Семейство ЭВМ «БЭСМ»

Три статьи про БЭСМ из разных номеров журнала «Наука и жизнь».

Машины-математики

Источник: журнал «Наука и жизнь», №11, 1958 год.

Советский народ с огромным воодушевлением и творческим подъёмом встретил весть о созыве внеочередного XXI съезда КПСС. На заводах и полях, на стройках и в лабораториях трудятся советские люди во имя осуществления величественной программы строительства коммунизма. Наш народ, народ-созидатель, знает, что только творческий труд миллионов является той могучей силой, которая делает возможным свершение самых грандиозных замыслов и предначертаний.

Высоко оценивают партия и правительство труд на благо Родины. Весь наш народ гордится лучшими советскими людьми, удостоенными за высокие творческие достижения звания Героя Социалистического Труда. В этом номере мы попросили выступить перед нашими читателями Героев Социалистического Труда, работающих в различных областях науки, техники и производства.

Известный советский учёный академик Сергей Алексеевич Лебедев – крупный специалист в области математического машиностроения, автор многочисленных работ по автоматическому регулированию и контролю электрических систем. Под руководством С. А. Лебедева разрабатывалась теория, строились и внедрялись в эксплуатацию крупнейшие установки автоматического регулирования и контроля в промышленности Советского Союза. За разработку и внедрение устройств компаундирования генераторов электростанций для повышения устойчивости энергосистем и улучшения работы электроустановок С. А. Лебедеву в 1950 году была присуждена Сталинская премия.

С 1951 года С. А. Лебедев руководит важнейшими работами в Институте точной механики и вычислительной техники Академии наук СССР и Институте электротехники Академии наук УССР.

Советское правительство отметило заслуги академика Сергея Алексеевича Лебедева, удостоив его звания Героя Социалистического Труда.

История развития и использования быстродействующих электронных математических машин исчисляется всего лишь несколькими годами, но достигнутые результаты столь поразительны и многообещающи, что сегодня нет, пожалуй, ни одного человека, который не слышал бы о них и не интересовался бы всем новым, что имеет к ним отношение.

Директор Института точной механики и вычислительной техники Академии наук СССР академик Сергей Алексеевич Лебедев в беседе с нашим корреспондентом поделился некоторыми соображениями о ближайших перспективах развития математического машиностроения и применения быстродействующих электронных математических машин.

Машиностроение и лингвистика, аэродинамика и медицина, экономика, геология, транспорт, астронавигация и многие, многие другие области науки и отрасли производства с успехом используют сегодня быстродействующие электронные математические машины, облегчающие умственный труд человека. И объяснение найти этому не трудно: такие основные свойства электронных математических машин, как быстродействие и универсальность, в настоящее время общеизвестны.

В самом деле, если говорить о скорости, с которой наши новые электронные помощники осуществляют заданные математические операции, то такие образные понятия, как «мгновенно», «молниеносно», «быстрее мысли», становятся слишком неопределёнными и недостаточными. Этими словами невозможно, например, охарактеризовать быстродействие машины, которая рассчитывает скорость или траекторию полёта снаряда или ракеты быстрее, чем они сами завершат свой полёт. Какое сравнение способно достаточно точно отразить тот факт, что, например, большая электронная счётная машина (БЭСМ) в стенах нашего института для записи или выборки числа затрачивает всего одну стотысячную секунды! Однако и эти малые значения уже не удовлетворяют математиков, которые сетуют на «слишком медленную» работу электронных машин и требуют увеличить её скорость «хотя бы на два порядка», то есть в 100 раз. Сколь это сложно, видно из того, что на сокращение времени записи и выборки числа всего на две миллионные доли секунды понадобилось несколько лет. Однако не приходится говорить о достижении какого-либо предела скорости, ибо в этой области, как и в любой другой сфере творчества, нельзя определить границу человеческих возможностей.

Уже сейчас проводятся интересные работы, позволяющие надеяться на значительное увеличение быстродействия электронных «машин-математиков». Это – использование новых физических процессов, более полное использование уже известных и создание новых, более эффективных математических методов, лучше учитывающих специфику электронных машин. Кстати, использование новых физических процессов позволит повысить и полезное время работы электронных машин, которое, например, для БЭСМ, как известно, совсем недавно составляло около 72 процентов. Хотя этот процент и соответствовал лучшим американским образцам, нас он уже не устраивал, и сейчас его удалось увеличить до 75 процентов.

