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.

- Оправдал ли электрический компьютер доверие человечества, окупил ли затраченные усилия, принес ли ожидаемый эффект?

- Безусловно! Ведь ту колоссальную роль, которую сыграли вычислительные машины в жизни человека, даже невозможно выразить экономически эффектом! Так же, как паровая машина произвела революцию в технике, положив начало механизации физического труда, ЭВМ открыла пути для вторжения средств автоматизации в сферу, традиционно относящуюся к интеллектуальной деятельности людей.

Счетные машины со временем становятся не только слепыми исполнителями замыслов человека, но и его помощником, его острейшим оружием в борьбе за раскрытие тайн природы.

К сожалению, эти справедливые слова долгое время оставались всего лишь словами. В изобилии публиковались прогнозы развития ЭВМ и расширения их сферы применения, подчеркивалось исключительное значение этого достижения человеческого ума, а на практике ЭВМ на электронных лампах обладали весьма существенными недостатками.

Число электронных ламп в большой ЭВМ того времени было огромным и достигало нескольких тысяч штук. Аппаратура так называемого процессора, включавшего арифметическое устройство, оперативную память и устройство управления, монтировалось в виде отдельных стоек (шкафов) по 2-3 тысячи ламп в каждой. Для размещения этих стоек требовался довольно большой зал площадью в 150, 200, а иногда и 300 квадратных метров.

Кроме процессора, в основное оборудование ЭВМ входят еще, как известно, устройство ввода и вывода информации, внешняя память на магнитных лентах, устройства для набивки перфокарт, печатающее устройство и т.д. С учетом этого общая площадь, требуемая для размещения ЭВМ, увеличивалась в полтора-два раза. Уже упоминалось, что советская ЭВМ "Стрела" 1953 года выпуска занимала 400 кв. метров, а рекордсменом по занимаемой площади, по-видимому, можно считать американскую машину БИЗМАК 1955 года выпуска, для размещения которой с учетом внешней памяти потребовалось 1600 квадратных метров (это площадь 50-квартирного жилого дома!)

Кроме того, ламповые ЭВМ имели громоздкое вспомогательное оборудование. Нижние и цокольные этажи зданий вычислительных центров были до отказа набиты разнообразными агрегатами внушительных размеров. Главную часть этого вспомогательного оборудования составляли средства электропитания и кондиционирования воздуха.

Дело в том, что любая электронная лампа работает лишь тогда, когда в ней течет эмиссионный ток. А эмиссия возможна лишь при достаточно большой температуре катода. ЭВМ же первого поколения имели тысячи таких ламп, и только для их питания требовалась немалая электрическая энергия. Значительную долю ее потребляли такие всевозможные электромеханические устройства, как-то: реле, двигатели, специальные сервомоторы, входящие в печатающие установки и перфораторы, механизмы перемотки магнитных лент и контрольники. В общей сложности ЭВМ первого поколения потребляла от 80 до 150 киловатт электроэнергии.

Дело осложнялось еще и тем, что различные устройства ЭВМ питались токами различных напряжений. Поэтому энергоблок, или стойка питания ЭВМ, содержал многочисленные преобразователи, умфомеры, трансформаторы, выпрямители и другие агрегаты. Для размещения энергоблока требовалось еще десятки, а иногда и сотни кв. метров площади. Заметим, что механические устройства преобразования частоты эл. тока (умформеры) устанавливались на специальных фундаментах и противовибрационных платформах, увеличивающих громоздкость этого оборудования.

Потребляемая электроэнергия не только приводила в действие все эти механические средства ЭВМ, но и сильно нагревала машинные залы и залы основного и вспомогательного оборудования. Это создавало трудные условия как для весьма чувствительной аппаратуры ЭВМ, так и для обслуживающего персонала. Естественная вентиляция помещений не обеспечивала нормальных температурных режимов и, кроме того, пагубно сказывалась на работе магнитных лент, перфорационных и печатающих устройствах и других чрезвычайно капризных технических средств, засоряя воздух в помещениях.

Поэтому приходилось монтировать кондиционеры для машинных залов с мощными вентиляционными, фильтровальными и холодильными агрегатами, сеть воздуховодов большого диаметра (порядка метра и более), наружные градирни для испарения и охлаждения циркулирующей в системе воды и другое сложное и громоздкое оборудование.

