БЭСМ-6 и ее миллион операций в секунду

00Машина, начавшая с монастырского подвала

Путь линейки БЭСМ начался в 1950 году с пробного запуска МЭСМ — первой советской ЭВМ, собранной коллективом Лебедева под Киевом. Затем разработки перенесли в Москву, где были созданы ЭВМ БЭСМ-1 (1953) и М-20 (1958), одни из самых быстрых в Европе. Каждая следующая машина была шагом в единой конструкторской линии: решения, опробованные на одной, переносились и развивались в следующей.

Лебедева не устраивал простой перевод ЭВМ с одной элементной базы на другую, более совершенную: это не доставляло ему творческого удовольствия. В качестве примера «простого перевода» можно привести БЭСМ-4 (1962), разработанную по инициативе молодых инженеров и техников.

Проектирование БЭСМ-6 началось после завершения работ над М-20, над которой трудились совместно Институт точной механики и вычислительной техники АН СССР и СКБ-245. Лебедев выступал главным конструктором, а его заместителем — М. К. Сулим, будущий заместитель главы Минрадиопрома. Работа была напряженной: первые четыре образца М-20 сдали за четыре года, хотя планировали закончить за 2–3 года. М-20 всего три месяца была «чемпионом» по быстродействию: ЭВМ была разработана на уже на отстающей элементной базе, на лампах.

В 1964 году небольшой группе еще «зеленых» сотрудников дали задачу освоить первые полупроводниковые элементы — так их готовили к работе над БЭСМ-6. «Учебный» макет БЭСМ-3М так воодушевил новичков, что они решили сверхплана создать на базе макета свою полупроводниковую ЭВМ на основе архитектуры М-20 — так родилась БЭСМ-4. Лебедев не противился экспериментам молодежи, но высокую оценку машине не дал. «ЭВМ надо разрабатывать, предварительно рассчитывая ее», — говорил Лебедев еще во время выпуска БЭСМ, и неукоснительно следовал этому принципу при разработке всех последующих машин.

БЭСМ-4, впрочем, неплохо показала себя — Госкомиссия одобрила машину. А через год после установки ЭВМ в Вычислительном центре АН СССР, специалисты шутили: «машина разлагает молодых инженеров. Они не выполняют профилактических работ, так как машина не имеет сбоев — она слишком надежна». Так ученики становились молодыми учеными.

С 1948-го года Лебедев успел воспитать целую школу: среди разработчиков БЭСМ-6 были некогда его ученики, а теперь — заместители, выросшие до известных молодых ученых, В. А. Мельников и Л. Н. Королев. Накопленный к 1960-м годам опыт позволил коллективу Института точной механики и вычислительной техники АН СССР спроектировать машину принципиально иного класса. Для Лебедева, к тому времени уже признанного главой советской школы вычислительной техники, эта машина стала, по сути, вершиной его инженерной карьеры.

01«Водопроводный принцип»

Ключевым отличием БЭСМ-6 была элементная база. Предшественницы строились на электронных лампах, БЭСМ-6 — на полупроводниках. И хотя БЭСМ-6 не была первой советской машиной на полупроводниках, это была первая супер-ЭВМ: в её схемах работали около 60 000 транзисторов и 180 000 полупроводниковых диодов. Переход на транзисторы означал резкий рост надёжности, снижение энергопотребления и габаритов при кратном увеличении скорости. В элементной базе были заложены основы схемотехники ЭВМ третьего и четвертого поколений.

В создании машины Лебедев руководствовался принципом обоснованности решений: благодаря этому удалось разработать оригинальную и удобную для программирования систему команд. Ключевым новшеством стала система совмещененного выполнения команд, которую Лебедев называл «водопроводной». В классической машине команды выполнялись строго по очереди: пока не закончилась одна, не начиналась следующая. В БЭСМ-6 потоки команд и операндов обрабатывались параллельно (до 8 команд на различных стадиях). Этот приём был впервые применен в советской практике в БЭСМ-6, что обеспечивало машине рекордную для своего времени скорость.

Машина оперировала 50-разрядными словами; объём оперативной памяти составлял от 64 до 128 тысяч слов. По совокупности решений БЭСМ-6 опережала то, что массово выпускалось в стране, на годы, а по архитектурным идеям — например, по конвейерной обработке — соответствовала переднему краю мировой вычислительной техники.

«Конвейер» был не единственным новшеством. В БЭСМ-6 применялись развитая система прерываний и аппаратные средства защиты памяти. Для ускорения доступа к памяти использовалась буферизация часто запрашиваемых данных — приём, родственный позднейшим механизмам кэш-памяти. Совокупность этих решений делала машину быстрой и удобной для работы многих пользователей, что было важно для крупных вычислительных центров.

Не менее важным, чем железо, было программное обеспечение. БЭСМ-6 была первой отечественной вычислительной машиной, которую Госкомиссия приняла с полным математическим обеспечением. Для БЭСМ-6 создавались операционные системы, трансляторы и библиотеки; вокруг неё сложилась развитая программная культура. Совместимость и преемственность софта стали одной из причин, по которым машина оставалась востребованной так долго.

