История развития отечественной компьютерной техники

Первые компьютеры использовались для расчетов в ядерной физике, для проектирования и запуска ракет, поэтому сведения о новых разработках были закрыты. В 1950 г. в Советском Союзе создана первая отечественная электронная цифровая машина МЭСМ (Малая электронная счетная машина), разработанная Институтом электротехники АН УССР под руководством академика С.А. Лебедева (рис. 1.101).

Малая электронная счетная машина — первая отечественная универсальная ламповая ЭВМ (название «компьютер» не было принято в те времена). Начало разработки — 1948 г., 1950 г. — официальный ввод в эксплуатацию. В 1952—1953 гг. МЭСМ считалась самой быстродействующей и практически единственной регулярно эксплуатируемой ЭВМ в Европе.

Принципы построения МЭСМ разрабатывались С.А. Лебедевым независимо от аналогичных работ на Западе.

С.А. Лебедев

Рис. 1.101. С.А. Лебедев

Быстродействие ЭВМ составляло 50 оп./с; емкость оперативного ЗУ — 31 число и 63 команды; представление чисел — 16 двоичных разрядов с фиксированной перед старшим разрядом запятой; команды трехадресные длиной 20 двоичных разрядов (из них 4 разряда — код операции); рабочая частота — 5 кГц; была предусмотрена также возможность подключения дополнительного ЗУ на магнитном барабане емкостью 5000 слов.

Потребляемая мощность составляла 15 кВт, машина размещалась на площади 60 кв. м.

В 1952 г. (в том же году, что и ЕЭУАС) создана первая российская ЭВМ общего назначения семейства БЭСМ (Большая электронная счетная машина), разработанная Институтом точной механики и вычислительной техники Академии наук СССР, ориентированная на решение сложных задач науки и техники (рис. 1.102).

В этой трехадресной машине параллельного действия на электронных лампах (4000 ламп) использовалась двоичная система счисления с плавающей точкой. По структуре, конструкции и характеристикам машина стояла на уровне лучших зарубежных компьютеров, БЭСМ оперировала с 39-разрядными данными со средней скоростью 10 тыс. оп./с.

ЭВМ общего назначения семейства БЭСМ

Рис. 1.102. ЭВМ общего назначения семейства БЭСМ

Интересными особенностями структуры машины стало введение местного управления операциями, выходящими по времени за рамки стандартного цикла, а также автономное управление при переходе на подпрограммы. Машина содержала долговременное ЗУ для подпрограмм, часть которого выполнили сменной. Для контроля применялись как серия тестов, так и специально разработанные методы логического контроля.

БЭСМ превосходила ЕЭУАС по многим параметрам: здесь осуществились решения, вошедшие в практику построения компьютеров только через несколько лет. Например, чтобы уменьшить диспропорцию между быстродействием вычислений и медленным выводом результатов на печать, разработали устройство, дешифрирующее запись на магнитной ленте с отображением десятичных цифр результата на неоновых лампах. Вывод данных осуществлялся фотографированием результата. Скорость выдачи данных с использованием магнитной ленты намного возрастала. Арифметико-логическое устройство БЭСМ, выполненное на ламповых логических схемах, обладало рекордным быстродействием (10 000 оп./с), которое могло быть реализовано только при переходе к технологиям памяти, позволявшим параллельное считывание всех разрядов слова.

Несколько позднее появилось специализированное конструкторское бюро — СКБ-245 Министерства машиностроения и приборостроения под руководством Б.И. Рамеева (рис. 1.103) и Ю.Я. Базилевского (рис. 1.104) для конструирования серийной ЭВМ. В 1953 г. ЭВМ «Стрела» была принята Государственной ко-

Б.И. Рамеев

Рис. 1.103. Б.И. Рамеев

Ю.Я. Базилевский миссией в эксплуатацию, а в 1954 г. начался серийный выпуск. Серия оказалась очень маленькой

Рис. 1.104. Ю.Я. Базилевский миссией в эксплуатацию, а в 1954 г. начался серийный выпуск. Серия оказалась очень маленькой: всего за четыре года было выпущено семь машин. Одна из машин проработала 15 лет в Энергетическом институте АН СССР.

