Статья

Первые быстродействующие: три советские ЭВМ, которые двигали науку

Интеграция
мобильная версия

После опытов с первыми цифровыми вычислительными машинами новым этапом развития советских ЭВМ в 1950-х годах стало создание одной из самых быстродействующих машин в мире – БЭСМ-1, а также ЦЭМ-1 и ЦЭМ-2 в Курчатовском институте.

БЭСМ-1 в момент ее создания являлась самой быстродействующей машиной в Европе и одной из самых быстродействующих ЭВМ в мире. Главный конструктор: академик АН СССР С. А. Лебедев; основные разработчики: К. С. Неслуховский, П. П. Головистиков, В. А. Мельников, В. С. Бурцев, В. Н. Лаут, А. И. Зимарев, А. Г. Лаут, А. А. Соколов, М. В. Тяпкин, В. Я. Алексеев, В. П. Смирягин, И. Д. Визун, А. С. Федоров, О. К. Щербаков и др.

Организация-разработчик: Институт точной механики и вычислительной техники АН СССР (ИТМ и ВТ).
Завод-изготовитель: Московский завод счетно-аналитических машин (САМ).
Год окончания разработки: 1953.
Год начала выпуска: 1953.
Число выпущенных машин: 1.
Область применения: крупные научные и производственные задачи.

Структура ЭВМ

— Система представления чисел — двоичная с плавающей запятой, число разрядов для кодов чисел — 39.
— Цифровая часть числа — 32 разряда; знак числа — 1 разряд; порядок числа — 5 разрядов; знак порядка — 1.
— Диапазон представляемых чисел: 10–9 – 1010 .

Система команд — трехадресная. Число разрядов для кодов команд — 39. Код операции — 6 разрядов; коды адресов — 3 адреса по 11 разрядов каждый. В систему операций машины входят: арифметические операции, операции передач кодов, логические операции и операции управления. Операции могут производиться как с нормализованными, так и с ненормализованными числами.

БЭСМ-1

БЭСМ-1 имела оперативную память (ОЗУ) на ферритовых сердечниках емкостью 1024 числа (до этого была опробована оперативная память на ртутных трубках и потенциалоскопах), долговременное запоминающее устройство на полупроводниковых диодах (ДЗУ) емкостью до 1024 чисел. В ДЗУ постоянно хранились некоторые наиболее часто встречающиеся константы и подпрограммы. Содержимое ДЗУ не изменялось во время работы машины. Кроме того, машина имела внешний накопитель на магнитных лентах (НМЛ) — четыре блока по 30 000 чисел в каждом, а также промежуточный накопитель на магнитном барабане (НМБ) емкостью 5120 чисел со скоростью выборки до 800 чисел/с.

Ввод информации в машину производился с фотосчитывающего устройства на перфоленте со скоростью ввода 20 чисел в секунду. Вывод результатов на электромеханическое печатающее устройство осуществлялся со скоростью 1,5 числа/с, а на фотопечатающее устройство — со скоростью 200 чисел/с.

Элементная база

Машина построена на стандартных двух- и четырехламповых ячейках, в которых смонтированы различные схемы (триггеры, вентили, усилители и т. д.). ЭВМ БЭСМ-1 имела около 5000 электронных ламп.

Конструкция

ЭВМ БЭСМ-1 была собрана на одной основной стойке. Кроме нее имелась стойка ДЗУ и шкаф питания. Имелся также пульт управления, служащий для пуска и остановки машины, а также для контроля ее работы.

Программное обеспечение

Системное ПО отсутствовало.

Технико-эксплуатационные характеристики

— Средняя производительность — 8000–10000 оп/с.
— Время полезной работы — 72% в среднем.
— Питание машины — от сети трехфазного переменного тока напряжением 220 В ± 10%, частотой 50 Гц.
— Потребляемая мощность — около 30 кВт (без системы охлаждения).
— Занимаемая площадь — до 100 кв. м.

Особенности ЭВМ

БЭСМ-1 была машиной параллельного действия, имела развитую структуру и организацию связей устройств и сбалансированность их характеристик. Принципы ее организации и конструкции воплотились и совершенствовались в последующих ЭВМ, разработанных в СССР.

Важной особенностью БЭСМ-1 стало введение операций над числами с плавающей запятой с обеспечением большого диапазона используемых чисел (от 10–9 до 1010 ). На БЭСМ-1 обеспечивалась высокая точность вычислений (около 10 десятичных знаков), выполнялись операции с удвоенной точностью при меньшем быстродействии.

БЭСМ-1

Для машины БЭСМ-1 была разработана система контрольных задач-тестов, позволяющих быстро находить неисправности в машине, а также система профилактических испытаний для обнаружения мест возможных неисправностей. Были получены патент на машину и патенты на отдельные составляющие БЭСМ-1. Имеется большое количество публикаций.


Б. И. Шитиков: ЦЭМ-1 и ЦЭМ-2 — первые ЭВМ Курчатовского института

В 1950-х гг. прошлого столетия в РНЦ «Курчатовский институт», называвшемся в то время Лабораторией измерительных приборов АН СССР (ЛИПАН), были сконструированы две цифровые электронные машины: ЦЭМ-1 и ЦЭМ-2.

Разработка ЦЭМ-1 была начата во второй половине 1951 г. по инициативе академика Л. Н. Соболева, руководившего в то время расчетным подразделением ЛИПАНа.

Непосредственным руководителем работ стал начальник сектора Н. А. Явлинский, подразделение которого в то время вело экспериментальные исследования на первых термоядерных установках типа ТОКАМАК. Разработку конструкции ЦЭМ-1 проводил старший инженер Г. Н. Михайлов с участием автора этой статьи. Автор в то время был молодым специалистом, только закончившим МЭИ по специальности «релейная защита и автоматика».

ЦЭМ-1 была введена в эксплуатацию в 1953 г., и ее характеризовали следующие данные.

1. Принцип действия — последовательный.

2. Система кодирования команд — двухадресная, с засылкой результата на место второго числа. 3. Машина оперировала 30-разрядными двоичными числами (31-й разряд использовался для записи знака числа).

4. Запоминающие устройства: оперативное, емкостью 496 чисел или команд на ультразвуковых линиях задержки (31 стальная трубка, заполненные ртутью, по 16 чисел или команд в каждой) и внешнее на магнитном барабане емкостью 4096 чисел или команд.

5. В ЦЭМ-1 использовалось около 1900 ламп (потребляемая мощность составляла 14 кВт).

6. Средняя скорость выполнения операций: — сложения или вычитания — 495 команд/с; — умножения или деления — 232 команды/с.

7. Для запоминания операндов арифметического устройства также применялись ртутные ультразвуковые линии задержки (четыре стальные трубки, заполненные ртутью, каждая на одно число).

В ЦЭМ-1 был использован следующий набор команд: сложение, вычитание, умножение, деление, умножение и деление на целые степени (сдвиг вправо и влево на n разрядов), поразрядное логическое умножение, перенос чисел, условные переключения по знаку плюс и минус, ввод — чтение с перфоленты, вывод — запись на перфоленту.

Первоначально машина ЦЭМ-1 проектировалась как одноадресная, но в ходе ее создания по предложению академика С. А. Соболева был сделан переход на двухадресное кодирование команд. В двухадресной команде записывались наименование операции и адреса двух чисел.

В течение нескольких лет ЦЭМ-1 использовалась для решения разнообразных задач по научной тематике института. Однако круг решаемых задач сильно ограничивался относительно низкой скоростью работы машины, и в связи с этим в 1954 г. автором было сделано предложение о создании новой ЭВМ — параллельного действия на новых элементах радиоэлектроники, что позволяло превзойти производительность ЦЭМ-1 в десятки раз. Это предложение было принято руководителем автора — Н. А. Явлинским.

Вновь разрабатываемой ЭВМ было присвоено название ЦЭМ-2, она имела следующие характеристики.

1. Система команд — трехадресная.

2. Арифметическое устройство параллельного действия с представлением чисел с плавающей запятой (32 разряда — мантисса, 8 разрядов — показатель).

3. Оперативная память на ферритовых кольцах емкостью 1024 слова по 40 бит в слове.

4. Внешняя память на магнитном барабане емкостью 16 000 слов.

5. Оперативное запоминание кодов чисел и команд с использованием триггерных регистров, выполненных на электронных лампах (общее количество ламп 1500).

6. Система управления арифметическими и логическими операциями — микропрограммная с использованием импульсно-потенциальной логики.

7. Ввод данных и команд при помощи фотоввода собственной конструкции (с использованием стандартной телеграфной перфоленты).

8. Вывод данных на перфоленту и бумагу с помощью стандартного телеграфного аппарата, позже замененного АЦПУ параллельного действия.

9. Средняя скорость выполнения операций: — сложение или вычитание — 30 000 команд/с; — умножение или деление — 8000 команд/с.

Благодаря ряду особенностей, которые рассмотрены ниже, конструкцией ЦЭМ-2 была обеспечена высокая степень бесперебойности ее функционирования в условиях двухсменного режима эксплуатации (с выключением на ночь).

Выбор импульсно-потенциальной логики для устройства управления и арифметического устройства позволил для создания наиболее массового элемента (реализующего логическую операцию «И») использовать схему (в составе ЦЭМ-2 их было около 7000), состоящую всего из трех простейших, практически безотказных деталей:

1. Полупроводникового диода — в качестве вентиля, пропускающего переключающий импульс на вход триггера (диод позволяет одновременно реализовывать еще и функцию «ИЛИ» при объединении выходов нескольких схем «И» на входе одного триггера).

2. Конденсатора, используемого для подачи на катод диода переключающего отрицательного импульса;

3. Омического сопротивления, используемого для подачи на катод диода напряжения, запирающего диодный вентиль.

Для исполнения каждой микрокоманды использовалась последовательность переключающих импульсов. Причем подобный импульс через схемы «И» мог действовать одновременно на все триггеры 32-разрядного регистра арифметического устройства. Для реализации всего набора микроопераций было задействовано около 40 генераторов одиночных импульсов, названных исполнительными элементами. Реализация машинных команд осуществлялась путем поочередного запуска соответствующих исполнительных элементов через заданные интервалы времени — такты. Обычно в ЭВМ принято задавать эти интервалы с помощью непрерывно действующего тактового генератора импульсов. Но при этом возникает необходимость в построении системы отбора тактовых импульсов (с требуемыми интервалами их следования) и наложении логических условий (определяющих исполнение тех или иных микрокоманд), что усложняет процесс отладки системы управления ЭВМ и поиска неисправных элементов.

В ЦЭМ-2 такты следования исполнительных импульсов задаются с помощью электромагнитных линий задержки с отводами. Каждой категории родственных машинных команд (например, сложению с вычитанием) соответствует отдельная цепочка линий задержки. Нетрудно заметить, что при этом такая цепочка одновременно выполняет функцию динамической памяти для микропрограммы соответствующей машинной команды. Для запуска микропрограммы требуется, как правило, простейшая логическая схема, пропускающая импульс на вход такой цепочки.

Импульсы с выбранных отводов линии задержки (с заданными интервалами) поступают непосредственно на входы соответствующих исполнительных элементов. Выбор отводов производится в соответствии с требуемыми интервалами между смежными исполнительными импульсами.

При этом естественным образом обеспечивается модульность микропрограммной системы управления (ибо каждая микропрограмма запоминается отдельной цепочкой линий задержки), а это существенно упрощает процедуру отладки системы управления ЭВМ. При запуске процесса исполнения команд программы одиночный импульс начинает циркулировать по цепочкам линий задержки в соответствии с последовательностью микропрограмм машинных команд, задействованных в программе.

С учетом того что в ЦЭМ-2 в качестве силовых элементов использовалось большое количество электронных ламп, особое внимание было уделено разработке системы электропитания, перед которой ставились следующие задачи:

1. Предотвращение выхода из строя элементов машины при ее запуске (дело в том, что ламповым ЭВМ был присущ такой недостаток).

2. Обеспечение профилактического контроля работоспособности элементов машины.

3. Защита от случайных кратковременных бросков напряжения электрической сети, обеспечивающей электропитание ЦЭМ-2.

Для удовлетворения поставленных условий все используемые напряжения электропитания (в том числе напряжение накала ламп) были стабилизированы и могли плавно регулироваться в требуемых пределах. Это позволяло при запуске машины поочередно плавно поднимать напряжения электропитания до нужных уровней и во время профилактики производить отбраковку элементов ЦЭМ-2, отклоняя от номинальных значений уровни соответствующих напряжений электропитания. С целью защиты от перепадов напряжения питающей электросети ЦЭМ-2 была подключена к электросети через мотор-генератор со стабилизированным выходным напряжением. Благодаря перечисленным конструктивным особенностям машины ЦЭМ-2 ее отладка и последующая эксплуатация осуществлялась всего двумя инженерами и двумя операторами. В ее отладке и последующей эксплуатации принимали участие З. Д. Доброхотова и В. И. Николаев.

ЦЭМ-2 была введена в строй в 1955 г. и проработала в Курчатовском Институте до 1963 г. Затем ее передали в один из институтов Минздрава СССР. В 1957 г. ЦЭМ-2 прошла экспертизу межведомственной комиссии Радиокомитета СССР, которая подтвердила высокую степень надежности ее функционирования.

За десять дней двухсменной работы (под контролем комиссии) не было зафиксировано ни одного сбоя радиоэлектроники машины. Несмотря на все достоинства конструкции ЦЭМ-2, серийное производство ее не было рекомендовано комиссией (это было сделано по указанию руководства Радиокомитета СССР), и только благодаря инициативе энтузиастов аналогичные машины были построены еще в трех организациях — две в Москве и одна в Башкирии.

***

CNews продолжает публиковать главы из книги «Страницы истории отечественных ИТ» – совместного проекта «АйТи» и «Виртуального компьютерного музея» (Сост. Эдуард Пройдаков. – М.: Альпина Паблишер, 2015). Читайте также:

МЭСМ и «Стрела»: Как советские ЭВМ делали первые шаги

М-1. Как зарождалась ЭВМ

Как Исаак родил советскую информатику