Электронная вычислительная машина БЭСМ-6

Электронная вычислительная машина БЭСМ-6 была разработана в середине 60-х годов и сдана Госкомиссии в 1967 г. Главный конструктор академик Сергей Алексеевич Лебедев заложил в основу структуры машины принципы конвейера команд (называвшегося им «водопроводом»), параллельной и асинхронной работы основных устройств: оперативной памяти, устройства управления и арифметико-логического устройства, наличия буферных устройств промежуточного хранения команд и данных, обеспечивавшие высокую скорость вычислений.

Главный конструктор: Герой Социалистического Труда, академик С.А. Лебедев; заместители главного конструктора: В.А. Мельников, Л.Н. Королёв, В.С. Петров, Л.А. Теплицкий.

Основные разработчики: А.А. Соколов, В.Н. Лаут, М.В. Тяпкин, В.Л. Ли, Л.А. Зак, В.И. Смирнов, А.С. Федоров, О.К. Щербаков, А.В. Аваев, В.Я. Алексеев, О.А. Большаков, В.Ф. Жиров, В.А. Жуковский, Ю.И. Митропольский, Ю.Н. Знаменский, В.С. Чехлов и другие.

Ведущие разработчики программного обеспечения: В.П. Иванников, А.Н. Томилин, Д.Б. Подшивалов, М.Г. Чайковский, В.Ф. Тюрин, Э.З. Любимский, В.С. Штаркман, Н.Н. Говорун, В.П. Шириков, И.Н. Силин, В.. Курочкин, Ю.М. Баяковский и др.

Организации-разработчики: Институт точной механики и вычислительной техники (ИТМ и ВТ) АН СССР и Московский завод счетно-аналитических машин (САМ).

Завод-изготовитель: Московский завод счетно-аналитических машин (САМ).

Год окончания разработки: 1967.

Год начала серийного выпуска: 1968.

Год прекращения производства: 1987.

Число выпущенных машин: 355.

Техническое описание БЭСМ-6

Технико-эксплуатационные характеристики

• Среднее быстродействие — до 1 млн. одноадресных команд/с.
• Длина слова — 48 двоичных разрядов и два контрольных разряда.
• Представление чисел — с плавающей запятой.
• Рабочая частота — 10 МГц.
• Занимаемая площадь — 150-200 м.²
• Потребляемая мощность от сети 220 В/50Гц — 30 КВт (без системы воздушного охлаждения).

Машина БЭСМ-6 предназначалась для решения крупных научно-технических задач, что, естественно, отразилось как на ее архитектуре, так и на выборе системы элементов и конструкции.

В начале 60-х годов отечественной промышленностью были созданы высокочастотные транзисторы и диоды, на основе которых была разработана элементная база машины. В ее состав входили диодные логические схемы и усилители на переключателях тока с подвешенным источником питания. Важными особенностями системы элементов являлись высокая скорость переключения и очень высокая нагрузочная способность как по входу, так и по выходу. Диодные и усилительные схемы размещались в специальных блоках, которые в свою очередь устанавливались в стойку с двух сторон. Внутри этого объема между диодными и усилительными блоками выполнялся монтаж. Такая конструкция обеспечивала компактное размещение блоков и сокращение длин связей. Наличие специальных блоков с вынесенными эмиттерными повторителями позволяло к выходу одного усилителя подключать более 50 вентилей, т.е. управлять целым регистром. Параметры конструкции стоек были согласованы с форматом данных (длина слова 50 разрядов), с числом регистров в арифметическом устройстве и с объемом регистровой памяти. Размеры стоек обеспечивали передачу сигналов в стойке в пределах одного полутакта – 50 нс.

Система синхронизации обеспечивала возможность функционирования конвейера на тактовой частоте, что использовано в большинстве схем, в частности, в арифметическом устройстве и в устройстве управления. Цикл работы устройства управления был равен трем тактам. Этот цикл соответствует и максимальному темпу поступления команд. В арифметическом устройстве использовался асинхронный конвейер, темп получения результатов зависел от типа операции и от операндов. Средний темп составлял 10 тактов, что соответствует производительности 1 млн. операций с плавающей запятой в секунду (1 Mflops).

Для согласования пропускных способностей процессора и оперативной памяти применялось расслоение памяти – 8 параллельно работающих блоков, каждый с циклом 2 мкс. Для исключения потерь при обращении к памяти применялась не адресуемая буферная память. Особенностью этой памяти являлась параллельная работа трех специализированных групп регистров – для хранения команд (БРС – быстрые регистры слов), для чисел, считанных из памяти, (БРЧ – быстрые регистры чисел) и для записи результатов операций (БРЗ – быстрые регистры записи). Второй особенностью этой промежуточной памяти являлась возможность повторного считывания команд и промежуточных результатов не из оперативной памяти, а непосредственно с БРС и БРЗ. Для этого вместе с основным содержимым в этих регистрах запоминались адреса слов и имелась схема с ассоциативным поиском, обеспечивавшая считывание из регистра при совпадении адреса обращения к памяти с одним из адресов в ассоциативной памяти. По-существу это была кэш-память, реализованная на 10 лет раньше, чем в модели 85 системы IBM/360. Однако, по технологическим причинам объем этой памяти был невелик – по 4 слова в БРС и БРЧ, 8 – в БРЗ, а строка кэш-памяти состояла из одного слова.

