Реферат: Выдающиеся отечественные и зарубежные учёные, внёсшие существенный вклад в развитие и становление информатики

По мнению Джулиана Динса из оптоэлектронной группы Эдинбургского университета, внедрение гибридных компьютеров может наступить гораздо быстрее, чем кажется. «Большинство технологических проблем уже преодолено, — отмечает он. — Надо решить лишь чисто инженерные вопросы: как сделать лазеры, линзы и зеркала достаточно маленькими, надежными и недорогими, чтобы из них можно было построить работающий компьютер ».

Сегодня все удовлетворены тем качеством электронных чипов, которые производит, скажем, компания «Интел», но узким местом стало их соединение. Проблема состоит в том, как прикрепить к малюсенькой микросхеме несколько сотен металлических проводов. Оптических же выводов может быть много тысяч, причем выходить они могут со всех сторон микросхемы. Одно это усовершенствование может повысить быстродействие современных вычислительных машин в несколько десятков, а то и сотен раз, и приблизиться к вожделенному «терабайту «в секунду. Подобный рост возможных соединений позволит развивать новые сетевые структуры компьютеров типа нейронных сетей и параллельных процессоров.

Как подмечает Эндрю Кирк из фотонной группы канадского университета Макгилл, компьютерная индустрия словно проснулась и обнаружила наличие методов оптики свободного пространства. На первом этапе свет будет использоваться для связи между электронными чинами, но в перспективе он может забраться и внутрь них самих — когда перемещение электронов станет слишком медленным для возросших скоростей счета.

Проблема большого числа соединений — неотъемлемая черта любого компьютера. Процессоры, элементы памяти, клавиатура, терминал и другие его части постоянно обмениваются информацией. Быстродействие процессоров постоянно растет, увеличиваются и ее потоки. А инженеры знают, что при пересылке нулей и единиц быстрее некоторого предела они просто начинают сливаться друг с другом. Кроме того, увеличение потоков приводит к тому, что провода начинают работать как антенны — излучать электромагнитные волны и влиять на «соседей ». Приходится их тщательно экранировать, а это увеличивает их толщину и стоимость. С другой стороны, стремление подвести к процессору все больше и больше проводов-соединений заставляет делать их все более тонкими. Но чем тоньше провод, тем больше его сопротивление и потери на нагревание.

В общем, нет никаких сомнений, что стремительное развитие компьютеров натолкнется на непреодолимые трудности, если продолжать использовать проводные соединения. Чтобы выйти из тупика, надо обратиться к соединениям оптическим. Идеологически все очень просто: электронные импульсы в компьютерном чипе преобразуются в тонкий пучок света. Есть он — это «1», нет его — «О ». Поток света проходит через сеть крошечных призм и линз и достигает места назначения. А там специальная фотоячейка превратит его вновь в электрический сигнал. Главные требования к оптической системе — потреблять мало энергии, быть дешевой, простой и компактной.

Много всего было перепробовано, в частности, светодиоды всех типов, но оказалось, что лучший кандидат — многоквантовый источник, разновидность электрического затвора, и микроскопический лазер под названием «виксел ». Оба устройства сделаны на основе арсенида галлия, что позволяет производить их, как компьютерные чипы, поточным образом в многослойных структурах.

Многоквантовый источник был придуман специалистами американской лаборатории Белла в штате Нью-Джерси для полностью оптического компьютера. Однако десятилетние исследования показали, что эта идея пока невоплотима, но разработки вполне применимы в гибридном компьютере. Этот источник — «вафля «из полупроводниковых слоев, которая может очень быстро становиться то зеркальной, то мутной под воздействием электрических сигналов. Отраженный свет — это единица, а неотраженный — ноль. Кроме того, в каждой «вафле «есть маленькое окошко-фотоячейка, где падающий свет преобразуется в электрический сигнал.

Первоначальной идеей было создание оптического эквивалента транзистора. Но в гибридном компьютере эти ячейки облепляют процессор и служат для него «переводчиками «световых сигналов в электронный вид. В лаборатории уже создан процессор с тысячью таких ячеек размером не более 15 микрон каждая. Свет на ячейки поступает от внешнего лазера, пучок которого расщепляется на множество (32 х 32) маленьких пучков. Первые эксперименты с таким процессором показали, что он может вводить в тысячу раз больше информации, чем современный суперкомпьютер «Крей ». Осталось лишь довести опытный образец до коммерческого использования.

Разрабатывается и альтернативный вариант подобным ячейкам: крошечные твердотельные лазеры на каждом входном-выходном канале — «викселы ». До недавнего времени такие лазеры были слишком велики, только-только их научились встраивать в многослойные полупроводниковые структуры, где они выглядят, как светящиеся окошки микронебоскреба. И все равно «викселы «пока крупноваты по сравнению с ячейками — 250 микрон. Но инженеры лаборатории Белла считают, что уменьшение их в десять раз — лишь вопрос времени, причем не слишком долгого.

В Калифорнийском университете уже созданы и линзы с поперечником всего в две сотни микрон. Один из сложных технологических процессов — их закрепление. Есть опасение, что температурные колебания, движение воздуха, влажность могут оказывать влияние на линзы, клей и подложку, слегка деформировать систему и нарушать работу компьютера. Все это предстоит проверить и отработать.

В лаборатории университета Макгилл и других институтах уже построены прототипы таких компьютеров. Их части тщательно пригнаны одна к другой и удерживаются на своих местах мощными магнитами. Конечно, это не вариант для массового производства.

Однако Эндрю Кирк считает, что главное препятствие на пути новых гибридных компьютеров — чисто психологическое, как у всякой новой революционной технологии. Но это один из наиболее перспективных путей к суперкомпьютерам будущего.

Американское космическое агентство НАСА поставило перед собой цель к 2010 году построить компьютер мощностью в петафлоп — это миллион миллиардов операций в секунду. По мнению его специалистов, никакой альтернативы оптическому способу передачи информации при таких скоростях быть просто не может. Между прочим, петабайт информации — это миллиард книг или 2300 лет «прокрутки «видеоленты. Вот какой объем данных будет переносить этот компьютер за секунду.

И в заключение несколько слов об отношении к новым технологиям — ради полной объективности. Марк Бор из исследовательской группы компании «Интел «считает, что устранить сложности с соединениями можно, перенося все больше функций на один микрочип. Современные микропроцессоры, к примеру, снабжены «кэш-памятью», что позволяет им хранить часто используемую информацию.

Очень сильный аргумент «против «оптического компьютера — мощнейшая индустрия электронных чипов со всемирной инфраструктурой и многомиллиардными оборотами. Кто победит — новое или деньги, — судить не нам, поживем — увидим. Во всяком случае, несколько лет назад о новой технологии говорили лишь единицы энтузиастов, а на последней посвященной ей конференции весной 1997 года были замечены инженеры из компаний IBM, Cray и Digital. Похоже, что теперь надо говорить не о том, «будет ли оптическая революция», а о том, «когда она наступит ».

Теперь пришла очередь рассказать и о наших с вами соотечественниках, тем более что они тоже внесли существенный вклад.

В декабре 1951 г. в лаборатории электросистем Энергетического института (ЭНИН) АН СССР под руководством члена-корреспондента АН СССР И. С. Брука был выпущен научно-технический отчет "Автоматическая цифровая вычислительная машина (М-1)", утвержденный 15 декабря 1951 г. директором ЭНИН АН СССР академиком Г. М. Кржижановским. Это был первый в СССР научный документ о создании отечественной ЭВМ.

Машина успешно прошла испытания и была переведена в режим эксплуатации для решения задач как в интересах ученых своего института, так и сторонних организаций.

Начало исследовательских работ И. С. Брука по проблеме ЦВМ относится к 1948 г. Он первым в СССР (совместно с Б. И. Рамеевым) разработал проект цифровой ЭВМ с жестким программным управлением. Свидетельство об изобретении на "ЦВМ с общей шиной" было получено ими в декабре 1948 г.

Постановление Президиума АН СССР о начале разработки М-1 вышло 22 апреля 1950 г. После этого И. С. Брук получил возможность сформировать коллектив разработчиков.

Первым в команду был принят Н. Я. Матюхин, молодой специалист, только что окончивший радиотехнический факультет Московского энергетического института.

Вот отрывок из воспоминаний Николая Яковлевича:

"Я хочу оживить картинки нашей деятельности под руководством Исаака Семеновича, передать атмосферу тех лет.

Формирование группы и начало работ над АЦВМ-М1 - 1950 год.

Брук набирает на РТФ МЭИ команду молодых специалистов. Нас семеро: два младших научных сотрудника (А. Б. Залкинд и Н. Я. Матюхин), два дипломника (Т. М. Александриди и М. А.Карцев), три техника (Ю. В. Рогачев, Р. П. Шидловский, Л. М. Журкин).

Первое задание Исаака Семеновича мне - построить ламповый диодный трехвходовой сумматор (проверка моей пригодности).

Второе задание - спроектировать типовой рабочий стол.

Третье задание мне, как руководителю группы, - разработка АЦВМ-1.

Серьезные трудности при проектировании и реализации АЦВМ создавало почти полное отсутствие комплектующих изделий. Исаак Семенович нашел оригинальный выход, использовав имущество со складов военных трофеев.

В результате в основу проекта М-1 были положены следующие идеи и трофеи:
сочетание малой номенклатуры компонентов самого разного происхождения;
всего два типа электронных ламп - 6Н8 и 6АG7;
купроксы от измерительных приборов;
магнитные головки от бытового магнитофона;
электронно-лучевые трубки от осциллографа;
телетайп из генштаба вермахта.

О стиле руководства Исаака Семеновича Брука:
полнейшая увлеченность главным направлением, оптимизм и уверенность в получении конечного результата;
глубокое понимание цели, простота и образность аргументации;
никаких разносов по поводу неудач;
"импульсная подкачка" самостоятельной работы;
уважительное отношение к исполнителям;
никаких кабинетных разговоров, а разбор прямо на рабочем месте;
полнейшая доступность и непринужденность при обсуждении любых вопросов.

И. С. Брук имел, как говорят, трудный характер, видел в людях либо только достоинства, либо только недостатки, к тому же обладал исключительным остроумием. Поэтому его рассказы о своих коллегах и научных противниках служили для всех нас постоянным источником развлечения".

Основные идеи, положенные в основу построения АЦВМ-1, были выдвинуты И. С. Бруком. Далее они вместе с Н. Я. Матюхиным разрабатывали структуру и состав будущей машины, ее основные характеристики и конкретные решения многих технических вопросов. В дальнейшем Н. Я. Матюхин при активной поддержке И. С. Брука практически выполнял обязанности главного конструктора.

АЦВМ-1 включала в свой состав арифметическое устройство, главный програмный датчик (устройство управления), внутреннюю память двух видов (быструю - на электростатических трубках и медленную - на магнитном барабане), устройство ввода-вывода с использованием телеграфной буквопечатающей аппаратуры.

Основные характеристики М-1:

Система счисления - двоичная.

Количество двоичных разрядов - 25.

Объем внутренней памяти: на электростатических трубках - 256 адресов, на магнитном барабане - 256 адресов.

Быстродействие: 20 оп/с с медленной памятью; с быстрой памятью операция сложения выполнялась за 50 мкс, операция умножения - за 2000 мкс.

Количество электронных ламп - 730.

Потребляемая мощность - 8 кВт.

Занимаемая площадь - 4 кв. м.

В процессе проектирования и разработки М-1 были предложены и реализованы принципиально новые технические решения, в частности, двухадресная система команд, нашедшая впоследствии широкое применение в отечественной и зарубежной вычислительной технике.

Впервые в мировой практике создания ЭВМ логические схемы в машине М-1 строились на полупроводниковых элементах - малогабаритных купроксных выпрямителях КВМП-2-7, что позволило в несколько раз сократить количество электронных ламп в машине и значительно уменьшить ее размеры.

Проектные и конструкторские работы по созданию АЦВМ-1 начались летом 1950 г. в трудных условиях, так как выполнялись как инициативные, при ограниченных средствах, без специальных помещений (М-1 была построена и эксплуатировалась в подвале), разработки велись силами очень небольшого коллектива молодых специалистов, которые, однако, работали с большим энтузиазмом.

Разработка арифметического устройства и системы логических элементов выполнялась Н. Я. Матюхиным и Ю. В. Рогачевым, разработка главного программного датчика - М. А. Карцевым и Р. П. Шидловским, запоминающего устройства на магнитном барабане - Н. Я. Матюхиным и Л. М. Журкиным, запоминающего устройства на электростатических трубках - Т. М. Александриди, устройства ввода-вывода - А. Б. Залкиндом и Д. У. Ермоченковым, разработка системы электропитания - В. В. Белынским, конструкции - И. А. Кокалевским.

Комплексную отладку машины и отработку технологии программирования и тестирования возглавил Н. Я. Матюхин.

Осенью 1951 г. закончились работы по настройке М-1. К декабрю того же года машина успешно прошла комплексные испытания и была передана в эксплуатацию. Ознакомиться с работой АЦВМ-1 приезжали видные ученые, в том числе академики А. Н. Несмеянов, М. А. Лаврентьев, С. Л. Соболев, А. И. Берг.

Одним из первых на М-1 решал задачи по ядерным исследованиям академик С. Л. Соболев, бывший в то время заместителем директора по научной работе в институте И. В. Курчатова.

Н. Я. Матюхин вспоминает: "Вместе с Исааком Семеновичем мы обучали академика Соболева основам программирования на М-1. После прохождения на машине ряда задач мы стали ощущать реальную поддержку Бороды (прозвище Курчатова) и его незнакомого для нас ведомства".

Три года машина М-1 находилась в эксплуатации и первые полтора года оставалась единственной в Российской Федерации действующей ЭВМ. Она была изготовлена в одном экземпляре, но ее архитектура и многие принципиальные схемные решения были приняты в дальнейшем за основу при разработке серийных машин М-3, "Минск", "Раздан" и др.

Полная техническая документация на М-3 (главный конструктор Н. Я. Матюхин) была передана в Китайскую Народную Республику, где с 1954 г. началось ее серийное производство.

Создатели машины М-1 - первой российской ЭВМ - стали крупными специалистами в области вычислительной техники и внесли значительный вклад в ее развитие, возглавляя различные научные, учебные и производственные коллективы.

Так, например, Николай Яковлевич Матюхин (1927-1984) впоследствии стал членом-корреспондентом АН СССР, доктором технических наук, профессором, главным конструктором вычислительных средств для системы ПВО СССР в Научно-исследовательском институте автоматической аппаратуры.

Созданными под его руководством вычислительными комплексами было оснащено около 150 объектов Вооруженных сил СССР, многие из которых функционируют до сих пор.

Михаил Александрович Карцев (1923-1983) также стал доктором технических наук, профессором, главным конструктором вычислительных средств для системы предупреждения о ракетном нападении (СПРН). Он - основатель и первый директор НИИ вычислительных комплексов (НИИВК). Созданные под его руководством сверхбыстродействующие многопроцессорные ЭВМ успешно функционируют в составе СПРН и в настоящее время.

Труд создателей М-1 был высоко оценен - им были присвоены ученые степени и почетные звания, присуждением государственные награды.

М-2 была разработана в Лаборатории электросистем Энергетического института АН СССР (с 1957 г. - Лаборатория управляющих машин и систем АН СССР, с 1958 г. - Институт электронных управляющих машин) под руководством члена-корреспондента АН СССР И. С. Брука. В группу, работавшую над М-2, входили на разных этапах от 7 до 10 инженеров: М. А. Карцев, Т. М. Александриди, В. В. Белынский, А. Б. Залкинд, В. Д. Князев, В. П. Кузнецова, Ю. А. Лавренюк, Л. С. Легезо, Г. И. Танетов, А. И. Щуров. Группой разработки М-2 руководил М. А. Карцев.

В. В. Белынский и Ю. А. Лавренюк у пульта М-2.

Разработка и монтаж машины были проведены с апреля по декабрь 1952 г. С 1953 г. осуществлялась круглосуточная эксплуатация М-2 при решении прикладных задач. Зимой 1955 г., а затем в 1956 г. машина была существенно модернизирована, после чего она имела оперативную память на ферритовых сердечниках емкостью 4096 чисел. Ферритовая память для М-2 была разработана группой под руководством М. А. Карцева, в состав которой входили О. В. Росницким, Л.В. Ивановым, Е.Н. Филиновым, В.И. Золотаревским.

М-2 представляла собой цифровую вычислительную машину с хранимой программой. При разработке М-2 частично были использованы идеи, воплощенные в одной из первых советских машин М-1, эксплуатация которой началась весной 1952 г. Система команд М-2 была выбрана трехадресная, как наилучшим образом отвечающая организации вычислений (указывались код операции, адреса двух операндов и результат операции). Формат команды - 34-разрядный:

• код операции - 4 двоичных разряда;
• коды трех адресов операндов - по 10 двоичных разрядов (в расчете на емкость оперативного запоминающего устройства - 1024 числа).

Для сокращения записи программ в кодах машины применялась смешанная четверично-шестнадцатеричная система - первые два двоичных разряда адреса записывались в виде четверичной цифры, а последующие восемь разрядов - в виде двух шестнадцатеричных цифр.

Система команд М-2 включала 30 различных операций (за счет дополнения собственно 4-разрядного кода операции признаками, указываемыми в адресах, которые не использовались при некоторых операциях).

В составе команд М-2 имелись:

• шесть арифметических операций;
• два вида операций сравнения (алгебраическое и сравнение по модулю);
• семь операций переключения (плавающая точка - фиксированная точка и обратно, нормальная точность - двойная точность и обратно, переключение на фиксированную точку и одновременно на двойную точность и т. д.)
• операция логического умножения двух чисел;
• операции переноса числа, изменения знака числа;
• четыре операции ввода информации;
• три операции вывода информации;
• четыре операции перемотки магнитной ленты внешнего запоминающего устройства;
• операция "стоп".

Представление двоичных чисел в М-2 было как с фиксированной точкой, так и с плавающей точкой. При этом точность вычислений составляла около 8 десятичных знаков при работе с плавающей точкой и около 10 десятичных знаков с фиксированной точкой. Были возможны вычисления с удвоенной точностью.

Внутренние запоминающие устройства - основное электростатическое (серийные ЭЛТ) на 512 чисел с временем обращения 25 мкс, дополнительное на 512 чисел - магнитный барабан с частотой вращения 2860 об/мин.

Внешнее запоминающее устройство емкостью 50 тыс. чисел - на магнитной ленте.

Ввод данных - фотосчитывающее устройство с перфоленты. Вывод данных - телетайп.

Арифметический узел М-2 параллельного типа с четырьмя триггерными регистрами.

Скорость работы М-2 составляла в среднем 2 тыс. операций/с.

Схемотехника - электронные лампы и полупроводниковые диоды в логических схемах арифметики и управления.

Общее число электронных ламп - 1879, из них - 203 в источниках питания. Питание осуществлялось от 3-фазной сети переменного тока 127/220 В, потребляемая мощность - 29 кВт.

Площадь, занимаемая машиной, - 22 м2. Основные узлы и блоки размещались в четырех шкафах на одном постаменте, в который был вмонтирован шкаф электропитания. Кроме того, машина имела пульт управления со световыми индикаторами состояния триггеров регистров арифметики, селекционного и пускового регистров и тумблерами управления. Система охлаждения - воздушная с замкнутым циклом.

Конструктивно каждый узел машины состоял из отдельных блоков, которые располагались на шасси, прикрепленных к рамам шкафов. Электронная часть машины была собрана на съемных ламповых субблоках с 14-контактными или 20-контактными разъемами. Принятые конструктивные решения обеспечили легкость замены отказавших электронных ламп, контроля и диагностики схем с помощью стендов.

По мере эксплуатации машины, начиная с 1953 года, накапливалось ее программное обеспечение в виде библиотеки стандартных программ и подпрограмм (А. Л. Брудно, М. М. Владимирова при участии А. С. Кронрода и Г. М. Адельсон-Вельского).

На М-2 проводились расчеты для Института атомной энергии (академик С. Л. Соболев), Института теоретической и экспериментальной физики АН СССР (академик А. И. Алиханов), Института проблем механики АН СССР (расчеты прочности плотин Куйбышевской и Волжской гидроэлектростанций), Теплотехнической лаборатории АН СССР (академик М. А. Михеев), Военно-воздушной академии, Артиллерийской академии, института "Стальпроект", предприятия академика А. И. Берга и многих других научных и промышленных организаций. В 1953 г. серьезные вычислительные задачи для нужд обороны страны, науки и народного хозяйства можно было решать на трех экземплярах вычислительных машин - БЭСМ, "Стрела" и М-2.

Страницы: 1, 2, 3, 4