Заслуживает упоминания и внешний вид ЭВМ. Ничего похожего на изящные арифмометры и даже на счетно-перфорационные машины не было и в помине! И вообще, ЭВМ не вызывала ассоциаций с понятием "счетный прибор", она скорее напоминала небольшой завод с электроподстанцией, градирней и цехами-залами: машинным, устройств подготовки данных, внешней памяти, электропитания, кондиционирования воздуха и т.д. "Цехи" соединялись между собой весьма внушительными трубопроводами, силовыми электрокабелями и линиями передачи информации.

Нельзя не отметить и тот печальный факт, что надежность ламповых элементов, работающих все время под током и к тому же в нагретом состоянии, оставляло желать лучшего. Узлы и блоки ЭВМ приходили в негодность. Это не только приводило к срыву вычислительного процесса, что существенно снижало и так невысокую производительность ЭВМ, но и создавало неудобства в эксплуатации самих технических средств. В соседних с машинным залом помещениях размещались ремонтные мастерские, еле успевающие восстанавливать узлы ЭВМ и поставлять их для замены выходящих из строя.

ЭВМ первого поколения, как правило, работали круглосуточно. Выключение машины производилось только в случае аварии или профилактического ремонта. Ввод ЭВМ в действие после выключения был мучительной процедурой и требовал длительной работы многочисленных наладчиков.

Сходство с промышленным предприятием еще более усиливалось, когда речь заходила о составе обслуживающего персонала. Помимо математиков-программистов, занимающихся подготовкой задач, и специалистов по электронной вычислительной технике, работающих непосредственно в машинных залах, в состав персонала включалось немалое число электриков, механиков, специалистов по вентиляционной и холодильной технике, операторов-наладчиков, перфораторщиц, диспетчеров и т.д. Общая численность персонала на одну ЭВМ обычно составляла несколько сотен человек - поистине настоящая счетная фабрика.

Легко себе представить затраты на эксплуатацию ЭВМ. Стоимость электроэнергии и воды для охлаждения, содержания персонала, ремонта аппаратуры и оборудования, оснащения приборами и инструментом, строительства или аренды помещений представляла сумму, вполне соперничающую с затратами на производственные нужды небольшого завода.

Ну а что за продукция у этого "завода"? Продукцией вычислительного центра было так называемое "машинное время", составлявшее для ЭВМ первого поколения всего 12-14 часов в сутки. Оплата за вычислительные расчеты обычно производилась из расчета нескольких тысяч рублей за один час предоставляемого времени. Однако даже этот дорогой час, учитывая низкое быстродействие (порядка несколько тысяч операций в секунду), был не слишком производительным.

Эффективность ЭВМ первого поколения ограничивалась также малым объемом оперативного запоминающего устройства. Обычно он не превышал 3-4 тысяч чисел и не позволял организовать эффективное решение сложных задач большой размерности.

Но жизнь не стоит на месте. Практические нужды науки и техники настоятельно требовали значительного повышения быстродействия и объема памяти ЭВМ. Необходимо было вести расчеты потоков нейтронов в ядерных реакторах, решать задачи сверхзвуковой аэродинамики, вычислять орбиты космических кораблей и автоматических межпланетных станций, запускаемых на Луну, Марс, Венеру, получать межотраслевые балансы народнохозяйственных планов!

В конце 50-х годов ценою исключительно больших затрат и выжиманием предельных возможностей из аппаратуры удалось создать ламповые ЭВМ с более современными характеристиками. Эти машины были способны выполнять десятки и даже сотни тысяч операций в секунду. Объем оперативной памяти достигал 30-60 тысяч чисел. Но стоимость машинного времени была столь высокой, что такие ЭВМ становились практически нерентабельными. Кроме того, постоянные сбои и часты аварии затрудняли надежное выполнение мало-мальски сложных расчетов. Пессимисты даже затеяли разговоры о тупике, в который зашла электронная вычислительная техника. И не без оснований.

И вот именно тогда, в тяжелое для ЭВМ время, в 50-е годы, в научных, а затем и в научно-популярных журналах публикуются сведения о полупроводниковых приборах. Их появление на арене электроники сопровождалось поистине фантастическими прогнозами: размеры устройств уменьшаются в десятки раз, потребляемая энергия в сотни. Мальчишки тогда бредили карманными радиоустройствами. Конечно, и компьютеры не остались в стороне, пусть не карманные, но принципиально новые ЭВМ второго поколения родились и смело ринулись в гущу жизни... А происходило это так...

В электротехнике до недавнего времени все вещества было принято делить лишь на проводники и изоляторы. Хорошими проводниками считались медь, серебро, алюминий и другие металлы. Прекрасными изоляторами - фарфор, стекло, парафин, многие пластмассы, смолы. Но правил не бывает без исключений. В экспериментах были обнаружены удивительные материалы, проводимость которых зависело от направления течения тока. Если включить в электрическую цепь стержень из специально обработанного кристалла германия, то сопротивление его в одном направлении окажется равным всего нескольким омам, а в противоположном - десяткам тысяч ом...

Аналогичным свойством проводить электрический ток только в одном направлении обладают и некоторые другие вещества: кристаллы селена, асенида, галлия, карбида, кремния. Эти вещества и получили название полупроводников.

Полупроводники?! Но ведь похожими свойствами обладают полупроводниковые электронные лампы. В них, когда нагрет катод, появляется электронная эмиссия и поток электронов течет только в одном направлении - от катода к положительно заряженному аноду. В обратном же направлении тока практически нет. Возникла идея - нельзя ли вместо вакуумных ламп в электронных схемах использовать полупроводниковые приборы? Тогда можно рассчитывать на значительную экономию электроэнергии и повышение надежности аппаратуры. В самом деле, то, что происходит в электронной лампе при подаче высокого напряжения, в полупроводнике является просто свойством материала и не требует практически никакого приложения энергии!

Однако прежде, чем эти свойства полупроводников стали послушно служить людям, были проведены огромные теоретические и экспериментальные работы, начавшиеся еще в 20-х, 30-х годах. Ученые многих стран: О. Лосев, А. Иоффе, В. Давыдов, В. Лашеров - в СССР; У. Шокли, У. Брайттейн, Дж. Бардин - в США; Ю. Лилиенфильд, Р. Хильш, Р. Поль - в Германии стоят у истоков той подлинной революции в электронике, которую совершил полупроводниковый элемент.

Самым простым полупроводниковым прибором является диод (ди - по-латыни означает два). Диод - это двухполюсник, действие которого основано на электрических свойствах контакта между металлом и полупроводником.

В электронике полупроводниковые диоды находят исключительно широкое применение. Они используются для детектирования в радиосхемах, в устройствах преобразования электрических колебаний в телевидении и электронном приборостроении, для выпрямления переменного тока в силовых установках, устройствах для стабилизации напряжения и т.д.

Полупроводниковые диоды не обижают и вычислительную технику. На диодах создаются и логические схемы дешифраторов, пассивных запоминающих устройств, устройств ввода и отображения информации.

Хотя принципиально нагрузочные элементы - конденсаторы, сопротивления, индуктивности - могли бы остаться и без изменений, на практике, при переходе от вакуумных диодов к полупроводниковым, потребовалось привести их в соответствие с полупроводниковыми диодами по габаритам, мощности и частотным характеристикам. Так появились специальные полупроводниковые диоидные схемы, включающие диоды и миниатюрные нагрузочные элементы.

Полупроводниковые диоидные схемы широко использовались наряду с ламповыми триодами еще в ЭВМ первого поколения. (Вспомним, что ЭВМ "Стрела" имела, кроме 8 тысяч вакуумных ламп, около 2 тысяч полупроводниковых диодов, а вычислительная машина БЭСМ 5 тысяч полупроводниковых диодов и только 4 тысячи вакуумных ламп - триодов.)

- Так, значит ли это, что эти ЭВМ были уже наполовину машинами второго поколения?

- Увы, нет! Несмотря на столь заметный удельный вес полупроводниковых схем, "Стрела", так же, как и БЭСМ, является все-таки ламповой машиной, она бесспорно относится к первому поколению.

- Почему?

- Объясняется это ведущей ролью в ЭВМ триггерных схем. К сожалению, диоды составляют основу устройств, охватывающих сравнительно узкий класс логических функций. Только триодные схемы обладают практически универсальными логическими возможностями. Именно поэтому настоящую революцию в царстве ЭВМ произвели полупроводниковые триоды, а также новые магнитные материалы - ферриты!

