в переходе к разработке вычислительных машин, но и определило его особое место среди создателей ЭВМ. Это, прежде всего, связано с его значительно опередившими время системными представлениями вычислительных машин, особенно, в части их надежности.

Свои первые шаги в науке и технике Сергей Лебедев сделал под руководством видного электротехника В.А. Круга, поставившего перед ним задачи исследования параллельной работы электростанций, на которых сконцентрированы значительные генерирующие мощности. При построении больших электрических сетей требовалось решать проблемы устойчивости дальних электропередач переменного тока. На этом пути Лебедев получил ряд интересных результатов, которые привели его к пониманию процесса регулирования, повышающего надежность работы синхронных машин и сетей в целом. В связи с принципиальными трудностями выполнения натурных экспериментов на реальных энергетических системах, Лебедев развивал моделирование, которое привело его к необходимости решения систем дифференциальных уравнений на аналоговых вычислительных машинах. Со временем это побудило его серьезно осмыслить возможности автоматизации научных расчетов и приблизило переход в новую область деятельности — разработку цифровых вычислительных машин. Вместе с тем, в работах этого десятилетия Сергей Алексеевич связал понятие «искусственная устойчивость» параллельно работающих устройств с использованием обратной связи для целей управления, что позволило предложить ряд методов для повышения их надежности. А во время войны он разработал ряд устройств, обеспечивающих эффективное ведение стрельб из орудий движущихся танков и повышающих точность при поражении целей торпедами, сбрасываемыми с самолетов морской авиации.

Высокий старт

По окончании войны Сергей Алексеевич избирается членом Академии наук УССР и возглавляет Институт электротехники в Киеве, что позволило больше внимания уделить разработке функциональной схемы счетной машины, которая была завершена к 1948 году (см. журнал «Управляющие системы и машины», 1976, №6, стр. 5). Основные принципы построения счетных машин были разработаны Лебедевым к осени того же года, а затем сотрудники приступили к проработке отдельных элементов. Для ускорения работ в институте был организован научный семинар, на котором участвовали наряду с сотрудниками приглашаемые математики и физики. Вот краткий перечень обсужденных на нем идей.

1. Представление всей информации целесообразно в двоичном структурном алфавите и обработка ее в двоичной системе счисления. Вопрос о двоичной системе не вызывал споров. Все понимали, что для электронных вычислительных машин, где разряд числа отвечал одному из двух устойчивых состояний триггера, такая система оптимальна.
2. Программный принцип управления и размещение программы в памяти машины; иерархическая организация памяти с применением ее разнофункциональных ступеней.
3. Операционно-адресный принцип построения команд в программах и возможность текущего изменения команд (для выполнения циклических действий) путем операции над ними так же, как и над числами.
4. Иерархическая система машинных действий (предусматриваемых внутренним языком), состоящая из базисных операций, управляемых схемным способом, и составных процедур, реализуемых по стандартным программам.
5. Применение и центрального и местного управления вычислительным процессом.

Полезность семинара была связана с тем, что обсуждения как бы прорастали в виде технических решений или служили предметом разработки. В ряде вопросов Лебедев продвинулся дальше Джона фон Неймана. Так, в них уже просматриваются начала децентрализации управления и асинхронной организации вычислительного процесса, реализации встроенных процедур, в том числе операций над массивами и т.д.

Наибольшие споры при обсуждении схемы машины вызвали разрядность слова и нахождение консенсуса между сложностью программы и простотой схемной реализации, что зависело от формы представления чисел (с плавающей или фиксированной запятой). Результатом споров стало решение спроектировать сначала макет: 17-разрядная машина с фиксированной запятой. Но уже при проектировании число разрядов пришлось увеличить до 21. Система же команд была трехадресной, а набор операций включал 13 команд. Лебедев разработал систему ламповых импульсно-потенциальных элементов, кроме известных триггеров и схем включившую оригинальные решающие устройства.

Осенью 1948 года был произведен окончательный выбор состава логических операций и завершена разработка основных принципов построения и структуры Малой электронной счетной машины (МЭСМ). После этого в Феофании под Киевом в 1949 году приступили к ее созданию. Оперативная память была реализована на 4 тыс. электронных ламп из общего числа 6 тыс. в МЭСМ. Пришлось отказаться от параллельной выборки кодов из памяти и небольшое быстродействие машины (50 операций в секунду). В конце 1950 года были проведены ее испытания, главным образом на математических задачах, вычислениях значений различных функций. Так был принят макет вычислительной машины. В июле 1951-го правительственным постановлением МЭСМ была введена в эксплуатацию. Это была трехадресная синхронная ЭВМ с быстродействием 50 арифметических или логических операций в секунду, с циклом вычислений 17 мс (деление имело цикл 20,8 мс). Слово состояло из 21 двоичного разряда, оперативное запоминающее устройство с частотой выборки 5 КГц было рассчитано на 31 слово и 63 команды, оно могло связываться со штекерным долговременным запоминающим устройством аналогичной емкости. Выбор ОЗУ на ламповых триггерных схемах (оно было из 2,5 тыс. триодов и 1,5 тыс. диодов) позволил лишь последовательно подавать коды чисел. Команды условных переходов, масштабирование чисел и контроль работоспособности устройств были реализованы программно. При ошибке в вычислениях или переполнении разрядной сетки машина останавливалась. Для работы машины требовалась мощность в 25 Квт.

