Исторя суперкомпьютеров

Если бы только Джон фон Нейман в 40-х годах XX века знал, насколько по-другому будет выглядеть мир через семьдесят лет. В том числе благодаря его значимому вкладу в создание и развитие теории ЭВМ. А без этой техники было бы невозможно запустить человека в космос, относительно достоверно предсказать погоду, анализировать рынки и проводить другие сложнейшие вычисления, на которые у обычных людей раньше уходили целые месяцы, если не годы. Да, сейчас у любого из нас в кармане лежит мобильный телефон с невероятной скоростью и объёмом вычислений, но раньше для всего этого были необходимы громоздкие шкафы с дорогой и очень ненадёжной техникой. О том, как учёные развивали вычислительную технику и каких успехов смог добиться СССР в этой сфере, я постараюсь кратко рассказать в этой статье.

Думаю, никто из читателей не сомневается в том, что самыми первыми заказчиками ЭВМ являлись государство и армия, у которых были деньги на создание и запуск в серийное производство огромных вычислительных машин. Самые первые из них использовались американцами при разработке термоядерной бомбы уже после уничтожения Хиросимы и Нагасаки. Но эти машины были лишь единичными разработками, а нас здесь прежде всего интересуют самые заметные серийные модели, поскольку только при помощи массовости они могли принести наибольшую пользу для общества. Подчёркиваю, именно массовости. Вы можете создать мощнейший в мире суперкомпьютер, но абстрактному инженеру Анатолию на каком-нибудь провинциальном заводе она особой пользы не принесёт. Как он в лучшем случае считал на примитивных вычислительных машинах, так он до пенсии и будет за ними сидеть. И это в лучшем случае, когда эта самая вычислительная машина у него есть. Поэтому для более равномерного развития производств необходима пусть и не самая мощная, но зато простая и надёжная техника, чтобы даже баба Клава из бухгалтерии, которая начала свой карьерный путь ещё при Николае II, смогла её использовать с благими целями.

А теперь от просто к немного сложному. Технической основой автоматизации вычислений для первого поколения ЭВМ стали вакуумные лампы (да, те самые, именно с их помощью ценители музыки добиваются «лампового» звучания), у которых при помощи работы с напряжением можно было создать двоичную систему исчисления (то есть в ней существуют только 0 и 1, а остальные буквы, цифры и т.п. представляют собой их комбинации разной длины, что продолжает быть стандартом и в наше время), являвшуюся одним из основных элементов архитектуры фон Неймана. Однако у них были три явные проблемы: большой размер, большое энергопотребление и низкая надёжность. Причём последнее создавало дополнительные проблемы, поскольку не всегда было возможно определить, насколько правильные данные выдаёт машина, ведь в каждой было по несколько тысяч ламп, а поломка одной уже давала ошибку в вычислениях. И если в вопросе сельского хозяйства плюс минус десяток килограмм удобрений погоды не делали, то вот при разговоре о ядерной сфере, медицине и исследовании космоса об отклонении не может идти и речи, потому что цена ошибки вырастает в миллионы раз. Но работали с тем, что есть, поскольку возможность широкомасштабного использования значительно более прогрессивных транзисторов в ЭВМ ещё лишь прорабатывалась.

Самой первой советской ЭВМ стала разработка киевского Института электротехники Академии наук УССР под руководством академика Сергея Лебедева под названием МЭСМ — малая счётная электронная машина. Да, она выполняла лишь 50 операций в секунду при 25 кВт потребления (6 000 вакуумных ламп), но для самой первой ЭВМ в стране это было вполне неплохо. Параллельно с Киевом шла разработка в Москве, а позже и в Ленинграде, Минске, Ереване, Пензе. После перевода академика Лебедева в Москву к 1953 была завершена БЭСМ - большая электронная счётная машина, которая уже могла выполнять уже до 10 000 операций в секунду при энергопотреблении в 35 кВт на 5 000 вакуумных ламп, что было невероятным достижением по тем временам, а её дочка, которая пошла в серию, БЭСМ-2 и все 20 000 операций в секунду. Эта модель положила начало для целой серии ЭВМ, которая продолжилась уже в транзисторную эру в гражданской и военной сферах.

