Сергей Алексеевич лебедев


Научная школа академика С. А. Лебедева в развитии вычислительной техники



страница19/34
Дата01.08.2016
Размер8.48 Mb.
1   ...   15   16   17   18   19   20   21   22   ...   34

Научная школа академика С. А. Лебедева в развитии вычислительной техники

Академик В. С. Бурцев

Школа академика С.А. Лебедева оказала большое влияние на развитие вычис-лительной техники в России. Академик С. А. Лебедев определил основное направле-ние развития отечественной вычислительной техники, создание быстродействующих ЭВМ и комплексов, имея в виду, что именно это направление является передовым фронтом развития новой отрасли. Жизнь подтвердила правильность выбранного направления. В настоящее время предоставляется возможность более полно, чем



Бурцев В. С. Научная школа академика С. А. Лебедева 239

раньше, познакомить читателя с историей развития вычислительной техники в нашей стране и рассказать о тех работах специалистов школы академика С.А. Лебедева, которые ранее не были опубликованы.

Работы, проводимые школой С. А. Лебедева, не могли быть полностью опублико-ваны до настоящего времени, так как многие из них выполнялись по заказам оборон-ных ведомств и были связаны с системами противоракетной и противосамолетной обороны, освоением космоса, созданием ядерных вооружений. Настоящее сообщение делает попытку наиболее полно рассказать о работах школы С. А. Лебедева и в какой-то мере заполнить определенный пробел в истории развития отечественной вычис-лительной техники.

Первая электронная вычислительная машина дискретного действия, получившая название Малая электронная счетная машина (МЭСМ), была создана под руковод-ством С. А. Лебедева в 1950 г. в Институте электротехники АН Украины [1, 2, 5]. На этой машине С. А. Лебедев проверил многие принципы организации вычислительного процесса при работе в двоичной системе счисления. Данная работа послужила хоро-шим экспериментом, позволившим ему уже через три года создать Быстродействую-щую электронную счетную машину (БЭСМ) для решения многих задач эксперимен-тальной физики и ряда других задач, которые ранее из-за большой трудоемкости счета решить было невозможно. Если МЭСМ имела производительность 50 оп./с, последовательное 17-разрядное арифметическое устройство (АУ) с фиксированной запятой, всего четыре арифметические операции и одну команду управления при емкости оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) в тридцать одно слово 1), то БЭСМ обладала производительностью в 10 тысяч оп./с, имела параллельное 39-разрядное АУ с плавающей запятой, емкость ОЗУ 1024 слова и выполняла 32 различные операции. БЭСМ имела достаточно развитую систему внешней памяти — магнитный барабан и магнитную ленту, устройства ввода-вывода на перфокартах и перфоленте и печатающее устройство. В БЭСМ существовали специальные ко-манды, обеспечивающие переход к подпрограммам с возвратом в исходную точку программы.

Согласно жесткой последовательности работы устройств БЭСМ (рис. 1а), сна-чала из ОЗУ считывался код команды, согласно которому устройство управления командами организовывало необходимые обращения к ОЗУ за считыванием первого и второго числа, выдавало необходимую временную диаграмму для выполнения операции на АУ, записывало результат и считывало следующую команду. При об-ращении к магнитной ленте, магнитному барабану или внешним устройствам ввода-вывода, центральное управление обеспечивало все операции поиска информации, ее считывания или записи, для чего использовалось АУ.

В 1953-1956 гг. в Институте точной механики и вычислительной техники (ИТМ и ВТ) АН СССР проводились работы по автоматическому съему данных с радиолокационной станции (РЛС) и сопровождению целей, которые открыли путь к созданию радиолокационных и ракетных комплексов на новой информационно-вычислительной основе.

В 1955 г. на макете радиолокационной станции обзорного действия был проведен эксперимент одновременного сопровождения нескольких реальных целей (самоле-тов) при опережающем расчете их траектории. Выдача координат осуществлялась в дискретном цифровом виде (ЭВМ «Диана I» и «Диана II») [8]. Эти работы поз-волили в 1960 гг. построить радиолокационный комплекс наведения противоракеты на баллистическую ракету противника с точностью попадания в цель менее 25 мет-

1) Впоследствии (в 1951 г.) число разрядов было увеличено до 21, а количество команд до 13.



мл

в) М-20


Рис. 1. Временные диаграммы работы БЭСМ, М-40, и М-20. NК — время считывания

команды, А1 и А2 — времена обращений к ОЗУ за операндом, АЗ — время записи результата,

АУ — время работы АУ, МЛ — операция с магнитной лентой (запись или считывание)

ров. Для решения этой проблемы потребовалось создать высокопроизводительную вычислительную сеть. Производительность центральной ЭВМ этой сети достигала 40 тысяч оп./с при объеме ОЗУ в 4096 40-разрядных слов. Создание этой машины под названием М-40 было закончено в 1958 г. Для достижения столь высокой про-изводительности были существенно пересмотрены принципы организации системы управления ЭВМ.

Каждое устройство машины —управление командами (УК), АУ, ОЗУ, управление внешними устройствами (УВУ), включая МБ и МЛ и другие устройства, получили автономное управление, что позволило реализовать их параллельную работу. С этой целью был создан мультиплексный канал обращения к ОЗУ со стороны УК, АУ и УВУ.

Согласно временной диаграмме работы М-40 (рис. 16), обращения к ОЗУ со стороны УК (А1, А2, АЗ и NК) и работа МБ и МЛ и других внешних устройств, включая линии передачи данных, происходят, как правило, на фоне работы АУ.

