ИТМиВТ - Институт точной механики и вычислительной техники С. А. Лебедева РАН
Институт точной механики и вычислительной техники им. С. А. Лебедева РАН - научно-исследовательский институт в области информационных технологий, вычислительной техники и микроэлектроники
English
Главная страница Контактная информация Карта сайта и поиск
Об институте Решения Проекты Образование

Машина М-20

П.П. Головистиков, к.т.н.

В 1953—1954 гг. большинство ведущих сотрудников ИТМ и ВТ освободилось от разработки и наладки машины БЭСМ АН СССР. Машиной завладели математики, началась ее эксплуатация. Время было начинать думать о новой машине, о ее структуре, об элементной базе. В это время промышленность начала выпускать германиевые диоды типа Д1Ц. Эти диоды имели малые времена внутренних переходных процессов, хорошие допустимые обратные напряжения (до 100 В), большие обратные сопротивления и малые прямые. Эти диоды хорошо сочетались с ламповыми элементами. Транзисторная техника (у нас и за рубежом) еще только появлялась. Выпускались точечные транзисторы, но они были крайне ненадежными. Плоскостные транзисторы (более стабильные) находились еще в стадий НИР. О высокочастотных дрейфовых транзисторах тогда еще не знали.

В Институте уже в это время считали, что будущее за транзисторами. В Лаборатории I проводилось макетирование и исследование схем на транзисторах. Этим занимались, например, А.Н.Зимарев, В.К.Зейденберг, Е.П.Ландер, Н.И.Бродович и др. Однако начинать разработку новой машины на транзисторах было еще рано. Оставался один путь — разработка ламповой машины с широким использованием германиевых диодов. По этому пути шли в данное время и зарубежные фирмы (были выпущены или разрабатывались: крупносерийная американская машина IBM-701, машины ERA-НОЗ, NAREC, SEAC, EDVAC, EDSAC, NORC и др.).

Полупроводниковые диоды использовались в логических элементах «И», «ИЛИ», то есть там, где можно не иметь усиления сигналов. Остальные элементы (запоминающие ячейки или триггеры, формирователи, усилители) требовали усиления сигналов. В них содержались электронные лампы. Однако не всегда можно было заменить ламповую схему «И» на диодную. Часто условия согласования лампового элемента (например, триггера) с диодной логикой было выполнить невозможно.

Сочетание ламповых запоминающих ячеек (ЗЯ) с диодной логикой наиболее просто осуществлялось в схемах с импульсными связями между элементами. Ламповые элементы таких схем легко было сделать с очень малым выходным сопротивлением. Малое выходное сопротивление позволяло создавать быстродействующие диодные логические схемы. Кроме того, схемы на элементах с импульсными связями экономичны, они работают только во время коротких импульсов. Детали в них находятся в облегченных режимах работы. Схемы с импульсными связями, как правило, имеют меньшее количество деталей и особенно ламп (не только из-за того, что здесь хорошо реализовывалась диодная логика, но и сама запоминающая ячейка была проще: она содержала всего одну лампу). Последнее обстоятельство было очень важно, так как главным источником неисправностей машины являлись электронные лампы. Однако схемы с импульсными связями имели существенный недостаток: они требовали точного совпадения по времени сигналов на входах ЗЯ и схем «И». Трудность обеспечения совпадения импульсных входных сигналов в машинах параллельного действия сводила на нет все их преимущества. Поэтому в машинах параллельного действия использовались только схемы с потенциальными и импульсно-потенциальными связями. Импульсные машины были машинами последовательного действия (SEAC, ED-VAC, EDSAC). В них совпадение по времени импульсных сигналов выполнялось легко. Это были небольшие универсальные машины с малым числом электронных ламп, но с большой применяемостью диодов. Элементы в них работали на очень высокой частоте (по тем временам). Однако в этих машинах операции над числом выполнялись последовательно, разряд за разрядом. Поэтому итоговая производительность их была невысока.

В быстродействующих машинах параллельного действия с потенциальными и импульсно-потенциальными связями между элементами не существовало проблемы обеспечения совпадения по времени входных сигналов. Однако ламповая статическая ЗЯ имела большое выходное сопротивление. Это обстоятельство не позволяло сочетать ее с быстродействующей диодной схемой «И». Приходилось делать выбор: или схему «И» оставлять ламповой с целью сохранения быстродействия, или значительно понизить быстродействие схем. Другие пути, такие как уменьшение выходного сопротивления ламповой схемы за счет увеличения ее мощности или допущения значительных помех в быстродействующей диодной схеме «И», были неприемлемы. Таким образом, в быстродействующих машинах параллельного действия не все логические схемы были реализованы на диодах: машина IBM-701 имела 4000 ламп, машина ERA-1103 — 4500 ламп.

