Беседы о поколениях ЭВМ

Н. Бусленко, В. Бусленко

©   Издательство "Молодая гвардия", 1977 г.

Все настойчивее вторгаются электронные вычислительные машины в науку и в народное хозяйство. О зарождении этих машин, принципе их действия, их развитии и влиянии на жизнь человека расскажут член-корреспондент АН СССР Н. Бусленко и его сын кандидат технических наук В. Бусленко.

С переходом на безынерционные электронные элементы в вычислительной технике наступил существенный прогресс. Можно было надеяться на создание элементов со временем срабатывания, измеряемым миллионными долями секунды.

Стоит еще раз вспомнить знакомую всем электронную лампу. Когда нить катода накалена, а к паре анод-катод приложено высокое напряжение, через лампу течет ток. Поток электронов срывается с раскаленной нити катода и лавиной устремляется к положительному аноду. Этому способствует почти полный вакуум внутри лампы.

На пути потока электронов - сетка. Если на сетке напряжение положительное, электроны легко проскакивают через анод, и через лампы течет ток - лампа открыта. Когда же на сетку подается отрицательное напряжение - поток электронов через лампу уменьшается. При достаточно большом отрицательном напряжении на сетке движение электронов к аноду полностью прекращается, тока нет - лампа заперта.

Это свойство вакуумного триода сыграло значительную роль в радиотехнике и электронике. Оно было использовано с не меньшим успехом в вычислительной технике.

Сконструированный в 1913 году М. Бонч-Бруевичем автомат с двумя устойчивыми состояниями, названный триггером, представляет собой двухламповый симметричный усилитель с так называемой положительной обратной связью. В триггере обе лампы соединены так, что если левая сторона открыта, то правая обязательно закрыта, и наоборот. Это обеспечивается подачей напряжения с анода одной лампы на сетку другой. Например, если правая лампа открыта (через нее течет ток, и происходит падение напряжения на аноде), то ее низкое напряжение подается на сетку левой лампы и держит последнюю закрытой. Это одно устойчивое состояние триггера. Если теперь подать на сетку правой лампы отрицательный импульс, то лампа закроется, напряжение на ее аноде возрастет. Это высокое анодное напряжение правой лампы будет подано на сетку левой лампы, откроет последнюю, и триггер перейдет во второе устойчивое состояние. Каждый новый импульс, попадающий на сетку одной из ламп, способен перевести триггер из одного устойчивого состояния в другое.

Из-за своих свойств триггер по праву носит названия "электронного реле", его применение в счетных устройствах сулило немалые выгоды.

Вычислительные машины, построенные на основе электронных триггерных схемах, использующих вакуумные триоды, открыли новое направление в вычислительной технике, их стали называть электронными вычислительными машинами - ЭВМ.

Проект первой в мире электронной вычислительной машины был предложен в 1942 году американцем Дж. Маучли. Работая в Электротехнической школе при Пенсильванском университете и придя к выводу о необходимости использования в вычислительных устройствах электронных ламп, он в 1942 году представил проект электронного компьютера, названного им "Эниак".

Надо сказать, что проект "Эниака" лежал без движения больше года, пока им не заинтересовались сотрудники баллистической лаборатории армии США. Для составления баллистических таблиц различных видов оружия требовались колоссальные расчеты, и технические характеристики ЭВМ "Эниак" как нельзя лучше соответствовали потребностям лаборатории. Были разработаны значительные по масштабам работы, которыем в условиях войны придавалось первостепенное значение. Более 200 особо засекреченных специалистов трудились над реализацией проекта Дж. Маучли. И вот в феврале 1946 года впервые состоялась публичная демонстрация ЭВМ.

Это и была, по существу, первая работающая машина, в которой все действия: арифметические и логические операции, запоминание и хранение информации - были реализованы на электронных схемах. Не удивительно, что применение новой электровакуумной техники позволило достичь скоростей, о которых нельзя было и мечтать при использовании электромеханических элементов. Компьютер "Эниак" благодаря переходу на безынерционные элементы - электронные реле - производил вычисления в тысячу раз быстрее всех своих предшественников. Триггерные ячейки в машине использовались практически в всех устройствах и агрегатах. Они служили основным строительным материалом и в дальнейшем в вычислительных машинах более поздних моделей.

По мере развития электроники и вычислительной техники триггерные ячейки подвергались многократным усовершениствованиям. Модернизация их как элементной базы ЭВМ преследовала три главные цели: повышение надежности, снижение потребляемой электрической энергии и уменьшение размеров (миниатюризация).

Для повышения надежности принимались меры по качеству межламповых соединений (проводного монтажа) и уменьшению числа штекеров и разъемов, необходимых для включения данной триггерной ячейки в общую схему устройств ЭВМ. Важную роль играло также повышение безотказности ламп, сопротивлений, конденсаторов, трансформаторов, дросселей и других деталей электронных схем. В конце 40-х и начале 50-х годов начался серийный выпуск деталей повышенной надежности. Это позволило резко снизить габариты вычислительной техники. Особенно существенно повлиял на характеристики ЭВМ выпуск специальных миниатюрных, так называемых "пальчиковых", электронных ламп, работающих при низком анодном напряжении.

- Ясно, что ламповый триггер предпочтительнее электромеханического реле - он работает гораздо быстрее, но везде ли его применение технически оправдано? Ведь стоимость электронного реле во много раз больше!

- Это так, но стоимость изобретения не всегда определяет целесообразность его внедрения, а вот техническая необходимость - это существенный критерий.

- Но именно с этой точки зрения применение триггеров, например, в запоминающем устройстве нецелесообразно. Чтобы создать более или менее емкую память на триггерах, придется использовать огромное количество постоянно работающих электронных ламп, так как для хранения всего лишь одного двоичного разряда требуется два триода!

- Действительно, с технической точки зрения запоминающее устройство на триггерах было неэкономным, громоздким, ненадежным и очень дорогим. Неудивительно, что вскоре появились многочисленные и оригинальные проекты более дешевых устройств. Уже в 1944 году один из конструкторов "Эниака" Дж. Эккерт предложил новый тип запоминающего элемента - линия задержки. Принцип действия его состоял в том, что информация, передаваемая на один конец линии, распространяется в среде линии в виде волн и через некоторое время появляется на другом конце. Оттуда она снова может быть подана к началу; и таким образом создается замкнутая цепь циркулирующей информации. Так как при распространении любых волн неизбежны затухания, то перед каждой повторной передачей информации сигналы пропускаются через усилитель.

Запоминающее устройство на линиях задержки может быть выполнено с использованием ртути. Ртутная линия задержки представляет собой металлическую трубку диаметром 1-2 сантиметра и длиной до 1 метра, наполненную ртутью и закрытую с концов кристаллами кварца. Ртуть используется потому, что колебания в ней распространяются сравнительно медленно, а кварц, как известно, обладает мощными пьезоэлектрическими свойствами, то есть может преобразовывать ударную волну на конце трубки в электрическую и наоборот. В такой длинной трубке может храниться одновременно до 1000 импульсов. Известно, что скорость распространения звуковых волн существенно зависит от температуры среды, поэтому требуется весьма точная регулировка температуры ртути для обеспечения синхронной работы задержки с другими устройствами машины.

Впервые память на ртутных линиях задержки была применена в машине "Эниак", разработанной в математической лаборатории Кембриджского университета (Англия) в 1949 году. Запоминающее устройство машины "Эниак" состояло из 32 ртутных трубок емкостью 256 двоичных единиц каждая. С целью поддержания постоянной температуры устройство было помещено в термостат.