В экспериментальном комплексе противоракетной обороны (ПРО) эта машина, через процессор приема и передачи данных, осуществляла обмен информацией по пяти дуплексным и асинхронно работающим радиорелейным каналам связи с объ-ектами, находящимися от нее на расстоянии от 100 до 200 километров. Общий






темп поступления информации через радиорелейные линии превышал 1 Мбит/с (рис. 2) [6, 7].

Проблема обмена информацией с асинхронно работающими объектами была ре-шена с помощью процессора приема и передачи данных (ППД), работа которого основывалась на принципе мощного мультиплексного канала, имеющего свою па-мять, доступную для всех каналов.












Рис. 2. Вычислительная сеть экспериментальной системы ПРО. РТН — радиолокаторы точного наведения, СМ — специальные вычислительные машины, СД — станция дальнего обнаружения, М-4 — электронная вычислительная машина М-4, РПР — радиолокатор про-тиворакеты (передача сигналов на противоракету), СТ — стартовая установка противоракет, ППД — процессор приема и передачи данных, М-40 и М-50 — универсальные электронные вычислительные машины М-40 и М-50, Б — запоминающее устройство на магнитном ба-рабане, УУБ — устройство управления барабаном, КРА — контрольно-регистрирующая аппаратура, РЛ — радиорелейные линии

Одновременно с проведением боевой работы М-40 записывала на внешнее запоми-нающее устройство (магнитный барабан) экспресс-информацию, которая обрабаты-валась на ЭВМ М-50 (модернизация М-40, обеспечивающая выполнение операций над числами с плавающей запятой). Система регистрации боевой работы (КРА) давала возможность в реальном масштабе времени «проигрывать» и анализировать каждый пуск, для чего ЭВМ М-40 и М-50 имели развитую систему прерываний.



Одновременно с вычислительным комплексом ПРО (1955—1958 гг.) в институ-те была разработана универсальная ЭВМ М-20 для гражданского использования. Машина выполняла 20 тысяч оп./с и имела ОЗУ емкостью 4096 45-разрядных слов, арифметическое устройство с плавающей запятой, развитую систему внешних устройств, печатающее устройство с автономным управлением. На фоне работы арифметического устройства осуществлялась выборка следующей команды. Обес-печивалось автономное управление вводом-выводом (рис. 1 в).



Рис. 3. Вычислительная сеть ПРО. ММК — многомашинный комплекс

ЭВМ М-20 хорошо зарекомендовала себя в эксплуатации и более десяти лет была основной ЭВМ общего назначения в СССР. М-20 была модернизирована (выполнена на полупроводниковой элементной базе), после чего она серийно выпускалась под названием БЭСМ-4 и М-220.

При создании штатных вычислительных средств ПРО особое внимание было уделено устойчивости их работы при сбоях и отказах. Вычислительная сеть штатной системы ПРО (рис. 3) имела протяженность несколько сот километров. Она состояла из вычислительных комплексов, каждый из которых был построен из идентичных боевых ЭВМ, обладающих полным пооперационным аппаратным контролем. Резер-вирование в комплексе обеспечивалось на уровне машин.

На рис. 4 показана структурная схема центрального 12 машинного комплекса си-стемы ПРО со скользящим резервированием. На десять функционально работающих машин (М1-М10) предусматривалось две машины (М11-М12) для горячего резер-вирования, которые работали в режиме «подслушивания» и были готовы в течение






нескольких десятков миллисекунд заменить любую из вышедших из строя ЭВМ. Сигнал неисправности ЭВМ вырабатывался аппаратно системой пооперационного контроля каждой ЭВМ и посылался в систему прерывания всех машин.

ГВЦ Система обнаружения Скользящий резерв

(управление ПР) (управление СДО) (режим подслушивания)



С\и^тема прерывали А



Рис.4. Система сквозного резервирования на уровне машин. М1 —М12 — универсальные ЭВМ 5Э926, АК — система аппаратного контроля

По межмашинному обмену, наряду с данными боевого цикла, передавалась не-обходимая экспресс-информация для ЭВМ, находящейся в резерве. Надо отметить тот факт, что резерв был общим и для ЭВМ, работающих в разных вычислительных комплексах.


Центр контроля космического пространства (ЦККП)


Эти ЭВМ, под названием 5Э92б, имели производительность 0,5 млн оп./с над числами с фиксированной запятой и ОЗУ объемом 32 тысячи 48-разрядных слов. Все основные устройства ЭВМ имели автономное управление, а управление внешними устройствами осуществлялось УВУ, имеющим довольно развитую специализирован-ную систему команд. Серийный выпуск этих машин для управления различными стационарными средствами вооружения был начат с 1966 г. Машина была модерни-зирована в части введения арифметики с плавающей запятой и мультипрограммного режима. Модернизированная ЭВМ имела название 5Э51 и серийно выпускалась с 1967 г. для построения мощных вычислительно-информационных центров повы-шенной надежности. Благодаря автономной работе ее основных устройств, в первую очередь УВУ, эти машины успешно использовались при создании многомашинных комплексов с единой внешней памя-тью, состоящей из большого количества магнитных барабанов, дисков и лент. Структурная схема одного из таких комплексов для Центра контроля кос-мического пространства (ЦККП), пока-зана на рис. 5.


Рис. 5. Многомашинная работа на единую внешнюю память. М1-М4 — ЭВМ 5Э51, УВУ — устройства управления внешними устройствами, ВУ — внешние устройства (внешняя память и устройства ввода-вывода)

В это же время в ИТМ и ВТ на ана-логичной полупроводниковой элемент-ной базе создается универсальная ЭВМ БЭСМ-6 (рис.6), которая в течение двадцати лет широко использовалась

как основная быстродействующая ЭВМ в различных вычислительных центрах Советского Союза.