Если бы удалось реализовать импульсный принцип построения схем для машины параллельного действия, найти способы легкого согласования по времени импульсов, тогда бы все логические схемы можно было выполнить на диодах и оставить лампы только для запоминания кодов и для целей формирования и усиления импульсных сигналов.

В 1954 г. в Лаборатории I был разработан динамический триггер с запоминающей емкостью. Эта схема представляла собой импульсную схему. Однако она, в отличие от известных импульсных запоминающих ячеек, не требовала совпадения на своих входах управляющих импульсов с какими-либо импульсными сигналами. Управляющие сигналы могли поступить в любое время. Имелось одно ограничение: передние фронты управляющих импульсов не должны были совпадать с синхронизирующим импульсом. Наряду с триггером были разработаны ячейки кратковременного хранения кодов.

Они тоже содержали запоминающие емкости. Задержанные при прохождении различных цепей импульсы запоминались этими ячейками и задавалась в момент действия синхронизирующих импульсов. Затем ячейки автоматически или принудительно устанавливались в исходное состояние. Сочетания динамических триггеров с ячейками кратковременного хранения кодов легко обеспечивали совпадение по времени импульсов на входах диодных элементов «И».

Таким образом, с помощью разработанных элементов стало возможным реализовать импульсный принцип для построения схем устройств параллельного действия. Было проведено макетирование. Количество ламп в рассматриваемых схемах удалось сократить до минимума. Почти всю логику в этих схемах можно было выполнить на диодах. Только в цепях переноса сумматора не удалось обойтись без ламповых вентилей. Но и они были выполнены по принципу ячеек кратковременного хранения кодов, где роль носителя потенциальных сигналов выполняли запоминающие емкости. При всем этом удалось достичь высокого быстродействия схем. На этапе предварительного макетирования разработанных схем большую роль сыграли инженеры П.А.Зольников, 3. А. Московская.

Запомнилось совещание у Сергея Алексеевича Лебедева. Оно проводилось в конце 1954 г. На нем присутствовали ведущие специалисты Лаборатории I. На этом совещании я делал сообщение о разработанных элементах, о принципах построения на них схем арифметического устройства и устройств управления. Доклад длился около трех часов. Он вызвал большой интерес. На этом совещании было принято решение: новую машину делать с использованием предложенного нового принципа построения элементной базы.

Непосредственно работы по созданию машины начались летом 1955 г. Было принято решение, которое предписывало ИТМ и ВТ АН СССР и СКБ промышленности разработать ЭВМ. Ее назвали М-20. Цифра в названии указывала на ожидаемую производительность. Машина должна была делать 20 тыс.оп./с. Институту точной механики и вычислительной техники было предписано разработать идеологию машины, ее структуру, схемы, элементную базу. СКВ должно было разработать техническую документацию, изготовить опытный образец. Главным конструктором был назначен Сергей Алексеевич Лебедев, заместителем главного конструктора — Михаил Кириллович Сулим (СКВ).

Начали работать над машиной трое: Сергей Алексеевич Лебедев, Михаил Романович Шура-Бура и я. Сергей Алексеевич Лебедев разрабатывал идеологию машины, ее структуру. М.Р.Шура-Бура разрабатывал систему команд, занимался проработкой математических вопросов. Я перерабатывал их решения, требования в конкретные схемы, основанные на динамических элементах, составлял схемы АУ и устройств управления. В процессе этой начальной работы, проведенной под руководством С.А.Лебедева и при его непосредственном участии, выработались структура машины, система команд, схемы всех центральных узлов машины. В машине было введено много новых логических операций, что значительно увеличило возможности М-20 и облегчало программирование, была введена модификация адресов. Для увеличения быстродействия в АУ была разработана цепь грубого переноса, которая дополняла сквозной перенос. В результате этого время выполнения элементарной операции сложения значительно сократилось. Умножение производилось сразу на два разряда множителя. Сдвиги можно было производить непосредственно на 1, 2, 4 разряда, что значительно ускоряло выравнивание порядков и нормализацию результатов при операции сложения (вычитания). Эти и многие другие новшества мало отражались на количестве ламп. Увеличивалось в основном число диодов.

После этого начального этапа к работе над машиной стали привлекаться другие сотрудники Института.

В это время в Лаборатории I велись работы по созданию ферритового запоминающего устройства (В.В.Бардиж, А.С.Федоров, М.П.Сычева и др.). Их работа стала проводиться для машины М-20. Также целенаправленно для машины М-20 стали проводиться работы и над устройствами внешней памяти и периферийным устройством (Ю.Р.Валашек, Н.П.Зубрилин, М.В.Тяпкин и др.). Был привлечен к работе над элементной базой машины В.Я.Алексеев. Он много сделал по совершенствованию импульсных элементов. Усовершенствован был динамический триггер. По его техническому заданию промышленность стала выпускать разработанную для триггера лампу 6Ж20П повышенной надежности. Совместно с СКВ разрабатывалась конструкция машины. В машине был использован мелкоблочный принцип построения. В каждом блоке (ячейке) машины размещались 2 пальчиковые радиолампы. Многие блоки не имели ламп. В них были только полупроводниковые диодные схемы. Конструкция машины обеспечивала легкую смену блоков и удобный доступ к связям с монтажной стороны плат.

В конце 1955 г. в Институте началось изготовление макета машины. В 1956 г. проводилась наладка макета. В работах по наладке макета принимали участие не только сотрудника Лаборатории 1 (3.А.Московская, Д.А.Кузьмичев и др.), но и сотрудники других организаций. Многие предприятия были заинтересованы в быстрейшем окончании работ по машине М-20. Страна очень нуждалась в машинах такого класса. Ряд организаций прислал своих сотрудников для оказания помощи в создании машины. Например, активное участие в работах над машиной М-20 принимала группа слушателей Военно-воздушной академии им. Н.Е.Жуковского (Плиско, Качко, Титов, Жданов и др.), сотрудники Отделения прикладной математики (Кривоносов и др.) и ряд специалистов из других организаций. Таким образом, в работах над М-20 создался коллектив специалистов из многих организаций. Все сотрудники относились к работе ответственно. На всех можно было положиться. Если было необходимо, то их всегда можно было включить в смену для наладки.

К началу 1957 г. изготовление опытного образца машины в СКБ было окончено. Пришлось всем переключиться на наладку опытного образца. К этому моменту наладка макета в ИТМ и ВТ не была еще завершена. К сотрудникам Лаборатории I подключались для наладки опытного образца сотрудники СКБ (А.Ф.Кондрашев, В.М.Карасик, А.Н.Лазарев, А.А.Соловьев, С.Г.Лопатин и др.). Это были тогда молодые хорошие ребята, квалифицированные специалисты. Многие из них стали впоследствии ведущими специалистами отрасли. Например, А.Ф.Кондрашев стал главным инженером НИ-ЦЭВТ. Все они очень старались и делали все, чтобы машина скорее заработала. Было очень приятно с ними работать.

Как и при наладке БЭСМ АН СССР, самое активное участие в наладке М-20 принимал Сергей Алексеевич Лебедев. Он постоянно в это время находился в СКБ. Все организационное обеспечение наладки осуществлял М.К. Сулим.

Однако не все здесь шло гладко, как в начале разработки. Наладка машины затянулась. Многократно проверенные на малых макетах динамические элементы в большом комплексе почему-то стали работать ненадежно. Это было замечено еще при наладке макета М-20 в Институте, но детальное выяснение причин ненадежности на макете пришлось прекратить, так как надо было начинать наладку опытного образца. В СКБ были недоброжелатели машины М-20 (конечно, вне коллектива разработчиков и наладчиков). Они распространяли мнение, что причиной всему являются никуда негодные динамические элементы, что элементная база выбрана неправильно, что надо было пойти по обычному пути: использовать большое количество ламп. Некоторое разочарование было и у Сергея Алексеевича: все шло так хорошо, быстро и вдруг — затор. Возникли неприятности у М.В.Сулима с начальством СКБ, требовавшим скорейшего окончания работ. Я иногда думал, что напрасно внес на совещании у С.А.Лебедева предложения по схемам на динамических триггерах, но ведь предложенные мною схемы на импульсных элементах были на малых макетах тщательно проверены. Они прекрасно работали в большом диапазоне изменений напряжений, частоты, температуры. Кроме того, эти схемы были усовершенствованы В.Я.Алексеевым. Их диапазон работы был еще расширен. Нет, причина ненадежной работы машины не в элементной базе. Так в чем же?

Здесь я сделаю некоторое отступление от рассказа о разработке машины М-20.

Возникает вопрос, почему машина БЭСМ АН СССР, созданная еще в I кв. 1953 г, была запущена в производство только в 1958 г.? Ведь всеми было признано, что это была лучшая из быстродействующих вычислительных машин в Советском Союзе. Задержку до I кв. 1955 г. можно объяснить. Машина не была укомплектована потенциалоскопами и не была испытана при своей полной производительности. Ну, а что мешало начать работы по запуску БЭСМ в серию после успешной сдачи ее Государственной комиссии в 1955 г.? «Виновата» во всем этом была машина М-20. Тогда казалось, что машину М-20 можно было создать за очень короткий срок, во всяком случае, в 1957 г. запустить ее в серию. Тем более, что в работе участвовала промышленность, разрабатывался промышленный, пригодный для серийного производства конструктив. Машина БЭСМ была сделана как экспериментальная машина. Чтобы запустить ее в серию, необходимо было переработать конструкцию, сделать ее пригодной для серийного производства. Это бы потребовало больших усилий и значительного времени. Поэтому дело представлялось тогда так: зачем производить работы по запуску БЭСМ в серию, если эти работы будут закончены приблизительно в то же время, когда появится машина М-20. Тем более, что машина М-20 по всем показателям должна намного превосходить БЭСМ.

Сложившаяся ситуация с машиной М-20, сомнения в скором ее выпуске изменили отношение к запуску в серийное производство БЭСМ. Кроме того, в это время появились благоприятные обстоятельства, во много раз уменьшающие объем работ для начала серийного производства БЭСМ. К ним можно отнести следующие:

  • имелся готовый конструктив машины М-20, пригодный для серийного производства;
  • появились надежные пальчиковые лампы с характеристиками ламп, применяемых в БЭСМ и соответствующие конструкции блоков М-20;
  • появившиеся высоковольтные германиевые диоды позволили без всяких изменений схем заменить ими ламповые диоды и тем самым иметь только 2-ламповые блоки, что тоже соответствовало конструктиву М-20;
  • на выходе было ферритовое запоминающее устройство М-20. Оно с успехом могло быть использовано в БЭСМ вместо потенциалоскопов.

Вышеперечисленное было использовано в работах по запуску в серию БЭСМ. Подготовкой серийного производства машины занимались ведущие разработчики БЭСМ, не занятые работами на М-20 и на специализированных машинах: К.С.Неслуховский, А.Н.Зимарев, В.А.Мельников, А.В.Аваев и др. Они проделали работу по запуску машины в серию за 2—3 квартала. Быстрому проведению этой работы способствовала существовавшая тогда простая система технической документации.

Итак, в первой половине 1958 г. появилась серийная машина БЭСМ-2, внешне очень похожая на М-20.

Однако критическая обстановка на машине М-20 существовала недолго. Причиной ненадежной работы элементов машины в основном оказались некоторые просчеты в составлении электрических схем ряда узлов. Задержка прохождения сигналами ряда цепей учитывалась без должного запаса. Из-за этого появлялись критические цепи, изменения задержки которых приводило к появлению сигналов на входах триггеров в запрещенное время (во время действия синхронизирующих импульсов). Надо сказать, что детали схем тогда были еще не очень стабильными, и задержка могла меняться от разных факторов (напряжение, температура и пр.) значительно.

Для устранения причин, вызывающих нестабильность работы элементов машины, были привлечены опытные наладчики, проявившие себя в наладке БЭСМ, это — В.Н.Лаут, А.А.Соколов, М.В.Тяпкин. Для наладки устройств памяти машины в СКВ был направлен А.С.Федоров. Указанными сотрудниками вместе с участниками наладки в короткий срок были разработаны конкретные технические решения, которые устраняли критические цепочки, повышали надежность работы схем.

Распространяемые в СКВ тогда мнения, что машина М-20 в процессе наладки полностью переделана, были неверными. Изменения были, но эти изменения не коснулись подавляющего большинства схем. Неизменным остался основной принцип построения схем. Никакой ревизии, кроме той, которая упоминалась выше и которая была сделана В.Я.Алексеевым, не подверглись основные элементы: динамические триггеры и ячейки кратковременного хранения кодов. Общее число изменений было не больше, чем их число при создании БЭСМ и впоследствии других машин. Просто получилось так, что изменения были проведены единовременно в процессе завершающей наладки машины, а не на этапе наладки макета. Простая система технической документации позволяла быстро и оперативно вводить эти изменения.