К особенностям системы команд следует отнести одноадресную структуру команды, наличие операций с плавающей запятой, индекс-регистров для модификации адресов, двух форматов команд в зависимости от длины адреса.

Важной особенностью машины явились аппаратные и программные средства для обеспечения мультипрограммного режима. К ним относятся виртуальная адресация памяти со страничной организацией, система прерывания, наличие нескольких режимов выполнения команд в процессоре и соответствующие программы операционной системы. Высокая скорость преобразования виртуальных адресов обеспечивалась размещением в ассоциативной регистровой памяти таблицы их соответствия физическим адресам. Сигналы прерывания поступали на программно маскируемый регистр, при наличии хотя бы одного разрешенного сигнала процессор переходил на программу прерывания. С целью экономии оборудования остальные функции, связанные с прерыванием, осуществлялись программами операционной системы.

При реализации подсистемы ввода-вывода ставилась задача обеспечения высокой пропускной способности при обмене с устройствами памяти на внешних магнитных носителях и обслуживания достаточного числа электромеханических устройств ввода и вывода. В машине было реализовано 7 быстрых направлений обмена (в современных терминах – 7 селекторных каналов) и набор медленных направлений обмена, аппаратура для которых ограничивалась минимальным набором согласующих элементов и схем связи этих элементов с процессором. Функционирование медленных направлений (вместе образующих мультиплексный канал) обеспечивалось программами операционной системы работы с каждым конкретным типом устройства. Для выполнения обмена по быстрым направлениям обмена процессор должен был выдать управляющее слово обмена, содержащее указание области оперативной памяти для считывания или записи данных, и запустить обмен, который далее выполнялся параллельно с работой процессора. После окончания обмена заданным массивом данных формировался соответствующий сигнал прерывания.

При разработке БЭСМ-6 была создана оригинальная система представления схемной документации и связанная с ней методология проектирования. Она была основана на формульном описании логических схем и системе бланков, в которых содержалась информация о логической схеме блока и адресов его соединений с другими блоками. Благодаря использованию этой системы резко сократился объем рутинной работы по графическому представлению схем, которую ранее выполнял разработчик.

В 1964 г. в Институте был собран макетный образец БЭСМ-6. Он имел всего один «куб» ферритовой памяти, в логических элементах использовались медленные транзисторы, уже много лет выпускавшиеся промышленностью, но его отладка и прогон тестовых программ подтвердили правильность основных решений и помогли выявить слабые места проекта.

В 1966 г. опытный образец машины, имевший оперативную память половинной емкости (4 куба вместо 8), но на современных транзисторах и диодах, работающий на проектной частоте синхронизации, уже был в основном отлажен и осенью на нем были проведены заводские испытания, а в мае 1967 года завершились государственные испытания.

Разработка аппаратуры машины велась в тесном контакте с программистами, которыми были предложены также некоторые особенности архитектуры.

Указанные выше аппаратные средства обеспечили создание многопользовательской операционной системы. За время эксплуатации машины было разработано несколько вариантов операционных систем, а также трансляторы с автокода и распространенных языков высокого уровня.

Программное обеспечение БЭСМ-6

Работы по исследованию и разработке операционных систем, стратегий распределения ресурсов и планирования вычислений широким фронтом в нашей стране начались с появлением БЭСМ-6. Этому способствовало то, что первые машины БЭСМ-6 предназначались для установки в центрах, обладавших наиболее сильными коллективами специалистов в области программирования и использования вычислительных машин: ИПМ АН СССР, ВЦ АН СССР, ВЦ МГУ, ОИЯИ, ИК АН УССР, СО АН СССР и др. Появилась возможность реализовать многие созревшие к тому времени идеи на машине, обладавшей необходимыми аппаратными возможностями для организации мультипрограммирования, режима разделения времени.

Коллективными усилиями советских программистов уже к 1968 г. для БЭСМ-6 была создана система математического обеспечения, включавшая в свой состав операционную систему пакетной обработки, трансляторы с машинно-ориентированных языков и с универсальных языков АЛГОЛ-60 и ФОРТРАН.

За время использования машин БЭСМ-6 был накоплен большой фонд программ пользователей , с помощью которых были решены задачи наиболее важных направлений научно-технического прогресса. и опыт его эксплуатации.

Операционные системы

Появление ко второй половине 60-х годов ЭВМ с аппаратной поддержкой многозадачности и управления параллельной работой устройств стимулировали создание для этих ЭВМ операционных (управляющих) программных систем.

