Советская вычислительная школа Сергея Лебедева

Первые компьютеры в мире: Марк 1, Цузе Z3, МЭСМ и другие

Сейчас использование персональных компьютеров от Apple, Samsung, HP, Dell и других производителей кажется нам чем-то абсолютно естественным. Однако меньше века назад среднестатистический человек не имел представления о компьютерных технологиях, и любые разработки, которые сегодня используются на каждом устройстве, становились настоящим прорывом в индустрии.

В этой статье мы поговорим о том, что представляли собой самые первые компьютеры в мире, кто и зачем их разрабатывал, каковы были их возможности, и насколько большой вклад в развитие технологий они привнесли.

Начало пути

В 1921 г. Сергей сдал экзамены экстерном за среднюю школу и поступил в Московское высшее техническое училище (МВТУ) им. Н.Э.Баумана на электротехнический факультет. Его учителями и научными руководителями были выдающиеся русские ученые-электротехники, профессора Карл Адольфович Круг, Леонид Иванович Сиротинский и Александр Александрович Глазунов. Все они трудились над разработкой плана электрификации СССР (план ГОЭЛРО). Для успешного осуществления потребовались уникальные теоретические и экспериментальные исследования. Лебедев был еще студентом, но уже тогда основное внимание уделял проблеме устойчивости параллельной работы электростанций. Первые результаты по данной проблеме были отражены в его дипломном проекте, который выполнялся под руководством профессора К.А.Круга.

В 1928 г. Лебедев получил диплом инженера-электрика и остался преподавать в родной альма-матер, параллельно занимая должность младшего научного сотрудника Всесоюзного электротехнического института (ВЭИ). Именно в этом ВУЗе он возглавил лабораторию электрических сетей, где продолжил работу над проблемой устойчивости. Тематика лаборатории постепенно расширялась, охватывая также и проблемы автоматического регулирования. И в результате в 1936 г. на ее базе сформировался отдел автоматики, руководить которым поручили Сергею Алексеевичу.

К этому времени Лебедев уже стал профессором и автором (совместно с Петром Сергеевичем Ждановым) широко известной среди специалистов-электротехников монографии “Устойчивость параллельной работы электрических систем”.

Лебедев в своем кабинете

У научной деятельности Лебедева замечалась характерная особенность, которая заключалась в органическом сочетании большой глубины теоретической проработки с конкретной практической направленностью. Продолжая теоретические исследования, он стал активным участником подготовки сооружения Куйбышевского гидроузла.

В начале Второй мировой войны Лебедев был вынужден покинуть ВЭИ и уехать в Свердловск. Все ресурсы отдела автоматики переключили на оборонную тематику.

За поразительно короткие сроки работы в Свердловске, Алексей Сергеевич спроектировал систему стабилизации танкового орудия при прицеливании. Эта разработка усовершенствовала танк, делая его менее уязвимым и спасая тем самым многих танкистов. Система позволяла наводить и стрелять из орудия без остановки машины. За свое изобретение ученый был награжден орденом Трудового Красного Знамени и медалью «За доблестный труд в Великой Отечественной войне 1941-1945 гг.».

В 1945 г. Лебедева избрали действительным членом Академии Наук УССР

После окончания войны ученый занялся реализацией давно запланированного проекта по созданию вычислительной машины с использованием двоичной системы счисления. В те годы не было достаточно полных публикаций о двоичной системе счисления и методике операций над двоичными числами. Базой для построения цифровой вычислительной машины стала методика выполнения арифметических операций в двоичной системе счисления и ранее разработанные самим Лебедевым методы решения математических задач.

В 1947 г. Лебедев стал директором Института электротехники АН Украины и по совместительству возглавил руководство лабораторией Института точной механики и вычислительной техники СССР.

В 1948 г. начался процесс создания малой электронной счетной машины (МЭСМ). Для научной работы Лебедеву выделили частично разрушенное здание бывшей монастырской гостиницы в Феофании (Киев). С финансовой помощью и поддержкой вице-президента АН УССР Михаила Алексеевича Лаврентьева, помещение было отремонтировано и оборудовано под лабораторию.

Здание в Феофании, где размещалась лаборатория Лебедева

Лебедев выдвинул, обосновал и реализовал в первой советской машине принципы построения ЭВМ с хранившейся в памяти программой. МЭСМ занимала целое крыло двухэтажного здания (60 м²) и состояла из 6 000 электронных ламп. Примечательно то, что проектирование, монтаж и отладка машины были выполнены в течении трех лет. При этом в разработке участвовали лишь 11 инженеров и 15 технических сотрудников. Тогда как на разработку первого в мире электронного компьютера ЭНИАК (США) ушло пять лет и было задействовано 13 разработчиков и более 200 техников.

