Москва.
April 25, 2002 9:25 PM

РОССИЯ Брук    Лебедев

АМЕРИКА

ГЕРМАНИЯ Цузе

РОССИЯ

Сергей Алексеевич Лебедев

Сергей Алексеевич Лебедев (1902-1974) - основоположник компьютерной техники в СССР. Под его руководством были созданы 15 типов ЭВМ, начиная с ламповых и заканчивая современными суперкомпьютерами на интегральных схемах. В год девяностопятилетия с дня рождения С.А.Лебедева пришло признание заслуг учёного из-за границы. Как пионер вычислительной техники он был награжден медалью Межнародного компьютерного общества (IEEE* Computer Society), на которой написано: "Сергей Алексеевич Лебедєв. Разработчик и конструктор первого компьютера в Советском Союзе. Награжден в 1996." ( Sergey A. Lebedev "For the first computer in the Soviet Union" Awarded 1996). * IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers Сергей Алексеевич Лебедев родился 2 ноября 1902 г. в Нижнем Новгороде в семье учителей. Получив в апреле 1928 г. диплом инженера-электрика, С.А. Лебедев стал преподавателем МВТУ им.Баумана и одновременно старшим научным сотрудником ВЭИ. Вскоре он возглавил группу, а затем и лабораторию электрических сетей.

Сергей Алексеевич Лебедев, 1951 год

В 1939 г. С.А.Лебедев защитил докторскую диссертацию, не будучи кандидатом наук. В её основу была положена разработанная им теория искусственной устойчивости энергосистем.
Почти каждая работа учёного в области энергетики требовала создания вычислительных средств для выполнения расчётов в процессе её проведения либо для включения их в состав разрабатываемых устройств. В 1945 г. Лебедев создал первую в стране электронную аналоговую вычислительную машину для решения систем обыкновенных дифференциальных уравнений, которые часто встречаются в задачах, связанных с энергетикой.
Двоичная система также не осталась вне поля зрения учёного. Его жена, Алиса Григорьевна, вспоминает, как в первые месяцы войны по вечерам, когда Москва погружалась в темноту, муж уходил в ванную комнату и там при свете газовой горелки писал непонятные ей единицы и нолики.
В.В.Бардиж, заместитель Лебедева по лаборатории, в которой создавалась БЭСМ, утверждает, что если бы не война, то работу над созданием вычислительной машины с использованием двоичной системы счисления учёный начал бы раньше (об этом говорил сам Сергей Алексеевич).

То, что интерес к цифровым средствам вычислений появился у учёного до войны, подтверждает и профессор А.В.Нетушил. "Результатом моих исследований, - вспоминает он, - явилась кандидатская диссертация на тему "Анализ триггерных элементов быстродействующих счётчиков импульсов". Как известно, электронные триггеры стали позднее основными элементами цифровой вычислительной техники. С самого начала этой работы в 1939 г. и до её защиты С.А.Лебедев с вниманием и одобрением относился к моим исследованиям. Он согласился быть оппонентом по диссертации, защита которой состоялась в конце 1945 г. В то время ещё никто не подозревал, что Лебедев начинает вынашивать идеи создания цифровых ЭВМ, сделавших его имя бессмертным." В 1946 г. С.А.Лебедев был избран академиком Академии наук Украины и переехал в Киев. Он стал директором Института энергетики. Через год на базе этого института были созданы два - электротехники и теплоэнергетики. С.А.Лебедев был назначен директором Института электротехники.

В Киеве, в Национальной академии наук Украины, где создавалась МЭСМ, сохранена конструкторская документация и папки с материалами о первой отечественной ЭВМ, многие из которых составлены С.А. Лебедевым. Чья-то заботливая рука сорок лет назад написала на них: "Хранить вечно".