Что же касается принципиальной универсальности электронных машин, которые с равным успехом решают как чисто технические, так и специфические задачи, например, лингвистики или медицины, то, к сожалению, мы не имеем ещё возможности в полной мере использовать это их качество. Дело в том, что отсутствие математических формулировок многих технологических процессов в ряде важнейших отраслей производства: металлургии, химии и других – пока что не позволяет широко использовать на этих производствах новую, «умную» технику. Ведь несмотря на то, что о математических машинах зачастую весьма вольно говорят «машина помнит», «машина думает», эти выражения являются всего лишь образным описанием процессов, происходящих в электрических цепях. На самом деле машина, конечно, не может ни помнить, ни думать. Лишь человек может вложить в неё алгоритм, то есть последовательность вычислений, которой машина должна следовать при решении тех или иных задач. Но для задания алгоритма необходимо иметь математическое описание «формулировки» процессов и технологических операций, а это требует от специалистов, работающих в этих областях, ещё более глубокого проникновения в механизм и физику протекания соответствующих явлений. Так что, как видите, применение электронных машин, помимо прочего, является ещё и фактором, стимулирующим исследовательские работы в этих областях.

Каковы же перспективы дальнейшего развития строительства быстродействующих электронных машин? В настоящее время здесь наметились три основных направления развития: для научных исследований и расчётов; управления производственными процессами; научно обоснованного экономического анализа. Трудно переоценить значение применения электронных машин в этих направлениях. Необходимо и накопленный опыт позволяет уже это сделать – перейти к агрегатному методу построения машин. Тогда любая специальная машина может быть относительно просто составлена из отдельных унифицированных блоков.

При этом, конечно, совершенно необходима и унификация систем автоматических команд, создаваемых различными организациями, чтобы все машины «говорили» на одном общем «языке». Переход к агрегатному методу построения машин значительно сократит принципиально бесполезную разнотипность аналогичных по назначению элементов электронных вычислительных машин, создаваемых различными конструкторами.

В настоящее время уже не может быть сомнения в том, что совершенствование электронных вычислительных машин, их более широкое использование и сосредоточение в определённых вычислительных центрах позволит значительно повысить эффективность их эксплуатации и окажет существенную помощь в скорейшем осуществлении плана развития народного хозяйства СССР на 1959-1965 годы, контрольные цифры которого будут обсуждаться вскоре внеочередным XXI съездом КПСС.

В одном из больших светлых залов Института точной механики и вычислительной техники Академии наук СССР в настоящее время идёт монтаж новой быстродействующей электронной счётной машины «БЭСМ-2». Она является модернизацией «БЭСМ-1», предназначена для серийного выпуска, более удобна в эксплуатации и, помимо конструктивного оформления, отличается от «БЭСМ-1» тем, что в ней в 2 раза увеличена оперативная память.

Оперативная память «БЭСМ-2» может вместить 2046 чисел. Запись числа и выборка его занимают десять миллионных секунды.

Внешняя память «БЭСМ-2» – это два магнитных барабана и восемь магнитофонов с лентами. Ёмкость барабанов – 10240 чисел. На каждый из барабанов может быть записано до 800 чисел в секунду. Ёмкость магнитных лент – около 20 тысяч чисел.

В запоминающем устройстве применены ферритовые сердечники. Монтаж новой электронно-счётной машины предполагается закончить в этом году.

Миллион в секунду

Источник: журнал «Наука и жизнь», №10, 1966 год.

В Вычислительном центре Академии наук СССР вступает в эксплуатацию ещё одна быстродействующая вычислительная машина БЭСМ-6. Наш корреспондент обратился к заместителю главного конструктора машины Владимиру Андреевичу Мельникову с просьбой рассказать о её особенностях.

Прошло немногим более 20 лет со времени создания первой электронной вычислительной машины (ЭВМ), а существует уже несколько «поколений» таких машин. Границы (часто довольно-таки условные) между этими поколениями определяются прежде всего этапами развития электронной техники. Каждый из этапов приводил к созданию новых элементов, из которых строится вычислительная машина. Первые ЭВМ были собраны на вакуумных лампах. В машинах второго поколения используются полупроводниковые диоды и триоды, а конструирование ЭВМ третьего поколения основывается на использовании последних достижений электроники – твёрдых схем и схем на тонких плёнках.