Если уж я говорю о транзисторах, то для начала необходимо пояснить, в чём был смысл в переходе на них. По сравнению со старыми-добрыми лампами они были дороже, но при этом потребляли меньше энергии, имели большую производительность и меньшие габариты при повышенной надёжности. А что означает уменьшение габаритов? Правильно, в тот же самый объём можно поместить ещё больше оборудования, повысив его эффективность. Однако для этого оборудования понадобится и новое охлаждение, потому что одной проточной вентиляции здесь уже не хватит. Если у вас техника выполняет миллион операций в секунду, то тут даже открытая форточка и махание дверью не помогут, поэтому стали появляться системы водяного, а на западе и фреонового охлаждения, которые было проще монтировать, чем громоздкие вентиляции, прокачивающие сотни кубометров воздуха в час.

Возвращаясь к транзисторной части серии БЭСМ. На гражданке это были БЭСМ-3 — БЭСМ-6, в последней из которых производительность взлетела до одного миллиона операций в секунду, 50 кВт потребляемой энергии и занимаемой площади всего лишь 225 квадратных метров. В армии же её модификации использовались в войсках ПВО и ПРО, а самая последняя версия в 1975 даже стала частью зенитно-ракетного комплекса С-300.

Вот вроде бы всё так хорошо складывается: растёт производительность техники, внедряются новые технологии. Но где-то же должен быть подвох. Правильно, он был. И был он в размерах серий, которыми выпускались отечественные ЭВМ. Из всех гражданских машин серии БЭСМ за сотню перевалила только серия БЭСМ-6, которых за 19 лет выпуска создали 355 штук. Да, были ещё серии пензенские «Урал», белорусские «Весна», «Минск», «Снег», ереванские «Наири», киевские «Мир» и ряд других моделей, но они всё ещё не могли обеспечить огромную страну достаточными вычислительными мощностями. Кроме малого числа самих станций ещё существовала проблема с их моделью распространения: их невозможно было просто купить: в СССР все ЭВМ распределялись по согласованию с высшими структурами.

А вот, что можно было наблюдать в США: первый же коммерческий компьютер UNIVAC I (1950 год) был выпущен серией в 46 экземпляров. Дальше - больше. IBM-704 (1954 год) разошлась в количестве 140 экземпляров при приблизительной производительности в 40 000 операций в секунду в 1954 году (против советских 20 000 на БЭСМ-2 того же периода). И это лишь отдельные представители американских линеек ЭВМ. А были же ещё английские... Кроме численного превосходства существовало и мощностное: про первый в мире американский серийный суперкомпьютер CDC 6600 (1963 год, то есть на 5 лет раньше пуска в серию невероятно удачной БЭСМ-6), с ноги вынесший дверь на рынок транзисторных ЭВМ, даже говорить немного грустно. Да, на ранних версиях при желании можно было без труда жарить стейк, а форма расстановки шкафов с оборудованием заставила меня пройтись по родословной и политическим мировоззрениям его создателей (да, да, это вполне рабочая форма расстановки шкафов с оборудованием), но эта машина наголову превосходила БЭСМ-6. Отечественные ЭВМ могла тягаться лишь с более бюджетными CDC 6400/6500/6700, представляющими из себя урезанные по мощности CDC 6600. При этом стоит отметить, что компания IBM, до этого безраздельно лидировавшая на рынке компьютеров в США, была искренне обескуражена мощностью машины конкурентов, поскольку их лучшая ЭВМ IBM Stretch давала в три раза меньше вычислительных мощностей при значительно больших размерах и возможностях отдела разработки, так что это был настоящий прорыв.

К сожалению, на стороне американцев действительно были производительность и большие экономические ресурсы, но у СССР на руках всё ещё оставался один козырь — архитектура. Вот только с ней была ещё одна проблема: каждая команда инженеров считала своим долгом при создании ЭВМ сделать под неё внутреннюю архитектуру с нуля, часть технических решений тоже с нуля, а иногда даже и свой собственный язык программирования с трансляторами.

