Михаил Александрович Карцев Выдающийся конструктор отечественных вычислительных комплексов

Михаил Александрович Карцев

Выдающийся конструктор отечественных вычислительных комплексов

Он относился к той немногочисленной категории людей, которые составляют цвет нации и без которых нация не может существовать.

Л. В. Иванов

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.