Научная деятельность В.М. Глушкова Кибернетика, информационные технологии, языки программирования информатики и кибернетики, цифровое государство АСУ, ОСАСУ, ОГАС, ЕГСВЦ

Универсальная малая электронно-счетная машина (МЭСМ) и специализированная электронно-счетная машина для решения алгебраических уравнений, первый в СССР матрично-векторный процессор с конвейерной организацией вычислений и совмещением ввода даных и расчетов (СЭСМ) были созданы по идеям академика С.А.Лебедева, первая - под его непосредственным руководством, вторая - завершена под руководством академика Б.В.Гнеденко. В.М. Глушков принял участие в формировании результатов этих работ и явился ответственным редактором инициированной им книги "Специализированная электронно-счетная машина СЭСМ" /З.Л.Рабинович, Ю.В.Благовещенский, Р.Я.Черняк, А.Л.Гладыш, И.Т.Пархоменко, И.П.Окулова, Л.А.Майборода, С.С.Забара. - Изд. АН УССР Киев. 1961. -147с.
Эта книга была переиздана на английском языке в США и являлась одной из самых первых советских книг по вычислительной технике, изданных за рубежом.

Специализированная электронная счетная
машина (СЭСМ)

"Киев"

Из воспоминаний В.М.Глушкова

... ЭВМ "Киев" сыграла значительную роль в развитии работ центра, хотя и не пошла в серийное производство. Институт впервые вышел с этой машиной на всесоюзный рынок, второй экземпляр машины был куплен Международным институтом атомных исследований в Дубне. В 1956-1957 годах атомная физика "гремела", поэтому работа с этим институтом очень помогла и многому научила. С одной стороны, Институт кибернетики делал высокую науку, а с другой, - учился работать с промышленностью.

В 1959 году в Вычислительном центре Академии наук была завершена работа по созданию первой на Украине большой ЭВМ "Киев".

Именно на ЭВМ "Киев", кроме эффективного решения вычислительных задач, были проведены первые эксперименты по автоматизированному проектированию электронных схем, решены задачи по распознаванию зрительных образов, действовала первая база данных "автодиректор", был осуществлен опыт управления на расстоянии повадкой бессемеровского конвертора в Днепродзержинске (впервые в Европе) и управление технологическим процессом содовой карбоколонны в Славянске. Заказчиком второго экземпляра машины "Киев" стал широко известный Объединенный институт ядерных исследований в Дубне...

Концептуальные основы    

ЭВМ "Киев"

ЭВМ “Киев” - электронная цифровая вычислительная машина, предназначенная для решения широкого круга научных и инженерных задач. Разработана в 1958г. в Институте кибернетики АН УССР по инициативе и под руководством Б. В. Гнеденко, главный конструктор - Л.Н.Дашевский. Разработку вначале выполнял тот же коллектив, что и создал МЭСМ; в выборе операций участвовали В.С.Королюк, И.Б.Погребыский, Е.Л.Ющенко — сотрудники Института математики АН Украины. В.М.Глушков подключился на завершающем этапе технического проектирования, сборки и наладки машины и принял активное участие, будучи вместе с Л.Н.Дашевским и Е.Л.Ющенко руководителем работы, которая завершилась уже в стенах Вычислительного центра АН Украины.

Машина предназначалась для организуемого Вычислительного центра, использована впервые в СССР для исследований по дистанционному управлению технологическими процессами.

ЭВМ “Киев” представляла существенно новое слово в вычислительной технике — имела асинхронное управление, ферритовую оперативную память, внешнюю память на магнитных барабанах, ввод — вывод чисел в десятичной системе счисления, пассивное запоминающее устройство с набором констант и подпрограмм элементарных функций, развитую систему операций, включая групповые операции с модификаций адресов, выполняемых над сложными структурами данных и др.

Характеристики ЭВМ "Киев"

• Оперативное запоминающее устройство параллельного действия на ферритовых сердечниках емкостью 1024 слова, цикл обращения к ОЗУ - 10 микросекунд.
• Реализованы операции сокращенного умножения и деления.
• Структура команд - трехадресная.
• В “КИЕВ” впервые применен адресный язык программирования как входной язык транслятора. Система операций машины - 32 операции, в т. ч. обращение по адресу 2-го ранга и операции для задания циклов.
• Форма представления чисел - с фиксированной перед старшим разрядом запятой, длина машинного слова - постоянная, 41 двоичный разряд.
• Режим работы с плавающей запятой осуществляется программно.
• Постоянное (одностороннее) ЗУ феррит-трансформаторного типа с циклом обращения 7 микросекунд и емкостью 512 слов предназначено для хранения сменно-спаянных программ.
• Цикл работы машины четырехтактный, длительность такта - переменная, она зависит от вида операции и используемой памяти.
• Параллельное арифметическое устройство включает двухтактный накапливающий сумматор и 3 регистра; время сложения 6,6 микросекунд, деления - 275 микросекунд, среднее быстродействие 15 тысяч операций в 1 секунду.
• Внешнее ЗУ состояло из трех магнитных барабанов общей емкостью 9 тысяч слов со временем выборки 120 микросекунд.
• Элементная база - импульсно-потенциальная (ламповые элементы).
• Ввод данных осуществляется с перфолент, перфокарт, телеграфных линий связи, преобразователей непрерывных величин в дискретные, устройств чтения графиков.
• Устройство вывода - цифропечатающее или перфоратор.

ЭВМ "Киев" стала первой в Европе системой цифровой обработки изображений и моделирования интеллектуальных процессов. 

На ЭВМ "Киев" под руководством В.М. Глушкова в конце 50-х - начале 60-х годов была выполнена серия работ по искусственному интеллекту, в частности, обучению распознаванию простых геометрических фигур (В.М.Глушков, В.А.Ковалевский, В.И.Рыбак), моделированию читающих автоматов для рукописных и машинописных знаков (В.А.Ковалевский, А.Г.Семеновский, В.К.Елисеев), отслеживанию движения обьектов по серии изображений, или кинограмме (В.И.Рыбак), моделированию поведения коллектива автоматов в процессе эволюции (А.А.Дородницына, А.А.Летичевский), автоматическому синтезу функциональных схем ЭВМ (Ю.В.Капитонова), первая база данных реляционного типа "Автодиректор" (В.Г.Боднарчук, Т.А.Гринченко) и др.

Принципы построения ЭВМ "Днепр", ее основные параметры, структура и архитектура определялись ее назначением - управление широким кругом производственных процессов.

Основные идеи, которые легли в основу разработки машины "Днепр" следующие:

• машина должна быть полупроводниковой,
• транспортабельной,
• с высоконадежной защитой,
• малоразрядной (26-разрядной - тогда этого было достаточно для управления технологией в большинстве процессов).

Основной особенностью машины было наличие универсального устройства связи с объектом - УСО - набор аналогово-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, управляемых от машины, с помощью которых машина подсоединялась к производственному процессу.

Слева направо: В.И.Скурихин, Л.А.Корытная, Л.А.Жук, В.С.Каленчук, В.М.Глушков, Б.Н.Малиновский

В процессе разработки вычислительной части (арифметического устройства и памяти) ЭВМ была создана ферритная память на миниатюрных сердечниках. Запоминающее устройство на миниатюрных ферритных сердечниках стало первым в стране и обеспечило высокую надежность и небольшие размеры машины.

Для устройства ввода-вывода программ и данных были выбраны широко применяемые в то время устройство ввода данных с перфоленты и цифропечать с электрическим приводом.

Характеристики ЭВМ "Днепр"

Дата создания:1961

Назначение: Цифровая полупроводниковая управляющая машина широкого назначения "Днепр" разработана в Институте кибернетики АН УССР. Предназначена для контроля и управления непрерывными технологическими процессами и сложными физическими экспериментами, а также для изучения процессов в период их алгоритмизации

• Структура команд: двухадресная
• Система счисления: двоичная
• Способ представления чисел: с запятой, фиксированной перед старшим разрядом
• Разрядность: 26 двоичных разрядов, из которых один старший - знаковый
• Быстродействие: при управлении (включить - выключить) - 50000 операций/с; при сложении и вычитании - 20000 операций/с; при умножении и делении - 4000 операций/с. Среднее быстродействие 10000 операций/с.
• Система команд: 88 команд
• Устройства ввода: с телеграфной перфоленты (17,5 мм) со скоростью 45 чисел/с, с клавиатуры телеграфного аппарата и с линий связи
• Типы элементов, используемых в машине: импульсно-потенциальные
• Занимаемая площадь: 35-40 кв. метров
• Потребляемая мощность: 4 кВт

Создатели ЭВМ "Днепр" (УМШН):

Удостоверение о регистрации N 30882

Выдано комитетом по делам изобретений и открытий при СМ СССР по представлению Института кибернетики АН УССР.

Работа под наименованием "Управляющая машина широкого назначения УМШН"

Руководители работы:

Глушков Виктор Михайлович, Малиновский Борис Николаевич

Исполнители:

Г.А.Михайлов, Н.Н.Павлов, Б.Б.Тимофеев, А.Г.Кухарчук, Е.С.Орешкин, В.С.Каленчук, Л.А.Корытная, В.М. Египко, Л.А. Жук, С.С.Забара, Л.Я.Приступа, Э.П.Райчев, Н.М.Абакумова, Л.А.Русанова, Г.И.Корниенко, Ф.Н.Зыков, В.С.Ленчук, И.Д.Войтович, В.В.Крайницкий, А.А.Пущало, Ю.Т.Митулинский, Е.П.Драгаев, А.И.Толстун, М.А.Ермоленко, Н.К.Бабенко, Э.Ф.Колотущенко

Из воспоминаний В.М.Глушкова

... Одновременно с теоретическими исследованиями в Институте кибернетики Академии наук Украины были развернуты работы по созданию и применению вычислительной техники в Украине. Для автоматизации управления технологическими процессами в то время использовались простейшие аналоговые вычислительные устройства. Для каждого процесса создавалось специальное устройство. Причем в основном для тех, которые описывались дифференциальными уравнениями (не очень сложными).

Поэтому, когда мной в 1958 г. на Всесоюзной конференции в Киеве, была выдвинута идея создания универсальной управляющей машины (УМШН), она была встречена в штыки. Многие специалисты в области вычислительной техники дружно выступили против. Дело в том, что в тот период универсальная машина представлялась обязательно ламповой, а это требовало громадных залов, кондиционированного воздуха, т.е. никак не увязывалось с производством и управлением технологическими процессами.

Разработка машины была поручена Б.Н.Малиновскому, он был главным конструктором, а я - научным руководителем. Работа была выполнена в рекордно короткий срок: от момента высказывания идеи на конференции в июне 1958 года до момента запуска машины в серию в июле 1961 года и установки ее на ряде производств прошло всего три года. Насколько мне известно, этот результат остается мировым рекордом скорости разработки и внедрения до сих пор. Параллельно с созданием УМШН, получившей впоследствии название "Днепр", была проведена с участием ряда предприятий Украины большая подготовительная работа по ее применению для управления сложными технологическими процессами. В порядке эксперимента впервые в Европе по моей инициативе было осуществлено дистанционное управление бессемеровским процессом в течение нескольких суток подряд в режиме советчика мастера. Начались исследования по применению машин "Днепр" для автоматизации плазовых работ на Николаевском заводе имени 61 коммунара. В них участвовали Б.Н.Малиновский, В.И.Скурихин, Г.А.Спыну и др.

"Днепр" стала первой отечественной полупроводниковой машиной (если не считать спецмашин), она прекрасно выдерживала различные климатические условия, тряску и пр. Потом выяснилось, что американцы несколько раньше нас начали работы по универсальной управляющей полупроводниковой машине, аналогичной "Днепру", но запустили ее в производство в июне 1961 года, одновременно с нами. Так что это был один из моментов, когда нам удалось сократить до нуля тот разрыв, который имеется по отношению к американской технике, пусть в одном, но очень важном направлении. Заметьте также, что наша машина была первой отечественной полупроводниковой машиной (если не считать спецмашин).

Эта первая универсальная полупроводниковая машина, пошедшая в серию, побила и другой рекорд - рекорд промышленного долголетия, поскольку выпускалась десять лет (1961-1971), тогда как этот срок обычно не превышает пяти- шести, после чего требуется уже серьезная модернизация. И когда, во время совместного космического полета "Союз Аполлон", надо было привести в порядок демонстрационный зал в Центре управления полетами, то после длительного выбора существовавших в то время машин (в 1971 или 1972 г. началась эта работа) выбор все-таки остановился на "Днепре", и две машины управляли большим экраном, на котором все отображалось, - стыковка и т.п. (система делалась под руководством А.А.Морозова). Машина эта пошла на экспорт и работала во многих социалистических странах.

Первые машины "Днепр" выпускал Киевский завод "Радиоприбор". Одновременно с разработкой машины "Днепр" в Киеве стал строиться, по инициативе Института кибернетики, поддержанной правительством, завод вычислительных и управляющих машин (ВУМ) - "Электронмаш". Так что разработка "Днепра" положила начало крупному заводу по производству ЭВМ ...

История вычислительной техники не насчитывает еще и шестидесяти лет. Но в этом весьма коротком интервале уместилось так много событий, что время, отделенное от нас четырьмя десятилетиями, кажется почти легендарным. Именно тогда в Киеве в школе, во главе которой стоял Виктор Михайлович Глушков, была создана первая в мире персональная ЭВМ. Правда, от привычного сейчас настольного компьютера ее отличали куда большие размеры. Еще не наступил звездный час микроэлектроники, и потенциальные полупроводниковые элементы, на которых была построена машина МИР (Машина для Инженерных Расчетов), определяли ее размеры.

Но самым удивительным был все-таки замысел создателей этой машины. Высокий уровень внутреннего языка, развитые средства диалога с пользователем, развитая операционная система, эффективная система микропрограммирования обеспечили ЭВМ МИР высокий машинный интеллект и намного опередили тогдашний уровень мировой вычислительной техники. Начиная с 1969 г., когда стали серийно выпускаться машины МИР-2 и последующие ее модификации, пользователи получили возможность решать свои задачи в режиме непосредственного взаимодействия с машиной.

ЭВМ МИР-1.

ЭВМ МИР-2

ЭВМ МИР-3

Разработчики ЭВМ МИР решали довольно нелегкие и непривычные задачи оснащения этих машин нужными для их работы программными средствами, часть которых в процессе создания машин с помощью микропрограммирования переводилась на уровень аппаратно-программной реализации. На этом важнейшем этапе происходила стыковка внешнего и внутреннего языков. Эффективность стыковки определяла эффективность замысла. И именно тут рождались новые идеи, ставшие основой языка АНАЛИТИК, ориентированного на автоматизацию аналитических преобразований.

АНАЛИТИК, по-видимому, был первым языком программирования, который имел дело не с линейно упорядоченными записями алгоритмов, а с текстами, в которых линейный порядок не является жестким. Именно поэтому в нем появились возможности, не нашедшие в 60-е годы своего развития, ибо для них еще не пришло время. Идея о том, что большинство текстов являются сетевыми образованиями, гипертекстами и способны порождать множество разных линейно упорядоченных текстов, тогда еще не возникла. Но сейчас, когда гипертекстовая технология заняла важное место в практике решения задач на компьютерах, подобные возможности языка АНАЛИТИК становятся весьма прозрачными.

Эпопея МИРов - уникальное событие, одна из наиболее замечательных страниц в истории ЭВМ. Выдающийся вклад В.М.Глушкова в создание ЭВМ серий МИР определяется не только тем, что он сформулировал и теоретически обосновал опередившие свое время концепции, но и созданной им атмосферой творческого подъема, которая способствовала эффективной реализации проекта и оставила неизгладимый след в памяти всех разработчиков.

Из воспоминаний В.М.Глушкова

... В 1959 году у меня родилась программа работ по машинам для инженерных расчетов. Она была начата с разработки цифрового вычислительного автомата. И в 1963 году мы запустили в серийное производство машину "Промінь".

Когда она была готова, ее начал выпускать Северодонецкий завод вычислительных машин. Она была по сути новым словом в мировой практике, имела в техническом отношении целый ряд новшеств, в частности память на металлизированных картах. Но самое главное: это была первая широко применявшаяся машина с так называемым ступенчатым микропрограммным управлением (на которое позже я получил авторское свидетельство).

К сожалению, мы не запатентовали новую схему управления, так как тогда не входили в Международный патентный союз и не могли заниматься патентованием и приобретением лицензий. Позднее ступенчатое микропрограммное управление было использовано в машине для инженерных расчетов МИР-1, созданной вслед за ЭВМ "Промінь" (в 1965 г.).

В 1967 году на выставке в Лондоне, где демонстрировалась машина МИР-1, она была куплена американской фирмой IBM - крупнейшей в США, являющейся поставщиком почти 80% вычислительной техники для всего капиталистического мира. Это была первая (и, к сожалению, последняя) покупка советской электронной машины американской кампанией.

В 1969 году была принята в производство новая более совершенная ЭВМ МИР-2. Затем была разработана ЭВМ МИР-3. По скорости выполнения аналитических преобразований им не было конкурентов. ЭВМ МИР-2, например, успешно соревновалась с универсальными ЭВМ обычной структуры, превосходящими ее по номинальному быстродействию и объему памяти в сотни раз. На этой машине впервые в практике отечественного математического машиностроения был реализован диалоговый режим работы, использующий дисплей со световым пером.

ЭВМ МИР-2. Устройство ввода-вывода со световым пером (прообраз совремменного тачскрина)

В малых ЭВМ серии МИР (МИР-1, МИР-2, МИР-3) удалось полностью осуществить аппаратурную реализацию языков высокого уровня. Структурная интерпретация языков высокого уровня МИР и АНАЛИТИК позволила получить эффективную реализацию работы с вещественными числами произвольной разрядности, целыми числами неограниченной разрядности и точных операций над дробными рациональными числами и др. В машине МИР-2 операции выполнялись не только над числами, но и над произвольными алгебраическими выражениями, которые рассматривались с точностью до основных соотношений алгебры анализа (включая соотношения для трансцендентных функций). Структурная реализация аналитических преобразований обеспечила настолько существенное повышение производительности, что для целого ряда конкретных аналитических задач время их решения на ЭВМ МИР-2 оказалось сравнимым со временем решения на машинах традиционной архитектуры с номинальным быстродействием, в сотни раз превосходящим быстродействие МИР-2.

Каждая из этих машин была шагом вперед в направлении построения разумной машины - нашего стратегического направления в развитии ЭВМ... 

В создании МИРов проявилась замечательная прозорливость В.М.Глушкова, который лично составил аванпроект первой модели МИР, в котором изложил основные принципы построения таких ЭВМ, как машин нового типа с реализацией в них ЯВУ структурным способом. Принцип структурной интерпретации ЯВУ был предложен В.М.Глушковым с участниками его школы в 1962 году (еще до создания машин МИР) и впервые опубликован в 1965г. [1]

Характерно, что первое предложение, оформленное в виде авторской заявки (а затем и закрытого свидетельства [2]) относилось к реализации ЯВУ в высокопроизводительной (т.е. большой по тогдашней терминологии) машине с высокой степенью универсальности. Наши предложения широко обсуждались, научной общественностью, как «революционные». Были проявлены определенные сомнения в возможности создания такой высокопроизводительной машины в то время. Такие сомнения были высказаны и в зарубежном прогнозе, основанном на недостаточности элементной базы в то время.

В.М.Глушковым было принято, как потом оказалось, единственно правильное решение данной научно-стратегической проблемы: всячески форсировать создание малой ЭВМ МИР (как машин для массового использования) и параллельно с этим провести детальную разработку универсальной высокопроизводительной ЭВМ с внутренним языком подобным АЛГОЛ'у-60, расширенному за счет включения в него средств обработки массивов, строк и слов переменной разрядности, а также средств управления вычислительным процессом. Выбор АЛГОЛ'а-60 в качестве основного входного языка машины был обусловлен его передовым уровнем в то время, универсальностью и широкой распространенностью (с целью возможности эффективного использования наработанного пользовательского матобеспечения).

Эта разработка получила название «Украина», но реализована она была только на уровне технического проекта, подкрепленного макетированием и моделированием. Проект содержал воплощение наряду с принципом прямой структурной интерпретации ЯВУ ряда и других смежных передовых идей - виртуальное поле памяти, динамически отображаемое в многоступенчатую физическую память, полностью автоматическую адресацию, широко развитый набор операций с параллельно-последовательным их выполнением, совмещение процессов управления и обработки информации и др.

Проект подвергся жесткому обсуждению в Министерстве радиопромышленности, был полностью одобрен и разослан в ряд ведущих организаций для возможностей использования. Таким образом, идея реализации ЯВУ не только малых, но и в высокопроизводительных ЭВМ стала общепризнанной и получила отражение в нескольких передовых отечественных разработках.

К сожалению, ЭВМ «Украина» не была построена в Институте кибернетики и не запущена в серийное производство, из-за следующих причин:
- отсутствие в то время достаточно миниатюрной и быстродействующей базы;
- трудностей в финансировании.

Последнее обстоятельство было усугублено тем, что потребность страны в высокопроизводительных ЭВМ уже в значительной степени удовлетворялась за счет начатого выпуска серийных ЭВМ БЭСМ-6, разработанных в Институте С.А.Лебедева и находящихся на самом передовом рубеже тогдашней мировой вычислительной техники. И хотя эта ЭВМ по уровню интеллектуальности не дотягивала до предусматриваемого в «Украине», но имела весьма эффективную архитектуру, включая и развитый внутренний язык.

Поэтому В.М.Глушков в свете свойственного ему государственного подхода и не настаивал на дорогостоящем создании машины «Украина», которая выгодно отличалась бы от БЭСМ-6 лишь повышенной интеллектуальностью за счет структурной интерпретации входного ЯВУ. К этому времени проблема интеллектуальности, особенно острая для массового использования ЭВМ специалистами разных специальностей, уже в значительной степени решалась серийным выпуском ЭВМ МИР.

Разработка проекта "Украина" явилась важной вехой в развитии научной школы В.М.Глушкова в области вычислительной техники. Идеи, заложенные в проекте предвосхитили многие идеи, использованные в американских ЭВМ 70-х годов. По материалам разработки была подготовлена монография "Вычислительная машина с развитыми системами интерпретации", авторами которой являются В.М.Глушков, А.А.Барабанов, С.Д.Калиниченко, С.Д.Михновский, З.Л.Рабинович, изданная в 1970 году.

Из воспоминаний В.М.Глушкова

... В основу нашей дальнейшей работы по архитектуре машин я положил последовательный отказ от хорошо известных принципов фон Неймана (последовательная структура языка, т. е. выполнение команд одна за другой; командно-адресный принцип, т. е. в команде содержатся адреса операндов, и команды хранятся так же, как и операнды в памяти; максимальная простота системы команд, т. е. максимальная простота машинного языка. Можно говорить и о других принципах, но эти главные). Появление именно таких принципов неудивительно. В эпоху ламповых машин, когда каждый разряд арифметического устройства - это минимум один триод, необходима простая машина с простыми командами. Однако я уже тогда предвидел развитие микроэлектроники и то, что конструктивные элементы будут изготовляться в едином технологическом процессе и будут стоить очень дешево. Еще тогда я сформулировал такую цель для физиков: композиционное конструирование твердого тела для создания машинной среды. В этом случае принципы фон Неймана неприемлемы. В качестве одного из новых принципов я предложил усложненный машинный язык, потому что компилирующие системы усложнялись, и надо было упрощать программирование с двух концов, - с точки зрения языков и компиляторов, т. е. приближать машинный язык к входному. Реализовав частично эту идею в ЭВМ серии МИР, мы стали развивать ее дальше в соответствии с принципом постепенного усложнения машинного языка, причем не просто усложнения, а приближения к человеческому языку. Пределом я поставил разговор с машиной на естественном языке (и выдачу заданий) ...

Второе направление связано с динамическим распараллеливанием последовательных программ. Идея, предложенная В.М.Глушковым, состоит в том, чтобы использовать для распараллеливания структурированные программы, представленные как выражения алгебры алгоритмов.

Эти идеи нашли свою реализацию в многопроцессорных ЭВМ высокой производительности с макроконвейерной организацией вычислений. Хотя еще пять лет тому назад необходимость разработок супер-ЭВМ подвергалась сомнению, в настоящее время уже ясно, что мировое машиностроение в области высокопроизводительных машин пошло по этому пути.

По производительности МАКРОКОНВЕЙЕР превзошел "Эльбрус" (С.А.Лебедев, ИТМ и ВТ).

К сожалению, несмотря на изготовление опытного и серийного образцов, комплекс не был запущен в серийное производство из-за начавшейся «перестройки» (оборвавшей также завершение и запуск в производство других перспективных разработок Института кибернетики, выполненных на союзном уровне).

Научный руководитель: В.М. Глушков, Михалевич В.С.
Главный конструктор: С.Б. Погребинский, А.Г. Кухарчук
Зам.главного конструктора: В.Д. Лосев, В.П. Клименко

Руководители направлений: Ю.В. Капитонова , А.А. Летичевский , И.Н. Молчанов

Разработчики: Реутов Г.В., Александров В.Я., Орлова И.А., Перелома А.А., Бураченко Т.Е., Борщ Н.С., Майборода В.Т., Грицков В.Я., Шмидский Я.К., Дородницына А.А., Резник А.М., Кальненко В.П.

Из воспоминаний В.М.Глушкова

... Автоматизация доказательства теорем — это моя голубая мечта, она составляет основу в моих размышлениях об архитектуре новых ЭВМ, способных осуществить сложные творческие процессы, в том числе построение дедуктивных теорий.

Именно отсюда вытекают новые идеи построения ЭВМ. И понять, как строить такие машины может только человек, занимающийся не только машинами, но и искусственным интеллектом. В этом наша сила.

Кроме усложнения машинного языка мы стремились перейти от последовательного принципа исполнения команд, предложенного Нейманом, к мультикомандному. Пришлось много потрудиться, пока не пришла в голову идея макроконвейера, и удалось, если не для каждого арифметического устройства, то для всей системы в целом сделать мультикомандную со многими потоками команд и данных машину.
Суть предложенного мной принципа макроконвейерной обработки данных заключается в том, что каждому отдельному процессору на очередном шаге вычислений дается такое задание, которое позволяет ему длительное время работать автономно без взаимодействия с другими процессорами ...

Система ПРОЕКТ-1, реализованная на М-220 и БЭСМ-6, представляла собой распределенный специализированный программно-технический комплекс со своей операционной системой и специализированной системой программирования. В ней впервые в мире был автоматизирован (причем с оптимизацией) этап алгоритмического проектирования. В рамках этих систем была разработана новая технология проектирования сложных программ - метод формализованных технических заданий. Системы "ПРОЕКТ" разрабатывались как экспериментальные, на них отрабатывались реальные методы и методики проектирования схемных и программных компонентов ЭВМ. Эти методы и методики впоследствии были приняты в десятках организаций, разрабатывающих вычислительную технику. Заказчиком выступало Министерство радиопромышленности (ЦКБ "Алмаз" и НИЦЭВТ). Разработанные системы стали прообразом реальных технологических линий выпуска документации для производства микросхем ЭВМ во многих организациях бывшего Советского Союза.

С системой "ПРОЕКТ-1" тесно связана система автоматизации проектирования и изготовления БИС с помощью элионной технологии. В отделе, руководимом В. П. Деркачем (одним из первых аспирантов В. М. Глушкова) были созданы установки Киев-67 и Киев-70, управляющие элионным лучом при обработке с его помощью различного типа подложек. Необходимо заметить, что показатели этих установок давали рекордные параметры в микроэлектронике на то время. Системы автоматизации проектирования ПРОЕКТ имели коммуникационный интерфейс с Киев-67 и Киев-70, что позволяло выполнять сложные программы управления элионным лучом, как при напылении, так и при графической обработке подложек.

Основными особенностями развития и внедрения автоматизации проектирования ЭВМ является использование алгебры вычислений, дискретных преобразователей и других средств обработки информации. Под системным подходом, реализуемым в автоматизированных системах проектирования ЭВМ, подразумевается интегрированное рассмотрение и представление в системе, как объектов, так и операций проектирования на различных стадиях процесса проектирования с необходимым обслуживанием самого процесса. Более того, в этих решениях должны находить отражение не только существующие технологии, но и их развитие в будущем.

Создание индустрии средств обработки информации требовало качественно нового уровня унификации и типизации решений по техническому, математическому, информационному и организационному обеспечению систем, а это, в первую очередь связано с использованием математического аппарата в процессе проектирования.

Руководители разработки: Капитонова Ю.В, Летичевский А.А.
Основные разработчики системы ПРОЕКТ: Гребнев В.А., Чеботарев А.Н., Гороховский С.С., Мищенко Н.М., Горлач С.П., Колбасин Н.И., Чуйкевич В.С., Годлевский А.Б., Лябах В.Ф., Митченко А.И., Мищенко А.Т., Морозов С.И., Парницкий В.И. Пятыгин С.А., Рысцов И.К., Берестовая С.Н., Валькевич Т.А., Дорошенко А.Е., Кривой С.Л., Крат С.П.

