Энергоинформ — альтернативная энергетика, энергосбережение, информационно-компьютерные технологии

Энергоинформ / Точка зрения / Автоматные сети и компьютеры: история развития и современное состояние

Автоматные сети и компьютеры: история развития и современное состояние

1. Введение. В настоящее время в мире господствуют компьютеры с архитектурой, предложенной в июне 1945 году величайшим ученым двадцатого века, блестящим математиком и физиком Джоном (Яношем) фон Нейманом в работе «Предварительный доклад о машине ЭДВАК». Несмотря на рукописный характер, этот доклад получил широкое распространение, как в США, так и в других странах, прежде всего в силу высокого научного авторитета фон Неймана, и инициировал целый ряд проектов по созданию цифровых вычислительных машин. Это была первая научная работа в области цифровых компьютерных технологий, определившая их развитие на весь последующий период. С того момента и по настоящее время данная архитектура называется «фон-неймановской» или, учитывая ее глобальное распространение, — «традиционной».

В докладе не только описывалась конкретная вычислительная машина ЭДВАК, которая разрабатывалась Эккертом и Моучли при активном участии фон Неймана, но и приводилась обобщенная структура цифровой вычислительной машины, независимой от аппаратной реализации. Ниже приводятся основные положения этой части доклада, включенной в статью «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства», опубликованную в 1946 году совместно с Берксом и Голдстайном.

«Так как законченное устройство будет универсальной вычислительной машиной, оно должно содержать несколько основных органов, таких как орган арифметики, памяти, управления и связи с оператором. Мы хотим, чтобы после начала вычислений работа машины не зависела от оператора.

Очевидно, что машина должна быть способна запоминать некоторым образом не только числовую информацию, необходимую для данного вычисления, но также и команды, управляющие программой, которая должна производить вычисления над этими числовыми данными.

Если, однако, приказы (команды) машины свести к числовому коду, и если машина сможет некоторым образом отличать число от приказа (команды), то орган памяти можно использовать для хранения, как чисел, так и приказов (команд).

Должен существовать еще орган, который может автоматически выполнять приказы (команды), хранящиеся в памяти. Мы будем называть этот орган управляющим.

Поскольку наше устройство должно быть вычислительной машиной, в нем должен иметься арифметический орган, способный складывать, вычитать, умножать и делить.

Наконец, должен существовать орган ввода-вывода, с помощью которого осуществляется связь между оператором и машиной».

В настоящее время арифметический и управляющий органы, а также орган ввода-вывода объединяются в устройство, называемое процессор.

Главное в данной архитектуре — наличие программы, хранящейся в памяти вычислительной машины и состоящей из последовательно выполняемых команд. Программа создается на основе алгоритма — последовательности действий, приводящих к достижению результата.

За прошедшие годы вычислительная техника развивалась исключительно по пути инженерного и технологического усовершенствования отдельных устройств. Даже современные суперкомпьютеры, состоящие из сотен тысяч процессоров, сохранили фон-неймановскую архитектуру. В этом случае обычная последовательная программа разбивается на множество участков, каждый из которых последовательно выполняется в своем процессоре. В результате программисту кроме реализации алгоритма приходится заниматься еще и его распараллеливанием, что кардинально усложняет работу.

Единственной альтернативой фон-неймановской (традиционной) архитектуре являются автоматные сети (АС). Каждый автомат, входящий в АС, является монофункциональным, то есть выполняет одну функцию, простую или сложную. Эта функция определяется индивидуальной архитектурой автомата и может изменяться в результате внешних воздействий. В автоматах АС отсутствует главный элемент фон-неймановской архитектуры — память, в которой хранится программа, состоящая из команд и соответственно нет понятия последовательного выполнения программы, хотя процесс реализации функций может быть растянут во времени. Программа работы компьютера с нетрадиционной архитектурой определяется функциями отдельных автоматов и связями между автоматами, входящими в АС. Для решения задачи в автоматной сети необходимо представить задачу не в алгоритмической, а в функциональной форме. При этом функциональная форма исходно является параллельной, так что в этом случае исчезают проблемы распараллеливания.

В живой природе нет какого-либо аналога фон-неймановской архитектуры, а автоматные сети присутствуют повсеместно. Любая клетка является сложной автоматной сетью с динамически изменяемыми межавтоматными связями, где роль автоматов выполняют белки и аминокислоты. Отдельные органы животных и человека, организмы в целом и различные социальные структуры являются автоматными сетями, элементами которых, в свою очередь являются автоматные сети. По эффективности живые компьютеры в виде нервной системы даже небольших насекомых намного превосходят самые мощные современные суперкомпьютеры, которые до сих пор не могут смоделировать в реальном времени, например, движение муравья по пересеченной местности,

Сам Джон фон Нейман ясно представлял превосходство биологических компьютеров над вычислительными машинами с предложенной им архитектурой и полагал, что по мере развития технологий уже в 70-х годах двадцатого века компьютеры будут создаваться на базе самоорганизующихся автоматных сетей. В последние годы своей жизни он стал активно работать в этом направлении, получившем название «клеточные автоматы». Последней работой Джона фон Неймана, которую он так и не успел закончить к моменту своей смерти в феврале 1957 года, была книга «Вычислительная машина и мозг». К сожалению, прогнозы фон Неймана не оправдались. И в 21 веке, как и в середине 20-го, все компьютеры используют хранимые в памяти последовательные программы, а перспективы универсальных компьютеров в виде автоматных сетей практически не обсуждаются в научном сообществе.

Существует, однако, специфичный класс автоматных сетей, научные и практические исследования которых уже более 50 лет ведутся во всем мире с высокой интенсивностью. Речь идет об искусственных нейронных сетях, считающихся аналогами нейронных сетей живых организмов, и о нейрокомпьютерах, основанных на этих сетях. Специфика данных сетей заключается в том, что функции автоматов и меж автоматные связи остаются неизменными в течение всего срока жизни сети. Более того, все автоматы сети выполняют одну и ту же функцию, характерную (как предполагается) для реальных нейронов. Каждому входу автомата (нейрона) сопоставляется целочисленный весовой коэффициент. Если взвешенная сумма входных сигналов превышает целочисленный порог, то на все выходы автомата выдается единичный выходной сигнал. Одновременно изменяются весовые коэффициенты и значение порога. Одна нейронная сеть отличается от другой числом нейронов, структурой межнейронных связей и способом изменения весовых коэффициентов и порога. Основная методика программирования — обучение.

Если сопоставить интеллектуальные, временные и материальные ресурсы, затраченные на исследования и разработки нейрокомпьютеров и нейронных сетей, начиная с 1943 года, то следует заметить, что результаты весьма скромные. Ни один из современных нейрокомпьютеров не нашел широкого промышленного применения, и не видно, за счет чего возможно их дальнейшее развитие. Хотя быстродействие искусственных нейронов на несколько порядков выше, чем у естественных, однако по эффективности и степени универсальности нейрокомпьютеры просто несопоставимы с реальными нейронными сетями даже при сравнимом числе нейронов. Достаточно снова упомянуть муравья, нейронная сеть которого содержит всего около 100 000 нейронов, и которая эффективно работает вообще без обучения, хотя и способна обучаться. По мнению некоторых нейрофизиологов, возможная причина такого явления заключается в том, что реальные нейроны являются не примитивными пороговыми автоматами, а сложными вычислительными устройствами (автоматными сетями), выходные сигналы которых соответствуют большим информационным пакетам, распределенным в пространстве и времени. Эти пакеты трансформируются в ходе передачи по связям (аксонам), изменяя при этом состояние указанных связей. Электрические сигналы, получаемые от нейронов в ходе их исследования нейрофизиологами, отображают лишь некоторую, очень грубую интегральную картину происходящих на химическом уровне процессов. Итак, нейрокомпьютеры, хотя и относятся к автоматным сетям, не способны составить реальную конкуренцию традиционным компьютерам, поскольку работают по раз и навсегда заданной программе. В то же время автоматные сети фон Неймана (клеточные автоматы) предполагали динамическое изменение, как функций автоматов, так и связей между ними (что и происходит в живых системах на клеточном уровне).

