Статья

М-1: Как зарождалась ЭВМ

Интеграция
мобильная версия

Первый шаг на пути создания автоматической цифровой электронной вычислительной машины был сделан (с получением авторского свидетельства на ее изобретение в 1948 году Исааком Семеновичем Бруком и Баширом Искандаровичем Рамеевым. – Прим. CNews). С этого времени И. С. Брука не покидает идея построения электронной цифровой вычислительной машины в своей лаборатории.

Теоретические и научно-технические вопросы создания ЭВМ были решены. Предстояло решить организационные и материально-технические вопросы реализации этой идеи. В начале 1950 г. Брук обратился в Президиум АН СССР с предложением включить в план работы лаборатории электросистем создание АЦВМ М-1. Это предложение было принято, и распоряжением Президиума Академии наук СССР от 22 апреля 1950 г. лаборатория электросистем получила финансирование и дополнительную численность специалистов для разработки АЦВМ М-1.

В апреле 1950 г. на работу к И.С. Бруку был направлен выпускник радиотехнического факультета МЭИ Николай Яковлевич Матюхин, зачисленный в лабораторию электросистем на должность младшего научного сотрудника. В лице Н.Я. Матюхина И.С. Брук получил достойного ученика, который сумел достаточно быстро усвоить идею и основные принципы построения ЭВМ. Он начал свою работу по АЦВМ М-1 разработкой логической схемы трехвходового сумматора и общей схемы арифметического узла. Каждый цифровой разряд арифметического узла содержал трехвходовый двоичный сумматор, четыре триггера числовых регистров, построенных на радиолампах 6Н8С (два регистра слагаемых, регистр переходной единицы, регистр сдвига) и триггер приемной цифровой магистрали, построенный на двух радиолампах 6П6. Один такой разряд содержал 22 радиолампы, из которых 16 ламп (диоды 6х6) использовались в построении логических схем.

По разработанной Н.Я. Матюхиным принципиальной электрической схеме арифметического узла к июню 1950 г. был изготовлен макет. Вид этого макета показывал, что машина с такими элементами будет иметь внушительные размеры, и в «Лаборатории электросистем» могут возникнуть проблемы с ее размещением. Поскольку основное количество радиоламп использовалось для построения логических схем, Брук предложил провести исследования возможности применения в дешифраторах и смесителях полупроводниковых приборов — малогабаритных купроксных выпрямителей КВМП-2-7. К этой работе подключился Ю.В. Рогачев.

Статистические исследования параметров значительного количества этих выпрямителей показали стабильность технических характеристик.
Основные характеристики КВМП-2-7:
— допустимый прямой ток — 4 мА;
— допустимое обратное напряжение — 120 В;
— прямое сопротивление (при величине тока 3–4 мА) — 3–5 кОм;
— обратное сопротивление — 0,5–2 МОм.

Соотношение прямого и обратного сопротивлений (не ниже 1:100) могло надежно обеспечить выполнение диодных функций в логических схемах. С учетом этих параметров была рассчитана электрическая схема сумматора и изготовлен макет арифметического узла, по функциональной схеме идентичный ламповому сумматору.

Исследования макета в статическом режиме надежно показывали правильные результаты операции сложения при всех возможных вариантах сочетания входных данных. Предстояло выяснить возможность их использования в импульсных схемах. Экспериментальные исследования макета в импульсном режиме также показали его стабильную работу в широком диапазоне частот. Определялась стабильность работы схемы с учетом отклонений уровней питающих напряжений и разброса параметров комплектующих изделий. Особое внимание обращалось на стабильность и надежность работы непосредственно самих купроксных выпрямителей. В августе уже стало ясно, что схема работает надежно и что использованные в макете купроксные выпрямители устойчиво выполняют логические функции диодов.

С непосредственным участием И.С. Брука были проведены заключительные испытания макета, которые вновь подтвердили надежную работу логических схем, построенных на базе миниатюрных купроксных выпрямителей. По результатам этих испытаний И.С. Брук принял окончательное решение строить логические схемы машины М-1129.

АЦВМ М-1. Вид с лицевой стороны АУ

Оценивая это решение, И. С. Брук с восторгом, не скрывая эмоций, заявил: «Это прорыв, триумф! Это первый шаг, который откроет путь для каждого инженера иметь цифровую вычислительную машину на своем рабочем месте!..» В своих воспоминаниях Н.Я. Матюхин так оценил значение этого решения: «Одним из принципиальных решений, которое, как мне кажется, предопределило успех нашей первой машины и короткие сроки ее создания, был курс, принятый Бруком, на широкое использование полупроводниковых элементов. Тогда они были представлены в нашей промышленности только малогабаритными купроксными выпрямителями, которые выпускались для нужд измерительной техники. Брук договорился о выпуске специальной модификации такого выпрямителя размером с обычное сопротивление, и мы создали набор типовых схем.

В мастерской при лаборатории началось изготовление и монтаж блоков, и менее чем через год машина уже «задышала». Было в машине несколько тысяч купроксных выпрямителей и только всего несколько сотен радиоламп. Так АЦВМ М-1 стала первой в мире цифровой вычислительной машиной, в которой логические схемы строились на полупроводниковых приборах. Применение купроксных выпрямителей вместо радиоламп позволило значительно уменьшить размеры машины, что кардинально решило вопрос с ее размещением (для установки машины выделялась одна из комнат площадью 15 кв. м), уменьшить потребляемую мощность электроэнергии, что улучшало температурный режим, значительно сократить объем работ, а значит, и сроки изготовления машины».