За счет оригинальной схемотехники и конструкции БЭСМ-6 имела произво-дительность 1 млн оп./с, объем ОЗУ 32 тысячи 50-разрядных слов, АУ параллельного типа с плавающей запятой. Существенного увеличения производительности БЭСМ-6 удалось достичь за счет использования конвейерного принципа организации вычис-








лительного процесса и введения интерливинга в модульную память (интерливинг на 8 модулей). Для записи чисел были использованы регистры с ассоциативной выборкой (типа кэш).

Эффективная работа с виртуальной памятью обеспечивалась при аппаратной поддержке защиты памяти в многопрограммном режиме работ. С этой же целью был введен специальный привилегированный режим работы для отдельных блоков опе-рационной системы [3]. На той же элементно-конструктивной основе был разработан многомашинный комплекс АС-6, позволявший объединять ОЗУ нескольких машин в общую память высокопроизводительными каналами с пропускной способностью в 1,3 млн слов в секунду каждый. В комплексе предусматривался второй уровень коммутации внешних устройств посредством стандартизованных каналов произво-дительностью 1,5 Мбайт/с. Для комплекса АС-6 был создан новый процессор с от-личной от БЭСМ-6 системой команд. Система АС-6 была реализована в трех взаимно дублирующих вычислительных центрах обработки космической информации.



Физический адрес

МОЗУ

Рис. 6. Блок-схема центральной части машины БЭСМ-6. А — адрес операнда, АЗ — буфер адресов записи результатов, АК — буфер адресов выбранных команд, АМ — адрес регистра-модификатора, УВУ — устройство управления внешними устройствами, БАК — буфер команд, выполняемых в АУ, БРК — буферные регистры команд, БРЗ — буфер регистров результатов, БРЧ — буферные регистры чисел, М — регистры модификаторов, МОЗУ — магнитное оперативное запоминающее устройство, М-О-М-7 — модули оперативной памяти, РК — регистр команды, СМА — сумматор адреса, СчАК — счетчик адреса команд

Таким образом, С. А. Лебедев, как главный конструктор всех разработок, умело использовал финансовые и приоритетные возможности военных заказов, разраба-тывая параллельно более дешевые высокопроизводительные ЭВМ гражданского применения.

В 1969 г. ИТМ и ВТ приступил к созданию серийной возимой вычислительной системы для противосамолетного комплекса С-300. Так как требовалась повышенная









Рис. 7. Система резервирования на уровне модулей устройств возимой ЭВМ 5Э26. АУ — арифметическое устройство, УУ — устройство управления, АК — пооперационный ап-паратный контроль, КМ — разнесенный (по модулям) центральный коммутатор, ПК — не разрушаемая память команд, УВУ — устройство управления внешними устройствами, ОЗУ — оперативное запоминающее устройство

Естественным продолжением работ по многопроцессорной архитектуре ЭВМ бы-ло использование этого принципов модульности и масштабируемости для увеличе-ния производительности создаваемых комплексов. При ограниченных возможностях элементной базы это был единственный путь повышения производительности ком-плексов.

Такими многопроцессорными комплексами стали МВК «Эльбрус-1» и «Эльбрус-2». Увеличение производительности многопроцессорных комплексов про-порционально числу центральных процессоров ограничивалось двумя факторами: пропускной способностью коммутатора между процессорами и ОЗУ и сложностью организации корректной работы сверхоперативной памяти типа кэш. Трудности, возникающие при решении этих двух проблем, существенно увеличиваются с ростом количества процессоров. Пропускная способность коммутатора «Эльбрус-2» достигала 2 Гбайт/с. В МВК «Эльбрус-2» реализована такая схема корректности работы этого буфера, которая практически не замедляет работу комплекса и мало зависит от числа центральных процессоров [4].

Аналогичные схемы, используемые в современных комплексах фирмы Нewlett Расkагd (SРР-2000) и Silicon Graphics, существенно уступают по эффективности схеме МВК «Эльбрус-2».

На первом этапе был реализован 10-процессорный комплекс «Эльбрус-1» произ-водительностью в 15 млн оп./с на элементно-конструкторской базе 5Э26 (на ТТЛ элементах с задержкой 10-20 не на вентиль). На втором этапе был создан МВК «Эльбрус-2», производительностью 120 млн оп./с и с объемом ОЗУ 160 Мбайт, построенный на элементной базе типа Моtогоlа 10000 с задержкой 2-3 нc на вен-тиль.

МВК «Эльбрус» (рис. 8) построен по модульному принципу и в зависимости от комплектации может включать необходимое количество центральных процессоров (1-10), модулей оперативной памяти (4-32), процессоров ввода-вывода (ПВВ) (1-4),



Общее количество устройств - 1016

Рис. 8. Структура МВК «Эльбрус». ЦП — центральный процессор, ОП — оперативная память, КМ — коммутатор, обеспечивающий доступ каждого ЦП к каждому модулю ОП и ПВВ, ПВВ — процессор ввода-вывода, ППД — процессор передачи данных, УБ — устройство управления магнитными барабанами, УД — устройство управления магнитными дисками, УУ НМЛ — устройство управления магнитными лентами, НМБ — накопитель на магнитных барабанах, НМД — накопитель на магнитных дисках, НМЛ — накопитель на магнитной ленте, УВВ — устройства ввода-вывода

устройств внешней памяти (магнитных барабанов, дисков, магнитных лент), про-цессоров передачи данных (ППД) (1-16) и устройств ввода-вывода, подключенных либо непосредственно к ПВВ, либо через линии передачи данных посредством ППД. Компоненты комплекса, включая разнесенные по ним узлы центрального



