Очерки истории отечественной программной инженерии в 1940-е – 80-е годы - Владимир Липаев

Послевоенные годы стали отправной точкой в истории создания первых советских ЭВМ. В 1948 – 1951-е годы в Киеве в лаборатории моделирования и вычислительной техники Института электротехники АН УССР под руководством Сергея Алексеевича Лебедева была создана первая советская малая электронная счетная машина (МЭСМ) – прототип современных ЭВМ. Созданием МЭСМ в кельях бывшего монастыря «Феофания» было положено начало развитию отечественной вычислительной техники. К концу 1950 года монтаж действующего макета первой отечественной ЭВМ был завершен, и началась его проверка путем решения тестовых и ряда простейших народно-хозяйственных задач. А уже через два года в Москве, в Институте Точной Механики и вычислительном центре АН СССР, директором которого стал С.А. Лебедев, на базе разработанной в Киеве модели создается БЭСМ – большая электронная счетная машина. Машины данной серии становятся одними из лучших в США и Европе! Сегодня в это сложно поверить, однако быстродействие БЭСМ, а также возможность выполнить сложные математические операции подтверждало высокий уровень развития науки и технологий в Советском Союзе и открывало широкие перспективы для новых открытий и достижений.

Параллельно с С.А. Лебедевым по постановлению правительства над созданием электронно-вычислительных машин проводили работы и другие ученые – с 1948-го года в конструкторском бюро № 245, возглавляемом М.А. Лесечко, шла разработка цифровой вычислительной машины, получившей название «Стрела». Скорость ее работы составила две тысячи операций в секунду, что в пять раз уступает быстродействию БЭСМ. «Стрела» впервые стала выпускаться серийно.

Важнейшим звеном в истории советской вычислительной техники стали созданные группой инженеров под руководством И.С. Брука машины «М1». Данная машина отличалась невысоким быстродействием, но ее важным преимуществом были небольшие габаритные размеры, что делало ее применение удобным в любых помещениях. Впоследствии разработки И.С. Брука были усовершенствованы, и в 1953-ем году машина «М2», скорость работы которой составляла уже 2 тысячи операций с минуту, сочетала в себе все преимущества советских ЭВМ.

Три электронно-вычислительные машины на лампах – БЭСМ, «Стрела» и «М2» относятся к советским ЭВМ первого поколения (рис. 1).

Рис. 1.

Все эти разработки имели существенные недостатки – высокая степень энергопотребления и небольшая оперативная память требовали совершенствования, но и западные машины того времени не превосходили советские ЭВМ по своим эксплуатационным характеристикам.

В середине 40-х годов в США был опубликован документ под названием «Архитектура, фон Неймана». В нем великий физик и математик Джон фон Нейман (John von Neumann) описал вычислительную систему, в которой процессорный модуль отделен от устройства хранения данных. Вскоре был создан, а затем и усовершенствован первый американский компьютер ENIAC. Его установили в Университете штата Пенсильвания, США, и начали использовать для решения научных задач. Тогда же в Англии появились первые управляемые программами ЭВМ. Ученым уже было известно, что американские и британские коллеги достигли определенных успехов, но «холодная война» наложила ограничения – исследования заморских умов нашим конструкторам были недоступны.

При создании проекта МЭСМ в 1947-м году С.А. Лебедевым были независимо от работ Дж. фон Неймана сформулированы аналогичные основные принципы построения архитектуры электронных вы числительных машин:

• в состав ЭВМ должны входить арифметическое устройство, память, устройство управления и устройство ввода-вывода;

• программа в машинных кодах должна храниться в той же памяти, что и числа;

• для представления чисел и команд должна применяться двоичная система счисления;

• вычисления должны выполняться автоматически в соответствии с программой, хранящейся в памяти;

• логические операции должны выполняться наряду с арифметическими операциями;

• память машины должна быть организована по иерархическому принципу.

Основой высокой эффективности деятельности С.А. Лебедева являлось понимание основополагающих принципов развития столь сложного направления человеческой деятельности, как электронная вычислительная техника, глубокий теоретический анализ выполняемых проектов [2]. Отсюда чрезвычайно высокие требования к главному конструктору и разработчикам выполняемого проекта. С.А. Лебедев тщательно обдумывал все аспекты проблемы и в результате не имел практически ни одного проекта «в корзину». Все его разработки – более полутора десятков проектов ЭВМ, были внедрены в серийное производство, из которых две трети для задач обороны страны.

С.А. Лебедев очень точно определил направление развития вычислительной техники. Ее передовым фронтом он считал высокопроизводительные вычислительные системы. Сергей Алексеевич отстоял основное направление работы ИТМ и ВТ – высокопроизводительные вычислительные системы, несмотря на то, что впоследствии Институту предлагали главную роль в стране по разработке вычислительной техники на базе прототипов ЕС ЭВМ. Он считал, что развитие вычислительной техники определяют сверхвысокопроизводительные системы и страна должна иметь самостоятельное направление в этой области.

С 1953-го года в стране был налажен серийный выпуск вычислительных машин. Первой в серию пошла ЭВМ «Стрела», созданная в СКБ-245 под руководством Ю.Я. Базилевского. Основные характеристики ЭВМ «Стрела»:

• ЭВМ была разработана на обычных для того времени радиолампах общим количеством ~ 6000 штук;

• быстродействие 2000 операций в секунду, тактовая частота 50КГц, команды трехадресные;

• оперативная память содержала 2048 ячеек, ячейка, в которой размещались трехадресная команда или число, содержала 43 двоичных разряда, оперативная память была выполнена на электронно-лучевых трубках (ЭЛТ), каждый разряд запоминался на отдельной трубке;

• общая потребляемая мощность составляла ~ 150 кВт, что создавало значительные проблемы с теплоотводом;

• оперативным средством связи пользователей являлся центральный пункт управления. Он содержал по 3 ряда тумблеров и индикаторов (по 43 неоновых лампочек каждый) и ряд индикаторов адреса выполняемой команды.

Несмотря на обилие радиоламп с ограниченным гарантийным сроком службы (до 500 часов) конструктивная реализация ЭВМ позволила довести среднее полезное время работы до 20 часов в сутки, но машина все равно с трудом справлялась с потоком задач. Из-за периодических сбоев при работе ЭВМ задачи считались с «двойным просчётом» и со сравнением контрольных сумм результатов.

Первыми программистами были выпускники ведущих вузов с физико-математической специализацией.

Они, в большинстве случаев, получив начальную постановку задачи и исходные данные, участвовали в её формализации, в разработке и отладке алгоритма и программы, зачастую выполняли функции операторов в организации вычислений.

БЭСМ-2 была создана С.А. Лебедевым в 1957 году как серийный аналог уникальной БЭСМ-1 и нашла применение в ряде НИИ СССР и за рубежом для численного решения широкого круга математических задач. Основные технические характеристики были аналогичны характеристикам БЭСМ, система команд машины отличалась тем, что были исключены редко использовавшиеся команды и добавлены некоторые новые команды. Системное программное обеспечение в этих машинах отсутствовало. На серийных машинах БЭСМ-2 были решены тысячи задач: чисто теоретических, прикладной математики, инженерных. В частности, рассчитывались траектории полета первых космических аппаратов. Машина была разработана и внедрена в народное хозяйство коллективами ИТМ и ВТ АН СССР и завода им. Володарского (г. Ульяновск) в 1958-м году и производилась до 1962-го года.

В первую очередь, ЭВМ «Стрела» и БЭСМ-2 задействовали в военных целях – для изучения термоядерных реакций, расчета баллистических траекторий ракет и так далее. В 1956-м году Лебедев выступил с докладом на конференции в западногерманском городе Дармштадте. Академик устроил переполох, рассказав миру о том, что в СССР действует сверхбыстрая ЭВМ, – оказалось, что в Европе машине БЭСМ-1 не было равных.

Дальнейшее развитие вычислительных систем на протяжении нескольких лет было эволюционным. В 1958-м году на арену вышла система БЭСМ-2 с внешней памятью на основе ферритовых сердечников и увеличенным набором исходных команд. Впервые ЭВМ подготовили к серийному производству. Первые серьезные шаги по развитию централизованной производственной базы гражданских сфер применения ЭВМ были сделаны в конце 50-х годов после успешного завершения работ по созданию первых в нашей стране промышленных, универсальных вычислительных машин М-20 (см. рис. 1). В 1958-м году в серию пошла машина М-20, созданная в коллективе С.А. Лебедева в ИТМ и ВТ (зам. главного конструктора М.К. Сулим и М.Р. Шура-Бура) [1, 3]. Скорость решения задач напрямую зависела от подготовленности программиста, – он должен был быстро реагировать на сбои, ошибки, отлично ориентироваться в переключателях пульта управления. Первые попытки реализовать системный язык программирования С.А. Лебедев предпринял еще при разработке М-20, машина понимала некоторые наглядные и интуитивные команды, мнемокоды. Это существенно расширило круг специалистов, способных взаимодействовать с ЭВМ.