Рождение советской ПРО. Величайший модулярный компьютер
Советский город мечты – Зеленоград. В конце 1950-х Хрущев посетил Финляндию и впечатлился финским пригородом Тапиола. Аналогичный проект решено было воплотить и у нас, с советским размахом окружив столицу сразу несколькими городами-спутниками, вынеся туда предприятия. Зеленоград по плану должен был стать центром текстильной промышленности, однако, директора заводов вовсе не спешили переезжать из богатой Москвы в непонятные дали и всячески саботировали перемещение. Зеленоград мог умереть, не родившись, но тут появился Шокин и дал ему второе рождение, как микроэлектронному центру. В итоге идея городов-спутников была благополучно задавлена, и Зеленоград остался уникальным. По часовой стрелке – Генеральный план из журнала «Архитектура СССР» № 10/1969, фото с самой высокой крыши Зеленограда от 1989, советская утопия (фото https://starina-chuk.livejournal.com/616925.html), ДК Зеленограда – шедевр советского модернизма и брутализма, учебные корпуса, библиотека и спорткомплекс МИЭТ, архитектура позаимствована у легендарного финна Алвара Аалто. Вообще, Зеленоград был и есть настоящая жемчужина архитектуры 1970-х (фото https://vk.com/@reshz-utopia)
Город мечты
Итак, в 1963 году в Зеленограде открывается центр микроэлектроники.
Волею судьбы его директором становится знакомый министра Шокина Лукин, а не Старос (при этом Лукин никогда не был замечен в грязных интригах, наоборот – он был честным и прямолинейным человеком, по иронии судьбы так совпало, что именно его принципиальность и помогла ему занять этот пост, из-за нее он поссорился с предыдущим начальником и ушел, а Шокину нужен был хоть кто-то вместо ненавидимого им Староса).
Для СОК-машин это означало взлет (по крайней мере, так думали сначала) – теперь их можно было, пользуясь неизменной поддержкой Лукина, реализовать с помощью микросхем. Для этой цели он забрал в Зеленоград Юдицкого и Акушского вместе с коллективом разработчиков К340А, и они образовали отдел перспективных ЭВМ в НИИФП. Почти 1,5 года для отдела не было никаких конкретных задач, и они проводили время, развлекаясь с макетом Т340А, который прихватили с собой из НИИДАР и обдумывая будущие разработки.
Нельзя не отметить, что Юдицкий был чрезвычайно образованным человеком широкого кругозора, активно интересовался новейшими научными достижениями в разнообразных областях, косвенно относящихся к информатике, и собрал из разных городов команду очень талантливых молодых специалистов. Под его патронажем проводились семинары не только по модулярной арифметике, но и по нейрокибернетике и даже биохимии нервных клеток.
Как вспоминает В. И Стафеев:
К тому моменту, когда я пришёл в НИИФП в качестве директора, стараниями Давлета Исламовича это был ещё небольшой, но уже нормально функционирующий институт. Первый год был посвящён нахождению общего языка общения математиков, кибернетиков, физиков, биологов, химиков... Это был период идеологического становления коллектива, который Юдицкий, светлая ему память, метко назвал «Периодом пения революционных песен» на тему: «Как здорово это сделать!» По мере достижения взаимопонимания разворачивались серьёзные совместные исследования по принятым направлениям.
Именно в этот момент познакомились и подружились Карцев и Юдицкий (с группой Лебедева отношения как-то не сложились в силу их элитарности, близости к власти и нежелания изучать настолько неортодоксальные архитектуры машин).
Как вспоминает М. Д. Корнев:
У нас и у Карцева проходили регулярные заседания НТС (научно-технический совет), на которых специалисты обсуждали пути и проблемы построения ЭВМ. На эти заседания мы обычно приглашали друг друга: мы ездили к ним, они – к нам, и активно участвовали в обсуждении.
Вообще, если бы этим двум группам дали академическую свободу, немыслимую для СССР, то сложно даже подумать, к каким техническим высотам в итоге бы их занесло и как бы они изменили компьютерные науки и проектирование аппаратного обеспечения.
Наконец, в 1965 году Совет Министров принял решение доделать многоканальный стрельбовый комплекс (МКСК) «Аргунь» для второй очереди А-35. По предварительным оценкам, для МКСК требовалась ЭВМ производительностью около 3,0 млн т. н. «алгоритмических» операций в секунду (термин, который вообще чрезвычайно сложно истолковать, имелись в виду операции обработки данных радиолокации). Как вспоминал Н. К. Остапенко, одна алгоритмическая операция на задачах МКСК соответствовала примерно 3–4 простейшим операциям ЭВМ, то есть нужен был компьютер с производительностью 9–12 MIPS. На конец 1967 года это было не по силам даже CDC 6600.
Тема была выдана на конкурс сразу трем предприятиям: Центру Микроэлектроники (Минэлектронпром, Ф. В. Лукин), ИТМиВТ (Минрадиопром, С. А. Лебедев) и ИНЭУМ (Минприбор, М. А. Карцев).
Естественно, в ЦМ за дело взялся Юдицкий, и несложно догадаться, какую схему машины он выбрал. Отметим, что из реальных конструкторов тех лет конкуренцию ему мог составить разве что Карцев со своими уникальными машинами, о которых мы поговорим ниже. Лебедев находился абсолютно вне темы, как суперкомпьютеров, так и настолько радикальных архитектурных инноваций. Его ученик Бурцев проектировал машины для прототипа А-35, но по производительности они и рядом не стояли с тем, что было нужно для полного комплекса. ЭВМ для А-35 (кроме надежности и быстродействия) должна была работать со словами переменной длины и несколькими инструкциями в одной команде.
Отметим, что НИИФП имел преимущество по элементной базе – в отличие от групп Карцева и Лебедева они имели прямой доступ ко всем микроэлектронным технологиям – они же сами их и разрабатывали. В это время в НИИТТ начиналась разработка новой ГИС «Посол» (позже серия 217). Их основой стал бескорпусный вариант транзистора, разработанного в середине 60-х годов московским НИИ полупроводниковой электроники (ныне НПП «Пульсар») по теме «Парабола». Сборки выпускались в двух вариантах элементной базы: на транзисторах 2Т318 и диодных матрицах 2Д910Б и 2Д911А; на транзисторах КТТ-4Б (в дальнейшем 2Т333) и диодных матрицах 2Д912. Отличительные особенности этой серии по сравнению с толстопленочными схемами «Тропа» (201 и 202 серии) – повышенное быстродействие и помехоустойчивость. Первыми сборками в серии были ЛБ171 – логический элемент 8И-НЕ; 2ЛБ172 – два логических элемента 3И-НЕ и 2ЛБ173 – логический элемент 6И-НЕ.
На 1964 год это была уже отстающая, но еще живая технология, и системные архитекторы проекта «Алмаз» (так окрестили прототип) имели возможность не только немедленно пускать в дело эти ГИС, но и влиять на их состав и характеристики, по сути, заказывая под себя кастомные чипы. Тем самым удалось многократно поднять быстродействие – гибридные схемы укладывались в 25–30 нс цикл, вместо 150.
Удивительно, но ГИС разработки коллектива Юдицкого превосходили по быстродействию настоящие микросхемы, например 109, 121 и 156 серию, разработанные в 1967–1968 годах в качестве элементной базы компьютеров подводных лодок! Они не имели прямого зарубежного аналога, так как дело происходило далеко от Зеленограда, 109 и 121 серия выпускались минскими заводам «Мион» и «Планар» и львовским «Полярон», 156 серия – вильнюсским НИИ «Вента» (на периферии СССР, вдали от министров, вообще, творилось много интересного). Их быстродействие составляло порядка 100 нс. 156 серия, кстати, прославилась тем, что на ее основе собирали совершенно хтоническую вещь – многокристалльную ГИС, известную как 240 серия «Вардува», разработки вильнюсского КБ МЭП (1970 г.).
На Западе в это время выпускали полноценные БИС, в СССР же до такого уровня технологий оставалось лет 10, а получить БИС очень хотелось. В итоге сделали некий эрзац из кучи (до 13 штук!) бескорпусных микросхем самой малой интеграции, разведенных на общей подложке в едином корпусе. Сложно сказать, чего в этом решении больше – смекалки или техношизофрении. Это чудо получило название «гибридная БИС» или просто ГБИС, и про нее можно с гордостью сказать, что аналогов такая технология в мире не имела, хотя бы потому, что ни у кого более не возникло нужды так извращаться (чего стоит только два (!) напряжения питания, +5В и +3В, которые были нужны для работы этого чуда инженерной мысли). Чтобы было совсем весело – эти ГБИС объединяли на одной плате, получая, опять-таки, своеобразный эрзац мультичиповых модулей, и применяли для сборки корабельных компьютеров проекта «Карат».
Та самая монструозная 240 серия «Вардува», советский ответ буржуйским MCM и LSI (фото http://www.155la3.ru)
Мультичиповый модуль здорового человека – чудовищный процессор IBM Power 4 (2001 год, для сравнения рядом обычный домашний процессор Core i3). На разработку концепции мультичипового модуля (MCM) IBM потратила около миллиарда долларов с середины 1970-х по начало 1980-х, что привело к рождению нового метода интеграции компонентов. В результате все процессоры мэйнфреймов и тяжелых рабочих станций IBM собраны именно так, а сама технология нашла широчайшее применение везде – от процессоров в смартфонах и ноутбуках до новых AMD Ryzen Threadripper (фото из коллекции автора)
Возвращаясь к проекту «Алмаз», отметим, что он был куда серьезнее К340А: и ресурсы, и коллективы, задействованные в нем, были колоссальны. На НИИФП возлагалась разработка архитектуры и процессора ЭВМ, на НИИТМ – базовой конструкции, системы питания и системы ввода/вывода данных, на НИИТТ – интегральных схем.
Наряду с применением модулярной арифметики был найден ещё один архитектурный способ значительного увеличения общей производительности: решение, широко применяемое позже в системах обработки сигналов (но уникальное по тем временам и первое в СССР, если не в мире) – введение в систему DSP-сопроцесора, причем собственной разработки!
В результате «Алмаз» состоял из трех основных блоков: монозадачный DSP предварительной обработки данных локатора, программируемый модулярный процессор, выполняющий расчеты наведения ракет, программируемый вещественный сопроцессор, выполняющий немодулярные операции, в основном, связанные с управлением ЭВМ.
Добавление DSP привело к снижению требуемой мощности модулярного процессора на 4 MIPS и экономии примерно 350 кб ОЗУ (практически в два раза). Сам модулярный процессор имел производительность порядка 3,5 MIPS – в полтора раза выше, чем К340А. Эскизный проект был закончен в марте 1967 года. Основания системы оставили такими же, как в К340А, объем памяти увеличили до 128К 45-разрядных слов (примерно 740 Кб). Кэш процессора – 32 55-разрядных слов. Потребляемая мощность была уменьшена до 5 кВт, занимаемый машиной объем – до 11 шкафов.
Академик Лебедев, ознакомившись с работами Юдицкого и Карцева, тут же снял свой вариант с рассмотрения. Вообще, в чем была проблема группы Лебедева, немного непонятно. Точнее, непонятно, какую машину они сняли с конкурса, потому что в то же самое время они вели разработку предшественницы «Эльбруса» – 5Э92б, как раз для задачи ПРО.
На самом деле к тому моменту сам Лебедев уже окончательно превратился в окаменелость и никаких радикально новых идей, тем более превосходящих СОК-машины или векторные компьютеры Карцева, предложить не мог. Собственно, его карьера завершилась на БЭСМ-6, ничего лучше и серьезнее он уже не создал и либо руководил разработками чисто формально, либо больше мешал, чем помогал группе Бурцева, которые и занимались «Эльбрусом» и всеми военными машинами ИТМиВТ.