КАК ЭТО БЫЛО? ПЯТЬДЕСЯТ ЛЕТ ПЕРВОМУ СОВЕТСКОМУ КОМПЬЮТЕРУ

50 лет назад, 25 декабря 1951 года началась регулярная эксплуатация первой в СССР ЭВМ. Называлась эта первая ЭВМ на территории континентальной Европы МЭСМ - Малая электронная счетно-решающая машина. В 1952-1953 годах МЭСМ была самой быстродействующей и практически единственной регулярно эксплуатируемой ЭВМ в Европе.
МЭСМ была разработана в Институте электроники Академии наук Украины под руководством академика Сергея Алексеевича Лебедева.
Уже потом появилась БЭСМ и другие машины, а в 1975 году в Зеленограде был создан первый в стране микропроцессор. В 80-е отставание на уровне производства микросхем стало катастрофическим. О создании собственного ПК нельзя уже было даже помыслить, а компьютеры с архитектурой IBM постепенно поглотили то ценное, что было создано в СССР в области вычислительной техники.
Но в 1951 году группа разработчиков под руководством Лебедева буквально наступала на пятки своим американским и британским коллегам.
Советские ученые, разумеется, знали о разработках западных коллег в области вычислительной техники. Знали и о компьютере ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer - Электронный числовой интегратор и компьютер), который принято считать первым в мире. ENIAC был построен в 1946 году в университете штата Пенсильвания в рамках оборонного проекта Project PX (создание водородной бомбы). Однако разработки советских ученых велись совершенно независимо от западных коллег.
Работа над МЭСМ началась в конце 1948 года. При этом, еще продумывая проект своей машины, Лебедев обосновывает принципы построения ЭВМ с хранимой в памяти программой совершенно независимо от Джона фон Неймана, разработавшего концепцию запоминаемой программы, которая предполагала совместное хранение кодов и данных. Именем Неймана до сих пор называется архитектура, применяемая в современных компьютерах. Разработанные Лебедевым принципы были успешно реализованы в МЭСМ. На основе же концепции Неймана в 1952 году был построен ЕDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer - Электронный автоматический компьютер с дискретными переменными).
Действующая модель МЭСМ была продемонстрирована специальной комиссии 4 января 1951 года. Лебедев говорил в своем докладе о возможностях, которые дадут счетные машины для повышения обороноспособности страны (например, с их помощью можно было рассчитывать упрежденную точку для перехвата вражеских ракет).
В эксплуатацию МЭСМ была введена 25 декабря 1951 года.
Основные параметры первой советской ЭВМ:

• Система счета - двоичная с фиксированной запятой перед старшим разрядом.
• Количество разрядов - 16 и еще один на знак.
• Вид запоминающего устройства - на триггерных ячейках с возможностью использования магнитного барабана.
• Емкость запоминающего устройства - 31 для чисел и 63 для команд.
• Емкость функционального устройства - 31 для чисел и 63 для команд.
• Производимые операции: сложение, вычитание, умножение, деление, сдвиг, сравнение с учетом знака, сравнение по абсолютной величине, передача управления, передача чисел с магнитного барабана, сложение команд, останов.
• Система команд - трехадресная, команды длиной 20 двоичных разрядов (из них 4 разряда - код операции).
• Арифметическое устройство - одно, универсальное, параллельного действия, на триггерных ячейках.
• Система ввода чисел - последовательная.
• Скорость работы - около 3000 операций в минуту.
• Ввод исходных данных - с перфорационных карт или посредством набора кодов на штекерном коммутаторе.
• Съем результатов - фотографирование или посредством электромеханического печатающего устройства.
• Контроль - системой программирования.
• Определение неисправностей - специальные тесты и перевод на ручную или полуавтоматическую работу.
• Площадь помещения - 60 квадратных метров.
• Количество электронных ламп-триодов около 3500, диодов 2500.
• Потребляемая мощность - 25 КВт.
  С самого начала МЭСМ рассматривалась ее создателем, академиком Лебедевым, как действующий прототип для отработки основных принципов функционирования электронно-решающих устройств, которые будут положены в основу создания новых, более совершенных ЭВМ. Следующим этапом станет создание БЭСМ-1, над которой С. А. Лебедев работал уже в Москве, в ИТМ и ВТ АН СССР.
  

Школа Лебедева: высокопроизводительные ЭВМ

В первые послевоенные годы Сергей Александрович Лебедев был директором Института электротехники АН Украины и по совместительству руководил лабораторией Института точной механики и вычислительной техники АН СССР. В этих научных организациях и была начата разработка первых действующих ЭВМ. Нашим ученым было известно о создании в США машины ENIAC - первой в мире ЭВМ с электронными лампами в качестве элементной базы и автоматическим программным управлением. В 1948-49 годов в Англии появились вычислительные машины с хранимыми в памяти программами. Сведения о разработках на Западе поступали отрывочные, и, естественно, документация по первым ЭВМ была недоступна нашим специалистам.
Лебедев начал работу над своей машиной в конце 1948 года. Разработка велась под Киевом, в секретной лаборатории в местечке Феофания. Независимо от Джона фон Неймана Лебедев выдвинул, обосновал и реализовал в первой советской машине принципы построения ЭВМ с хранимой в памяти программой. Малая электронная счетная машина (МЭСМ) - так называлось детище Лебедева и сотрудников его лаборатории - занимала целое крыло двухэтажного здания и состояла из 6 тысяч электронных ламп. Ее проектирование, монтаж и отладка были выполнены в рекордно быстрый срок - за 2 года, силами всего лишь 12 научных сотрудников и 15 техников. Те, кто создавал первые вычислительные машины, были одержимы своей работой, и это вполне объяснимо. Несмотря на то, что МЭСМ по существу была лишь макетом действующей машины, она сразу нашла своих пользователей: к первой ЭВМ выстраивалась очередь киевских и московских математиков, задачи которых требовали использования быстродействующего вычислителя.
В своей первой машине Лебедев реализовал основополагающие принципы построения компьютеров, такие как:
§ наличие арифметических устройств, памяти, устройств ввода/вывода и управления;
§ кодирование и хранение программы в памяти, подобно числам;
§ двоичная система счисления для кодирования чисел и команд;
§ автоматическое выполнение вычислений на основе хранимой программы;
§ наличие как арифметических, так и логических операций;
§ иерархический принцип построения памяти;
§ использование численных методов для реализации вычислений.
После Малой электронной машины была создана и первая Большая - БЭСМ-1, над которой С.И. Лебедев работал уже в Москве, в ИТМ и ВТ АН СССР. В 1953 году, после сдачи новой ЭВМ в эксплуатацию, ее создатель стал действительным членом АН СССР и директором института, который был в то время средоточием научной мысли в области вычислительной техники.
Одновременно с ИТМ и ВТ и конкурируя с ним, разработкой ЭВМ занималось недавно сформированное СКБ-245 со своей ЭВМ "Стрела". Между этими двумя организациями шла борьба за ресурсы, причем промышленное СКБ-245, находившееся в ведомстве Министерства машиностроения и приборостроения, часто получало приоритет по отношению к академическому ИТМиВТ. Только на "Стрелу", в частности, были выделены потенциалоскопы для построения запоминающего устройства, а разработчикам БЭСМ пришлось довольствоваться памятью на ртутных трубках, что серьезно повлияло на первоначальную производительность машины.
БЭСМ и "Стрела" составили парк созданного в 1955 году Вычислительного центра АН СССР, на который сразу легла очень большая нагрузка. Потребность в сверхбыстрых (по тем временам) расчетах испытывали математики, ученые-термоядерщики, первые разработчики ракетной техники и многие другие. Когда в 1954 году оперативная память БЭСМ была укомплектована усовершенствованной элементной базой, быстродействие машины (до 8 тысяч операций в секунду) оказалось на уровне лучших американских ЭВМ и самым высоким в Европе. Доклад Лебедева о БЭСМ в 1956 году на конференции в западногерманском городе Дармштадте произвел настоящий фурор, поскольку малоизвестная советская машина оказалась лучшей европейской ЭВМ. В 1958 году БЭСМ, теперь уже БЭСМ-2, в которой память на потенциалоскопах была заменена ЗУ на ферритовых сердечниках и расширен набор команд, была подготовлена к серийному производству на одном из заводов в Казани. Так начиналась история промышленного выпуска ЭВМ в Советском Союзе.
МЭСМ, "Стрела" и первые машины серии БЭСМ - это вычислительная техника первого поколения. Элементная база первых вычислительных машин - электронные лампы - определяла их большие габариты, значительное энергопотребление, низкую надежность и, как следствие, небольшие объемы производства и узкий круг пользователей, главным образом, из мира науки. В таких машинах практически не было средств совмещения операций выполняемой программы и распараллеливания работы различных устройств; команды выполнялись одна за другой, АЛУ простаивало в процессе обмена данными с внешними устройствами, набор которых был очень ограниченным. Объем оперативной памяти БЭСМ-2, например, составлял 2048 39-разрядных слов, в качестве внешней памяти использовались магнитные барабаны и накопители на магнитной ленте.
Более производительной была следующая разработка Лебедева - ЭВМ М-20, серийный выпуск которой начался в 1959 году. Число 20 в названии означает быстродействие - 20 тысяч операций в секунду, объем оперативной памяти в два раза превышал ОП БЭСМ, предусматривалось также некоторое совмещение выполняемых команд. В то время это была одна из самых мощных машин в мире, и на ней решалось большинство важнейших теоретических и прикладных задач науки и техники.
Очень трудоемким и малоэффективным был процесс общения человека с машиной первого поколения. Как правило, сам разработчик, написавший программу в машинных кодах, вводил ее в память ЭВМ с помощью перфокарт и затем вручную управлял ее выполнением. Электронный монстр на определенное время отдавался в безраздельное пользование программисту, и от уровня его мастерства, способности быстро находить и исправлять ошибки и умения ориентироваться за пультом ЭВМ во многом зависела эффективность решения вычислительной задачи. Ориентация на ручное управление определяла отсутствие каких бы то ни было возможностей буферизации программ.

Надо отметить, что первые шаги к созданию основ системного программного обеспечения Лебедев сделал в машине М20,где были реализованы возможности написания программ в мнемокодах. И это значительно расширило круг специалистов, которые смогли воспользоваться преимуществами вычислительной техники.