Первые операционные системы (ОС) в СССР и в дальнейшем все более совершенные операционные системы для интенсивно развивающихся вычислительных комплексов были созданы в организациях Москвы, имевших высокий научный и конструкторский потенциал, в Институте точной механики и вычислительной техники (ИТМ и ВТ) и Институте прикладной математики (ИПМ) Академии наук СССР. Выдающиеся ученые XX века академики Сергей Алексеевич Лебедев и Мстислав Всеволодович Келдыш, имена которых в настоящее время носят эти институты, активно способствовали развитию работ по созданию ОС для ЭВМ.

В ИТМ и ВТ группу пионеров разработки ОС возглавил Л. Н. Королёв (основные участники В. П. Иванников и А. Н. Томилин), в ИПМ М. Р. Шура-Бура (основные разработчики И.Б. Задыхайло, С.С. Камынин, Э. З. Любимский, В. С. Штаркман, позднее и В. Ф. Тюрин). Существенный вклад в развитие системных программных средств был внесен также группой из лаборатории вычислительной техники и автоматизации Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в подмосковной Дубне под руководством Н. Н. Говоруна.

Были созданы многозадачные ОС для больших ЭВМ БЭСМ-6 и "Весна", многоязыковая мониторная система "Дубна" для БЭСМ-6. Эти ОС обеспечивали параллельное выполнение процессов обработки информации и их иерархическую организацию, интерактивный режим работы коллектива пользователей ЭВМ и обработку информации в режиме реального времени.

Операционные системы "Диспетчер-68", "Новый диспетчер-70", диспетчер "Диспак"

Большое влияние на развитие ОС для ЭВМ оказало создание в 1967 г. в ИТМ и ВТ под руководством Л.Н. Королёва первой ОС для ЭВМ БЭСМ-6, названной позднее "Диспетчер-68". Она обеспечивала совместное управление работой устройств ЭВМ, подготовку и решение задач в мультипрограммном режиме. Основные разработчики: Л.Н. Королёв, В.П. Иванников и А.Н. Томилин.

Операционная система обеспечивала:

• мультипрограммное решение задач;
• управление одновременной работой всех каналов связи с внешними запоминающими устройствами и всех устройств ввода-вывода информации;
• совмещение вычислений во всех задачах с параллельной работой внешних запоминающих устройств и устройств ввода-вывода;
• организацию совместного динамического распределения ресурсов двухуровневой памяти (оперативной и внешней), базирующуюся на замещении страниц в оперативной памяти;
• распределение устройств между задачами;
• буферизацию ввода-вывода;
• развитую связь с оператором по управлению прохождением задач и работой устройств;
• возможность многотерминальной работы в диалоговом режиме.

Кроме этих основных функций "Диспетчер-68" обеспечивал вызов трансляторов с языков программирования и автокодов.

"Диспетчер-68" явился предтечей будущих развитых ОС и основой последующих операционных систем для БЭСМ-6 ОС "Дубна" (Н.Н. Говорун, И.Н. Силин) и ОС "Диспак" (В.Ф. Тюрин), дисковой операционной системы, ориентированной на пакетную обработку и эксплуатируемой в дальнейшем на большинстве ЭВМ БЭСМ-6.

Существенное влияние оказал "Диспетчер-68" и на разработку в ИТМ и ВТ операционной системы реального времени для БЭСМ-6 ОС НД-70 ("Новый диспетчер-70") с развитыми средствами организации параллельных вычислений (соподчинение задач, аппарат параллельных процессов), режимом работы в реальном времени и возможностью организации многомашинного вычислительного комплекса. Этой разработкой руководил В.П. Иванников. В центрах управления полетами космических аппаратов на базе ОС НД-70 были созданы и в течение двадцати лет активно использовались для обеспечения управления полетами несколько больших баллистических и телеметрических программных комплексов реального времени. Вслед за НД-70 средства организации параллельных процессов были введены в ОС "Диспак" для ЭВМ БЭСМ-6, что позволило программным комплексам реального времени базироваться и на этой ОС.

На основе возможностей операционной системы БЭСМ-6 усилиями ряда ведущих научно-исследовательских и производственных организаций с привлечением крупных математических сил СССР была создана первая в стране поставляемая промышленностью полная система математического обеспечения ЭВМ (ОС, системы программирования, библиотеки программ).

Операционная система ИПМ

В 1967 г. И.Б. Задыхайло, С.С. Камынин и Э.З. Любимский предложили операционную систему ИПМ АН СССР для машины БЭСМ-6 (ОС ИПМ). Эта система была реализована коллективом программистов из ИПМ и ряда других институтов под руководством Э.З. Любимского.