МЭСМ была универсальной ЭВМ. В набор исполняемых команд включались пересылки, переадресация и условный переход по точному совпадению слов; кроме того, предусматривались операции: четыре арифметические, сравнения, сложения кодов команд, передачи управления с центрального на местное и с ДЗУ на ОЗУ, вывода на печать, останова и др. В процессе опытной эксплуатации в машину были введены усовершенствования, позволившие решать системы алгебраических и дифференциальных уравнений в частных производных. Это было достигнуто за счет повышения производительности машины, которая обеспечивалась запоминающим устройством на магнитом барабане емкостью в 5 тыс. слов и устройством ввода и хранения программ на магнитной ленте (трехдорожечном магнитофоне). Интересно, что МЭСМ была спроектирована, смонтирована и отлажена за три года. В этой работе помимо самого Лебедева участвовали 11 инженеров, 15 техников и монтажников, тогда как на создание компьютера UNIAC потребовалось пять лет, 13 основных исполнителей, 200 техников и множество рабочих.

Московский этап

Следующим шагом в создании вычислительных машин для Сергея Алексеевича стала работа над БЭСМ («большая электронная счетная машина»), но он был сделан уже в Москве в Институте точной механики и вычислительной техники, организованном в Академии наук СССР в 1948 году. Начиная с 1950 года Лебедев приступил к разработке БЭСМ, понимая «Б» в этой аббревиатуре как «быстродействующая». Эскизный проект БЭСМ рассматривался на Государственной комиссии в апреле 1951 года совместно с проектом ЭВМ «Стрела». Защита прошла успешно, а к лету 1952-го изготовление машины было закончено, и началась наладка. Первый вариант БЭСМ заработал уже осенью того года, а со следующего года машина работала в режиме опытной эксплуатации.

В первой модели БЭСМ Лебедев продолжил развитие идей в области структурной реализации методов обработки информации. Так, новая машина была целиком параллельного действия, обладала развитой системой команд, формой представления чисел с плавающей запятой, многоступенчатой организацией памяти и, как теперь говорят, удовлетворяла требованиям масштабируемости. Программирование стало менее трудоемким. Так как требования по экономии оборудования были не столь ограничительными, чем в проекте МЭСМ, то стало возможно увеличение длины слова до 39 двоичных разрядов.

В апреле 1953 года БЭСМ была принята Государственной комиссией и ее эксплуатация стала вестись круглосуточно. Среди решавшихся на ней задач можно назвать расчеты: 50 тыс. значений интеграла Френеля, профиля корпуса реактивного самолета, орбит движения семисот малых планет на 10 лет вперед (для международного астрономического календаря), решение систем из 800 линейных алгебраических уравнений для геодезии и др.

В 1954 году была организована правительственная комиссия для сравнения характеристик БЭСМ и ЭВМ «Стрела». Ее выводы сложились в пользу БЭСМ, что сразу сказалось на улучшении ее комплектации: были получены потенциалоскопы, что привело к новой реализации запоминающего устройства и повысило производительность до 10 тыс. трехадресных операций в секунду. Через два года ОЗУ уже было на ферритовых сердечниках, а его емкость составила 2047 слов, схема управления упростилась и повысилась надежность. Всего в составе БЭСМ было устанавленно 200 тыс. сердечников, 4 тыс. электронных ламп и 5 тыс. полупроводниковых диодов. По ряду технических решений в БЭСМ Лебедев предвосхитил идеологию машин второго поколения: два арифметических устройства, специальное устройство контроля ввода и вывода, независимое подключение к ОЗУ арифметического устройства и т.д. При разработке БЭСМ Сергей Алексеевич предложил использование нескольких устройств вывода, не связанных с работой ЭВМ, таким образом чтобы их общая производительность соответствовала общей производительности машины. Это послужило толчком к разработке концепции мультипрограммирования.

Существенно расширился класс решаемых с помощью ЭВМ задач. Один из любимых Сергеем Алексеевичем «фокусов» — расчет на БЭСМ траектории полета снаряда до цели — выполнялся быстрее, чем снаряд достигал ее. Успехи в решении задач позволили организовать в 1955 году на базе БЭСМ и «Стрелы» Вычислительный центр АН СССР.

Следующая модель БЭСМ-2 была оснащена ферритным запоминающим устройством, высоковольтными германиевыми диодами и более надежными пальчиковыми лампами, что позволило передать ее в серийное производство на завод в Казани и оснастить этими машинами большинство вычислительных центров страны.

В 1956 году Лебедев организовал первую всесоюзную конференцию по вычислительной технике в Московском государственном университете, где сделал основной доклад. На III Всесоюзном математическом съезде осветил принципы работы с ЭВМ и поставил проблемы, связанные с программированием, а также наметил перспективы развития цифровой счетной техники. Приняв участие в сессии АН СССР по научным проблемам автоматизации производства, Сергей Алексеевич обратил внимание на необходимость использования максимального распараллеливания вычислительного процесса для повышения производительности и надежности машин, а также широкого развития технологических методов и производства новых материалов. Им была обоснована возможность и целесообразность создания многомашинных комплексов и машин с параллельно работающими устройствами, имеющими общую память.

На конференции «Пути развития советского математического машиностроения и приборостроения» Сергей Алексеевич выступил с программным докладом «Быстродействующие универсальные вычислительные машины», в котором не только подвел итоги, но и сделал прогнозы. В частности он полагал, что магистральное направление совершенствования ЭВМ — это максимальное распараллеливание вычислительного процесса, использование модульного принципа построения, дублирование отдельных устройств, применение сверхбыстродействующих запоминающих устройств малого объема кроме основного ОЗУ большой емкости, а также активное отслеживание изменений в элементной базе.

Завершил свои работы по ЭВМ первого поколения Сергей Алексеевич созданием высокопроизводительной машины М-20 с производительностью 20 тыс. операций в секунду. Структура машины была более совершенной за счет частичного совмещения операций и аппаратной организации циклов. Были введены новые логические операции, что облегчило программирование. В 1957 году был изготовлен опытный образец машины, а в следующем началось серийное производство. Популярность машины была столь велика, что получить ее в ВЦ можно было только, убедив Правительство в особой важности решаемых задач. При работе на этой машине впервые в мировой практике был реализован ввод информации, поступающей с большого количества асинхронно работающих устройств связи.

Начало работы Лебедева и его сотрудников над машинами второго поколения БЭСМ-3М, БЭСМ-4, М-220, М-222 по существу сопровождалось переносом на новую элементную базу прототипа М-20, а итогом стало создание БЭСМ-6, которая выпускалась на протяжении 17 лет. При проектировании этого компьютера было произведено его математическое моделирование, определен состав устройств, их внутренние связи, система команд, отобраны полупроводниковые элементы. В элементной базе БЭСМ-6 были заложены основы схемотехники ЭВМ третьего и четвертого поколений, использовалось 60 тыс. транзисторов и 180 тыс. полупроводниковых диодов. Сложная машинная логика была построена на диодных блоках от одной усилительной части на транзисторах, что обеспечило простоту изготовления и надежность в работе, а также облегчило эксплуатацию. Опытная эксплуатация машины началась в 1965 году, а в середине 1967 года первый экземпляр был представлен на испытания. В том же году ЭВМ поступила в серийное производство.

По предложению Лебедева все схемы были описаны с использованием булевой алгебры, что стало важным шагом в автоматизации проектирования — монтажная и производственная документация выдавалась на завод в виде таблиц, полученных на БЭСМ-2.

Технические характеристики машины: быстродействие — 1 млн. операций в секунду, оперативная память — 64-128 тыс. 50-разрядных слов, время цикла оперативной памяти — 2 мкс, время выборки — 0,8 мкс, для чисел с плавающей запятой разрядность чисел — 48, параллельный обмен по шести каналам внешней памяти и 32 каналам связи. Использованы элементы с тактовой частотой 9 МГц. На основе машин БЭСМ-6 были созданы центры коллективного пользования и системы управления в реальном времени, координационно-вычислительные системы телеобработки, они использовались для моделирования сложных физических процессов и процессов управления.

ЭВМ и оборона

Параллельно с созданием ЭВМ для широкого круга решаемых в стране задач ИТМиВТ под руководством Лебедева разрабатывал машины для оборонных отраслей. В 1953-56 годах проводились исследования по автоматической обработке данных, получаемых с радиолокационной станции и решению задачи сопровождения цели. Успехи этих работ позволили создать в стране радиолокационные и ракетные комплексы на новой информационно-вычислительной основе — так появились специализированные ЭВМ «Диана-1» и «Диана-2», а потом М-40 и М-50. Быстродействие последней машины было 50 тыс. операций в секунду и она могла вести асинхронный прием данных по шести направлениям. К 1960 г. был создан радиолокационный комплекс наведения противоракет на баллистическую ракету, в его состав вошли мощные РЛС, АСУ на базе вычислительной сети с центральной ЭВМ (М-40) и противоракеты. Комплекс обеспечивал точность поражения цели до 25 метров. В 1969 году было начато проектирование вычислительной машины, предназначавшейся для известного по сей день комплекса ПВО С-300. Упомянутыми ЭВМ далеко не исчерпывается список оборонных разработок, выполненных под руководством Сергея Алексеевича Лебедева.

Записи на скрижалях памяти

Разумеется, Сергей Алексеевич Лебедев был отмечен самыми различными национальными наградами и многими научными званиями: академик АН СССР и УССР, профессор МЭИ и МФТИ, лауреат Ленинской и Государственной премий, Герой социалистического труда, кавалер многих правительственных наград. Ему присуждена медаль АСМ за заслуги в развитии вычислительной техники. n