Михаил Александрович Карцев (1923-1983 гг.) был выдающимся ученым и инженером, конструктором электронных вычислительных машин и мощных вычислительных комплексов четырех поколений.
Родился он 10 мая 1923 года в Киеве в семье педагогов. Десятилетку окончил перед самой Великой Отечественной войной, а с сентября 1941 года по февраль 1947-го служил в рядах Советской армии. Во время войны участвовал в боях на Юго-Западном, Южном, Северо-Кавказском и 2-м Украинском фронтах, освобождал Румынию, Венгрию, Чехословакию и Австрию. За проявленное мужество награжден орденом Красной Звезды и медалью «За отвагу».
После демобилизации в сентябре 1947-го он становится студентом радиотехнического факультета Московского энергетического института и в том же году успешно сдает экзамены сразу за первый и второй курсы. В 1950 году, будучи студентом пятого курса, М. А. Карцев поступает на работу в лабораторию электросистем Энергетического института АН СССР, где в это время начиналась разработка одной из первых в нашей стране автоматической цифровой вычислительной машины М-1. Позднее он писал об этом:
«В 1950 году в лабораторию электросистем Энергетического института АН СССР им. Г. М. Кржижановского, которую возглавлял член-корреспондент АН СССР Исаак Семенович Брук, начали собираться молодые люди для того, чтобы поднимать советскую вычислительную технику. Первым дипломированным специалистом среди нас был Николай Яковлевич Матюхин – молодой специалист, окончивший МЭИ весной 1950 года, и вокруг него было несколько дипломников из МЭИ, МАИ, из Горьковского государственного университета. А я, инженер-недоучка, студент 5-го курса МЭИ, поступил по совместительству. Всего нас было человек десять.
Никто из нас до прихода в лабораторию электросистем не только не был специалистом по вычислительной технике, но даже не знал, что может быть электронная вычислительная система, и что такое вообще возможно. Такими-то силами мы начали делать одну из первых советских вычислительных машин – вычислительную машину М-1. Может, быть, это было нахальством с нашей стороны, но точно не было халтурой».
М.А. Карцев разрабатывал для М-1 устройство управления – главный программный датчик. Машина прошла испытания в декабре 1951 года и находилась в эксплуатации более трех лет, причем первые полтора года это была единственная в СССР действующая ЭВМ.
Защитив весной 1952 года диплом, Карцев становится штатным сотрудником лаборатории И.С. Брука, который поручает ему возглавить проектирование и изготовление новой вычислительной машины – быстродействующей М-2. Термин «быстродействующая» означал современный на тот момент уровень. В то время уже шла работа над вычислительными машинами БЭСМ и «Стрела».
К делу приступили очень активно: по мере разработки технической документации на отдельные узлы машины шло их изготовление на ряде опытных производств научных институтов. Затем их проверку, стыковку и комплексную настройку машины осуществляли в лаборатории сами разработчики. Машина М-2 была создана в рекордно короткий срок: начали весной 1952 года, к 10 октября были включены первые две стойки – арифметика и управление машины, к 7 ноября – шкаф питания и магнитный барабан, наконец, к 5 декабря включили последний шкаф – электронную память. Такой метод организации работ Карцев использовал во всех последующих разработках.
Модель М-2 имела высокие по тем временам показатели, соответстовавшие мировому уровню: быстродействие – 2000 операций в секунду, емкость памяти – 16 кбайт, широкий список операций над числами с фиксированной и плавающей запятой, страничную организацию памяти. Время подтвердило отличные качества этой ЭВМ: в лаборатории электросистем Энергетического института АН СССР она бессменно проработала 15 лет, обеспечив решение многих задач в различных областях науки и техники. По своим техническим характеристикам она стояла тогда в одном ряду с самыми современными машинами и имела такую же производительность, что «Стрела» и БЭСМ первого периода эксплуатации.
Результаты научных исследований и технические решения, заложенные Карцевым в ЭВМ М-2, были опубликованы в его первой монографии «Арифметические устройства электронных числовых машин», одной из первых книг по вычислительной технике в нашей стране. Автор сформулировал в этом труде основные принципы построения арифметических устройств, провел их систематизацию и предложил критерии оценки различных вариантов схем. Эти же результаты стали основой его кандидатской диссертации, которую М.А. Карцев защитил в 1958 году. Тогда же под руководством И.С. Брука создается Институт электронных управляющих машин АН СССР и под работы М.А. Карцева был организован математический отдел, который он возглавил.
В 1958 году Карцеву поручается разработка ЭВМ М-4 – вычислительной машины для управления и обработки информации в экспериментальном радиолокационном комплексе, создававшемся в институте академика А.Л. Минца. Это была одна из первых отечественных транзисторных ЭВМ. В ее структуру вкладывались особенности, связанные с конкретным назначением.
Предусматривались аппаратная реализация некоторых сложных операций (извлечение квадратного корня, двойное сравнение и др.), внутренняя постоянная память для хранения программ и констант, параллельные вычисления, обеспечиваемые специализированными процессорами ввода-вывода. Среднее быстродействие машины составляло 20 тыс. операций в секунду.
Первый образец машины М-4 начал работать в 1961 году, второй, М-4М, – год спустя. Летом 1962 года машина М-4 успешно выдержала государственные испытания в составе радиолокационного комплекса и была предложена в серийное производство для использования в создаваемой системе предупреждения о ракетном нападении. Однако сложность задач диктовала необходимость поиска новых технических решений, способных обеспечить применение машины на всех уровнях системы.
Карцев предложил новую разработку – ЭВМ М4-2М с более высокими техническими характеристиками и возможностью переменной комплектации. Арифметическое устройство этой ЭВМ было конвейерным. Машина имела расширенный диапазон чисел – порядок от +127 до -128 и уменьшенную мантиссу. Система команд предусматривала режим повышенной точности с 40-разрядной мантиссой. Быстродействие машины составляло 220 тысяч операций в секунду. Как управляющая и работающая в реальном времени машина имела развитую систему прерываний.
Обеспечивалось 12 активных и 12 пассивных прерываний. Переход на программу прерывания происходил за два-три машинных такта. Связь с объектом управления и другими системами осуществлялась по последовательному синхронному шлейфу с пропускной способностью 100 кбит/с. Был предусмотрен параллельный шлейф для связи однотипных ЭВМ при построении вычислительных комплексов из нескольких машин.
В дополнение к М4-2М на той же технической базе был разработан внешний вычислитель М4-3М с разветвленной системой внешних связей. Вычислительный комплекс из двух машин обеспечивал быстродействие около 400 операций в секунду и отличался высокой надежностью – свыше 800 часов наработки на отказ. За разработку этих ЭВМ в 1967 году М.А. Карцеву была присуждена Государственная премия СССР.
В 1969-м был завершен первый этап создания системы предупреждения о ракетном нападении, для которой многие десятки машин М4-2М и М4-3М, соединенных каналами передачи данных длиной в тысячи километров, были объединены в единую вычислительную сеть. Научная сторона разработок этого периода явилась основой докторской диссертации М.А.Карцева.
Новые поколения радиолокационных станций требовали и более мощных как по производительности, так и по объемам памяти вычислительных машин. Карцев предложил принципиально новую архитектуру построения ЭВМ – многопроцессорную вычислительную систему, обеспечивающую параллельную обработку информации. Для воплощения такой архитектуры в жизнь Карцев добился создания в Министерстве радиопромышленности СССР самостоятельного предприятия – впоследствии института и приступил к разработке многопроцессорного вычислительного комплекса М-9 с производительностью в 1 млрд. операций в секунду. Полностью реализовать этот проект на существовавшей элементной базе не удалось. Только в 1970 году одна из его составных частей – числовая связка – была использована при разработке новой машины третьего поколения, серийной многопроцессорной суперЭВМ М-10.
В 1972 году началось серийное производство ЭВМ М-10, и уже в 1976-м вычислительный комплекс из этих машин с программным обеспечением и пакетом рабочих программ заказчика успешно выдержал государственные испытания.
Создателям М-10 удалось решить довольно сложную задачу: имея микросхемы с временем срабатывания порядка 15-25 нс на вентиль и степенью интеграции до трех-пяти вентилей в корпусе, они построили ЭВМ с производительностью более 5 млн операций в секунду. Хотя по этому (в значительной степени формальному) показателю М-10 уступала американской машине Cray-1, она значительно превосходила ее в возможностях архитектуры (среднее количество машинных циклов на одну выполняемую операцию в М-10 составляет от 0,9 до 5,3, а в Cray-1 – от 0,7 до 27,6), и можно утверждать, что вплоть до начала 80-х годов ХХ века М-10 была самой производительной ЭВМ в мире.
Ряду разработчиков, изготовителей и программистов была присуждена Государственная премия СССР, а главный конструктор М.А. Карцев награжден орденом Ленина. Институт получил официальное наименование – Научно-исследовательский институт вычислительных комплексов (НИИВК).