Полупроводниковый триод, или, как его стали называть, транзистор, миниатюрен, как горошина. Это трехполюсной прибор, его полупроводниковый кристалл разделен на три зоны с различной проводимостью. Работает транзистор в электронных схемах как обычная трехэлектродная лампа - вакуумный триод. Электродами его являются так называемые эмиттер, база и коллектор. Эмиттер связан с источником носителей заряда и выполняет роль катода. База является управляющим полюсом и аналогична сетке. А коллектор, собирающий заряды, проходящие через транзистор, подобен, таким образом, аноду вакуумного триода.

Транзисторы используются в триодных электронных схемах, предназначенных для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов (колебаний) весьма широкого диапазона. Широко известны бытовые транзисторные радиоприемники, которые в обиходе также называют просто "транзисторами".

В вычислительной технике транзисторы являются основой главной (триоидной) схемы - триггерной ячейки, а полупроводниковые диоды входят в транзисторные схемы как вспомогательные элементы.

В дальнейшем такие усовершенствованные схемы получили название диодно-транзисторных. Они оказываются наиболее многочисленными в любой ЭВМ второго поколения. Наряду с ними важную роль в развитии электронных компьютеров сыграли так называемые ферриттранзисторные полупроводниковые схемы.

Одним из основных усовершенствований, появившихся в ЭВМ второго поколения, было новое запоминающее устройство - оперативня память на ферритовых кольцах.

Ферриты также представляют собой полупроводниковые материалы, обладающие особыми магнитными свойствами. Изготавливаются они из довольно редкого минерала - магнитного железняка (ferrum, как известно, по-латыни - железо) с добавлением различных окислов металлов: магния, марганца, никеля и др. Основное достоинство ферритов состоит в том. что сделанные из него элементы могут быстро перемагничиваться и сохранять так называемый остаточный магнетизм, то есть свое магнитное состояние, неограниченно долго. Кроме того, в связи с высоким электрическим сопротивлением ферритов потери на образование так называемых токов Фуко при перемагничивании оказывается незначительным, что обеспечивает минимальное потребление электроэнергии.

Ферриты относятся к веществам, обладающим ярко выраженной (прямоугольной) петлей гистерезиса. Петля гистерезиса - это график, известный из школьного курса физики. Он показывает зависимость величины остаточного намагничивания материала от значений немагничивающего тока. Материалы с прямоугольной петлей гистерезиса обладают способностью находиться в двух устойчивых состояниях, которые и можно соответственно обожначить 0 или 1.

Из ферритов вырабатываются колечки (сердечники) диаметром от нескольких миллиметров до нескльких долей миллиметра. Эти колечки в машине располагаются правильными рядами, образуя плоскую или пространственную прямоугольную матрицу. Каждое колечко (сердечник) в плоской матрице имеет две обмотки, служащие для записи данных, и одну обмотку, служащую для считывания.

Были построены запоминающие устройства размером со стопку ученических тетрадей (каждая матрица - одна тетрадь) на 100 тысячах и более магнитных сердечниках. Прелесть таких запоминающих устройств состоит в возможности произвольной выборки чисел. Время записи и считывания здесь составляет не более 10 микросекунд. Кольцевые сердечники - ферриты могут и не иметь специальных обмоток, а быть просто пронизаны тремя проводниками. Один - в вертикальном направлении, другой - в горизонтальном, а третий проводник проходит сквозь все кольца данной матрицы - это "обмотка" считывания. Пусть для считывания нужен ток в 1 ампер. Если на обмотку считывания подать ток в 0,5 ампера и указать с помощью другой обмотки соответствующую строку или столбец (туда подать ток также в 0,5 ампера), то произойдет считывание двоичных разрядов данного столбца или строки.

Основными достоинствами запоминающих устройств на магнитных сердечниках являются простота конструкции, высокая надежность, высокая скорость записи и считывания, большая емкость, достигаемая простыми средствами (матрица из ферритовых колечек - это все-таки не электронно-лучевая трубка). Кроме того, записанную информацию можно хранить в такой памяти без всякой затраты энергии неограниченно долго.

Ферритовые сердечники используются не только для создания запоминающих устройств, в ЭВМ второго поколения они нашли применение также и в логических схемах, входящих в арифметические устройства, устройства управления и т.п.

Освоение в 60-х годах серийного производства полупроводниковых диодов, транзисторов, а также ферритовых сердечников и миниатюрных нагрузочных элементов электронных схем позволило создать серийные ЭВМ на полупроводниковых приборах - ЭВМ второго поколения.

Фото заимствованы из Виртуального музея ВТ.