ПРИЛОЖЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Автоматическая цифровая вычислительная машина

(Краткое описание)

Член-корр. АН СССР И. С. Брук

Инженер Б. И. Рамеев

Москва, август 1948 года

ОГЛАВЛЕНИЕ

I. Введение.

II. Общее описание АЦВМ.

III. Описание отдельных элементов АЦВМ.

1. Устройство для приготовления программной ленты и перевода входных данных из десятичной в двоичную систему.

2. Главный программный датчик.

3. Определитель знака, равенства и неравенства двух чисел.

4. Сумматор.

5. Умножитель.

6. Делитель.

7. Накопитель.

8. Интерполятор.

9. Устройство для перевода результатов вычисления из двоичной системы в десятичную и печатания их на бумаге.

IV. Описание некоторых релейных элементов АЦВМ.

1. Магнитное реле с двумя стабильными состояниями.

2. Магнитный триггер.

3. Магнитное реле, срабатывающее только при одновременном поступлении нескольких управляющих сигналов.

4. Магнитное реле, срабатывающее при поступлении одного управляющего сигнала на любой из нескольких входов.

5. Дешифратор.

V. Приложение. Таблица основных параметров быстродействующих цифровых вычислительных машин, разработанных и находящихся в разработке в Америке.

I. Введение

В последнее время в иностранной печати стали появляться сведения о построенных и находящихся в постройке быстродействующих цифровых вычислительных машинах.

Первая машина, пущенная в Америке во время войны, — работающая на счетно-импульсном принципе посредством электромеханических счетчиков, представляет собой машину общего назначения для решения различных математических задач методом исчисления конечных разностей. («Марк-1». — Прим. авт.)

Машина — сравнительно медленного действия с весьма ограниченной емкостью «памяти» (всего 60 чисел).

По имеющимся сведениям, эта машина широко использовалась наряду с дифференциальными анализаторами для решения ряда задач, связанных с разработкой пресловутого «Манхеттенского» проекта. Вслед за первой появилась вторая уже чисто электронная машина «ЭНИАК», предназначенная в первую очередь для решения задач внешней баллистики. Машина была построена по заказу артиллерийского ведомства для Эбердинского артиллерийского испытательного полигона.

Мы не останавливаемся на описании устройства этой машины, известном лишь в общих чертах по нескольким беглым обзорам, имеющимся в литературе, и на принципиальных недостатках ее и ее предшественника — Гарвардской машины. Существенно то, что в последнее время построением новых усовершенствованных машин занято несколько организаций в Америке. Строятся новые машины в Гарварде, две машины для «Бюро стандартов» и ряда университетов, институтов и специальных исследовательских центров армии и флота. Приступили к сооружению подобной машины в Англии, проектируется машина и во Франции.

В литературе немало сказано о различных задачах, для решения которых предназначаются эти машины. Составление таблиц функций, астрономические вычисления, обработка статистических данных и даже составление библиографических справочников. Однако не подлежит сомнению, что главным назначением этих машин, на сооружение которых затрачиваются очень большие средства, является решение ряда научно-технических задач, связанных с выполнением программы вооружений и возникающих при разработке объектов современной военной техники.

Так, например, «Бюро стандартов» — организация с функциями, аналогичными Палате мер и весов, организовало у себя большой отдел, в котором разрабатываются проблемы управляемых снарядов. Этим же вопросом занимаются, насколько можно судить только по отдельным отрывочным данным из журналов, несколько фирменных исследовательских лабораторий и специальные исследовательские центры армии и флота.

Одна из машин предназначена главным образом для выполнения вычислений, связанных с прогнозом погоды — задачи, имеющей немаловажное значение во время войны.

Наконец, имеется еще одна область, о которой, разумеется, уже ничего не пишут, но где подобного рода вычислительные устройства или отдельные узлы этих устройств могут играть очень большую роль. Это вопросы криптографии, имеющей исключительное значение в области разведки[48].

Подробное перечисление областей применения подобной машины не представляется возможным. Поэтому ограничимся общим указанием современных тенденций в методах научно-исследовательской и конструкторской работы, связанной с созданием новых объектов военной техники. Объекты эти очень дороги. Особенно велики затраты на сооружение первых образцов.

Путь от первоначального замысла до первого образца очень долог. Поэтому крайне важно заменить дорогостоящий эксперимент — расчетом. Всем известно, как труден и практически невыполним этот расчет даже в том случае, когда задача может быть более или менее удовлетворительно сформулирована математически.

Точность результата должна быть высокой, т. к. абсолютная погрешность при тех значениях величин, с которыми приходится иметь дело (например, большие скорости и дальности в управляемых снарядах), должна быть в узких границах.

Такие задачи немыслимо решить в сколь либо приемлемый срок, пользуясь услугами вычислительного бюро. Непригодны для этой цели и всякого рода вычислители и модели в силу их «врожденной» неточности. Применение для решения задач быстродействующих цифровых вычислительных машин означает прежде всего огромную экономию времени, материальных средств и труда квалифицированных людей и позволяет обходиться сравнительно небольшим штатом высококвалифицированных специалистов, задачей которых является лишь формулировка задачи и оценка результатов.