Схема элементарной ячейки блока памяти арифметического устройства МЭСМ

МЭСМ была арифметическим устройством, производившим операции сложения, вычитания, умножения, деления, сдвига, сравнения с учётом знака, сравнения по абсолютной величине, передачи управления, передачи чисел с магнитного барабана, сложения команд, остановки. МЭСМ имела двоичное представление чисел с фиксированной запятой, 16 двоичных разрядов на число, плюс один разряд на знак.

6 ноября 1950 г. состоялся пробный пуск машины, в ходе которого решалась задача: Y» + Y = 0; Y(0) = 0; Y(pi) = 0.

Не смотря на то, что МЭСМ создавалась более как макет Большой электронной счетной машины, ей нашли практическое применение. Первой советской ЭВМ весьма заинтересовались математики, задачи которых требовали использования быстродействующего вычислителя. До 1953 г. МЭСМ была единственной вычислительной машиной в СССР.

Участники разработки МЭСМ — Лев Наумович Дашевский и Соломон Бениаминович Погребинский (Киев, 1951 г.)

Элементная база: 6 000 электронных ламп (около 3500 триодов и 2500 диодов)
Быстродействие: 3 000 операций в секунду
Потребляемая мощность: около 25 кВт
Разрядность: 16
Тактовая частота: 5 кГц
Устройства ввода / вывода: ввод с перфокарты или набором кода на штекерном коммутаторе; вывод с помощью электромеханического печатающего устройства либо фотоустройства для получения данных на фотоплёнке.
Также мог использоваться магнитный барабан, хранящий до 5000 кодов чисел или команд.

Следующей после МЭСМ была разработана большая электронно-счётная машина (БЭСМ). В структуре устройства уже тогда были реализованы основные решения, характерные для современных вычислительных машин.

У БЭСМ была двоичная система представления чисел с учётом порядков, то есть в форме чисел с плавающей запятой. Машина оперировала диапазон чисел примерно от 10 -9 до 10 9 . Система команд была трёхадресной, в нее входило 9 арифметических операций, 8 операций передач кодов, 6 логических операций, 9 операций управления.

Лабораторные испытания БЭСМ

БЭСМ имела 39 двоичных разрядов для представления чисел в виде мантиссы/порядка, из них 32 разряда отводилось для значащей части и 5 для порядка. Еще по одному разряду отводилось для знаков мантиссы и порядка. При написании программ для машины применялась техника самомодифицирующегося кода, когда напрямую модифицировались адресные части команд для доступа к массивам.

Один из разработчиков БЭСМ Всеволод Сергеевич Бурцев вспоминает о машине следующее:

Во многих блоках первой БЭСМ в анодной цепи были использованы не лампы сопротивления, а ферритовые трансформаторы. Так как эти трансформаторы были изготовлены кустарным способом, они часто выгорали, при этом выделяли едкий специфический запах. Сергей Алексеевич обладал замечательным обонянием и, обнюхивая стойку, с точностью до блока указывал на дефектный. Он практически никогда не ошибался.

Элементная база: 4 000 электронных ламп, 5 000 полупроводниковых диодов
Быстродействие: 8 000 операций в секунду
Потребляемая мощность: около 35 кВт
Разрядность: 39
Тактовая частота: 9 МГц
Внешняя память: на магнитных барабанах (2 барабана по 5120 слов) и магнитных лентах (4 по 30 000 слов)
Устройства ввода / вывода: ввод с перфокарты, цифро-печать и фото-печатное устройство.

Группа сотрудников ИТМ и ВТ АН СССР в день награждения за создание БЭСМ (1956 г.)

В 1956 г. БЭСМ получила награду и была принята Государственной комиссией в эксплуатацию.

Первые шаги

Как вспоминали участники событий: «Вопросы упрощения схем занимали иногда более 70—80% от общего времени разработки. Разработать сложную схему было значительно более простым делом, чем её упростить». В целях увеличения надёжности можно было пойти на усложнение программы, если это позволит упростить схему. Лебедев даже ввёл специальный «коэффициент упрощения», который учитывался при начислении премии.

В те годы основными логическими элементами были ламповый вентиль и триггер, отказывавшие через каждые 100–1000 часов работы. Машина содержала тысячи таких элементов. Естественно, что всякое уменьшение количества элементов увеличивало надёжность машины.

