31.01.2019

В 1951 году в СССР был построен первый в мире в основном полупроводниковый компьютер – на Западе в ту пору существовали лишь куда более проблемные ламповые. Несмотря на то что в этом СССР опередил Соединенные Штаты, впоследствии это опережение потеряло всякое значение.

Александр Березин

Отечественная электронная индустрия перешла на копирование западных архитектур и конкретных технических решений. Почему сравнительно бедный послевоенный Советский Союз достойно участвовал в компьютерной гонке, а более поздний – и более обеспеченный – брежневский СССР пошел по пути копирования?

70 лет назад Башир Рамеев и Исаак Брук представили проект цифровой вычислительной машины, на его основе подали заявку на изобретение и к 16 февраля 1950 года получили авторское свидетельство на это изобретение (см фото). Проект поражает любого читателя и сегодня: он написан вполне современным языком и явно свидетельствует об изрядной проницательности и дальновидности его авторов. Что очень важно, несмотря на объективные сложности, предложенная ЭВМ не осталась на бумаге, как очень многие другие заявки: в 1952 году на ней уже начали выполнять расчеты. Но давайте же обо всем по порядку.

Би-Би-Си, инженер-«самоучка» и Исаак Брук

В 1947 году западные радиостанции в СССР еще не глушились. Поэтому Башир Рамеев, недоучившийся студент МЭИ (был выгнан в 1938 году как сын «врага народа»), периодически слушал Би-Би-Си. И однажды услышал передачу о вычислительной машине ЭНИАК – первом цифровом компьютере, созданном в США к концу 1945 года. Загоревшись идеей, он обратился с ней к Исааку Бруку, член-корреспонденту Академии наук, и в мае 1948 года был принят инженером-конструктором в Лабораторию электросистем Энергетического института академии. Вскоре он и Брук совместно представили необычный проект программируемого компьютера.

Чтобы понять его своеобразие, стоит вспомнить, что собой представляли первые западные компьютеры. Тот же ЭНИАК (ENIAC) весил 27 тонн и содержал 17 468 электронных ламп. Каждую неделю две-три из них обязательно сгорали, останавливая работу машины. Гарантированное бесперебойное время ее работы было равно всего лишь 20 часам, поэтому слишком длинные вычисления было просто невозможно довести до конца. Половину времени ЭНИАК вообще не мог работать: искали (кстати, непростое дело) и меняли сгоревшие лампы.

Поэтому в описании проекта Рамеева и Брука недаром делается упор на следующее: «замена электронных ламп… значительно упрощает конструкцию,  увеличивает надежность и долговечность, улучшает эксплуатационные качества машины.  Особенно перспективным… является применение кристаллических диодов [полупроводниковых – А.Б.]…  Миниатюрные размеры кристаллических диодов, их пригодность для очень высоких частот, отсутствие накаленного катода, с которым связаны ограниченный срок службы и большой расход энергии…  позволит осуществить в высшей степени компактные и дешевые вычислительные блоки, годные не только для стационарных, но и для передвижных устройств». По тем временам это было революционное предложение: 70 процентов электронных ламп будущего компьютера предлагалось заменить на полупроводниковые диоды.

Диод – это электронный элемент, обладающий различной проводимостью в зависимости от направления прикладываемого к нему электрического тока.

Если напряжение приложено к диоду со стороны одного из двух его электродов, то ток течет через него, а если со стороны иного электрода – диод закрыт, ток через него почти не течет. Полупроводниковый диод, предложенный Рамеевым и Бруком как заменитель ламп, отличался от электровакуумных аналогов в лучшую сторону тем, что его, в отличие от лампы, для начала работы не надо греть, что снижает как расход энергии, так и вероятность деградации и выхода из строя от длительного нагрева.

Увы, дальше начались сложности. Рамеев в 1949 году был призван в армию, и Брук остался без человека, умеющего «руками» работать с электроникой. Ученый начал лихорадочно искать кадры из выпускников вузов. Найти удалось лишь десяток. Насколько острой была кадровая ситуация, видно из того, что Юрий Рогачев, один из найденных Бруком талантов, даже не успел к тому времени закончить среднюю школу!

Поэтому Брук был вынужден создавать малую версию своей машины, М-1. Да и на ее создание санкция академии была дана только 22 апреля 1950 года. Не последнюю роль сыграла нужда в таких машинах для расчетов военных. Первые биты ею были обработаны в декабре 1950 года, на 10 дней раньше, чем у другого «первенца», советского компьютера МЭСМ, созданного в Киеве.

Использование полупроводниковых диодов позволило переключать элементную базу из состояния «0» (состояние изолятора) в состояние «1» (проводника) довольно быстро и с малыми затратами энергии. Если ЭНИАК потреблял 174 киловатта, то М-1 – лишь 8 киловатт, занимая только четыре квадратных метра. 27-тонный американский предшественник на этом фоне выглядит настоящим монстром.

Резко отличало М-1 и наличие (впервые в компьютерной индустрии) не только «медленной» памяти, аналога современного жесткого диска (на магнитном барабане), но и «быстрой», аналога современной оперативной памяти. Ею служили электростатические трубки, отдаленно похожие на те, что использовались в телевизорах. Сами полупроводниковые диоды в нашей стране еще не начали выпускать, поэтому применялись немецкие, полученные по репарациям. Не надо думать, что кто-то Бруку их возил, – напротив, найдены они были случайно, на складах МЭИ, куда попали уже совершенно неизвестным способом.

Более крупная версия компьютера, на той же полупроводниковой основе, заработала с начала 1953 года и предсказуемо называлась М2 (считается, что М значило «малая», и даже М2 была куда меньше ЭНИАК). К 1956 году была сделана и М3, занимавшая уже три квадратных метра и ставшая первой серийной ЭВМ этой линейки. Выпускавшиеся на ее основе первые отечественные серийные ЭВМ второго поколения (то есть полупроводниковые) широко разошлись по научным и военным учреждениям страны. Более того, на основе чертежей М3 была собрана первая цифровая ЭВМ в Венгрии (1958 год) и Китае (1957 год). В конце 50-х на основе лаборатории Брука был создан существующий по сию пору Институт электронных управляющих машин (ИНЭУМ).

Идея использовать полупроводники для уменьшения размеров и потребления энергии ЭВМ циркулировала в те же годы и на Западе. Уже в 1953 году в Манчестерском университете появился экспериментальный Transistor Computer – основная часть его элементной базы была полупроводниковой, а не ламповой. Однако в нем, как и в советском М-1, еще было некоторое количество ламп, поэтому чисто полупроводниковым он не был. К тому же ранние транзисторы, которые использовал Transistor Computer, имели надежность еще ниже, чем лампы – рекордно длительное время его работы без поломок составляло не более полутора часов, что резко уступало параметрам М-1, использовавших полупроводниковые диоды, более отработанные к тому времени. Американский TRADIC 1954 года был понадежнее британского аналога, и тоже содержал лампы. Первым полностью полупроводниковым компьютером был британский Harwell CADET, но он заработал только в 1955 году.

Для чего применялись первые советские ЭВМ?

Благодаря малым габаритам и энергопотреблению машины Брука стали использовать не только для специализированных расчетов военно-прикладного значения. Еще в проекте 1948 года, написанном им совместно с Рамеевым, ученый описал пользу компьютера как для чисто военных расчетов (как в случае с ЭНИАК), так и для решения задач криптографии, обеспечения нерасшифровываемой специальной военной и правительственной связи. Там же было предложено использовать ЭВМ для моделирования метеорологических процессов и более точного прогноза погоды (в то время эта тема  рассматривалась как в первую очередь военная). По всем этим направлениям советские ЭВМ вполне успешно использовались уже с 1950–1960-х.

Если тот же ЭНИАК применялся для создания термоядерной бомбы (советская создавалась без цифровых компьютеров), то «эмки» разошлись по научным учреждениям, которые не могли себе позволить огромных специально построенных машинных залов.

Кроме научных расчетов, Брук предложил их использовать как управляющие машины сложных индустриальных и энергетических установок, оперировать которыми вручную было чрезвычайно трудно – слишком много для этого надо было учитывать параметров. Например,  электростанций, химических реакторов и тому подобного. Как бы сейчас сказали, он впервые предложил внедрение промышленных компьютеров.

Если М-1 и М-2 были построены в одном экземпляре и потеряли практическое значение уже в 1960-х, то линия ЭВМ М-3, с рядом модификаций, была востребована до конца 1960-х годов и оказалась весьма долгоживущей.

Ну и где же российские Apple и IBM?

Несмотря на довольно бодрый старт и создание в СССР первых в истории компьютеров на полупроводниковой базе, поддерживать столь же высокий темп развития компьютерной техники в нашей стране не удалось. Проблемы начались после появления микропроцессоров – базовые элементы первых компьютеров с начала 70-х стало возможно размещать на одной кремниевой микросхеме (до того надо было собирать процессор из многих микросхем). Здесь уже нельзя было вручную собирать элементную базу – слишком уж мелкими деталями приходилось оперировать. Требовались радиоэлектронные фабрики, со временем – и вакуумные камеры для выращивания нужных кремниевых кристаллов. В то же самое время сменилась парадигма технологической гонки СССР со странами Запада. Сталинскому Советскому Союзу конца 40-х – начала 50-х никто не продал бы ЭНИАК: машину, на которой рассчитывают параметры водородной бомбы, не экспортируют. А за пределами США во времена Брука и Рамеева работающих цифровых ЭВМ вообще не было. Поэтому, чтобы иметь хоть какие-то компьютеры, их приходилось делать самим.

Брежневская эпоха резко изменила ситуацию. СССР вышел на масштабный экспорт нефти, и на высшем уровне многие технические проблемы захотели решить методом покупки технологии и оборудования на Западе – это было если не дешевле, то точно проще, чем создавать такие технологии внутри страны. Так появились ВАЗ, КАМАЗ и первые ЭВМ на базе клонов западных микропроцессоров. Оборудование для выпускавших их заводов тоже завозилось из-за рубежа.

Именно на этапе начала массового производства ЭВМ разрыв между нашей страной и Западом начал резко нарастать.

Купленная у «Фиата» платформа «Жигулей» устаревала десятки лет, а быстро прогрессирующие компьютеры – раз в несколько лет. Покупать за рубежом платформы можно было до бесконечности – они все равно постоянно отставали от последних западных. Время, нужное на внедрение в производство западных клонов, оказалось равно времени разработки на Западе новых машин.

Уже в конце 1970-х появились персональные компьютеры Apple (Apple I и II), а позднее – и других фирм. Сходные конструкции предлагались и в СССР – тот же «Микро-80», но реакция руководства страны на такие предложения была довольно сдержанной. Заместитель министра радиопромышленности СССР Николай Горшков в 1980 году сказал авторам «Микро»: «Ребята, хватит заниматься ерундой. Персонального компьютера не может быть. Могут быть персональный автомобиль, персональная пенсия, персональная дача. Вы вообще знаете, что такое ЭВМ? ЭВМ – это 100 квадратных метров площади, 25 человек обслуживающего персонала и 30 литров спирта ежемесячно!» Этими словами он не только вошел в историю, но и продемонстрировал ряд причин отставания советской электронной отрасли.

Чтобы успевать в технологической гонке с Западом, надо все время бежать просто для того, чтобы оставаться на том же самом месте. А чтобы догонять, надо бежать вдвое быстрее. Чиновники в Министерстве радиопромышленности просто не понимали, что в отрасли происходит быстрый прогресс, а молодые конструкторы никак не могли повлиять на мнение чиновников. Впрочем, некоторые клоны решений Apple и IBM даже успели запустить в производство в СССР, но они тут же устаревали, а после распада СССР компьютерная отрасль пришла в полное небрежение. Российский бизнес в 1990-х был готов вкладывать деньги в торговлю компьютерами, но никак не в такое капиталоемкое дело, как разработка и производство, например, новых процессоров.

В то же время в последние годы стали появляться объективные предпосылки к серьезному улучшению ситуации в отечественной радиоэлектронике. Сейчас, как и когда-то в советское время, во многих отраслях не приходится рассчитывать на поставки из-за рубежа. С другой стороны, наконец-то резко замедлился темп развития кремниевой электроники по всему миру. В таких условиях, даже без вложения крупных средств, вполне возможно создание систем, по уровню приближающихся к продукции лидеров мировой микроэлектроники. Скажем, отрабатываемый сейчас восьмиядерный «Эльбрус-8СВ» использует 28-нанометровый технологический процесс. Это значит, что разрешение оборудования, делающего полупроводниковые кристаллы для таких процессоров, равно 28 миллиардным метра, и примерно таким же по размеру выходит и минимальный возможный размер полупроводниковых элементов процессора.

В мире процессоры по 28-нанометровому техпроцессу начали делать только с 2011 года – тот же Intel Sandy Bridge или AMD Bulldozer. Конечно, на массовый гражданский рынок выйти тому же «Эльбрусу» не удастся – для этого нужны огромные капиталовложения, да и смысл таких действий неясен: это надо было делать десятилетия назад, когда рынок еще не был поделен. Однако свою нишу в обеспечении ряда госучреждений и силовых структур «Эльбрус» вполне может найти и сегодня.

Главный урок, который можно извлечь из всей этой истории, состоит в том, что для преуспевания в высокотехнологичной отрасли абсолютно необходимо наличие у страны талантливых научно-технических кадров и желание ее элиты придумывать и производить сложные продукты самостоятельно, несмотря на то что дело это часто крайне хлопотное. Если и то и другое у страны есть, то ни отказ в поставке сложных импортных компонентов, ни нехватка средств и специалистов не смогут помешать. 

Источник: «Чердак»