Построенная на 6000 электронных лампах, ЭВМ «Стрела» имела среднюю производительность вычислений 2 тысячи трехадресных операций с плавающей точкой в секунду, полезное машинное время работы доходило до 18 часов в сутки. «Стрела» отличалась гибкой системой программирования.

Различные виды групповых арифметических и логических операций, условные переходы и сменяемые стандартные программы, а также системы контрольных тестов и организующих программ позволяли создавать библиотеки эффективных программ различного направления, осуществлять автоматизацию программирования и решение широкого круга математических задач.

Типичные представители ЭВМ первого поколения среди отечественных — МЭСМ, Минск1, Урал1, Урал2, Урал4, М1, М3, БЭСМ2, «Стрела» (рис. 1.105) и др. Они были значительных размеров, потребляли большую мощность, имели невысокую надежность работы и слабое программное обеспечение. Быстродействие их не превышало 2—3 тыс. оп./с, емкость оперативной памяти — 2048 машинных слов, длина слова — 48 разрядов.

Этот период явился началом коммерческого применения электронных вычислительных машин для обработки данных. В вычислительных машинах этого времени использовались электровакуумные лампы и внешняя память на магнитном барабане. Они были опутаны проводами и имели время доступа 1х10_3 с. Производственные системы и компиляторы пока не появились.

ЭВМ первого поколения «Стрела>

Рис. 1.105. ЭВМ первого поколения «Стрела>

В конце этого периода стали выпускаться устройства памяти на магнитных сердечниках. Надежность ЭВМ первого поколения была еще крайне низкой.

В 1961 г. в СССР был начат серийный выпуск первой полупроводниковой вычислительной машины «Раздан 2» (рис. 1.106), предназначенной для решения научно-технических и инженерных задач, не требовавших высокой производительности (скорость вычислений — до 5 тыс. оп./с). Оперативное запоминающее устройство было выполнено на ферритовых сердечниках. Для расширения круга решаемых задач, требующих большого объема памяти, в машине предусмотрено внешнее запоминающее устройство — накопитель на магнитной ленте.

В 1967 г. в России создана самая мощная вычислительная машина семейства БЭСМ — БЭСМ6 (рис. 1.107), Эта была вычислительная машина мирового уровня.

В БЭСМ6 использовалось 60 тыс. транзисторов и 200 тыс. полупроводниковых диодов. Для обеспечения высокой надежности

Первая полупроводниковая вычислительная машина «Раздан 2»

Рис. 1.106. Первая полупроводниковая вычислительная машина «Раздан 2»

ЭВМ БЭСМ6

Рис. 1.107. ЭВМ БЭСМ6

использовался режим работы приборов с большим запасом по мощности. БЭСМ6 имела исключительно высокое для своего времени быстродействие — 1 млн оп./с, обладала отличным коэффициентом отношения производительности к стоимости вычислений.

В структуру компьютеров второго поколения был введен специализированный процессор, управляющий обменом данных между устройствами ввода/вывода и основной памятью. Это управление осуществляется программой ввода/вывода, которая считывается из основной памяти и выполняется процессором ввода/ вывода автономно. Для обеспечения возможности совместной работы процессора ввода/вывода и центрального процессора были введены прерывания работы центрального процессора по сигналу от процессора ввода/вывода.

В 1959 г. под руководством Н.П. Брусенцова (рис. 1.108) в вычислительном центре Московского университета была разработана малая цифровая вычислительная машина «Сетунь» (рис. 1.109), предназначенная для решения научно-технических и экономических задач средней сложности. В 1962—1964 гг. ЭВМ выпускалась серийно. Интересной особенностью ЭВМ «Сетунь» является троичная симметричная система представления чисел (цифрами 1, 0, — 1) с фиксированной после второго разряда или плавающей (программированной) точкой с операциями нормализации чисел (приведения к определенному виду) и сдвига. Возможно, это был единственный в мире компьютер, работавший в троичной системе счисления.

Н.П. Брусенцов

Рис. 1.108. Н.П. Брусенцов

ЭВМ «Сетунь»

Рис. 10.9. ЭВМ «Сетунь»

Считается, что запоминающий элемент с тремя состояниями наиболее оптимален для представления данных, но с машинами, работающими в двоичной системе счисления, работать оказалось проще, несмотря на неоптимальность. Разрядность представления чисел в ЗУ составляла 18 троичных разрядов (длинное слово) или 9 разрядов (короткое слово), разрядность команд составляла 9 разрядов, структура команд была одноадресной с признаком модификации адресной части; количество операций — 24. Особенности структуры «Сетунь» предопределили принципы построения, получившие дальнейшее развитие в миниЭВМ.

К вычислительным машинам второго поколения относятся такие отечественные вычислительные машины, как Урал 14, Урал 16, Минск22, Минск23, Минск32, БЭСМЗ, БЭСМ4, М220, М222, БЭСМ6, МИР2 (рис. 1.110), «Наири» (рис. 1.111) и др.

В 1969 г. Советский Союз заключил соглашение о сотрудничестве в разработке Единой системы ЭВМ (ЕС ЭВМ) и Системы малых ЭВМ (СМ ЭВМ). За образец была взята лучшая в то время американская система 1ВМ/360. Ориентация в дальнейшем советской промышленности на изучение «зарубежных технологий» привела к стойкому отставанию в области вычислительной техники. В 1972 г. были созданы первые аналоги (клоны) компьютеров фирмы 1ВМ, получившие название ЕС ЭВМ. Единая с американской система электронных вычислительных машин была разработана странами СЭВ (Болгарией, Венгрией, ГДР, Польшей, Чехословакией и СССР) и базировалась на архитектуре 1ВМ 360/370.

К отечественным машинам третьего поколения, выполненным на интегральных микросхемах, относятся все ЕС ЭВМ — ЕС-1010 (рис. 1.112), быстродействие до 10 тыс. оп./с, объем опе-

ЭВМ второго поколения МИР2

Рис. 1.110. ЭВМ второго поколения МИР2

ЭВМ «Наири»

Рис. 1.111. ЭВМ «Наири»

ЭВМ ЕС-1010

Рис. 1.112. ЭВМ ЕС-1010

ЕС-1055, ЕС-1060

Рис. 1.113. ЕС-1055, ЕС-1060

Электроника-100/25

Рис. 1.114. Электроника-100/25

ративной памяти от 8 до 64 КБ), ЕС-1020,ЕС-1021, 15 тыс. оп./с, от 16 до 64 КБ, ЕС-1030, ЕС-1033, ЕС-1040, ЕС-1045, ЕС-1050, 500 тыс. оп./с, от 256 до 1024 КБ; ЕС-1055, ЕС-1060 (рис. 1.113) 1,0—1,3 млн оп./с, от 2048 до 8192 Кб), ЕС-1061, ЕС-1066 — более 2 млн оп./с, 8192 КБ и др.

Кроме того, был налажен широкий выпуск микро- и мини- ЭВМ, таких как Электроника-60, Электроника-100/25 (рис. 1.114), Электроника-79, СМ-3, СМ-4 и др. Эти машины, как машины третьего поколения, оперируют с произвольной буквенно-цифровой информацией, единица адресации памяти 1 байт, (длина слова 4 байта), используются полуслова и двойные слова, возможность параллельной работы устройств и работа нескольких пользователей в режиме разделения времени.

Дальнейшее развитие компьютеров этого класса предусматривало преемственность и совместимость, в 1ВМ/370 сохранилась система команд 1ВМ/360, а для повышения производительности компьютера введен принцип конвейерного управления с опережающей обработкой команд.

Введена параллельная и конвейерная обработка данных в операционном блоке, использовалась виртуальная память (особая организация управления памятью, которая позволяет рассматривать всю память компьютера как основную), кэш-память (буферная память, позволяющая согласовать скорости обмена данными быстрых и медленных устройств памяти). На базе универсальных компьютеров стало возможно создание вычислительных систем, обслуживающих удаленных пользователей.

Первой ЭВМ, разработанной в Советском Союзе на интегральных микросхемах, стала построенная в 1970 г. в Ереванском научно-исследовательском институте математических машин, ЭВМ «Наири-3» (рис. 1.115) и ее модификации «Наири-3-1» и «Наири-3-2» (на интегральных гибридных микросхемах).

Электронная цифровая вычислительная машина «Наири-3» предназначалась для решения широкого круга инженерных, научно-технических, планово-экономических и учетно-статистических задач.

