Школа И.С. Брука. Малые и управляющие ЭВМ

Наталья Дубова

Параллельно с С.И. Лебедевым в Москве свои оригинальные идеи в области вычислительной техники начал реализовывать член-корреспондент Академии наук СССР Исаак Семенович Брук, замечательный ученый, очень интересный и своеобразный человек.

Как и Лебедев, он начал свою научную деятельность в электроэнергетике. Работая в Энергетическом институте АН СССР (ЭНИН), Брук еще в 1939 году создал механический интегратор для решения дифференциальных уравнений, по сути, представлявший собой аналоговую цифровую вычислительную машину. А в 1948 году совместно с Б.И. Рамеевым разработал проект цифровой вычислительной машины с жестким программным управлением, в котором ученые очень близко подошли к идее хранимой в памяти программы.

Не случайно, что интерес и первые идеи по созданию вычислительной техники параллельно возникли у двух ученых-энергетиков. В те годы это была одна из самых развитых в техническом отношении отраслей советской экономики, и связанные с ней научные исследования требовали средств автоматизации проводимых сложнейших расчетов.

В 1950-51 годах в лаборатории ЭНИН (фактически в полулегальных условиях) Брук и несколько его талантливых учеников разработали и реализовали первую малогабаритную ламповую электронную вычислительную машину М-1. Такая машина сравнительно небольших размеров могла использоваться в научных лабораториях для решения различных задач. М-1 выполняла операции над 20-разрядными двоичными числами со скоростью 15-20 оп/с и имела память на магнитном барабане емкостью 256 чисел. Элементную базу составляли около 500 электронных ламп, а также несколько тысяч полупроводниковых устройств, впервые использованных при конструировании вычислительной машины. Это были трофейные немецкие выпрямители. Парадоксально, но факт, что поистине революционная идея малых ЭВМ для научных применений в некоторой степени обязана своим появлением малым масштабам (в материальном смысле) деятельности Брука: крошечной лаборатории на Ленинском проспекте, отсутствием какой-либо официальной поддержки работ по созданию машины и вследствие этого постоянной нехваткой средств и комплектующих. В лабораторию к Бруку попадали молодые талантливые выпускники МЭИ, которым по причине «пятен» в биографии был заказан путь в престижные закрытые организации.

Первая машина Брука была действительно первой во многих отношениях — в оригинальности идеи малой ЭВМ, в использовании нового типа элементов — полупроводников, наконец, в том, что это была первая действующая машина в Москве. БЭСМ и «Стрела» находились еще на стадии монтажа, когда на М-1 начали решаться реальные задачи. Хотя эта машина, подобно МЭСМ, фактически была создана в макетном исполнении, на ней делались серьезные расчеты, например, для ведомства академика Курчатова и для задач ракетостроения, решаемых в КБ под руководством Королева. В серийное же производство попала только последующая разработка команды Брука, малая ЭВМ М-3, генеральным конструктором которой был его ученик, Николай Яковлевич Матюхин, в будущем член-корреспондент АН СССР. М-3 работала со скоростью около 30 оп/с и имела память на магнитном барабане емкостью 1024 31-разрядных чисел. Матюхин и еще один ученик Брука, Михаил Александрович Карцев, впоследствии вели активную самостоятельную деятельность по созданию мощных специализированных ЭВМ.

В конце 50-х И.С. Брук выдвинул идею использования малых ЭВМ в качестве управляющих машин. Впервые предлагалось применять вычислительную технику не только для больших математических, физических или технических расчетов, но и в решении задач управления технологическими объектами и даже экономическими процессами. Идеи Брука послужили толчком к созданию в конце 50-х ряда научно-исследовательских организаций по управляющим машинам. В частности, на базе бруковской лаборатории в ЭНИН в 1958 году появился Институт электронных управляющих машин (ИНЭУМ АН СССР). Его первым директором стал сам Брук. В институте в 60-х годах разрабатывались новые модели машин серии М для управляющих применений в различных отраслях народного хозяйства. В 70-х ИНЭУМ стал головной организацией по созданию серии малых управляющих ЭВМ — СМ ЭВМ.

И.С. Брук был человеком выдающимся и весьма своеобразным. По стилю своей деятельности это был, скорее, ученый-одиночка, генератор идей, которые подхватывали и реализовывали его ученики и соратники. А он переключал свою творческую энергию и талант на что-то новое. Рекламу себе и своим научным достижениям делать не умел, поэтому направление по разработке малых ЭВМ звучало, быть может, не так громко, как достижения создателей суперпроизводительных машин первого и второго поколения.

В последний период своей жизни ученый заинтересовался проблемами экономики и возможностями применения ЭВМ для управления экономическими процессами. Этот интерес возник в начале 60-х, когда в стране появились признаки экономических перемен, намечалось проведение хозяйственной реформы. Однако активное вмешательство Брука в решение экономических проблем не приветствовалось, и в 1964 году его фактически «вышли» на пенсию. Но и после этого ученый продолжал заниматься исследовательской работой, оставался научным консультантом и руководителем научно-технического совета ИНЭУМ.

СМ ЭВМ

Период перехода к вычислительной технике третьего поколения на интегральных схемах — это время активного развития миниЭВМ. Миникомпьютеры начала 60-х создавались как программируемые автоматические устройства для управления промышленными и научными установками. Родоначальницей этого класса машин стала разработка корпорации Digital Equipment — PDP-8. Миникомпьютеры заменяли на производстве и в научных лабораториях аппаратно реализованные контроллеры для управления объектом, позволяя значительно снизить стоимость и время реализации управляющих систем. Если раньше какие-либо изменения управляемого объекта влекли за собой серьезные модификации аппаратуры или полную замену контроллера, то с использованием ЭВМ изменение или смена управляющего автомата свелись к изменению или смене программы.

На управляющие миникомпьютеры ложилась большая нагрузка по обработке символьной и логической информации, а также цифровых показаний приборов, как правило, не связанная с объемными вычислениями. Жесткие промышленные условия эксплуатации предъявляли особые требования к этим машинам, которые должны были обеспечивать высокую надежность, иметь средства сопряжения с внешними аналоговыми и цифровыми источниками различных типов, поддерживать работу в реальном масштабе времени.

Однако сравнительно низкая стоимость миникомпьютеров, их небольшие габариты, а также простота эксплуатации (поскольку они предназначались для применения на производстве и в лаборатории людьми, которые заведомо не имели высокой квалификации в области аппаратного и программного обеспечения) сделали этот класс техники привлекательным для широкого круга пользователей. Миникомпьютеры «пошли в массы»: в небольшие коллективы исследователей и разработчиков. Их стали использовать в качестве универсальных компьютеров для решения научных задач, не связанных с длительными и сложными вычислениями, автоматизации делопроизводств, обработки коммерческой информации, в учебном процессе.

В СССР работа по созданию малых управляющих машин, начатая в конце 50-х Бруком, продолжалась в ИНЭУМ под руководством академика Бориса Николаевича Наумова, который стал директором института в 1967 году. Фактически, параллельно с генеральной линией создания семейства общецелевых высокопроизводительных ЕС ЭВМ шла работа над другим классом машин, предназначенных для управления технологическими объектами и процессами в различных отраслях промышленности и в разного рода измерительных, испытательных, диспетчерских системах.

В 1970-74 годах в ИНЭУМ была создана система АСВТ-М (агрегатная система средств вычислительной техники на микроэлектронной базе), позволяющая реализовывать вычислительные комплексы для использования на различных уровнях иерархии управления. АСВТ-М включала три типа центральных ядер вычислительных систем (М-4000, М- 400 и М-40) с общим набором устройств ввода/вывода, отображения информации, устройств связи с объектами, устройств контроля и регулирования. М-4000 была первой в СССР машиной на интегральных схемах, по производительности оказавшаяся на уровне средних систем ряда ЕС. В качестве прототипа для машины среднего класса М-400 была избрана 16-разрядная PDP-11/40 производства DEC.

Руководителям ИНЭУМ в конце концов удалось доказать, что потребности страны в вычислительной технике невозможно покрыть машинами Единой Серии и что уже выпускаемые рядом заводов малые управляющие ЭВМ действительно необходимы. И в 1974 году на правительственном уровне было принято решение организовать производство еще одного семейства — СМ ЭВМ, в котором получили развитие принципы построения семейств управляющих машин, реализованные в серии АСВТ-М. СМ ЭВМ в 70-х — 80-х годах составили техническую базу управляющих систем для автоматизации научных исследований и экспериментов, автоматизации диспетчерского управления в крупных энергообъединениях и энергосистемах, управления технологическими процессами, производством, цехами и предприятиями в машиностроении, металлургии и других отраслях промышленности. Так же как и в случае ЕС, разработкой и производством СМ вместе с СССР занимались страны — члены СЭВ, головной организацией стал ИНЭУМ, а его директор — генеральным конструктором СМ ЭВМ. С 1983 года институт возглавляет ученик академика Наумова д.т.н. Николай Леонидович Прохоров.

Существенное отличие серии СМ ЭВМ от ЕС состояло в том, что первая представляла собой не один ряд машин, различающихся по производительности, а по существу, несколько семейств управляющих малых и микроЭВМ разной архитектуры. Это связано именно со спецификой применения таких машин. Управляющие системы на производстве или, скажем, в энергетике имеют сложную многоуровневую структуру (грубо говоря, технологический объект — технологический процесс — цех, или энергоблок — ряд энергоблоков — энергетическое объединение), и необходимо было обеспечить каждый из уровней вычислительным комплексом с соответствующими возможностями.

За 15 лет промышленного выпуска машин СМ появилось несколько очередей этих систем, при этом шло развитие архитектуры минимашин на базе общей шины (16-разрядные СМ-3 — СМ-4 — СМ-1420 — СМ-1600 — CМ-1425- микроЭВМ СМ-1300, 32-разрядные СМ-1700 и 1702) и создавались микрокомпьютеры другой архитектуры на основе процессоров Intel (8-разрядная СМ-1800, 16-разрядная СМ-1810). В разработке сохранялась ориентация на архитектурные решения DEC и, что интересно, в первые годы начиналось даже сотрудничество ИНЭУМ с этой компанией, которое, правда, с началом войны в Афганистане было прекращено. Попытки восстановить взаимодействие были предприняты в 1990 году, когда DЕС снова проявила интерес к линии СМ. Новые политические условия, казалось, благоприятствовали, но теперь воспрепятствовали условия экономические, поскольку с распадом СССР и началом экономической реформы производство СМ ЭВМ прекратилось.

Архитектура машин серии СМ базировалась на системном интерфейсе общей шины, которая соединяет процессор, память и внешние устройства и обеспечивает единые правила обмена информации между всеми модулями вычислительной системы. С использованием общей шины отпадала необходимость в специальных командах ввода/вывода центрального процессора, повышалась гибкость работы с внешними устройствами, а их число ограничивалось лишь физическими характеристиками машины. Для управляющих ЭВМ это особенно важно, так как в силу специфики их использования они должны иметь возможность поддерживать ввод и вывод данных на множество разнотипных модулей. Средства СМ ЭВМ нижнего уровня рассчитаны на локальную обработку информации непосредственно в местах ее возникновения. Номенклатура внешних устройств СМ ЭВМ включала порядка 100 названий, позволяя реализовать системы управления во всех тех отраслях, где применялись СМ. Накопители на магнитной ленте, магнитных и гибких дисках, устройства ввода/вывода графиков, графические интеллектуальные терминалы, АЦПУ, устройства связи с объектами — вот лишь неполный перечень основных классов внешних устройств.

Значительную долю внешнего оборудования СМ составляли управляющие устройства самого нижнего уровня — микропроцессорные устройства для сбора данных с датчиков управляемого объекта и выдачи сигналов на исполнительные механизмы управляющего комплекса СМ. Разработка и производство этого класса устройств до сих пор поддерживался на достаточно высоком уровне силами института, который в лабораторных условиях имел лучшее в России производство печатных плат.

В семействе 16-разрядных СМ ЭВМ на базе общей шины младшие модели — СМ-3, СМ-1300 и старшие — СМ-4, СМ-1420, СМ-1600, СМ-1425 — обладали программной совместимостью и различались по производительности вследствие увеличения быстродействия процессора и внесения дополнительных архитектурных возможностей (например, реализации спецпроцессора обработки чисел с плавающей запятой в СМ-1420 и 1600). Производительность этих машин варьировалась от 200 тыс. оп/с в СМ-3 до 1 млн. оп/с в СМ-1420, объем оперативной памяти — от 64 Кбайт в СМ-3 до 2 Мбайт в старших моделях. Благодаря реализации механизма виртуальной памяти поддерживался мультипрограммный режим работы системы, позволяющий совместить на одной машине выполнение нескольких управляющих задач, а также разработку управляющих программ.

С началом промышленного производства микропроцессоров появились новые модели СМ — 8-разрядная микроЭВМ СМ 1800 и несколько ее разновидностей на базе интерфейсной шины типа Multibus, предназначенные для использования на нижних уровнях иерархии системы управления. Одними из последних разработок в серии СМ были 32-разрядные суперминиЭВМ СМ 1700/1702 на микропроцессорной базе с существенно более высокими быстродействием (3 млн.оп/с ) и емкостью оперативной памяти (до 5 Мбайт). Обладая принципиально иной архитектурой, этот высокопроизводительный компьютер сохранял совместимость со своими 16-разрядными предшественниками благодаря использованию общей шины в качестве системного интерфейса и режиму совместимости центрального процессора.

По словам Прохорова, не было отрасли народного хозяйства, где бы не применялись СМ ЭВМ. Эти машины работали даже на предприятиях ВПК, которому по существовавшей в те годы системе отраслевого подчинения ИНЭУМ до 1989 года не принадлежал. . (Особенно масштабным было использование СМ в энергетике; автоматизация единой энергосистемы СССР полностью основывалась на СМ ЭВМ. Между прочим, на отечественных электростанциях до сих пор можно встретить работающие экземпляры этих машин.) Институт вообще несколько раз менял ведомство и на момент начала развития линии СМ относился уже не к Академии наук, а к Министерству приборостроения и систем управления. Данное министерство не входило в число работавших на военные нужды, и потому объем средств, выделяемых на разработку СМ ЭВМ, на порядок отличался от расходов на ту же ЕС.

Общая тенденция использования миникомпьютеров не только в целях управления технологическими процессами, но и в научных исследованиях, процессе обучения, для обработки информации в непромышленных сферах не могла не затронуть и СМ, которая стала в стране основной машиной для автоматизации научных исследований и экспериментов. Делались специальные комплексы по заказам Академии наук. Младшие модели СМ ЭВМ могли применяться в качестве устройств, которые мы теперь бы назвали офисным компьютером, в качестве лабораторных вычислителей и интеллектуальных терминалов. В зависимости от масштаба решаемых задач вычислительный комплекс мог соединять в себе машины разных линий — СМ и ЕС. Необходимость сопряжения с определенными моделями ЕС возникала, например, в области САПР, а если процесс проектирования задействовал расчеты особенно высокого уровня сложности, возможно было совместное использование СМ с суперЭВМ БЭСМ-6 или «Эльбрус». Именно эта область приложений стимулировала появление микропроцессорной высокопроизводительной суперминиЭВМ СМ 1700/1702.

Использование СМ для решения широкого круга проблем (управление технологическими процессами в реальном времени, САПР, АСУ, автоматизация документооборота) на крупных предприятиях ставило проблему создания единых управляющих комплексов на базе СМ, реализации систем ГАП (гибкая автоматизация производства), которые решались с той или иной степенью успеха благодаря наличию в оборудовании СМ сетевых средств и возможностям конфигурирования многомашинных территориально распределенных комплексов. В конце 80-х было начато промышленное производство средств для создания локальных сетей СМ ЭВМ.

На семейство СМ ЭВМ работала целая инфраструктура, включающая не только заводы-производители и различные НИИ и КБ, но и проектные организации, занимавшиеся разработкой и внедрением автоматизированных систем и прикладного ПО, фонды алгоритмов и программ, внешнеторговые организации. Машины серии успешно продавались в соцстраны, и спрос на них часто даже превышал выделенные квоты на продажи.

Не менее 70 заводов по выпуску самих машин, комплектующих были разбросаны по просторам нашей тогда еще необъятной родины. В Москве функционировал только опытный завод, а основные производители вычислительных комплексов СМ располагались в Киеве и Вильнюсе. Между головными заводами существовала даже определенная конкуренция, что