Бурцев В.С. Научная школа академика С. А. Лебедева 247

коммутатора, имели стопроцентный аппаратный контроль и при появлении хотя бы одиночной ошибки в ходе вычислительного процесса выдавался сигнал неис-правности. По этому сигналу операционная система производит реконфигурацию системы, и неисправный модуль исключается из работы. Описанная структура поз-воляет осуществить резервирование на уровне однотипных модульных устройств. Время подключения резервного модуля не превосходит 0,01 с, что обеспечивает бессбойную работу комплекса с заданной надежностью для всех боевых систем. МВК «Эльбрус-2» аппаратно реализует автокод, являющийся языком высокого уровня. Операционная система, включая диспетчер работы с внешними устройствами, имеет эффективную аппаратную поддержку. В качестве одного из центральных процессо-ров может быть подключен спецпроцессор с системой команд БЭСМ-6 или векторный процессор.

В 1980-1984 гг. в составе МВК «Эльбрус» на его элементно-конструкторской базе был разработан векторный процессор и в 1985 г. запущен в производство. Этот процессор развивал максимальную производительность более 200 млн оп./с, что говорит о целом ряде оригинальных архитектурных и схемотехнических решений, реализованных в нем (на элементной базе с задержкой 0,7 нc процессор Сгау 1 имел максимальную производительность на один конвейер 80 млн оп./с). К сожалению по ряду причин ни одного процессора изготовлено не было [10].

Были выполнены новые разработки школы С.А. Лебедева: «Электроника СС-БИС» («Красный Сгау») — главный конструктор академик В.А. Мельников [12], и вычислительная система «Эльбрус 3.1» на базе модульного конвейерного процес-сора (МКП) — главный конструктор А. А. Соколов [11]. Последняя разработка имела целый ряд оригинальных схемотехнических и архитектурных решений и аппаратно обеспечивала параллельную обработку нескольких независимых ветвей программы. Первые образцы были изготовлены и испытаны, но серийный выпуск их не был осуществлен.

Основным направлением работы школы С.А. Лебедева, как уже упоминалось, было создание сверхвысокопроизводительных ЭВМ и комплексов. С.А. Лебедев не случайно выбрал такое направление разработок своего института. Он гениально предвидел, что сверхвысокопроизводительные ЭВМ и системы являются передовой линией развития всей вычислительной техники. Его предвидение оправдалось. Дей-ствительно, все передовые архитектурные и схемотехнические решения суперЭВМ используются в настоящее время в рабочих станциях и персональных компьюте-рах. Как видно из приведенных примеров, основным средством достижения высо-кой производительности является аппаратное распараллеливание вычислительных процессов: выполнение операций параллельно над всеми разрядами в БЭСМ, па-раллельная работа основных устройств ЭВМ в М-40 и М-20, параллельная работа модулей многомашинных комплексов и конвейеризация вычислительных процессов в 5Э92б, БЭСМ-6 и АС-6, параллельная работа модулей многопроцессорных ком-плексов и конвейеризация вычислительных процессов в них в МВК «Эльбрус-1» и «Эльбрус-2», в векторных процессорах МВК «Эльбрус-2», «Электроника ССБИС» и МКП [3, 4, 9, 10, 11, и 12].

Все эти архитектурные решения, разработанные школой С. А. Лебедева, широко используются во всем мире в создании современных вычислительных средств раз-личного уровня, от рабочих станций до суперЭВМ.

В последнее время высказываются мнения о том, что время высокопроизводитель-ных комплексов (суперЭВМ) прошло. Нисколько не унижая роль рабочих станций (РС) в развитии вычислительной техники, надо сказать, что на этих средствах, в какие бы замечательные локальные сети они не объединялись, решить все виды сложных задач не представляется возможным, так как имеется определенный спектр





248



вычислительных процессов, требующий высокой производительности при работе над большим объемом сильно связанных данных [21].

По мере увеличения общей производительности вычислительных средств уве-личиваются требования и к высокопроизводительным вычислительным системам. Как видно из рис. 9, требования по производительности и памяти суперЭВМ с 1989 по 1995 гг. возросли на три порядка и достигли пентафлопного диапазона. Именно над таким проектом работают ученые США. Поэтому говорить о том, что на-










1.. Аэродинамика-летательные аппараты

  1. Моделирование технологий конструиро-
    вания космических кораблей

  2. Трехмерные сближения, столкновения

и проникновение динамических объектов

  1. Модель климата атмосферы и океана

  2. Экономический анализ деятельности человека




  1. Трехмерная магнитогидродинамика

  2. Структурная биология

  3. Трехмерные модели атмосферы

и климата

9. Экология

10. Применения в военных целях


Рис. 9. Динамика изменений требований к производительности и памяти суперЭВМ

правление, принятое С.А. Лебедевым, себя изжило, было бы ошибочным. Школа С.А. Лебедева в настоящее время имеет проект создания высокопроизводительного вычислительного комплекса на современном технологическом уровне 0,25 мкм, поз-воляющем достичь реальной производительности, сравнимой с производительностью самых мощных современных вычислительных систем. Отличительной особенностью этого проекта является обеспечение автоматического распараллеливания независи-мых вычислительных процессов от обработки векторов до выполнения скалярных операций. Новый принцип организации вычислительного процесса состоит в сле-дующем.

Любой вычислительный процесс, как показано на рис. 10, может быть представлен в виде графа, в вершинах которого стоят операторы, производящие действия над данными, а данные по мере их обработки операторами по дугам перемещаются к следующим операторам. Таким образом, в отличие от принципа фон Неймана, где операторы и данные вызывались последовательно, в новой архитектуре осу-ществляется параллельная обработка данных по мере их поступления к операто-рам.

