Школа Б.И. Рамеева, универсальные ЭВМ

Школа Б.И. Рамеева, универсальные ЭВМ

Наталья Дубова

Башир Искандарович Рамеев начинал свою научную деятельность в области вычислительной техники в Энергетическом институте АН СССР (ЭНИН) под руководством член-корреспондента Академии наук И.С.Брука. Летом 1948 года молодой инженер и уже маститый ученый выступили соавторами оригинального проекта под названием «Автматическая цифровая электронная машина». Это был первый в стране проект цифровой ЭВМ с жестким программным управлением, завершенный за несколько месяцев до начала работ над МЭСМ.

В 1949 году Б.И. Рамеев перешел в недавно созданное специально для разработки и конструирования цифровых вычислительных машин СКБ-245, организацию, которая стала негласным конкурентом ИТМ и ВТ С.И. Лебедева. Опираясь на опыт совместных работ с Бруком, Рамеев разработал проект новой машины и участвовал в его реализации в качестве заместителя главного конструктора Ю.Я.Базилевского. ЭВМ «Стрела» стала первой советской серийной ЭВМ: в промышленных условиях было выпущено 7 экземпляров этой машины. 

После «Стрелы» Рамеев начал активно работать над новой ЭВМ, «Урал-1», уже в качестве генерального конструктора. Первая машина серии должна была производиться в Пензе, и Рамеев с группой молодых сотрудников СКБ-245 переехал туда. Ламповая машина «Урал-1» была выпущена в 1954 году. Эта ЭВМ с быстродействием 100 операций в секунду и памятью на магнитных барабанах относилась к разряду малых недорогих машин преимущественно для инженерных применений и в течение многих лет использовалась вычислительными центрами страны. Сегодня увидеть своими глазами, как выглядела одна из первых советских ЭВМ, можно в одном из залов Политехнического музея. 

После разработки еще нескольких моделей «Урал» на ламповой элементной базе и с оперативной памятью уже на ферритах Рамеев в 1960 году перешел к созданию семейства полупроводниковых «Уралов». Машины Рамеева представляли собой универсальные системы для решения различных инженерно-технических, планово-экономических и управленческих задач. В этой серии была воплощена идея создания унифицированного семейства конструктивно и программно совместимых машин разной производительности. Фактически, это уже были принципы разработки машин третьего поколения, получившие у нас воплощение в сериях ЕС и СМ ЭВМ в 70-е годы. 

Машины «Урал-11», «Урал-14» и «Урал-16» представляли собой семейство с унифицированным интерфейсом с внешними устройствами и унифицированными оперативными и внешними ЗУ (правда, унификация в значительно меньшей степени распространялась на АЛУ и совсем не касалась устройств управления). Такой подход облегчал компоновку систем и упрощал их серийное производство. Унификация и модульный принцип построения позволяли комплектовать машины с различным составом устройств и различным объемом памяти. Кроме того, в ЭВМ «Урал» предусматривались конструктивные возможности для построения многомашинных вычислительных комплексов. Большая емкость оперативной памяти, эффективные средства защиты памяти и развитая система прерываний позволяли строить различные системы обработки данных коллективного пользования для работы в режиме разделения времени. И хотя по чисто формальному признаку – элементной базе – последние три модели серии «Урал» относятся ко второму поколению ЭВМ, в их архитектуре присутствовало много черт, присущих машинам третьего поколения. 

И еще один интересный факт из жизни Рамеева. В начале 50-х в двух ведущих технических вузах Москвы – МИФИ и МЭИ – были введены курсы по вычислительной технике. В МЭИ лекции читал Лебедев, а в МИФИ – Рамеев, не имевший высшего образования, поскольку в 30-е годы его исключили из института как «сына врага народа». Понимая неопределенность такого положения, Рамеев обратился в Министерство культуры с просьбой, чтобы ему разрешили завершить свое образование, сдав необходимые экзамены экстерном. Увы, чиновники не только отклонили его просьбу, но и запретили заниматься преподавательской деятельностью. Так ученый с опытом разработки и ввода в эксплуатацию одной из первых ЭВМ в стране остался формально без высшего образования. Однако это не помешало ему стать главным инженером и заместителем директора по научной работе Пензенского НИИ математических машин и получить впоследствии степень доктора технических наук без защиты диссертации.