Минутка лирического отступления для тех, кто с программированием в жизни никогда не встречался. Если компьютерную архитектуру можно связать аналогией с обычной архитектурой (физическая и программная часть компьютера соотносятся с тем, как сделано само здание и в чём заключается его функционал), то языки программирования — это смесь языков в понимании лингвистов и математиков. Каждый язык программирования отличается от другого, как и самые настоящие языки, но отличается функционалом (поэтому для сильно отличающихся сфер разработки принято использовать разные ЯП), который в него заложен, или на крайний случай самым обычным синтаксисом. Для примера можно взять трёх долгожителей мира IT: языки COBOL (с 1959 года), Fortran (c 1957 года) и Assembler (с 1949 года). COBOL создавался в первую очередь для нужд бизнеса, поэтому хорошо умеет работать с файлами. Fortran был разработан IBM для работы со сложной формульной математикой, где было необходимо максимально оптимизировать расчёты, не потеряв при этом их точность. Assembler же был создан для ускорения операций в тех местах, где могли найтись те или иные «бутылочные горлышки» (будь то ограничения в техническом плане или необходимость провести вычисления за короткий промежуток времени). Ещё в СССР был очень популярен ALGOL 68, созданный под эгидой ЮНЕСКО, для которого всегда было важно быстро и правильно обрабатывать большие объёмы информации. Думаю, на этом короткое лирическое отступление можно завершить, поэтому давайте вернёмся к проблеме очень широкого технического разнообразия в сфере советских ЭВМ 60-х.

А если у вас все машины работают по-разному, к ним не то что периферию одинаковую не подключишь, даже одну программу не факт, что сможешь запустить. Поэтому уже в 1966 году при переходе от обычных транзисторов к микросхемам (от второго поколения ЭВМ к третьему) наверху решили, что пора бы уже и меру знать, создав заказ по опытно-конструкторской работе «Ряд», которая подразумевала всеобщую стандартизацию компьютерной техники путём вольного заимствования элементов из IMB 360. Однако:

«В 1984 году в Москве состоялась выставка «ЭВМ в Советской армии». Я, естественно, приехал. Там было представлено более 200 типов ЭВМ, не считая мелких брызгов. А что такое 200 ЭВМ? Это 200 операционных систем, 200 комплектов ЗИП — запасных изделий и приборов. <…> Я несколько раз выступал в оборонном отделе ЦК КПСС в Москве: «Давайте сделаем одну машину». «Андрей, не лезь», — отвечали мне вежливо, но твердо.
Была «Броня» — базовая телефонная станция Советской армии. В ней три машины разных. Одна для коммутации, другая для управления сетью, третья для работы с оператором. С разными системами команд, с разными операционными системами, три комплекта офицеров надо, чтобы обслуживали. Тысяча номеров всего-то — маленькая станция! Три ЭВМ — куда это годится? И когда я пытался ругаться, мне снова говорили: не лезь.»

Из интервью завкафедрой системного программирования Матмеха СПбГУ, профессора, доктора физмат наук Андрея Николаевича Терехова компании DataArt, 2019

Да, в промежутке с 1966 по 1984 в армии с унификацией что-то не задалось, поэтому у них сохранился ровно тот же зоопарк (и это ведь только образцы, доступные для гражданских) техники, что и до принятия «Ряда». Видимо, на армию она не распространялась. Зато в жизни гражданской всё начало меняться после начала копирования IBM 360. Когда я впервые прочитал об этом заимствовании, у меня возник вопрос: «А как тогда американцы не засудили советскую сторону за полное копирование архитектуры?» Всё просто: тогда традиция регистрации патентных прав на всё в этой вселенной ещё не была так распространена. «Выноси всё, что не прибито, а всё, что прибито, выламывай и тоже уноси.»

Унификация даёт нам что? Правильно, единый набор программ, средство от геморроя и совместимые со всем периферийные устройства (клавиатуры, наушники, а потом и мыши, и всё остальное, что мы сейчас можем воткнуть в порты наших компьютеров, телефонов, телевизоров и холодильников).
А что она у нас отбирает? В первую очередь при заимствовании иностранного мы теряем то преимущество в архитектуре, которое удалось создать ранее благодаря разработке техники с нуля, в то время как на западе некоторые не самые удачные старые наработки ложились в базу для новых. Ещё мы лишаемся полёта мысли и пространства для интеллектуального творчества, которое было важно для многих инженеров. Ведь когда у вас идёт стандартизация, то кроме небольшого улучшения уже имеющихся возможностей техники вы можете сделать приблизительно ничего. Ну, или ищите армейские заказы. Сам академик Лебедев называл полное копирование технологических наработок США путём для догоняющих, однако, как мне кажется, тут всё же стоило пойти на подобные жертвы, что будет объяснено чуть позже.

Хотя и находились смельчаки, разрабатывавшие технику не с архитектурой IBM. Взять, к примеру серию СМ ЭВМ (система малых ЭВМ, 70-80-е годы), основанную на отечественных разработках. Благодаря разделению на четыре подсерии данная линейка была совместима с техникой трёх других американских гигантов IT-индустрии тех времён: HP, DEC (в двух разных линейках) и Intel. А совместимость с западными ЭВМ позволяла продавать советскую технику через одно из подразделений Внешторга в капстраны, что повышало шансы создателей на увеличение бюджета на разработку новых машин и доводку тех, что уже готовились или были недавно пущены в серию.

Что же можно сказать о том, как повлияла ЕС ЭВМ, производство которой велось с начала семидесятых до конца девяностых, на отечественную разработку? Пусть лучше на это ответит приведённая ниже цитата.

«Пять лет назад на конференции в Казани разгорелся спор по поводу копирования ЕС ЭВМ. Хорошо или плохо? Естественно, мы все сказали, что это была огромная стратегическая ошибка. Встает дядька, бывший директор какого-то завода: «Вы все дураки. ЕС ЭВМ разных было выпущено 17 тысяч штук. Мы сделали китайский скачок и помогли сдвинуться с мертвой точки. Да, своровали огромное количество программного обеспечения. <...> «У нас была БЭСМ-6», — говорим. — «Да, с тремя операционными системами говенными».

Из интервью завкафедрой системного программирования Матмеха СПбГУ, профессора, доктора физмат наук Андрея Николаевича Терехова компании DataArt, 2019

Только задумайтесь, силами стран ОВД (СССР, ГДР, Чехословакия, Польша, Болгария), а потом и отдельно в РФ было создано 17 тысяч компьютеров, что как минимум на порядок превосходит то количество ЭВМ, что были произведены в стране до этого. Вся линейка насчитывала в себе больше 20 разных моделей и подразделялась на четыре ряда:

— первый ряд состоял из стандартных машин с производительностью от 2 750 до 700 000 операций в секунду (1971-1978);

— второй ряд представлял собой техническое развитие предыдущих разработок. Здесь уже можно было получить от 150 000 до 4 000 000 операций в секунду (1977-1984);

— третий ряд был во многом аналогичен второму, но после производства он ещё должен был пройти военную приёмку, показав, что способен защитить от несанкционированного доступа данные (1983-1988);

— и последний четвёртый ряд был готов к выпуску уже после распада СССР и отличался от предыдущих моделей в первую очередь объёмом оперативной памяти и рядом на тот момент современных наработок.

На базе ЕС ЭВМ даже хотели сделать суперкомпьютер… Однако стоит помнить, что западная компьютерная архитектура наследовала свои старые проблемы, из-за чего они перекочевали и к нам, создавая ещё больше проблем для совместимости старых и новых моделей советских ЭВМ. К тому же одни США за это время наштамповали ещё больше и частично даже мощнее, что вполне компенсировало программные недостатки. С каждым новым техническим поколением разрыв по суммарным мощностям между странами социалистического блока и США только рос. А ведь нельзя забывать про Великобританию, ФРГ и Японию.

Ну, а потом случился 1991. Финансирование почти всех разработок накрылось медным тазом, похоронив под собой и проект суперкомпьютера на базе ЕС ЭВМ. В живых остался только армейский суперкомпьютер «Эльбрус» (часть из которых работает в гос. организациях и по сей день, а наработки по нему до сих пор используются для создания отечественных процессоров одноимённой линейки для новых суперкомпьютеров), хотя его третья модификация тоже скончалась в безденежье девяностых. А что до организаций, занимавшихся созданием советских ЭВМ, то многие из них как раз тогда и сгинули (поскольку в прямом смысле народных ЭВМ, доступных в больших объёмах для обычного потребителя, у нас в больших сериях не было, в то время как мировой рынок уже начал переход к персональным компьютерам), а если и смогли удержаться на плаву, то только за счёт частных заказов с запада, а в нулевых и из Китая, который, к примеру, закупал у нас вычислительное оборудование для своих АЭС.

«Если у вас есть объемная задача, идите в Индию. Если есть трудная задача, идите в Китай. Если задача, у которой нет решения, идите в Россию.»

Развал СССР безусловно лишил его бывших участников шансов на конкуренцию с западом, поскольку предприятия, раньше находившееся в одних границах, теперь должны были бороться не только с рынком, но и со множеством границ, которые приходилось преодолевать в ходе сотрудничества. Да и про резкий отток многих технических специалистов в Европу и США тоже не стоит забывать. Сейчас ведутся попытки вернуть на прежний уровень эту некогда огромную сферу, но особых перспектив, тем более в сравнении с США и Китаем, тут не видно.

Источник: m.vk.com

Комментарии: