Сегодня все удовлетворены тем качеством электронных чипов, которые производит, скажем, компания «Интел», но узким местом стало их соединение. Проблема состоит в том, как прикрепить к малюсенькой микросхеме несколько сотен металлических проводов. Оптических же выводов может быть много тысяч, причем выходить они могут со всех сторон микросхемы. Одно это усовершенствование может повысить быстродействие современных вычислительных машин в несколько десятков, а то и сотен раз, и приблизиться к вожделенному «терабайту «в секунду. Подобный рост возможных соединений позволит развивать новые сетевые структуры компьютеров типа нейронных сетей и параллельных процессоров.
Как подмечает Эндрю Кирк из фотонной группы канадского университета Макгилл, компьютерная индустрия словно проснулась и обнаружила наличие методов оптики свободного пространства. На первом этапе свет будет использоваться для связи между электронными чинами, но в перспективе он может забраться и внутрь них самих — когда перемещение электронов станет слишком медленным для возросших скоростей счета.
Проблема большого числа соединений — неотъемлемая черта любого компьютера. Процессоры, элементы памяти, клавиатура, терминал и другие его части постоянно обмениваются информацией. Быстродействие процессоров постоянно растет, увеличиваются и ее потоки. А инженеры знают, что при пересылке нулей и единиц быстрее некоторого предела они просто начинают сливаться друг с другом. Кроме того, увеличение потоков приводит к тому, что провода начинают работать как антенны — излучать электромагнитные волны и влиять на «соседей ». Приходится их тщательно экранировать, а это увеличивает их толщину и стоимость. С другой стороны, стремление подвести к процессору все больше и больше проводов-соединений заставляет делать их все более тонкими. Но чем тоньше провод, тем больше его сопротивление и потери на нагревание.
В общем, нет никаких сомнений, что стремительное развитие компьютеров натолкнется на непреодолимые трудности, если продолжать использовать проводные соединения. Чтобы выйти из тупика, надо обратиться к соединениям оптическим. Идеологически все очень просто: электронные импульсы в компьютерном чипе преобразуются в тонкий пучок света. Есть он — это «1», нет его — «О ». Поток света проходит через сеть крошечных призм и линз и достигает места назначения. А там специальная фотоячейка превратит его вновь в электрический сигнал. Главные требования к оптической системе — потреблять мало энергии, быть дешевой, простой и компактной.
|
|
Много всего было перепробовано, в частности, светодиоды всех типов, но оказалось, что лучший кандидат — многоквантовый источник, разновидность электрического затвора, и микроскопический лазер под названием «виксел ». Оба устройства сделаны на основе арсенида галлия, что позволяет производить их, как компьютерные чипы, поточным образом в многослойных структурах.
Многоквантовый источник был придуман специалистами американской лаборатории Белла в штате Нью-Джерси для полностью оптического компьютера. Однако десятилетние исследования показали, что эта идея пока невоплотима, но разработки вполне применимы в гибридном компьютере. Этот источник — «вафля «из полупроводниковых слоев, которая может очень быстро становиться то зеркальной, то мутной под воздействием электрических сигналов. Отраженный свет — это единица, а неотраженный — ноль. Кроме того, в каждой «вафле «есть маленькое окошко-фотоячейка, где падающий свет преобразуется в электрический сигнал.
Первоначальной идеей было создание оптического эквивалента транзистора. Но в гибридном компьютере эти ячейки облепляют процессор и служат для него «переводчиками «световых сигналов в электронный вид. В лаборатории уже создан процессор с тысячью таких ячеек размером не более 15 микрон каждая. Свет на ячейки поступает от внешнего лазера, пучок которого расщепляется на множество (32 х 32) маленьких пучков. Первые эксперименты с таким процессором показали, что он может вводить в тысячу раз больше информации, чем современный суперкомпьютер «Крей ». Осталось лишь довести опытный образец до коммерческого использования.
Разрабатывается и альтернативный вариант подобным ячейкам: крошечные твердотельные лазеры на каждом входном-выходном канале — «викселы ». До недавнего времени такие лазеры были слишком велики, только-только их научились встраивать в многослойные полупроводниковые структуры, где они выглядят, как светящиеся окошки микронебоскреба. И все равно «викселы «пока крупноваты по сравнению с ячейками — 250 микрон. Но инженеры лаборатории Белла считают, что уменьшение их в десять раз — лишь вопрос времени, причем не слишком долгого.
В Калифорнийском университете уже созданы и линзы с поперечником всего в две сотни микрон. Один из сложных технологических процессов — их закрепление. Есть опасение, что температурные колебания, движение воздуха, влажность могут оказывать влияние на линзы, клей и подложку, слегка деформировать систему и нарушать работу компьютера. Все это предстоит проверить и отработать.
В лаборатории университета Макгилл и других институтах уже построены прототипы таких компьютеров. Их части тщательно пригнаны одна к другой и удерживаются на своих местах мощными магнитами. Конечно, это не вариант для массового производства.
Однако Эндрю Кирк считает, что главное препятствие на пути новых гибридных компьютеров — чисто психологическое, как у всякой новой революционной технологии. Но это один из наиболее перспективных путей к суперкомпьютерам будущего.
Американское космическое агентство НАСА поставило перед собой цель к 2010 году построить компьютер мощностью в петафлоп — это миллион миллиардов операций в секунду. По мнению его специалистов, никакой альтернативы оптическому способу передачи информации при таких скоростях быть просто не может. Между прочим, петабайт информации — это миллиард книг или 2300 лет «прокрутки «видеоленты. Вот какой объем данных будет переносить этот компьютер за секунду.
И в заключение несколько слов об отношении к новым технологиям — ради полной объективности. Марк Бор из исследовательской группы компании «Интел «считает, что устранить сложности с соединениями можно, перенося все больше функций на один микрочип. Современные микропроцессоры, к примеру, снабжены «кэш-памятью», что позволяет им хранить часто используемую информацию.
Очень сильный аргумент «против «оптического компьютера — мощнейшая индустрия электронных чипов со всемирной инфраструктурой и многомиллиардными оборотами. Кто победит — новое или деньги, — судить не нам, поживем — увидим. Во всяком случае, несколько лет назад о новой технологии говорили лишь единицы энтузиастов, а на последней посвященной ей конференции весной 1997 года были замечены инженеры из компаний IBM, Cray и Digital. Похоже, что теперь надо говорить не о том, «будет ли оптическая революция», а о том, «когда она наступит ».
Теперь пришла очередь рассказать и о наших с вами соотечественниках, тем более что они тоже внесли существенный вклад.
В декабре 1951 г. в лаборатории электросистем Энергетического института (ЭНИН) АН СССР под руководством члена-корреспондента АН СССР И. С. Брука был выпущен научно-технический отчет "Автоматическая цифровая вычислительная машина (М-1)", утвержденный 15 декабря 1951 г. директором ЭНИН АН СССР академиком Г. М. Кржижановским. Это был первый в СССР научный документ о создании отечественной ЭВМ.
Машина успешно прошла испытания и была переведена в режим эксплуатации для решения задач как в интересах ученых своего института, так и сторонних организаций.
Начало исследовательских работ И. С. Брука по проблеме ЦВМ относится к 1948 г. Он первым в СССР (совместно с Б. И. Рамеевым) разработал проект цифровой ЭВМ с жестким программным управлением. Свидетельство об изобретении на "ЦВМ с общей шиной" было получено ими в декабре 1948 г.
|
|
||
| И. С. Брук |
Постановление Президиума АН СССР о начале разработки М-1 вышло 22 апреля 1950 г. После этого И. С. Брук получил возможность сформировать коллектив разработчиков.
Первым в команду был принят Н. Я. Матюхин, молодой специалист, только что окончивший радиотехнический факультет Московского энергетического института.
Вот отрывок из воспоминаний Николая Яковлевича:
"Я хочу оживить картинки нашей деятельности под руководством Исаака Семеновича, передать атмосферу тех лет.
Формирование группы и начало работ над АЦВМ-М1 - 1950 год.
Брук набирает на РТФ МЭИ команду молодых специалистов. Нас семеро: два младших научных сотрудника (А. Б. Залкинд и Н. Я. Матюхин), два дипломника (Т. М. Александриди и М. А.Карцев), три техника (Ю. В. Рогачев, Р. П. Шидловский, Л. М. Журкин).
Первое задание Исаака Семеновича мне - построить ламповый диодный трехвходовой сумматор (проверка моей пригодности).
Второе задание - спроектировать типовой рабочий стол.
Третье задание мне, как руководителю группы, - разработка АЦВМ-1.
Серьезные трудности при проектировании и реализации АЦВМ создавало почти полное отсутствие комплектующих изделий. Исаак Семенович нашел оригинальный выход, использовав имущество со складов военных трофеев.
В результате в основу проекта М-1 были положены следующие идеи и
трофеи:
сочетание малой номенклатуры компонентов самого разного происхождения;
всего два типа электронных ламп - 6Н8 и 6АG7;
купроксы от измерительных приборов;
магнитные головки от бытового магнитофона;
электронно-лучевые трубки от осциллографа;
телетайп из генштаба вермахта.
О стиле руководства Исаака Семеновича Брука:
полнейшая увлеченность главным направлением, оптимизм и уверенность в получении
конечного результата;
глубокое понимание цели, простота и образность аргументации;
никаких разносов по поводу неудач;
"импульсная подкачка" самостоятельной работы;
уважительное отношение к исполнителям;
никаких кабинетных разговоров, а разбор прямо на рабочем месте;
полнейшая доступность и непринужденность при обсуждении любых вопросов.
И. С. Брук имел, как говорят, трудный характер, видел в людях либо только достоинства, либо только недостатки, к тому же обладал исключительным остроумием. Поэтому его рассказы о своих коллегах и научных противниках служили для всех нас постоянным источником развлечения".
Основные идеи, положенные в основу построения АЦВМ-1, были выдвинуты И. С. Бруком. Далее они вместе с Н. Я. Матюхиным разрабатывали структуру и состав будущей машины, ее основные характеристики и конкретные решения многих технических вопросов. В дальнейшем Н. Я. Матюхин при активной поддержке И. С. Брука практически выполнял обязанности главного конструктора.
АЦВМ-1 включала в свой состав арифметическое устройство, главный програмный датчик (устройство управления), внутреннюю память двух видов (быструю - на электростатических трубках и медленную - на магнитном барабане), устройство ввода-вывода с использованием телеграфной буквопечатающей аппаратуры.
Основные характеристики М-1:
Система счисления - двоичная.
Количество двоичных разрядов - 25.
Объем внутренней памяти: на электростатических трубках - 256 адресов, на магнитном барабане - 256 адресов.
Быстродействие: 20 оп/с с медленной памятью; с быстрой памятью операция сложения выполнялась за 50 мкс, операция умножения - за 2000 мкс.
Количество электронных ламп - 730.
Потребляемая мощность - 8 кВт.
Занимаемая площадь - 4 кв. м.
В процессе проектирования и разработки М-1 были предложены и реализованы принципиально новые технические решения, в частности, двухадресная система команд, нашедшая впоследствии широкое применение в отечественной и зарубежной вычислительной технике.
|
|
||
| Вот она какая - первая российская ЭВМ |
Впервые в мировой практике создания ЭВМ логические схемы в машине М-1 строились на полупроводниковых элементах - малогабаритных купроксных выпрямителях КВМП-2-7, что позволило в несколько раз сократить количество электронных ламп в машине и значительно уменьшить ее размеры.
Проектные и конструкторские работы по созданию АЦВМ-1 начались летом 1950 г. в трудных условиях, так как выполнялись как инициативные, при ограниченных средствах, без специальных помещений (М-1 была построена и эксплуатировалась в подвале), разработки велись силами очень небольшого коллектива молодых специалистов, которые, однако, работали с большим энтузиазмом.
Разработка арифметического устройства и системы логических элементов выполнялась Н. Я. Матюхиным и Ю. В. Рогачевым, разработка главного программного датчика - М. А. Карцевым и Р. П. Шидловским, запоминающего устройства на магнитном барабане - Н. Я. Матюхиным и Л. М. Журкиным, запоминающего устройства на электростатических трубках - Т. М. Александриди, устройства ввода-вывода - А. Б. Залкиндом и Д. У. Ермоченковым, разработка системы электропитания - В. В. Белынским, конструкции - И. А. Кокалевским.
Комплексную отладку машины и отработку технологии программирования и тестирования возглавил Н. Я. Матюхин.
Осенью 1951 г. закончились работы по настройке М-1. К декабрю того же года машина успешно прошла комплексные испытания и была передана в эксплуатацию. Ознакомиться с работой АЦВМ-1 приезжали видные ученые, в том числе академики А. Н. Несмеянов, М. А. Лаврентьев, С. Л. Соболев, А. И. Берг.
Одним из первых на М-1 решал задачи по ядерным исследованиям академик С. Л. Соболев, бывший в то время заместителем директора по научной работе в институте И. В. Курчатова.
Н. Я. Матюхин вспоминает: "Вместе с Исааком Семеновичем мы обучали академика Соболева основам программирования на М-1. После прохождения на машине ряда задач мы стали ощущать реальную поддержку Бороды (прозвище Курчатова) и его незнакомого для нас ведомства".
Три года машина М-1 находилась в эксплуатации и первые полтора года оставалась единственной в Российской Федерации действующей ЭВМ. Она была изготовлена в одном экземпляре, но ее архитектура и многие принципиальные схемные решения были приняты в дальнейшем за основу при разработке серийных машин М-3, "Минск", "Раздан" и др.
Полная техническая документация на М-3 (главный конструктор Н. Я. Матюхин) была передана в Китайскую Народную Республику, где с 1954 г. началось ее серийное производство.
Создатели машины М-1 - первой российской ЭВМ - стали крупными специалистами в области вычислительной техники и внесли значительный вклад в ее развитие, возглавляя различные научные, учебные и производственные коллективы.