Реализация решения И.С. Брука использовать в схемах М-1 купроксные выпрямители КВМП-2-7 началась с разработки конструкторской документации на блок одного цифрового разряда арифметического узла. Конструкция блока представляла собой металлическую панель с размещенными в один ряд 10 радиолампами. В начале сентября была выпущена монтажная схема, и началось изготовление цифровых блоков арифметического узла непосредственно в монтажной мастерской лаборатории. Н.Я. Матюхин приступил к разработке МПД (местного программного датчика АУ).

АЦВМ М-1. Вид со стороны магнитного барабана

В сентябре 1950 г. состав лаборатории значительно расширился. Был принят на работу по распределению окончивший техникум Р.П. Шидловский. Для выполнения дипломного проекта в лабораторию направили студентку РТФ МЭИ Т.М. Александриди. Н.Я. Матюхин порекомендовал И.С. Бруку принять на работу студентов 5-го курса РТФ МЭИ М.А. Карцева и Ю.Б. Пржиемского. Приступили к работе в лаборатории электросистем техник Л.М. Журкин и однокурсник Н.Я. Матюхина инженер А.Б. Залкинд.

Были четко определены конкретные исполнители работ по созданию машины и ее узлов. Общее руководство возлагалось на Н.Я. Матюхина. Разработку арифметического узла и элементной базы выполняли Н.Я. Матюхин и Ю.В. Рогачев, разработку главного программного датчика — М.А. Карцев и Р.П. Шидловский. Конструкцию магнитного барабана под техническим руководством И.С. Брука проектировал конструктор И.А. Кокалевский, электронные схемы магнитной памяти — Н.Я. Матюхин и Л.М. Журкин. Т.М. Александриди в качестве темы дипломного проекта получила задание на разработку электронной памяти на электростатических трубках. А. Б. Залкинд и специалист по телеграфной аппаратуре Д.У. Ермоченков приступили к созданию схемы стыковки трансмиттера и широкоформатного телетайпа с арифметическим узлом.

В этот период под научным руководством И. С. Брука с участием Н.Я. Матюхина и М.А. Карцева началась техническая проработка архитектуры машины. Дополнительно И.С. Брук привлек к проекту математика Ю.А. Шрейдера. Периодически в этой работе принимал участие и академик С.Л. Соболев. (Проживая в соседнем доме, он имел возможность часто посещать лабораторию электросистем И.С. Брука.)

Группа в таком составе провела глубокие исследования алгоритмов решения различных задач и пришла к выводу о том, что следует использовать в машине двухадресную систему команд. Был разработан технический проект. Состав машины включал арифметический узел (АУ), главный программный датчик (ГПД), внутреннюю память двух видов — электронную (ЭП) и магнитную (МП), узел ввода/вывода (УВВ). Арифметический узел содержал 24 цифровых блока, блок знака числа, блок для выполнения сложения и вычитания, блок для выполнения умножения и деления, блок формирования и усиления импульсов.

В состав ГПД входило 12 типов блоков: генератор тактирующих импульсов, блок пуска и синхронизации, распределитель импульсов, блок формирования импульсов, регистр адреса, пусковой регистр, селекционный регистр, регистр сравнения, блок операций и шифра, клапанный блок, блок выбора памяти, блок операции сравнения. Планировалась разработка двух видов запоминающих устройств — магнитного (с магнитным барабаном) и электронного (с использованием электростатических трубок).

Опираясь на практический опыт разработки новых серий асинхронных двигателей, полученный во Всесоюзном электротехническом институте им. В.И. Ленина, и опыт создания в годы Великой Отечественной войны синхронизатора авиационной пушки, обеспечивающего возможность стрелять через вращающийся пропеллер, Брук принял в 1950 г. решение о проектировании магнитного барабана для использования в качестве запоминающего устройства магнитной памяти машины М-1.

Основным узлом этой магнитной памяти являлись вращающийся дюралюминиевый цилиндр, покрытый ферромагнитным слоем, и магнитные головки, расположенные по образующей цилиндра. Электронная часть содержала генераторы импульсов записи, усилители чтения, клапан чтения. В качестве запоминающих элементов электронной памяти планировалось использование электростатических трубок широкого применения. Узел электронной памяти включал блок из девяти электростатических трубок ЛО-737, схемы строчной развертки, клапаны чтения-записи, схемы кадровой развертки, схему подсветки, генераторы ВЧ, усилители чтения, формирователи строба.

В качестве основного оборудования узла ввода-вывода использовалась стандартная телеграфная аппаратура (телетайп и трансмиттер). Инструкции и числа, которыми необходимо заполнить запоминающие устройства машины, набиваются перфоратором телетайпа на стандартной перфорационной ленте и с помощью трансмиттера вводятся в машину. Вывод цифровых результатов осуществляется в виде печатания таблиц на широкоформатном телетайпе. Широким фронтом началась разработка конструкторской документации на электронные блоки узлов машины. Оформленные схемы передавались в монтажную мастерскую лаборатории для изготовления.