Почему Джон фон Нейман считал архитектуру компьютеров, которую он сам и предложил, бесперспективной? Здесь можно выделить три основных фактора. Первый фактор — надежность. В традиционных компьютерах неисправность любого элемента выводит из строя всю систему, и чем больше элементов содержит компьютер, тем ниже его надежность. Во времена фон Неймана компьютеры больше чинились, чем работали. Надежность автоматных сетей, наоборот, возрастает с ростом числа элементов (автоматов), что хорошо видно на примере живых систем. Второй фактор — производительность (объем вычислений, выполняемых в единицу времени). В традиционном компьютере производительность ограничена быстродействием основных элементов, а в автоматных сетях определяется числом автоматов и в общем случае не имеет ограничений. Третий фактор — эффективность (стоимость, энергопотребление, объемы аппаратуры, приходящиеся на единицу производительности). Здесь превосходство автоматных сетей наиболее заметно, если сравнить современные суперкомпьютеры, занимающие целые здания и потребляющие мегаватты энергии, с тем же муравьем.

2. Мифы и реальность советской техники. В настоящее время существует устойчивый миф о том, что сначала СССР отставал от Запада в области компьютерных технологий из-за гонений на кибернетику, а затем в 70-х годах было принято решение о копировании американских ЭВМ фирмы IBM, и развитие вычислительной техники вообще прекратилось. Этот миф не имеет никакого отношения к действительности. Во-первых, кибернетику никто и никогда не преследовал. Книга Винера «Кибернетика», изданная в 1948 году, уже в 1949 году была переведена и издана в СССР (правда в открытой продаже она появилась лишь в 1958 году в результате второго издания, но в библиотеках была доступна и ранее). Все «гонения» начались в после сталинский период и заключались в опубликовании нескольких журнальных статей: в журнале «Техника молодежи» (1952), в журнале «Наука и жизнь» (1953), в журнале «Вопросы философии» (1953 г.) и в «Философском словаре» (1954 г.), где кибернетика объявлялась лженаукой. Однако уже в апрельском номере журнала «Вопросы философии» за 1955 год появляется сугубо позитивная статья А.И.Китова «Основные черты кибернетики», а из «Философского словаря» издания 1955 года статья о кибернетике исключается. Эти статьи не оказали никакого влияния ни на советских ученых, ни на тематику научных организаций. Более того, видные советские ученые А.А.Ляпунов, С.А.Лебедев и В.М.Глушков получили медали ИФИП (Международной Федерации по Обработке Информации — IFIP, International Federationfor Information Processing) «Пионеры кибернетики», и в СССР 50-х годов кибернетика развивалась намного активнее, чем в любых других странах. Во-вторых, поскольку вычислительная техника того времени развивалась в рамках фон-неймановской архитектуры, никакого отношения к кибернетике она не имела. Уже в 1948 году, когда в США только разрозненные коллективы занимались разработкой единичных образцов компьютеров, в СССР по инициативе Сталина были созданы Институт точной механики и вычислительной техники (ИТМ и ВТ) АН СССР и Специальное конструкторское бюро № 245 («СКБ-245»), как было написано в постановлении Правительства «для разработки и внедрения в производство средств вычислительной техники для систем управления оборонными объектами». В 1951 году создается первая советская цифровая вычислительная машина МЭСМ сразу как промышленный образец. Следует заметить, что первые промышленные компьютеры в США (UNIVAC 1) и в Англии (FerrantiMark 1) также появились в том же 1951 году. В 1953 году начинается серийное производство машин БЭСМ, Стрела и М-2 (для военных применений), которые находились на уровне лучших американских компьютеров того времени и существенно превосходили компьютеры других стран. Компьютерные технологии активно развивались в СССР и в последующие годы. Например, в 80-х годах в рамках советской суперкомпьютерной программы разрабатывалось более 10 оригинальных проектов, 7 из которых было доведено до уровня промышленных образцов. Большинство из этих проектов не имело даже отдаленных зарубежных аналогов. И лишь в результате распада Советского Союза все эти проекты были прекращены.

Следует отметить, что в 50-х годах и советская электроника была на высоком уровне. Промышленное производство полупроводниковых транзисторов в США началось в марте 1958 года фирмой FairchildCorp. при цене $150 за штуку. Информация о характеристиках отечественных «кристаллических триодов» была помещена в шестом номере популярного журнала «Радио» за 1955 год, а в 1956 году, на два года раньше, чем в США, началось промышленное производство. Осенью 1957 года я, будучи студентом третьего курса ЛЭТИ, занимался на кафедре автоматики и телемеханики практической разработкой цифровых устройств на транзисторах П-16. К этому времени транзисторы в СССР были не только общедоступны, но и дешевы (в пересчете на американские деньги менее доллара за штуку).

...В настоящей работе мне хотелось показать, как развивались компьютерные технологии в СССР на примере тех работ, в которых я принимал непосредственной участие. Однако уже в ходе написания данной статьи я понял, что обязан хотя бы попытаться развеять устоявшиеся мифы о советской технической отсталости, которая якобы обусловлена именно социалистическим экономическим укладом.

Уже более полувека я занимаюсь разработкой и исследованием нетрадиционных компьютеров на базе автоматных сетей. За это время было создано несколько действующих образцов таких компьютеров, некоторые из которых были доведены до стадии серийного производства. Все эти проекты были полностью оригинальны, не имели даже отдаленных аналогов и вызывали активное неприятие со стороны большинства специалистов. Лозунг «этого не может быть, потому что не может быть никогда» сопровождал (и сопровождает) мои работы на протяжении всех этих лет. К счастью в СССР мнение таких специалистов, как правило, не являлось определяющим, что позволило реализовать большинство проектов.

Вся моя жизнь определялась множеством случайных событий, некоторые из которых кажутся совершенно невероятными, но без любого из этих событий жизнь пошла бы по другому пути и утратила бы жесткие закономерности, присущие ей. В моей жизни (трудовой деятельности) можно выделить четыре полных 12-летних цикла и один незаконченный. Каждый цикл посвящен определенной тематике. Первый цикл (1958-1969 гг.) посвящен разработке сверхнадежных вычислительных устройств, прежде всего на базе автоматных сетей. Во втором (1970-1981 гг.) и третьем (1982-1993 гг.) циклах исследовались проблемы повышения производительности компьютеров, представленных в виде автоматных сетей. В четвертом (1994-2005 гг.) и пятом (начавшимся в 2006 году) циклах — проблемы эффективности (стоимости, энергопотребления, объемов аппаратуры, приходящихся на единицу производительности) таких компьютеров. В каждом законченном цикле были созданы действующие образцы, полностью подтверждающие теоретически предсказанные свойства автоматных сетей. Пятый цикл еще не закончен, но все предпосылки для создания соответствующих образцов имеются, хотя реализовать любые проекты, имеющие признаки новизны, в современной России намного сложнее, чем в СССР.

3. Надежные вычислительные устройства. В сентябре 1958 года я, будучи студентом 4-го курса ЛЭТИ, стал работать в ОКБ-590. основной задачей которого являлась разработка перспективных средств вычислительной техники для авиации. В то время в ОКБ создавался опытный образец первой советской (и первой в мире) полупроводниковой бортовой цифровой вычислительной машины БЦВМ «Пламя-ВТ». Пройдя все этапы работы с этим образцом, начиная от отладки основных узлов и устройств и кончая разработкой элементов программного обеспечения, к моменту окончания института в 1961 году я считался сложившимся опытным специалистом в области цифровой вычислительной техники, хотя в дипломе значилась специальность «автоматика и телемеханика». Еще в 1960 году по заданию начальника ОКБ В.И. Ланердина я разработал вариант БЦВМ повышенной надежности. Из проведенных расчетов следовало, что надежность должна была повыситься, по меньшей мере, на два порядка. Однако увеличение аппаратуры в 2.5 раза было признано слишком высокой ценой, и проект не был реализован. Но именно из-за низкой надежности передача БЦВМ в серийное производство задержалась на 3 года и произошла лишь в 1964 году под названием ЦВМ-264. Да и в дальнейшем по тем же причинам она не дошла до боевых частей. Следует отметить, что первая советская БЦВМ повышенной надежности «Аргон-17» появилась лишь в 1978 году.