Отмеченные выше обстоятельства настоятельно диктуют необходимость скорейшего сооружения и ввода в действие одной или нескольких быстродействующих цифровых вычислительных машин, предназначенных для нужд важнейших научных центров.

Кроме машин общего назначения, представляется крайне целесообразным сооружение специализированных машин, например, для решения баллистических задач, прогноза погоды и др. Наконец, для некоторых совершенно специальных задач необходимо сооружение машин, использующих многие из элементов (счетных, программных), применяемых в цифровых машинах. Это позволило бы методы решения этих специальных задач существенно усовершенствовать и получать положительные результаты чаще и быстрей, чем удается теперь.

Автоматическая цифровая вычислительная машина, краткое описание которой приведено ниже, основана на оригинальной схеме.

Схемы вычислительных элементов — сумматора, умножителя, делителя и интерполятора, устройства для перевода числа из десятичной системы в двоичную и обратно, а также ряд релейных схем нигде никем не описаны и предлагаются, насколько нам известно, впервые. Объективное сопоставление с построенными или сооружаемыми за границей машинами (по имеющимся сведениям) показывает, что предлагаемая нами машина обладает принципиально существенными преимуществами (о них сказано ниже в описании). В настоящем проекте дается описание принципиальной схемы машины и составляющих ее элементов и поэтому требуется разработка детального проекта и большой объем экспериментальной работы по важнейшим (типовым) узлам прежде, чем можно будет приступить к изготовлению и сборке машины.

II. Общее описание АЦВМ

АЦВМ является машиной общего назначения.

1). Вычисления производятся автоматически. Участие оператора заканчивается на подготовке машины для решения определенной задачи.

2). Вычисления осуществляются в электрических релейно-кодовых цепях. Механически движущиеся части имеются лишь в небольшом числе элементов машины — программном датчике, итогопечатающем[49] устройстве и некоторых других.

3). Процесс вычисления протекает с очень большой скоростью. Машина способна выполнять до 2000 арифметических операций в секунду.

4). Машина является «цифровой». Вычисления сводятся к арифметическим действиям. Исходные данные и результаты представляются десятизначными числами (в десятичной системе). Сам вычислительный процесс проводится с числами в двоичном представлении.

В основу проекта АЦВМ были положены следующие требования, которым должна удовлетворять быстродействующая цифровая вычислительная машина:

1). Машина должна иметь устройства, выполняющие основные арифметические операции: сложение, вычитание, умножение и деление. В зависимости от общей схемы построения машины может быть на каждую операцию свое устройство или одно устройство для всех операций, так как устройство, выполняющее сложение, может производить вычитание с помощью дополнения числа, а умножение — последовательным сложением, деление — последовательным вычитанием. Применение отдельного устройства для каждой операции значительно увеличивает скорость работы машины и уменьшает необходимую емкость «памяти».

2). Для обеспечения автоматичности и большой скорости работы машина должна иметь устройство для накопления («запоминания») как промежуточных, так и окончательных результатов вычисления. Накопитель должен принимать и передавать числа со скоростью не меньшей, чем скорость выполнения арифметических операций, продолжительность которых в электронных вычислительных машинах может быть порядка десятка микросекунд.

Накопитель должен также иметь достаточную емкость, так как от нее зависит диапазон решаемых задач. Рациональным составлением решения задач, а также применением отдельных устройств для выполнения арифметических операций можно сократить необходимую емкость накопителя, но и в этом случае для решения некоторых задач емкость должна быть значительной (например, на несколько сот тысяч чисел для решения алгебраических уравнений с несколькими сотнями неизвестных).

3). Должно быть устройство для введения в машину чисел в виде таблицы. Чтение таблицы и, если нужно, интерполирование может производиться основными узлами машины или с помощью отдельного интерполятора. Применение отдельного интерполятора увеличивает скорость работы машины, упрощает программирование и уменьшает необходимую емкость памяти.

4). Быстродействующая цифровая вычислительная машина должна иметь орган для управления выбором устройств, участвующих в операции, и последовательностью вычислительных операций, в соответствии с планом решения данной задачи. Скорость управления должна быть одного порядка со скоростью выполнения арифметических операций.

Орган управления должен выбирать по ходу вычисления (применяя соответствующий критерий) между двумя или более различными последовательностями действия и проводить операцию в соответствии с результатом выбора.

Для этого должно быть устройство, определяющее знак числа, а также равенство и неравенство двух чисел.

6). Машина должна иметь входное и выходное устройство для ввода числовых данных и для выпуска результатов вычислений.

Входное и выходное устройство должны работать со скоростью органа управления.

7). Наконец, цифровая вычислительная машина должна иметь средство для «переноса» чисел между различными частями машины и для передачи программных сигналов.

Рис. 1. Автоматическая цифровая вычислительная машина. Блок-схема

АЦВМ состоит из следующих основных элементов:

1). Входного блока, содержащего клавиатуру для записи входных числовых данных и устройство для приготовления программной ленты и автоматического перевода входных данных из десятичной системы в двоичную систему счисления.

2). Главного программного датчика, управляющего работой всей машины. Главный программный датчик, в соответствии с планом решения данной задачи, записанном по определенному (двоичному) коду на программную ленту, выбирает отдельные узлы машины, участвующие в данной операции, управляет последовательностью и видами вычислительных операций.