В дальнейшем получили распространение и другие типы линий задержки - электромагнитные и акустические, однако их создатели не преодолели основной конструктивный недостаток: периодичность выбора информации. Ведь импульсы могут быть считаны из такой памяти только в моменты выхода их из трубки и прохождения через усилитель. Время поиска нужного импульса, таким образом, может оказаться равным полному времени прохождения волны вдоль трубки. Для ртутной линии задержки длиной 1 метр это время составляет приблизительно 1 миллисекунду, то есть тысячную долю секунды. Очевидно, что по сравнению с временем срабатывания электронного реле (опрокидывание триггера), которое составляет 6 микросекунд (1 микросекунда - 1 миллионная доля секунды), это уж очень медленно.

Заметим, что конструктивные особенности памяти на линиях задержки во многом определили и саму конструкцию машины. Выдающийся советский конструктор ЭВМ академик С. Лебедев отметил, что "...при данном виде памяти основное время в работе машин уходило на выборку чисел из запоминающего устройства. Поэтому не было никакого смысла увеличивать скорость выполнения арифметических действий, так как скорость машины от этого существенно не повысилась бы. Примером машин такого класса может служить английская "Эдсак"... имеющая скорость порядка 1-2 тысячи операций в секунду".

Вскоре после ввода в эксплуатацию машины "Эдсак" была завершена работа над проектом электронной ЭВМ для Манчестерского университета, разработанным под руководством Ф. Вильямса. В этом проекте впервые использована новая конструкция запоминающего устройства. Основным запоминающим элементом являлась электронно-лучевая трубка - модификация стандартной трубки кинескопа, применяемой в телевидении.

Применение электронно-лучевой трубке в запоминающем устройстве существенно повышало производительность ЭВМ, поскольку создавалась возможность параллельной передачи и обработки информации в машине. По принципу действия трубки Вильямса действительно похожи на обыкновенные трубки, используемые в телевизоре. Но в отличие от телевизора на экране запоминающей трубки "рисуется" не картинка, а лишь знаки двоичных символов; единица изображается точкой, а ноль кружком. Эти запоминающие элементы работают с высокой скоростью - меньше 5 микросекунд на запись и считывание одного разряда.

Работа трубки состоит в том, что поток электронов, падающий на диэлектрический экран, выбивает в месте попадания так называемые вторичные электроны. Известно, что в диэлектрике образовашийся заряд растекается медленно и может быть сохранен длительное время. Направляя электрический луч при помощи отклоняющих пластин на различные участки экрана, можно записать на нем большее количество информации. Считывание информации также осуществляется путем направления луча в заданное место экрана и фиксации реакции диэлектрика. Так как накопленные заряды постепенно стекают, их надо периодически восстанавливать. Для этого существуют специальные обслуживающие схемы, обеспечивающие периодическое считывание и одновременную запись всех данных, хранящихся в памяти.

В ЭВМ "Эдсак" трубки Вильямса были применены для построения оперативной памяти емкостью 128 чисел по 40 двоичных разрядов каждое. Поскольку емкость оперативной памяти была мала, в машине использовалось также новое, оригинальное запоминающее устройство на магнитном барабане емкостью 1024=2¹⁰ числа. Таким образом, была впервые реализована идея иерархической структуры памяти - использовалось несколько запоминающих устройств, отличающихся по емкости и быстродействию. Дело в том, что уровень даже современной техники не позволяет создать память на одном типе носителя информации, в котором большая емкость сочеталась бы с высокой скоростью записи и считывания.

Запись на магнитном носителе является наиболее перспективной для создания запоминающих устройств колоссальной емкости. Этот принцип уже в то время достаточно широко применялся в звукозаписи, и накопленный в этой области опыт был использован при создании надежных устройств вычислительных машин.

Идея магнитной записи чрезвычайно проста и состоит в том, что на поверхности магнитного материала, движущегося под магнитной головкой, создаются так называемые "магнитные диполи".

Так как магнитный материал обладает свойством остаточного магнетизма, то магнитные диполи могут сохраняться длительное время после прекращения действия магнитных импульсов. При движении магнитной ленты магнитные диполи, располагаясь друг за другом, образуют магнитные дорожки. При чтении информации магнитная лента перемещается относительно считывающей головки (она аналогична по конструкции головке записи, а часто это одна и та же головка), и та преобразует магнитные диполи в электрические импульсы. Значение двоичной цифры определяется полярностью напряжения, индуцированного проходящим магнитным диполем в соответствующей головке.

Как тут не вспомнить с благодарностью двоичную систему счисления, ведь различать 10 отдельных значений магнитного поля было бы гораздо сложнее!

В запоминающих устройствах наряду с магнитными лентами используются магнитные барабаны, принцип действия которых практически такой же. Магнитные барабаны вращаются обычно с огромной скоростью - до 6 000 оборотов в минуту.

Поверхностная плотность диполей на ленте или барабане зависит от конструкции головки и доходит до 30 диполей на 1 миллиметр дорожки. Ширина дорожки от 1 до 3-4 миллиметров. Таким образом, на одной ленте может располагаться несколько дорожек. Этим и объясняется тот факт, что емкость запоминающих устройств на магнитных барабанах и лентах исключительно велика.

Достоинством магнитных запоминающих устройств, помимо основного - практически неограниченной емкости, - являются также простота принципа действия, отсутствие повреждения записи при считывании, возможность дополнительного хранения даже вне машины при отключенном источнике питания. А основные недостатки связаны с наличием в конструкциях механических частей, движущихся с большой скоростью. Возникающие при этом колоссальные ускорения требуют специальных инженерных мер для обеспечения прочности. К числу недостатков следует отнести и тот факт, что невозможно произвольно выбирать информацию с носителя; нужно ожидать либо полного поворота барабана (около 10 микросекунд), либо перемотки всей ленты, что составляет несколько минут. Все эти обстоятельства обусловили специфику работы ЭВМ с данным типом памяти.

Проекты первых электронных ЭВМ, различные принципы организации структуры, состава и типов используемых элементов отразили инженерные подходы, которые возникали в связи с разработкой тех или других частей конструкций. Эти подходы вызывали ожесточенные споры, продолжавшиеся десятки лет.

- Споры по научно-техническим проблемам в таком большом деле неизбежны. Главное состоит в том, что в конце концов этот разброд удалось преодолеть.

Этим мы обязаны в основном двум обстоятельствам: колоссальным успехам электроники и переходу на индустриальные методы производства ЭВМ.

В течение 40-х годов то вспыхивал, то погасал, но неуклонно продолжался спор между сторонниками счетных устройств, создаваемых на электромагнитном реле и на электронных схемах, содержащих вакуумные лампы (диоды и триоды).

Развитие радиотехники, телевидения, радиолокации привело к тому, что техническая база электроники достигла высокой степени совершенства. Специальные заводы огромными сериями выпускали прекрасные лампы и приборы на ламповых схемах. Осваивались новые диапазоны частот. Радиоаппаратура надежно и устойчиво работала на коротких и ультракоротких волнах. Но чем короче волна, тем выше частота колебаний! А это уже непосредственно связано со скоростью переброса электронных реле - триггерных ячеек - и тем самым с быстродействием собранных на них счетных устройств. Электромагнитные реле стали безнадежно отставать от электронных по скорости работы и надежности. Механические части их перемещались медленно, они не могли угнаться за электронами, часто ломались и становились тормозами в развитии ЭВМ. Выдающиеся достижения электротехники надежно обеспечивали это развитие и в конце концов привели к бесповоротной победе вычислительных машин на электронных лампах.

Однако споры на том не только не прекратились, но развернулись с новой силой. На смену пришла дискуссия о преимуществах и недостатках цифровых вычислительных машин (дискретного действия), с одной стороны, и аналоговых (непрерывного действия), с другой.

Аналоговые вычислительные машины - их также часто называют моделирующими машинами - работают по принципу математического моделирования. Заключается он в том, что для ряда физических явлений и процессов подбираются модели, имеющие другое физическое содержание, но описываемые одними и тем же математическими соотношениями. Например, колебания шарика, подвешенного на нити, описывается с большой точностью теми же уравнениями, что и перемещения пружинного маятника, и изменения тока в цепи электрического колебательного контура. Поэтому для решения задач, возникающих при исследовании механических колебательных систем, например, при расчетах напряжений в мостовых фермах и опорах, можно пользоваться информацией, получаемой на электрической модели. Существует немало подобных аналогий: гравитационные поля моделируются электростатическими, гидродинамические и аэродинамические потоки - соответствующими явлениями теплопередачи и т.д.

Однако из-за сравнительно узкой сферы применения и недостаточной точности моделирующие машины не стали средством, способным удовлетворить возможные потребности в вычислениях. Главной слабостью их оказалось то обстоятельство, что они не являются универсальными. Для каждого типа задач требуется, вообще говоря, отдельная специальная вычислительная машина. И все же, хотя наиболее перспективными (с точки зрения охвата более широкого класса задач и более высокой точности) оказались цифровые машины, аналоговые вычислители (моделирующие установки) находят применение и в настоящее время для решения некоторых классов задач, особенно задач, связанных с интегрированием дифференциальных уравнений.

Четкое разграничение сфер влияния произошло и в соревновании между специализированными ЭВМ и ЭВМ универсального назначения. Специализированные машины вошли в обиход как бортовые управляющие машины самолетов, ракет и космических кораблей, как ЭВМ, встроенные в станки-автоматы, и другие автоматизированные технологические агрегаты. Научные же расчеты, экономические задачи, проектирование, переработка информации, справочная служба - это область безраздельного господства универсальных ЭВМ.

К началу 50-х годов окончательно сложились взгляды на быстродействующие вычислительные машины как на устройства электронные, цифровые, универсального назначения. Ведущее место принадлежит здесь машинам, работающим в двоичной системе счисления.

Двоичная система, как известно, обходится цифровыми символами 1 и 0. Из них составляются двоичные числа любой величины. Таким образом, все вычисления в конце концов можно свести к элементарным операциям над этими символами. Кроме того, 1 и 0 могут быть истолкованы и как логические категории: "истина" и "ложь". Это позволяет единообразно выполнять как логические, так и арифметические действия в ЭВМ. Сложение и вычитание, умножение и деление, сдвиг и сравнение, логические дизъюнкнкции и т.д. приводятся к манипуляциям с нолями и единицами. Для реализации их служат счетчики и сумматоры, регистры сдвига и схемы сопряжения, инверторы (заменяющие единицы и ноли обратно) и др.

Оказалось, что все эти схемы можно собирать из однотипных первичных ячеек - электронных реле или триггеров. Унификация триггерных ячеек как первичных "кирпичей", из которых сооружается грандиозное здание ЭВМ (для построения ЭВМ требуется тысячи и десятки тысяч ячеек), а также способов соединения их в соответствующие устройства послужила предпосылка для разработки индустриальной технологии и серийного выпуска ЭВМ.

Из уникальных установок, сооружаемых в лабораторных условиях при помощи ручного труда сотен людей, ЭВМ превратились в изделия промышленного производства, выпускаемые партиями на крупных заводах, оснащенных станками-автоматами и автоматическими технологическими линиями. ЭВМ стали намного дешевле и надежнее в работе. Без труда решалась проблема запасных частей. Унификация и стандартизация - великая сила современного индустриального производства!

Конечно, споры и дискуссии продолжаются до сих пор, однако основные разногласия по фундаментальным принципам построения ЭВМ стали достоянием истории. Наконец-то инженерная мысль собрала все достижения науки и вычислительной техники вместе и создала единую концепцию, которая легла в основу так называемого первого поколения ЭВМ.