При разработке ОС ИПМ авторы широко использовали принятые в обществе механизмы взаимодействия для организации взаимосвязи между задачами и процессами. Все задачи рассматривались как члены коллектива (community), которые могут вступать друг с другом в различные отношения от совершенной изоляции до полного разделения всех ресурсов. Каждый ресурс (память, файл, устройство) имел своего хозяина, который мог его отдавать или сдавать в аренду любой другой задаче, оговаривая соответствующие права использования, в том числе и право дальнейшей передачи в аренду. При этом хозяин мог закрывать, а мог и не закрывать от себя арендуемый ресурс, что поддерживалось широким спектром средств синхронизации процессов. Обмен сообщениями между задачами обладал всеми особенностями почтовых отправлений, включая уведомление о вручении.

Каждая задача могла открывать до восьми процессов, в том числе два специальных высокоприоритетных процесса для обработки сообщений и внутренних прерываний (аварийных ситуаций). Для управления процессами использовался аппарат событий, а также прямые команды открытия, закрытия, прерывания и пуска. Одни задачи могли вызывать другие, выстраивая таким образом деревья подчинения произвольной глубины. При вызове подчиненной задачи можно было определить режим управления, при котором главной задаче в любой момент оказывались доступными любые ресурсы подчиненной и управление ее процессами, а если подчиненная задача не справлялась с обработкой своей аварийной ситуации, то главная получала соответствующее сообщение и могла предпринять необходимые действия. Эти возможности использовались при разработке таких задач-посредников, как, например, отладчик в режиме диалога.

ОС ИПМ ограниченно включала в себя систему программирования, что позволило довольно легко обеспечить такие свойства, как шаговая (incremental) трансляция и отладка в терминах языка. Большинство трансляторов были написаны на языке АЛМО (аналог языка Си), и использовали его в качестве выходного языка. Это позволило сначала раскрутить и отладить их на машине М-220, а затем (в 1969 году) перенести на БЭСМ-6 в среду ОС ИПМ, что избавило разработчиков трансляторов и операционной среды от многих излишних взаимных претензий. Достаточно устойчивая производственная версия ОС ИПМ начала функционировать в 1970 г.

Мониторная система "Дубна"

Первый транслятор с языка Фортран для БЭСМ-6 был разработан в 1969 г. Н.Н. Говоруном, В. П. Шириковым и другими в ОИЯИ в Дубне. Этот транслятор затем был включен в Мониторную систему "Дубна".

Многоязыковая Мониторная система "Дубна" для БЭСМ-6 (1970 г.) обеспечивала управление заданиями, создание и использование многоуровневых библиотек программ. В систему входила библиотека программ общего назначения, совместимая с библиотекой Европейского центра ядерных исследований CERN. Мониторная система "Дубна" использовалась как с собственной ОС "Дубна" (с эффективными алгоритмами замещения страниц оперативной памяти, динамической сменой приоритетов задач, развитым аппаратом служебных задач и нерезидентных блоков), так и с другими ОС для БЭСМ-6.

В Мониторную систему "Дубна" входили следующие компоненты:

• Транслятор (ассемблер) с автокода Мадлен на язык загрузки;
• Транслятор с языка Фортран на язык загрузки;
• Статический и динамический загрузчики;
• Библиотекарь и общие библиотеки стандартных программ;
• Редактор текстовой информации;
• Системные программы ввода-вывода.

В дальнейшем в состав Мониторной системы были включены другие трансляторы и системы, в частности:

• Алгол-ГДР;
• Фортран-ГДР;
• Форекс оптимизирующий транслятор с языка, близкого к Фортрану 77;
• Транслятор с языка Паскаль;
• Графор пакет графических программ;
• Поплан транслятор с языка POP-2.

Мониторная система "Дубна" была создана коллективом сотрудников ОИЯИ с участием специалистов из Института атомной энергии им. И. В. Курчатова и стран-участниц ОИЯИ (ГДР, ВНР, КНДР). В дальнейшем развитии системы приняли участие также сотрудники ИК АН УССР, ИАПУ ДВНЦ АН СССР, ИФВЭ и других организаций. Определяющий вклад в разработку системы внесли ее руководитель Н. Н. Говорун и ведущие сотрудники И. Н. Силин, В. П. Шириков, А. И. Волков, Р. Н. Федорова.

Проводились также исследования и разработки диалоговых систем, связанных, главным образом, с машиной БЭСМ-6 (системы Пульт, Димон, Мультидоступ и др. предоставляли пользователям возможности редактирования текстов программ и запуска задач в пакетную обработку).

В 70-х годах под руководством Л. Н. Королёва и В. П. Иванникова (основные участники разработки И. Б. Бурдонов, А. Ю. Бяков, А. С. Косачев, С. Д. Кузнецов, В. И. Максаков, А. Н. Томилин) впервые была создана распределенная ОС многомашинного комплекса, обеспечивающая сетевое взаимодействие вычислительных процессов в ЭВМ комплекса, а также взаимодействие их с процессами в глобальных сетях ЭВМ и использование внешних устройств всех ЭВМ в любых вычислительных процессах, выполняющихся в комплексе. Была фактически обеспечена работа "конвейера ЭВМ", предназначенного для обработки в режиме реального времени больших потоков информации о полетах космических аппаратов.