3). Определителя знака, равенства и неравенства двух чисел, дающего возможность главному программному датчику выбирать по ходу вычисления между двумя или более различными последовательностями операций и проводить их в зависимости от результата, доставляемого определителем.

4). Двух сумматоров.

5). Умножителя.

6). Делителя.

7). Накопителя «для хранения» числовых данных, промежуточных результатов вычислений и т. д.

8). Интерполятора для автоматического вычисления промежуточных значений функции, заданной таблицей для небольшого числа дискретных значений аргумента.

Интерполятор содержит устройство для автоматического набора таблицы.

9). Выходного устройства для записи результатов вычислений на ленту (в двоичном представлении).

10). Устройства для перевода результатов вычислений из двоичной системы в десятичную и печатания их на бумаге.

11). Цифровых и программных магистралей для связей между элементами машины и передачи программных сигналов.

Блок-схема АЦВМ показана на рис. № 1.

План (программа) решения задачи в виде определенной последовательности действий над числами с помощью входного устройства записывается на программную ленту по логической схеме: «откуда» — «куда» — «что делать». Это соответствует вычислительной схеме при численном (разностном) методе решения задачи.

Для того чтобы машина могла работать по такой схеме, все ее элементы имеют общую структуру входных и выходных цепей, показанную на рис. 2. (Рисунок опущен. — Прим. авт.)

Все цифры числа (и знак числа) от одного элемента машины к другому переходят одновременно. Через всю машину проходит одна цифровая магистраль (33 линии для цифр и одна для знака), к которой через «клапанные» устройства подключены цифровые входы и выходы всех элементов машины.

Клапанные устройства управляются главным программным датчиком; выбор их производится с помощью дешифраторов программного сигнала, подключенных к программной магистрали, проходящей также через всю машину. Каждому дешифратору присвоено число, двоичное представление которого является ключом для данного дешифратора. Таким образом, если на программной ленте в полосе «откуда» записан номер (ключ) дешифратора выхода умножителя, а в полосе «куда» — номер дешифратора входа сумматора № 1, то число из умножителя перейдет в сумматор. В полосе программной ленты «что делать» указывается действие, которое должно быть произведено в данном элементе машины (например, принять, передать, «стереть», умножить и т. д.). На программной ленте, кроме номеров дешифраторов и командных сигналов, наносится в каждой строке (для каждого такта) пусковой сигнал, запускающий элементы машины, участвующие в вычислении в данном такте и в тех тактах программы, где это необходимо, в полосе «цифры» записываются входные данные, заранее переведенные в двоичную систему.

Входное устройство, служащее для приготовления программной ленты, является переходным устройством между человеком-оператором и машиной и принципиально может работать только на небольших скоростях. Поэтому оно отделено от быстродействующей машины. Программная лента для решения данной задачи приготовляется заранее. Для устранения разрыва между производительностью машины и входного устройства можно предусмотреть несколько входных (приготовительных) устройств для одновременной подготовки к решению нескольких задач. Программная лента при использовании в машине практически не изнашивается и поэтому может быть сохранена для повторного использования при решении аналогичной задачи. В этом случае входные данные должны быть переписаны. При многократном повторении одной и той же последовательности вычислений программная лента может быть склеена в кольцо.

В машине возможен и другой способ введения числовых данных. Числа записываются не на программной ленте, а на специальной «числовой» ленте.

При этом способе числовые данные читаются с небольшого (по емкости) накопителя, который постоянно пополняется с «числовой» ленты при получении сигнала от главного программного датчика. Этот способ применяется и в устройстве для набора таблицы.

Программная лента, приготовленная по указанной выше логической схеме, закладывается в главный программный датчик, который «читает» программную ленту и, в соответствии с записью на ней, выбирает отдельные элементы машины, участвующие в данной операции, управляет последовательностью и видами отдельных операций.

Необходимо отметить, что хотя управление машиной полностью централизовано, главный программный датчик выбирает отдельный элемент машины и дает команду для начала операций. Сама операция проводится автоматически и независимо от главного программного датчика с помощью автономного программного датчика данного элемента. Например, главный программный датчик выбирает умножитель и дает сигнал «умножить». С этого момента местный программный датчик умножителя управляет последовательным сложением частичных произведений столько раз, сколько цифр в множителе, сдвигая частичное произведение каждый раз на один разряд влево. Самостоятельный цикл вычислений отдельных элементов заканчивается к началу следующего такта программы (за исключением интерполятора). Одновременно (в один и тот же такт) может работать только один элемент машины (за исключением интерполятора). АЦВМ работает вынужденными тактами, длительность которых целиком определяется скоростью движения программной ленты. Таким образом, скорость машины легко регулируется от очень малых значений до предельной, определяемой скоростью выполнения арифметических операций и достигающей 2000 тактов в секунду.

В тех случаях, когда необходимо в зависимости от знака или величины модуля промежуточного результата вычисления изменить ход решения задачи, на программной ленте наносятся оба или более ходов решения и в полосе «что делать» отмечается, в каком случае данный ход решения не должен быть использован («если=», «если—», «если+»). В определитель знака равенства и неравенства двух чисел посылается число, с которым сравнивается промежуточный результат, и сам промежуточный результат.

