Книга: Архитекторы компьютерного мира

Михаил Александрович Карцев Выдающийся конструктор отечественных вычислительных комплексов

Михаил Александрович Карцев

Выдающийся конструктор отечественных вычислительных комплексов

Михаил Александрович Карцев

Михаил Александрович Карцев был одним из самых ярких разработчиков вычислительных машин, комплексов и систем.

Уже в первой его вычислительной машине М-2 были успешно реализованы новые по тем временам такие технические решения, как элементы страничной организации памяти и сочетание операций с фиксированной и плавающей точкой. Он был разработчиком одной из первых в стране машин М-4 второго поколения на транзисторной элементной базе, причем на основе модернизированного варианта машины (М4-2М) были построены первые кластеры (многомашинные вычислительные комплексы). В полной мере идея многомашинных вычислительных комплексов нашла свое отражение в проекте системы М-9 и многопроцессорной системе М-10 с программно-перестраиваемой линейкой синхронных процессоров и векторной архитектурой. На базе 76 систем М4-2М и М-10 был создан и находился в постоянной круглосуточной эксплуатации крупнейший в нашей стране многомашинный вычислительный комплекс, объединенный каналами данных длиной в десятки тысяч километров. На системе М-10 были проведены сложные научные эксперименты по моделированию плазмы и впервые в мире получены данные по явлению коллапса в плазме, что не удалось сделать американским ученым на компьютере CDC-7600.

М. А. Карцев являлся одним из первых разработчиков системы четвертого поколения М-13, в которой использовались в качестве элементной базы БИС (большие интегральные схемы). Многопроцессорная система М-13 была первой в нашей стране вычислительной системой с векторно-конвейерной архитектурой.

М. А. Карцев являлся одним из инициаторов в нашей стране использования достижений оптоэлектроники в вычислительных комплексах. Впервые в его институте (НИИ вычислительных комплексов) была реализована волокон- но-оптическая система для многомашинного комплекса, состоящего из шести машин М-10.

Михаил Александрович Карцев родился 10 мая 1923 года в Киеве в учительской семье. Вскоре после его рождения умер отец, и Михаил вместе с матерью сначала жил в Одессе, затем в Харькове, а с 1934 по 1941 годы — снова в Киеве. В Киеве, в 1941 году, он и закончил среднюю школу. В начале войны его направили на оборонные сооружения в Донбасс, а в сентябре 1941 года призвали в армию. Всю войну он прослужил танкистом, участвовал в освобождении Румынии, Венгрии, Чехословакии и Австрии.

В 1947 году после демобилизации М. А. Карцев поступил на радиотехнический факультет Московского энергетического института (МЭИ). Будучи студентом пятого курса (на третьем он сдал экстерном все экзамены за четвертый курс) в 1950 году по совместительству он стал работать в лаборатории электросистем Энергетического института АН СССР, где участвовал в создании одной из первых отечественных вычислительных машин — М-1. В 1952 году в должности младшего научного сотрудника Карцев возглавил коллектив разработчиков вычислительной машины М-2. Работы по ее созданию были проведены в кратчайшие сроки с апреля по декабрь 1952 года (подробности ее разработки и основные характеристики приведены в очерке, посвященном И. С. Бруку). Главное, что хотелось бы отметить — машина М-2 положила начало созданию экономических вычислительных машин среднего класса. В этом была немалая заслуга М. А. Карцева.

В 1957 году директор Радиотехнического института АН СССР академик А. Л. Минц обратился к И. С. Бруку с предложением разработать электронную управляющую машину (ЭУМ) для управления экспериментальным радиолокационным комплексом "Днепр". Предложение было принято, и с декабря 1957 года началась разработка ЭУМ М-4. Главным конструктором назначен М. А. Карцев. Под его руководством была создана спецлаборатория в только что организованном Институте электронных управляющих машин (ИНЭУМ) для проведения работ по проектированию и созданию М-4.

Вычислительная машина М-4 ознаменовала новую веху в деятельности М. А. Карцева как главного конструктора, причем машина по многим своим характеристикам была на уровне лучших мировых образцов компьютерной техники того времени (об этом мы узнали только в 90-е годы, а в 60-х годах информация о ней была закрытой, т. к. М-4 использовалась в системах раннего предупреждения о ракетном нападении — СПРН).

Во-первых, М-4 была одной из первых отечественных машин, построенных на транзисторах; во-вторых, впервые была использована гарвардская архитектура, в которой память разделена на память данных и память программ в целях повышения устойчивости к отказам и надежности машины; в-третьих, в М-4 впервые были внедрены периферийные процессоры (они появились в компьютерах третьего поколения — каналы ввода-вывода) для устранения противоречия между производительностью центрального процессора и внешних устройств; в-четвертых, в целях увеличения быстродействия, в арифметико-логическом устройстве была аппаратно реализована операция извлечения квадратного корня.

В 1960 году Загорский электромеханический завод выпустил две машины, одна из них была отправлена на полигон, где в комплексе с РЛС "Днепр" эта машина прошла успешные испытания, после которых модернизированный вариант М-4 был запущен в серийное производство. В модернизированном варианте машины, которая вначале называлась М-4М, а затем М4-2М, были устранены недостатки, имевшиеся в М-4, что сделало ее более технологичной в производстве и настройке. Вместо установленного техническим заданием быстродействия в 100 тысяч операций в секунду М4-2М выполняла 220 тысяч операций в секунду, ее производство продолжалось до 1985 года, а использование — до середины 90-х годов. На базе М4-2М были построены первые кластеры (многомашинные вычислительные комплексы), работающие в реальном масштабе времени.

Вычислительный комплекс М-4М

По результатам научных исследований, приведенных при разработке М-4, Карцевым была защищена докторская диссертация, а в 1967 году ему присуждена Государственная премия СССР.

Необходимо отметить, что параллельно с созданием М-4 в ИНЭУМе разрабатывалась машина М-5 гражданского применения. Своим замыслом эта машина предвосхищала многие принципы построения машин не только третьего, но и четвертого поколений. Она задумывалась как многопрограммная и многотерминальная вычислительная машина со страничной организацией памяти, которая могла работать как в пакетном режиме, так и в режиме разделения времени. Авторство этих и многих других идей, заложенных в структуру М-5, принадлежало М. А. Карцеву, он же был вначале назначен главным конструктором этой машины. Но через некоторое время Брук посчитал, что Карцеву следует больше внимания уделять взаимодействию с производителями и заказчиками М-4, и отстранил его от работы над М-5, разделив коллектив на две спецлаборатории. Для М. А. Карцева, по воспоминаниям коллег, это был тяжелый момент в жизни, т. к. им слишком много было вложено в М-5.

Дальнейшая судьба машины сложилась неудачно. Изготовленная в единственном экземпляре и не получившая технологической опоры в серийном производстве, по воспоминаниям В. Ф. Дорфмана, она в конце концов была разобрана на детали, которые были проданы в магазине "Пионер".

М. А. Карцеву больше уже не суждено было вернуться к гражданской тематике, все его последующие машины предназначались для оборонной промышленности.

Уже в 1967 году им был разработан проект многомашинного вычислительного комплекса М-9. По воспоминаниям Б. Н. Малиновского комплекс М-9 "включал в себя процессор управления и четыре разновидности вычислительных машин: функционально-операторную, числовую, ассоциативную и внешний вычислитель.

Основная идея, заложенная в М-9, состояла в том, что структура вычислительных машин должна быть рассчитана на работу не с отдельными числами, а с группами чисел, представляющими собой приближенные представления функций либо многомерные векторы. Иными словами, должны быть учтены более глубокие смысловые связи в информации, чем связи, учитываемые в существующих машинах: не только между отдельными разрядами одного числа, но и между отдельными числами, представляющими собой значения одной функции. Соответственно, все машинные операции должны быть определены не над пространствами чисел, а над пространствами функций. В число этих операций могут входить сложение, вычитание и умножение функций, сравнение функций, аналогичные операции над функцией и числом, отыскание максимума функций, вычисление неопределенного интеграла, вычисление определенного интеграла от производной двух функций, сдвиг функции по абсциссе и т. д.

Многие из этих операций могут быть истолкованы как известные операции над векторами: сложение и вычитание функций — как сложение и вычитание векторов, вычисление определенного интеграла от производной двух функций — как вычисление скалярного произведения двух векторов, сдвиг функций по абсциссе — как поворот вектора относительно осей координат и т. д.

Главное отличие такой машины (названной Карцевым функциональнооператорной) от обычной состояло в организации взаимодействия арифметических устройств. Они работали от одного общего тактового генератора. Причем каждая машина выполняла свою операцию в течение одного или двух тактов, а в конце каждой операции и в начале следующей обеспечивался (без каких-либо дополнительных потерь времени) обмен информацией между выходом любого АУ и входом любого ЗУ (запись предыдущих операций) и между входом любого АУ и выходом любого ЗУ (чтение исходных данных для следующей операции), а также между АУ.

Векторная числовая машина, включенная в состав М-9, осуществляла операции над частями функций или с многомерными векторами. Ассоциативная машина, обладая высокой производительностью, брала на себя большую часть "неквалифицированной" работы по переборам и упорядочению массивов информации. Числовая машина работала по самостоятельной программе и по программе, синхронизированной с другими машинами комплекса.

Включение в синхронную работу разнородных вычислительных машин позволяло комплексу сохранить высокую производительность при работе с разнородной информацией и делало его универсальным вычислительным средством для решения широкого класса задач, требующих очень высокой производительности".

Успешная эксплуатация макета М-9 показала многие его достоинства, но промышленного освоения он не получил. В дальнейшем векторная числовая машина комплекса М-9 была положена в основу многопроцессорной вычислительной системы М-10.

Для М. А. Карцева 1967 год оказался знаменательным — был организован Научно-исследовательский институт вычислительных комплексов (НИИВК), основу которого составлял коллектив его отдела ИНЭУМа, а он был назначен директором института.

В 1969 году коллектив вновь созданного института приступил к разработке многопроцессорной системы М-10, и уже в августе 1971 года был создан экспериментальный образец. Такие темпы разработки сказались на здоровье главного конструктора — обширный инфаркт на несколько месяцев уложил его в постель. Но, к счастью, все обошлось благополучно.

В сентябре 1973 года первый промышленный образец успешно выдержал комплексную проверку, а с декабря этого же года началось серийное производство, которое продолжалось до конца 80-х годов.

М-10 представляла собой многопроцессорную синхронную систему со средней производительностью 5 млн. операций в секунду и внутренней памятью емкостью 5 Мбайт. В качестве элементной базы были использованы микросхемы серии 217 ("Посол"). М-10 обладала способностью вести параллельную обработку данных различных форматов, динамически изменять кластеризацию процессоров для соответствия формата данных.

До 80-х годов вычислительная система М-10 по своей производительности превосходила все отечественные машины (БЭСМ-6 она превосходила в 4,2 раза, а старшие модели ЕС ЭВМ — в 5,6 раза). Уступая по производительности из-за несовершенства элементной базы, как пишет Б. А. Головкин, суперкомпьютеру Сгау-1 (появившемуся в те же годы), М-10 превосходила его по возможностям, заложенным в архитектуру. "Они определяются числом циклов (в среднем) на одну выполняемую операцию. Чем оно меньше, тем более совершенна архитектура ЭВМ. Для М-10 оно составляет от 0,9 до 5,3 (для всего спектра операций), а для Сгау-1 — от 0,7 до 27,6. Здесь минимальные значения близки одно к другому, а максимальное значение для М-10 намного меньше максимального значения для Сгау-1".

Информация об использовании системы М-10, как и о применении предыдущей системы М-4, до 90-х годов была закрытой — она также участвовала в составе комплекса системы предупреждения о ракетном нападении (СПРН).

В 1977 году коллективу разработчиков М-10 была присуждена Государственная премия СССР, а М. А. Карцев был награжден орденом Ленина.

В 1980 году М-10 была модернизирована и стала выпускаться под названием М-10М (ее производительность составляла 20–30 млн. операций в секунду). В этом же году правительство страны приняло решение о создании радиолокационной станции нового поколения для СПРН, и институту Карцева было поручено обеспечить новую РЛС вычислительным комплексом на основе системы М-13.

Система четвертого поколения М-13

Разработка многопроцессорной системы М-13 началась в НИИВК еще в 1978 году. Эта первая отечественная система четвертого поколения, в которой в качестве элементной базы использовались большие интегральные схемы, была предназначена для обработки в реальном масштабе времени больших потоков информации. Система М-13 имела 4 основные части: центральную процессорную часть, аппаратные средства поддержки операционной системы, абонентское сопровождение и специализированную процессорную часть и была построена по модульному принципу. Кроме распараллеливания на уровне данных (векторные команды), в структуру М-13 был введен конвейер операции. Так что, система М-13 стала первой в нашей стране векторно-конвейерной вычислительной системой. Максимальное эквивалентное быстродействие системы составляло 2,4х10⁹ операций в секунду.

Несмотря на то, что конструкторская документация на систему М-13 была подготовлена институтом в 1980–1981 годах, в производство она была запущена значительно позже. О трудностях выпуска очередной вычислительной системы М. А. Карцев говорил в своем выступлении в мае 1982 года по случаю 15-летия НИИВК: "Нам сейчас кажется, что мы никогда не выпускали в свет такой хорошей разработки, какую пытаемся выпустить сегодня, и что никогда не было столь трудно выпустить разработку в свет, как сейчас. Но я хочу вам напомнить, что мы переживали очередную влюбленность в каждую нашу разработку, и трудности у нас всегда были неимоверные".

Неприятная волокита с выбором заводов для производства М-13 и конфликты по этому поводу с вышестоящими инстанциями стоили жизни ее главному конструктору — не выдержало сердце. 23 апреля 1983 года Михаила Александровича не стало. Ему было 59 лет.

В 1984 году Загорский электромеханический завод приступил к производству последнего детища М. А. Карцева — вычислительной системы М-13, а государственные испытания непосредственно на объекте система прошла лишь в 1991 году.

Творческое наследие М. А. Карцева значительно и весомо. Это целая гамма созданных им уникальных вычислительных машин, комплексов и систем: М-2, М-4, М4-2М, М-5, М-10, М-13, внесших существенный вклад в компьютерную науку, а их практическая значимость для нашей страны очень велика.

Это серия написанных им книг, которые стали настольными как у разработчиков вычислительных машин, так и у студентов технических вузов соответствующих специальностей: "Арифметические устройства электронных цифровых машин" (1958), "Арифметика цифровых машин" (1969), "Архитектура цифровых вычислительных машин" (1978), "Вычислительные системы и синхронная арифметика" (1978).

Заслуги М. А. Карцева оценены многими правительственными наградами и, как уже написано выше, ему была присуждена Государственная премия СССР. В 1993 году его имя было присвоено НИИ вычислительных комплексов.

Оглавление книги