Все эти разработки, в особенности для ЭВМ БЭСМ-6, которая более десяти лет оставалась самой высокопроизводительной машиной в стране, и для многомашинного вычислительного комплекса реального времени АС-6, обеспечившего развитую обработку информации в центрах управления космическими полетами, во многом определили дальнейшие направления и характер исследований в отечественном системном программировании. За время эксплуатации нескольких сотен БЭСМ-6 была накоплена большая библиотека программ.

По уровню производительности и степени согласования аппаратных средств с архитектурой, а архитектуры - с алгоритмами научно-технических задач, БЭСМ-6 может быть отнесена к классу суперЭВМ, хотя в 60-х годах дифференциация вычислительных машин не достигла той степени, при которой выделился этот класс машин. Академик С.А. Лебедев отказался от участия в разработке старшей модели ряда ЕС ЭВМ, по-видимому, из-за соображений достижения большей эффективности за счет лучшего согласования архитектуры и аппаратных средств и большей творческой свободы при создании новых машин.

За разработку и организацию серийного производства БЭСМ-6 в 1969 г. была присуждена Государственная премия СССР: Лебедеву С. А., Мельникову В. А., Королёву Л. Н., Соколову А. А., Лауту В. Н., Тяпкину М. В., Заку Л. А., Смирнову В. И., Томилину А. Н., Семешкину В. И., Иванову В. А.

Получены патент на ЭВМ БЭСМ-6, патенты на отдельные составляющие БЭСМ-6, имеется большое количество публикаций.

Несколько экземпляров БЭСМ-6 были установлены за рубежом.

ЭВМ БЭСМ-6 установила рекорды по продолжительности выпуска – более 15 лет – и по продолжительности эксплуатации – более 20 лет. Но ее влияние на развитие отечественной вычислительной техники определялось не столько длительностью эксплуатации, а тем, что заложенные при создании машины идеи оказались весьма плодотворными. Несколько поколений инженеров и программистов, работавших на машине, были воспитаны на этих идеях. При появлении новых устройств удавалось достаточно быстро их адаптировать как на аппаратном, так и на программном уровне. Так был осуществлен переход с ферритовой оперативной памяти на полупроводниковую с увеличением ее объема, переход во внешней памяти с магнитных барабанов на диски, подключение терминалов и т.д. Наличие резервного седьмого быстрого направления позволило многим пользователям создать многомашинные комплексы и подключать свое уникальное оборудование. Использование БЭМС-6 способствовало существенному развитию работ в области системного программирования и особенно в области решения больших задач и создания новых методов вычислений.

Дальнейшее развитие линии БЭСМ-6 заключалось в разработке системы "Эльбрус-Б". Система разработана под руководством члена-корреспондента АН СССР Г. Г. Рябова и М. В. Тяпкина на элементно-конструкторской базе 5Э26. Производительность была увеличена в 4—5 раз.

Система работала в следующих режимах:

• Режим полной совместимости с БЭСМ-6: разрядность чисел — 48, разрядность виртуального адреса — 15, полное повторение системы команд БЭСМ-6.
• Режим работы, полностью повторяющий систему команд БЭСМ-6, но с 27-разрядным виртуальным адресом.
• Новый режим работы с расширенной системой команд БЭСМ-6, с 64-разрядными словами.

Система обработки данных АС-6

Главный конструктор: член-корр. АН СССР В.А. Мельников, заместители: А.А. Соколов, Л.Н. Королёв, В.П. Иванников. Основные разработчики: В.И. Смирнов, В.Л. Ли, М.В. Тяпкин, Л.А. Зак, В.С. Чехлов, Ю.И. Митропольский, Ю.Н. Знаменский, В.А. Жуковский, Л.Ф. Чайковский, А.В. Аваев, В.С. Новизенцев, О.К. Щербаков, В.Ф. Жиров, М.А. Головина, Г.В. Степанов, А.И. Журавлёв и др.; ведущие разработчики ПО: А.Н. Томилин, А.Ю. Бяков, С.Д. Кузнецов, И.Б. Бурдонов, А.С. Косачев, В.И. Максаков, М.Г. Чайковский, В.А. Коликов и другие.

Организации-разработчики: Институт точной механики и вычислительной техники (ИТМ и ВТ) АН СССР и Московский завод счетно-аналитических машин (САМ).

Завод-изготовитель: Московский завод счетно-аналитических машин (САМ).

Год окончания разработки: 1975.

Год начала серийного выпуска: 1977.

Год прекращения производства: 1987.

Число выпущенных систем: 8.

Область применения: система обработки данных АС-6 предназначена для решения больших научных и экономических задач, задач обработки информации и управления. Система может функционировать в режиме дистанционной пакетной обработки, в режиме коллективного пользования и в режиме реального времени.

Установка и эксплуатация БЭСМ-6 в вычислительных центрах, где выполнялась обработка больших объемов данных, поступающих от большого числа абонентов, в частности, в Центре управления полетами, послужила стимулом создания системы АС-6. В этих центрах узким местом являлось небольшое число внешних устройств и низкая пропускная способность подсистемы ввода-вывода БЭСМ-6. Разработка началась с создания аппаратуры сопряжения для БЭСМ-6 (отсюда и название АС-6). На первом этапе ставились задачи стыковки БЭСМ-6 с АС-6, которая должна была обеспечить подключение большого числа телеграфных и телефонных каналов, каналов приема телеметрической информации, а также увеличение объема памяти на магнитных дисках и существенное увеличение числа периферийных устройств. Однако, по мере накопления опыта по использованию оборудования первого этапа стало очевидно, что в системе необходимы более мощные средства для обработки данных, и главное, необходимо наличие возможности наращивания системы за счет подключения дополнительных машин и устройств. При этом особенно следует отметить необходимость организации работы конвейера машин для обеспечения в реальном времени обработки все возрастающего объема поступающих данных. Все эти обстоятельства привели к постановке задачи разработки многомашинной системы с развитыми средствами реконфигурации.

В основу реализации системы легли идеи специализации подсистем и устройств и унификации в рамках системы каналов обмена.

В АС-6 была использована та же система элементов, что и в БЭСМ-6, которая превосходила интегральные схемы начала 70-х годов. Было разработано несколько типов стоек, что позволило разрабатывать большую номенклатуру устройств. Компактные стойки с короткими связями между блоками с использованием внутреннего монтажа в стойке с двусторонним расположением ячеек. В отличие от конструкции ЭВМ БЭСМ-6 в ряде стоек (шкафов) применено автономное воздушное охлаждение.

Благодаря созданию системы автоматизированного проектирования, в основу которой легла методология разработки документации для БЭСМ-6, увеличилась производительность труда разработчиков и повысилась эффективность использования схем за счет применения некоторых типов диодных блоков в единственном экземпляре и в одном месте.

Кроме БЭСМ-6 в систему входили центральный процессор АС-6 (работавший как отдельная машина), периферийная машина ПМ-6, дополнительные устройства оперативной памяти, контроллер приема телеметрической информации и выдачи результатов обработки информации в комплексе на устройство отображения. Все эти устройства объединялись в систему в качестве абонентов канала 1-го уровня. Этот канал предназначался для передачи сообщений, содержащих 50-разрядное слово и 23-разрядный адрес. В коммутаторах канала 1-го уровня имелось 4 порта с буферной памятью для хранения сообщений, что обеспечивало режим коммутации сообщений. Общее число абонентов – 16. Таким образом, могло быть подключено по два и более однотипных абонентов.

Центральный процессор АС-6 обеспечивал высокую эффективность обработки данных самых различных форматов, имел аппаратные средства для работы с массивами данных и аппаратно-программные средства для повышения эффективности работы трансляторов с языков высокого уровня. Его производительность превосходила БЭСМ-6 примерно в 1,5 раза, а объем оперативной памяти – в 4 раза. Следует подчеркнуть, что благодаря наличию параллельно работающей периферийной подсистемы в ЦП АС-6 не выполнялись функции, связанные с вводом-выводом.

Периферийная подсистема состояла из периферийных машин ПМ-6 и ряда контроллеров-мультиплексоров, подключенных к ПМ-6 с помощью канала 2-го уровня. Канал 2-го уровня предназначался для передачи сообщений, состоящих из произвольного числа однобайтовых посылок. Для осуществления коммутации каналов использовались коммутаторы канала 2-го уровня. Общее число подканалов – 256. Основные контроллеры, рассчитанные на 32 подканала, - это мультиплексоры телефонных и телеграфных каналов и мультиплексор преобразования сопряжения, обеспечивавший подключение устройств, имеющих выход на интерфейс ввода-вывода ЕС ЭВМ.

Периферийная машина ПМ-6 состояла из параллельно работающих периферийного процессора и каналлера, каждый из которых ориентирован на обслуживание 256 подканалов. Операционная система периферийной машины получала задания на выполнение обменов с устройствами от операционных систем других машин комплекса управляла работой каналлера, который осуществлял обмен массивами данных между оперативной памятью любого из абонентов канала 1-го уровня и внешним устройством.

Программное обеспечение системы АС-6 состояло из распределенной операционной системы многомашинного информационно-вычислительного комплекса АС-6 (ОС АС-6), включавшей операционные системы БЭСМ-6, ЦП АС-6, ПМ-6, соответствующих систем программирования, тестовых и обслуживающих программ

ОС АС-6 состояла из взаимодействующих друг с другом через единый интерфейс равноправных операционных систем ЭВМ, входящих в комплекс.