БЭСМ-6 могла выполнять до 1 млн операций в секунду. Современный отечественный ИИ-сервер YADRO G4208P G3 в максимальной комплектации оснащается восемью графическими ускорителями производительностью до 120 Тфлопс FP32 каждый — их суммарная пиковая производительность достигает 960 трлн операций в секунду.

02Двадцать лет в строю

Макет БЭСМ-6 был запущен в опытную эксплуатацию в 1965 году, в середине 1967 первый образец предъявили на испытания. Машина выпускалась московским заводом САМ с 1968 по 1987 год — почти 20 лет. Для большой ЭВМ это существенный жизненный цикл БЭСМ-6 устанавливали в вычислительных центрах академических институтов, конструкторских бюро, оборонных предприятий.

Для научного сообщества тех лет БЭСМ-6 была повседневным рабочим инструментом — и одновременно дефицитным ресурсом. ЭВМ широко применялась, хотя всего было выпущено 350 единиц. Через работу на БЭСМ-6 прошло целое поколение советских вычислителей, физиков и инженеров — для многих из них именно эта машина стала первым серьёзным вычислительным инструментом.

Одной из важнейших областей применения стали расчёты для космической программы: на БЭСМ-6 обрабатывали траекторные данные, в том числе при управлении полётами в Центре управления. Машина использовалась в стратегических проектах — например, в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне и в институтах Академии наук, — а также в университетских вычислительных центрах. БЭСМ-6 на полтора десятилетия стала основным инструментом советской «большой науки».

Долговечность машины во многом обеспечивалась накопленным вокруг неё программным фондом. За годы эксплуатации для БЭСМ-6 были написаны десятки операционных систем, трансляторов и прикладных пакетов; переписывать всё это под новую архитектуру было дорого и долго. Поэтому даже когда появлялись формально более современные машины, БЭСМ-6 продолжали использовать — ради совместимости с уже отлаженными программами.

Проблема, с которой столкнулись пользователи БЭСМ-6, сохраняется и сегодня: программное обеспечение часто живет дольше конкретного поколения вычислительной техники. Чем больше накоплено программ и данных, тем сложнее заменить оборудование — вместе с ним приходится переносить и заново настраивать целую программную среду.

Современная инфраструктура устроена так, чтобы ослабить эту зависимость. Виртуализация и контейнеры отделяют программы от конкретного сервера, общие стандарты позволяют оборудованию разных поколений работать вместе, а специальные системы управления — обслуживать его как единый парк. Поэтому серверы можно менять постепенно, не перестраивая каждый раз всю инфраструктуру.

YADRO, например, объединяет управление серверами, системами хранения и другим оборудованием в единой системе управления и мониторинга (СУПРИМ): администратор видит весь парк целиком и через единый интерфейс следит за его состоянием и управляет им.

03Последняя оригинальная машина

БЭСМ-6 оказалась и вершиной, и точкой перелома. К концу 1960-х в советском руководстве возобладала идея отказаться от собственных разработок в пользу копирования американской системы IBM/360 — будущей Единой системы ЭВМ. Лебедев был принципиальным противником этого решения: он отстаивал развитие собственных архитектур и предупреждал, что копирование обрекает отрасль на постоянное отставание. Показательно, что во время совместного заседания Комиссии по вычислительной технике АН СССР и Совета по вычислительной технике ГКНТ при Совете Министров, Глушков был единственным, чье особое мнение было официально зафиксировано в протоколе. При этом он сам был председателем встречи.

Решение о копировании пришлось на последние годы жизни Лебедева. Когда он узнал, что решение о копировании системы IBM-360 принято окончательно, он поехал на прием к министру.

Здоровье Лебедева ухудшилось, и в начале 1970-х руководство институтом постепенно переходило к ученикам; в 1974 году Сергей Лебедев умер. Поворот отрасли к воспроизведению чужих машин он воспринимал тяжело, видя в нём отказ от того, что выстраивал четверть века — от киевской МЭСМ до БЭСМ-6.

Школа Лебедева продолжила работу: её развитием под руководством Всеволода Бурцева стали вычислительные комплексы «Эльбрус». Но магистральным направлением отрасли на следующие два десятилетия было выбрано воспроизведение зарубежных систем — серия ЕС ЭВМ, копировавшая IBM/360. БЭСМ-6 же эксплуатировалась около 25 лет после начала серийного производства.

За время эксплуатации БЭСМ-6 стала и своего рода эталоном для целого поколения. На ней учились программированию, под неё писались учебники и стандартные библиотеки, её система команд была хорошо известна специалистам. Когда машина физически устаревала, предпринимались попытки сохранить совместимость на новой элементной базе — настолько ценным был накопленный вокруг неё опыт.

БЭСМ-6 показала, что советская инженерная школа способна самостоятельно создавать вычислительную технику мирового уровня. Она же пришлась на момент, когда от собственных разработок в части массовых ЭВМ решили отказаться в пользу заимствования: следующие двадцать лет отрасль строила копии IBM/360.