«Ведь более чем шесть тысяч этих ламп должны были работать в нашей машине в строго заданных режимах. У ламп одного типа, работающих в симметричных триггерных схемах, должны были быть идентичные параметры и характеристики, это было необходимым условием правильной работы ЭВМ. В то же время даже в одной и той же лампе — основной лампе триггеров МЭСМ — двойном триоде 6Н8 две её половинки сплошь и рядом имели разные характеристики. Поэтому все лампы предварительно проверялись на идентичность характеристик. Нужно было проверить несколько тысяч ламп, чтобы подобрать годные».

Отладка первого образца ЭВМ велась на фоне непрерывных сбоев и отказов. «Наши старые знакомые — «строптивые» триггеры снова отравляли нам существование. Ведь в ячейке их было 21 штука, и стоило одному выкинуть какой-нибудь «фокус»: перевернуться не вовремя или, наоборот, не сработать по приказу посланного импульса, как вся ячейка начинала работать неправильно, что на языке наладчиков, называется «барахлить». Часто вдруг по совершенно неизвестным причинам в ячейке появлялись лишние единички, изменяя тем самым число, находящееся в ней. Особенно часто они «рождались» в тёплые летние ночи, когда машина работала в предельном температурном режиме. Днем летом вообще нельзя было работать.

И вот, наконец, наша МЭСМ начала делать первые робкие шаги. Подумать только, на вопрос, заданный ей с пульта: «Сколько будет 2 X 2?», она к бурной радости всех нас почти всегда отвечала: «4»».

После этого перешли к примерам посерьёзнее. Первая пробная задача была из области баллистики — бросание тела под углом к горизонту, без учёта сопротивления воздуха. Траекторию разделили на 32 отрезка, на каждом из которых рассчитывались координаты объекта. Математики выполнили контрольный расчёт в двоичной системе, что позволяло проверять результаты работы машины.

Вначале всё шло хорошо, но на восьмом отрезке обнаружилось совершенно незначительное расхождение. Многократные повторения расчёта ничего не изменили: машина давала один и тот же результат, отличавшийся от ручного счета на одну единицу младшего разряда.

«Все немедленно «повесили носы». Расхождений не могло быть. Один Сергей Алексеевич, который никогда не верил «в чудеса», сказал: «Я сам проверю ручной счёт до 9-й точки». И проверил (при расчёте в двоичной системе это была очень кропотливая и трудоёмкая работа, но он её никому не передоверил). Он оставил нас в сотый раз проверять расчёты машины, менять режимы, а сам удалился в другую комнату и аккуратнейшим образом в клетчатой ученической тетради выполнил необходимые вычисления. Расчёты продолжались целый день, а на другой он появился улыбающийся (что весьма редко бывало), очки были сдвинуты на лоб (что свидетельствовало об удаче) и сказал — «Не мучайте машину — она права. Не правы люди!»

Описанный эпизод имел большое воспитательное значение и впоследствии вспоминался на протяжении многих лет. Как только математики начинали обвинять машину во всех «смертных грехах», инженеры им говорили: «Вспомните баллистическую траекторию!»»

Разработка других ЭВМ в Киеве

Первый компьютер СССР и Европы: как в Киеве создали счетную машину, — ФОТО, ВИДЕО, Фото: КПІ

Уже в середине 1950-х, в Киеве, на базе того же объекта в Феофании, разрабатывался и компьютер под названием «Киев». Эта разработка велась уже математиком Борисом Владимировичем Гнеденко. Компьютеры «Киев» использовались в научных целях до 1960-х годов, и на них даже выполнялись эксперименты по внедрению искусственного интеллекта.

В дальнейшем отрасль развивалась. Лебедев вновь переехал в Москву, и создал еще 18 суперкомпьютеров, продолжив заниматься своим делом. На территории УССР и Киева, в последующие годы изобретались и ЭВМ с более продвинутыми функциями, и даже первый нейрокомпьютер. Однако, дальнейшие передовые достижения, которые привели к сегодняшнему развитию компьютерной техники, выполнялись уже за рубежом. Тем не менее, та разработка компьютера вошла в историю.

Якщо ви помітили помилку, виділіть необхідний текст і натисніть Ctrl + Enter, щоб повідомити про це редакцію

Характеристики ЭВМ [ править ]

• арифметическое устройство: универсальное, параллельного действия, на триггерных ячейках
• представление чисел: двоичное, с фиксированной запятой, 16 двоичных разрядов на число, плюс один разряд на знак
• система команд: трёхадресная, 20 двоичных разрядов на команду. Первые 4 разряда — код операции, следующие 5 — адрес первого операнда, ещё 5 — адрес второго операнда, и последние 6 — адрес для результата операции. В некоторых случаях третий адрес использовался в качестве адреса следующей команды. Операции: сложение, вычитание, умножение, деление, сдвиг, сравнение с учётом знака, сравнение по абсолютной величине, передача управления, передача чисел с магнитного барабана, сложение команд, остановка.
• оперативная память: на триггерных ячейках, для данных — на 31 число, для команд — на 63 команды
• постоянная память: штекерная, для данных — на 31 число, для команд — на 63 команды
• тактовая частота: 5 кГц
• быстродействие: 3000 операций в минуту (полное время одного цикла составляет 17,6 мс; операция деления занимает от 17,6 до 20,8 мс)
• количество электровакуумных ламп: 6000 (около 3500 триодов и 2500 диодов)
• занимаемая площадь: 60 м²
• потребляемая мощность: около 25 кВт

Данные считывались с перфокарт или набирались с помощью штекерного коммутатора. Также мог использоваться магнитный барабан, хранящий до 5000 кодов чисел или команд. Для вывода использовалось электромеханическое печатающее устройство либо фотоустройство для получения данных на фотоплёнке.

Характеристики ЭВМ [ править ]

• арифметическое устройство: универсальное, параллельного действия, на триггерных ячейках
• представление чисел: двоичное, с фиксированной запятой, 16 двоичных разрядов на число, плюс один разряд на знак
• система команд: трёхадресная, 20 двоичных разрядов на команду. Первые 4 разряда — код операции, следующие 5 — адрес первого операнда, ещё 5 — адрес второго операнда, и последние 6 — адрес для результата операции. В некоторых случаях третий адрес использовался в качестве адреса следующей команды. Операции: сложение, вычитание, умножение, деление, сдвиг, сравнение с учётом знака, сравнение по абсолютной величине, передача управления, передача чисел с магнитного барабана, сложение команд, остановка.
• оперативная память: на триггерных ячейках, для данных — на 31 число, для команд — на 63 команды
• постоянная память: штекерная, для данных — на 31 число, для команд — на 63 команды
• тактовая частота: 5 кГц
• быстродействие: 3000 операций в минуту (полное время одного цикла составляет 17,6 мс; операция деления занимает от 17,6 до 20,8 мс)
• количество электровакуумных ламп: 6000 (около 3500 триодов и 2500 диодов)
• занимаемая площадь: 60 м²
• потребляемая мощность: около 25 кВт

Данные считывались с перфокарт или набирались с помощью штекерного коммутатора. Также мог использоваться магнитный барабан, хранящий до 5000 кодов чисел или команд. Для вывода использовалось электромеханическое печатающее устройство либо фотоустройство для получения данных на фотоплёнке.

Содержание

Современный вид здания в Феофании (нынешний адрес: ул. Академика Лебедева, 19), где разрабатывалась МЭСМ. Машина находилась в левом крыле здания на первом этаже (шесть окон, ближайших к точке съёмки)

К концу 1949 года разработана архитектура машины, а также принципиальные схемы отдельных блоков.

В 1950 году машина была смонтирована в двухэтажном здании бывшего общежития женского монастыря в Феофании (под Киевом), где до Великой Отечественной войны размещалась психиатрическая лечебница [6] .

6 ноября 1950 года — выполнен второй пробный пуск машины, в ходе которого решалась задача: < y ″ + y = 0 y ( 0 ) = 0 y ( π ) = 0 y''+y&=&0\y(0)&=&0\y(pi )&=&0end>right.>

4 января 1951 года — решены первые задачи: вычисление суммы ряда факториалов нечётных чисел и возведение в степень чисел с дробью.

25 декабря 1951 года — принята в эксплуатацию государственной комиссией АН СССР во главе с академиком М. В. Келдышем.

12 января 1952 года лабораторией «Методов вычислений и расчётов» (при Институте математики АН УCCР), руководимой Е. Л. Ющенко начата регулярная эксплуатация МЕСМ.

В конце 1954 года лаборатория «Вычислительной техники» была передана в Институт математики АН УCCР и слита с лабораторией «Методов вычислений и расчётов», которую возглавляет Б. В. Гнеденко [7] .