ОС АС-6 обеспечивала сетевое взаимодействие вычислительных процессов в ЭВМ комплекса, а также с процессами в глобальных сетях ЭВМ.

ОС АС-6 обеспечивала для процессов, выполнявшихся в любых ЭВМ комплекса, использование внешних устройств всех ЭВМ комплекса, адресацию и использование внешних устройств в дислокациях.

ОС АС-6 обеспечивала конвейерную работу входящих в комплекс машин ("конвейера ЭВМ") для обработки в режиме реального времени больших потоков информации о полетах космических аппаратов.

В операционных системах ЭВМ комплекса имелись средства организации параллельных процессов, в том числе средства соподчинения задач и средства организации в задачах ветвей обработки информации.

Сетевые программные средства ОС АС-6 разделялись на транспортные и функциональные. Транспортные средства были предназначены для передачи данных в комплексе как между операционными системами, так и между задачами пользователей. Функциональные средства, базируясь на транспортных, выполняли функции запроса ресурсов, обмена с устройствами ввода-вывода, вызова программ-посредников и т.п.

В соответствии с принципом равноправия операционных систем, транспортные средства (в отличие от функциональных) были симметричны, то есть каждая ОС обладала идентичными транспортными средствами.

Взаимодействие с транспортными средствами ОС какой-либо ЭВМ прекращалось в случае ее выхода из строя и автоматически возобновлялось после перезапуска ее ОС.

Система АС-6 с 1973 г. находилась в опытной эксплуатации, при этом продолжались работы по ее развитию. В 1975 г. она использовалась при проведении работ по программе совместного советско-американского проекта «Аполлон – Союз». Сдача системы в полном объеме была проведена в 1979 г.

В системе АС-6 были впервые реализованы новые идеи, явившиеся основой разработок суперЭВМ и фундаментальных исследований по архитектуре перспективных вычислительных систем. Прежде всего необходимо отметить следующие особенности:

• АС-6 - неоднородная многомашинная вычислительная система.
• Проблемная ориентация ЦП АС-6 на решение задач по управлению сложными объектами и эффективную трансляцию.
• Функциональная специализация периферийной машины ПМ-6 и других вспомогательных устройств.
• Специализация внутрисистемных каналов.

В качестве внешних устройств в системе АС-6 используются внешние накопители и устройства ввода-вывода из номенклатуры ЕС ЭВМ. Для подключения к системе телефонных каналов связи предназначен телефонный мультиплексор (МТФ) и адаптеры АТФ1 и АТФ2. Для сопряжения с телеграфными линиями связи используются телеграфные мультиплексоры (МТГ).

За разработку системы АС-6 в 1982 г. была присуждена Государственная премия СССР сотрудникам ИТМ и ВТ АН СССР: В. А. Мельникову, А. А. Соколову, В. П. Иванникову, А. Ю. Бякову, В. Л. Ли, В. И. Смирнову, Л. А. Заку, В. С. Чехлову.

Получен патент на систему в целом, а также ряд патентов на отдельные ее составляющие.

По мере создания и эксплуатации системы стало очевидно несоответствие новых архитектурных идей и возможностей элементной базы. С целью дальнейшего развития этого направления в 1973 г. был разработан проект системы БЭСМ-10, в котором на основе задела, полученного при создании АС-6, и использования высокоскоростных интегральных схем типа ЭСЛ планировалось создание перспективной вычислительной системы. Однако этот проект не был поддержан Министерством радиопромышленности СССР.

Вычислительная система «Электроника СС БИС»

Продолжение работ в направлении создания высокопроизводительных вычислительных систем было осуществлено под руководством заместителя Главного конструктора БЭСМ-6 и Главного конструктора АС-6 академика В.А. Мельникова. В соответствии с совместным решением Министерства электронной промышленности СССР и Академии наук СССР в 1978 г. была поставлена задача создания системы с предельной производительностью на основе проведения широкого фронта исследований по микроэлектронике, оптоэлектронике и другим направлениям. Система предназначалась для решения наиболее крупных задач в области ядерной физики, метеорологии, геологии, авиастроения, космонавтики, микроэлектроники и др.

Разработка суперкомпьютерной системы «Электроника СС БИС-1» базировалась на том научном багаже, который был накоплен при создании БЭСМ-6 и АС-6. Однако, для достижения производительности на два порядка величины большей, чем в этих машинах, было необходимо освоение нового технологического уровня и разработки соответствующей ему архитектуры.

В рамках создания системы были разработаны и освоены следующие компоненты и узлы:

• высокочастотные интегральные схемы типа ЭСЛ с задержкой на один логический уровень 0,5 нс и матричные БИС;
• БИС памяти типа ЭСЛ и КМОП;
• керамические безвыводные корпуса и контактирующие устройства для них;
• многослойные высокочастотные печатные платы;
• микрокабель;
• высокочастотные соединители с контактными парами, имеющими согласованный импеданс;
• блоки и стойки вторичного электропитания;
• низкотемпературные тепловые трубки и тепловые разъемы;
• стойки фреонового и водяного охлаждения;
• установки функционального контроля;
• контроллер внешней полупроводниковой памяти;
• контроллер дисковой памяти;

В качестве внешних и управляющих машин использовались ЭВМ типа «Электроника 79», «Электроника 82».