ЕС ЭВМ: Машины третьего поколения

В 60-е годы с началом промышленного выпуска интегральных схем в мировой вычислительной технике произошел переход к машинам на новой элементной базе, что формально определяется как переход к третьему поколению ЭВМ. Однако более важной характеристикой машин на данном этапе является то, что они представляли собой семейства программно-совместимых систем, различающихся по производительности, но с общей архитектурой. Собственно, именно в эти годы с появлением семейства машин IBM 360 и возникло понятие компьютерной архитектуры, которое символизировало весь комплекс аппаратных и программных средств для решения пользовательских задач. Говоря об архитектуре, мы, как правило, не имеем в виду способы выполнения тех или иных функций или параметры и техническую организацию определенных устройств, входящих в состав вычислительной системы. У машин одного семейства они могут быть совершенно различны, однако общими будут системы команд, способы организации взаимосвязи между модулями и с внешними устройствами, а также матобеспечение. На предыдущем этапе развития вычислительной техники как за рубежом, так и у нас, существовало множество машин с примерно одинаковыми вычислительными возможностями, но абсолютно разной архитектурой. 

В машинах третьего поколения разрабатывалась более гибкая система прерываний, позволяющая синхронизировать работу центрального процессора, процессоров ввода/вывода и должным образом реагировать на аварийные ситуации в программах пользователя. Мультипрограммный режим работы компьютера требовал создания мощных средств защиты памяти. Создавались механизмы динамического распределения памяти, совершенствовались операционные системы. 

Использование новой элементной базы позволило существенно повысить быстродействие и объем оперативной памяти нового поколения машин. Значительно расширилась номенклатура внешних устройств – появились накопители на сменных магнитных дисках, алфавитно-цифровые и графические дисплеи, графопостроители и т.д. 

Переход к использованию машин третьего поколения связан не только с появлением интегральных схем, но и с осознанием необходимости широкого применения вычислительной техники помимо научных расчетов в решении экономических задач, для реализации автоматизированных систем управления различного назначения. На западе уже появлялись и приобретали большую популярность малые ЭВМ для использования в коммерческих целях. Предпринимались попытки реализовать подобные системы и у нас (машины «Эра», «Минск-23»), но широкого распространения они не получили, поскольку в СССР спрос на объективную экономическую информацию был невысок. Тем не менее именно в тот момент руководство страны изменило свою позицию по отношению к вычислительной технике. Период отрицания кибернетики как лженауки остался позади. 

К середине 60-х, помимо основных научных школ по созданию вычислительных машин в Москве и Пензе выпуском ЭВМ занимались в Минске (серия машин средней производительности «Минск»), Ереване (минимашины и ЭВМ средней производительности «Наири», «Раздан»). Институт кибернетики АН Украины, возглавляемый Виктором Михайловичем Глушковым, проводил разнообразные теоретические исследования в области проектирования ЭВМ и воплощал теорию в реальных машинах – малых управляющих ЭВМ «Днепр», миникомпьютерах для инженерных применений «Промiнь» и «Мир». Академик Глушков стал страстным проповедником внедрения АСУ в народное хозяйство. Разработку аналогичных систем оборонного назначения вел академик В.С.Семенихин. 

Но для автоматизации промышленности с помощью ЭВМ машин требовалось несоизмеримо больше, чем выпускалось на тот момент. Считалось также, что все многообразие вычислительной техники необходимо привести к некоему общему знаменателю. Поэтому в середине 60-х встала проблема создания единого семейства машин общего назначения на новой элементной базе, способного эффективно решать различные планово-экономические задачи. Производство таких машин должно было покрыть потребность в вычислительной технике не единичных научных институтов, а тысяч промышленных предприятий и других организаций. По сути, предстояло создать новую отрасль промышленности и перейти от производства уникальных экземпляров к массовому выпуску машин. По сути, ЭВМ превращалась в массовый продукт. 