В мае 1961 года всего через месяц после того, как я вышел на работу уже в качестве инженера (до этого я числился старшим техником) меня переводят в лабораторию аналоговой вычислительной техники и назначают руководителем важнейшего проекта с грифом ОВ (особой важности). При этом я получаю полную свободу в выборе методов и средств решения поставленной задачи. В то время одним из важнейших проектов в стране считалась разработка системы противоракетной обороны А-35 вокруг Москвы. ОКБ-590 предписывалось в очень короткие сроки разработать систему управления пусковыми ракетными установками. В задании предусматривались очень жесткие требования по времени решения задачи управления, точности и особенно надежности (вероятность безотказной работы 0.9999 за 10000 часов работы). Предыдущий исполнитель после полутора лет работы признал свою неспособность справиться с задачей, и нам передали эту тему, сохранив исходные сроки.

Мои новые коллеги авторитетно заявили, что аналоговая техника в принципе не может обеспечить требуемое сочетание времени и точности. Цифровые вычислительные машины не годились из-за низкой надежности, да и быстродействие их в то время было невелико. Оставался вариант, на который, видимо, и рассчитывал В.И.Ланердин, когда поручал мне эту работу. Необходимо было вспомнить специальность, которую я получил в институте, и создать цифровой автомат, способный решить задачу. Чтобы обеспечить требуемую надежность, этот большой и сложный автомат в соответствии с идеями фон Неймана, которыми я тогда увлекался, надо было представить в виде автоматной сети, состоящей из очень простых автоматов небольшой номенклатуры. Такой подход позволял также резко сократить время проектирования и отладки образцов. В результате уже через год был успешно защищен эскизный проект. В следующем году были изготовлены и прошли весь комплекс испытаний в реальных условиях опытные образцы. Наконец в августе 1964 года были завершены все работы по освоению серийного производства. Всего было изготовлено более сотни образцов, которые простояли на боевом дежурстве вокруг Москвы свыше 15 лет (130 тысяч часов). За это время не было зафиксировано ни одного отказа. Столь высокая надежность была обеспечена, с одной стороны, способностью устройства сохранять работоспособность даже при множественных отказах элементов и, с другой стороны, автоматической диагностикой и локализацией неисправностей с точностью до сменного элемента (элементарного автомата). Время ремонта непосредственно в ходе работы не превышало по регламенту 2 минут.

Итак, в своем втором проекте мне удалось на примере конкретного промышленного устройства показать, что применение автоматных сетей при создании вычислительных устройств позволяет:

• создавать сверхнадежные вычислительные устройства из ненадежных элементов

• сокращать сроки и стоимость проектирования;

• сокращать эксплуатационные расходы и требования к уровню квалификации обслуживающего персонала;

• гарантировать отсутствие ошибок проектирования, поскольку элементарные автоматы можно полностью проверить еще на стадии изготовления, в отличие от сложных автоматов или программ.

Однако высокий уровень секретности проекта не позволял в те времена не только публиковать, но и вообще рассказывать о нем кому-либо. Поэтому работа и не получила какого либо продолжения.

После завершения проекта я решил заняться наукой и перешел в ЛИАП на кафедру технической кибернетики, на должность ассистента в надежде продолжить работу по автоматным сетям. Однако в вузах наука развивалась лишь в рамках выполнения хоздоговорных НИР, получаемых от научно-производственных организаций.

Мой первый большой НИР в ЛИАП был посвящен разработке методов повышения надежности вычислительной машины, работающей в непозиционной системе счисления остаточных классов. Применение этой системы счисления позволяло в десятки раз увеличить скорость выполнения арифметических операций и соответственно увеличить производительность вычислительной машины. Специфика машины заставляла искать методы, отличные от тех, которые были использованы в двух предыдущих проектах. Задачу удалось решить путем разработки нового класса кодов, исправляющих ошибки, основанных на свойствах системы остаточных классов. Результаты НИР составили основу кандидатской диссертации, которую я защитил в 1968 году, а в 1973 году в издательстве «Советское Радио» вышла монография «Система остаточных классов и надежность ЦВМ», на которую ссылаются до сих пор. Работа была мне интересна как новый опыт, поскольку я в первый раз активно использовал математический аппарат. Половину диссертации занимали доказательства лемм и теорем. Но дальнейших перспектив у этого направления я не видел и мечтал вернуться к автоматным сетям.

Тогда я и не подозревал, что этот НИР был прямым продолжением моего предыдущего проекта, и что в моей судьбе вплоть до 1968 года незаметно, но активно принимало участие министерство обороны, где у меня, как я впоследствии узнал, еще с 1962 года был персональный куратор. В середине 80-х годов я случайно встретился с этим куратором, бывшим к тому времени уже в отставке. Мы должным образом отметили неожиданную встречу, и я узнал массу интересных деталей о событиях тех лет. Оказалось, что защита эскизного проекта системы управления пусковыми ракетными установками для системы А-35, проходившая в начале 1962 года в КБ-1 (ныне НПО «Алмаз»), выглядела с точки зрения присутствующих совершенно необычно. Первое, что поразило буквально всех, был юный возраст докладчика, представленного как руководитель проекта. Мне тогда было 24 года, а выглядел я еще моложе. Но больше всего поразила всех членов государственной комиссии попытка удовлетворить требование военных о высокой надежности проектируемого изделия. Хотя это требование неизменно входило в технические задания для всех изделий, создаваемых в министерстве вооружений, никто и никогда не пытался эти требования выполнить по существу, поскольку на стадии приемки изделия проверить надежность было невозможно. Я же в своем докладе предложил не только новые методы создания сверхнадежных устройств (эту часть доклада не понял никто из присутствующих), но и методику, позволяющую проверять параметры надежности непосредственно в ходе приемки изделия. В результате этого доклада я стал ценным кадром для министерства обороны и у меня появился персональный куратор.

Управление работой системы А-35 осуществлял многоканальный стрельбовой комплекс «Аргунь», ядром которого являлась вычислительная машина К-340А, использующая систему остаточных классов. К моменту ввода в эксплуатацию в 1963 году эта машина имела производительность 2.4 миллиона операций в секунду и, скорее всего, была на тот момент самой мощной в мире. К моменту моего перехода в ЛИАП в 1964 году началась разработка второго поколения этой машины с производительностью 7.5 миллионов операций в секунду и с новым названием «Алмаз». И в конце 1964 года по рекомендации моего куратора ЛИАП получает заказ на вышеупомянутый НИР. Первым оппонентом на защите моей диссертации был профессор И.Я.Акушский, научный руководитель проекта «Алмаз», а головной организацией было ОКБ-1, известное на весь мир предприятие С.П.Королева. Сразу после защиты диссертации в апреле 1968 года я получаю предложение переехать в Москву и заняться воплощением результатов диссертации в конкретной разработке. Обещается сразу трехкомнатная квартира, высокая должность и возможность быстро защитить докторскую диссертацию. После отказа от этого предложения министерство обороны исключает меня из состава опекаемых персон. Но напоследок куратор делает мне царский подарок. В ЛИАП поступает заказ на НИР, позволивший мне выйти на качественно новый уровень в научном плане.

В 1969 году я начинаю разработку вычислительного устройства для управления марсоходом. Заказчик — Машиностроительный завод им. С.А.Лавочкина, создатель спускаемых аппаратов по исследованию планет. Требования достаточно жесткие: сохранение работоспособности при множественных отказах элементов, малые размеры, низкое энергопотребление. Мне было очевидно, что только автоматные сети были способны решить проблему. Но те решения, которые применялись в системе ПРО, здесь не годились.

Главное отличие заключалось в том, что задачи, которые должно было решать вычислительное устройство при управлении марсоходом, были заранее неизвестны. Соответственно в ходе проектирования устройства нельзя было определить ни функции автоматов, ни связи между ними. Поэтому вместо монофункциональных автоматов различных типов было решено создать универсальный полифункциональный вычислительный автомат, способный переключаться от одной функции к другой. Вычислительные автоматы подключались к коммутационным автоматам, которые обеспечивали формирование структуры меж автоматных связей. Процессом переключения функций в вычислительных автоматах и коммутацией линий связи в коммутационных автоматах занимались управляющие автоматы, распределенные по всей структуре устройства. Возможность динамического изменения архитектуры автоматной сети непосредственно в ходе вычислений позволила решить проблему сверхвысокой надежности при наличии множественных отказов в необслуживаемой системе. Малое энергопотребление обеспечивалось тем, что в стационарном режиме работы марсохода (при стоянке или при движении по ровной поверхности), когда объем вычислений невелик, большая часть автоматов отключалась от источников питания. Кроме того, скорость работы автоматов могла быть достаточно низкой, так как необходимые объемы вычислений обеспечивались за счет количества автоматов, что также снижало потребление энергии. Появившиеся к тому времени большие интегральные схемы (БИС) позволяли и размеры сделать относительно небольшими. Таким образом, все требования технического задания были удовлетворены. Однако в конце 1969 года работа по программе марсохода у Заказчика была прекращена из-за сокращения финансирования, и наш проект остался невостребованным. К сожалению, тогда при общении с представителями Заказчика я не акцентировал их внимание на уникальном свойстве автоматных сетей, заключающемся в принципиальном отсутствии ошибок проектирования, в том числе и программных, которые не выявляются на этапе проектирования. Если бы системы управления космическими аппаратами строились на базе автоматных сетей, скольких неудачных запусков можно бы было избежать.

Это был мой последний проект, посвященный созданию надежных вычислительных устройств с акцентом именно на надежность. Первый проект, посвященный разработке надежной БЦВМ, хотя и не был реализован, но послужил трамплином для карьерного роста. В.И.Ланердин, начальник ОКБ-590, лишённый после ликвидации МПЭ возможности материального стимулирования сотрудников, сохранил права на моральные стимулы и реализовал их в гротескной для того времени форме. Молодой инженер сразу после окончания вуза, был назначен руководителем важнейшего не только для организации, но и для страны проекта, а через несколько месяцев повышен и в должности. Второй проект принес мне громадное моральное удовлетворение и определил основное направление всей последующей жизни. Третий проект, лежащий в стороне от автоматных сетей, позволил мне повысить статус в результате защиты диссертации. Благодаря именно этому проекту я получил НИР на вычислительное устройство для марсохода и открыл для себя автоматные сети с динамической архитектурой, которые позволяли реализовать мечту Джона фон Неймана. Всю последующую жизнь я занимался исключительно такими сетями. Так закончился мой первый 12-летний цикл.

4. Рекурсивные вычислительные машины. К началу 1970 года я понял, что тема надежности вычислительных устройств для меня полностью исчерпана. Создавать реальные надежные устройства в рамках вуза было невозможно, а переходить снова в производственные организации мне не хотелось. Что касается научной составляющей проблемы, то добавить что-либо к блестящей работе Джона фон Неймана «Вероятностная логика и синтез надежных организмов из ненадежных компонент» (Сборник Автоматы, — М: ИЛ, с. 68-139, 1956), на которую я опирался во всех своих проектах, начиная с 1960 года, вряд ли было возможно. Однако одной только надежностью не исчерпывались достоинства автоматных сетей. Автоматные сети с динамической архитектурой, разработанные мною для марсохода, вполне могли рассматриваться как универсальные вычислительные машины с неограниченными возможностями по увеличению производительности. Именно о таких вычислительных машинах мечтал фон Нейман, но предпринять конструктивных шагов не успел. Поэтому в рамках данного направления было обширное поле не только для инженерной, но и для научной деятельности.

Первые шаги в новом направлении представлялись достаточно очевидными. Прежде всего, следовало выбрать название для этих новых вычислительных машин, отражающее их наиболее важное свойство и позволяющее отделить данные машины от любых других. Затем необходимо было описать архитектуру этих машин в самой общей форме, подобно тому, как это сделал Джон фон Нейман в 1945 году. Наконец желательно было, в какой-то степени, закрепить приоритет с помощью изобретений. Все эти задачи удалось выполнить в 1970 году.

Основанием для выбора названия послужило такое свойство автоматных сетей как неограниченное число элементов, входящих в их состав. Единственным способом однозначного и конечного описания объекта, состоящего из сколь угодно большого или просто неизвестного числа элементов, является использование рекурсивных соотношений. Поэтому и появилось название «рекурсивные вычислительные машины» (РВМ).

Основу архитектуры РВМ составили следующие принципы:

1. Высокий уровень рекурсивного машинного языка (любой программе или любому набору данных можно сопоставить лишь один элемент языка, который состоит из небольшого числа элементов более низкого уровня).

2. Рекурсивно-параллельное управление вычислительным процессом (выполняются все те программные элементы машинного языка, для которых выполняются условия готовности к работе).

3. Древовидная, программно перестраиваемая структура памяти, состоящей из небольших модулей, каждый из которых может работать в адресном, ассоциативном, буферном и стековом режимах.

4. Гибкая архитектура РВМ (элементарные процессоры программно объединяются в управляющие и исполнительные системы, отражающие структуру решаемых задач).

5. РВМ состоит из любого сколь угодно большого числа простых модулей, образующих многоуровневую рекурсивную структуру.

При описании архитектуры РВМ я умышленно избегал терминов «автомат» или «автоматные сети» и пользовался лишь терминологией привычной для вычислительной техники.

Были также сформулированы преимущества РВМ перед вычислительными машинами того времени:

1. Низкие требования к быстродействию элементов, небольшое число внешних выводов, малая номенклатура и низкая сложность модулей РВМ.

2. Высокая серийно способность модулей РВМ, которые могут использоваться как в простейших РВМ (калькуляторах), так и в суперсистемах.

3. Конструктивная технологическая простота, позволяющая полностью автоматизировать производство РВМ.

4. Малый объем внутренней памяти РВМ, необходимой для размещения рабочих программ и операционной системы, низкие требования к быстродействию внешних запоминающих устройств.

5. Сокращение времени составления, трансляции и отладки программ, снижение требований к квалификации программистов, возможность безошибочного программирования.

6. Сохранение работоспособности при множественных отказах элементов.

Многие из этих преимуществ, определявшихся свойствами автоматных сетей, сохранили актуальность и через сорок лет,

Среди авторских свидетельств на изобретения, полученных мною в тот период, имеется одно с названием «однородно-рекурсивная структура» с приоритетом от мая 1970 года.

Описание архитектуры РВМ я подготовил еще в 1970 году в виде статьи, но с публикацией не спешил, хотя и выступал с докладами на некоторых внутрисоюзных конференциях. Дело в том, что целью моей деятельности являлось создание действующих образцов принципиально новых вычислительных машин. Научные публикации такой цели не только не способствуют, но, скорее, даже препятствуют. Как показали исследования психологов, с которыми я познакомился еще в студенческие годы, если научная или техническая идея существенно отличается от общепринятых концепций, то в лучшем случае она будет проигнорирована, а в остальных случаях будет воспринята крайне негативно. К тому же вопросы финансирования, необходимого для создания образцов, не решаются научной общественностью. Поэтому необходимо было найти выход на человека, способного решать организационные и финансовые вопросы, показать ему, что реализация проекта полностью отвечает государственным интересам и добавить сюда личный интерес в виде соавторства проекта. Вопрос индивидуальных авторских прав меня никогда не волновал. В 1970 году такого человека среди моих знакомых не было, но я почему то был уверен, что он должен появиться.

