Почему мы всегда позади: как в России создали первый компьютер и что из этого вышло
Русские были пионерами и в области разработки вычислительных устройств, электронных вычислительных машин (ЭВМ), математических основ информатики. В последние годы существования Российской империи русские инженеры и ученые сделали важные шаги на пути развития вычислительных устройств. В советский период целая групп математиков, среди них Владимир Котельников, Андрей Колмогоров, Израиль Гельфанд и другие, внесли существенный вклад в развитие теории информации. Советские ученые и инженеры создали первую цифровую электронную вычислительную машину в континентальной Европе. Когда американские и советские инженеры начали сотрудничать в области освоения космоса, в некоторых случаях советские инженеры «считали» задачи гораздо быстрее своих американских коллег. Однако в последующие годы интерес к ЭВМ все больше переходил в коммерческую плоскость, и Советский Союз не выдержал конкуренции. Советские ученые, работавшие в области вычислительных технологий, были вынуждены оставить свои разработки и принять стандарты IBM. Сегодня на международном рынке не представлено ни одного значительного компьютерного производителя из России.
«Немногие на Западе знают, что двумя годами ранее русский логик Виктор Шестаков выдвинул похожую теорию релейно-контактных схем, основанную на булевой алгебре, но опубликовал он свою работу только в 1941 году»
Русские довольно рано начали проявлять научную активность в области разработки вычислительных машин, теории информации и компьютеров. Еще до революции 1917 года русские инженеры и ученые существенно продвинулись в этой области. Русский морской инженер и математик Алексей Крылов (1863–1945) интересовался применением математических методов в судостроении. В 1904 году он создал автоматическое устройство для решения дифференциальных уравнений. Другой молодой инженер, Михаил Бонч-Бруевич (1888–1940), также работавший в , занимался вакуумными лампами и их применением в радиотехнике. Около 1916 года он изобрел одно из первых двухпозиционных реле (так называемое катодное реле) на основе электрической цепи с двумя катодными трубками.
Одним из пионеров теории информации на Западе был Клод Шеннон. В 1937 году в Массачусетском технологическом институте он защитил магистерскую диссертацию, в которой продемонстрировал, что комплексы реле в совокупности с двоичной системой счисления могут применяться для решения проблем булевой алгебры. Результаты научных работ Шеннона составляют основу теории цифровых сетей для ЭВМ. Но немногие на Западе знают, что двумя годами ранее, в 1935-м, русский логик Виктор Шестаков выдвинул похожую теорию релейно-контактных схем, основанную на булевой алгебре, но опубликовал он свою работу только в 1941 году, через четыре года после Шеннона. Ни Шеннон, ни Шестаков ничего не знали о работах друг друга.
Первая электронная вычислительная машина в континентальной Европе была создана в обстановке секретности в 1948–1951 годах в местечке под названием Феофания возле Киева. До революции здесь был монастырь, окруженный дубравами и цветущими лугами, изобиловавшими ягодами, грибами, здесь водились дикие звери и птицы. В ранние годы советской власти в монастырских зданиях разместилась психиатрическая лечебница. Превращение религиозных учреждений в исследовательские или медицинские заведения было довольно частой практикой в советском государстве. Во время Второй мировой войны все пациенты лечебницы были убиты или пропали без вести, а здания разрушены. Весной и осенью дорогу к этому местечку развозило так, что по ней было невозможно проехать. Да и в хорошую погоду приходилось трястись по кочкам. В 1948 году полуразрушенные здания были переданы инженеру-электротехнику Сергею Лебедеву для создания электронной вычислительной машины. В Феофании Лебедев, 20 инженеров и 10 помощников разработали Малую электронно-счетную машину (МЭСМ) — одну из самых быстрых ЭВМ в мире, обладавшую многими интересными характеристиками. Ее архитектура была полностью оригинальна и не походила на архитектуру американских ЭВМ, которые единственные в мире превосходили ее на тот момент.
«Обычно он уносил свои бумаги и свечу в ванную комнату, где часами писал единицы и нули»
Алиса Григорьевна Лебедева о жизни своего супруга, основоположника вычислительной техники в СССР Сергея Лебедева, в Москве в 1941 году во время бомбежек немецкой авиации.
