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.

В чем же отличие ЭВМ второго поколения от ламповых предков? Имеет ли место и здесь своя "акселерация"?

Оказывается, имеет. Налицо несомненный прогресс по всем показателям, и прежде всего по габаритам и потребляемой мощности. Однако представлять смену поколений лишь только как количественные изменения характеристик было бы глубоким заблуждением! Переход на полупроводниковые приборы ознаменовал собой переворот в вычислительной технике, новые элементы преобразили как бы само лицо ЭВМ!

Как только транзисторы заменили лампы, стразу же значительно возросла производительность! Если ламповые вычислительные машины имели быстродействие несколько тысяч операций в секунду, то ЭВМ на полупроводниковых приборах - десятки и сотни тысяч. Так потомок БЭСМ, машины первого поколения, вычислительная машина БЭСМ-4 давала порядка 20 тысяч операций в секунду, "Урал-11" - 50 тысяч, "Минск-32" - 65 тысяч, "Урал-16" - 100 тысяч, а наиболее мощная советская ЭВМ второго поколения - БЭСМ-6 (выпуска 1966 года) - до одного миллиона операций в секунду.

Однако фактическая производительность ЭВМ, или, как говорят, "эффективное быстродействие", определяется не только скоростью выполнения арифметических операций. Здесь большую роль играет объем ее оперативной памяти. Дело в том, что сложные задачи аэродинамики, ядерной физики и экономики, имеющие большое количество исходных данных и промежуточных результатов расчета, трудно было даже разместить в памяти ЭВМ первого поколения, ведь объем оперативного запоминающего устройства этих машин не превышал 2-4 тысяч чисел. Приходилось делить задачу на части и придумывать специальную организацию вычислительного процесса, при которой обеспечивалось бы эффективное решение исходной задачи по частям. При этом, как правило, требовалось немало операций ЭВМ на стыковку частей, а также на дополнительные расчеты, связанные с решением частей задачи так, чтобы эта стыковка была вообще возможна. В то время обычно говорили, что недостающая часть оперативной памяти "покупается" дополнительным расходом числа операций ЭВМ, требуемых для решения задачи. Другими словами, недостаточный объем оперативной памяти приводил к снижению среднего или эффективного быстродействия ЭВМ.

В ЭВМ второго поколения оказалось возможным увеличить объем оперативной памяти в сотни раз, что еще больше повышало их эффективную производительность. Так, машина "Урал-14" имела уже оперативную память на 65 тысяч чисел, БЭСМ-6 - 32 тысячи, американская "Стреч" - 260 тысяч, наша "Урал-16" - до 500 тысяч и т.д.

Значительное увеличение производительности ЭВМ приводило к росту их рентабельности и экономической эффективности. Хотя общие затраты на разработку и серийное производство машин второго поколения выросли в несколько раз, зато в несколько раз снизилась стоимость одной единицы машинного времени. Число эффективных операций ЭВМ на обин рубль затрат увеличилось в тысячи раз!

Миниатюрные электронные элементы и схемы позволили существенно уменьшить и габариты машины второго поколения по сравнению с ламповыми в несколько раз. Если ЭВМ первого поколения "Стрела" размещалась (без вспомогательного оборудования) на площади около 200 кв. метров, то полупроводниковая того же класса "Минск-2" могла быть установлена на площади 35-40 кв. метров. Заметим, что "Стрела" имела быстродействие порядка 2 тысяч операций в секунду, а у "Минска-2" оно достигало 5-6 тысяч.

Процесс миниатюризации ЭВМ можно охарактеризовать следующими данными. Плотность монтажа, измеряемая числом элементов в одном кубическом метре объема, возросла от нескольких сотен для ламповых ЭВМ до десятков тысяч для ЭВМ на полупроводниковых и ферритовых элементах.

Появились так называемые "малые" ЭВМ: в Ереване "Наири", в Киеве - "Мир" - с быстродействием несколько тысяч операций в секунду, объемом оперативной памяти несколько тысяч чисел и размером с обычный письменный стол.

Особенно уменьшилась потребляемая электроэнергия. Ламповой машине типа "Стрела" требовалось порядка 120 киловатт, полупроводниковая "Минск-2" потребляла всего 4 киловатта, а специализированная цифровая управляющая машина "Днепр" (10-50 тыс. операций в секунду) - 1,2 киловатта.

Очевидно, что вместе со снижением потребляемой мощности уменьшилось выделение тепла, снизились требования к средствам кондиционирования воздуха в машинных залах и помещениях для вспомогательного оборудования. Вычислительные центры с полупроводниковыми ЭВМ могли объодиться без холодильных установок, градирен и другой мощной холодильной и вентиляционной техники. Кондиционирование воздуха, создающее комфортабельные условия для людей и аппаратуры, обеспечивалось обычными бытовыми кондиционерами.

Помимо упомянутых достоинств, полупроводниковые приборы обладали большой надежностью; они реже выходили из строя, почти никогда не "перегорали", так как, собственно говоря, и гореть-то было нечему. Благодаря этому увеличилось время безотказной работы ЭВМ, появилась возможность решения сложных задач, требующих значительного машинного времени.

Способность полупроводниковых приборов работать при комнатной температуре и их более высокая надежность создавали чрезвычайно удобные и выгодные условия эксплеатации ЭВМ. В самом деле, полупроводниковую машину можно был просто выключать и включать, как телевизор или радиоприемник, только тогда, когда она нужна для работы. Отпадала необходимость в больших ремонтных бригадах, специальных наладчиках и частом профилактическом ремонте. Снижалось потребное число персонала для эксплуатации машины и поддержания ее в работоспособном состоянии. ЭВМ стала более походить на прибор, чем на завод или фабрику.

Машины второго поколения стали более технологичными, открылись новые возможности для механизации и автоматизации ручного труда при их производстве. Этому способствовало применение печатного монтажа, заблаговременное серийное изготовление типовых полупроводниковых схем (ячеек), возможность унификации размеров и внешней формы как транзисторов и диодов, так и нагрузочных элементов. Все перечисленное приводило к немаловажной особенности - снижению стоимости производства ЭВМ, стоимости ее эксплуатации, ибо уменьшалась численность персонала, занимаемая площадь и потребление электроэнергии.

Среди советских ЭВМ второго поколения наиболее массовой, по-видимому, можно считать вычислительную машину "Минск-22". Она могла выполнять 5 тысяч операций в секунду и имела оперативное запоминающее устройство на ферритах емкостью 8 тысяч чисел. Внешняя память на магнитных дисках - один миллион 600 тысяч чисел. Ввод информации в машину осуществлялся с перфолент и перфокарт, а также с рулонного телетайпа. Устройства вывода информации, кроме выдачи на перфокарты и перфоленты, могли также выдавть данные на телетайп и на алфавитно-цифровое печатающее устройство.

Более поздняя модель этой серии - "Минск-32" - имела быстродействие 250 тысяч операций в секунду, емкость оперативного запоминающего устройства - 65 тысяч чисел.

ЭВМ серии "Минск" являются типичными машинами для инженерных и плановых расчетов. Автоматизированные системы управления (АСУ) на предприятиях и в отраслях промышленности часто в качестве основных машин содержат именно "Минск-32".

Нельзя не остановиться на самой быстродействующей из советских ЭВМ второго поколения - БЭСМ-6 (выпуск 1966 года). Как уже упоминалось, ее скорость достигает одного миллиона операций в секунду. Оперативное запоминающее устройство - 32 тысячи чисел и 32 лентопротяжки с емкостью каждой ленты до одного миллиона чисел. Ввод данных осуществляется со скоростью 700 перфокарт в минуту: быстродействующее печатающее устройство дает 400 строк (по 128 знаков) в минуту.

Машина БЭСМ-6 содержит до 60 тысяч транзисторов и до 200 тысяч диодов. Она является основной ЭВМ для научно-технических расчетов, в том числе уникальных.

Необходимо отметить, что по методам программирования, организации вычислительного процесса и обмену информацией с внешними источниками машины "Минск-32" и БЭСМ-6 обладают многими качествами машин уже следующего, третьего, поколения и по справедливости могут быть отнесены к промежуточным ЭВМ, несмотря на то, что их элементная база и технология производства остаются характерными для второго поколения.

Малая ЭВМ "Мир", разработанная Институтом кибернетики Академии наук СССР в 1965 году, имела быстродействие всего в 8 тысяч операций в секунду, а емкость оперативного запоминающего устройства - 4096 символов. Предназначена она для решения инженерно-конструкторских и математических задач.

Новая модель "Мир-2" (выпуска 1969 года) обладает эффективным быстродействием уже до 12 тысяч операций в секунду; ее оперативное запоминающее устройство на ферритовых сердечниках емкостью 8192 символа, а ряд ее свойств дает основание считать ее машиной третьего поколения.

В общем, вычислительные машины на диодно-транзисторных схемах с оперативной памятью на ферритовых сердечниках завоевывали всеобщее признание. Хорошая надежность, обеспечивающая десятки часов безотказной работы, высокая скорость, измеряемая сотнями тысяч операций в секунду, оперативная память в сотни тысяч вызвали симпатии и доверие пользователей.

Машинное время стало дешевле. Вместе с тем и ЭВМ стали производительнее: за один час вычислений теперь можно произвести в десятки раз больше операций. Машины стали более рентабельными, и к использованию ЭВМ потянулись представители многих новых областей техники и народного хозяйства.

Специалисты поняли, что громоздкость вычислений теперь уже не является непреодолимым препятствием на пути решения возникающих проблем. Не обязательно упрощать задачу ради простоты вычислений, исключая из нее не только второстепенные факторы, но иногда, как говорится, выплескивая из ванны вместе с водой и ребенка... Теперь можно учесть больше параметров, поставить задачу полнее, глубже проникнуть в суть проблемы и обнаружить новые, неизвестные ранее свойства, открыть затаившиеся особенности изучаемых процессов и явлений. А ведь это и есть не что иное, как прогресс науки и техники! Интенсификация производства в промышленности и сельском хозяйстве!

- Вот это перспективы! Просто дух захватывает. Теперь можно как следует развернуться!

- Увы! На пути массового потребителя ЭВМ встали трудности с программированием! Посудите сами: если раньше программы имели сотни команд, редко когда доходило до тысячи, то теперь на каждом шагу их тысячи и десятки тысяч.

- Так ведь раньше за сложную задачу и браться было опасно, если на выполнение программы нужно было сто часов, а машина каждые 2-3 часа выходит из строя. Теперь же, с переходом на ЭВМ второго поколения, подобные вопросы просто отпали: давай любую программу и получишь решение!

- Надо лишь знать, где взять эту программу.

- Разумеется, у программиста!

- А где взять программиста?

Вот что написал по данному поводу американский журнал "Тайм" в конце 50-х годов: "Поскольку электронные вычислительные машины требуют специального, очень тонкого обращения, возникает новая группа специалистов, осуществляющих контакт с электронным племенем. Они молоды, блестяще образованы, хорошо оплачиваемы, их всегда не хватает. Титулы их необычны и звучны, а ответственность велика. Они образовали касту священнослужителей при машинах, намеренно отдаленную от людей обычного уровня. В белых рубашках, спокойные и торжественные, проходят они между рядами бесшумно работающих машин. Любители распутывать всякого рода проблемы, они за завтраком играют в шахматы, во время коктейля решают алгебраические уравнения, а язык, на котором они говорят друг с другом, есть, по мнению многих, не что иное, как средство мистификации окружающих. Глубоко заинтересованные проблемами логики и чувствительные к ее нарушению в обыденной жизни, они часто раздражают своих людей, заставляя их перефразировать свои вопросы более логично. Эти люди не удовлетворены успехами машин на Земле и в космосе, они постоянно стремятся расширить их возможности".

Да, программист весьма дефицитная специальность. Дело это новое, нужного числа программистов не успели подготовить, и не только потому, что упустили этот вопрос из виду, а скорее из-за новизны проблемы: не хватает преподавателей, нет учебных пособий и вообще мало желающих - дело-то неизведанное! Имеющиеся же программисты - люди исключительно капризные. Если ты внес мелкое изменение в задачу, они заявляют, что на исправление уйдут недели, что почти готовую программу придется переделывать, писать заново.

Кроме того, они страшно медлительные. Посудите сами, опытные программисты способны "сделать" в среднем всего несколько команд за рабочий день. Если программа состоит, например, из 700 команд, а это, вообще говоря, программа не очень сложной задачи, то один программист будет разрабатывать ее три месяца! А что, если привлечь пятнадцать программистов? Можно ли запрограммировать эту задачу за неделю? Оказывается, нет. И вот в чем хитрость.

Пусть для сооружения здания требуется две тысячи человеко-дней, смогут ли две тысячи человек соорудить это здание за один день? Конечно, нет! В работе над одной задачей участвуют два, редко три-четыре программиста. При большом их числе организовать четкую совместную работу практически невозможно: стыковать в единое целое куски программ, написанных разными людьми, - большая проблема. Как же тогда быть с задачами, для которых программа содержит 2-3 тысячи и более программ? Программировать годы? Число задач растет быстро, лавинообразно. Если сколько-нибудь полно учесть запросы науки и промышленности, армия программистов должна была состоять из миллионов людей. А тут еще темпы роста потребностей! Если они сохраняются, то через несколько лет нужно превратить в программистов все работоспособное население страны!

Вот тогда-то и началась борьба за сокращение сроков программирования задач, тяжелая борьба за повышение производительности труда программистов, за облегчение трудоемкого процесса "ручного" программирования!

Начало этого сражения уходит далеко в глубь истории эры компьютера, нам уже известны первые победы - это создание библиотек стандартных подпрограмм.

Зачем заново каждый раз программировать вычисление среднего арифметического, степеней, корней, логарифмов, тригонометрических функций, так часто встречающихся в расчетных формулах? Их стали программировать один раз, один раз вводили в память ЭВМ и в дальнейшем пользовались этими стандартными подпрограммами по мере надобности. Это был первый шаг на пути облегчения программирования.

Принцип стандартных подпрограмм оказался одновременно и плодотворным, и перспективным. Первое из этих свойств проявилось немедленно - библиотеки стандартных подпрограмм стали возникать повсеместно, быстро пополняться и расширяться. В разряд стандартных начали относить не только программы вычисления элементарных функций. Попали сюда и другие часто встречающиеся процедуры: типовые фрагменты распространенных программ обработки экономической и научной информации и вообще все то, что могло так или иначе пригодиться при программировании новых задач.

Как известно, в состав арифметических операций ЭВМ, помимо специальных служебных операций, входят только "четыре правила арифметики": сложение, вычитание, умножение и деление. Эти операции осуществляются специальными электронными схемами, сумматорами, множительными устройствами, инверторами, регистрами сдвига и т.д. И было бы великолепно, если бы все остальные математические действия удалось свести к этим простейшим операциям. Оказалось, что осуществить это вполне возможно.

Возведение числа в степень сводится, например, к многократному умножению. Для этого используется очень простое правило, известное каждому школьнику: взять число и умножить его на себя столько раз, сколько имеется единиц в показателе степени. Более сложное правило, по сути - совокупность правил, требуется для извлечения, например, квадратного корня из числа.

Правила или совокупности правил, в соответствии с которыми при помощи конечного числа шагов мы приходим к результатам решения, называют алгоритмами. Правила возведения в степень и извлечения квадратного корня представляют собой простейшие алгоритмы. Другими алгоритмами, известными из школьного курса математики, являются правила определения наибольшего общего делителя двух чисел (алгоритм Эвклида), правила определения наименьшего кратного двух чисел и т.д.

Построение алгоритма решения задачи - запись последовательности действий над числами, данными в условии задачи, которые приводят к решению задачи, - было известно еще в Древнем Китае. Оно оказывается удобным приемом, облегчающим программирование. Если задача представлена в виде алгоритма, остается каждое действие (правило) алгоритма выразить через операции ЭВМ - и программа готова. Это заведомо проще, чем пытаться сразу записать в виде программы для ЭВМ соотношения или уравнения, входящие в задачу в ее первоначальном виде.

Понятие алгоритма сыграло решающую роль в теории и практике программирования, под действиями (операциями) алгоритма понимаются любые операции и процедуры, выполняемые по ходу решения задачи, а также их любые группы и последовательности. Представление задачи в виде алгоритмов получило даже специальное название - алгоритмизация задач.

Постепенно выкристаллизовывался подход, определивший в дальнейшем развитие методов программирования по многим направлениям. Сущность его заключалась в том, что исходный алгоритм решения задачи старались расчленить на такие части, для которых можно надеяться найти стандартные программы в библиотеке. Программирование в таком случае велось в три этапа: 1) расчленение задачи на части; 2) извлечение программ для частей из библиотеки или программирование частей заново, если в библиотеке они не предусмотрены, и 3) стыковка частей в единую программу.

Метод деления задачи на стандартные части находил все большее распространение и в конце концов получил самостоятельное значение, стал независимым от библиотеки подпрограмм. В практике программирования начали играть важную роль типовые части алгоритмов, которые позже получили специальные названия блоков операторов. Первый и третий этапы программирования - расчленение задачи и стыковка частей в единую программу - все более отдалялись от второго и объединялись между собой. В результате программирование превратилось в двухуровневый процесс. На первом, высшем, уровне производилось расчленение алгоритма на части и составление схемы взаимодействия (стыковка) этих частей. На втором уровне - расшифровка блоков или операторов и решение вопросов о распределении памяти, кодировании команд и наилучшей организации самой программы.

В это время, пока обсуждаемые идеи, как говорится, носились в воздухе, выдающемуся советскому математику Алексею Андреевичу Ляпунову (1911-1973 г.г.) удалось усмотреть весьма глубокие аналогии между структурой программ и весьма тонкими понятиями функционального анализа - одного из современных направлений высшей математики. Результаты его работ привели к созданию так называемого операторного метода программирования. На базе этого метода появилась возможность полностью автоматизировать процесс программирования, то есть привлечь к составлению программ саму ЭВМ.