В 1972 году кафедра технической кибернетики ЛИАП, на которой я работал, разделилась на две части. Одной из этих частей стала кафедра ЭВМ, которую возглавил профессор М.Б.Игнатьев, очень активный и коммуникабельный человек, который быстро осознал возможности РВМ. Среди знакомых М.Б.Игнатьева был профессор В.А.Мясников, возглавлявший отдел вычислительной техники ГКНТ СССР, который также положительно воспринял эту идею. Однако личного влияния В.А.Мясникова, несмотря на занимаемый пост, было недостаточно для серьезных организационных шагов. Обычно решения по вычислительной технике готовились в Военно-Промышленной Комиссии при ЦК КПСС и далее выпускались в виде совместного Постановления ЦК КПСС и СМ СССР. Оснований для подобного решения по рекурсивным машинам пока не было.

В 1974 году М.Б.Игнатьев предложил мне подготовить доклад по рекурсивным машинам для выступления на конгрессе ИФИП, включив в соавторы, наряду с М.Б.Игнатьевым и В.А.Мясниковым академика В.М.Глушкова, который был знаком с некоторыми материалами по РВМ. В.М.Глушков имел громадный авторитет не только у нас в стране, но и за рубежом. Его фамилия гарантировала включение доклада в пленарное заседание конгресса и максимальное внимание аудитории. Поэтому я без раздумий согласился, хотя и понимал, что в этой ситуации ехать на конгресс мне не придется, а в ссылках на работу, имеющую более трех авторов, будет указываться В.М.Глушков и другие. Следует сказать, что Виктору Михайловичу Глушкову основные идеи РВМ были близки и понятны. Он легко разглядел автоматную природу этих машин. Тем более что еще в 1959 году на всесоюзной конференции по вычислительной технике в Киеве он рассматривал возможность использования автоматных сетей в качестве вычислительных машин. Он не сразу согласился войти в число соавторов, так как никогда ранее не ставил свою фамилию на чужие работы. Однако здесь представлялся редкий случай существенно повысить престиж советской науки в той области, где полностью доминировали американцы.

Доклад «Рекурсивные машины и вычислительная техника», сделанный в Стокгольме в октябре 1974 года имел оглушительный успех. Это была первая фундаментальная работа в области архитектуры вычислительных машин, представленная на конгрессе ИФИП за все время его существования и вообще первый доклад в области вычислительной техники, представленный русскими. О резонансе, который имел доклад, говорит тот факт, что в 1999 году в Нью-Йорке состоялся международный симпозиум, посвященный 25-летию этого доклада. Доклад послужил толчком к началу работ в области рекурсивных машин в США, Франции и Японии. Придуманный мною в 1969 году термин начал самостоятельную жизнь.

Доклад вызвал глубокую обеспокоенность в военных и политических кругах США. До сих пор там считалось, что СССР катастрофически отстал от США в области вычислительной техники. А теперь выяснилось, что там ведутся работы в области нетрадиционных архитектур, о которых в США никто и не помышлял. Срочно формируется для поездки в СССР в декабре 1974 года делегация из 17 человек (более половины, из которых были профессиональными разведчиками), представляющих CDC, ведущую американскую фирму в области высокопроизводительных компьютеров. Официальная цель поездки заключалась в рассмотрении возможностей совместных советско-американских проектов в области вычислительной техники. Делегация посещает с короткими однодневными визитами Новосибирск, Таганрог и Москву, где также ведутся работы в области ЭВМ с нетрадиционной архитектурой, но основное время, почти две недели, отводится на Ленинград. Уже на второй день переговоров я понимаю, что разговоры о совместных работах не более чем ширма для чисто разведывательных целей. Уж больно низок оказался профессиональный уровень приехавших к нам американских инженеров по сравнению с нашими доцентами, никогда в жизни не участвовавшими в реальных разработках. Опасений, что американцы увезут с собой полезную информацию, у меня не было. Как показывал мой опыт, люди, привыкшие к фон-неймановской архитектуре практически не способны воспринимать автоматные сети. В.М.Глушков понял эти идеи, потому, что он был крупнейшим в мире ученым именно в области автоматов. Его книга «Синтез автоматов» была переведена на многие языки мира. Ну а американцы не понимали ничего. Тем не менее, был составлен детальный двухлетний план, где американская сторона в лице фирмы CDC должна была изготовить два опытных образца, а советская сторона — программное обеспечение. Спустя несколько месяцев фирма CDC сообщила, что проект очень интересен с научной точки зрения, но коммерческие перспективы представляются неочевидными и потому фирма отказывается от проведения совместных работ, в чем я и не сомневался.

Летом 1977 года переговоры с фирмой CDC возобновляются. В Ленинград приезжает делегация, состоящая всего из трех человек, исполнительного вице-президента Р.Шмидта, руководителя программных разработок фирмы и руководителя аппаратных разработок. На этот раз фирма действительно собиралась реализовать совместный проект. Причина такого изменения позиции выяснилась позже. Оказалось, что работы по созданию опытных образцов рекурсивных ЭВМ уже ведутся независимо двумя американскими фирмами Burroughs и Xerox, и фирма CDC решила не отставать от конкурентов. На этот раз переговоры были деловыми, конструктивными и, в основном, посвящены вопросам создания полномасштабного опытного образца. Разногласия возникли по вопросу о том, кто будет изготавливать этот образец. Наша сторона полагала, что эта работа будет выполняться фирмой CDC в соответствии с решениями, принятыми еще в 1974 году, и, учитывая, что основной вклад фирмы CDC в совместный проект как раз и заключается в передовых производственных технологиях. Американцы же предлагали подключить свои технологические ресурсы лишь после изготовления и проведения испытаний опытного образца в СССР, а на первом этапе их участие ограничивалось финансированием в размере 5 миллионов долларов. Позиция фирмы CDC объяснялась тем, что Госдеп США, регулирующий научно-техническое сотрудничество с СССР, опасался, что дело кончится лишь передачей запрещенных технологий в СССР, и хотел бы иметь не только словесные, но и материальные подтверждения наличия новых компьютерных технологий в СССР. Но тот же Госдеп США готов был дать разрешение на продажу в СССР (конкретно в Ленинград) мощного компьютера Cyber 170 фирмы CDC в качестве первого технологического вклада фирмы CDC в данный проект. Из-за указанных разногласий подписание документов о совместном проекте было отложено и ситуация долго оставалась в подвешенном состоянии. Однако поставка Cyber 170 в СССР все же состоялась и привела к созданию Ленинградского научно-исследовательского вычислительного центра (ЛНИВЦ) АН СССР, позднее переименованного в ЛИИАН (ныне — СПИИРАН).

В 1978 году руководство ГКНТ СССР решило, что опытный образец может быть создан и без финансового участия США, чтобы иметь более сильные позиции на последующих переговорах. В результате было решено, что образец будет создаваться на кафедре ЭВМ ЛИАП и на эти цели выделялось 300 тысяч долларов (вместо 5 миллионов, которые предлагала фирма CDC). На всю работу отводилось чуть более года. Решение это готовили М.Б.Игнатьев и В.А.Мясников, которые совершенно не представляли проблем, возникающих при создании любых реальных изделий. Я был поставлен уже перед фактом, когда решение принято и его надо выполнять. В первый раз в жизни я оказался в ситуации, когда в самом начале работы мне было ясно, что ее невозможно выполнить ни по срокам, ни по существу. Во-первых, выделенных денег не хватало не только на полномасштабный опытный образец, но даже на небольшой макет (американцы взяли сумму 5 миллионов долларов отнюдь не с потолка). Во-вторых, в нашем учебном институте не было ни производственной базы, ни конструкторского подразделения. В-третьих, в небольшом коллективе разработчиков (12 человек), состоявшем из преподавателей кафедры и недавних выпускников ЛИАП, не было ни одного человека, кроме меня, кто имел бы хотя бы минимальный опыт разработки и отладки реальных изделий или программ, да и я не занимался этим почти 15 лет. Итак, за год с небольшим предстояло разработать, изготовить и отладить совершенно новый компьютер при использовании новой элементной базы, известной только по журнальным публикациям. Кроме того, необходимо было разработать и отладить программное обеспечение, основанное на новых принципах, где нет понятия последовательности команд, да и сами команды отсутствуют, а есть взаимодействие автоматов. Кстати, по первоначальному плану совместных работ предполагалось, что ЛИАП будет заниматься только программным обеспечением в течение двух лет с привлечением специалистов из других организаций страны. Даже сейчас, оглядываясь назад, я не могу понять, как это можно было сделать. Тем не менее, в августе 1979 года государственная межведомственная комиссия под председательством академика А.А.Дородницына осуществила приемку образца РВМ, зафиксировав, что при решении тестовой задачи показана производительность в 12 раз выше, чем у БЭСМ-6 при существенно меньших размерах у РВМ.

Осенью 1979 года выходит Постановление ЦК КПСС и СМ СССР о развитии работ в области рекурсивных вычислительных машин. Головным предприятием по этой проблеме назначается Институт Кибернетики АН УССР, возглавляемый академиком В.М.Глушковым. Это Постановление было лишь вершиной большого айсберга, который можно назвать Советская Суперкомпьютерная Программа (ССП), хотя этот термин в официальных документах не встречался. Автором ССП и основной ее движущей силой был Виктор Михайлович Глушков. Основная идея ССП, в чем-то перекликавшейся с МПЭ, заключалась в максимальной активизации творческого потенциала страны с целью создания оригинальных отечественных суперкомпьютеров. Следует заметить, что похожую программу В.М.Глушков пытался реализовать в 60-х годах с целью создания и широкого применения автоматизированных систем управления (АСУ). Программа АСУ провалилась в силу необъятности предметной области. Область применения ССП, наоборот, была достаточно очерченной. Суть ССП сводилась к тому, чтобы любой коллектив, имеющий оригинальные идеи по созданию высокопроизводительных вычислительных устройств, независимо от ведомственной принадлежности, получил возможность довести свою работу до уровня промышленных образцов. По результатам испытаний этих образцов можно будет оценить перспективность соответствующих идей с целью последующего серийного производства. Следует заметить, что каких либо документов, связанных с ССП, мне видеть не приходилось. Все, что написано об ССП в данной статье является результатом анализа косвенных данных и частных разговоров с различными участниками Программы в 80-е годы.

Полагаю, что идея ССП появилась у В.М.Глушкова еще в 1974 году после бурной реакции участников конгресса ИФИП на сделанный доклад, а также последующих шагов американцев. Однако для принятия Программы, требующей значительных финансовых и материальных ресурсов, одного авторитета В.М.Глушкова было мало. Нужны были доказательства того, что в СССР действительно имеются разработки в данной области, превосходящие мировой (американский) уровень. Первым таким доказательством явился вышеупомянутый визит в СССР в 1977 году ведущей американской фирмы CDC, лидера в области суперкомпьютеров, с ясно выраженной целью провести совместную разработку рекурсивных вычислительных машин. Однако, учитывая чисто разведывательный характер визита той же фирмы в 1974 году, также под предлогом совместных работ, и отсутствие реальных результатов переговоров, кроме продажи в СССР суперкомпьютера Cyber 170, этого доказательства также было недостаточно. И лишь появление реального образца РВМ окончательно склонило чашу весов в пользу ССП. Тем более, что этот образец был создан в обычном вузе при относительно небольших затратах и в очень короткие сроки, что полностью подтверждало идеи ССП. Постановление 1979 года, явно подготовленное задолго до момента испытаний образца РВМ, послужило отправной точкой для начала действия ССП. Сам В.М.Глушков не претендовал на авторство рекурсивных машин, поскольку у него были свои собственные идеи, на базе которых в Институте Кибернетики и началась разработка первого проекта ССП рекурсивной вычислительной машины на базе автоматных сетей с неофициальным названием «макроконвейер».

В рамках ССП, скорее всего по инициативе В.М.Глушкова, мне предложили возглавить специально созданную лабораторию в недавно образованном ЛНИВЦ АН СССР. С 11 января 1980 года и по сей день, я работаю в этой лаборатории, занимаясь той же проблематикой, для которой она и была создана. После перехода в ЛНИВЦ я решил, что пора заняться теоретической базой для нового класса вычислительных машин, тем более, что Академия Наук по своему статусу должна заниматься фундаментальными исследованиями. Мало кто знает, что у компьютеров с фон-неймановской архитектурой имеется конструктивная теоретическая модель, предложенная английским математиком А.Тьюрингом еще в 1937 году.

Эта модель называется «машина Тьюринга». А конструктивность модели означает, что ее можно реализовать в виде действующего устройства, которое будет работать медленнее, чем любой компьютер, но кроме скорости отличий не будет. Машина Тьюринга очень проста. Представьте себе бумажную ленту, разделенную на одинаковые небольшие ячейки. Рядом с лентой находится автомат, который способен прочитать символ из некоторого конечного алфавита, записанный в ячейке, стереть символ в этой ячейке или записать туда новый символ. После этого автомат может переместиться к соседней ячейке в одну или другую сторону. Машина Тьюринга позволяет изучать наиболее общие свойства программ и алгоритмов и, в частности, границы возможностей любых компьютеров. Правда, ученые, занимавшиеся этими проблемами, обычно не упоминали, что речь идет не о любых компьютерах, а о компьютерах с фон-неймановской архитектурой, ибо других компьютеров они не знали.

Итак, мне предстояло разработать конструктивную теоретическую модель для рекурсивных вычислительных машин, ибо машина Тьюринга здесь не годилась. Для этого мне было достаточно вспомнить, что рекурсивные машины родились в 1969 году из автоматных сетей с динамической архитектурой, и именно автоматными сетями я занимался предыдущие 8 лет. Естественно было назвать модель Динамические Автоматные Сети (ДАС).

Так же как и машину Тьюринга, описать ДАС достаточно просто. Любая ДАС является множеством связанных между собой динамических автоматов (ДА). Динамический автомат отличается от классического автомата наличием трех дополнительных свойств:

1. Каждый ДА может порождать своих потомков, возможно отличающихся от родителя (таким свойством обладали клеточные автоматы фон Неймана).

2. Каждый ДА может самоликвидироваться в зависимости от внутреннего состояния и/или сигналов, поступающих от соседей.

3. Каждый ДА может изменять свои связи с другими автоматами, входящими в ДАС.

Сравнивая две модели, можно заметить, что ДАС обладает большей мощностью, чем машина Тьюринга. Действительно в машине Тьюринга число состояний растет линейно по мере увеличения длины ленты (объема запоминающего устройства), образуя счетное множество, а число состояний ДАС может расти экспоненциально, поскольку каждый предок порождает много потомков. Поэтому число состояний ДАС имеет мощность континуума. Соответственно любые доказательства, основанные на машине Тьюринга или на теории алгоритмов, не подходят для автоматных сетей.

Разработанная к концу 1981 года модель позволила существенно пересмотреть архитектуру РВМ, включая как аппаратную, так и программную часть. Подтвердилась старая народная мудрость о том, что нет ничего практичнее, чем хорошая теория. Кроме того, удалось найти и более адекватное название, для вычислительных машин, соот¬ветствующих этой модели — машины с динамической архитектурой (МДА).

Итак, в 1981 году закончился второй 12-летний цикл, полностью посвященный рекурсивным вычислительным машинам. Основным результатом цикла следует считать действующий образец РВМ, который хотя и не пошел в промышленное производство, но, будучи принятым государственной комиссией, имел официальный статус и был первым в мире компьютером, созданным на базе автоматных сетей. Благодаря этой РВМ и стала возможной реализация Советской Суперкомпьютерной Программы.

5. Машины с динамической архитектурой. Характерным признаком любого проекта, реализуемого в ССП, являлось объединение в рамках проекта научных учреждений и производственных организаций, то есть каждый проект ССП имел научную составляющую, как правило, был оригинальным и не имел прямых зарубежных аналогов. Ниже приводится, возможно, неполный список проектов ССП с указанием только научных организаций, участников проектов, и научных руководителей.

1. ЕС-2701, макроконвейер (рекурсивная машина), ИК АН УССР, Киев, В.М.Глушков.

2. ЕС-2703, система с программируемой структурой, ТРТИ, Таганрог, А.В.Каляев.

3. ЕС-2704, машина с динамической архитектурой, ЛНИВЦ АН СССР, Ленинград, В.А.Торгашев.

4. ПС-2000, система с перестраиваемой структурой, ИПУ АН СССР, Москва, И.В.Прангишвили.

5. МВК «Эльбрус-2», суперскалярный 10-процессорный комплекс, ИТМ и ВТ АН СССР, Москва, В.С.Бурцев.

6. МКП «Эльбрус-3Б», модульный конвейерный процессор, ИТМ и ВТ АН СССР, Москва, А.А.Соколов.

7. ВКС «Электроника ССБИС», векторно-конвейерный суперкомпьютер, ИПК АН СССР, Москва, В.А.Мельников.

8. МАРС-Т, транспьютерная модульная расширяемая асинхронная система, СО АН СССР, Новосибирск, В.Е.Котов.

9. МАРС-М, потоковая модульная расширяемая асинхронная система, СО АН СССР, Новосибирск, Ю.Л.Вишневский.

10. ЭВМ «ЛОКОН», клеточно-автоматная машина, ИИТ АН СССР, Москва, В.А.Бронников.

Первые семь проектов были доведены до промышленных образцов, а три последних — до экспериментальных образцов. Технологическая отсталость советской элементной базы в этих проектах полностью компенсировалась оригинальными идеями. Шесть из десяти приведенных выше проектов базировались на автоматных сетях, в то время как в США таких проектов не было совсем. Поэтому можно утверждать, что в 80-х годах прошлого века наблюдалось полное превосходство СССР в области создания новых суперкомпьютерных технологий, которое мы утратили после распада СССР.

Работы по созданию МДА (ЕС-2704) были начаты в 1982 году и, в основном, велись в Москве силами совместного коллектива из сотрудников моей лаборатории и отделения НИЦЭВТ, ведущей организации министерства радиопромышленности в области создания компьютеров единой серии ЕС ЭВМ. Главным конструктором ЕС-2704 был назначен начальник отделения В.У. Плюснин, блестящий инженер и организатор, одновременно являвшийся главным конструктором мощной ЭВМ ЕС-1065 с оригинальной архитектурой, не имевшей прямого аналога в линейке машин IBM 360, на которые ориентировались машины серии ЕС. Сначала был изготовлен и проверен небольшой макет, на основе которого впоследствии был создан миникомпьютер ЕС-2740, составлявший 1/6 от полноценного образца ЕС-2704, Летом 1988 года состоялись испытания уже полного образца ЕС-2704,

При создании ЕС-2704 использовалась та же элементная база и те же типовые конструкции, что и в других машинах единой серии. Это позволяло количественно оценить преимущества ЕС-2704 в повышении производительности, обусловленные исключительно новой архитектурой. В качестве эталона был выбран процессор ЕС-1055, с производительностью 600 тысяч операций в секунду, который по элементной базе, размерам, рабочей частоте, энергопотреблению полностью соответствовал ЕС-2704. Для сравнения сначала тестовая задача решалась на ЕС-1055, а затем на ЕС-2704. В обоих случаях измерялось время решения задачи. Уменьшение времени решения составляло от 160 раз (для числовых задач) до 800 раз (для символьной обработки). Соответственно производительность ЕС-2704, в зависимости от задачи, составляла 100-500 миллионов операций в секунду. Таким образом, исключительно за счет новой архитектуры, основанной на динамических автоматных сетях, удалось поднять производительность более чем на два порядка.

Очень эффектное доказательство высокой надежности МДА было продемонстрировано в ходе приемки ЕС-2704 государственной комиссией. Во время решения одной из контрольных задач члены комиссии имели возможность вытащить из работающего образца любые устройства, включая блоки питания. Никакого резервирования в ЕС-2704 не было предусмотрено. При удалении 11 случайно выбранных устройств, что составляло около 5% от общего объема, задача была успешно завершена с увеличением времени решения примерно на 30%. При этом на мониторе отображалось расположение вытащенных блоков. До сих пор ни один из суперкомпьютеров такими возможностями не обладает.

После завершения проекта было выпущено несколько промышленных образцов МДА ЕС-2704 и ЕС-2740, которые использовались в ряде организаций (НПО «Комета», НПО «Энергия», НПО «Атолл») для обработки цифровых сигналов в реальном времени (радиолокация, гидролокация, обработка телеметрической информации со спутников и т.д.). При этом были полностью подтверждены возможности динамических автоматных сетей, некоторые из которых являются уникальными и в настоящее время. Так объем системного программного обеспечения, включая операционную систему реального времени, осуществляющую автоматическое динамическое распараллеливание как одной задачи, так и множества задач, составил всего несколько десятков килобайт, то есть в тысячи раз ниже, чем у обычных компьютеров тех лет.

Основная задача создания ЕС-2704 заключалась в получении неоспоримых доказательств преимуществ МДА перед компьютерами с фон-неймановской архитектурой единой серии. Поэтому размеры были ограничены одной стойкой, и использовалась устаревшая элементная база. С 1989 года началась разработка новой МДА ЕС-2727, которая была в состоянии конкурировать с лучшими зарубежными суперкомпьютерами. Переход к новой элементной базе в виде БИС, которые к тому времени начали производиться в СССР, позволял увеличить производительность одной стойки в 20 раз (2-5 миллиардов операций в секунду), а учитывая возможности неограниченного роста, характерные для автоматных сетей, можно было создавать МДА с производительностью, составляющую десятки миллиардов операций в секунду. Кстати вплоть до 1991 года самым мощным суперкомпьютером в мире был ETA-10 фирмы CDC с производительностью 10 миллиардов операций в секунду, а затем, вплоть до середины девяностых годов рекорд производительности составлял 25 миллиардов операций в секунду. Однако, финансирование проекта ЕС-2727 было прекращено еще в 1990 году из-за недостатка средств.

Последней разработкой МДА, выполненной в 1993 году совместно с НИЦЭВТ, был миниатюрный суперкомпьютер RS-30-8, созданный по заказу американской фирмы Nick&C, которая в то время активно скупала активы авиационных предприятий в России. В ходе этой работы было получено два новых важных результата. Во-первых, оказалось, что автоматные сети могут эффективно быть реализованы и в обычных микропроцессорах, при наличии встроенных коммуникационных средств, позволяющих объединять микропроцессоры в сеть. Во-вторых, оказалось, что обычные последовательные программы могут быть легко адаптированы для работы в МДА. Кстати, основной проблемой ЕС-2704 было то, что пользователям требовались совсем иные навыки в программировании при использовании автоматных сетей. Суперкомпьютер RS-30-8 с успехом демонстрировался на международном авиасалоне Макс-95 при решении реальных задач, связанных с проектированием авиадвигателей.

Итак, в 1993 году закончился третий 12-летний цикл моей деятельности, посвященный МДА. Безусловным результатом явилось создание промышленных образцов ЕС-2704. Блестяще подтвердились предсказанные ранее уникальные свойства МДА, причем было доказано, что эти свойства обусловлены исключительно новой архитектурой. Стало ясно, что при любой элементной базе использование динамических автоматных сетей позволяет достичь любой, сколь угодно большой, производительности суперкомпьютера. Однако, появление микропроцессоров сразу же привело к созданию микропроцессорных сетей. Начиная с 1993 года и по настоящее время, все суперкомпьютеры являются микропроцессорными сетями, сохраняя при этом фон-неймановскую архитектуру. Поэтому актуальным стал вопрос об эффективности автоматных сетей. Иными словами при одинаковой производительности суперкомпьютера, какими количественными и качественными преимуществами (по стоимости, размерам, энергопотреблении, надежности, удобству программирования и т.д.) обладают автоматные сети.

Четвертый цикл, начавшийся в 1994 году, принес разочарование. Стало очевидно, суперкомпьютеры далее будут создаваться только на базе микропроцессорных сетей. Любая другая элементная база проигрывает микропроцессорам по всем параметрам, причем, чем дальше развиваются микропроцессорные технологии, тем больше будет этот проигрыш. Реализация автоматной сети внутри микропроцессора никак не может повысить его производительность. Другие преимущества автоматных сетей (надежность, простота программирования, отсутствие программных ошибок, эффективность при решении реальных задач) не очевидны и требуют доказательств, которые можно получить только на реальных образцах. Поэтому возможности реализации МДА в такой ситуации становятся сомнительными. Разработка собственных БИС окупается лишь при массовом производстве, гарантировать которое невозможно.

В это время в США появляется фирма «Альтера» («AlteraCorporation»), которая начинает развивать новую элементную базу в виде программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). ПЛИС содержат множество логических элементов, из которых с помощью специальных программ можно создать любую схему, в том числе и автомат. Правда, пока эти схемы были слишком примитивны и по количеству элементов уступали микропроцессорам в десятки тысяч раз, но ведь это были только первые образцы.

В начале 1994 года ко мне в институт приходят представители фирмы, разрабатывающей морские радиолокационные системы. У них появился новый радар с высокой разрешающей способностью. При этом в десятки раз увеличился поток информации, и существующие радарные процессоры не могут с этим потоком справиться. Существовавшие тогда микропроцессоры были не способны не только обработать этот поток, но даже принять его. И меня попросили решить эту проблему. Все проблемы я привык решать с помощью автоматных сетей. Данная задача была похожа на ту, которую я решал в 1961 году, только без требований сверхвысокой надежности. И элементная база в виде ПЛИС вполне для этого подходила, поскольку здесь требовались простые автоматы с неизменными функциями и связями, а не сложные динамические автоматы. Получившуюся автоматную сеть я назвал «процессор с динамической архитектурой» (ПДА), чтобы указать связь с моими предыдущими работами. Вскоре выяснилось, что ПДА намного дешевле, имеет меньшие размеры и обеспечивает более эффективную обработку, чем существующие радарные процессоры, и при работе с обычными радарами. К тому же гибкая, программно изменяемая архитектура ПДА, позволяет легко менять решаемые задачи чисто программным способом. Потому вскоре началось серийное производство ПДА. Основными потребителями радиолокационных систем на базе ПДА были Федеральная Пограничная Служба и ВМФ. Всего с 1994 года было произведено более тысячи ПДА нескольких модификаций. Структурные изменения ПДА, в основном, были связаны с переходом на более новые микросхемы фирмы «Альтера», которые отличались не только лучшими характеристиками, но более низкой ценой. Рынок ПДА постепенно насыщался. Его максимум пришелся на 2005 год, затем началось падение, и к 2011 году поставки ПДА прекратились. В 2005 году завершились и работы по совершенствованию ПДА. Таким образом, закончился очередной 12-летний цикл. Основным результатом цикла следует считать серийное производство ПДА, доказавшее экономическую эффективность автоматных сетей при создании простых вычислительных устройств. Кроме того, работа в этом цикле позволила получить большой опыт работы с ПЛИС.

Начало нового цикла в 2006 году знаменуется важным событием. Фирма «Альтера», наконец, выпускает ПЛИС, позволяющую создавать эффективные динамические автоматные сети, непосредственно отображая ДАС в схему ПЛИС. В результате появляется возможность вновь вернуться к суперкомпьютерам с динамической архитектурой (СКДА). Анализ показывает, что при равной производительности СКДА оказывается в десятки раз дешевле, меньше по размерам и энергопотреблению. Соответственно и верхние границы производительности у СКДА выше в десятки раз. К этому надо добавить и неявные преимущества СКДА, которые рассматривались выше. За прошедшее с тех пор время «Альтера», в быстром темпе совершенствуя технологию, выпускает все более эффективные схемы для реализации автоматных сетей, и хотя суперкомпьютеры тоже совершенствуются, но характеристики СКДА повышаются быстрее.

Создание СКДА позволило бы России намного опередить другие страны (США, Китай, Японию) в области суперкомпьютерных технологий и существенно повысить престиж страны при вполне приемлемых затратах. Но для создания СКДА с рекордной производительностью необходимы достаточно большие деньги. И оказывается, что в современной России денег на подобные проекты не найти.

Основная ставка в России сейчас делается на частных инвесторов. Но суперкомпьютеры не являются коммерческим продуктом, поскольку во всем мире потребителем суперкомпьютеров является государство. Суперкомпьютеры не производятся серийно, и производство любого суперкомпьютера, как правило, начинается только после получения заказа. При этом цены оговариваются отдельно в каждом случае. В таких условиях частный инвестор работать не может. Государственные структуры, которые могли бы заказать разработку суперкомпьютера, в России отсутствуют. Такие структуры как Роснанотех или Сколково готовы финансировать не более половины стоимости проекта. К тому же основным критерием для принятия проекта считается прибыль, которую может дать реализация проекта. А какую прибыль может гарантировать суперкомпьютер? .

Остается надеяться на железные закономерности моей жизни. До сих пор во всех циклах я создавал действующие образцы. Надеюсь, что и в последнем цикле это удастся.

6. Заключение. Человечество привыкло ходить проторенными путями, опираясь на поговорку «лучше синица в руках, чем журавль в небе». При этом господствует мнение, что, конечно, этот привычный путь плохой, но другой дороги нет, хотя зачастую альтернативный вариант находится у всех перед глазами.

Недостатки современных компьютерных технологий, опирающихся на фон-неймановскую архитектуру, со временем становятся все более очевидными. Основной недостаток заключается в появлении такого понятия, как программное обеспечение. На создание большого числа громоздких, неэффективных, слабо унифицированных, ненадежных программ, легкодоступных для хакеров и компьютерных вирусов, тратятся колоссальные материальные и интеллектуальные ресурсы при минимальном конечном результате. Особенно этот недостаток усугубляется для суперкомпьютеров. Альтернативным вариантом, подсказанным живой природой, являются автоматные сети, которые не разделяются на аппаратуру и программы. В течение 50 лет на примере конкретных промышленных образцов я доказывал преимущества автоматных сетей перед традиционными компьютерами, но одиночный голос трудно услышать, а новые концепции трудно понять.

Недостатки капиталистической экономики были очевидны еще много лет назад. Другого пути никто не видит, ибо считается, что социалистическая экономика показала полную несостоятельность за годы существования СССР и других стран социалистического лагеря. На самом деле основной механизм советской экономики действовал лишь 16 лет, включая 4 военных года, и за это время показал полное превосходство над капиталистической системой. Лишь в результате диверсии, целенаправленно осуществленной руководителем страны Н.С.Хрущевым, этот механизм был разрушен, что и привело в дальнейшем к известному результату. Таким образом, как и в случае компьютерных технологий, альтернативный вариант экономики существует.

Источник: ymuhin.ru