30 декабря 1967 года ЦК и Совмин выпустили совместное постановление о разработке Единой Серии Электронных Вычислительных Машин. В своем роде это было уникальное постановление – впервые на таком уровне решалась судьба дальнейшего развития вычислительной техники в стране. Был создан Научно-исследовательский центр электронной вычислительной техники (НИЦЭВТ), под его началом объединились и другие организации. Открытым оставался вопрос: каким будет новый ряд машин. Проблема эта обсуждалась в течение нескольких лет, но в 1968 году Минрадиопром начал работы по воспроизведению архитектуры программно совместимого семейства IBM 360. В декабре 1969 года этот вариант был утвержден окончательно.

Напомним, что в 1964 году корпорации IBM в серии 360 впервые удалось воплотить идею создания семейства вычислительных машин различной производительности, обладающих общей архитектурой и полной программной совместимостью. Это событие произвело большое впечатление на научный и промышленный мир и ознаменовало переход к третьему поколению вычислительной техники. Системы IBM 360 обладали богатым матобеспечением, как системного, так и прикладного уровня. 

К концу 60-х, когда вопрос о разработке ряда ЭВМ встал в Советском Союзе, семейства программно совместимых машин были уже созданы и в Англии компанией ICL, и в Германии компанией Siemens. Мы уже отмечали, что идеи информационной преемственности были частично воплощены и в серии универсальных машин «Урал», предназначенных главным образом для планово-экономических расчетов. К тому времени Пензенский НИИ математических машин готовился к выпуску новых моделей «Урал» на интегральных схемах. 

В принципе, серия Рамеева могла стать кандидатом на роль единой серии отечественных универсальных ЭВМ, хотя машины этого семейства во многом не соответствовали сложившимся на тот период мировым стандартам на внешнее оборудование и системы сопряжения. Сам Рамеев рассчитывал на активное сотрудничество c зарубежными партнерами и прежде всего с компанией ICL, которая была заинтересована в этом, поскольку намеревалась противостоять экспансии IBM на мировом компьютерном рынке.

Академики Глушков и Лебедев выступали против копирования систем IBM, указывая на то, что в этом случае будет воспроизводиться техника почти десятилетней давности и затормозятся собственные научные разработки. Однако решение было принято все же в пользу IBM, и главным аргументом здесь, по-видимому, стало наличие обширной и широко распространенной во всем мире библиотеки программ. Перед разработчиками было поставлено обязательное условие – возможность выполнения на новых машинах матобеспечения IBM. Последовательное воспроизведение архитектуры IBM 360 было, конечно, наиболее простым и реальным путем решения этой задачи. 

Мы не взяли бы на себя смелость дать однозначную оценку такому повороту событий. Наиболее распространено следующая точка зрения: он ознаменовал начало конца отечественной вычислительной техники. Произошло то, что произошло. Во всяком случае, хроническое отставание отечественного компьютеростроения от западного было неизбежно и обусловливалось прежде всего низким технологическим уровнем производства элементной базы ЭВМ. Некоторые же, и в числе Виктор Владимирович Пржиялковский, генеральный конструктор ЕС ЭВМ и директор НИЦЭВТ с 1977 по 1990 год, убеждены, что решение, принятое в 1969 году, было единственно правильным, поскольку открывало путь к созданию систем, соответствующих мировому стандарту архитектуры мейнфреймов. 

Итак, была сделана ставка на использование уже существующей богатейшей библиотеки программ IBM. Не надо забывать, однако, что никаких официальных связей с корпорацией не существовало. КОКОМ не давал возможности законным образом приобретать машины и реальную документацию. Воспроизведение шло на основе доступных публикаций, посвященных принципам архитектуры и операционных систем. Воспроизводя основополагающие принципы архитектуры семейства IBM, наши специалисты тем не менее создавали оригинальные машины, поскольку точного повторения тех или иных моделей, естественно, быть не могло. Не было и технологической базы для создания эквивалентных по мощности и возможностям машин. 

НИЦЭВТ, созданный как головной институт для разработки ЕС ЭВМ, поначалу не имел ничего, кроме штата разработчиков и математиков. Было принято решение объединить институт с НИИ электронных машин (НИИЭМ), образованным на базе СКБ 245. Благодаря этому слиянию базовый институт по созданию ЕС получил в свое распоряжение штат конструкторов, производственные мощности, помещение, архив. Директор НИИЭМ Сергей Аркадьевич Крутовских стал директором НИЦЭВТ и первым генеральным конструктором ЕС ЭВМ. Кроме того, в НИЦЭВТ влилась группа специалистов из закрытого КБ промышленной автоматики, находившегося в ведомстве спецслужб. Созданная в нем мощная спецЭВМ «Весна» для решения задач шифрования с быстродействием 200 тыс. оп/с по сути была одной из первых машин со структурой ЭВМ общего назначения. В ней, например, был реализован коммутатор внешних устройств – прообраз канала ввода/вывода, выполнявший всю работу по обслуживанию внешнего устройства автономно от центрального процессора.