Так или иначе, к началу 1958 г. машина М-20 заработала надежно; в этом же году она была успешно принята Государственной комиссией и запущена в серию. Задержка установленных (рекордных) сроков ее выпуска составила всего несколько месяцев. Получилось так, что машины М-20 и БЭСМ-2 появились почти одновременно. Однако запуск машины БЭСМ-2 в серию себя оправдал. Нужда в быстродействующих вычислительных машинах была так велика, что машины М-20 обеспечили только самые важные работы в стране. Производство машин БЭСМ-2 намного снижало вычислительный голод.

Вот основные данные машины М-20.

Количество ламп во всех устройствах машины составило немногим более 1600 шт. Почти вся логика машины выполнена на диодах. Среднее быстродействие машины — 20000 трехадресных операций в секунду. Количество разрядов чисел и команд увеличено по сравнению с БЭСМ до 45 (в БЭСМ их 39). Оперативное запоминающее устройство было выполнено на ферритовых сердечниках. Объем памяти 2048 чисел или команд. Была предусмотрена возможность увеличения объема памяти до 4096 чисел. Время обращения к оперативной памяти 6 мкс. Внешнее запоминающее устройство составляли 3 магнитных барабана (емкость каждого барабана 4016 слов) и 4 десятидорожечные магнитные ленты (объем памяти на лентах свыше 300 000 слов). Ввод данных производился с перфокарт, а вывод с помощью печатающего устройства (20 чис./с) или с помощью выходного перфоратора (10 чис./с). Машина М-20 стала самой быстродействующей универсальной вычислительной машиной в мире. Наиболее быстродействующая зарубежная машина (содержащая 8000 ламп) выполняла 15000 оп./с. Высокая надежность сделала машину М-20 одной из лучших машин 1-го поколения. И она оставалась таковой, пока не появились транзисторные машины — машины 2-го поколения. Надежность машины М-20 обусловливалась сравнительно небольшим числом электронных ламп и работой их в облегченном режиме. Вот здесь и сказался на практике импульсный принцип построения схем ламповой машины.

Описывая время разработки машины М-20, хочется остановиться еще на одной работе, которая выполнялась в то время и которая имеет некоторое отношение к машине М-20. Речь идет о дипломной работе Б.А.Бабаяна. Я был непосредственным свидетелем этой работы. Б.А.Бабаян посвятил свою работу исследованиям импульсных схем арифметического устройства, построенных только на диодах. Сочетая импульсное питание схем с процессами восстановления обратного сопротивления в диодах (плоскостные диоды имели большое время восстановления), он создал ряд оригинальных импульсных схем только на германиевых диодах, включая запоминающие ячейки. Б.А.Бабаян показал, что импульсное АУ в принципе можно построить без применения электронных ламп. Однако не только в этом была оригинальность работы Б.А.Бабаяна. Большая значимость и оригинальность работы заключалась в другом. Он впервые предложил использовать в АУ двухрядовый код. Представляя промежуточные результаты вычислений в двухрядовом коде, можно значительно увеличить производительность вычислений. Кроме того, он впервые предложил методы ускоренного умножения и деления без особого увеличения аппаратуры. Эти предложения нашли отражение во многих последующих разработках машин. По такому же пути впоследствии пошли и за рубежом. Тем не менее, не только этим была оригинальна работа Б.А.Бабаяна. Известно, что многим дипломникам для оформления своей работы не хватает нескольких часов. К их числу принадлежал и Бабаян. В спешке перед самой защитой он пририсовал к схеме на демонстрационном листе схему какого-то узла. Причем схема оказалась добавленной… «вверх ногами». Я, как руководитель его дипломной работы, боялся на защите, что такая прекрасная работа окажется смазанной этой нелепостью. Однако, к счастью, все обошлось благополучно.

Двухрядовый код мог быть еще введен в АУ машины М-20. Когда рассматривались технические предложения для улучшения работы схемы сумматора (в этой схеме оказалось наибольшее число критических цепочек), я тоже внес свои предложения по исключению критических цепей. В этих предложениях я использовал схемы для хранения двухрядового кода, разработанного Б.А.Бабаяном. Производительность машины в результате этого стала бы выше. Однако были приняты другие технические решения, связанные с небольшими изменениями схемы сумматора. Введение двухрядового кода вызвало бы гораздо большие изменения. Кроме того, это несколько отразилось бы на программном обеспечении. Учитывая сложившуюся тогда обстановку вокруг машины М-20, а также задержку ее выпуска, решение Сергея Алексеевича Лебедева тогда было, наверное, правильным. Выпуск машины М-20 задержался бы еще на 2—3 месяца.

 

© 1948—2016 «ИТМиВТ»
Версия для печати Контактная информация