Сергей Лебедев родился в 1902 году в Нижнем Новгороде (позднее переименованном в Горький, не так давно ему было возвращено прежнее историческое имя). Его отец был школьным учителем, его часто переводили с места на место, так что детство и юность Сергея прошли в разных городах, в основном на Урале. Затем отца перевели в Москву, и там Сергей поступил в Московское высшее техническое училище имени Баумана, известное сегодня как Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана. Там Лебедев заинтересовался техникой высоких напряжений — областью, требовавшей хорошей математической подготовки. По окончании учебы он работал преподавателем в Бауманском университете, занимался исследовательской работой в Лаборатории электрических сетей. Лебедев был заядлым альпинистом и позднее назвал один из своих компьютеров в честь высочайшей вершины Европы Эльбруса, которую он успешно покорил.
В конце 1930-х годов Лебедев заинтересовался двоичной системой счисления. Осенью 1941 года, когда Москва погружалась в полную темноту, спасаясь от налетов фашистской авиации, его супруга-музыкант вспоминала, что «обычно он уносил свои бумаги и свечу в ванную комнату, где часами рисовал единицы и нули». Позднее во время войны его перевели в Свердловск (ныне Екатеринбург), где он работал на военную промышленность. Лебедеву требовалась вычислительная машина, способная решать дифференциальные и интегральные уравнения, и в 1945 году он создал первую в России электронную аналоговую вычислительную машину. При этом у него уже была идея создания цифровой ЭВМ на основе двоичной системы счисления. Что интересно, насколько нам известно, в то время он не был знаком с научными разработками в этой области ни своего соотечественника Шестакова, ни американца Клода Шеннона.
Освоение первых персональных ЭВМ на кафедре «Электрические системы и сети» СПбГПУ
В 1946 году Лебедева перевели из Москвы в Киев, где он начал работу над ЭВМ. В 1949 году Михаил Лаврентьев, ведущий математик, член Академии наук УССР, который был знаком с работами Лебедева, написал Сталину письмо с просьбой поддержать работы в области вычислительной техники, подчеркнув при этом их важность для обороны страны. Сталин поручил Лаврентьеву создать лабораторию моделирования и вычислительной техники. Возглавить эту лабораторию Лаврентьев пригласил Лебедева. У Лебедева появились финансирование и статус. В то же время приказ Сталина демонстрировал роль политической власти — а фактически значимость одного человека — в продвижении технологий в Советском Союзе.
Лебедев разработал МЭСМ всего через три или четыре года после создания первого в мире электронного компьютера ENIAC в США и одновременно с британским EDSAC. К началу 1950-х годов МЭСМ использовалась для решения задач в области ядерной физики, комических полетов, ракетостроения, а также передачи электроэнергии.
В 1952 году вслед за созданием МЭСМ Лебедев разработал еще одну вычислительную машину — БЭСМ (сокращение от Большая (или Быстродействующая) электронно-счетная машина). Это была самая быстродействующая ЭВМ в Европе, по крайней мере в течение некоторого периода, способная составить конкуренцию лучшим мировым разработкам в этой области. Это был триумф. БЭСМ-1 была выпущена в единственном экземпляре, но уже следующие модели, особенно БЭСМ-6, производились сотнями и использовались для разных целей. Производство БЭСМ-6 было прекращено в 1987 году. В 1975-м в ходе совместного космического проекта «Союз — Аполлон» советские специалисты обработали параметры орбиты «Союза» на БЭСМ-6 быстрее американцев.
Но после столь многообещающего старта в области вычислительной техники Россия сегодня отстает от лидеров отрасли. Понять причину этого провала можно, только проанализировав историю развития отрасли, принимая во внимание социальные и экономические факторы, повлиявшие на ее трансформацию. В ведущих западных странах область вычислительной техники после Второй мировой войны формировалась под действием трех главных движущих сил: научного сообщества, государства (в части военного применения) и деловых кругов. Роль научного сообщества и правительства была особенно важна на начальном этапе, роль бизнеса проявилась позднее. Область вычислительной техники в Советском Союзе была успешна до тех пор, пока разработка этих устройств преимущественно зависела от достижений научной мысли и государственной поддержки. Поддержка вычислительных технологий со стороны государства была безграничной, если они использовались для нужд противовоздушной обороны или исследований в области ядерного оружия. Однако затем главной движущей силой на Западе стал бизнес. Символически этой переходной точкой является решение компании General Electric в 1955 году закупить вычислительные машины IBM 702 для автоматизации работ с платежными ведомостями и другими документами на своем заводе в Скенектади и решение Bank of America в 1959 году автоматизировать процессы (с использованием компьютера ERMA, созданного в Стэнфордском научно-исследовательском институте).