Следующим шагом развития многопроцессорной архитектуры явилось создание М.А. Карцевым новой вычислительной машины четвертого поколения – суперЭВМ М-13, первой отечественной многопроцессорной конвейерно-векторной ЭВМ. Впервые в отечественной практике в вычислительную структуру вводился мощный процессор обработки сигналов с производительностью до 2 млрд. операций в секунду. Серийный выпуск ЭВМ М-13 начался уже без Карцева. Он скоропостижно скончался в апреле 1983 года. Сердце, однажды уже перенесшее обширный инфаркт, не выдержало напряжения последних месяцев…
Все вычислительные машины, созданные под руководством М.А. Карцева, получали высокую оценку пользователей. Особенно отмечались его технические решения по созданию многопроцессорных ЭВМ, позволившие значительно повысить производительность вычислений, что так необходимо было целому ряду ответственных систем в 70-х годах. Приведем одно из многочисленных высказываний в адрес ученого, принадлежащее одному из выдающихся специалистов в области разработки и применения вычислительных средств, профессору, д.т.н. Б.А. Головкину:
«М.А. Карцевым предложена, насколько можно судить – впервые в мире, концепция полностью параллельной вычислительной системы с распараллеливанием на всех четырех уровнях (программ, команд, данных, слов), и, что очень важно, эта концепция реализована в виде созданных на базе ЭВМ М-10 вычислительных комплексов. Вклад параллельной архитектуры в повышение производительности оказался столь весомым., что при большой длительности машинного такта в 1,9 мкс (из-за несовершенной элементной базы) производительность ЭВМ М-10 оказалась 5,1 млн. оп./с (в пиках значительно выше). ЭВМ М-10 вплоть до развертывания МВК «Эльбрус» оставалась наиболее мощной отечественной ЭВМ».
Как главный конструктор ЭВМ и вычислительных комплексов второго, третьего и четвертого поколений Карцев находил и внедрял новые идеи и оригинальные технические решения, которые намного опережали свое время и широкое применение порой находили только годы спустя. Эти новшества были обобщены и опубликованы. В общей сложности им написано пять фундаментальных монографий и 60 научных статей в периодических изданиях.
Михаил Александрович получил 20 авторских свидетельств на изобретения. Одержимый идеями, связанными с вычислительной техникой и смежными прикладными областями, М.А. Карцев и свой коллектив формировал и воспитывал в духе такой же одержимости. И в настоящее время ученые, инженеры, конструкторы, математики, программисты – весь штат ОАО «Ордена Трудового Красного Знамени Научно-исследовательский институт вычислительных комплексов им. М.А. Карцева» (НИИВК) – продолжают традиции своего основателя.
В качестве одного из важнейших направлений научной и инженерной деятельности НИИВК по-прежнему остается разработка многопроцессорных вычислительных комплексов повышенной надежности на современной технической базе, предназначенных для обработки больших потоков радиолокационной и другой информации в составе систем реального времени.
Важным аспектом этого направления на современном этапе является эмулирование архитектуры многопроцессорных векторных ЭВМ типа М («машины Карцева») для работы в составе действующих систем. К этому направлению непосредственно примыкает аппаратная и программная реализация комплексов параллельно-конвейерного выполнения алгоритмов быстрого преобразования Фурье, фильтрации, формирования характеристик направленности, спектрального анализа, двумерной обработки сигналов и изображений, а также других задач цифровой обработки сигналов с производительностью до 100 млрд. оп/с.
Реализация комплексов по требованиям заказчика на основе широкого набора существующих модулей и отработанных технических решений позволяет заказчику получить оптимальные для его системы вычислительные средства, иметь поддержку их эксплуатации, модернизации и развития в короткие сроки и с наименьшими затратами.
Вычислительные комплексы и рабочие станции создаются «НИИВК им. М.А. Карцева» в сотрудничестве с ОАО «НИИ суперЭВМ» и с участием других предприятий, разрабатывающих и изготавливающих высокотехнологичную аппаратуру. Эти предприятия обладают большим опытом создания вычислительных комплексов для различных систем, обеспечивая их разработку, производство и эксплуатацию.
Относительно новым в тематике НИИВК является разработка и изготовление программно-технических комплексов (ПТК) и автоматизированных систем управления (АСУ) для транспортных и промышленных систем, требующих высокой надежности и производительности. Одним из важных заказчиков института по этой тематике является Московский метрополитен.
Разрабатываются и изготавливаются также бортовые регистраторы аварийных событий и распределенные системы регистрации данных для особо важных технологических объектов, в том числе для воздушных и морских судов, поездов метрополитена, наземного транспорта и объектов энергетики (атомные и тепловые станции, гидростанции и крупные подстанции). Создается канальная аппаратура передачи данных для волоконно-оптических линий связи, разрабатываются информационные технологии для различных применений.
Одержимый идеями, связанными с вычислительной техникой и смежными прикладными областями, М. А. Карцев и свой коллектив формировал и воспитывал в духе такой же одержимости. И в нынешних непростых условиях ученые, инженеры, конструкторы, математики, программисты – весь коллектив ордена Трудового Красного Знамени Научно-исследовательского института вычислительных комплексов им. М. А. Карцева старается успешно продолжать и развивать дела и традиции его основателя.
Юрий Рогачев,
Валерий Мухтарулин,
Александр Крупский,
НИИ вычислительных комплексов им. М. А. Карцева