В зависимости от результата, полученного на выходе определителя, будет выбран необходимый ход решения.

В АЦВМ для каждой арифметической операции (кроме вычитания) и для интерполирования применяется отдельное устройство. Это значительно упрощает программирование, увеличивает скорость работы машины и сокращает необходимую емкость накопителя.

В машине применены два сумматора, один из которых может быть использован в качестве накапливающего для суммирования рядов.

Для «запоминания» числовых данных и промежуточных результатов вычислений числа посылаются в накопитель, составленный в виде таблицы. Выбор числа из накопителя производится записью на программной ленте двух ключей, соответствующих номерам дешифраторов строки и столбца, на пересечении которых находится данное число, поэтому занесение числа и получение из накопителя требуют двух тактов.

Как уже упоминалось выше, необходимая емкость накопителя зависит от характера решаемой задачи, плана решения и количества отдельных устройств, выполняющих арифметические операции. Не предрешая сейчас вопрос о емкости накопителя, заметим, что в АЦВМ емкость накопителя может быть небольшой, благодаря применению отдельных устройств для выполнения арифметических действий и интерполятора. Как видим из таблицы № 2[50], емкость накопителя американских и английских машин, находящихся в разработке, колеблется от 1000 до 5000 чисел. Необходимо отметить, что даже сравнительная большая емкость накопителя может оказаться недостаточной для решения некоторых задач, например, для решения системы алгебраических уравнений с несколькими сотнями неизвестных.

Для таких задач емкость накопителя должна достигать нескольких сот тысяч чисел. Если задаться целью вычислять с максимальной скоростью машины, то такая емкость едва ли осуществима из-за чрезвычайного усложнения и удорожания конструкции машины. Поэтому при решении задач, требующих большой емкости «памяти», следует работать на меньшей скорости и применять «ленточный» накопитель, емкость которого может быть весьма велика. Принцип действия «ленточного» накопителя заключается в следующем: промежуточные результаты вычислений записываются на ленту точно так же, как результаты вычислений в выходном устройстве, в том порядке, в каком они получаются, затем поступают в машину как во втором, описанном выше, способе введения числовых данных — в накопитель, который постоянно «заполняется» с этой ленты числами, снимаемыми в том порядке, в каком они участвуют в дальнейших вычислениях.

Весьма важным для цифровой вычислительной машины является возможность введения числовых данных в виде таблиц. Для этого должно быть устройство для чтения таблиц и, если нужно, интерполирования. В АЦВМ таблица может быть составлена двояко:

а) функция представляется в виде ряда

f(a + h) = С0 + C1h + С2h² + С3h³ +…

б) в таблицу заносится аргумент и соответствующие значения коэффициентов. С0, Cl, С2, С3… Сn, в) в таблицу заносится аргумент и необходимое число табличных разностей. В задачах

с монотонно изменяющимся аргументом таблица может автоматически, по мере необходи

мости, обновляться с помощью устройства для набора таблицы. Чтение таблицы и интерполирование в АЦВМ производится отдельным интерполятором, представляющим собой упрощенную цифровую вычислительную машину с фиксированным программированием, работающую так же, как основная машина.

Для данной интерполяционной формулы программа не меняется и наносится не на ленту, а на барабан, непрерывно вращающийся с большой скоростью. В цепи пускового сигнала главного программного датчика интерполятора имеется клапанное устройство, управляемое главным программным датчиком машины. Если после передачи аргумента в таблицу открыть цепь пускового сигнала главного программного датчика интерполятора, то начнется цикл вычислений по интерполяционной формуле, нанесенной на барабане. После одного оборота барабана вычисления закончатся, результат получится во втором (накапливающем) сумматоре интерполятора, выход которого включен в цифровую магистраль машины. Для разных интерполяционных формул должны быть разные программные барабаны, которые могут заменяться перед пуском машины. Предусматривается возможность одновременного применения нескольких программных барабанов, выбор которых (интерполяционной формулы) производится главным программным датчиком. В интерполяторе могут быть несколько таблиц для различных функций, набираемых с помощью устройства для набора таблицы.

Кроме таблиц, набираемых извне, может быть таблица, которая набирается машиной по ходу вычислений. Чтение этой таблицы производится тем же самым интерполятором. Предусматривается интерполирование до 5-го порядка. Однако, при удвоении таблицы в ширину (присоединением такой же таблицы с нанесенными на ней следующими табличными разностями), порядок интерполирования может быть повышен. Длительность интерполирования зависит от применяемой интерполяционной формулы и может быть порядка нескольких десятков тактов машины. Так как интерполятор работает автономно, то он может проводить вычисления параллельно с другими операциями, выполняемыми машиной, и поэтому не замедляет процесс вычислений. Интерполятор может быть использован также для вычисления некоторых часто используемых функций, представленных в виде ряда.

Результаты вычислений записываются (в двоичной системе) на ленту в выходном устройстве.

Лента, на которой записывается результат вычислений, движется со скоростью программной ленты и поэтому запись результата не вызывает замедления работы машины.

Результат, записанный на ленту в двоичной системе, переводится в десятичную и отпечатывается на бумаге. Устройство, предназначенное для этого, не связано с машиной и работает с относительно небольшой скоростью; к выходному устройству относится все сказанное выше о входном устройстве.

Общая электрическая схема АЦВМ показана на рис. 3. (Схема опущена. — Прим. авт.) Для упрощения схемы в цепочках счетчиков и клапанных устройств показаны только крайние, а средние заменены точками.

В интерполяторе показан только один программный барабан и одна таблица. Подробное описание схемы отдельных узлов дается ниже.

Общая схема АЦВМ достаточно сложна, однако она составлена из нескольких типовых простых схем: бинарных счетчиков, работающих по принципу «включено-выключено», клапанных устройств, триггеров и т. д. Больше всего в схеме «клапанных устройств». Если клапанные устройства составлять из электронных ламп, то общее число электронных ламп в машине существенно увеличивается. «Клапанные» лампы составляют 70 % от общего количества ламп.

Учитывая это обстоятельство, мы предусмотрели возможность замены электронных ламп в клапанных схемах более простыми элементами. Возможность такой замены следует из таблицы № 2, где показано соответствие между различными релейными элементами. Из этой таблицы видно, что клапанные схемы могут быть реализованы не только с помощью многоэлектродных ламп, но также с помощью магнитных и выпрямительных схем. Хотя постоянная времени магнитных схем значительно больше, чем у электронных, тем не менее, при использовании повышенной частоты и, если учесть, что скорость программирования не может быть очень большой, магнитные схемы могут быть применены в целом ряде мест. Не предрешая сейчас места применения тех или иных схем (магнитных или выпрямительных) в качестве клапанных устройств, мы предполагаем, что большая часть клапанных устройств может быть выполнена по таким схемам. Не останавливаясь на преимуществах и недостатках релейных элементов, […] заметим, что замена электронных ламп в клапанных устройствах значительно упрощает конструкцию, увеличивает надежность и долговечность, улучшает эксплуатационные качества машины.

Особенно перспективным для клапанных схем является применение кристаллических диодов (выпрямителей). К сожалению, производство этих элементов у нас пока не налажено. Однако можно не сомневаться, что это производство будет освоено, т. к. кристаллические диоды находят широкое применение для других целей в важнейших областях современной радиотехники и прежде всего в радиолокации.

Миниатюрные размеры кристаллических диодов, их пригодность для очень высоких частот, отсутствие накаленного катода, с которым связаны ограниченный срок службы и большой расход энергии, выделяющейся в виде тепла, позволит осуществить в высшей степени компактные и дешевые вычислительные блоки, годные не только для стационарных, но и для передвижных устройств. Последнее крайне важно для военных применений.

Общее количество электронных ламп в чисто электронном варианте машины 3500, а при замене клапанных устройств на магнитные реле и схемы из выпрямителей элементов число электронных ламп 1000.

(Оставшиеся разделы отчета не публикуются. — Прим. авт.)

Таблица 2

Основные параметры быстродействующих цифровых вычислительных машин, разработанных и находящихся в разработке в США, Англии и Франции на 1948 г.

(составлена Б. И. Рамеевым)

Проектные соображения по организации лаборатории при Институте точной механики и вычислительной техники для разработки и строительства автоматической цифровой вычислительной машины[51]

Член-корр. АН СССР И. С. Брук

Инженер Б. И. Рамеев

Москва, октябрь 1948 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Общая часть.

2. Программа научно-исследовательских, конструкторских и производственных работ.

3. Научные и производственные связи с другими НИИ и заводами.

4. Основные принципы и этапы разработки.

5. Состав лаборатории.

6. Методика определения количества оборудования и рабочей силы.

7. Характеристика основных и вспомогательных отделений лаборатории.

8. Сводная ведомость рабочей силы.

9. Сводная ведомость оборудования.

10. Сводная ведомость капитальных затрат.

11. Материалы и детали.

12. Годовой фонд заработной платы.

13. Сводная ведомость годовых расходов лаборатории.

14. Строительная часть.

1. ОБЩАЯ ЧАСТЬ

Предлагаемый проект организации лаборатории при Институте точной механики и вычислительной техники для разработки и строительства автоматической цифровой вычислительной машины является предварительным и предназначен для ориентировочного определения объема необходимых затрат, количества различного лабораторного и станочного оборудования, структуры, количества научных и инженерно-технических работников и рабочей силы, принципов конструирования, организации работ и т. д.

Строительство электронных цифровых вычислительных машин является новой областью электронной техники, и поэтому совершенно отсутствует какой-либо опыт как у нас в Советском Союзе, так и за рубежом. Это обстоятельство потребует выполнения значительного объема научно-исследовательских и конструкторских работ большим коллективом специалистов: математиков, радиотехников, электротехников, конструкторов и т. д. В силу этого же обстоятельства затрудняется и проектирование лаборатории для разработки и строительства таких машин, так как отсутствуют соответствующие укрупненные измерители.

Настоящим проектом предусматривается создание лаборатории, состоящей из научно-исследовательского, конструкторского отделений, собственных производственных мастерских, способных выполнить весь основной объем работ по изготовлению машины, и соответствующих вспомогательных отделов.

Ввиду исключительной важности быстродействующих вычислительных машин для разработки основных военных объектов необходимо срочно начать разработку и строительство этих машин. Поэтому данный проект предусматривает выделение каким-либо министерством соответствующих мастерских с зданиями и сооружениями, достаточными и подходящими для переоборудования, так как новое строительство потребовало бы значительного времени. Из нового строительства проект предусматривает только жилищное строительство, как один из основных факторов, определяющих успешное обеспечение лаборатории необходимыми кадрами. Ввиду этого в проекте не учитываются капитальные затраты на строительство производственных зданий, сооружений, по снабжению электроэнергией, водоснабжению, канализации, отоплению и т. п.

Для облегчения выбора соответствующих мастерских для переоборудования, в проекте приводятся цифры необходимых производственных площадей, количество и структура основного оборудования, раб. силы и т. п.

В течение времени, порядка 1–1,5 лет, производственные мастерские не будут заняты изготовлением основных объектов разработки, так как в это время будут вестись исследования, конструирование и изготовление макетов отдельных узлов машин, поэтому целесообразно, в порядке перестройки существующих мастерских, обучения производственных кадров и освоения новой технологии электронной аппаратуры, производить в производственных мастерских, по чертежам других институтов некоторые измерительные приборы, которые в настоящее время невозможно приобрести готовыми, но без которых немыслима успешная разработка основного объекта. В первую очередь имеются в виду осциллографы со ждущей разверткой для наблюдения и измерения импульсов, импульсные генераторы разработки НИИ-17 МАП и некоторые другие.

Проектом не предусматриваются дополнительные капитальные затраты, связанные с производством измерительной аппаратуры в течение периода развертывания работ лаборатории, так как по характеру аппаратуры в этом нет необходимости.

При проектировании научно-исследовательского и конструкторского отделений лаборатории были использованы некоторые относительные показатели научно-исследовательских институтов, занимающихся разработкой радиолокационной аппаратуры, как наиболее соответствующие по тематике. При проектировании производственных мастерских были использованы некоторые опытные данные ГСПИ-5 для заводов, производящих радиоаппаратуру.

Проект составлен по ориентировочной программе научно-исследовательских, конструкторских и производственных работ. Более точно программа должна быть определена после составления эскизного проекта машины.

2. ПРОГРАММА НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ, КОНСТРУКТОРСКИХ И ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ РАБОТ

Необходимо в течение 2,5 лет разработать, сконструировать и построить одну автоматическую цифровую вычислительную машину общего назначения, работающую по релейно-кодовому принципу со скоростью до 2000 арифметических операций в секунду.

Так как эта машина строится по новым схемам, требующим значительного объема научных и экспериментальных работ, не представляется возможным в настоящий момент точно определить время, необходимое для разработок и строительства. Ориентировочно принимается 2,5 года.

Проектирование конструкторского бюро и производственных мастерских производится на основании приведенной программы.

В качестве изделия-представителя взята 20-ламповая электронная схема средней сложности (приемник радиолокационной установки), для которой имеются опытные данные по трудоемкости конструкторских и сборочно-монтажных работ для условий опытного завода научно-исследовательского института и которая наиболее подходит по характеру работы.

Таблица № 1

Приведенная программа

3. НАУЧНЫЕ И ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ СВЯЗИ С ДРУГИМИ НИИ И ЗАВОДАМИ

Научно-исследовательские и производственные работы лаборатории организованы на основе кооперирования с другими НИИ и заводами, которые проводят разработку некоторых специальных устройств и материалов, а также поставляют готовые детали и полуфабрикаты.

Разработки, выполняемые другими НИИ, а также детали и полуфабрикаты, поставляемые другими заводами, указаны в таблице № 2.

Таблица № 2

4. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ЭТАПЫ РАЗРАБОТКИ

Машина, подлежащая разработке, конструированию и изготовлению в лаборатории, представляет собой уникальное, в целом очень сложное электронное устройство. Она составлена из большого количества нескольких основных типов схем и элементов. Кроме чисто электронных и магнитных узлов имеются также электромеханические узлы. Машина отличается не только конструктивной и схемной сложностью, но и новизной принципов действия и схем, поэтому требуется выполнить большой объем как производственных, так и научно-исследовательских работ. Это обстоятельство, а также характер конструкций и схем машины определили основную структуру лаборатории.

Лаборатория проектируется в составе научно-исследовательского отделения, конструкторского бюро, производственных мастерских и административно-хозяйственных служб. Научно-исследовательское отделение состоит из нескольких групп, разрабатывающих отдельные сходные между собой по принципу действия или назначения элементы машины.

В задачу этих групп входит разработка, изготовление и испытание макетов отдельных элементов и узлов. Для ускорения и облегчения экспериментов, по опыту других лабораторий в некоторых группах предусматривается станочное оборудование для механических работ по макетированию.

Как уже упоминалось выше, разрабатываемая машина составлена из нескольких основных типов блоков и узлов. Из этих же блоков и узлов в дальнейшем могут быть составлены цифровые вычислительные машины для других специальных назначений. Поэтому на разработку и исследование их должно быть обращено особое внимание. Для этих основных блоков должна быть определена зависимость всех технических и конструктивных показателей от разброса параметров деталей, нестабильности источников питания, влияния температуры, влажности и т. д.

Должны быть составлены таблицы и монограммы для выбора деталей в зависимости от различных условий: скорости работы, длительности импульса, входных и выходных напряжений, стабильности источников питания и т. д.

На основании результатов разработок и испытаний макетов конструкторское бюро конструирует и составляет рабочие чертежи для изготовления машины в производственных мастерских.

При конструировании должно быть обращено особое внимание на нормализацию и взаимозаменяемость деталей, блоков и узлов. Те из готовых деталей и изделий, которые подвержены износу, должны быть исключительно отечественного производства из числа освоенных или намечаемых к освоению.

При конструировании отдельных блоков, узлов и всей машины в целом должно быть обращено внимание на легкость доступа к деталям для осмотра и замены их.

Габариты и вес машины не лимитируются.

Производственные мастерские в целом носят характер индивидуального, опытного производства, но в то же время некоторые элементы могут изготовляться мелкими сериями. Значительную долю трудозатрат составляют сборочные и монтажные работы.

Изделия, в основном простой формы и невысокой точности, монтируются в отдельные блоки, собираемые на каркасном основании в сложные и деликатные устройства, требующие тщательной настройки и регулировки. Изготовление некоторых деталей небольшими сериями потребует специального инструмента и приспособлений.

Работы по разработке, конструированию и изготовлению делятся на два этапа:

1. Разработка и составление эскизного проекта.

2. Разработка и изготовление машины.

Эти два этапа делятся на следующие подэтапы:

1. Разработка и составление эскизного проекта:

а) составление общей блок-схемы машины;

б) составление блок-схемы отдельных узлов; в) заполнение блок-схемы старыми и вновь сочиненными схемами;

г) теоретический анализ вновь сочиненных схем;

д) экспериментальная проверка некоторых схем;

е) составление эскизного проекта и детализация объема дальнейших работ.

2. Разработка и изготовление машины:

а) экспериментальная проверка отдельных схем;

б) экспериментальная проверка отдельных узлов;

в) экспериментальная проверка совместной работы узлов;

г) экспериментальное исследование с целью определения допустимого разброса деталей, стабильности в рабочих условиях, требуемой стабильности напряжения, требуемой мощности, рассеиваемой мощности и т. д.;

д) корректировка схемы с целью устранения нерационально использованных ламп, деталей и т. д.;

е) рациональная разбивка схемы на электрические подузлы;

ж) составление заданий для конструирования и конструирование машины; з) изготовление машины; и) налаживание, регулировка и испытание машины;

к) составление методики обнаружения и устранения неисправностей;

л) составление отчета и инструкции к пользованию машиной;

м) предварительные эксплуатационные испытания машины;

о) внесение изменений и исправление недостатков;

п) государственные испытания и сдача машины.

6. СОСТАВ ЛАБОРАТОРИИ

На основании анализа научно-исследовательских и конструкторских работ, а также видов обработки изделий в производственных мастерских и опыта других НИРГ и лабораторий, проектом установлен состав Лаборатории, указанный в таблице № 3.

Таблица № 3

В эту таблицу не включено энергетическое и складское хозяйство (котельные, трансформаторная подстанция), так как проектом предусматривается не новое строительство, а только переоборудование готовых помещений и мастерских.

Характеристики «Уралов»

«Урал» — семейство цифровых вычислительных машин общего назначения, ориентированных на решение инженерно-технических и планово-экономических задач. Первые четыре модели семейства — «Урал-1», «Урал-2», «Урал-3» и «Урал-4» — были ламповыми, «Урал-11», «Урал-14» и «Урал-16» — на полупроводниковых элементах.

Созданная в 1957 году ЭВМ «Урал-1» по производительности относилась к малым машинам (в основном инженерного применения) и отличалась дешевизной. Машина имела развитую систему команд (несколько минимальных форматов) с безусловной и условной передачей управления, систему сигнализации и ручное управление, позволявшее следить за исполнением программы и вмешиваться в ход ее выполнения для внесения исправлений в процессе отладки. Основные технические характеристики машины: система счисления — двоичная, форма представления чисел — с фиксированной запятой, разрядность — 36, система команд — одноадресная, быстродействие — 100 операций в секунду. Оперативное ЗУ машины — на магнитном барабане, объемом 1024 слова (скорость вращения — 6000 об./мин), дополнялось внешним ЗУ на магнитной ленте (40 тыс. слов) и перфоленте (10 тыс. слов). В качестве устройства ввода-вывода использовались клавишное печатающее устройство и устройство на перфоленте.

В дальнейших моделях — «Урал-2», «Урал-3», «Урал-4» было введено ферритное ЗУ, расширена емкость внешних ЗУ на барабане (8?8192 слов) и магнитной ленте (12?260 тыс. слов), а также значительно расширен набор устройств ввода-вывода. Характерно, что уже машины «Урал-2», «Урал-3», «Урал-4» образовывали ряд программно и аппаратно совместимых моделей с комплектуемым по потребностям применения составом устройств, позволяющим в некоторых пределах варьировать производительность машины.

В 1964–1972 годах создан ряд также программно и аппаратно совместимых моделей «Урал-11», «Урал-14» и «Урал-16», на единой конструктивной, технологической и схемной базе, обладающих следующими чертами. Машины образуют конструктивно, схемно— и математически-совместимый ряд ЭЦВМ с различной производительностью, гибкой блочной структурой, с широкой номенклатурой устройств со стандартизированным способом подключения, позволяющим составлять комплект машины, наиболее подходящий для данного конкретного применения; предусмотренные конструктивные и схемные возможности позволяют комплектовать вычислительные системы, состоящие из нескольких машин; предусмотренные возможности резервирования отдельных устройств машин позволяют создавать системы повышенной надежности: система схемной защиты данных, независимость программ от их места в памяти, система относительных адресов, развитая система прерываний и соответствующая система команд позволяют организовать одновременное решение нескольких задач; возможность работы в режимах с плавающей и фиксированной запятой, в двоичной и десятичной системах счисления, выборка и выполнение операций со словами фиксированной и переменной длины позволяют эффективно решать как плановоэкономические, так и научно-технические задачи; система аппаратного контроля обеспечивает контроль хранения, адресации, передачи, ввода, вывода и обработки данных; большая емкость оперативного ЗУ с непосредственной выборкой слов переменной длины, эффективные аппаратные средства контроля и защиты памяти, ступенчатая адресация, развитая система прерываний и приостановок, возможность подключения памяти большой емкости с произвольной выборкой на магнитных барабанах и дисках, наличие датчика времени, аппаратуры сопряжения с каналами связи и пультов операторов для связи с машиной дает возможность строить различные системы обработки данных коллективного пользования, работающие в режиме разделения времени; унификация элементов, блоков и устройств обеспечивает хорошую технологичность серийного производства машин. Последние три модели семейства построены на полупроводниковых элементах модульной конструкции, и по чисто формальным признакам (элементная база) их надо отнести к электронным вычислительным машинам второго поколения, хотя в архитектуре их имеется много черт, присущих машинам третьего поколения.

Основные технические характеристики последней модели семейства — машины «Урал-16» таковы: представление данных — слова переменной длины, числа с плавающей запятой, числа с фиксированной запятой переменной разрядности, символы; длина слова (в битах) — 1, 2…, 48; длина массива информации (в битах) — 24, 48…, 98 303; разрядность чисел с фиксированной запятой — 1, 2…, 48, с плавающей запятой — мантисса 39, порядок 7; система счисления — двоичная; система команд — 300 одноадресных команд; система адресации — относительная, ступенчатая (номер массива — начало подмассива — относительный адрес слова заданной длины); время выполнения операций сложения 48-разрядных слов — 10 мкс, умножения — 30 мкс; количество каналов сигналов прерывания — 64 + 24: количество уровней прерывания — 64. Оперативное ЗУ — на ферритовых сердечниках, емкостью 131–524 тыс. слов, внешние ЗУ на магнитном барабане — 98–784 тыс. слов, на магнитных дисках — 5–40 млн слов, на магнитных лентах — 8–48 млн слов (слова длиной 24+2 бита). В качестве устройства ввода используют устройство на перфокартах — 700 карт в минуту, на перфоленте — 1000 строк в секунду, ввод с каналов связи — до 2,2 млн бит в секунду. В качестве устройств вывода используют печатающее устройство, производительностью 400 строк (по 128 знаков) в минуту, устройство на перфокартах — 110 карт в минуту, выходной перфоратор — 80 строк в секунду, вывод в каналы связи — до 2,2 млн бит в секунду, алфавитно-цифровое печатающее устройство — 800 строк в минуту. Имеется также экранный пульт — устройство индикации, предназначенное для реализации диалога режима — с максимальным объемом воспроизводимых данных — 2048 символов.

Основу системы математического обеспечения последних моделей семейства «Уралов» составляет универсальная программа-диспетчер, выполняющая функции операционной системы. В состав математического обеспечения входит также автокод АРМУ, обеспечивающий полную совместимость программ от меньшей модели к большей и запись на нем алгоритмов решения определенного круга задач. АРМУ обеспечивает запись программ для работы со словами и массивами переменной длины, выполнение операций над числами в двоичной и десятичной системах счисления с плавающей и фиксированной запятой. В системе математического обеспечения предусмотрен транслятор с АРМУ на машинный язык. Имеются программы отладки на уровне языков машин и автокода АРМУ, для обнаружения неисправностей набор тест-программ. Библиотека программ, содержащая стандартные программы и программы решения различных задач, комплектуется из программ, написанных на языках отдельных ЭЦВМ, АРМУ, АЛГОЛ-60, АЛГАМС и АЛГЭК. Предусмотрено расширение библиотеки за счет программ, написанных на других языках и автокодах, после разработки соответствующих трансляторов с этих языков на язык АРМУ.

Копия титульного листа аванпроекта

Государственный комитет по радиоэлектронике СССР

УНИВЕРСАЛЬНЫЕ АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЦИФРОВЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ «УРАЛ-11», «УРАЛ-12», «УРАЛ-13», «УРАЛ-14», «УРАЛ-15»

Аванпроект

Часть 1

Элементы, узлы и блоки.

ПС0071000Д-1

на 148 листах.

Главный конструктор машин «Урал» главный инженер НИИУВМ Б. РАМЕЕВ 27 апреля 1963 г.

Выдержки из Введения к 1 части Аванпроекта:

ВВЕДЕНИЕ