Машина из монастыря

К 1948 году действующие ЭВМ существовали только в двух странах: в США (запущенный в 1945 году ENIAC) и Великобритании (опытная машина в Манчестере, запущенная в 1948 году). В это время в Институте электротехники Академии наук УССР под руководством Сергея Лебедева начались работы над электронной вычислительной машиной.

00Монастырь науки

До войны в здании размещался филиал киевской психиатрической больницы. Заняв Феофанию, немцы расстреляли больных и устроили там госпиталь; при освобождении Киева здание пострадало от обстрелов, купол монастырской колокольни, где, по свидетельствам очевидцев, находилась пулемётная точка, разрушило прямым попаданием снаряда. Соседний лес хранил следы боёв — воронки, повреждённые осколками стволы деревьев, неразорвавшиеся мины. В книге «Как это начиналось (Воспоминания о создании первой отечественной электронной вычислительной машины — МЭСМ)» сотрудники лаборатории вспоминали, что один такой взрыв унёс жизни детей из соседнего села, попытавшихся вскрыть найденный снаряд молотком.

Другого помещения в полуразрушенном послевоенном Киеве найти не удалось. Водопровода, канализации и парового отопления не было — комнаты топили дровами, а уборкой поначалу сотрудники занимались сами. Возить людей из города должен был институтский автобус: путь по грунтовой дороге растягивался на два часа в один конец, а осенью и зимой машина застревала в грязи и снегу так часто, что для этих случаев в коллективе сложился свой ритуал — команда «Все мужчины на выход, толкать автобус!».

Костяк коллектива был совсем молодым: большинству едва исполнилось 20–25 лет, многие пришли прямо со студенческой скамьи. Строительство первой ЭВМ началось силами десяти человек.

01Потребность в вычислениях

К концу 1940-х годов потребность в крупных вычислениях в СССР резко возросла. Атомный проект, баллистика, реактивная авиация и энергетика требовали объёмов расчётов, с которыми не справлялись механические арифмометры и счётно-аналитические машины. Отдельные задачи занимали у вычислительных бюро недели работы. Лебедев, к тому моменту директор Института электротехники АН УССР, исходил из того, что эту задачу способна решить электронная машина, работающая в двоичном коде. Необходимость таких машин он обосновывал их «исключительным значением для народного хозяйства», — приводил его слова доктор технических наук Борис Малиновский в статье «Первая отечественная ЭВМ и её создатели».

Разработка велась без опоры на зарубежный опыт: данные о западных машинах были засекречены, специализированная литература практически отсутствовала, а концепция хранимой в памяти программы только формировалась. На ученом совете Института кибернетики АН УССР академик В. М. Глушков утверждал, что Лебедев пришёл к основным принципам архитектуры самостоятельно. В МЭСМ были реализованы те же положения, что и в докладе фон Неймана 1945 года: двоичная система счисления, общая память для данных и команд, автоматическое выполнение программы.

На закрытом заседании Учёного совета институтов электротехники и теплоэнергетики АН УССР 8 января 1951 года, протокол которого рассекретили десятилетия спустя, Лебедев обозначал масштабы отставания:

Тогда же он привёл единственное доступное ему сравнение — по скорости умножения: у ENIAC она составляла 5,5 мс, у EDVAC — 4 мс, у строившейся в Феофании машины — 8–9 мс. Больше сведений о том, как устроены зарубежные машины, у него не было.

02Рабочая модель

Сергей Алексеевич Лебедев родился в 1902 году. К вычислительной технике он пришел через электротехнику: в 1939 году защитил докторскую диссертацию по устойчивости больших электрических систем, а в годы войны разрабатывал аналоговые вычислительные устройства для систем наведения, включая систему стабилизации танкового орудия. К 1948 году он располагал значительным опытом в области автоматического счёта, следует из его биографии «Сергей Алексеевич Лебедев. К 100-летию со дня рождения основоположника отечественной электронной вычислительной техники».

До переезда в Киев Лебедев много лет проработал во Всесоюзном электротехническом институте в Москве, где занимался автоматическим регулированием и устойчивостью энергосистем. Этот опыт определил его подход к вычислительной технике: он видел в ЭВМ инструмент решения объёмных прикладных задач. Параллельно с постройкой МЭСМ он руководил Институтом электротехники АН УССР, совмещая административную и конструкторскую работу.

