Советская вычислительная школа Сергея Лебедева
| Cергей Алексеевич Лебедев стоял у истоков развития и становления отечественной вычислительной техники. Опыт его работы уникален, так как охватывает период от создания первых ламповых компьютеров, выполнявших сотни и тысячи операций в секунду, до быстродействующих супер-ЭВМ на больших интегральных схемах.
|
Сергей Алексеевич Лебедев был советским академиком и основоположником вычислительной техники в СССР. Он создал первый в континентальной Европе компьютер с хранимой в памяти программой (МЭСМ) и был одним из разработчиков первых цифровых электронных вычислительных машин с динамически изменяемой программой вычислений. Под руководством и самоличном участии этого выдающегося ученого было создано 18 ЭВМ, причем 15 из них выпускались серийно.
МЭСМ
► 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 Академии Наук УССР Михаила Алексеевича Лаврентьева, помещение было отремонтировано и оборудовано под лабораторию.
► 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 3-х лет.
► 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.
БЭСМ-1
► 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-1 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.
► БЭСМ-1 имела 39 двоичных разрядов для представления чисел в виде мантиссы/порядка. При написании программ для машины применялась техника самомодифицирующегося кода, когда напрямую модифицировались адресные части команд для доступа к массивам.
► В 1956 г. БЭСМ-1 получила награду и была принята Государственной комиссией в эксплуатацию.
БЭСМ-2
► Характерной особенностью было то, что БЭСМ-2 и М-20 разрабатывались в тесном контакте с промышленностью. Специалисты завода и академического института вместе участвовали в создании машины. Этот принцип был хорош тем, что улучшал качество документации, т. к. в ней учитывались технологические возможности завода.
► Вычислительная машина БЭСМ-2 сохранила систему команд и все основные параметры предыдущего устройства, но конструкция стала более технологичной и удобной для серийного выпуска.
► В БЭСМ-2 было реализовано оперативное запоминающее устройство на ферритных сердечниках, широко применялись полупроводниковые диоды, а также была усовершенствована конструкция. На БЭСМ-2 проводились расчеты, связанные с запуском искусственных спутников, первых пилотируемых космических кораблей.
► БЭСМ-2 имела около 4 000 электронных ламп, и была собрана на трех основных стойках.
М-20
► М-20 стала первой советской машиной, которая поставлялась в комплекте со специальным математическим обеспечением (по своей сути — ОС). В новое устройство Лебедев заложил рад конструктивных решений, расширяющих функциональность и почти не увеличивающих количество электронных ламп.
► К началу 1958 г. опытный образец М-20 заработал надежно, и в том же году машина была успешно принята Государственной комиссией с оценкой "самая быстродействующая в мире". М-20 обладала производительностью 20 000 операций в секунду за счет совмещения работы отдельных устройств и более быстрого выполнения арифметических операций.
► В машине впервые были применены: автоматическая модификация адреса; совмещение работы арифметического устройства и выборки команд из памяти; использование буферной памяти для массивов, выдаваемых на печать.
БЭСМ-4
► В 1965 г. появилась серийная ЭВМ на полупроводниковых элементах БЭСМ-4, которая унаследовала архитектуру М-20.
► Для БЭСМ-4 существовало не менее 3 разных компиляторов с языка Алгол-60, компилятор Fortran, не менее 2 разных ассемблеров, компилятор с оригинального языка Эпсилон.
► БЭСМ-4 состояла из запоминающего устройства, устройства управления, арифметического устройства, устройства ввода-вывода и пульта управления с панелью сигнализации.
БЭСМ-6
► Разработка БЭСМ-6 завершилась в конце 1965 г. Эта машина стала первой советской супер-ЭВМ на элементной базе второго поколения (полупроводниковых транзисторах). В электронных схемах БЭСМ-6 использовалось 60 000 транзисторов и 180 000 полупроводников-диодов. Элементная база была новой для того времени.
► В разработке использовалась ассоциативная память на сверхбыстрых регистрах, что сократило количество обращений к ферритной памяти и позволило осуществить локальную оптимизацию вычислений в динамике счета. Оперативная память имела расслоение (8-слойная) на автономные модули, что дало возможность одновременно обращаться к блокам памяти по нескольким направлениям.
► Многопрограммный режим работы БЭСМ-6 позволил решать несколько задач с заданными приоритетами. Аппаратный механизм преобразования математического адреса в физический дал возможность динамически распределять оперативную память в процессе вычислений средствами ОС.
► У БЭСМ-6 был конвейерный центральный процессор с отдельными конвейерами для устройства управления и арифметического устройства. Он позволял совмещать обработку нескольких команд, находящихся на разных стадиях выполнения. Имелся кеш на 16 48-битных слов (4 чтения данных, 4 чтения команд, 8 — буфер записи).
►В 1990 г. один из экземпляров БЭСМ-6 был перевезен в Лондон и установлен в Музее науки, как лучший в Европе суперкомпьютер своего времени.
Сравнительные характеристики
| |
БЭСМ-1 |
БЭСМ-2 |
М-20 |
БЭСМ-4 |
БЭСМ-6
|
| Элементная база |
4 000 электронных ламп, 5 000 полупроводниковых диодов |
4 000 электронных ламп, 5 000 полупроводниковых диодов |
электронные лампы, полупроводниковые схемы |
электронные лампы, полупроводниковые схемы |
транзисторный парафазный усилитель с диодной логикой на входе
|
| Быстродействие |
8 000 операций в секунду |
20 000 операций в секунду |
20 000 операций в секунду |
до 40 000 операций в секунду |
1 млн операций в секунду
|
| Потребляемая мощность |
около 35 кВт |
35 кВт |
50 кВт |
50 кВт |
60 кВт
|
| Разрядность |
39 |
45 |
45 |
45 |
48
|
| Тактовая частота |
9 МГц |
10 МГц |
0.6667 мГц |
9 МГц |
10 МГц
|
| Внешняя память |
на магнитных барабанах и магнитных лентах |
на магнитных барабанах и магнитных лентах |
на магнитных барабанах и магнитных лентах |
на магнитных барабанах и магнитных лентах |
на магнитных лентах и магнитных дисках
|
| Устройство ввода/вывода |
ввод с перфокарты, цифро-печать и фото-печатное устройство |
ввод с перфоленты, которую печатает устройство |
ввод с перфоленты, которую печатает устройство |
ввод с перфоленты, которую печатает устройство |
ввод с перфокарты, цифропечать и фотопечатное устройство
|
| 