В центральном процессоре и контроллерах внешней полупроводниковой и дисковой памяти использовались схемы типа ЭСЛ среднего уровня интеграции и матричные БИС. Корпуса ИС устанавливались в контактирующие устройства, которые также обеспечивали их прижим к теплоотводящей трубке с фреоном. В каждом из 50 блоков процессора могло быть установлено до 144 БИС. Общее число вентилей - около 1 миллиона. Тактовая частота 100 МГц. В оперативной памяти также были использованы схемы ЭСЛ. БИС памяти и ИС управления устанавливались на тепловых трубках, закрепленных в тепловых разъемах блоков, которые в свою очередь контактировали с тепловой плитой, охлаждаемой фреоном. Во внешней полупроводниковой памяти были использованы схемы типа КМОП.

При выборе архитектуры центрального процессора рассматривался вариант ЦП АС-6, развитый в проекте БЭСМ-10, а также изучались суперкомпьютеры Cray 1 фирмы Cray Research и Cyber 205 фирмы CDC. Достижение максимальной производительности было возможно только при использовании синхронных конвейерных схем, обеспечивающих получение по крайней мере одного результата в такт. Система команд ЦП АС-6 была ориентирована на асинхронные конвейерные схемы, содержала большой набор форматов команд и данных, что усложняло ее реализацию на синхронных конвейерных схемах. Наиболее перспективной была признана архитектура Cray-1, что подтвердилось в дальнейшем. Однако, архитектура процессора основной машины системы «Электроника СС БИС-1» отличалась от Cray-1 рядом усовершенствований. Так удалось повысить темп выполнения операции вычисления обратной величины до 1 такта вместо 3, обеспечить одновременное выполнение векторных и скалярных операций с плавающей запятой за счет добавления соответствующих функциональных устройств, увеличить объем буфера команд. Пиковая производительность процессора равна 250 Mflops. Система команд процессора трехадресная, ориентирована на использование адресуемых скалярных, векторных и адресных регистров.

Подсистема внешней полупроводниковой памяти отличалась наличием интеллектуального контроллера (специализированного процессора), предназначенного для реализации различных методов доступа к внешней памяти со стороны основной машины. По заданию-директиве от основной машины программа специализированного процессора осуществляла формирование адресов данных во внешней памяти в процессе передачи этих данных. Возможно вычисление адресов по любому закону или выборка их из списка. Таким образом, пересылке в оперативную память подлежали только полезные данные, что приводило к экономии оперативной памяти и снижению загрузки канала обмена с основной машиной. Наличие двух портов в контроллере позволяло построить двухпроцессорную систему с производительностью 500 Mflops.

Подсистема дисковой памяти обеспечивала подключение до 8 контроллеров с общим объемом памяти 20 Гбайт. Контроллер обеспечивал обмен между оперативной памятью основной машины и управляющим устройством накопителя, контроль и исправление ошибок с помощью кода Рида-Соломона.

Программное обеспечение состояло из операционных систем основной и внешних машин, систем программирования на языках макроассемблера, «Фортран 77», «Паскаль», «Си». Компиляторы включали средства оптимизации программ с учетом особенностей векторной архитектуры (векторизация циклов и планирование потока команд).

Во всех устройствах системы были предусмотрены средства контроля и диагностики, а система проектирования включала средства логического моделирования и средства составления конструкторской документации. Последние были основаны на принципах, разработанных при создании БЭСМ-6 и развитых в системе автоматизированного проектирования для системы АС-6, то есть на использовании формульно-табличной формы для представления логических схем. Система проектирования включала также программные средства для генерации функциональных и диагностических тестов и тестов для проверки и наладки блоков и узлов на установках функционального контроля.

В 1991 г. были проведены испытания системы «Электроника СС БИС-1», изготовлены и налажены 4 образца, началась их установка у заказчиков. В том же году был разработан проект системы «Электроника СС БИС-2», направленный на создание многопроцессорной системы с производительностью до 10 Gflops.

Однако, в 1993 г. было принято решение о прекращении работ. Естественно, что это привело к разрушению всех коллективов, организованных за более, чем 10 лет работы. Были утеряны научные и технологические заделы по многим направлениям, в том числе работы по решению больших задач на векторно-конвейерной машине.

Опыт разработки, производства и наладки системы «Электроника СС БИС-1» показал необходимость широкой кооперации академических институтов и промышленности. Только благодаря этой кооперации удалось организовать разработку и производство всех комплектующих, что выполнялось одновременно с разработкой и подготовкой производства всех устройств системы и с разработкой программного обеспечения.