Однако Лебедев имел мощнейший административный ресурс, будучи кем-то типа Королева от мира ЭВМ – идолом и безоговорочным авторитетом, так что при большом желании продавить свою машину он мог бы легко, что бы она собой ни представляла. Довольно странно, что он этого не сделал. 5Э92б, кстати, на вооружение была принята, может это и был тот проект? Кроме того, чуть позже вышла его модернизированная версия 5Э51 и мобильная версия ЭВМ для ПВО 5Э65. В то же время появились Э261 и 5Э262. Немного непонятно, почему все источники говорят, что Лебедев не участвовал в итоговом конкурсе. Еще более странно, что 5Э92б была изготовлена, доставлена на полигон и подключена к «Аргунь» как временная мера, пока не будет закончена машина Юдицкого. В общем, эта тайна еще ждет своих исследователей.
Осталось два проекта: «Алмаз» и М-9.
М-9
Карцева можно безошибочно описать всего одним словом – гений.
М-9 превосходила практически все (если не все), что было даже в чертежах во всем мире на тот момент. Напомним, что в техзадании значилась производительность порядка 10 миллионов операций в секунду, и выжать такое из «Алмаза» смогли только за счет применения DSP и модулярной арифметики. Карцев без всего этого выжал из своей машины миллиард. Это был действительно мировой рекорд, не перекрытый до появления суперкомпьютера Cray-1 десять лет спустя. Докладывая о проекте М-9 в 1967 году в Новосибирске, Карцев пошутил:
машина М-220 называется так потому, что имеет производительность 220 тысяч операций/с, а М-9 называется так потому, что обеспечивает производительность 10 в 9 степени операций/с.
Возникает один вопрос – но как?
Карцев предложил (впервые в мире) очень утонченную архитектуру процессора, полного структурного аналога которой никогда не было создано. Отчасти это было похоже на систолические массивы Inmos, отчасти – на векторные процессоры Cray и NEC, отчасти – на Connection Machine – иконический суперкомпьютер 1980-х годов и даже на современные видеокарты. М-9 обладала удивительной архитектурой, для описания которой не существовало даже адекватного языка, и все термины Карцеву пришлось вводить самостоятельно.
Главной его идеей было построить компьютер, оперирующий принципиально новым для машинной арифметики классом объектов – функциями одной или двух переменных, заданными поточечно. Для них он определил три основных типа операторов: операторы, ставящие в соответствие паре функций третью, операторы, возвращающие в результате действия на функцию число. Они работали с особыми функциями (в современной терминологии – масками), которые принимали значения 0 или 1 и служили для выделения какого-либо подмассива из данного массива, операторы, возвращающие в результате действия на функцию массив значений, связанный с этой функцией.
Машина состояла из трех пар блоков, которые Карцев назвал «связками», хотя скорее они были похожи на решетки. Каждая пара включала в себя вычислительный блок разной архитектуры (собственно процессор) и блок вычисления маски для него (соответствующей архитектуры).
Первая связка (основная, «функциональный блок») состояла из вычислительного ядра – матрицы 32х32 16-битных процессоров, похожая на транспьютеры INMOS 1980-х годов, с ее помощью можно было осуществлять за один такт все основные операции линейной алгебры – умножение матриц и векторов в произвольных комбинациях и их сложение.
Только в 1972 году в США был построен экспериментальный массивно-параллельный компьютер Burroughs ILLIAC IV, отчасти похожей архитектуры и сравнимой производительности. Общие арифметические цепи могли производить суммирование с накоплением результата, что позволяло при необходимости обрабатывать матрицы размерности более чем 32. На операторы, выполняемые решеткой процессоров функциональной связки, могла накладываться маска, ограничивающая выполнение лишь помеченными процессорами. В паре с ней работал второй блок (названный Карцевым «картинной арифметикой»), он состоял из такой же матрицы, но однобитных процессоров для операции над масками («картинами», как их называли тогда). Над картинами был доступен широкий спектр операций, также выполняемых за один такт и описываемый линейными деформациями.
Вторая связка расширяла возможности первой и состояла из векторного сопроцессора из 32 узлов. Она должна была выполнять операции над одной функцией или парой функций, заданных в 32 точках, либо операции над двумя функциями или над двумя парами функций, заданными в 16 точках. Для нее существовал аналогично свой блок маски, названный «арифметикой признаков».
Третья (тоже необязательная) связка состояла из ассоциативного блока, выполняющего операции сравнения и сортировки подмассивов по содержанию. К ней в паре тоже шел блок маски.
Машина могла состоять из разнообразных наборов, в базовой конфигурации – всего лишь функциональный блок, в максимальной – восемь: по два комплекта функциональной и картинной арифметики и по одному комплекту прочих. В частности, предполагалось, что М-10 состоит из 1 блока, М-11 – из восьми. Производительность такого варианта превосходила два миллиарда операций в секунду.
Чтобы окончательно добить читателя, отметим, что Карцев предусмотрел синхронное объединение нескольких машин в один сверхкомпьютер. При таком объединении все машины запускались от одного тактового генератора и выполняли за 1–2 такта операции над матрицами огромной размерности. В конце текущей операции и в начале следующей был возможен обмен между любыми арифметическими и запоминающими устройствами машин, объединенных в систему.
В результате проект Карцева представлял собой настоящего монстра. Что-то похожее, с архитектурной точки зрения, на Западе появилось лишь в конце 1970-х в работах Сеймура Крэя и японцев из NEC. В СССР эта машина была абсолютно уникальной и архитектурно превосходящей не только все разработки тех лет, но и вообще все, что было у нас выпущено за всю историю. Была лишь одна проблема – внедрять ее никто не собирался.
Вот уникальные технологии 1980–2000 годов, которые отчасти предвосхитил Карцев своей машиной. Слева-направо: транспьютеры INMOS, служившие основой систолических массивов – уникальной технологии построения британских суперкомпьютеров 1980-х, прототип четырехядерного векторного процессора японского суперкомпьютера NEC SX-ACE, 2013 год, процессорная ячейка американского суперкомьютера nCube/2, построенного по топологии гиперкуба, 1989 год. Фото из коллекции автора.
Единственный известный рисунок машины М-10, гуляющий по сети. Вообще, от машин Карцева практически не осталось никаких материальных свидетельств, даже из фотографий известна всего пара (фото https://www.computer-museum.ru)
«Алмаз»
Конкурс выиграл проект «Алмаз». Причины этого смутны и непонятны и связаны с традиционными политическими играми в различных министерствах.
Карцев на собрании, посвященном 15-летию НИИ вычислительных комплексов (НИИВК), в 1982 году говорил:
В 1967 году мы вышли с довольно дерзким проектом вычислительного комплекса М-9…
Для Минприбора СССР, где мы тогда пребывали, этот проект оказался уж слишком…
Нам сказали: идите вы к В. Д. Калмыкову, раз уж вы работаете на него. Проект М-9 остался неосуществленным…
Для Минприбора СССР, где мы тогда пребывали, этот проект оказался уж слишком…
Нам сказали: идите вы к В. Д. Калмыкову, раз уж вы работаете на него. Проект М-9 остался неосуществленным…
По факту машина Карцева была слишком хороша для СССР, ее появление просто смело бы с доски всех остальных игроков, включая могучую кучку лебедевцев из ИТМиВТ. Естестенно, никто бы не позволил какому-то выскочке Карцеву превзойти многократно осыпанных наградами и милостями государевых любимчиков.
Отметим, что этот конкурс не только не разрушил дружбы Карцева и Юдицкого, но еще больше сплотил этих разных, но по-своему гениальных архитекторов. Как мы помним, Калмыков был категорически против как ПРО, так и идеи суперкомпьютера, и в итоге проект Карцева был тихо слит, а в Минприборе вообще отказались от продолжения работ по созданию мощных ЭВМ.
Коллективу Карцева было предложено перейти в МРП, что он в середине 1967 года и сделал, образовав филиал № 1 ОКБ «Вымпел». Ещё в 1958 году Карцев работал по заказу известного нам академика А. Л. Минца из РТИ, тот занимался разработкой систем предупреждения о ракетном нападении (вылилось это в итоге в совершенно хтонические, невообразимо дорогие и абсолютно бесполезные загоризонтные РЛС проекта «Дуга», которые не успели толком ввести в эксплуатацию, как СССР развалился). Пока же люди из РТИ оставались относительно вменяемыми и Карцев закончил для них машины М-4 и М4-2М (кстати, очень-очень странно, что их не употребили на ПРО!).
Дальнейшая история напоминает дурной анекдот. Проект М-9 отвергли, но в 1969 ему выдвинули новый заказ на основе его машины, а чтобы не рыпался – отдали все его ОКБ в подчинение Минцу из калмыковского ведомства. М-10 (итоговый индекс 5Э66 (внимание!) – во многих источниках она абсолютно ошибочно была отнесена к архитектуре СОК) была вынуждена конкурировать уже с «Эльбрусом» (который она, впрочем, разделала, как Xeon микроконтроллер) и, что еще поразительнее, ее снова стравили с машинами Юдицкого, причем в итоге министр Калмыков исполнил совершенно гениальную многоходовку.
Сначала М-10 помогла ему провалить серийный вариант «Алмаза», а затем была признана непригодной для ПРО, и новый конкурс выиграл «Эльбрус». В итоге от шока всей этой грязной политической борьбы несчастный Карцев получил инфаркт и скоропостижно скончался, не дожив и до 60 лет. Юдицкий ненадолго пережил своего друга, умерев в том же году. Акушский, его напарник, кстати, не перетрудился и скончался членкором, обласканный всеми наградами (Юдицкий дорос лишь до д.т.н.), в 1992 году в возрасте 80 лет. Так одним ударом Калмыков, люто ненавидевший Кисунько и в конце проваливший его проект ПРО, прихлопнул двух, наверное, самых талантливых разработчиков ЭВМ в СССР и одних их лучших в мире. Эту историю подробнее мы еще рассмотрим далее.
Пока же мы вернемся к победителю по теме ПРО – машине «Алмаз» и ее потомкам.
Естественно, «Алмаз» был очень неплохой ЭВМ для своих узких задач и имел интересную архитектуру, но сравнивать его с М-9 было, мягко говоря, некорректно, слишком разные классы. Тем не менее конкурс был выигран, и поступил заказ на проектирование уже серийной машины 5Э53.
Для выполнения проекта коллектив Юдицкого в 1969 году был выделен в самостоятельное предприятие – Специализированный вычислительный центр (СВЦ). Директором стал сам Юдицкий, заместитель по научной работе – Акушский, подобно рыбе-прилипале «участвовавший» в каждом проекте вплоть до 1970-х.
Отметим снова, что его роль в создании СОК-машин совершенно мистическая. Абсолютно везде он упоминается номером вторым после Юдицкого (а иногда и первым), при этом занимал он посты, связанные толком непонятно с чем, все его труды по модулярной арифметике исключительно в соавторстве, а чем конкретно он занимался во время разработки «Алмаза» и 5Э53 вообще непонятно – архитектором машины был Юдицкий, разрабатывали алгоритмы тоже совершенно отдельные люди.
Стоит отметить, что публикаций про СОК и алгоритмы модулярной арифметики в открытой печати у Юдицкого было совсем немного, в основном потому, что эти работы долгое время были засекречены. Также Давлет Исламович отличался просто феноменальной щепетильностью в публикациях и никогда не ставил себя соавтором (или хуже того – первым соавтором, как обожали делать почти все советские директора и начальники) ни в одной работе своих подчиненных и аспирантов. На предложения такого рода он, по воспоминаниям, обычно отвечал:
А я что-то написал туда? Нет? Тогда убери мою фамилию.
Вот так в итоге и вышло, что в 90 % отечественных источников основным и главным отцом СОК считают Акушского, у которого, наоборот, без соавторов вообще работ нет, потому что по советской традиции он приклеивал свое имя на все, что делали все его подчиненные.
5Э53
Реализация 5Э53 потребовала титанических усилий со стороны огромного коллектива талантливых людей. ЭВМ была предназначена для селекции реальных целей среди ложных и наведения противоракет на них, самая вычислительно сложная задача, которая стояла тогда перед вычислительной техникой мира. Для трёх МКСК второй очереди А-35 производительность была уточнена и поднята в 60 раз (!) до 0,6 GFLOP/s. Эту мощность должны были обеспечивать 15 ЭВМ (по 5 в каждом МКСК) производительностью на задачах ПРО по 10 млн алгоритмических оп/с (около 40 млн обычных оп/с), ОЗУ 7,0 Мбит, ППЗУ 2,9 Мбит, ВЗУ 3 Гбит и аппаратура передачи данных на сотни километров. 5Э53 должна быть существенно мощнее «Алмаза» и быть одной из самых мощных (и уж точно самой оригинальной) машиной мира.
В. М. Амербаев вспоминает:
Главным конструктором изделия 5Э53 Лукин назначил Юдицкого, поручив ему руководство СВЦ. Давлет Исламович был истинным главным конструктором. Он вникал во все детали разрабатываемого проекта от технологии производства новых элементов до структурных решений, архитектуры ЭВМ и математического обеспечения. На всех участках своей напряжённой работы он умел ставить такие вопросы и задачи, решение которых приводило к созданию новых оригинальных блоков конструируемого изделия, а в ряде случаев Давлет Исламович сам указывал подобные решения. Давлет Исламович работал сам, не считаясь ни со временем, ни с обстоятельствами, также как и все его товарищи по труду. Это было бурное и яркое время, и, конечно, центром и организатором всего был Давлет Исламович.
Коллектив СВЦ по-разному относился к своим руководителям, это отразилось и в том, как сотрудники называли их в своем кругу.
Юдицкого, не придающего большого значения чинам и ценившего в первую очередь интеллект и деловые качества, в коллективе называли просто Давлетом. Акушского звали Дед, так как он был заметно старше подавляющего большинства специалистов СВЦ и, как пишут, отличался особым снобизмом – по воспоминаниям, представить его с паяльником в руке было невозможно (скорее всего, он просто не знал, за какой конец его держать), а Давлет Исламович проделывал это не раз.
В составе Аргуни, который был сокращённым вариантом боевого МКСК, планировалось использовать 4 комплекта ЭВМ 5Э53 (в РЛС цели «Истра» – 1, в РЛС наведения противоракет – 1 и в командно-вычислительном пункте – 2), объединённых в единый комплекс. Применение СОК имело и негативные моменты. Как мы уже говорили, операции сравнения являются немодулярными и для их осуществления требуется переход в позиционную систему и обратно, что приводит к чудовищному падению производительности. Для решения этой проблемы работал В. М. Амербаев и его команда.
Вспоминает М. Д. Корнев:
Ночью Вильжан Мавлютинович думает, утром результаты приносит В. М. Радунскому (ведущий разработчик). Схемотехники просматривают аппаратную реализацию нового варианта, задают Амербаеву вопросы, он уходит думать опять и так до тех пор, пока его идеи не поддадутся хорошей аппаратной реализации.
Специфичные и общесистемные алгоритмы разрабатывались заказчиком, а машинные – в СВЦ коллективом математиков во главе с И. А. Большаковым. При разработке 5Э53 в СВЦ широко применялось тогда еще редкое машинное проектирование, как правило, собственной разработки. Весь коллектив предприятия работал с необыкновенным подъемом, не щадя себя, по 12 и более часов в день.
В. М. Радунский:
«Вчера до того доработался, что, входя в квартиру, предъявил жене пропуск».
Е. М. Зверев:
В то время были нарекания на помехоустойчивость ИС серии 243. Как-то часа в два ночи на макет пришел Давлет Исламович, взял щупы осциллографа и долго сам разбирался в причинах помех.
В архитектуре 5Э53 команды делились на управленческие и арифметические. Как и в К340А в каждом командном слове размещалось две команды, выполнявшиеся различными устройствами одновременно. По одной выполнялась арифметическая операция (на СОК-процессорах), по второй – управленческая: пересылка из регистра в память или из памяти в регистр, условный или безусловный переход и т.п. на традиционном сопроцессоре, так удалось радикально решить проблему чертовых условных переходов.
Все основные процессы были конвейеризованы, в результате одновременно выполнялось несколько (до 8) последовательных операций. Гарвардская архитектура была сохранена. Было применено аппаратное расслоение памяти на 8 блоков с чередующейся адресацией по блокам. Это позволяло при времени выборки информации из ОЗУ, равном 700 нс, обращаться к памяти с тактовой частотой процессора 166 нс. До 5Э53 такой подход аппаратно не был реализован нигде в мире, он был лишь описан в нереализованном проекте IBM 360/92.
Ряд специалистов СВЦ предлагали добавить также полноценный (не только для управления) вещественный процессор и обеспечить действительную универсальность компьютера. Это не было сделано по двум причинам.
Во-первых, для применения ЭВМ в составе МКСК этого просто не требовалось.
Во-вторых, И. Я. Акушский, будучи фанатиком СОК, не разделял мнения о недостаточной универсальности 5Э53 и в корне пресекал все попытки внедрения в неё вещественной крамолы (видимо, в этом и состояла его главная роль в проектировании машины).
Камнем преткновения для 5Э53 стала ОЗУ. Стандартом советской памяти тогда были ферритовые блоки огромных габаритов, трудоемкости изготовления и высокой потребляемой мощности. Кроме того, они были медленнее процессора в десятки раз, впрочем, это не помешало ультраконсерватору Лебедеву лепить нежно любимые им ферритовые кубы везде – начиная от БЭСМ-6 и заканчивая бортовой ЭВМ ЗРК С-300, выпускавшейся в таком виде, на ферритах (!), вплоть до середины 1990-х (!), во многом благодаря такому решению этот компьютер занимает целый грузовик.
Проблемы
За решение проблемы ОЗУ по указанию Ф. В. Лукина взялись отдельные подразделения НИИТТ, и итогом этих работ стало создание памяти на цилиндрических магнитных плёнках (ЦМП). Физика работы ЗУ на ЦМП довольно сложная, куда сложнее, чем у ферритов, но в итоге многие научные и инженерные проблемы были решены, и ОЗУ на ЦМП работало. К возможному разочарованию патриотов отметим, что концепцию памяти на магнитных доменах (частным случаем которой является ЦМП) предложили впервые не в НИИТТ. Такого рода ОЗУ впервые появилась благодаря одному человеку, инженеру Bell Labs Эндрю Бобеку (Andrew H. Bobeck). Бобек был известным экспертом в области магнитных технологий, и революционные прорывы в ОЗУ он предложил аж дважды.
Изобретенная Джеем Форрестером (Jay Wright Forrester) и независимо от него двумя учеными из Гарварда, работавшими над проектом Harward Mk IV Ван Анем (An Wang) и Ву Вайдунем (Way-Dong Woo) в 1949 году, память на ферритовых сердечниках (которую так любил Лебедев) была несовершенна не только благодаря своим размерам, но и в силу колоссальной трудоемкости изготовления (кстати, Ван Ань, почти неизвестный у нас, был одним из известнейших компьютерных архитекторов и основал знаменитую Wang Laboratories, просуществовавшую с 1951 по 1992 год и выпускавшую большое количество прорывной техники, включая мини-компьютер Wang 2200, клонированный в СССР как Искра 226).
Возвращаясь к ферритам, отметим, что память на них физически была просто огромной, вывешивать рядом с компьютером ковер 2х2 метра было бы чрезвычайно неудобно, поэтому ферритовую кольчугу вплетали в небольшие по объему модули, наподобие пялец для вышивания, чем и обуславливалась чудовищная трудоемкость ее изготовления. Наиболее известную технику плетения таких модулей 16х16 бит разработала британская компания Mullard (очень знаменитая британская компания – производитель вакуумных ламп, усилителей высокого класса, телевизоров и радиоприемников, занималась так же разработками в области транзисторов и интегральных схем, позже куплена Phillips). Модули последовательно соединялись в секции, из которых монтировались ферритовые кубы. Очевидно, что и в процесс плетения модулей, и в процесс сборки ферритовых кубов вкрадывались ошибки (работа ведь была практически ручная), что приводило к увеличению времени отладки и устранения неполадок.
Именно благодаря злободневному вопросу трудоемкости разработки памяти на ферритовых кольцах у Эндрю Бобека появилась возможность проявить свой изобретательский талант. Телефонный гигант AT&T, создатель Bell Labs, был как никто другой заинтересован в разработке эффективных технологий производства магнитной памяти. Бобек решил кардинально изменить направление исследований и первым вопросом, который он задал самому себе, был – обязательно ли в качестве материала хранения остаточной намагниченности использовать магнитно-твердые материалы наподобие феррита? Ведь не у них одних подходящая реализации памяти и петля магнитного гистерезиса. Бобек начал эксперименты с пермаллоем, из которого кольцеобразные структуры можно получить, просто навив фольгу на несущий провод. Он назвал его твистор-кабелем (twist – «кручение»).
Навив подобным образом ленту, ее можно будет свернуть так, чтобы создать зигзагообразную матрицу и запаковать ее, например, в полиэтиленовую пленку. Уникальной особенностью твистор памяти явилась возможность чтения или записи целой строки пермаллоевых псевдоколец, находящихся на параллельных твистор-кабелях, проходящих над одной шиной. Это существенно упрощало конструкцию модуля.
Так в 1967 году Бобек разработал одну из самых эффективных модификаций магнитной памяти того времени. Идея твисторов настолько сильно впечатлила руководство Bell, что на ее коммерциализацию были брошены внушительные силы и средства. Однако очевидные выгоды, связанные с экономией средств на производство твистор ленты (её можно было ткать, в прямом смысле этого слова), были перевешены исследованиями в области использования полупроводниковых элементов. Появление SRAM и DRAM стало для телефонного гиганта громом среди ясного неба, тем более что AT&T была как никогда близка к заключению выгоднейшего контракта с ВВС США на поставку модулей твистор памяти для их системы противовоздушной обороны LIM-49 Nike Zeus (примерный аналог А-35, появившийся чуть позже, мы о нем уже писали).
Сама телефонная компания активно внедряла новый вид памяти в своей системе коммутации TSPS (Traffic Service Position System). В конечном итоге, управляющий компьютер для Zeus (Sperry UNIVAC TIC) все-таки получил твисторную память, кроме того, она применялась в ряде проектов AT&T почти до середины восьмидесятых годов прошлого столетия, но в те годы это была скорее агония, чем прогресс, как видим, не только в СССР умели до упора продавливать устаревшую на годы технологию.
Впрочем, один положительный момент от разработки твисторов имелся.
Исследуя магнитострикционный эффект в сочетаниях пленок пермаллоя с ортоферритами (ферритами на основе редкоземельных элементов), Бобек подметил одну их особенность, связанную с намагничиванием. Экспериментируя с гадолиний галлиевым гранатом (Gadolinium Gallium Garnet, GGG), он использовал его в качестве подложки для тонкого листа пермаллоя. В полученном сэндвиче при отсутствии магнитного поля области намагничивания располагались в виде доменов разнообразной формы.
Бобек посмотрел, как будут вести себя такие домены в магнитном поле, имеющем перпендикулярное направление областям намагниченности пермаллоя. К его удивлению, с увеличением силы магнитного поля домены собирались в компактные области. Бобек назвал их пузырьками (bubbles). Именно тогда и сформировалась идея пузырьковой памяти, в которой носителями логической единицы были домены спонтанной намагниченности в листе пермаллоя – пузырьки. Бобек научился двигать пузырьки по поверхности пермаллоя и придумал остроумное решение по чтению информации в своем новом образце памяти. Право на bubble memory приобрели почти все ключевые игроки того времени и даже NASA, тем более что пузырьковая память оказалась почти нечувствительной к электромагнитным импульсам и жесткому излечению.
Чрезвычайно редкий миниатюрный советский куб ферритовой памяти КП128/17. Выпуск этих шедевров техноархеологии начался в 1968 году, за полгода до выпуска SRAM-памяти Intel 3101 и за 1,5 года до первой DRAM-памяти Intel 1103 и продолжался до 1980-х (!) годов. Подобные кубы стояли в компьютерах С-200 и ранних версиях С-300 до середины 1990-х. В 1970-м он стоил по паспорту 1040 рублей – 5 таких кубиков и ВАЗ-2101! ОЗУ здорового человека – Intel Magnetics Bubble Memory, 1982 год, магнитные домены. Именно такие модули были установлены в GRiD Compass 1101, первом ноутбуке в истории, разработанном по заказу NASA для использования в миссиях Шаттлов. Советский клон, чуть более неказистый, К1605ЗЦ11. Фото из коллекции автора.
В НИИТТ пошли похожим путем, и к 1971 году независимо разработали отечественный вариант твистора – ОЗУ общей ёмкостью 7 Мбит с высокими временными характеристиками: темп выборки 150 нс, время цикла 700 нс. Каждый блок имел ёмкость 256 Кбит, в шкафу размещалось по 4 таких блока, в комплект входило 7 шкафов.
Беда была в том, что еще в 1965 Арнольд Фарбер (Arnold Farber) и Ойген Шлиг (Eugene Schlig) из IBM создали прототип транзисторной ячейки памяти, а Бенджамин Августа (Benjamin Agusta) и его команда создали 16-битный кремниевый чип, базировавшийся на ячейке Фарбера-Шлига, содержащий 80 транзисторов, 64 резистора и 4 диода. Так родилась чрезвычайно эффективная SRAM – static random-access memory, что разом поставило крест на твисторах.
Что еще хуже для магнитной памяти – в той же IBM годом позднее под руководством доктора Роберта Деннарда (Robert Dennard) был освоен МОП-процесс, и уже в 1968 появился прототип динамической памяти – известной и применяемой сейчас в каждом компьютере DRAM (dynamic random-access memory).
В 1969 Advanced Memory system начала продажи первых килобайтных чипов, а еще через год основанная изначально для развития DRAM молодая компания Intel представила усовершенствованный вариант этой технологии, выпустив свой первый чип – микросхему памяти Intel 1103.
Содрать его в СССР осилили только через десять лет, выпустив в начале 1980-х первую советскую микросхему памяти Ангстрем 565РУ1 (4 Кбит) и 128 Кбайт блоки памяти на ее основе. До этого мощнейшие машины довольствовались ферритовыми кубами (Лебедев уважал только дух старой школы) или отечественными версиями твисторов, в разработке которых активное участие принимали П. В. Нестеров, П. П. Силантьев, П. Н. Петров, В. А. Шахнов, Н. Т. Коперсако и др.
Память с резервированием, 2 блока по 2 куба на 2 килобайта каждый, 1980-е. Примерно так выглядела ОЗУ наших военных компьютеров вплоть до 1990-х годов (фото http://www.oldtriod.ru). В то же время астронавт Джон Крейтон позирует с ноутбуком GRiD Compass 1101 на борту миссии Space Shuttle «Дискавери», 1985 год (фото https://ru.wikipedia.org/).
Ещё одной серьезной проблемой было построение памяти для хранения программ и констант.
Как вы помните, в К340А ПЗУ делалась на ферритовых сердечниках, информация в такую память вносилась при помощи технологии, очень похожей на швейную: провод натурально иглой прошивался через отверстие в феррите (с тех пор термин «прошивка» укоренился за процессом внесения информации в любые ПЗУ). Помимо трудоемкости процесса, изменить информацию в таком устройстве практически невозможно. Поэтому для 5Э53 была применена иная архитектура. На печатной плате реализовалась система ортогональных шин: адресных и разрядных. Для организации индукционной связи между адресными и разрядными шинами на их пересечение накладывался или не накладывался замкнутый виток связи (в НИИВК для М-9 устанавливали ёмкостную связь). Витки размещались на тонкой плате, которая плотно прижимается к матрице шин – меняя вручную карту (причем, не выключая компьютер), меняли информацию.
Для 5Э53 было разработано ПЗУ данных, общей ёмкостью 2,9 Мбит с довольно высокими для такой примитивной технологии временными характеристиками: темп выборки 150 нс, время цикла 350 нс. Каждый блок имел ёмкость 72 кбит, в шкафу размещалось по 8 блоков с общей ёмкостью 576 кбит, в комплект ЭВМ входило 5 шкафов. В качестве внешней памяти большой ёмкости было разработано ЗУ на уникальной оптической ленте. Запись и чтение происходило с помощью светодиодов на фотоплёнку, в результате ёмкость ленты при тех же габаритах повышалась на два порядка по сравнению с магнитной и достигала 3 Гбит. Для систем ПРО это было привлекательное решение, так как их программы и константы имели огромный объём, но очень редко менялись.
Основной элементной базой 5Э53 были уже известные нам ГИС «Тропа» и «Посол», но их быстродействия в некоторых случаях недоставало, поэтому специалистами СВЦ (включая того самого В. Л. Дшхуняна – позже отца первого оригинального отечественного микропроцессора!) и завода «Экситон» была разработана специальная серия ГИС на основе ненасыщенных элементов с пониженным напряжением питания, повышенным быстродействием и внутренним резервированием (серия 243, «Конус»). Для ОЗУ НИИМЭ были разработаны специальные усилители, серия «Ишим».
Для 5Э53 была разработана компактная конструкция, включающая 3 уровня: шкаф, блок, ячейку. Шкаф имел небольшие размеры: ширина по фронту – 80 см, глубина – 60 см, высота – 180 см. В шкафу размещалось 4 ряда блоков по 25 в каждом. Сверху размещались блоки питания. Под блоками размещались нагнетающие вентиляторы воздушного охлаждения. Блок представлял собой коммутационную плату в металлическом обрамлении, на одну из поверхностей платы укладывались ячейки. Межъячеечный и межблочный монтаж выполнялся методом накрутки (даже не пайки!).
Аргументировалось это тем, что оборудования для автоматизированной высококачественной пайки в СССР не было, а паять это руками – можно сойти с ума, да и качество пострадает. В итоге испытаниями и эксплуатацией аппаратуры была доказана значительно более высокая надёжность советской накрутки, по сравнению с советской пайкой. Кроме того, монтаж накруткой был значительно технологичнее в производстве: и при настройке, и ремонте.
В низкотехнологичных условиях накрутка куда безопаснее: нет горячего паяльника и припоя, нет флюсов и не требуется их последующая отмывка, исключаются замыкания проводников от излишнего растекания припоя, нет локального перегрева, иногда портящего элементы и т.п. Для реализации монтажа методом накрутки предприятиями МЭП были разработаны и производились специальные разъёмы и монтажный инструмент в виде пистолета и карандаша.
Ячейки выполнялись на платах из стеклотекстолита с двусторонним печатным монтажом. В целом это был редкий пример чрезвычайно удачной архитектуры именно системы в целом – в отличие от 90 % разработчиков ЭВМ в СССР создатели 5Э53 позаботились не только о мощности, но и об удобстве монтажа, обслуживания, охлаждении, разводке питания и прочих мелочах. Запомните этот момент, он пригодится при сравнении 5Э53 с творением ИТМиВТ – «Эльбрус», «Электроника СС БИС» и другими.
Одного СОК-процессора для надежности оказалось мало и пришлось мажорировать в тройном экземпляре все компоненты машины.
В 1971 году 5Э53 была готова.
По сравнению с «Алмазом» была изменена система оснований (на 17, 19, 23, 25, 26, 27, 29, 31) и разрядность данных (20 и 40 бит) и команд (72 бит). Тактовая частота СОК-процессора 6,0 МГц, производительность 10 млн алгоритмических операций в секунду на задачах ПРО (40 MIPS), 6,6 MIPS на одном модулярном процессоре. Число процессоров – 8 (4 модулярных и 4 двоичных). Потребляемая мощность – 60 кВт. Среднее время безотказной работы – 600 часов (у М-9 Карцева – 90 часов).
Разработка 5Э53 была проведена в рекордно короткий срок – за полтора года. В начале 1971 года она завершилась. 160 типов ячеек, 325 типов субблоков, 12 типов блоков питания, 7 типов шкафов, инженерный пульт управления, масса стендов. Изготовлен и испытан макетный образец.
Огромную роль в проекте сыграли военпреды, оказавшиеся не только дотошными, но и толковыми: В. Н. Каленов, А. И. Абрамов, Е. С. Кленцер и Т. Н. Ремезова. Они постоянно отслеживали соответствие изделия требованиям технического задания, вносили в коллектив опыт, полученный при участии в разработках на предыдущих местах, и сдерживали радикальные увлечения разработчиков.
Вспоминает Ю. Н. Черкасов:
Работать с Вячеславом Николаевичем Каленовым было сплошное удовольствие. Его требовательность всегда была осознана. Он стремился понять существо предлагаемого и, если находил его интересным, шёл на любые мыслимые и не мыслимые меры для реализации предложения. Когда я, за два месяца до завершения разработки аппаратуры передачи данных, предложил её коренную переработку, в результате которой её объём сокращался втрое, он досрочно закрыл мне невыполненные работы под обещание провести переработку за оставшиеся 2 месяца. В результате вместо трех шкафов и 46 типов субблоков остался один шкаф и 9 типов субблоков, выполняющий те же функции, но с более высокой надёжностью.
Каленов настоял и на проведении полных квалификационных испытаний машины:
Я настаивал на проведении испытаний, а главный инженер Ю. Д. Сасов категорически возражал, считая, что все и так хорошо и испытания – лишняя трата сил, средств и времени. Меня поддержал зам. главного конструктора Н. Н. Антипов, имеющий большой опыт разработки и производства военной аппаратуры.
Юдицкий, также имеющий богатый опыт отладки, поддержал инициативу и оказался прав: испытания проявили массу мелких недоработок и дефектов. В результате ячейки и субблоки были доработаны, а главного инженера Сасова прогнали с должности. Для облегчения освоения ЭВМ в серийном производстве в СВЦ была командирована группа специалистов ЗЭМЗ. Малашевич (в это время срочник) вспоминает, как его друг Г. М. Бондарев рассказывал:
Это удивительная машина, ни о чём подобном мы не слышали. В ней масса новых оригинальных решений. Изучая документацию, мы много узнали нового, многому научились.
Он говорил это с таким восторгом, что Б. М. Малашевич по окончании службы не вернулся на ЗЭМЗ, а поступил на работу в СВЦ.
Единственное известное фото инженерного пульта ЭВМ «Алмаз» и единственное же известное фото прототипа 5Э53, обратите внимание, что пульт почти без переделок взят от «Алмаза» (фото https://www.computer-museum.ru)
На балхашском полигоне вовсю шла подготовка к запуску 4-х машинного комплекса. Оборудование «Аргунь» в основном уже было смонтировано и настраивалось, пока в связке с 5Э92б. Машинный зал для четырёх 5Э53 был готов и ждал поставки машин.
В архиве Ф. В. Лукина сохранился эскиз планировки электронного оборудования МКСК, в которой обозначены и места размещения ЭВМ. 27 февраля 1971 года восемь комплектов конструкторской документации (по 97 272 листа) были доставлены на ЗЭМЗ. Началась подготовка производства и…
Заказанная, одобренная, прошедшая все испытания, принятая к производству машина так и не была никогда выпущена! О том, что же случилось – мы поговорим в следующий раз.
Информация