В машине использовался упрощенный машинный язык, облегчающий программирование, а также специальный режим автоматического программирования, позволявший вводить задачи на обычном математическом языке. Часто встречающиеся задачи могли выполняться на машине без предварительной подготовки при помощи внутренней библиотеки программ.

Для непосредственного выполнения арифметических операций и вычисления ряда функций предусматривался режим «счетной машины». Основная особенность ЭВМ «Наири-3» — двухсту-

Электронная цифровая вычислительная машина «Наири-3

Рис. 1.115. Электронная цифровая вычислительная машина «Наири-3

«Эльбрус-1»

Рис. 1.116. «Эльбрус-1»

пенчатое построение микропрограммного устройства управления, обеспечивающее хранение больших массивов микропрограмм.

Примером отечественных компьютеров четвертого поколения может служить многопроцессорный вычислительный комплекс «Эльбрус». «Эльбрус-1» (рис. 1.116) имел быстродействие до 5,5 млн операций с плавающей точкой в секунду, а объем оперативной памяти до 64 Мбайт. Пропускная способность каналов ввода/вывода достигала 120 Мб/с. Первый компьютер с таким названием появился еще в 1978 г. под руководством В.С. Бурцева и при участии Б. Бабаяна, который был одним из заместителей главного конструктора. Основными заказчиками компьютеров «Эльбрус» были, конечно, военные.

Компьютер имел модульную конструкцию и мог включать от одного до десяти процессоров на базе схем средней интеграции. Быстродействие компьютера достигало 15 млн оп./с. Объем оперативной памяти, общей для всех процессоров, составлял до 220 машинных слов, или 64 МБ.

Однако наиболее интересной в «Эльбрусе-1» была архитектура. Советский суперкомпьютер стал первой в мире коммерческой ЭВМ, использующей суперскалярную архитектуру, массовое применение которой за рубежом началось лишь в 1990-х гг. с появлением процессоров Intel Pentium.

В 1978 г. в Советском Союзе начато производство универсальных многопроцессорных комплексов четвертого поколения «Эльбрус-2» (рис. 1.117) производительностью до 120 млн оп./с, емкостью оперативной памяти до 144 Мбайт или 16 мегаслов (слово — 72 разряда).

Универсальные многопроцессорные комплексы четвертого поколения «Эльбрус-2»

Рис. 1.117. Универсальные многопроцессорные комплексы четвертого поколения «Эльбрус-2»

Высокопроизводительная вычислительная система ПС-2000

Рис. 1.118. Высокопроизводительная вычислительная система ПС-2000

Поиск путей к рекордной производительности вычислительных систем требует нестандартных решений. В 1970-е гг. архитектура вычислительных машин строилась с использованием различных принципов параллелизма, которые позволяли сделать очередной рывок производительности: от миллиона операций в секунду к десяткам и сотне миллионов.

Основными пользователями советских супер-ЭВМ были организации, которые решали секретные задачи обороны, реализовывали атомную и ядерную программы. Но в 1979 г. в стенах Института проблем управления (ИПУ) АН СССР завершается разработка высокопроизводительной вычислительной системы ПС-2000 (рис. 1.118), предназначавшейся для сугубо мирных нужд.

Аббревиатура ПС означает «перестраиваемые структуры». Так называемыми однородными решающими полями — структурами из однотипных процессорных элементов, способных параллельно обрабатывать данные, в ИПУ начали заниматься в конце 1960-х. Лидером этого направления был академик И.В. Прангишвили (рис. 1.119).

Замечательно то, что найденные специалистами из ИПУ принципы однородных решающих полей не требовали сверхмощной элементной базы для создания высокопроизводительной парал

Рис. 1.119.

И.В. Прангишвили лельной машины. Для ПС-2000 и последовавшей за ней системы ПС-3000 электронная промышленность не выпустила ни одной заказной микросхемы.

При этом вычислительные комплексы ПС-2000 обгоняли дорогостоящие «Эльбрусы», обеспечивая быстродействие до 200 млн оп./с. Испытания восьми опытных образцов машины продемонстрировали на геофизических задачах суммарную производительность порядка 1 млрд оп./с.

Были разработаны специальные экспедиционные вычислительные комплексы ЭГВК ПС-2000, отлично приспособленные к работе в условиях геофизических экспедиций: они не занимали большой площади, потребляли мало энергии и не требовали больших расходов на эксплуатацию.