Эксплуатация МЭСМ [ | ]

В 1952—1953 годах на МЭСМ были решены следующие задачи (цитата из воспоминаний Е. Л. Ющенко [4] [8] ):

• составление таблиц для статистического приёмочного контроля (постановка задачи Б. В. Гнеденко, исполнитель Е. Л. Ющенко);
• динамические задачи теории упругости (постановка А. И. Ишлинского, исполнитель А. А. Ющенко);
• выбор оптимальных параметров шахтных канатов (постановка Г. И. Савина и А. И. Ишлинского, исполнитель А. А. Ющенко);
• определение областей устойчивости электроэнергосистем, в частности, Куйбышевской ГЭС (постановка Л. В. Цукерника, исполнители В. С. Королюк, Е. Л. Ющенко);
• расчёт тепловых напряжений строительных конструкций (постановка А. Д. Коваленко, исполнитель Е. Л. Ющенко);
• обработка геодезических наблюдений (постановка Н. И. Якубецкой, исполнитель Е. Л. Ющенко);
• расчёт задач синтеза аммиака (исполнители Е. Л. Ющенко и Л. Н. Иваненко);
• оценка объёмов земляных работ при проектировании автодорог (постановка А. К. Хавкина, Киевский автодорожный институт; исполнители Е. Л. Ющенко, Л. Н. Иваненко, А. М. Сибирко).

Задачи, решаемые на МЭСМ:

• оптимизация прокладки магистральных высоковольтных линий электропередач, в частности: Куйбышевская ГЭС — Москва (Е. Л. Ющенко) — с 1952 г.;
• внешняя баллистика (с 1952 по 1957 г.), поставлена М. В. Келдышем, в разработке методов решения принимали участие Ю. А. Митропольский и его ученик Ющенко А. А., программы расчёта составлялись Е. Л. Ющенко в сотрудничестве с известными московскими учёными и программистами М. Р. Шура-Бура и Ю. Д. Шмыглевским;
• нелинейная механика (Ю. А. Митропольский, исполнитель Ющенко А. А. программирование Е. Л. Ющенко);
• расчёт тепловых напряжений строительных конструкций (постановка А. Д. Коваленко, Институт механики АН УССР, программирование Е. Л. Ющенко).

В 1954 году для МЭСМ Е. Л. Ющенко разработала экспериментальную программирующую программу, составляющую по простым арифметическим выражениям программы в машинных ах, которые вычисляют их значение [8] . При разработке этой программы был приобретён опыт, который использован при реализации компиляторов Адресного языка программирования.

Эксплуатировалась до 1957 года, после чего была передана в КПИ для учебных целей. В 1959 году МЭСМ демонтировали: «Машину разрезали на куски, организовали ряд стендов, а потом… выбросили» — вспоминал Б. Н. Малиновский [9] . Несколько оставшихся от МЭСМ электронных ламп и других компонентов хранятся в Фонде истории и развития компьютерной науки и техники при Киевском доме учёных НАН Украины [9] .

Характеристики ЭВМ [ править ]

• арифметическое устройство: универсальное, параллельного действия, на триггерных ячейках
• представление чисел: двоичное, с фиксированной запятой, 16 двоичных разрядов на число, плюс один разряд на знак
• система команд: трёхадресная, 20 двоичных разрядов на команду. Первые 4 разряда — код операции, следующие 5 — адрес первого операнда, ещё 5 — адрес второго операнда, и последние 6 — адрес для результата операции. В некоторых случаях третий адрес использовался в качестве адреса следующей команды. Операции: сложение, вычитание, умножение, деление, сдвиг, сравнение с учётом знака, сравнение по абсолютной величине, передача управления, передача чисел с магнитного барабана, сложение команд, остановка.
• оперативная память: на триггерных ячейках, для данных — на 31 число, для команд — на 63 команды
• постоянная память: штекерная, для данных — на 31 число, для команд — на 63 команды
• тактовая частота: 5 кГц
• быстродействие: 3000 операций в минуту (полное время одного цикла составляет 17,6 мс; операция деления занимает от 17,6 до 20,8 мс)
• количество электровакуумных ламп: 6000 (около 3500 триодов и 2500 диодов)
• занимаемая площадь: 60 м²
• потребляемая мощность: около 25 кВт

Данные считывались с перфокарт или набирались с помощью штекерного коммутатора. Также мог использоваться магнитный барабан, хранящий до 5000 кодов чисел или команд. Для вывода использовалось электромеханическое печатающее устройство либо фотоустройство для получения данных на фотоплёнке.