«Концепция кибернетики противоречит теории диалектического материализма Маркса, и охарактеризовал компьютерную науку как особенно вредоносную попытку западных капиталистов извлечь больше прибыли, заменив рабочих»
Эти решения ознаменовали начало масштабной компьютеризации банковской и деловой сферы. В 1960–1970-х годах электронные вычислительные машины стали коммерческими продуктом, это повлекло за собой снижение их стоимости, усовершенствования в части простоты использования, которых требовал рынок. Советский Союз со своей плановой экономикой, централизованным неконкурентным рынком не мог идти в ногу с происходящими технологическими усовершенствованиями. В результате в 1970-х годах СССР отступил от изначально впечатляющей попытки развиваться собственным независимым курсом в области вычислительной техники и принял стандарты компании IBM. С этого момента в области компьютерных технологий русские оказались и продолжают оставаться на позициях догоняющих и никогда больше не выбивались в лидеры. Сергей Лебедев умер в 1974 году. Другой ведущий ученый, разработчик первых советских ЭВМ Башир Рамеев, глубоко сожалел о решении перенять архитектуру IBM вплоть до своей смерти в 1994 году. Советскую отрасль вычислительной техники подвел не недостаток знаний в этой области, ее подкосила неодолимая сила рынка.
Еще одним фактором, хотя в данном конкретном случае и не определяющим, была идеология. В 1950-х годах советские идеологи относились к кибернетике очень скептически, называли ее «наукой мракобесов». В 1952 году один из заклеймил эту область знаний как «псевдонауку», подвергнув сомнению утверждение, что компьютеры могут помочь объяснить человеческую мысль или социальную деятельность. Еще в одной статье, опубликованной через год и озаглавленной «Кому служит кибернетика?», анонимный автор, выступивший под псевдонимом «Материалист», заявил, что концепция кибернетики противоречит теории диалектического материализма Маркса, и охарактеризовал компьютерную науку как особенно вредоносную попытку западных капиталистов извлечь больше прибыли, заменив рабочих, которым надо платить жалованье, машинами.
Хотя подобные идеологические обвинения теоретически могли оказать негативное влияние на развитие вычислительной техники в СССР, разработка ЭВМ, учитывая заинтересованность в них военно-промышленного комплекса, продолжалась теми же темпами8. Как сказал мне в 1960 году один из советских ученых в этой области, «мы занимались кибернетикой, просто не называли ее кибернетикой». Более того, в конце 1950-х — начале 1960-х годов в Советском Союзе произошел поворот на 180 градусов в отношении кибернетики, ее начали превозносить как науку, служащую целям советского государства.
В 1961 году даже вышел сборник под названием «Кибернетику — на службу коммунизму». Во многих российских университетах открылись факультеты кибернетики. Более серьезная политическая угроза для развития вычислительной техники в СССР возникла с появлением персональных компьютеров. Советскому руководству нравились компьютеры, пока они были огромными блоками в центральных правительственных, военных и промышленных ведомствах, но с гораздо меньшим энтузиазмом оно отнеслось к тому, что компьютеры переместились в частные квартиры и обычные граждане получили возможность использовать их для бесконтрольного распространения информации. В попытке осуществить контроль над передачей информации государство уже давно запретило простым гражданам иметь в собственности принтеры и копировальные аппараты. Персональный компьютер с принтером был равнозначен маленькому печатному станку. Но что могли поделать с этим советские власти?