Чем же объяснить, что всего за два десятилетия появилось три поколения ЭВМ?

Одна из главных причин – стремление повысить быстродействие вычислительных машин. Первая вычислительная машина «Эниак» (создана в 1946 году профессором Гарвардского университета Г. Айкеном) могла выполнять несколько сот операций в секунду. Она предназначалась для расчёта траекторий полёта снаряда. Но более сложные задачи машине были не под силу: на их решение уходили бы уже не часы или дни, а месяцы или даже годы.

На таком аппарате готовят перфокарты – пробивают определённые комбинации отверстий, которыми закодированы нужные числа и команды.

Условие задачи – это целая стопа перфокарт, которая вкладывается в специальный аппарат. С его помощью данные задачи вводятся в машину.

Низкая скорость машин первого поколения определялась свойствами самих электронных ламп. Дело в том, что большие размеры ламп приводят к появлению паразитных ёмкостей. Этот эффект равносилен тому, как если бы к входу лампы был подключён конденсатор. В результате каждая лампа очень сильно «подгружает» свою предшественницу. Для того, чтобы всё-таки получить требуемую величину сигнала, приходится увеличивать мощность ламп. Но при этом возрастают тепловые потери в лампах, а значит, необходимо улучшать условия отвода тепла и опять-таки увеличивать габариты ламп. Влияние паразитных ёмкостей сказывается тем сильнее, чем чаще следуют электрические импульсы в машине, а ведь именно эта частота и определяет быстродействие ЭВМ.

Полупроводники способны работать с сигналами во много раз меньшими, чем лампы. Поэтому схемы, собранные на полупроводниках, пропускают импульсы, следующие с очень высокой частотой: до сотен миллионов в секунду. Этим и объясняется высокое быстродействие ЭВМ второго поколения.

Во многих странах мира работают над созданием машин третьего поколения. Выпущены первые, относительно небольшие ЭВМ, построенные целиком на твёрдых схемах и схемах на тонких плёнках. Конструкторы пробуют включать отдельные блоки и узлы, построенные на этих схемах, и в машины второго поколения. Но пока самые большие и мощные машины, предназначенные для решения сложнейших вычислительных задач, строятся в основном на диодах и транзисторах (напомню, что в это время в США уже как полтора года бьёт рекорды по продажам ЭВМ третьего поколения, т.е. на микросхемах, «устаревшая» IBM System/360 – прим. D).

Конечно, не одни только свойства ламп, или полупроводников, или каких-либо иных элементов определяют возможности ЭВМ. Качество машины зависит от решения множества конструктивных и схемных вопросов – от разработки отдельного узла до компоновки машины в целом. Кстати говоря, именно компоновка представляет в быстродействующей машине серьёзные трудности: нужно найти такой вариант размещения блоков ЭВМ, при котором длина соединительных проводов будет минимальной. Ведь при частотах в десятки миллионов импульсов в секунду на соединительных проводах, как на антеннах, наводятся посторонние сигналы, искажающие работу машины.

После такого небольшого вступления можно перейти к рассказу, непосредственно касающемуся машины БЭСМ-6 (её общий вид показан на 1-й стр. цветной вкладки). Прежде всего надо сказать, что эта универсальная вычислительная машина выполнена на полупроводниковых элементах и обладает средним быстродействием в миллион операций в секунду. Предназначена она для решения сложных задач науки, техники и народного хозяйства, требующих большого объёма вычислений и большой машинной памяти.

Обмен информацией между машиной и внешним миром происходит с помощью магнитных лент и магнитных барабанов, перфолент и перфокарт, механизмов, печатающих буквы и цифры (на широкой бумажной ленте).

В настоящее время ввод и вывод информации из электронных вычислительных машин – это наиболее медленный процесс. Поэтому в БЭСМ-6, так же как и в других сложных современных ЭВМ, во время работы внешних устройств центральная часть машины не останавливается, а продолжает вычисления и логические операции с уже имеющейся информацией. Внешние устройства (от телетайпов до магнитных барабанов) работают одновременно, и информация поступает в машину и выводится из неё параллельными потоками. Для регулирования этих потоков создан блок управления внешними устройствами: он пропускает быстрые сигналы, идущие с магнитных барабанов, в паузах между всеми остальными сигналами. Вся связь машины с внешним миром идёт через этот блок: по одному каналу машина получает из него информацию, по другому – передаёт в него данные расчётов. Пропускная способность каждого канала – полмиллиона «слов» в секунду (каждое «слово» состоит из 50 двоичных разрядов информации).

Как и все машины такого класса, БЭСМ-6 может одновременно решать несколько задач. Для этой цели служит специальная программа-«диспетчер».

Эта программа наилучшим образом распределяет информацию по памяти машины, с тем чтобы данные одной задачи ни в коем случае не могли влиять на решение другой. Программа-«диспетчер» следит также за тем, чтобы задачи решались в определённой последовательности. Каждой из них присваивается свой номер очереди – приоритет, – и «диспетчер» стремится давать «зелёную улицу» задаче с наивысшим приоритетом (естественно, самым высшим приоритетом будет приоритет №1).

В процессе решения серьёзных вычислительных задач практически всегда рано или поздно возникает такое положение, когда необходимо обратиться к внешним устройствам (выдать промежуточные результаты расчётов, получить дополнительную информацию). На это время центральная часть машины отдаётся задаче с приоритетом №2 и т. д. Таким образом, в машине находятся в процессе решения всегда две или более задач.

Телетайпы, используемые и для ввода и для вывода информации из ЭВМ, имеют клавиатуру такую же, как у пашущих машинок. Это позволяет вводить информацию непосредственно в виде букв и цифр и в таком же виде получать результаты вычислений, отпечатанные на бумажной ленте.

Специальное устройство широкоформатной печати предназначено для того, чтобы на особую бумажную ленту наносить результаты вычислений длинными строками по 128 знаков. Благодаря этому увеличивается темп печати, так как реже приходится переходить со строки на строку.

Математик, введя задачу в машину, сообщает программе-«диспетчеру», какой объём памяти требуется для её решения, какова длина программы и какой приоритет присвоен задаче. «Диспетчер» выявляет свободные страницы в памяти машины, находит незанятое устройство для ввода информации, сам рассылает куда нужно данные вводимой задачи и помнит, где они размещены. Через какое-то время на ленте выходного устройства начинают отпечатываться колонки цифр – решение задачи.

Каждый результат вычислений записывается в памяти машины. Если о дальнейшем он снова требуется, машина вынуждена обращаться к памяти. Так работает любая ЭВМ. Но на это уходит сравнительно много времени. Поэтому, чтобы свести до минимума время обращения к запоминающим устройствам, в современных машинах применяют специальную схему – быстрые регистры. Регистр – это ряд ячеек памяти машины. Но быстрые регистры выполнены особым образом, и информация из них «добывается» в 10 раз быстрее, чем из остальной памяти машины (записывается она в них так же быстро).

У БЭСМ-6 имеется память внутренняя и внешняя. Внутреннюю называют иначе оперативной: в ней хранятся и из неё извлекаются все данные, необходимые для вычислительных и логических операций. К внешней памяти магнитные барабаны, магнитные ленты (показаны на этих фото) машина обращается реже: ведь и считывание информации отсюда и запись сюда новых данных требуют относительно большого времени: ёмкость внешней памяти огромна.

В БЭСМ-6 для управления быстрыми регистрами разработана оригинальная схема. Результаты вычислений сначала попадают в быстрые регистры. Когда все они заполнятся, следующий результат вытеснит из соответствующего регистра то число, которое хранилось дольше всего. Если же машина воспользовалась числом из регистра, она опять рассматривает его как новое и таким образом продлевает его жизнь в быстрых регистрах. Поэтому те результаты, которые в процессе вычислений требуются чаще всего, не успевают отправиться в память, а всё время оказываются «под рукой». Сходным образом подготавливаются и наиболее часто встречающиеся в работе команды.

При определении оптимального числа быстрых регистров было использовано моделирование: элементы будущей машины БЭСМ-6 моделировались на её предшественнице – машине БЭСМ-2. Моделирование вообще широко применялось на многих стадиях проектирования новой машины, и это помогло повысить быстродействие отдельных её узлов.

Рабочие места тех, кто пользуется машиной, называются математическими пультами. С них можно следить за тем, как проходит решение задачи, и вмешиваться в этот процесс. Такая возможность особенно важна при проведении математических экспериментов, когда результат отыскивается методом проб и ошибок, а также при наладке программ. Математические пульты не обязательно должны находиться вблизи машины. Они могут быть расположены даже в других городах, и тогда связь с машиной осуществляется по телеграфу или телефонным линиям.

Электронные вычислительные машины семейства БЭСМ

Источник: журнал «Наука и жизнь», №7, 1967 год.

«БЭСМ-1» – первая электронная вычислительная машина из серии машин БЭСМ главного конструктора академика С. А. Лебедева. Эта машина к моменту её создания была одной из лучших машин в Европе. Быстродействие её было около 8 тысяч операций в секунду, ёмкость оперативного запоминающего устройства – 1024 слова; машина 3-адресная, длина слова – 39 двоичных разрядов. Отдельные исследования и разработки, проведённые на этой вычислительной машине, были в последующем воплощены в новых машинах серии БЭСМ. Машина «БЭСМ-1» давно демонтирована. На смену ей пришли другие, более совершенные электронные вычислительные машины серии БЭСМ.

«БЭСМ-2» представляет собой универсальную машину, предназначенную для решения математических задач. Скорость работы машины примерно 8-10 тысяч операций в секунду, ёмкость оперативного запоминающего устройства – 2048 слов. Длина слова – 39 двоичных разрядов.

«БЭСМ-2» обеспечена набором стандартных программ с компилирующей и интерпретирующей системами. В состав этой вычислительной машины входят: центральный вычислитель с устройством управления; накопители информации на магнитных сердечниках, на магнитных барабанах и магнитных лентах; устройство ввода и вывода; печатающее устройство; пульт управления с панелью сигнализации.

«БЭСМ-3» предназначена для решения широкого круга научных, инженерно-технических, информационных и отдельных планово-экономических задач. Она может выполнять около 20 тысяч операций в секунду. Оперативная память рассчитана на 8192 слова из 45 двоичных разрядов. Внешняя память на магнитных барабанах имеет ёмкость 65536 слов, а на магнитной ленте – около 4 млн. слов. Машина имеет достаточно полное и хорошо разработанное математическое обеспечение (стандартные программы, подпрограммы, трансляторы и т. д.), существенно облегчающее программирование решаемых задач.

Нашёл в Интернете ещё одну фотку, очень похоже, что это либо то же самое помещение, снятое с другого ракурса, либо просто такой же типичный машинный зал для БЭСМ, только на другом предприятии. - прим. D

«БЭСМ-4» – улучшенная модификация   машины «БЭСМ-3». Сохраняя все параметры «БЭСМ-3», она имеет значительно большие возможности для решения планово-экономических задач. Награждена дипломом Международной выставки средств механизации инженерно-технических и административно управленческих работ в Москве, на которой была представлена в 1966 году.

Быстродействующая вычислительная машина «БЭСМ-6» предназначена для решения широкого круга сложных задач науки, техники и народного хозяйства, требующих большого объёма вычислений и развитой системы внешних запоминающих устройств и устройств ввода-вывода.

Среднее быстродействие машины – 1 миллион операций в секунду. Основное оперативное запоминающее устройство имеет ёмкость 32768 пятидесятиразрядных слов. В машине широко использовано совмещение выполнения операций обращения к оперативной памяти с работой арифметического устройства и устройства управления. Одновременно с работой центральной части машины осуществляется обмен по нескольким независимым каналам связи с внешними устройствами, включающими 16 магнитных барабанов, 32 магнитные ленты, широкоформатные алфавитно-цифровые печатающие устройства, устройства ввода и вывода на перфокартах и перфолентах, телеграфные линии и др. Машина имеет мультипрограммное управление, что обеспечивает наиболее эффективное использование центральной части машины и её внешних устройств при одновременном решении нескольких задач. Это обеспечивается аппаратной системой прерывания, схемой защиты памяти и автоматического присвоения адресов. Управляющая программа, используя эти схемы, исключает влияние одних задач на другие при их одновременном решении, автоматически распределяет оперативную и внешнюю память между задачами и осуществляет распределение во времени работы внешних устройств. В машине имеется сверхбыстродействующее запоминающее устройство, значительно повышающее общую производительность машины. Эффективное его использование осуществляется автоматически специальной схемой, которая сохраняет в этом запоминающем устройстве числа и команды, наиболее часто встречающиеся в вычислениях.

Для удобства работы и постановки вычислительных экспериментов предусматривается одновременная и независимая работа операторов с нескольких пультов управления, которые могут находиться вне машинного зала.

В конструкции машины отражены современные требования автоматизации программирования, возможности работы в режиме мультипрограммирования с разделением времени и др.