Рис. 10. Граф вычислительного процесса; а1,2,3,4; b1,2,3; c1,2 — адреса операторов

Команда новой машины состоит из указания вида действия над данными и ука-зателя на следующий оператор (узел), к которому необходимо передать результат обработки. Данные же, в свою очередь, имеют указатели, к какому узлу поступить на дальнейшую обработку, и окраску, которая позволяет идентифицировать данные одного комплекта, поскольку одной и той же программой могут пользоваться нес-колько комплектов данных [13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 22, 23, 25].

Блок-схема новой суперЭВМ, отвечающей описанному выше принципу обработки данных, представлена на рис. 11.

Основной цикл работы такой машины сводится к следующему:

— после того как данные найдут себе пару и необходимую команду в ассоциа-тивной памяти (АП), они поступают на коммутатор К1, который передает их на любое свободное исполнительное устройство. Исполнительное устройство выполняет операцию в соответствии с указанием команды и результат вместе с адресом следую-щей команды отправляет на коммутатор К2, который передает их в ассоциативную



память. В том случае, если в АП находятся данные с искомым ключом, то они считываются, и объединенный комплект данных (как правило два) выдается для выполнения следующего оператора на одном из исполнительных устройств. Считы-вание данного (или данных) из памяти в этом случае сопровождается его (или их) стиранием. Если же парного данного по ключу не найдено, то данное вместе с ключом записывается в свободную ячейку АП.



Рис. 11. Блок-схема машины. БП — буфер «пар», выбранных из АП

Произведенные оценки возможности реализации АП емкостью 109 слов и ра-ботающей с частотой 1ГГц говорят о том, что АП является самым узким местом в системе. Поэтому в приведенной структуре суперЭВМ приняты следующие меры, позволяющие решить эту проблему:


  • АП должна быть модульной, для чего введен коммутатор К2;

  • введены специальные векторные исполнительные устройства, работающие со
    своей векторной оперативной памятью. В ассоциативной памяти хранятся только
    скаляры и описатели векторов;

  • командная память выделена в отдельные блоки, не входящие в ассоциативную
    память;

  • предложен целый ряд других архитектурных решений, направленных на умень-
    шение требований к объему АП.

Вторым сдерживающим фактором увеличения производительности такого супер-процессора является пропускная способность бесконфликтных коммутаторов К1 и К2. В настоящее время нами разработан оптоэлектронный коммутатор, обеспечиваю-щий коммутацию любого канала с любым другим, имеющий пропускную способность в 10 Гбит в секунду [13, 14, 24].

Таким образом, построенный на существующей элементно-конструкторской ба-зе комплекс может достигать пентафлопной производительности при достаточно эффективном использовании оборудования. Аналогичные американские проекты



Бурцев В. С. Научная школа академика С. А. Лебедева 251

планируют достичь пентафлопной производительности не ранее 2005—2013 гг. на элементной базе с разрешающей способностью выше чем 0,05 микрон.

Дальнейшим развитием принципа параллельной обработки информации явля-ется разработанный нами проект сетевой машины, с использованием принципов организации смешанных вычислений, в которой наряду с данными преобразуется и сама программа.

Подводя итог, можно с уверенностью сказать, что школа академика С.А. Лебе-дева была и остается до настоящего времени на высоком мировом научном уровне развития вычислительной техники.



Список литературы

  1. Малиновский Б. Н. История вычислительной техники в лицах. — Киев, 1995.

  2. Академия наук УССР. Библиография ученых Украинской ССР. Сергей Алексеевич
    Лебедев. — Киев: Наукова Думка, 1978.

  3. Королев Л. Н., Мельников В.А. Об ЭВМ БЭСМ-6. Управляющие системы и машины.
    Отдельный оттиск. — Киев: Наукова Думка, 1976.

  4. Бурцев В. С. Принципы построения многопроцессорных вычислительных комплексов
    «Эльбрус». Доклад на научно-техническом семинаре Многопроцессорные вычислитель-
    ные комплексы. — М., 21-22 ноября 1977. Препринт № 1 за 1977.

  5. Лебедев С.А., Дашевский Л.Н., Шкабара Е.А. Малая счетная машина. — М.: Изд-во
    АН СССР, 1952.

  6. Голубев О.В., Каменский Ю.А., Минасян М. Т., Пупков Б. Д. Российская система проти-
    воракетной обороны (прошлое и настоящее — взгляд изнутри). — М.: Техноконсалт, 1994.

  7. Кисунько Г. В. Секретная зона. — М.: Современник, 1996.

  8. Бакулев П.А., Сотский Н. М., Горохов Ю. И. О некоторых работах в СССР по внедрению
    средств цифровой автоматики в радиолокацию и в радиотехнические комплексы управ-
    ления летательным аппаратом.

  9. Бурцев В. С. Анализ результатов испытаний МВК «Эльбрус-2» и дальнейшие пути его
    развития / Препринт ОВМ АН СССР № 208. — М., 1988.




  1. Бурцев В.С., Кривошеее Е.А., Асриэли В.Д., Борисов П.В., Трегубое К.Я. Векторный
    процессор МВК «Эльбрус-2». СуперЭВМ / Сб. научных трудов ОВМ АН СССР. 1989.

  2. Бяков А.Ю., Кропачев Ю.А. Модульный конвейерный процессор. Предварительное
    описание / Под общей редакцией Г. Г. Рябова. — М.: ИТМ и ВТ АН СССР, 1990.

  3. Мельников В.А., Митропольский Ю.И., Шнитман В.З. Архитектура высокопроизво-
    дительной вычислительной системы «Электроника СС БИС-1» // Программные продук-
    ты и системы. 1992. № 1.

  4. Бурцев В. С. Тенденции развития суперЭВМ. Оптические принципы обработки инфор-
    мации в архитектуре суперЭВМ / препринт ВЦКП РАН № 24. — М., 1992.

  1. Burtsev V.S., Fyodorov V. В. Аssociativе memory of new generation supercomputers based on

optical information processing principles // Holography and Optical Information Processing. 1991. V. 1731, Р. 201-216.

  1. Бурцев В.С.. Тенденции развития суперЭВМ. Вычислительные машины с нетрадици-
    онной архитектурой суперЭВМ. — М.: Наука, 1990. Сб. 1. С. 3-26.

  2. Рорadороиlos G., Си11еr D. Моnsооn: аn Ехрlicit; Тоkеn-Stоге Агсhitectuге // Sigarch
    Соmрutег Агсhitectuге News. 1990. V. 18. Nо 2.

  3. Си11еr D. ТЬе Ехрlicit Тоkеn Stоге // Journal of Рага11е1 аnd Distributed Computing. 1990.
    V. 10, Р. 289-308.

  4. Рорadороиlos G., Тraub К.. Multithreading: А Revisionist View of Dataflow Агсhitectuгеs //
    Sigarch Computег Агсh. News. 1991. V. 19. Nо 3.

  5. Бурцев В.С., Тарасенко Л.Г. Использование микропроцессоров традиционной архитек-
    туры в системе потока данных. Параллелизм вычислительных процессов и развитие
    архитектуры суперЭВМ. — М., 1997. С. 121-139.

252 Раздел 3. Научная школа С.А. Лебедева

  1. Бурцев В. С. Новые подходы к оценке качества вычислительных средств. Параллелизм
    вычислительных процессов и развитие архитектуры суперЭВМ. — М., 1997. С. 28-40.

  2. Бурцев В. С. О необходимости создания суперЭВМ в России. Параллелизм вычисли-
    тельных процессов и развитие архитектуры суперЭВМ. — М., 1997. С. 18-27.

  3. Вычислительные машины с нетрадиционной архитектурой. СуперЭВМ / Сб. научных
    трудов ВЦКП. Вып. 2. — М., 1994.

  4. Бурцев В. С. Выбор новой системы организации выполнения высокопараллельных
    вычислительных процессов, примеры возможных архитектурных решений построений
    суперЭВМ. Параллелизм вычислительных процессов и развитие архитектуры супер-
    ЭВМ. — М., 1997. С. 41-78.

  5. Бурцев В. С. Использование оптических методов обработки информации в архитектуре
    суперЭВМ. Параллелизм вычислительных процессов и развитие архитектуры супер-
    ЭВМ. — М., 1997. С. 79-104.

  6. Бурцев В. С. Особенности проектирования векторного исполнительного устройства
    в системе массового параллелизма с автоматическим распределением ресурсов. Парал-
    лелизм вычислительных процессов и развитие архитектуры суперЭВМ. — М., 1997.
    С. 140-147.

Первые шаги автоматизации проектирования ЭВМ

Г.Г. Рябов

Создание первых отечественных универсальных ЭВМ под руководством акаде-мика С.А. Лебедева заложило инженерный базис в этой новой научно-техниче-ской области, выявило многоэтапность и сложность самого процесса разработки ЭВМ. Прохождение проекта ЭВМ через концептуальную, структурно-логическую и техническую фазы в течение длительного календарного срока, привлечение групп специалистов различного профиля, ищущих наилучшие решения в многомерной области «логика-элементы-конструкция» — все это уже достаточно четко опреде-лилось к концу 50-х годов в результате разработки БЭСМ АН СССР, БЭСМ-2, М-20, М-40.

Но оформление многих задач проектирования как задач прикладной математики произошло уже в следующем десятилетии и во многом соответствовало устремле-ниям молодых специалистов, пришедших в эти годы в Институт точной механики и вычислительной техники АН СССР после окончания механико-математического факультета МГУ, МФТИ и других ведущих вузов страны.

На мехмате уже в эти годы, наряду с лекциями гениальных А. Н. Колмогорова, Л. С. Понтрягина, П. С. Александрова, читались первые курсы по основам вычис-лительной математики и программированию А.Н. Тихоновым, А.А. Ляпуновым, А. П. Ершовым. Определенный фундамент в этой новой области, если еще и не был со-здан, то, по крайней мере, создавался самым интенсивным образом. Обязательными были практикумы по вычислительным методам на легендарных электромеханиче-ских машинах «Рейнметалл».

И вот судьба распорядилась так, что целый ряд выпускников мехмата оказался в коллективе, возглавляемом академиком С. А. Лебедевым. Среди них были Е.А. Вол-ков, Л.Н. Королев, А.Н. Томилин, Ю.М. Барабошкин, Д.Б. Подшивалов, А.М. Сте-панов, Г. Г. Рябов и другие.

Стоит более подробно остановиться на этом периоде, чтобы понять уникальность условий, которые в дальнейшем сыграли определяющую роль как в профессиональ-ной судьбе многих из нас, так и в создании платформы для использования ЭВМ в широком спектре задач, связанных с разработкой и изготовлением самих ЭВМ.

Фундаментальные инженерные основы создания ЭВМ к этому периоду были заложены академиком С.А. Лебедевым и его ближайшими соратниками в серии

Рябов Г.Г. Первые шаги автоматизации проектирования ЭВМ 253

книг, содержащих детальное описание универсальных ЭВМ. Если первая БЭСМ не только проектировалась, но и монтировалась непосредственно в ИТМ и ВТ, то уже ее модификация БЭСМ-2 передавалась для изготовления на завод, и проблемы про-изводства столь специфичных и сложных изделий стучались в дверь современного технического прогресса.