Самые острые дебаты среди членов советского руководства по поводу компьютеров происходили в середине и конце 1980-х годов. В 1986-м я обсуждал эту проблему с ведущим советским ученым в этой области Андреем Ершовым. Он был откровенен, согласившись, что стремление Коммунистической партии обладать контролем над информацией препятствует развитию компьютерной отрасли. Затем сказал следующее: «Наше руководство еще не определилось, на что похож компьютер: на печатный станок, печатную машинку или телефон, — и многое будет зависеть от этого решения. Если они решат, что компьютеры похожи на печатные станки, то захотят продолжить контролировать отрасль так же, как сейчас они контролируют все печатные станки. Гражданам запретят их покупать, они будут только в учреждениях. С другой стороны, если наше руководство решит, что компьютеры похожи на печатные машинки, их позволят иметь гражданам, власти не будут стремиться контролировать каждый аппарат, хотя могут попытаться взять под контроль распространение информации, которая производится с их помощью. И в конце концов, если руководство решит, что компьютеры похожи на телефоны, они появятся у большинства граждан, и те смогут делать с ними все, что захотят, но онлайновая передача данных будет время от времени проверяться.
«Сегодня в России нет ни одной компании — производителя вычислительной техники, которая являлась бы значительным игроком на международном рынке, несмотря на то что русские могут с полным правом утверждать, что были в числе пионеров в области»
Я убежден, что в итоге государству придется позволить, чтобы граждане владели персональными компьютерами и сами их контролировали. Более того, станет очевидно, что персональные компьютеры не похожи ни на какие предыдущие коммуникационные технологии: ни на печатные станки, ни на печатные машинки, ни на телефоны. Наоборот, они являются абсолютно новым видом технологий. Вскоре наступит время, когда любой человек в любой точке мира сможет практически беспрерывно общаться с любым другим человеком в любой точке мира. Это будет настоящей революцией — не только для Советского Союза, но и для вас тоже. Но здесь ее последствия будут самыми значительными».
Это высказывание наглядно подтверждает, какой сложной проблемой для советского государства были компьютеры. Однако этот вопрос быстро потерял свою актуальность. Через пять лет после этого нашего разговора с Ершовым Советский Союз распался, а вместе с этим прекратился и контроль над коммуникационными технологиями (однако это не коснулось контроля над средствами массовой информации, в частности над телевидением). В современной России компьютерная отрасль так и не наверстала отставание, которое она переживала в последние годы советского государства. Как мы видели, это отставание было вызвано в большей степени неспособностью конкурировать в условиях рынка, нежели политическим контролем, хотя последний и сыграл определенную роль. Сегодня в России нет ни одной компании — производителя вычислительной техники, которая являлась бы значительным игроком на международном рынке, несмотря на то что русские могут с полным правом утверждать, что были в числе пионеров в области развития вычислительных технологий.
Поколения ЭВМ
Можно выделить (5) основных поколений ЭВМ . Но деление компьютерной техники на поколения — весьма условная.
1. Элементная база: электронно-вакуумные лампы.
2. Соединение элементов: навесной монтаж проводами.
3. Габариты: ЭВМ выполнена в виде громадных шкафов.
Эти компьютеры были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами, которые могли приобрести крупные корпорации и правительства.
Лампы потребляли большое количество электроэнергии и выделяли много тепла.
4. Быстродействие: (10-20) тыс. операций в секунду.
5. Эксплуатация: сложная из-за частого выхода из строя электронно-вакуумных ламп.
6. Программирование: машинные коды. При этом надо знать все команды машины, двоичное представление, архитектуру ЭВМ. В основном были заняты математики-программисты. Обслуживание ЭВМ требовало от персонала высокого профессионализма.
7. Оперативная память: до (2) Кбайт.
8. Данные вводились и выводились с помощью перфокарт, перфолент.
В (1948) году Джон Бардин, Уильям Шокли, Уолтер Браттейн изобрели транзистор, за изобретение транзистора они получили Нобелевскую премию в (1956) г.
В (1958) году создана машина М-20 , выполнявшая (20) тыс. операций в секунду — самая мощная ЭВМ (50-х) годов в Европе.
1. Элементная база: полупроводниковые элементы (транзисторы, диоды).
2. Соединение элементов: печатные платы и навесной монтаж.
3. Габариты: ЭВМ выполнена в виде однотипных стоек, чуть выше человеческого роста, но для размещения требовался специальный машинный зал.
4. Быстродействие: (100-500) тыс. операций в секунду.
5. Эксплуатация: вычислительные центры со специальным штатом обслуживающего персонала, появилась новая специальность — оператор ЭВМ .
6. Программирование: на алгоритмических языках, появление первых операционных систем .
7. Оперативная память: (2-32) Кбайт.
8. Введён принцип разделения времени — совмещение во времени работы разных устройств.
Уже начиная со второго поколения, машины стали делиться на большие, средние и малые по признакам размеров, стоимости, вычислительных возможностей.
Так, небольшие отечественные машины второго поколения (« Наири », « Раздан », « Мир » и др.) были в конце (60)-х годов вполне доступны каждому вузу, в то время как упомянутая выше БЭСМ-6 имела профессиональные показатели (и стоимость) на (2-3) порядка выше.
В (1958) году Джек Килби и Роберт Нойс , независимо друг от друга, изобретают интегральную схему (ИС).
В (1965) году начат выпуск семейства машин третьего поколения IBM-360 (США). Модели имели единую систему команд и отличались друг от друга объёмом оперативной памяти и производительностью.
В (1967) году начат выпуск БЭСМ — 6 ((1) млн. операций в (1) с) и « Эльбрус » ((10) млн. операций в (1) с).
В (1968) году сотрудник Стэндфордского исследовательского центра Дуглас Энгельбарт продемонстрировал работу первой мыши.
В (1969) году фирма IBM разделила понятия аппаратных средств (hardware) и программные средства (software). Фирма начала продавать программное обеспечение отдельно от железа, положив начало индустрии программного обеспечения.
(29) октября (1969) года проходит проверка работы самой первой глобальной военной компьютерной сети ARPANet , связывающей исследовательские лаборатории на территории США.
В (1971) году создан первый микропроцессор фирмой Intel . На (1) кристалле сформировали (2250) транзисторов.
1. Элементная база: интегральные схемы.
2. Соединение элементов: печатные платы.
3. Габариты: ЭВМ выполнена в виде однотипных стоек.
4. Быстродействие: (1-10) млн. операций в секунду.
5. Эксплуатация: вычислительные центры, дисплейные классы, новая специальность — системный программист .
6. Программирование: алгоритмические языки, операционные системы.
7. Оперативная память: (64) Кбайт.
При продвижении от первого к третьему поколению радикально изменились возможности программирования. Написание программ в машинном коде для машин первого поколения (и чуть более простое на Ассемблере) для большей части машин второго поколения является занятием, с которым подавляющее большинство современных программистов знакомятся при обучении в вузе.
Появление процедурных языков высокого уровня и трансляторов с них было первым шагом на пути радикального расширения круга программистов. Научные работники и инженеры сами стали писать программы для решения своих задач.
Уже в третьем поколении появились крупные унифицированные серии ЭВМ. Для больших и средних машин в США это прежде всего семейство IBM 360/370 . В СССР (70)-е и (80)-е годы были временем создания унифицированных серии: ЕС (единая система) ЭВМ (крупные и средние машины), СМ (система малых) ЭВМ и « Электроника » ( серия микро-ЭВМ).
В их основу были положены американские прототипы фирм IBM и DEC (Digital Equipment Corporation). Были созданы и выпущены десятки моделей ЭВМ, различающиеся назначением и производительностью. Их выпуск был практически прекращен в начале (90)-х годов.
Стив Джобс и Стив Возняк организовали предприятие по изготовлению персональных компьютеров « Apple », предназначенных для большого круга непрофессиональных пользователей. Продавался (Apple 1) по весьма интересной цене — (666,66) доллара. За десять месяцев удалось реализовать около двухсот комплектов.
В (1982) году фирма IBM приступила к выпуску компьютеров IBM РС с процессором Intel 8088 , в котором были заложены принципы открытой архитектуры, благодаря которому каждый компьютер может собираться как из кубиков, с учётом имеющихся средств и с возможностью последующих замен блоков и добавления новых.
1. Элементная база: большие интегральные схемы (БИС).
2. Соединение элементов: печатные платы.
3. Габариты: компактные ЭВМ, ноутбуки.
4. Быстродействие: (10-100) млн. операций в секунду.
5. Эксплуатация: многопроцессорные и многомашинные комплексы, любые пользователи ЭВМ.
6. Программирование: базы и банки данных.
7. Оперативная память: (2-5) Мбайт.
8. Телекоммуникационная обработка данных, объединение в компьютерные сети.
Элементной базой являются сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) с использованием оптоэлектронных принципов (лазеры, голография).