Первоначально МЭСМ проектировалась как упрощённая модель будущей большой машины, предназначенная для проверки схемных решений. По мере работы стало ясно, что этот макет может работать как самостоятельная вычислительная машина, и его достроили до рабочего вида. Этим объясняется буква «М» в названии: первоначально «Модель», впоследствии «Малая» электронная счётная машина. Своё имя машина обрела уже собранной: на панели блока коммутатора команд сотрудники выложили серебристыми лампами-диодами буквы «МЭСМ» — Лебедев, войдя в машинный зал и увидев это, впервые за долгое время улыбнулся.

Опорой Лебедева в лаборатории были два его заместителя — Лев Дашевский и Екатерина Шкабара, оба испытали на себе тяготы военного времени. Как писал Малиновский в статье «Первая отечественная ЭВМ и её создатели», мать и сестру Дашевского расстреляли в Бабьем Яру в 1941 году; сам он прошёл фронт начальником радиоузлов и вернулся в Киев в звании майора. Отца Шкабары, агронома, в 1933 году объявили виновником голода на Украине и арестовали; саму её, двадцатилетнюю, отчислили из Харьковского политехнического института и восстановили лишь благодаря вмешательству Марии Ульяновой, младшей сестры В. И. Ленина.

03Шесть тысяч ламп в монастырском крыле

МЭСМ была громоздкой по сегодняшним меркам и крошечной по возможностям. В книге Б. Н. Малиновского «История вычислительной техники в лицах» приводятся её характеристики: в схемах МЭСМ стояло около 6000 электронных ламп (примерно 3500 триодов и 2500 диодов). Машина занимала 60 квадратных метров и потребляла около 25 киловатт — целую подстанцию по меркам жилого дома. Оперировала она словами в 17 двоичных разрядов (16 плюс знак), держала в памяти 31 число и 63 команды и выполняла 3000 операций в минуту.

При этом энергопотребление всей МЭСМ сегодня сопоставимо с мощностью одной заполненной серверной стойки: 25 кВт — вполне типичный показатель для современных высокоплотных конфигураций. Получается своеобразная инверсия масштаба: когда-то десятки квадратных метров и десятки киловатт требовались одной вычислительной машине, а сегодня сопоставимая мощность сосредоточена в одном «шкафу».

Условия работы были сложными. Здание в Феофании требовало восстановления, материалы и комплектующие приходилось получать в условиях послевоенного дефицита, а часть узлов изготавливалась силами самого коллектива. Отладка велась почти круглосуточно: лаборатория непрерывно дежурила у машины. Проектирование, монтаж и наладка заняли около двух лет — короткий срок для техники такого класса.

Система команд включала 13 операций: сложение, вычитание, умножение, деление, сравнение, сдвиг и другие, писали Дашевский и Шкабара. Оперативная память была построена на триггерных ячейках; на неё приходилась основная часть ламп — 4000 из 6000. Позднее МЭСМ дополнили накопителем на магнитном барабане. Значительное тепловыделение и регулярный выход ламп из строя были штатной проблемой эксплуатации машин этого поколения и требовали постоянного обслуживания.

Первые схемы триггеров — базового элемента памяти и логики — отлаживали месяцами. По воспоминания современников, проблем хватало: лампы не держали нагрузку, форма импульса «плыла», а асимметрия однотипных ламп сводила расчёты на нет.

В 1950 году машина выполняла расчёты быстрее любых доступных тогда средств и работала непрерывно. При этом коллектив был небольшим: над проектированием, монтажом и отладкой работало около 27 человек, писал Малиновский. Арифметическое устройство вёл С. Б. Погребинский, сменивший на этом посту М. М. Пиневича; запоминающим устройством занималась группа И. П. Окуловой и З. С. Зориной-Рапоты; устройством управления и памятью на магнитном барабане — группа Шкабары. Для сравнения, в проекте ENIAC участвовали сотни специалистов, а его стоимость исчислялась миллионами долларов.

6 ноября 1950 года состоялся пробный пуск. Первой максимально приближенной к реальным задачам программой для МЭСМ стала задача из баллистики: расчет траектории полета тела с учетом гравитационных сил (сопротивление воздуха исключили для упрощения). Программу составляли математики С. Г. Крейн и С. А. Авраменко. Контрольные расчеты они выполняли независимо друг от друга, вручную, в двоичной системе, чтобы поэтапно сверять работу машины по циклам и тактам через сигнальные лампы пульта управления.

Траектория в задаче была разбита на 32 отрезка, и до первых семи отрезков машинные результаты полностью совпадали с ручными. Но на восьмом шаге обнаружили расхождение. Проверку взял на себя сам Лебедев.

Оказалось, что оба математика, работая независимо, допустили одинаковую ошибку в одном и том же месте. Эпизод стал важным для «мифологии» МЭСМ: впоследствии при любых подозрениях на сбой в расчетах машины, инженеры неизменно напоминали математикам историю с баллистической траекторией.