Для производства машин серии ЕС и комплектующих строилось и расширялось более десяти заводов, географически разбросанных по всей стране. Сами ЭВМ выпускались на Заводе счетно-аналитических машин (САМ) в Москве, в Минске, Пензе, Казани и Ереване. За 20 лет было выпущено три поколения ЕС ЭВМ, близкие по архитектуре семействам IBM-360 и 370. Как уже говорилось, машины одного семейства различались по производительности. Быстродействие ЕС ЭВМ первой очереди, например, варьировалось от 20 тыс. оп/с в самой младшей модели ЕС-1020 до 500 тыс.оп/с в наиболее мощной ЕС-1050. 

При переходе к очередному поколению ЕС не только увеличивалось быстродействие и объем оперативной памяти машины, но и делались принципиальные архитектурные усовершенствования. Так, например, модели второго ряда в отличие от первой очереди ЕС предусматривали программные и аппаратные средства комплексирования в многомашин. Они оснащались более развитыми средствами дистанционного доступа и аппаратно реализованными механизмами виртуальной памяти, которые обеспечивали эффективное функционирование машин в режиме разделения времени. Кроме того, системы ЕС ЭВМ разных поколений отличались элементной базой. В ряде 2 стали использоваться большие интегральные схемы, в том числе для построения памяти, прежде базировавшейся преимущественно на ферритах. Появились новые внешние устройства, прежде всего, внешняя память прямого доступа – магнитные диски. При этом между машинами разных очередей сохранялась преемственность по программному обеспечению. 

ПО ЕС ЭВМ включало несколько операционных систем (ОС-10 для самой младшей модели, ДОС и ОС ЕС) и значительное число пакетов прикладных программ. Стандартными языками для ЕС были выбраны Фортран, PL-1, Кобол для программирования планово-экономических задач и язык Ассемблера. Была создана индустрия по разработке и сопровождению стандартизированных программных средств обработки информации, существовал фонд программного обеспечения ЕС ЭВМ. В 1974 году была развернута сеть сервисных центров ЕС ЭВМ, охватившая всю страну.

ЕС ЭВМ ориентировались на эффективную универсальную обработку информации при решении самых разнообразных проблем – научно-технических, планово-экономических, учетно-статистических, информационно-плановых. Их применение было связано с вычислительными работами большого объема, использованием различных баз данных и сопряжением с высокопроизводительной и дорогостоящей периферией. Сфера применения ЕС ЭВМ была необычайно широка, эти машины покрывали самые разнообразные потребности страны в вычислительной технике. 

ЕС ЭВМ устанавливались в вычислительных центрах предприятий, научных институтов, железных дорог, министерств, Центробанка. Надо отметить, что ЕС ЭВМ разработки определялась как серия машин двойного назначения. На Министерство обороны работало 20% парка машин. Старшие модели серии были основой реализации системы управления в чрезвычайных условиях для ЦК и Совмина.

До 1984 года программа ЕС полностью поддерживалась государством, на нее выделялись значительные средства, а контроль за выпуском очередного ряда осуществляла, ни много ни мало, Военно-промышленная комиссия ЦК КПСС. Затем интерес власть предержащих переключился на другую задачу – программу создания суперЭВМ «Эльбрус». Все бы ничего, но эти сверхмощные системы стали рассматриваться в том числе как альтернатива ЕС в качестве машин общего назначения. Затраты на производство Единой Серии стали сокращаться, возникли проблемы с ресурсами, которые теперь выделялись в первую очередь на новый проект. В 1990 году – последнем в истории ЕС ЭВМ – на развитие этого семейства было отпущено всего 100 млн. рублей.

Основным сдерживающим моментом в дальнейшем совершенствовании ЕС ЭВМ была, безусловно, элементная база. До 1990 года, когда с началом экономической реформы производство машин фактически прекратилось, ЕС так и не перешли на сверхбольшие интегральные схемы. Технологии Министерства электронной промышленности не позволяли создавать элементы на микросхемах меньше 2 микрон, поэтому последние разработки серии оснащались микросхемами памяти емкосстью лишь 64 Кбит (!). Во второй половине 80-х в Минске начался выпуск ЕС ЭВМ персонального уровня – ЕС 1840 – 45 и 55 на Intel-подобных процессорах. Однако опять же технология производства микропроцессоров не позволила пойти дальше уровня Intel 286, а на закупку более мощных оригинальных процессоров невозможно было получить разрешение и необходимые валютные средства.

К 1990 году в эксплуатации находилось порядка 15 тысяч машин. После прекращения производства началось естественное умирание парка ЕС ЭВМ, поскольку уже нельзя было заменять выходящие из строя компоненты, например, диски. Полностью развалилась сервисная система, заводы начали переориентироваться на другие задачи. Огромное здание НИЦЭВТ, почти в километр длиной, сейчас, наверное, на две трети занято посторонними организациями, из пятитысячного штата сотрудников осталось порядка семисот. 

Однако ряд специалистов института, формально отделившись от него, продолжили работу в том же направлении. Так, образованная на базе системных подразделений НИЦЭВТ фирма «ЕС Лизинг» наконец-то наладила реальное сотрудничество с IBM и в рамках совместного проекта занимается производством «новых ЕС» – отечественных мэйнфреймов серии ЕС 1200 на базе архитектуры IBM S/390. Кроме того, корпорация IBM предоставляет этой компании лицензии на программное обеспечение, благодаря чему «ЕС Лизинг«» получила возможность разработать собственный программный продукт, позволяющий прикладным программам старых машин ЕС функционировать на новых системах под управлением операционной системы ОS-390. Это имеет большое значение для ряда организаций, например, крупных предприятий, железных дорог, Центробанка, которые используют подобную технику в непрерывном цикле и не в состоянии пойти на полную замену вычислительнвх машин и программ. 

«ЕС Лизинг» решает очень важную задачу. В стране еще работает порядка 5 тысяч ЕС ЭВМ. Очевидно, что это уже не только физически, но и морально устаревшие системы. Но они, как правило, обслуживают серьезные процессы управления и производства, и на них по-прежнему функционирует множество важнейших прикладных программ, созданных в годы развития серии ЕС ЭВМ и не потерявших своей ценности сегодня. Разработки «ЕС Лизинг» призваны открыть путь достаточно безболезненного перехода к новой технике и одновременно переноса старых, но не устаревших приложений на современную аппаратную платформу. 

Основные технические характеристики некоторых советских машин первого и второго поколений

Название

элементная база

быстродействие

разрядность 

объем ОП

внешняя память 

устройства ввода/вывода

МЭСМ, год выпуска 1951

электронные лампы

3000 оп/с

16

94 слова

отсутствует

ввод с перфокарт или набором кодов на штекерном коммутаторе, вывод фотографированием или с помощью электромеханического печатающего устройства

БЭСМ-1, год выпуска 1953

электронные лампы

8 тыс оп/с

39

2048 слов

на магнитных барабанах и магнитных лентах

ввод с перфоленты, цифропечать и фотопечатающее устройство

М-3, год выпуска 1956

электронные лампы

30 оп/с

30

2048 слов

на магнитных лентах

стандартная телеграфная аппаратура (трансмиттер и телетайп)

Урал1, год выпуска 1957

электронные лампы

100 оп/с

36

1024 слов

на магнитных лентах и перфоленте

устройство на перфоленте и клавишное печатающее устройство

М-20, год выпуска 1958

электронные лампы и полупроводниковые схемы

20 тыс оп/с

45

4096 слов

на магнитных барабанах и магнитных лентах

ввод с перфоленты, печатающее устройство

БЭСМ-6, год выпуска 1967

транзисторы и полупроводники-диоды

1 млн оп/с

48

64-128К слов

на магнитных лентах и магнитных дисках

алфавитно-цифровые печатающие устройства, ввод/вывод с перфолент, ввод с перфокарт, графопостроители