Программирование как наука тогда делало свои первые шаги. Уже были разра-ботаны программы и по ним проведен ряд расчетов по актуальным задачам того времени. В оборонной области этот период можно характеризовать как начало пово-рота в сторону широкого использования электронно-вычислительной техники. Здесь, помимо традиционных расчетных задач, следует отметить постановку уже в эти годы грандиозной научно-технической проблемы — проблемы перехвата головных частей баллистических ракет. Все физические предпосылки решения этой задачи предопределили здесь в качестве основного управляющего режима режим автома-тического управления в реальном времени от ЭВМ. Огромная теоретическая прора-ботка с применением широкого арсенала средств прикладной математики (Главный конструктор системы Г. В. Кисунько) переходила в это время в стадию создания, как самих вычислительных средств, так и разработки программной системы реального времени.

Под руководством С.А. Лебедева и В.С. Бурцева была создана универсальная ЭВМ М-40, одна из самых быстродействующих машин того времени. На ее базе был разработан и изготовлен целый комплекс электронных средств управления систе-мой удаленных объектов-локаторов, стартовых позиций и т. д. А задача создания управляющей программы для такого комплекса и была поставлена перед молодыми специалистами. По существу разрабатывалась модель сложнейшей распределенной системы объектов, управляемых в автоматическом режиме с учетом всех возможных отклонений от так называемых штатных режимов, а на ее базе само программное обеспечение.

Интересно привести следующие данные. В конце 1959 г., еще до полигонных испытаний, общая программа состояла из 10 тысяч команд, а к середине 1961 г. она насчитывала уже более 40 тысяч команд, причем доля новых чисто численных вычислений была относительно невелика, а программа просто пестрела многочис-ленными «условными переходами», реализуя сложную логическую задачу.

Решение этой сложной задачи реального времени, включающей не только чис-ленные расчеты, но и многие логические задачи, да еще на самых современных технических средствах, оказалось той школой, после которой можно было утверж-дать, что техническая и кадровая составляющие для постановки и решения задачи автоматизации проектирования ЭВМ в ИТМ и ВТ были подготовлены.

Уже в период интенсивных испытаний системы реального времени были начаты работы по разработке ЭВМ БЭСМ-6, и по инициативе академика С. А. Лебедева была поставлена задача моделирования логической структуры будущей машины на суще-ствующих ЭВМ. Эти работы были начаты А.Н. Томилиным. Поскольку уже тогда для решения подобных задач требовались значительные вычислительные мощности, как по быстродействию, так и по памяти, приходилось каждые сутки использовать большие интервалы ночного времени на инструментальной ЭВМ БЭСМ-2. Забегая вперед, следует признать, что результаты этого моделирования сыграли основопола-гающую роль в принятии структурных решений Главным конструктором БЭСМ-6 академиком С.А. Лебедевым и ведущими разработчиками.

В это время в США были начаты интенсивные работы, прежде всего на фирме ИБМ, по созданию серии ЭВМ ИБМ-360, предназначенной для широкого промыш-ленного выпуска с использованием самых современных на то время технологий: полупроводниковых элементов и печатного монтажа. Материалы об этих работах



254 Раздел 3. Научная школа С.А. Лебедева

до определенного момента были закрытыми, но сама логика развития вычисли-тельной техники и в нашей стране ставила аналогичные задачи. Существенным фактором, ускоряющим подготовку к решению таких задач, оказалось введение в строй в ИТМ и ВТ построенного технологического корпуса и развертывание в нем опытных технологий и производств. Целая плеяда талантливых ученых и инженеров, воспитанных академиком С.А. Лебедевым: А. А. Новиков, В.С. Чунаев, Г. И. Гриша-ков, Ю.С. Рябцев, Ф.П. Галецкий и др. закладывали основы передовых технологий в области вычислительной техники.

Совместная постановка актуальных задач, их формализация, подходы к возмож-ным алгоритмическим решениям и применение решений непосредственно в создавае-мых технологических линиях были одной из самых сильных сторон школы академика С.А. Лебедева.

В этот период создание ЭВМ с быстродействием, приближающимся к миллиону операций в секунду (ЭВМ 5Э92б, Главный конструктор С.А. Лебедев, первый зам. Главного конструктора В.С. Бурцев) позволило развернуть на ней в 1963-1964 годах работы по решению задач маршрутизации на графах. К частному случаю решения таких задач сводилась задача трассировки печатного монтажа, к тому времени еще зарождавшемуся как технологический процесс. Академик С.А. Лебедев проявил большой интерес и к самому методу решения подобных задач, о чем можно было судить по его встречам с зарубежными учеными, которым он просил демонстриро-вать непосредственно выданные с ЭВМ результаты трассировки.

Завершающиеся в этот период в ИТМ и ВТ разработки БЭСМ-6 и 5Э92б, хотя и опирались на полупроводниковые элементы, в качестве основного элемента монта-жа еще использовали навесной монтаж. А первой машиной, в которой применялись и интегральные схемы, и печатные платы, стала специализированная многопроцес-сорная ЭВМ 5Э26 для самых современных в то время комплексов ПВО.

К этому времени в двух отделах ИТМ и ВТ под руководством Л.Н. Королева и Б.А. Бабаяна велись работы в области автоматизации проектирования ЭВМ. Однако время диктовало очень жесткие условия темпов разработки и внедрения этих методов непосредственно в практику разработки и изготовления, прежде всего в заводских условиях. В связи с этим было принято решение о создании единого отдела с основной тематикой по автоматизации проектирования ЭВМ, который возглавил Г.Г. Рябов. Основной целью этого отдела было создание комплексной системы машинного проектирования, охватывающей этапы логического и техниче-ского проектирования и обеспечивающей текстовой документацией и управляющими перфолентами и магнитными лентами технологические линии производства узлов и блоков ЭВМ. Практически речь шла о машинном сопровождении всего жизненного цикла вычислительной машины.

В процессе создания и эксплуатации системы были поставлены и решены новые и важные проблемы:


  1. Разработка языка для интерактивной отладки логических устройств на мате
    матических моделях (Г.Г. Рябов, Г.Л. Лакшин).

  2. Разработка системы поэлементного моделирования проектируемых устройств,
    вплоть до процессора (Г. Л. Лакшин, В.Н. Конпкин, Ю.С. Коротаев).

  3. Сведение задач компоновки с минимизацией внешних связей к задачам мини-
    мизации разрезов на гиперграфах (А.М. Степанов).

  4. Реализация методов динамического программирования (метод ветвей и границ)
    в задачах размещения (Б.А. Бабаян, А. Л. Плоткин).

  5. Решение задачи о назначениях для оптимальной компоновки объединительных
    панелей (В.С. Ирбенек).

  6. Разработка методов трассировки в различных классах соединительных дере-
    вьев с учетом частотных ограничений (Г.Г. Рябов, Е. Г. Кречетов, Г. Л. Лакшин).

Рябов Г. Г. Первые шаги автоматизации проектирования ЭВМ 255

  1. Разработка полного комплекта текстовой и управляющей машинной доку-
    ментации и методов ее хранения и сопровождения (О.К. Гущин, Б.М. Трофимов,
    Л.Н. Корнеев).

  2. Общая структура системы и организация машинного архива текущей разра-
    ботки (Б.А. Бабаян, О.К. Гущин, Г.Г. Рябов, А.М. Степанов).

Для эффективного использования системы не только в процессе проектирования, но и изготовления, выбор в этот период инструментальных ЭВМ был практиче-ски однозначным. ИТМ и ВТ и традиционный изготовитель ЭВМ, разработанных в ИТМ и ВТ, Загорский электромеханический завод, уже имели опытные образцы ЭВМ 5Э926, которые и были взяты как инструментальные машины.

Организационные решения, принятые в этом направлении руководством ИТМ и ВТ и ЗЭМЗ при большой поддержке Министерства радиопромышленности, даже сейчас могут поразить своей масштабностью. В ИТМ и ВТ под эти работы были отведены две ЭВМ 5Э92б, занимавшие отдельный машинный зал, а на ЗЭМЗ (директор В.А. Курочкин) был введен специальный двухэтажный корпус с установкой там также двух 5Э92б и организацией мощного отдела автоматизации в составе ОКБ завода (начальник отдела Л.Н. Корнеев).

Так был создан научно-технический мост между коллективами разработчиков и изготовителей не только для решения задач проектирования, но и для обмена информацией на любом уровне разработки и производства ЭВМ. С конца 60-х годов на базе этой системы автоматизации были разработаны и внедрены в производ-ство следующие ЭВМ: 5Э26, 5Э65, многопроцессорные комплексы «Эльбрус-1» и «Эльбрус-2», «Эльбрус-1КБ» и др.

К концу 70-х годов программное обеспечение системы достигло миллиона команд. Еще одна характеристика системы — количество изменений, внесенных в машинный архив разработки МВК «Эльбрус-2» за период его проектирования, составило более 100 тысяч. Для коллектива разработчиков системы была исключительно важна высокая оценка, которую дал системе автоматизации академик Ю. Б. Харитон, посе-тивший центр автоматизации на ЗЭМЗ и представлявший одного из самых активных пользователей ЭВМ, разработанных в ИТМ и ВТ.

Следует отметить также и эффективность применения в ИТМ и ВТ и на Мос-ковском заводе счетно-аналитических машин (САМ) системы автоматизации проек-тирования (АПАС), разработанной на ЭВМ БЭСМ-6 для создания многомашинного информационно-вычислительного комплекса АС-6.

На всем протяжении своего творческого пути академик С.А. Лебедев глубоко проникал в сущность инженерных задач, решаемых в автоматизированной системе проектирования, был чужд всякой рекламной шумихе в стиле «ЭВМ создает себе подобных» и видел в автоматизации единение науки и промышленности.

Уже после кончины академика С.А. Лебедева развитие отечественной системы автоматизации проектирования позволило создать научно-технический мост меж-ду ведущими предприятиями двух самых мощных министерств в этой области — Министерством радиопромышленности (министр В. И. Шимко) и Министерством электронной промышленности (министр В.Г. Колесников). В тесном содружестве ИТМ и ВТ с НИИ молекулярной электроники и заводом «Микрон» (директор Г. Я. Красников) было освоено проектирование и изготовление по машинной доку-ментации большой серии заказных матричных БИС для «Эльбруса-2», «Эльбруса-3» и модульного конвейерного процессора (МКП), что позволило практически на поря-док поднять надежность элементной базы.

Так прогрессивные методы машинной разработки стали неотъемлемой частью школы академика С.А. Лебедева, заложившего фундаментальные основы решения инженерных задач в области ЭВМ и сыгравшего ключевую роль в осуществлении кооперации научных учреждений и промышленных предприятий.



256 Раздел 3. Научная школа С. А. Лебедева



Поделитесь с Вашими друзьями:
1   ...   15   16   17   18   19   20   21   22   ...   34


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница