История и методология науки и техники в области электроники и нанотехнологии. Учебное пособие

–ЗУ – магнитный барабан емкостью 3888; 9-разрядные ячейки; скорость вращения 6000 об/мин; время обращения 7,5 мс для обра- ботки зоны (группы из 54 9-ти разрядных ячеек);

–потребляемая мощность – 2,5 кВт;

–устройство ввода – электромеханическое, 7 знаков/с; фотоэлек- трическое, 800 знаков/с, перфорированная бумажная пятипозицион- ная лента (перфолента).

Второе поколение ЭВМ (1959–1967)

Элементной базой машин этого поколения были дискретные по- лупроводниковые приборы. Машины предназначались для решения различных трудоемких научно-технических задач, а также для управления технологическими процессами в производстве. Появле- ние полупроводниковых элементов в электронных схемах сущест- венно увеличило емкость оперативной памяти, надежность и быст- родействие ЭВМ. Уменьшились размеры, масса и потребляемая мощность. С появлением машин второго поколения значительно расширилась сфера использования электронной вычислительной техники, главным образом за счет развития программного обеспече- ния. Появились также специализированные машины, например ЭВМ для решения экономических задач, для управления производствен- ными процессами, системами передачи информации и т.д.

В1959 г. созданы опытные образцы ЭВМ М-40, М-50 для систем противовоздушной (ПВО), а позже противоракетной обороны (ПРО). Разработчики С.А. Лебедев и В.С. Бурцев (Ленинская премия 1966 г. за специализированный автоматизированный комплекс обработки информации для системы ПРО на базе этих ЭВМ).

В1959 г. в СССР введена в эксплуатацию первая ламповая спе- циализированная стационарная ЭВМ СПЕКТР-4, предназначенная для наведения истребителей-перехватчиков.

В1959 г. под руководством Я.А. Хетагурова (ЦМНИИ-1) создана первая в СССР мобильная полупроводниковая ЭВМ «КУРС» для об- работки радиолокационной информации.

В1960 г. в Академии наук Украины разработана первая полупро- водниковая управляющая машина «Днепр» (В.М. Глушков, Б.Н. Ма- линовский).

В1962 г. в ИТМиВТ выпущена ЭВМ БЭСМ-4.

В1962 г. разработана первая в Украине ЭВМ с асинхронным управлением «Киев» (В.М. Глушков, Е.Л. Ющенко, Л.Н. Дашев- ский). Запуск ее в ОИЯИ (Дубна).

41

В1962 г. начался выпуск ЭВМ «Минск-2» с использованием им- пульсно-потенциальной элементной базы и введением представления данных в виде двоично-десятичных чисел и алфавитно-цифровых слов (с 1965 г. – «Минск-22») (разработчик В.В. Пржиялковский).

В1965 г. группой инженеров в Институте точной механики и вы- числительной техники под руководством С.А. Лебедева была создана мощная полупроводниковая ЭВМ БЭСМ-6 («Быстродействующая электронно-счетная машина»), которая занимает особенно важное ме- сто в развитии и использовании вычислительной техники в СССР. Это первая в СССР суперЭВМ с производительностью 100 000 оп/с.

В1965 г. начался выпуск в Казани полупроводниковых ЭВМ М- 220 и М-222 с производительностью до 200 тыс. оп/с, продолжаю- щих линию ЭВМ М-20. Предназначены для решения научно- технических, а также отдельных классов экономических задач. Глав- ный конструктор М.К. Сулим.

В1967 г. введена в действие машина БЭСМ-6 в Вычислительном центре АН СССР. Начало ее серийного производства на заводе счет- но-аналитических машин (САМ) в Москве. За все время (до начала 1980-х годов) было построено около 350 БЭСМ-6.

Третье поколение ЭВМ (1968–1973)

Элементная база ЭВМ – малые интегральные схемы (МИС). Маши- ны предназначались для широкого использования в различных областях науки и техники (проведение расчетов, управление производством, под- вижными объектами и др.). Благодаря интегральным схемам удалось существенно улучшить технико-эксплуатационные характеристики ЭВМ. Например, машины третьего поколения по сравнению с машина- ми второго поколения имеют больший объем оперативной памяти, уве- личилось быстродействие, повысилась надежность, а потребляемая мощность, занимаемая площадь и масса значительно уменьшились.

В 1969 г. Разработана ЭВМ 5Э92Б – компьютер на дискретных полупроводниковых схемах, основной компьютер в первой системе ПРО Москвы; двухпроцессорная система с общим полем оператив- ной памяти. «Большой» процессор использовался собственно для вычислений, «малый» – для контроля периферийных устройств и операций ввода-вывода. Развитая система прерываний ориентирова- на на работу в реальном времени в составе многомашинных ком- плексов (испытание комплекса из 12 машин проводилось в 1967 г. с разделяемой периферией и возможностью «горячей» подмены вы- шедшей из строя машины).

42

Элементная база – дискретные транзисторы, диоды, ферриты, близка к элементной базе БЭСМ-6. Конструкция ячеистая, ячейки объединены в блоки по 30 штук. Блоки приспособлены для «горя- чей» замены, восстановление функционирования машины после от- каза и смены аварийного блока занимало 25…35 с.

Производительность: «Большой» процессор – 500 тыс. оп/с; «ма- лый» процессор – 37 тыс. оп/с. Продолжительность основного цикла вычислений – 2 мкс.

В1970 г. создана многомашинная система коллективного пользова- ния «АИСТ-0» на базе нескольких М-20 под управлением «Минск-32».

В1971 г. начался выпуск модели ЕС-1020, 20 тыс. оп/с, (Минск, В.В. Пржиялковский).

В1973 г. начался выпуск модели ЕС-1030, 100 тыс. оп/с, (Казань, разработка выполнена в Ереване, Институт математических машин, М. Семирджан).

В1973 г. с использованием БЭСМ-6 была создана многомашин- ная система с переменной структурой АС-6 для задач управления космическими полетами в СССР.

В1973 г. начался выпуск высокопроизводительной ЭВМ с мно- гоформатной векторной RISC-архитектурой для систем предупреж- дения о ракетном нападении и общего наблюдения за космическим пространством М-10 (Загорск, М.А. Карцев).

Четвертое поколение ЭВМ (1974–1982)

Элементная база ЭВМ – большие интегральные схемы (БИС). Машины предназначались для резкого повышения производительно- сти труда в науке, производстве, управлении, здравоохранении, об- служивании и быту. Высокая степень интеграции способствует уве- личению плотности компоновки электронной аппаратуры, повыше- нию ее надежности, что ведет к увеличению быстродействия ЭВМ и снижению ее стоимости. Все это оказывает существенное воздейст- вие на логическую структуру (архитектуру) ЭВМ и на ее программ- ное обеспечение. Более тесной становится связь структуры машины и ее программного обеспечения, особенно операционной системы (или монитора) – набора программ, которые организуют непрерыв- ную работу машины без вмешательства человека.

В1974 г.началлся выпуск модели ЕС-1022, 80 тыс. оп/с, (главный конструктор А. Ростовцев).

В1976 г. начался выпуск модели ЕС-1033, 200 тыс. оп/с, (главный конструктор А. Гусев).

43

В1977 г. был создан первый симметричный многопроцессорный вы- числительный комплекс (МВК) «Эльбрус-1» на ИС средней интеграции со средствами аппаратной поддержки развитой структуризации программ

иданных (В.С. Бурцев, Б.А. Бабаян). Производительность ЭВМ – до 12 млн оп/с в комплектации Э1-10 с десятью ЦП. Процессор – тактовая частота 20 МГц; производительность 12,5 млн оп/с.

Оперативная память построена на отечественных микросхемах

DRAM ЗУ565РУЗВ (16K).

В1979 г. начался выпуск в Ереване и Казани машин модели ЕС-1045, 800 тыс. оп/с (А.Т. Кучукян).

В1979 г. начался серийный выпуск высокопроизводительных многопроцессорных УВК с перестраиваемой структурой ПС 2000, реализующих распараллеливание на уровне задач, ветвей, векторных

искалярных операций в задачах геофизики, научных экспериментов

идругих областей. Разработчики – Институт проблем управления (Москва), НИИУВМ (Северодонецк).

В1982 г. начался выпуск профессиональных персональных шест- надцатиразрядных ЭВМ (ПЭВМ): в СССР ЕС-1840, в Болгарии – по лицензии «Правец-16», в Польше – «Мазовия-1016».

В1985 г. начался выпуск многопроцессорного (10 процессоров)

вычислительного комплекса «Эльбрус-2» производительностью

125млн оп/с (MIPS) (В.С. Бурцев).

В1985 г. начался выпуск бытовой компьютера «Электроника БК 0010-01» – первый из 16-разрядных домашних и учебных компь- ютеров, совместимых по системе команд и частично по архитектуре с СМ ЭВМ, ДВК (диалоговый вычислительный комплекс).

Семейство компьютеров БК-0010 было разработано в НИИ точ- ной технологии НПО «Научный Центр», г. Зеленоград. Процессор – К1801ВМ1 на тактовой частоте 3 МГц (в БК-0011/БК-0011М повышена до 4 МГц). Оперативная память – первые 32 КБ адресного пространства, из которых 15,5 КБ отведено под программы и данные, 512 Б под стек и системные регистры, и еще 16 КБ – под видеопамять. При нажатии оп- ределенной комбинации клавиш или выдаче специальной команды можно было увеличить объем оперативной памяти для программ с 15,5 до 27,5 КБ за счет уменьшения видеопамяти до 4 КБ. При этом на экране отображалось всего 4 строки текста. Клавиатура – 92 клави- ши; контроллер-микропроцессор К1801ВП1-014.

Стандартным устройством хранения данных служил бытовой кас- сетный магнитофон с функцией управления двигателем. В компью- тере имелось реле для запуска/остановки двигателя магнитофона. В

44

качестве дисплея использовался малогабаритный черно-белый или цветной телевизор или, реже, специальный монитор. Версия ДВК-3 уже была оснащена системой загрузки с пятидюймовой дискеты и (по- добно Apple11), выпускалась в моноблоке с собственным монитором.

В1986 г. на заводе ВЭМ в Пензе поставлена в производство ЭВМ ЕС 1766 (до 256 процессоров).

В1986 г. выпущен 8-разрядной персональной ЭВМ Агат-7 (КУВТ «Агат») с открытой архитектурой. Позднее начат выпуск модели Агат-9, программно-совместимой с ПЭВМ Apple II+, Правец-8 и Цзыньцзы.

В1987 г. выпущена ПЭВМ «Москва», являющаяся наиболее пол- ноценным в то время ПК.

В1991 г. создан опытный образец ЭВМ «ЛОКОН 9В51» локаль- но-связанная машина). ЭВМ построена в архитектуре CLIP/ CAM (клеточно-автоматные машины), в основу проекта были положены принципы параллельной обработки информации с расширяемой ар- хитектурой (главный конструктор В.А. Бронников).

Таким образом можно отметить, что на протяжении сорока лет советская вычислительная техника успешно разрабатывалась и производилась в промышленных масштабах отечественными разра- ботчиками и на отечественной компонентной базе. Основным за- казчиком и драйвером повышения технического уровня выступал конечно военно-промышленный комплекс, но с середины 1980-х годов стали выпускаться первые персональные ЭВМ для бытовых и учеб- ных целей (БК, ДВК2, ДВК3, Агат). По программе создания унифи- цированного ряда ЭВМ (ЕС ЭВМ) к созданию производственных мощностей по выпуску компонентов были привлечены страны СЭВ (Венгрия, Болгария, Польша, ГДР), которым была передана техниче- ская документация. Электронная промышленность для вычисли- тельной техники, кроме полупроводниковых приборов и микросхем, разработала многочисленные магнитные системы памяти (много- дорожечные магнитофоны, системы оперативной памяти на фер- ритовых кольцах и многоотверстных платах, дисковые магнитные накопители), специализированные мониторы и цифропечатающие устройства.

45

4.КРУПНЕЙШИЕ СИСТЕМНЫЕ ПРОЕКТЫ В ИСТОРИИ СОВЕТСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

4.1. Проект «Радиолокация» (1943–1946)

Большинство историографов электроники сходятся во мнении, что постановление 1943 г. «О радиолокации» дало старт электронной промышленности СССР. В рассказе об А. Берге мы изложили эту часть подробно. В реальности проект «Радиолокация» начался не- сколько раньше. Тяжелейшей осенью и зимой 1941 г. при обороне Москвы от немецких бомбардировщиков высокую эффективность показали два первых радиолокатора, поставленных на боевое дежур- ство: советский «Пегматит» и особенно английская станция орудий- ной наводки (СОН) MKL-1. Поэтому в начале 1942 г. несколько предприятий получили задание воспроизвести эту СОН. За восемь месяцев во Фрязино на заводе «Радиолампа» под руководством ин- женера Н.Д. Девяткова (впоследствии – академика) было создано более 30 новых типов вакуумных ламп, а к сентябрю 1942 г. два комплекта аналога английской СОН были представлены на государ- ственные испытания, которые успешно прошли. Для этого потребо- валось собрать на заводах Москвы и Фрязино всех специалистов, ра- ботавших по теме радиолокации до войны. По результатам этой ра- боты стало ясно, что на очереди создание промышленной структуры производства компонентов и узлов радиолокационной аппаратуры.

Именно проект соответствующей подотрасли и мер по ее разви- тию обосновал и возглавил А.И. Берг. Итогом выполнения трехлет- ней программы «Радиолокация» стал не только выпуск более двух тысяч радиолокаторов (а начинали с двух) для ПВО, авиации, воен- но-морского флота, разработка новых РЛС современного уровня, но, главное – создание в СССР инженерной, промышленной и компо- нентной базы, позволившей на следующем этапе решать задачи, не имевшие места в мировой практике.

4.2. Проект «Кольцо» (1947–1955)

Проект «Кольцо» имел разные названия: большая система «ЗАС», система С-25, система «Беркут» (так как ее курировал всесильный министр НКВД Л. Берия и даже внедрил в нее своего сына С.Л. Бе- рия, только что окончившего институт, на должность главного кон-

46

структора). Проект предусматривал создание системы противовоз- душной обороны Москвы и прилегающего промышленного района путем создания вокруг столицы кольца позиций ПВО, оснащенных радиолокаторами дальнего обнаружения (до 1200 км), РЛС точного наведения, батареями управляемых зенитных ракет, позициями зе- нитной артиллерии.

Задачей комплекса было прикрытие района от массированной атаки вражеских бомбардировщиков с любого направления. Система С-25 была стационарной (на постоянных боевых позициях) и много- канальной, т.е. могла работать по многим целям одновременно. Па- раллельно с С-25 были созданы два мобильных одноканальных вари- анта 3РС: железнодорожный С-50 и автомобильный С-75 (именно таким комплексом был в 1956 г. сбит высотный разведывательный самолет U-2 над Уралом, а во Вьетнаме батареи С-75 сбили около 200 американских самолетов).

Военно-политическая обстановка к моменту принятия такого пла- на была следующей: Соединенные Штаты обладали атомным оружи- ем (в СССР его пока не было) и средствами доставки – флотом даль- них бомбардировщиков В-29 «Летающая крепость», эффективно ис- пользованных при бомбежках Японии в 1944–1945 годах. Равноценного тяжелого дальнего бомбардировщика в СССР также не было, его только предстояло создать. Географическое положение США делало их прак- тически неуязвимыми для ответного удара, в то же время к услугам их авиации в Европе были аэродромы союзников – Турции, Германии, Англии, Норвегии. Таким образом, система ПВО была остро необходи- ма хотя бы для прикрытия центрального района СССР.

Для разработки радиоэлектронных средств управляемого ракетно- го оружия в 1947 г. был создан специализированный институт КБ-1 (позже ЦКБ «Алмаз»).

Ряд предприятий получил задания по созданию управляемых и самонаводящихся зенитных ракет. Был использован задел герман- ских разработок (в последние годы войны в Германии разработали и испытали 5–6 типов зенитных управляемых ракет, но ни одну не до- вели до промышленного выпуска.)

Проект «Кольцо» в окончательном виде был реализован и постав- лен на вооружение в 1955 г. Это была впечатляющая система с цен- трализованным компьютерным управлением, с мощным зенитно- ракетным вооружением, не имевшая аналогов в мире. Но за годы ее реализации обстановка в мире существенно изменилась, что потре- бовало модернизации системы С-25.

47

Советский Союз создал атомное оружие и промышленность по его производству: в 1949 г. – атомную, а в 1953 г. – водородную бом- бу. Как средства доставки на первый план выдвинулись баллистиче- ские ракеты дальнего, а потом и межконтинентального радиуса дей- ствия. Очевидной становилась организация противоракетной оборо- ны (ПРО). В августе 1953 г. семь заслуженных маршалов прошедшей войны, в том числе Г.К. Жуков и А.М. Василевский, направили в ЦК КПСС обращение о необходимости срочной разработки противора- кетного оружия. По поводу обращения маршалов в КБ-1 был собран научно-технический совет для оценки возможностей создания таких систем. Следует отметить, что техническая задача обнаружения и уничтожения баллистической ракеты на порядки сложнее задач ПВО. Ракета летит со скоростью, в 3–4 раза превышающей скорость боевого самолета, и имеет поверхность отражения радиоволн в де- сятки раз меньшую, чем у самолета. Не удивительно, что части чле- нов НТС задача, поставленная маршалами, показалась нереальной, на грани технической фантазии, тем более что и система С-25 («Бер- кут») еще продолжала дорабатываться. С резкой критикой проекта ПРО выступили академик А.Л. Минц, признанный патриарх мощной радиотехники, и главный конструктор систем ПВО А.А. Расплетин. Тем не менее физико-техническое обоснование возможности ПРО представил другой главный конструктор – Г.В. Кисунько. Предложе- ние поддержал главный инженер «Алмаза» Ф.В. Лукин – выдающий- ся организатор радиоэлектронных проектов. Результатом ожесточен- ных дискуссий стало образование внутри КБ-1 специального отдела по программе ПРО (под руководством Кисунько) и начало проект- ных проработок этой задачи.

Ко всем радиокомпонентам проектируемой системы ПРО могла быть применена приставка «сверх-», там должны быть сверхмощные генераторные лампы, сверхбольшие приемно-передающие антенны, сверхчувствительные приемники и сверхбыстродействующие (по тому времени) ЭВМ для обработки информации. Тем не менее пред- варительный анализ показал, что создание этих «сверх»-узлов техни- чески возможно для той радиоэлектронной промышленности, кото- рая была создана в СССР в годы «радиолокационной» трехлетки. Тестовый, макетный вариант системы ПРО получил название «сис- тема А» и возводился на берегу озера Балхаш в пустынной казахской степи. Именно там, через год после начала строительства, заработала сверхмощная радиолокационная установка РЭ с дальностью захвата цели 2200 км и в июле 1957 г. впервые в мире был произведен «за-

48

хват» баллистической ракеты и выполнена ее радиотехническая «проводка» с обработкой полетной информации. Противоракеты по- ка еще не было, отладка системы шла трудно. Но 4 марта 1961 г. пуск противоракеты В-1000 с фугасным боезарядом по баллистиче- ской ракете с макетом ядерной боеголовки прошел с полным успе- хом. На удалении от точки пуска более 400 км и на высоте 25 км от- клонение противоракеты от цели составило 10–30 метров. Американ- ские инженеры смогли повторить эту операцию только спустя 23 го- да, хотя первые проработки своих систем ПРО начали тоже в пятиде- сятые годы. На системе «А» в последующие годы было проведено, и в основном успешно, более 30 пусков противоракет. Успех макетной системы «А» позволил развернуть проектные и строительные работы по созданию ПРО центрального промышленного района СССР – сис- темы А-35. Это была следующая версия проекта «Кольцо» с мень- шим числом боевых позиций, но с неизмеримо большими боевыми возможностями. Отчасти было задействовано и радиоэлектронное оснащение от системы С-25. Генеральным конструктором до окон- чания работ по А-35 был Григорий Васильевич Кисунько.

В полном виде первая в мире система ПРО А-35 была поставлена на боевое дежурство в 1974 г., затяжки в строительстве были вызва- ны массой реорганизаций, уходом Н.С. Хрущева и многими другими нетехническими причинами. Одним из важных последствий по- строения А-35 стало следующее: оценив технические и материаль- ные трудности создания эффективных ПРО, американцы предложи- ли СССР ограничить гонку вооружений в части ПРО, заключив соот- ветствующий договор – СССР и США создают и имеют по одному противоракетному «зонтику». Это не ограничивает возможности мо- дернизации имеющихся систем, и в 2015 г. США планируют потра- тить на ПРО порядка 8 млрд долл., продвигая в Европе сеть узлов обнаружения и уничтожения баллистических ракет.

4.3. Проект «Научный центр – Зеленоград»

(1962–1990)

Центр микроэлектроники в Зеленограде

К началу 1960-х годов технология сборки радиоэлектронной ап- паратуры (РЭА) из дискретных элементов исчерпала свои возможно- сти. Мир пришел к острейшему кризису РЭА, требовались радикаль- ные меры. В СССР в этот момент (март 1961 г.) электронная про-

49

мышленность выделяется в самостоятельную отрасль (Госкомитет по электронной технике – ГКЭТ, преобразованный затем в Министерст- во электронной промышленности), министр А.И. Шокин.

Кэтому времени и в СССР, и за рубежом уже созрели предпосыл- ки для создания полупроводниковых и гибридных интегральных схем (ИС) – были промышленно освоены планарные технологии производства как полупроводниковых транзисторов, так и толсто- пленочных и тонкопленочных керамических печатных плат. Вопрос был лишь в том, кого первым озарит счастливая идея ИС. Первыми оказались Jack Kilby из Texas Instruments (TI) и Robert Noyce из Fairchild Semiconductor в США. В 1958 г. они изготовили первые ИС: J. Kilby на германии, R. Noyce на кремнии. Третьим в 1959 г. был Б.В. Малин из НИИ «Пульсар», работавший на германии. Это были полупроводнико- вые ИС. Одновременно с ними появились и гибридные ИС. Причем и американские, и наши специалисты наиболее интенсивное развитие предрекали гибридным ИС, считая, что полупроводниковые ИС ста- нут доминирующими только к 1980 г.

К1959–1960 гг. относится начало работ в Пульсаре по созданию планарной технологии кремниевых приборов. В конце 1961 г. в Пульса- ре сформирован отдел микроэлектроники, начальник Б.В. Малин.

Первопроходцы

Еще с начале 1950-х годов главный инженер КБ-1 Ф.В. Лукин ор- ганизовал активные работы по микроминиатюризации РЭА на имев- шейся тогда элементной базе. (Напомним, что КБ-1, созданный и ориентировванный для разработки систем противо-воздушной и про- тиворакетной обороны, особенно остро нуждался в компактной и надежной электронике) Но к концу 50-х годов стало ясно, что тре- буются более радикальные методы. Вот тогда-то Ф.В. Лукин и пору- чил А.А. Колосову, одному из наиболее активных, грамотных и за- интересованных в решении этой проблемы специалистов, доско- нально изучить подходы к микроминиатюризации по иностранным и отечественным источникам. Результаты этой работы были обобщены в 1960 г. в небольшой монографии А.А. Колосова «Вопросы микро- электроники», которая стала учебником для многих специалистов. В ней автор прекрасно обосновал необходимость и своевременность начала широкомасштабных работ по исследованию проблем, связан- ных с созданием интегральных схем, и изложил новые принципы создания РЭА. В 1960 г. Ф.В. Лукин поручил А.А. Колосову созда-

50