Аркадий Частиков - Архитекторы компьютерного мира
С. А. Лебедев и В. А. Мельников за наладкой БЭСМ-1
Вспоминает академик В. А. Мельников: "На опыте создания БЭСМ-1 можно видеть широту его научных и конструкторских разработок. В процессоре машины были использованы лампы, серийно выпускаемые нашей промышленностью. Лебедев указал несколько направлений по созданию оперативной памяти ЭВМ. Велись работы по созданию оперативного запоминающего устройства (ОЗУ): на электроакустических ртутных линиях задержек; ОЗУ параллельного действия на электронно-лучевых трубках; ОЗУ на ферритовых сердечниках. Создавались внешние запоминающие устройства на магнитных лентах и магнитных барабанах, устройства ввода и вывода на перфокартах и перфолентах, быстродействующие печатные устройства. В БЭСМ-1 было впервые применено постоянное запоминающее устройство на сменных перфокартах, что позволило решать задачи по мере готовности того или иного запоминающего устройства. Поэтому ее реальное использование началось уже с 1952 года с ОЗУ на электроакустических ртутных трубках. Правда, быстродействие ее было в десять раз ниже запланированного, но зато, помимо решения задач, появилась возможность получить первый опыт по эксплуатации и отладке программ".
Следует отметить, что БЭСМ-1 сдавалась дважды: первый раз — с ОЗУ на электронно-акустических ртутных трубках со средним быстродействием 1000 операций в секунду и второй раз — с ОЗУ на электронно-лучевых трубках с быстродействием около 10 тыс. операций в секунду. И оба раза она была успешно принята Государственной комиссией. Правда, в дальнейшем еще были испытания, когда на БЭСМ-1 проверялась оперативная память на ферритовых сердечниках, но этот вид памяти уже был окончательно внедрен на серийной машине БЭСМ-2. БЭСМ-1 была первой отечественной быстродействующей машиной (8—10 тыс. операций в секунду), самой производительной машиной в Европе и одной из лучших в мире.
Первой задачей, решенной на БЭСМ-1 и имевшей большое народнохозяйственное значение, был расчет оптимального уклона скоса канала. В программе решения этой задачи задавались параметры сыпучести грунта, глубины канала и некоторые другие. Крутой уклон экономит объем земляных работ, но может привести к быстрому осыпанию, поэтому важно найти математически обоснованный компромисс, который бы экономил объем работ при сохранении качества сооружения. Работа по созданию алгоритма и программы, потребовавшая серьезных математических исследований, была выполнена под руководством С. А. Лебедева, который в 1953 году был избран действительным членом АН СССР.
В структуре БЭСМ-1 уже тогда были реализованы основные решения, характерные для современных машин. Принцип ее работы был параллельного действия, что потребовало увеличения аппаратуры; и это было смелым по тем временам решением, например одна триггерная ячейка содержала четыре электронные лампы, надежность которых была мала, срок службы составлял всего 500—1000 часов, а в БЭСМ-1 было более 50 тыс. таких ламп.
Важной особенностью этой машины и большим структурным достижением являлись операции над числами с плавающей точкой, когда машина может производить операции над числами в диапазоне 2-32—232 автоматически, не требуя специальных операций масштабирования. Эти операции в машинах с фиксированной точкой составляют около 80 % от общего числа операций и увеличивают время решения задач. Одновременно БЭСМ-1 обеспечивала хорошую точность вычислений (около 10 десятичных знаков), а при решении некоторых задач могла работать хотя и с меньшим быстродействием, но с удвоенной точностью.
После БЭСМ-1 под руководством Лебедева были созданы и внедрены в производство еще две ламповые — БЭСМ-2 и М-20. Их характерной особенностью, пишет В. А. Мельников, было то, что они разрабатывались в тесном контакте с промышленностью, особенно М-20. Специалисты завода и академического института вместе участвовали в создании машины. Этот принцип хорош тем, что улучшается качество документации, т. к. в ней учитываются технологические возможности завода.
Вычислительная машина БЭСМ-2 сохранила систему команд и все основные параметры БЭСМ-1, но конструкция ее стала более технологичной и удобной для серийного выпуска.
В машине М-20 был сделан еще один новый шаг в развитии отечественной вычислительной техники. Во многом повторяя структуру БЭСМ-1, М-20 обладала производительностью 20 тыс. операций в секунду за счет совмещения работы отдельных устройств и более быстрого выполнения арифметических операций.
В шестидесятых годах наша промышленность начала массовый выпуск полупроводниковых приборов, что позволило перейти на новую элементную базу. Разработка полупроводниковых машин, которой руководил С. А. Лебедев, развивалась по двум основным направлениям. Первое — перевод наиболее совершенных ламповых машин на полупроводниковую элементную базу с сохранением структуры и быстродействия, но с повышением надежности, уменьшением размеров и энергопотребления. Ламповая машина М-20 стала в полупроводниковом варианте БЭСМ-ЗМ, БЭСМ-4 и М-220.
Второе направление развития полупроводниковых машин — это максимальное использование возможностей новой элементной базы с целью повышения производительности, надежности и совершенствования структуры машин. Яркий пример развития этого направления — БЭСМ-6, созданная под руководством С. А. Лебедева. Трудно переоценить значение и влияние на развитие вычислительной техники разработки этой высокопроизводительной, оригинальной по архитектуре и структуре машины. Макет БЭСМ-6 был запущен в опытную эксплуатацию в 1965 году, а уже в середине 1967 года был предъявлен на испытания первый образец машины. Тогда же были изготовлены три серийных образца. Машина БЭСМ-6 сдавалась вместе с необходимым математическим обеспечением, и государственная комиссия под председательством академика М. В. Келдыша, в то время президента АН СССР, дала ей высокую оценку. Вычислительная машина БЭСМ-6 — универсальная машина с быстродействием миллион операций в секунду, работала в диапазоне чисел от 2-63 до 2+63 и могла обеспечить точность вычислений 12 десятичных знаков. Она содержала 60 тыс. транзисторов и 180 тыс. полупроводников-диодов.
Вычислительная машина БЭСМ-6
Как пишут Л. Н. Королев и В. А. Мельников, машина БЭСМ-6 имела следующие принципиальные особенности:
□ магистральный, или, как в свое время (1964 год) назвал его академик С. А. Лебедев, "водопроводный" принцип организации управления, с помощью которого достигается глубокий внутренний параллелизм обработки потоков команд и операндов;
□ впервые осуществленный в БЭСМ-6 принцип использования ассоциативной памяти на сверхбыстрых регистрах с логикой управления, позволяющей аппаратно экономить число обращений к ферритовой памяти и тем самым осуществлять локальную оптимизацию в динамике счета;
□ аппаратный механизм преобразования математического, виртуального адреса в физический адрес, что дало возможность осуществить динамическое распределение оперативной памяти в процессе вычислений средствами операционной системы;
□ расслоение оперативной памяти, что позволяет осуществить одновременное обращение к блокам памяти по нескольким направлениям;
□ принцип полистовой организации виртуальной памяти и разработанные на его основе механизмы защиты по числам и командам, сочетающие простоту и эффективность;
□ развитая индексация, позволившая использовать индексные регистры для базирования, модификации адресов и в качестве указателей уровней вложенности процедур (дисплеев), что позволило строить свободно перемещаемые программы и рентерабельные процедуры;
□ развитая система прерываний и индикации состояния внешних и внутренних устройств машины, контроль обмена между оперативной памятью и центральным устройством машины, позволившие достаточно хорошо вести диагностику в режиме мультипрограммирования;
□ возможность одновременной работы парка устройств ввода-вывода и внешних запоминающих устройств на фоне работы центрального процессора.
С 1967 года все крупные вычислительные центры страны стали оснащаться компьютерами БЭСМ-6. И даже через многие годы, в 1983 году, на заседании отделения информатики, вычислительной техники и автоматизации Академии наук, академик Е. П. Велихов сказал, что "создание БЭСМ-6 явилось одним из основных вкладов АН СССР в развитие советской индустрии. Даже сейчас подавляющее большинство крупных народно-хозяйственных задач и проектов разрабатывается с помощью БЭСМ-6 и ее модификаций".
В начале 70-х годов Сергей Алексеевич Лебедев уже не мог руководить Институтом точной механики и вычислительной техники, в 1973 году тяжелая болезнь вынудила его оставить пост директора. Но он продолжал работать дома. Суперкомпьютер "Эльбрус" — это последняя машина, принципиальные положения которой были разработаны академиком Лебедевым и его учениками. Он был ярым противником начавшегося в начале 70-х годов копирования американской системы IBM/360, которая в отечественном вари- анте стала называться ЕС ЭВМ. Он понимал, к каким последствиям это приведет, но уже был не в силах воспрепятствовать этому процессу.