04Трехдневные экзамены для машины

МЭСМ использовалась для решения реальных научных и инженерных задач. Академик Борис Гнеденко поставил на ней задачу табулирования функций для статистического контроля качества, результаты внедрили на заводе станков-автоматов имени Горького. Член-корреспондент Семён Тетельбаум с сотрудниками рассчитывал сеточные токи мощных генераторных ламп для радиопередатчиков — было просчитано около 850 вариантов. Доктор технических наук Лев Цукерник заказал расчёт устойчивости параллельной работы агрегатов Куйбышевской ГЭС — от результата зависело, сколько мощности можно передавать в Москву без риска аварии. Профессор Константин Хавкин из Киевского автодорожного института использовал машину, чтобы оптимизировать профиль автомобильных дорог, который до этого рассчитывали на глаз. Задачи поступали от институтов Академии наук по всей стране, и в первые годы МЭСМ оставалась практически единственным средством для вычислений такого класса.

Эксплуатацию МЭСМ принимала представительная комиссия Академии наук СССР во главе с академиком Мстиславом Келдышем, в составе которой были Сергей Соболев, Михаил Лаврентьев, Константин Семендяев и Александр Курош. Три дня машина «сдавала экзамены», прежде чем 25 декабря 1951 года комиссия приняла решение о вводе в эксплуатацию. Институт электротехники выдвинул работу на Сталинскую премию 1952 года — представление отклонили; лишь много позже создатели МЭСМ получили признание — премию имени Лебедева, учреждённую Академией наук Украины.

Эксплуатация МЭСМ продолжалась несколько лет; машина оставалась в работе и после того, как Лебедев перенёс основную деятельность в Москву. На ней продолжали решать прикладные задачи и обучать специалистов, пока в 1956 году её не демонтировали и не передали Киевскому политехническому институту — в качестве учебного пособия.

05Масштабирование опыта

МЭСМ стала отправной точкой. Отработав основные принципы, Лебедев перенёс работу в Москву, в Институт точной механики и вычислительной техники (ИТМиВТ), где приступил к созданию большой машины — БЭСМ. В первом квартале 1953 года была готова БЭСМ-1 с быстродействием около 8000 операций в секунду — по этому параметру она входила в число наиболее производительных машин Европы, хотя сведения о ней долгое время оставались закрытыми, писал Малиновский.

Параллельно развивались и другие проекты. В 1951 году в Москве, в лаборатории Исаака Брука, была введена в строй машина М-1, а в 1953 году СКБ-245 выпустило ЭВМ «Стрела» — первую советскую серийную вычислительную машину, поставлявшуюся в вычислительные центры. За несколько лет в стране сформировалось самостоятельное направление вычислительной техники с несколькими конкурирующими конструкторскими школами.

Сложившаяся организационная структура оказалась устойчивой. На базе ИТМиВТ, СКБ-245 и лаборатории Брука выросли основные центры советской вычислительной техники, а подготовленные при работе над первыми машинами специалисты заняли в них ведущие позиции. Принципы, опробованные на МЭСМ, — двоичная арифметика, хранимая программа, модульная архитектура — оставались основой отечественных ЭВМ на протяжении последующих десятилетий, вплоть до перехода к полупроводниковой и интегральной элементной базе.

Усилиями научного коллектива, работавшего над МЭСМ, СССР прошёл путь до создания образцов мирового уровня всего за несколько лет. Лебедев стал ведущим конструктором отрасли: линия БЭСМ была продолжена вплоть до БЭСМ-6 1967 года — машины производительностью около миллиона операций в секунду, выпускавшейся более 10 лет и применявшейся в том числе для расчёта траекторий космических полётов. Основой для всей этой линии послужили решения, отработанные на МЭСМ.

Принцип независимой разработки Лебедев отстаивал до конца. По свидетельствам биографов и коллег, когда в конце 1960-х годов руководство страны взяло курс на копирование американской системы IBM/360 (будущая серия ЕС ЭВМ), Лебедев был принципиальным противником этого решения и предлагал развивать собственные архитектуры. Возобладала противоположная линия: первые ЕС ЭВМ выпустили в 1971 году с многолетним отставанием от оригинала, и в дальнейшем технологический разрыв только нарастал.

Незадолго до смерти Лебедев вновь приехал в Киев и вместе с бывшими сотрудниками съездил в Феофанию — туда, где два десятилетия назад создавалась МЭСМ. По свидетельствам очевидцев, он долго стоял молча.