В ПС-2000 реализована архитектура с одним потоком команд и многими потоками данных (81МО). Центральным компонентом системы является мультипроцессор, включавший от 8 до 64 одинаковых процессорных элементов. Процессорные элементы обрабатывали множество потоков данных по программе из общего модуля управления (один модуль на каждые восемь элементов).

Мультипроцессор состоит из набора однотипных процессорных элементов (ПЭ1, ПЭ2, ..., ПЭЛ^> связанных между собой регулярным и магистральным каналом, и общего устройства управления (ОУУ). Каждый ПЭ, а также ОУУ состоят из нескольких функциональных устройств, включающих самую быструю в компьютере программно доступную регистровую память. Совокупность этих устройств (как в ОУУ, так и всех ПЭ) образует разветвленный конвейерный агрегат с программно конфигурируемыми связями. Каждое функциональное устройство составляет конвейерную ступень. Обмен данными между этими устройствами производится через общий для соседних ступеней регистр.

В состав вычислительного комплекса ПС-2000 входит мультипроцессор, мониторная подсистема и от одной до четырех подсистем внешней памяти (СВП), обеспечивающих параллельно-асинхронную работу нескольких каналов ввода/вывода в режиме одновременного функционирования многих магнитных носителей информации.

Наиболее полное развитие принципы перестраиваемости получили в следующей разработке ИПУ — системе ПС-3000 (рис. 1.120), которая была закончена к 1982 г. Здесь уже применялась архитектура множества потоков команд и множества потоков данных (М11УШ). В ПС-3000 аппаратно реализована динамичес-

Система ПС-3000

Рис. 1.120. Система ПС-3000

кая перестраиваемость структуры машины в зависимости от возможностей распараллеливания конкретного вычислительного процесса.

В отличие от своей предшественницы, ПС-3000 решала в основном управляющие задачи — ее можно было использовать на верхних уровнях иерархических систем управления сложными технологическими процессами и производствами, для прямого управления сложными объектами (например, атомными реакторами) в реальном времени и для моделирования сложных объектов. Разрабатывалась и следующая система — ПС-3100, которая предназначалась для применения на верхних уровнях управления атомным реактором.

К началу 1980-х гг. производительность персональных компьютеров составляла сотни тысяч операций в секунду, производительность суперкомпьютеров достигала сотен миллионов операций в секунду. Мировой парк компьютеров превысил 100 млн. Дальнейшее развитие вычислительной техники привело к широкому использованию ее во всех областях человеческой деятельности.

В 1989 г. была пущена в опытную эксплуатацию векторноконвейерная супер-ЭВМ «Электроника ССБИС» разработки Института проблем кибернетики РАН и предприятий электронной промышленности. Производительность в однопроцессорном варианте составляла 250 Мфлопс, передача данных между массовой интегральной памятью и оперативной памятью осуществлялась под управлением специализированного процессора, реализующего произвольные методы доступа. Разработку супер-ЭВМ вели В.А. Мельников, Ю.И. Митропольский, В.З. Шнитман, В.П. Иванников.

В 1990 г. в Советском Союзе была введена в эксплуатацию векторно-конвейерная супер-ЭВМ «Эльбрус 3.1» на базе модульных конвейерных процессоров (МКП), разработанная в Институте точной механики и вычислительной техники (ИТМ и ВТ) им. С.А. Лебедева группой конструкторов, в которую входили Г.Г. Рябов, А.А. Соколов, А.Ю. Бяков.

Производительность суперкомпьютера в однопроцессорном варианте составляла 400 МФлопс.

На сегодняшний день мощнейший суперкомпьютер России «Ломоносов», установленный в МГУ им. М.В. Ломоносова, занимает 18-е место в рейтинге Топ500 мощнейших вычислительных систем (14 ноября 2011 г. на Международной конференции по высокопроизводительным вычислениям БСП в Сиэтле (США) обнародовали 38-ю редакцию мирового рейтинга). Производительность составляет 1,3 Пфлопс в пике. В ближайшее время планируется очередная модернизация этого суперкомпьютера, по итогам которой его теоретическое быстродействие должно увеличиться примерно до 1,6 Пфлопс.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >