Аспекты технологического пути ЕС ЭВМ на фоне развития технологии ИТ и общей архитектурной гонки в социалистических странах — анализ с позиций 2017 года

Фото

Д-р Ханнс-Георг Юнгникель,
Главный конструктор ЕС ЭВМ от ГДР с 1981 по 1990 гг.

http://www.eser-ddr.de/

Посвящается памяти Виктора Владимировича Пржиялковского, Генерального конструктора ЕС ЭВМ с 1977 по 1990 гг.

Предисловие

Сегодняшние экономические процессы, бизнес-модели, личная жизнь нескольких миллиардов людей существуют и осуществляются в рамках беспрецедентных процессов дигитализации. Это триумфальное шествие цифрового мира, микроэлектроники и ее интеллектуального использования начиналось с широкого внедрения в практику систем обработки информации, развернувшегося примерно 50 лет назад. То время было тесно связано с замечательным трудом сотен тысяч инженеров, технологов, программистов и менеджеров, работу которых возглавляли выдающиеся личности. Все они заложили важные основы нынешнего потенциала нашей экономики, функций государства, всей нашей сегодняшней жизни.

Единая Система Электронных Вычислительных Машин (ЕС ЭВМ) стала в странах СЭВ краеугольным камнем заложенного в то время фундамента, задав последовавшему развитию ориентацию на международные стандарты. Ретроспективный взгляд на прошлые события дает нам, без сомнения, импульсы и задает направления сегодняшнему движению вперед.

Единая Система ЭВМ — краткий очерк историиНастоящая статья анализирует в основном технологический кризис ЕС ЭВМ. Такой анализ сегодня ценен для историков, но адресован также тем, кто считает для себя выгодным представить результаты огромной работы двух поколений инженеров, программистов, работников производства и эксплуатации в черных оттенках; представить историю через фильтры современных объективистов, полагая выгодным для себя давать такие оценки.

Единная Система ЭВМ (ЕС ЭВМ) имела огромное экономическое и техническое значение для народного хозяйства СССР, ГДР и других социалистических стран. Она была создана в 1969 г. в соответствии с Межправительственным cоглашением по разработке, производству и применению Единой Системы электронной вычислительной техники. Три поколения ЕС определяли с середины 70-х годов эффективность процессов организации и автоматизации народного хозяйства и были стержнем систем обработки данных в экономике и в государственных организациях. Тысячи систем работали в разных странах, в первую очередь, на верхних уровнях.

Значение ЕС ЭВМ, её история и развития творческими усилиями целого поколения в течение более двадцати лет в общем и более полно описано в многочисленных трудах её последнего Генерального конструктора Виктора Владимировича Пржиялковского и его соратников. Вот некоторые из опубликованных статей:

История развития работ по ЕС ЭВМ в ГДР и взаимосвязь их с экономикой СССР подробно описана на сайтах домена ESER-DDR. В частности, там имеются следующие статьи:

Отметим особенную роль руководства ведущих организаций по разработке систем, проделавшего многогранную и сложную работу, что позволило на много лет сохранить значение ЕС ЭВМ как информационно-технической основы в странах СЭВ (Соглашения по экономическому сотрудничеству соцстран).

Главную роль, несомненно, сыграл Генеральный конструктор системы, директор Научно-исследовательского центра электронной вычислительной техники (НИЦЭВТ) до 1990 г., выдающий организатор и специалист высокого ранга, внесший весомый вклад в развитие вычислительной техники в СССР и в странах содружества — участницах Единой системы. Он сумел успешно вести работы в сложных условиях до 1990 г. — конца работ в международном масштабе.

Мы сегодня отчетливо видим, что во всем мире возникали как кризисные явления застоя, так и скачки в архитектуре современных ИТ-систем, и что на разных стадиях развития элементной базы ИТ это выражалось по-разному.

Сегодня мы знаем, что никакие искусственные аспекты ИТ-архитектур не в состоянии по-настоящему компенсировать отставание и недостатки элементной базы ИТ-систем массового применения.

Имеются, однако, пути достижения высокой производительности для специальных задач, где находят себе применение подходящие алгоритмы параллельной обработки полей данных (например, в матричных модулях), или же многослойные аппаратные структуры, подходящие в основном для параллельной и независимой работы (например, в БЭСМ-6), или, позже, схемы суперконвейеров (super-pipeline) — в машине Электроника ССБИС.

Продвинутое состояние элементной базы, однако, несомненно оказывает влияние на развитие ИТ-архитектур в том, или ином направлении.

Машины ЕС ЭВМ Ряда 3 и 3/4, использовавшие архитектуру CISC системы IBM/360, а тем более, /390, испытали влияние этих моментов в особой мере.

При этом, сложности и противоречия архитектурно-технологического развития систем в социалистических странах (в СССР и в ГДР) составляли только часть — и даже не основную — общих сложностей и противоречий. Руководство организаций-разработчиков ЕС ЭВМ (и других систем) находилось как бы в многомерном пространстве действия сил и противоречий, векторами которого были такие, как поначалу — сильная политическая и экономическая поддержка, позднее — в основном критика из центра, нереальность выставляемых требований, невыполнение необходимых условий, сложности с объемами и сроками поставок комплектующих (часто условиях отсутствия вторичных поставщиков, second source), срывы сроков для инвестиционных объектов, давление других соревнующихся школ и организаций, и так далее ...

Другой плоскостью этого пространства были, в основном, факторы, обусловленные имевшимся эмбарго США вместе с западным миром. Отсутствие на мировом рынке, изоляция от него и его эффектов разделения труда, также значительно повлияли на работы. Помимо того, тормозящее воздействие оказывали отделение секретных работ от общеэкономических, общие недостатки системы планирования, ярко выраженная самостоятельность отдельных направлений в министерствах и ведомствах, зачастую опиравшаяся на сугубо личные интересы руководства. Множество параллельно ведомых технических линий усилило дробление и без того небольшого рынка и привело к отрицательной обратной связи: нет больших объемов — тогда плохая экономика, плохие возможности капитальных вложений в важные направления — отсюда рост отставания от ведущих мировых достижений.

ИТ-системы и их архитектура всегда призваны дать максимально удобные свойства для взаимодействия человека с машиной в той, или иной области применения, а системщики и архитекторы для следования этой цели этого стремятся использовать последние достижения технологий с учетом их экономической целесообразности.

Симптомы технологического кризиса ЕС ЭВМ оказались следствием, помимо названных выше факторов общего отставания, также недостаточного уровня IT-технологий в во всех странах социализма. Например, вспомним ситуацию с накопителями на магнитных и оптических средах, оптоволоконных массовых изделий, дисплеев, сетевого оборудования и так далее.

Объединение соцстран в общий многосторонний рынок оказалось чисто виртуальным; методика многосторонней специализации стран блокировалась тем, что все поставки по экспорту/импорту согласовывались в двустороннем порядке (см. Вопросы экономики ЕС ЭВМ в ГДР).

Отсутствие реальных критериев управления экономикой, и замена их политически желанными целями, привели к выбору по-крупному не оптимальных решений. Отсутствие многостороннего планирования перед выполнением крупных инвестиций, или даже совместных капитальных вложений в определенные направления, обернулось большим препятствием к совместной работе и привело к усилению национальных программ развития. Реальное воздействие на инвестиционную активность стран могли оказать только лишь двусторонние договоры под управлением Госплана СССР.

В то время, когда на Западе разделение труда и повсеместно общемировой сбыт своих ведущих продуктов, практиковавшиеся несколькими рыночными и технологическими гигантами, сформировали сильнейшие стимулы для быстрого роста ряда ведущих фирм, в странах СЭВ Госплан СССР и другие органы не могли делать ничего более, чем подчеркивать в документах важность той или иной линии техники, меняя, при этом, часто веса и оценки.

Фото 17 сентября 1979Computerworld, p. 68.

На начальном периоде существования ЕС ЭВМ изделия этой системы имели в СССР и в ГДР большое народно-хозяйственное значение; они применялись в большом количестве, и служили основой информатизации!

ЭВМ Ряда 1 можно было строить на сравнительно простых электронных компонентах, почти аналогичных элементам прототипа. В производство таких элементов, как например, TTL-логика, многослойные печатные платы, стандартные разъемы и др., были сделаны большие инвестиции. В это время американская фирма Control Data Сorporation (CDC) увидела отставание ЕС ЭВМ в области накопителей на магнитных дисках и предприняла шаги по экспорту своих дисков, заручившись разрешением отойти от эмбарго. Можно сослаться на cтатью в журнале Computerworld от 17 сентября 1979 г. по теме ЕС ЭВМ. Фирма СDC купила машину EC-1040 и после тестирования подготовила в адрес Белого дома заключение, в котором отмечалось, что машины ЕС ЭВМ по техническому уровню мало отличаются от западных, и, следовательно, регламентации эмбарго смысла не имеют, а только наносят вред интересам фирм США. Отмечалось также, что дисковые системы CDC работали без какого-нибудь внесения измений в операционные системы ЕС.

Однако, со временем во многих направлениях большое экономическое значение приобрела микроэлектроника и ключевую роль стали играть Министерство электронной промышленности СССР (министр В. Г. Колесников) и микроэлектронная промышленность ГДР (под руководством некоторых стратегов в Берлине). Необходимые капитальные вложения (на каждое направление технологии) были огромными. Требовались сотые позиции точности, сложнейшее оборудование, чистые материалы, сложные чистые помещения, совершенно новая научная база ...

Электронная промышленность кое как, с отставанием лет на 5 – 8 от мирового уровня, покрывала нужды важнейших отраслей, в СССР в первую очередь — военных. Что осталось, распределили на насущно важные экономические нужды. Такое положение дел, к сожалению, сильно ударило после 1985 г. и по направлению ЕС ЭВМ, несмотря на то, что НИЦЭВТу требовались современные комплектующие и для собственного производства систем для нужд обороны (см. ниже).

Уровень и технологии микроэлектронной промышленности СССР, как и в ГДР, во многом не могли удовлетворить жестким запросам разработчиков высокопроизводительных IT-средств. Ради объективности необходимо признать, что и электронная промышленность также боролась с большими экономическими проблемами, сложностями получения инвестиций, а прежде всего страдала от определенной изолированности от передовых мировых поставщиков сложнейшего оборудования и материалов. Нужно, следовательно, констатировать, что и в этой отрасли объективные причины отставания превалировали над субъективными.

И в СССР, и в ГДР вдобавок в середине 80-х гг. в качестве первостепенной общенародной необходимости были определены средства проектирования схем LSI/VLSI. Руководители, как один, однако, забыли, что современные системы проектирования Запада находятся на 6 – 8 лет впереди, копировать их было бессмысленно и очень дорого! Для сокращения отставания необходимы долгие годы импорта средств проектирования в условиях жесткого эмбарго. Свои машины, таким образом, всегда будут отставать как минимум на 5 – 8 лет.

Несмотря на огромные капитальные вложения в развитие микроэлектронной промышленности и в другие направления, у наших стран никогда не было шансов сократить отставание от Запада: главная причина, помимо эмбарго, — это изоляция от мировой валютной системы, связанная с отсутствием конвертирования национальной валюты, и искаженное ценообразование.

После того, когда потребность в сфере экономики стран в системах типа ЕС ЭВМ — т. е. по обработке данных — была кое как покрыта, ведущей техникой у нас была объявлена 32-разрядная техника VAX фирмы DEC, работающая (по архитектуре RISC) в реальном времени в системах автоматизации промышленности. Она использовалась в самых разных областях управления и автоматизации, и была сравнительно недорогой (если считать в долларах). Машины оценивались по количеству команд в секунду, без учета их общей производительности. Голые цифры получались, конечно, выше чем у CISC...

Когда в мир широким фронтом вошли персональные компьютеры типа Intel/IBM, а с ними новое поколение сетевых терминалов, то 32-разрядная техника фирмы DEC быстро потеряла свое значение — на Западе лет на 6 – 8 раньше, чем в соцлагере.

ЕС ЭВМ как машины mainframe

Машины системы ЕС ЭВМ, особенно старшие модели, по своему назначению должны были занимать место на вершине компьютерных иерархий, т. е. находиться по производительности и системным параметрам (надежность, сохранность данных, безопасность операционных систем ...) значительно выше 32-разрядной техники Системы малых ЭВМ (СМ ЭВМ)/VAX. Они должны были обеспечить совместимость огромного количества программ и данных, преемственность работы сквозь поколения семейства машин. Этот королевский статус сохранить было очень сложно!

Всю историю НИЦЭВТ, от становления, к расцвету, и до развала, В. В. Пржиялковский изложил в Исторической справке (копия; справка — в виртуальном музее).

В силу стратегической позиции IBM в мире и некоторых специфических для Германии оперативных возможностей, в ГДР с самого начала был сделан выбор в пользу IBM-оригинал — ещё до того, когда в Москве наверху было принято решение об ориентации на тот или иной прототип. Работы в ГДР велись уже до того, как в Москве принималось решение. Такому положению дел содействовало определенное воздействие со стороны Председателя Совета министров ГДР. Специалисты из ГДР показали своим коллегам, как программным реверсом можно получить исходный код операционной системы прототипа, т. е. основу всех работ в этом направлении. Виктор Владимирович Пржиялковский и ведущие специалисты НИЦЭВТ спустя много лет с благодарностью вспоминали об этом в в частных беседах а позже — в открытых публикациях.

Перед началом работ по ЭВМ, в ГДР был решен вопрос выбора между прототипами Siemens и IBM. Как известно, обе фирмы разработали машины почти по одинаковым принципам работы и договорились поделить рынок ФРГ между собой, однако машины Siemens (например, H60, C70) намерено немного отличались по структуре адресации, с тем, чтобы продавать собственные ОС.

У специалистов из ГДР имелась равным образом полная информация по обеим системам.

Сделанный выбор прототипа был, несомненно, перспективно правильным, сэкономил много времени и блужданий, и сильно помог последующей кооперации стран ЕС ЭВМ: под руками постоянно имелся правильный эталон. Уровень прикладных программ значительно вырос.

Структура, предлагавшаяся IBM, и, вообще, структура CISC, имели ещё одно важное свойство — они позволяли строить ряд программно совместимых компьютеров широкой линейкой производительности.

Однако свойства структуры CISC вместе с принципами операций готовили для машин высокой производительности в будущем очень неприятный сюрприз — такие структуры сложно перенести в БИС (см. ниже)!

В СССР и в ГДР статус машин ЕС ЭВМ по их стратегическим требованиям и их месту в ИТ-системах несколько отличались: СССР должна была делать, помимо массовых машин нижнего уровня, еще старшие машины с производительностью в десятки и сотни миллионов операций в секунду, а ГДР специализировалась на средних... В СССР и в ГДР большая доля ЕС ЭВМ эксплуатировалась в системах обороны и госбезопасности, но только в СССР особенность архитектуры 360 использовалась в спецмашинах (Аргон). Этот факт особым образом требовал устойчивости развития. ГДР, по части военной техники, полностью полагалась на советские базовые системы.

Дальше, надо учитывать, что в СССР имелась сильная отечественная компьютерная школа АН СССР. Исторически Академия наук вела свою компьютерную школу с архитектуры БЭСМ. Разработка БЭСМ-6 была завершена в конце 1965 года, её Главным конструктором был Сергей Алексеевич Лебедев. В 1968 году был начат их выпуск на Заводе cчётно-аналитических машин (САМ). Они по своей архитектуре имели некоторые отличительные характеристики, способные дать достаточно высокое быстродействие и гибкость программирования, но они не были предназначены стать системными массовыми машинами, были громоздкими, а их слабая надежность в основном была результатом используемой элементной базы. Они очень слабо были оснащены программными средствами — первые машины БЭСМ-6, поставленные в ГДР, не имели вообще никаких ОС, там стоял простой ассемблер — и весьма бедно оснащены периферией.

В русской печати встречаются до сих пор мнения о том, что у БЭСМ-6 имелось необычно большое сходство с архитектурой машины CDC 6600 фирмы Control Data Corporation

Основными характеристиками БЭСМ-6 были:

Элементная база — транзисторный парафазный усилитель с диодной логикой; 48-битное машинное слово.; быстродействие — около 0,8 млн операций в секунду (CDC 6200 выпускавшаяся с 1964 года, обеспечивала быстродействие того же порядка); Конвейерный центральный процессор с отдельными конвейерами для устройства управления и арифметического устройства; 8-слойная физическая организация памяти; виртуальная адресация памяти и расширяемые регистры страничной приписки; кеш на 16 48-битных слов; система из 50-и команд по 24 бита (по две команды в слове).

Программа Диспетчер 68 (Д-68) в начале обеспечивала мультипрограммный режим пакетной обработки заданий, управление виртуальной памятью, управление внешними запоминающими устройствами и устройствами ввода-вывода. Позже появилась ОС ДИСПАК, которая обеспечивала работу в пакетном и диалоговом-пакетном режимах и комплексирование машин.

Сторонники своей отечественной архитектуры имели большое влияние на центральные решения! Основной причиной, видимо, был тот факт, что Большая Электронная Счетная Машина (БЭСМ), с её специальными математическими алгоритмами, была первой в СССР быстродействующей ЭВМ, которая обеспечила требуемую производительность для систем воздушной обороны, для космических расчетов, расчетов по аэро- и гидродинамике и так далее, что возвело ее на стратегические позиции.

К зоне ответственности Минрадиопрома относилось, как известно, обеспечение компьютерными средствами обороноспособности страны, включавшими не только ЕС ЭВМ или Аргон. В системах обороны стояли помимо ЭВМ типа Эльбрус также и машины школы М. А. Карцева (НИИВК) и других направлений. Задачи стояли ответственные, очень масштабные, в том числе для комплексов противоракетной обороны. Стоит только вспомнить времена холодной войны в космосе (StarWars). Для таких задач, в основном реального времени, структура ЕС ЭВМ не подходила. Такой параллелизм привел к острым дефицитам ресурсов. Эта ситуация особенно повлиял на концепцию старших машин ряда ЕС ЭВМ после 1985 г. Перед НИЦЭВТ возникли большие трудности с выработкой концепции ЕС ЭВМ Ряд 4 на основе тогда совершенно непригодной элементной базы ECL, широко используемойв СССР.

Ясно одно — кто требовал от машин ЕС ЭВМ, предназначенных для обработки коммерческих данных, высоких характеристик обработки научно-технических задач, тот не понял существа информационных процессов. Тем не менее, и для решения таких задач были предложены видные достижения — например, были разработаны матричные модули, позволяющие многократно (до 70 раз) увеличивать производительность. Советские матричные процессоры, такие как ЕС-2345 и ЕС-2700, или же EC 1055.C003 из ГДР обеспечивали выполнение важных народно-хозяйственных задач (геологическая разведка, моделирование сложных задач гидродинамики, ... ), сохраняя все достоинства наличия стандартной периферии ЕС ЭВМ. Только ГДР поставила в СССР более 50 матричных модулей EC 1055.C003.

Виктор Владимирович в трудные годы развития ЕС часто на заседаниях СГК (Совета главных конструкторов) по ЕС ЭВМ указывал на такие различия, однако лишь позже мне стала понятна истинная причина тех слов — они были вызваны трудностями по обеспечению ресурсами программы развития ЕС ЭВМ в то время, когда линия Эльбрус пользовалась преимуществами.

Указанные выше обстоятельства оказались существенным препятствием для последующего внедрения логики СБИС. Мы уже упоминали, что и супермашины Лебедева — Эльбрусы не работали по волшебным желаниям, и им также нужны были современные технологии. Но таковых не было и для них, их перспектива по элементной базе была вовсе не лучше; не было и современных операционных систем ...

СуперЭВМ школы Лебедева сумели своими аргументами дополнительно ослабить позиции ЕС ЭВМ, хотя их перспектива по элементной базе была вовсе не лучше! Почему специалисты Минрадиопрома следовали нажиму идеологов отечественной архитектуры, можно только догадываться. Видимо, их применение в стратегических системах обороны было тем козырем, который сыграл в решениях против ЕС ЭВМ свою роль.

В. В. Пржиялковский по этому поводу писал:

В двенадцатой пятилетке (1986–1990 гг.) ресурсы, выделяемые министерством на финансирование работ по ЕС ЭВМ, неуклонно сокращались. Дальнейшую ставку Минрадиопром делал на систему Эльбрус, планируя разработать и производить несколько моделей различной производительности аналогично ЕС ЭВМ. На фоне полного отсутствия микроэлектронной базы для обеих систем в министерстве разворачивались дискуссии о достоинствах и перспективности их архитектур. Планы ускорения производства БИС И-300 не обсуждались ... (выделено: Г. Ю.)

Матричные схемы (masterslice ) — это логические БИС, строящиеся с использованием универсальных логических базовых матриц. Их конкретная функция программируется с помощью двух верхних слоев металлизации. БИС И-300 по технологии ECL были выбраны в НИЦЭВТ для создания старших машин. Применение таких матричных БИС способно сильно сократить количество типов базовых матриц, получаемых от заводов микроэлектроники. А процесс программирования может быть выполнен самостоятельно, в менее сложных лабораториях.

Физический объем машины нужно сильно уменьшить. Это может быть достигнуто путем монтажа голых (бескорпусных) кристаллов (flip chips) на промежуточном носителе. Такой вариант лет на 8 – 10 рассматривался как единственный путь размещения сложной логики операционных принципов IBM/390 или Ряда 4 в малом конструктивном объеме, позволяющий избежать больших потерь, вызванных временем распространения логических сигналов. Дополнительную сложность создала необходимость использования водяного охлаждения.

Мне на всю жизнь запомнилась высказывание В. В. Пржиялковского на одном из заседаний Совета главных конструкторов —

... даже тогда, если бы мы имели ECL-логику с бесконечно большой скоростью, то мы машины могли бы делать значительно быстрее лишь тогда, когда время передачи сигналов тоже удается сильно сократить, т. е., когда удается коренным образом повысить плотность элементов, ведь электрического сигнала быстрее света нет! ...

Конструкторы Эльбрус стояли перед точно такими же проблемами, поэтому дискуссии о достоинствах и перспективности их архитектур были лицемерными, как отметил В.В.Пржиялковский. Целесообразно здесь пояснить также такие слова Виктора Владимировича:

Выделение из состава НИЦЭВТ микроэлектронных подразделений крайне отрицательно сказалось на сроках создания машины четвертого поколения ЕС ЭВМ — ЕС-1087 (гл. конструктор д. т. н. Ю. С. Ломов). Она прошла испытания только в 1988 г. В том же году руководство Пензенского завода ВЭМ, видя трудности с получением БИС, а также в связи с ростом выпуска на предприятии машин Эльбрус-2, отказалось производить ЕС-1087 взамен ЕС-1066 и ЕС-1068.

За этой лаконичной заметкой кроется целый комплекс обид или нападений со стороны Минрадиопрома и сторонников отечественного Эльбруса на инициативы НИЦЭВТ. Ожидая, что металлизацию схем И-300 не удастся организовать на заводе по электронике в Зеленограде, НИЦЭВТ решил собственными силами и средствами строить у себя лабораторию по изготовлению достаточно большого количества готовых схем И-300! Организация цикла разработки решались бы также значительно проще. Огромными усилиями руководству института удалось построить нужный цех. А потом: Выделение из состава НИЦЭВТ микроэлектронных подразделений!

Виктор Владимирович обсуждал вопросы наилучших путей реализации машин Ряда 4 также при личных со мной встречах и лично показал это подразделение с большой гордостью и надеждой на быстрое продвижение работ ...

В ГДР ситуация с будущей элементной базой также была сложная, но там, однако, была выбрана ориентация на CMOS (К-МОП) -технологию и матричные БИС на ее базе. Виктор Владимирович был в курсе ...

Хотелось бы здесь указать также на технологическую направленность в сторону БИС- (и, позже, СБИС-) микропроцессоров, которая была взята за основу в работах по ЕС ЭВМ-4 для ЭВМ ЕС-1130, и которая впоследствии стала основной в реализации архитектуры IBM (смотри полную статью):

Нормальными темпами шло проектирование только одной ЭВМ — ЕС-1130. Она проектировалась на 11 типах микросхем микропроцессорного набора К-1800, выпускаемого Вильнюсским объединением “Вента”. Это были микросхемы средней степени интеграции, но в сложившихся условиях для ЭВМ ЕС-1130 они были вполне приемлемы. Разработка ЭВМ была успешно завершена в 1989 г. При пятикратном росте производительности посравнению с ЕС-1036 она занимала вдвое меньшую площадь ипотребляла впять раз меньшую мощность из сети. В очередной раз демонстрировалось решающее влияние степени интеграции микроэлектронной базы на технико-экономические параметры ЭВМ.

... В 1995г. производство ЕС-1130 было остановлено. (выделено Г. Ю.)

После 1990 г. стала известна программа Электроника СС БИС, советская векторно-конвейерная суперЭВМ на больших интегральных схемах (БИС), архитектурно сходная с линией Cray, — введенная в опытную эксплуатацию в 1989 году. Она была призвана покрыть огромный стратегический дефицит СССР в суперкомпьютерах. Эта разработка НИИ Дельта при МЭП, под руководством В. А. Мельникова, была выполнена на базе матричных схем типа И-200, в то время, как работы по Эльбрусу-3 и ЕС ЭВМ-4 велись на базе системы матричных БИС типа И-300. Пиковая производительность системы в двухмашинном варианте составляла 500 MFLOPS. В том же году был разработан проект многопроцессорной системы Электроника СС БИС-2 с производительностью до 10 GFLOPS. Проект предполагалось реализовать на более совершенных БИС (И-400 и возможно И-500) (смотри Электроника СС БИС)

По одним только этим фактам, спустя много лет, ощущается, каково было давление на параметры программы ЕС ЭВМ Ряда 4, а также сколь напряженной была конкурентная ситуация в области изготовления матричных схем. И в очередной раз становиться очевидным, какое огромное влияние имеет микроэлектронная база.

Много лет позже были опубликованы очень детальные воспоминания одного из близких товарищей Виктора Владимировича — Юрия Сергеевича Ломова, главного конструктора многих старших моделей ЕС ЭВМ, специалиста и организатора высокого ранга. Там убедительно показано, что советские архитектурные школы по ИТ находились на несомненно мировом уровне, причем некоторые решения, обрисованные в статье Ю. Ломова, можно считать наиболее передовыми, если отталкиваться от фактической практики IBM.

В статье читаем (с. 76) о периоде застоя разработок, связанном с отставанием развития микроэлектроники в СССР; о стратегии НИЦЭВТ по преодолению проблем по частям, когда разработки планировались поэтапно, примерно синхронно с фактически выполнявшимися этапами работ по БИС- (и СБИС) в МЭП. Там же припоминаются возникшие в то время мысли о том, чтобы на ... третьем этапе переходить на проектирование ЭВМ на основе универсальных микропроцессоров. (Подобные концепции существовали и у разработчиков в ГДР).

Если сегодня взглянуть на последовавшие после этапы работ фирмы IBM по супермашинам, располагающимся в вершине пирамиды современных комплексных систем ИТ, то мы увидим, конкретно, на примерах систем IBM/S10, а потом IBM zEC13, насколько близко были мысли высококлассных архитекторов и системщиков НИЦЭВТ к мыслям экспертов из IBM. Замыслы советских разработчиков и их коллег в ГДР во многом соответствовали этапам развития мейнфреймов фирмы IBM, пройденным реально какое-то время спустя.

Разница всего лишь в том, что фирма-гигант IBM не только имела огромный потенциал в области разработки архитектур, но и располагала миллиардами долларов, необходимыми для создания сложнейших технологических процессов, и целыми крупными подразделениями по разработке и производству собственных СБИС (zEC13 построена, например, по технологии 22nm).

Подобные концепции НИЦЭВТ были приостановлены решениями МРП и борьбой архитектур.

Виктор Владимирович и его соратники были, без сомнения, на высоте по части архитектуры, но были вынуждены мириться с фактами общего оставания, прежде всего микроэлектроники .

Можно в общем сказать, что решения наверху прежде всего были связаны с требованием достижения мировых уровней, однако, при этом, во многом отсутствовало понимание необходимых для того технологических и рыночных условий. Хотя идея общего рынка соцстран (СЭВ) и совместного создания ИТ-систем и была шагом в правильном направлении, система экономической самостоятельности и национальные интересы оказывались сильнее идей рынка СЭВ.

Некоторый теоретический путь сосредоточениявсех сил на очень ограниченном числе направлений ИТ-архитектур и технологии для периферийных устройств вместе с их микропроцессорным обеспечением был на практике чистой иллюзией, уже в условиях СССР, а, тем более, в условиях СЭВ.

О целесообразности работы по зарубежным прототипам

Эта тема до сих пор является предметом острых споров и критики. Обратимся, однако, к некоторым фактам:

На уровне правительств было решено строить Единую Систему с использованием операционных принципов системы IBM/360 — тогда бесспорного мирового лидера в области ЭВМ универсального класса. Эти принципы в это время представляли наиболее перспективный взгляд на современную архитектуру ЭВМ, а их выбор избавил страны от долгих пустых академических споров и способствовал экономии крупных средств, а, главное, значительного времени. Применение архитектуры/360 не представляло нарушения прав интеллектуальной собственности, тем более, что с самого начала работ все технические стандарты и набор комплектации должны были строго соответствовать нормам СССР/СЭВ, то есть, конструктивное исполнение проектировалось по нормам ГОСТ, а элементы должны были производиться в странах СЭВ.

В начале работ принципиально важным аспектом этого решения был учет возможностей кооперации в мировом масштабе, с расчетом на возможности импорта широкого набора устройств и программных средств; планировался, таким образом, прямой системный союз с Западом. Сроки импортных закупок могли практически опережать собственные разработки примерно на 4 – 5 лет, т. е. на одно поколение. Импорт послужил в первую очередь эталоном для контроля точного выполнения программной совместимости и периферийных интерфейсов, а также для временной комплектации систем в случае отсутствия возможностей комплектации своим оборудованием или программными средствами.

А в ходе развития работ по трем поколениям ЕС ЭВМ, опережающие системные разработки прототипа однозначно определяли дальнейший путь и уберегали от дорогих и долгих блужданий.

Несколько иная ситуация была с операционными системами ЕС ЭВМ (ОС), мозгами систем. Фирмой IBM операционные системы поставлялись в комплекте целой системы, т. е. они были компилированы, получены в результате ассемблирования или компиляции программ разработчиков из IBM. Для работ по ЕС ЭВМ необходимо было наличие исходного кода (sourcecode). Требовался реверс (т. е., обратная компиляция, re-engineering) — для получения основы для последующего трудоемкого процесса разработок.

Предоставление новейших материалов прототипа службами внешней технической разведки было второй линией поддержки — сильной и неизбежной помощью для работ (детали смотри на немецком языке), однако изредка и в виде sourcecode отдельных фрагментов.

Однако представления или утверждения, будто операционные системы ЕС ЭВМ (см. соотв. статью В. В. Пржиялковского) были простыми копиями, свидетельствуют о полном невежестве тех, кто это утверждал. Структура аппаратных средств, а также наличие других специфических требований к своим ОС, требовали значительной переработки и доработки функциональных модулей. Разработчики должны были, кроме того, — в целях полноценного коммерческого использования систем — гарантировать отсутствие так называемых закладок среди миллионов строк кода (lines of code). Частичная работа с исходными материалами прототипа не допускала никаких рисков по обнаружению таких меток. Создание документации, организация полноценного и ответственного сопровождения пользователей требовали понимания всех деталей исходных материалов.

На основе версии прототипа создавались также системы, а итоге значительно отличающиеся от нее, системы с повышенной защитой доступа и системы для защиты данных , предназначенных для спецзаказчиков в СССР.

Самообъявленные критики, кроме того,пренебрегают тем фактом, что надежность работы операционных систем ЕС ЭВМ и их устойчивость к сбоям и потерям данных имели очень высокий уровень.

Глубокий смысл полной системной совместимости с решениями фирмы IBM дал о себе знать в начале 90-х гг., когда в Россию в массовом порядке импортировались системы second hand и компоненты фирмы IBM. Имеющиеся специфические средства и прикладные системы в организациях-покупателях России были перенесены специалистами по ЕС ЭВМ в импортированные системы без проблем и без особого труда. Все участники и эксперты тогда высоко оценили свойства совместимости ЕС ЭВМ. Для работников НИЦЭВТ это давало много заказов ...

Аспекты развития архитектуры и экономии ИТ-техники и необходимые народно-хозяйственные условия

Рассматривая сегодня пройденные этапы развития архитектур больших машин с момента объявления архитектуры IBM/360 (1964) до времени системы IBM z (Enterprise 196—Z196, 2010 г.), мы наблюдаем тесную корреляцию между оптимизированным использованием имеющейся в распоряжении аппаратной технологии, в первую очередь уровня интеграции микроэлектроники, с одной стороны, и IT-архитектурой. Существует корреляция характера машинных команд со структурой основных аппаратных модулей (например, по концепции Harward-архитектуры). Вместе с этим строится программная философия, включающая использование различных уровней ассемблирования и других программных методов.

Из этого вытекает, что структура операционных систем и большинства прикладных программ двигались вслед за траекториями переходов от CISC к RISC, изменений в компьютерных сетях и других архитектурных особенностей. Сложилась связь архитектуры и структуры процессоров в виде взаимного влияния друг на друга. Архитектура CISC изначально была нацелена на очень экономное использование дорогих аппаратных ресурсов и достижение высокой производительности в условиях сравнительно слабой микроэлектроники.

Выпуск и оптимизация процессоров RISC происходили, когда уровень интеграции сильно возрос, и процессы обработки передавались на компиляторы и RISC-схемы, которые, в частности, приобрели структуры для обработки списков и т. д.

Истинным технологическим рычагом для продвижения архитектур RISC прежде всего была доступность дешевой, мощной оперативной памяти для оптимизации программ. Программы получались эффективными даже несмотря на более длинный RISC-код и увеличение количества машинных циклов. Целью этого периода стало лишь использование соответствующих максимально возможных характеристик полупроводников, а прежде всего предельных структурных размеров чипа для достижения максимальной производительности по числу команд (!), при соблюдении ограничений технологии по числу контактов корпусов и выделяемой мощности (!). Отсюда короткие команды, узкие адресные шины и шины данных, прочее. Все делалось для того, чтобы процессорные структуры разместить на одной БИС с высокой частотой такта, без лишних проводников. Следствием был в частности отказ от программирования ассемблером для операционных систем.

Многие крупные фирмы-изготовители компьютеров в этот период начали разрабатывать собственные RISC-схемы. Такие машины получили широкое применение в областях, где компьютеры раньше были экономически невыгодны.

Смена ориентации на RISC-архитектуру осуществлялась и в СССР, и в ГДР с известным временным расстоянием технологии, и связанным с этим отставанием по части производительности (performance). Электронная промышленность увидела шансы использовать свой (достаточно скромный) технологический уровень для массового производства — в виде собственных компьютеров.

Социалистические страны торопились получить быстрые результаты. В связи с этим примерно 10-летним разрывом они попали в очевидный тупик, как близорукие, не видя, что на горизонте уже появилась универсальная массовая архитектура Intel, способная примерно на тоже самое, и на бурное распространение в новые сферы экономики.

Многие эксперты тогда давали стратегический совет: пропустить архитектуру VAX и сконцентрироваться на микропроцессорных персональных компьютерах, на системах ЕС ЭВМ и локальные сетях, но наталкивались только на острую критику...

32-разрядная волна с архитектурой VAX набрала обороты в СССР и ГДР в 80-е годы. На Западе процессор Intel 8086 был объявлен в 1978 г. Советский аналог KP1810BM86 появился примерно лет на 8 позже. В ГДР выпускалась линия Intel; второе поколение систем микропроцессоров — MMEU80601 — серийно производилось с 1990 г. (Intel 80286 и другие 286-совместимые схемы: U80606; U80608 и U80610). Они использовались, помимо систем числового программного управления станками и другими машинами, также в персональных компьютерах второго поколения ЕС-1835 — вместе с первыми матричными схемами CMOS собственного проектирования и изготовления, на базе U5300.

Специалистам и многим руководителям было ясно одно: развитие технологии микроэлектроники даст огромные эффекты для экономики и общества. Но мало кто решился на вывод, что не надо гонятся за многими зайцами, и мало кто имел то влияние и ту компетенцию, чтобы определить главные направления. Значение персональных компьютеров поздно оказалось в центре внимания руководства, как следствие — отставание микроэлектроники.

Хотелось бы здесь ещё раз подчеркнуть: ЕС ЭВМ была основана на операционных принципах фирмы IBM. Для их разработки концерн затратил огромные средства. Впоследствии для IBM/360 и /390 в мире появилось огромное количество прикладных программ, а в это время советские академики делали доклады о них ... В основе архитектур IBM/360 — /390 лежала т. н. философия CISC-Design (Complex Instruction Set) ЭВМ, то есть со сложным набором команд. Машинные команды CISC отличаются наличием многих относительно мощных и частично параллельных операций, оптимизированных для отработки на сложных аппаратных структурах. Машины с набором CISC-команд долгое время развивались с использованием техники микропрограммирования; их структура позволяла параллельно выполнять команды разных типов и осуществлять, к примеру, одновременные действия с отдельными устройствами управления вводом/выводом (каналами). Этот подход, наряду с его специфическим архитектурным ноу-хау фирмы, соответствовал существовавшей в 1964 году элементной базе (медленной и низко интегрированной ), и основной для того времени ориентацией на коммерческую обработку данных. Одновременно, очень бережно использовался объем весьма тогда дорогой оперативной памяти. Кроме того, для этого этапа было характерно постепенное расширение набора команд с целью обеспечить выполнение все более сложных арифметических операций за один раз и получить более быструю и эффективную обработку. Однако микропрограммирование процессоров вело к постоянному увеличению сложности. Это впоследствии создало дополнительные трудности по переведению их в схемы LSI/VLSI ...

Нельзя, однако, не отметить, что и фирма IBM по технологическим причинам оказалась в трудном положении на этапе производства IBM /308X, когда требования к производительности машин вынудили ее пойти на более компактное размещение процессорных структур. Серьёзную преграду составили известная физика распространения сигналов между схемами и большая мощность рассеивания ЕСL-схем.

Это физически неизбежное обстоятельство касается вообще всех быстродействующих электронных устройств, однако если структура обрабатываемых процессов привязана к определенной архитектуре, то оно сказывается особенно остро. Сегодня во всем мире победили CMOS-технологии для универсальных структур, дойдя внутри себя до наноуровневых размеров, — но для сверхбыстрых процессоров их тепловой режим вынуждает также идти на сложные решения, например по охлаждению.

IBM решила эту проблему введением сложной промежуточной структуры — керамического носителя TCM100 (Thermal Conduction Module), который использовался в ее системах /308X. Огромные технологические требования потребовали специальной керамики с 33 слоями, где размещались 118 голых чипов (flip chips), каждый с 121 контактом, которые бонд-технологией (flip chipmontage) контактировались с помощью 36000 специальных контактных шарообразных площадок. TCM100-модули охлаждались водой!

В НИЦЭВТ обходить сложности правильного логического проектирования новой архитектуры (Ряд 4/390) задумали в своё время симуляцией с помощью реальной ЕСL-логики, однако за схемы по типу TCM100 решили (насколько мне известно) не браться. Для проекта Ряд 4 остановились на системе И-300. Базовые кристаллы таких схем рассчитывали получить от завода по микроэлектронике в Зеленограде, нанесение слоев металлизации для логического программирования планировалось осуществлять в специальном подразделении НИЦЭВТ. Эти планы были сорваны, как говорилось выше.

В ГДР развитие CMOS-технологии как перспективного базового направления легло в основу планов по разным схемам — логическим и схемам памяти. Для решения проблем компактной и быстрой логики для ЕС ЭВМ — Ряда 4 была принята также концепция CMOS и было решено использовать матричные схемы типа U5300. Планировалось изготовить примерно 50 типов логики на двух базовых матрицах. Для серийного воспроизведения параметров, годных для Ряда 4, требовалось, однако, определенное время.

Генеральный конструктор ЕС ЭВМ В. В. Пржиялковский был в курсе и этих планов, и его временных аспектов ... По срокам выпуска Ряда 4, СССР и ГДР в конце 80-х годов оказались примерно в одинаковом положении.

В ГДР также готовилась структура, аналогичная имевшейся в НИЦЭВТ, — в городе Карл-Маркс-Штадт рядом со зданием, где работали разработчики машин, было также спроектировано подразделение по конечному изготовлению матричных БИС U5300 для машины ЕС-1150 и целого ряда других проектов в высокоразвитых областях разного рода промышленности: в машиностроении, в текстильной промышленности и так далее. Здание было возведено в 1990 г., но в Германии после 1990 г. матричные БИС и ЭВМ Ряда 4 были уже никому не нужны... Вместо ЕСЭВМ без особых проблем в большом количестве установились SIEMENS (вместе с новыми программами)и IBM-машины (без смены пользовательских программ). Железобетонный каркас здания простоял до 2014 г.

Известно также, что фирма Siemens выпускала свои ЭВМ примерно до 1995 г., и что последним мэйнфреймом, построенном на немецком заводе, была машина H100, работавшая на операционной системе BS2000 (по архитектуре /390) на базе логики CMOS/ECL.

Выработку концепции по следующему поколению своих машин фирма, однако, уже закончить не сумела. Возникли те же проблемы перехода на VLSI-логику и проблемы физических размеров машин. По этой причине Siemens закрыла своё немецкое подразделение по ЭВМ класса mainframe. Линию mainframe продолжала фирма Fujitsu, использовав BS2000 и элементную базу CMOS/X86 до 2008 года (!).

Siemens сохранила, как последний европейский производитель, лишь направление персональных компьютеров — до середины 2005 г.

Несколько слов о RISC-компьютерах.

После того, как развитие технологии микроэлектроники обеспечило возможности интеграции процессоров с очень комплексными структурами на одном кристалле (chip), открылись пути к существенно новой форме построения архитектуры компьютеров: RISC-компьютеры (Reduced Instruction Set). Схема RISC существенно отказывается от сложных команд в пользу высокой скорости такта и более низкого расхода на расшифровку команд, ориентируется на незначительную ширину поля данных и длину команд (32 бита) и поэтому стала в течении примерно 10 – 15 лет выгодным решением для интегрирования комплексных структур в кристалл микропроцессоров; 32-битную RISC архитектуру, естественно, можно размещать на кристалле значительно лучше (пользуясь одновременно всеми дополнительными преимуществами миниатюризации). И проблемы охлаждения решаются проще.

Через несколько лет следующий технологический шаг к увеличению производительности микропроцессоров привел к тому, что фирмы-производители, предлагавшие собственные схемы для построения RISC-компьютеров, вынуждены были прекратить гонку с современными микропроцессорами Intel и AMD.

Эти микропроцессоры имеют, как известно, внешнюю архитектуру, построенную по модели CISC, однако внутри они используют все существенные преимущества RISC-дизайна. Начиная с Pentium Pro, процессоры Intel обладают присоединенной функциональной единицей, которая связывает ядро RISC со слоем эмуляции CISC. Примерами таких процессоров являются I-8086, I-80386, Моторола 68000 и CPU системы z от IBM.

Согласно Wikipedia, чистые или близкие по типу RISC-процессоры в современных универсальных вычислительных машинах, как правило, больше не используются. Современные машины mainframe почти полностью построены на структурах с микропроцессорами линии Intel x86. Позиция Intel на рынке с успешным массовым использованием делает мелкие серии фирменных чипов вычислительных машин типа RISC нерентабельными. А массовое распространение дает основу для очень выгодных экономических показателей. Intel и AMD выпускают примерно каждые 2 года новые микропроцессоры, часто с новой субнанотехнологией — со структурными размерами до 16 nm и меньше (!). Их обороты достигают десятки миллиардов долларов в год; средств на разработку новых передовых решений достаточно, а разработчики и поставщики наиболее востребованного сверхсовременного оборудования тоже в состоянии следовать этим темпам!

Производители с фирменными процессорами не в состоянии выдержать такую гонку! Сняты с производства DEC Альфа, HPPA-RISC, Sun SPARC, и только лишь сама IBM делает чипы PowerPC, XScale, MIPS и StrongARM, редкие, или исчезнувшие в универсальных вычислительных машинах.

Мы видим на примере истории процессоров фирмы Intel или AMD, что только на уровне субнаноструктур можно реализовать сложные 64 разрядные CISC-структуры в одном кристалле. В этом случае, помимо многих других, при создании чип-корпуса возникает задача минимизировать количество внешних контактов и отвода большого количества тепла ...

Огромные затраты средств, вызванные указанными изменениями основных принципов архитектуры, охватили мировую экономику и вызвали, особенно в некоторых отраслях, существенные изменение технической политики и экономики.

Напрашивается актуальный вывод не только для стран, как Россия, но и для многих фирм Европы: следует ориентировать свою микроэлектронную промышленность на специфические сегменты продуктов, где стоимость и значение интеллектуального труда сильно перевешивают недостатки слабой микроэлектронной технологии. Примерами такого подхода являются управляющие модули сложных объектов, таких как самолеты или автомашины; аппаратура по защите данных, и так далее. А для высокопроизводительных структур, таких, как суперкомпьютер, наиболее выгодно использовать стандартные микропроцессоры!

Роль суперкомпьютеров в современном мире огромна! Разработка современных суперкомпьютеров — это область деятельности, где доминируют вес и стоимость интеллектуальной доли труда. Большинство из них строятся на микропроцессорных комплексах. Важной для такого применения является поддержка архитектурой микропроцессора параллельной работы десятков и до сотен тысяч ядер µ-процессоров в виде конвейеров и матриц. Преобладающее количество процессоров среди TOP500 — это x64-совместимые процессоры CISC (76%: Intel Xeon и AMD Opteron). Как процессор RISC стоит BlueGene (PPC) с 18% в рейтинге. Ведущие системы достигают сегодня (2016 г.) до 90 PetaFLOPS.

Отметим, что по такому же направлению идут сегодня и специалисты АО Научно-исследовательский центр электронной вычислительной техники, где разработана высокопроизводительная вычислительная платформа ЕС1740.0001, пиковая производительность которой 640 Гфлопс, и которая построена на процессоре AMD Opteron 6200 (6300).

Архитектура IBM и положение фирмы на мировом рынке — по прежнему стабильные факторы

Путь развития IBM десятилетиями непрерывно сориентирован на построение архитектуры, обеспечивающей преимущественно положение на вершине существующей пирамиды современных прикладных систем по обработке данных, и, одновременно, сохранение большого количества своих основных клиентов. Воплощением современной архитектуры универсальных вычислительных машин фирмы IBM являются системы z (раньше zSeries). По сравнению с предшествующей архитектурой S/390 системы z отличаются прежде всего наличием 64-разрядной адресации . Более старые программы, которые работают еще с адресацией 31 бита или 24 бита, также продолжают поддерживаться. Система z при этом объявлена как Zero Downtime: все компоненты ее являются избыточными, особенно защищены от аварий; они сверхнадежны ... Современные модели IBM z13 могут работать параллельно (до 85 разделов LPARs) c различными операционными системами.

В истории своих машин mainframe IBM неоднократно расширяла и дополняла пользовательскую направленность. Начав с традиционных характеристик нагрузки Workloads (много транзакций, банков данных, OLTP, Batch и Quality of Service — QoS), она с 2001 г. открыла в своих продуктах для пользователей mainframe новые направления по Linux-Workloads (WebSphere Analytics и Oracle) и наконец также Java-Workloads. 10 лет спустя системы mainframe уже поставлялись для Cloud и Operational Analytics.

Можно сделать из этого предположительный вывод: стабильность и целенаправленность гиганта IBM и в дальнейшем показывали бы для организаций стран СЭВ и ЕС ЭВМ целесообразное направление системной политики!

Однако: Действия по разрушению основ социалистического строя с непосредственным участием самого Генеральныго секретаря и его близких доверенных лиц привели к тем хаотическим переменам, в которых самостоятельное исправление ошибок и недостатков строя оказалось нереальным.

Без действенного международного разделения труда и торговых связей невозможно представить, каким образом можно было бы сократить разрыв с Западом, и развивать ведущие технологии! Такой вывод мог бы послужить одним из элементов действий по исправлению ошибок прошлого.

Цифровая революция (Digital Revolution) и сопровождающие её аспектыДополнение от 02.11.2017.

Занятие над историей принципиально являются важным инструментом для организации настоящего времени и будущего. Последующий абзац рассматривает стратегическую роль микроэлектроники для устройства народного хозяйства, рабочего мира и вообще жизни общества. Фокус внимания направлен при этом на Европу включая Россию и окружающие её государства.

Немецкий Институт имени Лейбница по междисциплинарным исследованиями (LEIBNIZ-Institut für interdisziplinär Studien, LIFIS) на своей 19-ой конференции (19. Leibniz-Konferenz) представил внушительное многообразие стратегических материалов по влиянию микроэлектроники на Цифровую революцию (англ. Digital Revolution), т. н. вторую промышленную революцию. Материалы совпадают убедительно со основными материалом настоящей статьи Аспекты технологического пути ЕС ЭВМ ... и их можно рассматривать как независимую рецензию к статье, с позиции 2015 г. Хотелось бы особенно отметить также замечательные выступления видного ученого, Лауреата Нобелевской премии, Ж. И. Алфёрова по тематике.

Эти обстоятельства вызвали желание привести некоторые дополнения о роли микроэлектроники для настоящего и будущего времени и с определенным взглядом на Россию.

Принципиальная роль второй промышленной революции

Цифровая Революция (Digital Revolution) сегодня идет полным ходом, и образ, каким мы работаем и живем, будет подвергнут большим изменениям. Технической основой для этого является микроэлектроника с её многообразными прикладными решениями.

Мы читаем:

Во второй промышленной революции [„Industrie 4.0“] компьютеры и другие электронные устройства для развития умственных сил человека действуют тем же образом, каким в своё время паровые машины влияли на мощный рост физических сил человека.

E. Brynjolfsson, A. McAfee. The Second Machine Age: Work, Progress, and Prosperity in a Time of Brilliant Technologies.

Будущие перемены для рабочего мира будут огромными: большая часть традиционных промышленных продуктов будут подвергаться существенным структурным изменениям (примеры: электрический привод автомашиного транспорта сильно снижает трудоёмкость их производства и меняет структуру обслуживания, производства и распределения топлива и др., техника возобновляемых энергоносителей заменит традиционное оборудование электростанции, структуру энергосетей ... ). Многие продукты исчезают. Значительное число рабочих мест для управленческих процессов, в банковском деле, характер и объем работы в торговле и в логистике — будут упрощены online-процессами и интеллигентными компьютерами. Немало таких рабочих мест и сейчас становятся лишними. Работа высококвалифицированных специалистов благодаря цифровым сетям потеряет свою региональную привязанность; искусственный интеллект, новые методы конструкции и разработки изделий окажут своё влияние, в частности раскроют новые шансы. Стоимость выполнения работ подлежит корректировке в соответствии с жесткими обычаями рынка.

В итоге примерно 75% всех рабочих мест или их содержание существенно изменятся или исчезнут вовсе (source: Martin Ford. The Lights in the Tunnel.).

Возникает острая необходимость компенсации новыми процессами создания полезного общественного продукта для недопущения потери рабочих доходов как для отдельных людей, так и государств. Пути для этого кроются в создании высокопроизводительных цифровых сетей по всей территории, в новом содержании и качестве обучения и переобучения, в развитии международной кооперации в науке и технике и др.

В ходе Цифровой революции (термин компьютерная революция, принятый в России, не отражает глубину процессов, которые выходят далеко за рамки компьютеров) вводятся всё более производительные устройства и технологии, а прежде всего новые подходы (working principles) и технологии в отраслях экономии и науки, которые способны на частичную компенсацию убытков сфере труда (примеры — экологическое производство энергии, устойчивое производство средств питания, действия против увеличения средней температуры атмосферы земли, обеспечение достойного уровня здравоохранения в мировом масштабе, борьба против голода, создание лекарств против массовых смертельных заболеваний и др. ). Эти перемены, само собой разумеется, конечно отражают общее развитие жизни и обществ людей, но они происходят в тесном взаимодействии с цифровой революцией.

Указанное развитие этих перемен обязательно нуждается в государственных действиях, требуют отказа от святых учений неолиберализма, контроля общества над действиями рыночных концернов-гигантов, приостановки процесса расхождения жизненного состояния людей, вилки между массой бедных или малообеспеченных с одной стороны и горсткой супербогатых с другой. Государство и его органы разным образом должны оказать сильное влияние на то, чтобы явления цифровой революции развивались в интересах благополучия общества, а не привели бы к росту его диспропорций.

Относительно ситуации в России, в апреле 2011 г. появилась замечательная статья Лауреата Нобелевской премии, депутата Госдумы Ж. И. Алфёрова.

В настоящее время для нашей страны нет более важной задачи, чем возрождение высокотехнологичных отраслей промышленности, основанных на современных научных исследованиях и технологиях. В сущности, вопрос стоит о жизни и смерти страны: или мы действительно можем вернуться в разряд передовых развитых стран, или нам уготована судьба колонии, пока еще богатой природными ресурсами. При этом ситуация на самом деле бесконечно тяжелая, потому что за эти 20 лет мы много потеряли.

Немецкий перевод

Правительством России ввиду этой острой ситуации для будущего страны и крайней необходимости для современного развития страны, её ориентации на будущее были разработаны планы по созданию т. н. инновационных центров. Предполагается организация т. н. кластерных структур (Kluster) по образцу Silikon-Valley. Будут выделены большие средства из госбюджета, и большая часть будет из частных капиталовложений с целью возрождения высокоразвитых отраслей технологии и промышленности, создания молодых инновационных фирм (Start-Up) и др.

Наиболее известный — это проект по Инновационному центру Кластер ИТ Сколково недалеко от Москвы. Программа по пяти Кластерам направлена на бизнес-отрасли, которые лежат в главных руслах Промышленной революции 4.0., и которые в условиях РФ обещают быстрые экономические эффекты.

Со стороны возникает однако определенное впечатление о том, что проект Сколково организован с конца (в немецком языке говорят: сбрую лошади надеть c хвоста). Строятся (дорогие ) здания и инфраструктура за (кредитные ) госсредства, пока предприниматели ещё ищут убедительные, т. е. выгодные, бизнес-решения или идеи для продуктов. Невольно думается, что одни предлагаемые сервисы (services) не помогают при ускорении поисков или качества. Ведь помещений и связей в Москве хватает и без того ... Вспоминается история Калифорнийской долины: там идеи и новые продукты возникли в скромных условиях, пока фирмы росли на рынке и заработали средства для их роста, для арендных платежей, для своего строительства среди уже успешных фирм. Иначе говоря — государственные деньги РФ на самом деле не вкладываются в быстрое возрождение высокотехнологичных отраслей, а в основном в некоторую внешнею оболочку.

Анализ этих направлений в Сколкове показывает, что работы по созданию передовых микроэлектронных технологий в проекте отсутствует. Зеленоград рядом, и видимо у Группы Ангстрем, НИИМЭ и Микрон и других имеется кластер с самостоятельным госбюджетом, своя стратегия.

Таблица

На какой микроэлектронной базе проекты в Сколкове базируются, потребуется ли им микроэлектроника на передовом мировом уровне? Видимо, запланированные в Сколкове работы в первую очередь направлены на высококачественные научно-технические решения и новые принципы, высококлассные решения физики и программных средств, на организацию новых звеньев коопераций. Их техническая реализация может быть ориентирована на применение высокопроизводительных µE-компонент, которые (традиционно) покупаются на мировом рынке и на специфических элементах, которые можно изготовить на имеющих в России полупроводниковых заводах или на элементах, разработка дизайна выполняется в России по схеме OMD (Original Design Manufacturer), их последующее производство заказывается на одном из заводов (foundries) за рубежом (см.ниже ). Для специальных µE-схем, которые не потребуются обычно в массовом количестве, вполне достаточно имеющегося уровня Группы Ангстрем. Напрашивается вопрос — как быть с актуальной ситуацией, которую можно называть эмбарго 2 — текущего эмбарго со стороны США и Запада. На базе лишь высокого теоретического уровня, ума русских физиков и математиков и с использованием одних только отсталых на два или три поколения микроэлектронных элементов сегодня нет шансов возрождения высокотехнологичных отраслей промышленности.

О стратегической роли микроэлектроники (µE-Industrie)

Микроэлектронная промышленность является одной из самых весомых ключевых технологий современного развитого государства, которое претендует на устойчивое место среди ведущих стран планеты в настоящее время, и тем более в будущем.

Поддержка этого технологического комплекса посредством дальновидной и ответственной политики, вместе с другими стратегическими технологическими направлениями, как например, технологией по генофондам, должна быть поставлена во главе промышленной политики государства: они имеют, как общеизвестно, решающее значение для роста, устойчивости, а также всеобщей безопасности и благополучия людей. Однако нужно иметь реальную стратегию: не нужно растрачивать государственные средства без шансов на успех!

Микроэлектронная наука характерна огромной динамикой своего развития. Это явление имеет двойственный вид — оно дает сильные экономические импульсы, но сама требует огромного капитала для организации научных работ, разработки и вложений в большой комплекс промышленности.

Состояние микроэлектронной промышленности России вызывает озабоченность. Приведенная таблица (развернутый формат) дает впечатление о напряженности работ по развитию этой важной отрасли, но позволяет также вывод, что Россия пока не сумела заметно сократить разрыв по технологиям. Зависимость уровня техники страны от уровня микроэлектроники, описанная выше относительно работ по ЕС ЭВМ, осталась в новой форме.

Какие мы наблюдаем общие тенденции? Действие т. н. закона Мура (Moore's Law) является результатом сильной положительной обратной связи: спроса со стороны рынка на рост уровня и многообразия микроэлектроники, а этому сопутствует и сильный рост в области всё новых и более экономически выгодных продуктов. Большую роль в этом процессе играет массовый рынок частных покупателей, одни государственные заказы не в силах раскрутить этот процесс, тем более, что они часто имеют определенную специфику — например, инертность к обучению. Только благодаря этому механизма обратной связи в течении примерно 50 лет росло количество элементов на одном кристалле (Chip) до фактора > 109. Примерно в одинаковой степени росли производительность и энергоэффективность одного корпуса, а стоимость функционального эквивалента в той же мере упала. Количество элементов в самых производительных микропроцессорах сегодня достигает количества в 1,5 миллиардов! Но для таких сдвигов требуются огромные научные и технические ресурсы и капиталовложения.

Напомним коротко то, о чем говорится:

Таблица

Добавим, что высокая динамичность требует появление всё новых и новых поколений оборудования и продуктов, как например, использование лазерных пучков и соответствующих устройств и материалов. Такая динамичность невозможна без огромных средств и ресурсов целой отрасли, но для нее необходим огромный рынок (или же огромное безвозвратное государственное финансирование!).

График

Мы знаем, что эти комплексные взаимосвязи привели к господству небольшого числа государств и концернов. С другой стороны появляется все более растущее число государств, падающих на уровень колонии. Но с такой перспективой зависимость для государства, такого как Россия, сложно бороться!!!

Известное отставание в конце существования СССР, плюс 20 потерянных лет — очень большой груз.

Приведем на примере несколько соображений, возникаюших в отношении развития µE у наблюдателя со стороны:

  1. Микроэлектронное производство и успех работ в будущем по определению могут экономически существовать только при массовом производстве микросхем, когда счет идет на миллионы. По сути дела это обеспечивается через коллективную, в основном оптико-химическую технологию.
  2. В России всегда было достаточно разработчиков, но не было массового производства, не были условий для него. Российский рынок отечественного электронного оборудования или личного применения (мобильные телефоны и др. ) мал и массового производства электронных продуктов на экспорт нет. Это существенно ограничивает российский рынок сбыта микросхем — в отличие, например, от Китая, где местные заказчики экспортируют дешёвые потребительские продукты в массовом количестве.
    Российской обороной промышленностью или космосу микросхемы нужны в очень скромных количествах, не способных загрузить серьезное производство; к тому же они обычно специальные.
  3. Крупные капиталовложения правительства РФ улучшили материальное положение российской микроэлектроники. Выше приведенная таблица говорит об этом. Но нет информации о том, что появились конкурентоспособные продукты или сервиса на мировом рынке. Видимо предприятия µE живут заказами силовых структур страны, а главное — аргументы этих органов сохраняют готовность на дальнейшие инвестиции из Госбюджета.
  4. Без интеграции в мировой рынок невозможно развитие не только рынка потребителей микросхем, но и самой микроэлектронной промышленности. Помимо снятия эмбарго 2 и (прямой) торговли с производителями оборудования тут нужен практический опыт управления коммерческими, долговременно прибыльными технологическими компаниями, нужен опыт работы в мировых полупроводниковых компаниях и опыт кооперации с ними.
    Стоит перенять опыт, например, КНР, которая посылает десятки тысяч студентов на учебу в ведущие страны Запада.

Взгляд на приведенный график по распределению выпуска даст достаточное представление на состояние дел в мире. В Европе ситуация требует, по меньше мере, внимательного изучения. Европейская Комиссия предприняла разные инициативы, как например:

Но для Российской Федерации видимо было крайне необходимо выяснить свою стратегическую цель возможной российской программы по типу Russian Silicon Valley. Нет сомнения, что этим заняты высококомпетентные специалисты. Но тут имеется много вопросов.

Нужно ли производство 65—45 нм технологий в России? Какова цель, если (!), правительство РФ объявит новую федеральную программу в несколько миллиардов долларов? В мировой микроэлектронике в последние годы наблюдается снижение темпов роста и проходит консолидация, сейчас идет сдвиг, и даже самые большие микроэлектронные фирмы прекращают инвестиции во внутреннюю разработку технологий меньше 45 нм. Это свидетельствует об огромных капиталовложениях и об изменении структуры рынка. В будущем новейшие цифровые технологии будут сконцентрированы в 4—5 foundries и, да ещё Intel и одной-двух других ODM-компаниях — производителях по готовым дизайнам. Для всех остальных фирм технологии меньше 45 нм — это уже нерентабельно! (Можно добавить, что при приближении к структурам < 9 nm речь идет о размере лишь в нескольких десятков атомов.) Имеются прогнозы, что останется только шесть-семь главных микроэлектронных производителей. Есть ли тут шансы у России при вступлении в игру с учетом вышеописанных огромных дефицитов? Самостоятельная общая программа для России — это бессмыслица.

Другой вопрос: какие нужны специальные технологии и направления, в отсутствии которых могут возникать определенные угрозы для безопасности страны или её важнейших бытовых процессов (защищенность банковских карточек, сильная криптография), — а где можно рассчитывать на кооперацию, на равноправную торговлю. Не стоит ли сосредоточить внимание на нишевых технологиях, для которых уровень денежных инвестиций многократно ниже, и отталкиваться от существующей в России производительной базы и внутреннего know-how.

Повторяется ли история микроэлектроники РФ в нынешних условиях рыночной экономии и экономической глобализации? Имеется положительная информация: Президенты НР Китая и России заботятся не только о строительстве шелковой дороги через Россию, но и о совместных планах по развитию µE-технологий. Холдинг Росэлектроника и Nedi Technology, входящая в состав China Electronics Technology Corporation (CETC), подписали соглашение об организации контрактного производства полупроводниковых приборов. В ближайшем будущем в России возможно таким образом успешное развитие компаний, предоставляющих услуги по разработке интегральных схем на ODM заводах НР. Самые успешные предприятия тогда могут стать т. е. fabless-предприятиями.

Основные перспективы микроэлектроники в России — видимо, в инженерных сервисах.

О будущем µE-технологии

График

И имеется ещё одно направление — новые принципы обработки информации! Несколько строк относительно перспективности и потенциала нанотехнологий и sub-nano структур на основе кремния, самого распространенного полупроводникового материала.

Из графика фирмы Intel с выразительный надписью No end to Moore’s Law — (нет конца закону Мура) мы видим оптимистические оценки для КМОП-структур (CMOS) до 2025/2030 со структурными размером до 7 nm (!). Это потребует структуры в десятки миллиардов элементов ..! Это мнение самой фирмы Intel.

Тенденция для стандартного рынка (!) полупроводниковых схем, видимо, реальна только лишь при условии, что развитие этих новых технологических поколений не будет влечь экспоненциально растущих расходов, приводящих к нерентабельным техническим решениям у пользователей.

Рисунок
Оптимизм фирмы Intel базируется, видимо, на уверенности, что её главный бизнес с огромным распространением и высокими практическими возможностями по всем факторам, сопровождающим существование Силикон-процессов (Silizium-areal), включая научные знания, опыт, оборудование, материалы, средства проектирования и избыток поставщиков, обеспечат устойчивые крупные доходы. Проявятся также тенденции к появлению новых структур (архитектур) на базе известных и дешёвых полупроводниковых компонентов. Мы видели подобные процессы на примере суперкомпьютеров, построенных на микропроцессорах. Вектор направлений развития поэтому клонится в сторону наиболее выгодной экономии.

Все это создает большие препятствия для успешного воплощения таких продуктов. Вероятность экономического успеха пока прогнозируется очень неопределенно. России, видимо, над этим не стоит задумываться.

Интереснее другой вопрос — какая альтернатива КМОП-развитию? Имеются ли в России, например, шансы по реализации квантового компьютера с использованием spin-эффекта. Как реализовать молекулярные или оптические цифровые структуры когда это окажется реальностью?

Ответ на такие вопросы может быть вероятно получен в процессе работ по стратегическим проектам в области достижения сверхвысокой производительности при распознавании объектов или поиске в гигантских по объему массивов данных.

Эти вопросы оставим фантазии читателя.

Тенденции в технологии и в политике — 25 лет спустя окончания работ по ЕС ЭВМ

Всемиреная арена технологий, имеющих прямое отношение к IT-системам, имеет огромное разнообразий направлений. Выше мы рассмотрели в самых общих чертах неразрывную связь между свойствами и развитием компьютерных архитектур и развитием микроэлектронных технологий.

Развитие накопителей и сетевых технологий, взрывное развитие мобильной техники с освоением огромного рынка частных потребителей и так далее — все это осуществляется под влиянием распространения сложнейших технологий, завоевающих мировой рынок с его огромным потенциалом!

В последнее время наблюдаются заметные успехи по развитию искусственного интеллекта. Появляются новые бизнес-схемы и фирмы на базе совершенно новых платформ типа Apple, Google, Alibaba.

Критерий успеха — это умение использовать реакцию рынка для сильного и стабильно растущего цикла воспроизводства продуктов.

Мы видели выше на небольших примерах, какое огромное значение имеет мировой рынок и рыночный обмен на равноправных условиях. Какие цели сегодня опять преследует администрация США и сторонники жесткого курса в Пентагоне, вновь объявив эмбарго в отношении Россию? Ответ ясен: Россия для них осталась стратегическим противником и успех прошлых лет по эмбарго тянет на повторение старой истории!

Резюме

История повторяется? С осторожным оптимизмом можно констатировать, что добрые отношения России с Китайской Народной Республикой открывают огромные возможности получить самые современные изделия, необходимые для труда системных разработчиков, инженеров и других IT-специалистов. Высокая квалификация русских экспертов тем самым способна открыть широкие возможности и достигнуть результатов системных разработок, вполне сравнимых с имеющимися в мире!

Имеется положительная информация: Президенты НР Китай и России не только заботятся о строительстве шелковой дороги через Россию, но и строят совместные планы по развитию µE-технологии в рамках промышленных контрактов.



Большая заслуга в развитии IT-технологий в СССР и в России, в развитии широкого общественного признания целесообразности ориентации на международные стандарты и на международную кооперацию принадлежит специалистам и руководителям программы ЕС ЭВМ и ее бывшему Генеральному конструктору — Виктору Владимировичу Пржиялковскому, работавшему до конца своих дней главным научным сотрудником АО НИЦЭВТ, Герою Социалистического Труда, директору НИЦЭВТ с 1977 по 1991 гг.


Автор приносит Владимиру Викторовичу Пржиялковскому глубокую признательность за существенную помощь при редактировании и исправлении русского текста этой статьи.