Речь идет о создании нового класса ЭВМ - интеллектуальных решающих машин (ИРМ) и организации параллельного программирования в мультипроцессорных интеллектуальных распределенных системах, построенных на базе ИРМ. Предложены основные концепции и разработана система программирования на ЯВУ "С+Граф", обеспечивающего эффективную работу со знаниями (как сложными структурами данных) и централизовано-децентрализованное управление в виртуальном распределенном вычислительном пространстве. Параллельная модель программирования в С+Граф зиждется на модели многопотокового монопроцессорного программирования базового языка Java, функционирующей в сети виртуальных С+Граф-машин. В целом, предложенную в докладе идеологию можно считать эффективным развитием глушковского принципа структурной интерпретации ЯВУ в применении к знаниеориентированным мультимикропроцессорным системам. Рассмотрена структура оборудования и характеристики базового варианта ИРМ.

Современное состояние развития вычислительной техники в Украине

Современный этап развития информатики характеризуется мощным прорывом новых информационных технологий практически во все сферы человеческой деятельности. В основу создания современных информационно-аналитических систем для эффективного управления экономикой развитых стран, обеспечения их обороноспособности, охраны окружающей среды и т.п. внедряются методы системного анализа, оптимизации, повышения уровня машинного интеллекта. Большая и сверхбольшая вычислительная размерность этих задач, огромные информационные массивы и скорости их обработки, высокая пропускная способность каналов связи являются таковыми, что решение указанных задач без использования современных высокопроизводительных ЭВМ становится неосуществимой проблемой.

На сегодняшний день в Украине такие ЭВМ практически отсутствуют и их место никак не могут занять мощные персональные ЭВМ, которых в последние годы приобретено в нашей стране уже немало. Отставание Украины от мирового уровня в оснащенности высокопроизводительными вычислительными системами органов государственной власти, институтов Национальной Академии Наук Украины (НАНУ), университетов, отраслевых НИИ и КБ достигло критического уровня, и если срочно не принять необходимых мер, то в ближайшем будущем это может привести к угрожающей ситуации в стране в целом, не говоря уже о потере ведущих позиций в науке, создании наукоемкой продукции, технологиях проектирования сложных объектов и процессов и т.п.
Возможность закупки и использования импортных суперкомпьютеров для решения задач национальной безопасности Украины и других перечисленных выше задач существенным образом ограничивается рядом серьезных обстоятельств, связанных с существующим в США и других странах эмбарго на импорт суперЭВМ в Украину, их огромной стоимостью для нашей страны, проблемами безопасности, а также практической невозможностью обеспечения требований их нормальной эксплуатации и профилактики.

Естественно, Украина не может конкурировать с США, Японией и развитыми странами Западной Европы по всем направлениям разработки компьютерной техники, в частности, с технологическими достижениями США и Японии в области микроэлектроники, без миллиардных капиталовложений. И тем не менее, Украина может и должна найти собственную нишу в области разработок средств вычислительной техники (СВТ), которые будут защищать ее национальные интересы и будут обеспечивать интеллектуальный потенциал как передового цивилизованного государства, тем более что на протяжении многих десятилетий Украина весьма успешно работала над собственными проектами в области высокопроизводительных СВТ.

И сегодня эти работы продолжаются, правда, не таким широким фронтом, но довольно интенсивно. В частности, речь идет о создании ряда высокопроизводительных ЭВМ с новыми архитектурными и структурными принципами построения. Это направление наших исследований является оригинальным, и в последние годы финансировалось в рамках международных научных программ CRDF, УНТЦ, INTAS и др., а также за средства бюджета НАН Украины.
Следует отметить также еще одно важное обстоятельство, связанное с разработкой современных СВТ. Сегодня в мире существенно изменилась ситуация с микроэлектроникой: во-первых, все передовые страны (и США, и Япония) проектируют свои СВТ на стандартных комплектующих, большинство из которых производится в странах юго-восточной Азии, и главное, во-вторых, - в последние годы появились так называемые ПЛИС'ы - программируемые логические интегральные схемы, на которых размещаются уже десятки миллионов вентилей. С помощью ПЛИС'ов можно проектировать любой сложности аппаратно-программные средства, вплоть до микропроцессоров. Технологией работы с ПЛИС'ами на Украине владеют многие разработчики, в том числе в ИК НАНУ. Так что, несмотря на тяжелейшее состояние украинской микроэлектроники, в целом ситуация не такая уж безнадежная. Используя технологию проектирования на базе ПЛИС, можно успешно заниматься собственными конкурентоспособными средствами вычислительной техники.

Известно, что производительность и интеллектуальность - важнейшие факторы, определяющие развитие современных универсальных ЭВМ. Первый фактор привел к созданию параллельных архитектур ЭВМ, наиболее рациональным базисом которых являются универсальные микропроцессоры. В таких мультимикропроцессорных системах вычислительный процесс организуется на основе распределенной обработки информации, в которой микропроцессоры одновременно выполняют определенные целостные задания - независимые ветви пользовательских программ.

Второй фактор приобретает конкретность при использовании введенного в начале 70-х г.г. прошлого века Виктором Михайловичем Глушковым и проф. З.Л. Рабиновичем понятия машинного интеллекта [1], которым определено и структурировано обиходное выражение "внутренний интеллект ЭВМ". Тогда интеллектуализация ЭВМ рассматривается как повышение уровня их машинного интеллекта.

В ИК НАНУ на протяжении последних 5-6 лет ведутся исследования по созданию нового ряда ЭВМ с широким диапазоном конфигураций - от мощных рабочих станций до супер ЭВМ, - характеризуемого высокой и сверхвысокой производительностью и высоким уровнем машинного интеллекта (МИ). Тенденции создания подобного класса ЭВМ в мире только просматривается в литературе и отдельных выступлениях на конференциях. Таким образом, сегодня имеется определенная ниша в мировом вычислительном машиностроении - высокопроизводительные интеллектуальные ЭВМ - и это направление исследований является весьма перспективным.

Естественно, что создание универсальных высокопроизводительных интеллектуальных ЭВМ, отвечающих современным требованиям, является очень сложной задачей. К таким ЭВМ нужно двигаться поэтапно, создавая на каждом этапе модель ЭВМ с более высокими характеристиками, чем на предыдущем. При этом ЭВМ, полученные на данном этапе, должны закрывать свои конкретные сферы применения. Это очень важно для обеспечения гармонизации процесса информатизации страны, который основан на ЭВМ с различными характеристиками по производительности, оснащению, стоимости и т.д.

В такого рода подходе к созданию высокопроизводительных ЭВМ отражен главный методологический принцип В.М.Глушкова - единство ближних и дальних целей: в процессе достижения дальних целей необходимо получать и использовать промежуточные результаты, которые служат достижению ближних целей.

В рамках данного глобального направления в ИК НАНУ проводятся исследования по разработке распределенных параллельных знаниеориентированных архитектур, названных интеллектуальными решающими машинами, реализующими языки высокого и сверхвысокого уровней и эффективную работу с базами данных и знаний большого объема при решении как традиционно-вычислительных задач, так и задач искусственного интеллекта [2-8].

Это направление исследований естественным образом вытекает из тех основательных заделов, которые в свое время были сделаны в ИК НАНУ:
1. Микропрограммные компьютеры с развитыми внутренними языками, гибкими архитектурами, настраиваемыми на заданные классы решаемых задач (МИР, Украина, Макроконвейер, КИТ для супер ЭВМ Эльбрус и др.), которые характеризовались повышенным уровнем МИ [9, 10]).
2. Интеллектуальные системы для решения задач в слабо формализованных областях, относящихся к сфере искусственного интеллекта: классификация и формирование понятий; планирование действий; поиск закономерностей; правдоподобные рассуждения на основе автоматизации индуктивных и дедуктивных выводов и др. [11-14].
3. Кроме того, существенно повлияли на наши представления зарубежные работы по созданию специализированных архитектур, ориентированных на отдельные методы представления знаний (семантические сети большого объема) и поддержку ряда декларативных языков типа PROLOG, LISP (Prolog-машины, Lisp-машины), а также бурное развитие архитектур для параллельных вычислений типа: SMP (Symmetric Multiprocessor System); MPP (Massively Parallel Processing); SPP( Scalable Parallel Processing) [5].

Основные принципы построения ИРМ

Архитектура ИРМ интегрирует в себе четыре главных свойства:
- аппаратно-программная поддержка процедурных и декларативных языков высокого и сверхвысокого уровня на основе применения внутреннего языка высокого уровня;
- аппаратно-программная поддержка работы с распределенными базами данных и знаний, представленными в виде графов, и другими сложными структурами данных;
- сочетание централизованного и децентрализованного управления на основе двухступенчатой интерпретации;
- распределенная обработка информации на основе применения мультипроцессорных и многокластерных архитектур с разделяемой памятью.

Базовый входной язык в машине класса ИРМ, С+Граф, наследует свойства языка Java и расширен библиотечными средствами выполнения параллельных операций над графами, массивами и средствами централизовано-децентрализованного управления вычислительным процессом.

Внутренний язык в машине ИРМ - это Java-подобный язык высокого уровня, с помощью которого решается одна из главных языковых проблем: существенного сокращения семантического разрыва между исходными пользовательскими ЯВУ-программами и внутренним их представлением в машине, возможность работы со знаниями как со сложными структурами данных (ССД), отсутствие необходимости участия пользователя в организации вычислительного процесса.

Идея подобного использования внутреннего ЯВУ берет свое начало со времен создания ЭВМ МИР, Украина, КИТ [9, 10], в которых была реализована идея структурной интерпретации ЯВУ с целью более эффективной их реализации. Сейчас эта идея сохраняется, но добавилось еще одно важное обстоятельство, связанное с наличием различных современных аппаратно-программных платформ - Intel, HP, Sun, Dec и др. - каждой со своими системами команд, используемых в них микропроцессоров (МП) и операционных систем (ОС). Для каждой такой платформы, как правило, разрабатывается набор своих компиляторов с различных ЯВУ на систему команд того или иного МП этой платформы. Но при этом теряется переносимость исполняемых программ с одной платформы на другую. Для того чтобы сделать исполнимые коды разных платформ переносимыми, вводится промежуточный уровень команд - внутренний язык высокого уровня в виде виртуальной машины - и делается один компилятор с данного внутреннего языка для всех платформ.

На язык С+Граф достаточно просто компилируются или конвертируются программы с ряда общепринятых языков высокого и сверхвысокого уровней типа С++, Java, Paskal, Fortran, Bаysic, Prolog и др. Уже только поэтому на машинах класса ИРМ естественно реализуются традиционные программы для вычислительных задач.

Знания и сложные структуры данных (ССД) представляются в ИРМ в виде ориентированных графов огромной сложности, вершины и дуги которых помечены. Для каждого графа существует распределенное представление в виде связного списка (матрицы смежности и т.п.), кроме того, граф может быть представлен как обобщенный объект (без внутреннего строения). Совокупность графов-объектов может представлять собой семантическую сеть, с которой можно работать, не прибегая к распределенному представлению.

Графы играют одну из основополагающих ролей. С одной стороны граф - это сложная структура данных, т.е. тип данных, характеризуемый своими объектами и операциями над ними, с другой стороны - это может быть исполняемая программа, т.е. тип управления.

С помощью графов достаточно просто представляются сложные динамические структуры данных и знаний типа деревьев (в том числе бинарных), семантических сетей, которые могут динамически изменяться во времени и при этом расти вниз, вширь и т.п.

Для обработки графовых структур в язык С+Граф введены объектно-ориентированные средства: класс типа граф и его методы - совокупность операций и механизмов взаимодействия при работе с переменными типа "граф". В качестве примера таких функций можно привести функции построения и уничтожения графа, поиска по графу, вставки подграфов в граф, формирования новой вершины, дуги и т.п. Язык С+Граф содержит ряд теоретико-множественных операций над графами, алгебраических операций над графами как конечными автоматами, операций с отношениями на дугах графов, операций управления с помощью фишек и т.п. Доступ к графам и его компонентам осуществляется по именованным адресам или ассоциативно, по имени или образцу.
Поскольку внутренний язык С+Граф позволяет с помощью графов представлять как программы, так и данные, то можно пытаться строить исполнительные программы непосредственно в процессе вычислений. Для этого предусмотрено два режима работы с графами: 1) построение и преобразование графа как ССД - синтез программ; 2) выполнение графа, где последний представляет собой исполнительную программу, управляющую фишками. Пример синтеза - работа планировщика (планирование действий) по достижению некоторой целевой ситуации на основе знания исходной ситуации. Планировщик в данном случае выступает в качестве синтезатора программ на основе знаний явно заданных целей с помощью стратегий из заранее сформированной библиотеки.
Параллельная модель программирования С+Граф основывается на модели многопотокового монопроцессорного программирования базового языка Java. Для преобразования этой модели на многопроцессорные системы в язык С+Граф введено понятие виртуального распределенного вычислительного пространства, состоящего из набора типовых, связанных между собой виртуальных процессоров, имеющих иерархическую память.

Виртуальная С+Граф-машина (процессор) является абстрактной машиной. Она предназначена для исполнения байт-кодов, сгенерированных компилятором, который транслирует исходные тексты С+Граф-программ в коды виртуальной С+Граф-машины (ВМ). Эта машина является виртуальной в том смысле, что она не существует в виде реальных микросхем и других устройств, а представляет собой программный эмулятор, реализованный на какой-либо традиционной аппаратной платформе.

Различаются два типа процессоров: обрабатывающий и управляющий. Управляющий процессор (УП) является предопределенным и главным для данной вычислительной сети и связан с каждым виртуальным обрабатывающим процессором как по управлению, так и по передаваемым данным. УП задает распределенное управление в виртуальной вычислительной сети.

Язык С+Граф активно использует библиотеку классов (библиотеку объектно-ориентированного программирования) и компилятор Java. Все основные расширения осуществляются средствами этого языка.
Для осуществления параллельного распределенного программирования в состав библиотеки классов введены: новый абстрактный класс - виртуальные процессоры и методы отображения виртуальных процессоров на физические классы и методы покрытия виртуального пространства сложными структурами данных (массив, матрица, вектор, кольцо, звезда, решетка, дерево, связанный список, граф). Используются также встроенные классы создания и управления потоками и их методы (запуска, выполнения, останова и синхронизации и др.), а также множество встроенных и вновь разработанных методов по манипулированию параллельными объектами - сложными структурами данных.

Расширенная библиотека классов позволяет решать широкий класс задач, не заботясь о деталях организации вычислительного процесса. Предварительное распараллеливание и распределение ССД и ветвей программ по виртуальному вычислительному пространству осуществляются методами расширенной библиотеки совместно со средствами входного языка высокого уровня С+Граф и стандартной мультипроцессорной ОС, с которой эта библиотека совместима.

Централизованное и децентрализованное управление в ИРМ. Функции автоматического программирования выполняет компилятор и интерпретатор - виртуальная машина - входного языка С+Граф. Компилятор компилирует двоичные коды команд, а интерпретатор исполняет их средствами языка низкого уровня - командами МП. Для поддержания многопроцессорного выполнения с каждым физическим МП связывается одна или более виртуальных С+Граф машин. Поэтому приходится строить двухуровневый внутренний язык с реализацией каждого уровня на соответствующих компонентах - программных и аппаратных.

Верхний уровень - это внутримашинное представление входного алгоритмического языка С+Граф после компиляции. Откомпилированная программа, которую должна выполнять виртуальная машина, сохраняется в двоичном файле, который имеет независимый от аппаратно-программной платформы формат - так называемый Class-файл. Этот уровень фиксирует назначение машины (например, Java-машины) в целом и соответствующее ему централизованное управление с помощью УП.

Нижний уровень - обычный язык команд микропроцессора. Этот уровень фиксирует непосредственную обработку информации в поле МП и соответствующее этому уровню децентрализованное управление, т.е. интерпретацию команд в языке С+Граф командами МП и исполнение этих команд.

Предусматривается, что интерпретатор внутреннего языка может обрабатывать одновременно множество параллельных ветвей или отдельных независимых задач. Этому множеству может быть поставлено в соответствие некоторое поле обрабатывающих ВМ (разбитых на кластеры), а они, в свою очередь отображаются на поле физических процессоров. Поскольку одновременно работающих ВМ (процессоров) может быть много, то это и обеспечивает возможность параллельной интерпретации внутреннего языка С+Граф. Когда множество ВМ превышает множество физических МП, то у последних образуются очереди на исполнение различных частей программы.

Интерпретатор отслеживает исполнение всех параллельных ветвей и осуществляет обращение за системными средствами к ОС для оптимальной загрузки поля МП и реализации последовательно-параллельной обработки в этом поле. Таким образом, интерпретатор внутреннего языка дополняет ОС на этапе обработки ССД и исходных программ. В то же время он инициирует обращения к ОС для вызова ее стандартных функций для распределения ветвей задач между ВМ, включая постановку их в очередь, распределение памяти и др.
Децентрализованное управление - это управление выполнением участков графа исполнения программы отдельным МП. В процессе децентрализованного управления осуществляется интерпретация команд языка С+Граф командами МП и исполнение этих команд. Каждый микропроцессор из поля МП хранит в своей иерархической памяти экземпляр виртуальной С+Граф-машины. Децентрализованное управление в пределах одного кластера осуществляется средствами виртуальной машины одним из МП, находящимся в статусе управления.

Таким образом, в ИРМ реализуется двухступенчатая интерпретация. Одна - на уровне интерпретатора внутреннего языка С+Граф, другая - на уровне виртуальных микропроцессоров, размещенных в памяти исполнительных (физических) МП. Отсюда у нас и появилось понятие двухступенчатой интерпретации при управлении параллельной архитектурой с двухуровневым внутренним языком. Именно это обстоятельство позволяет реализовать ЯВУ на параллельной архитектуре.

Структура оборудования в ИРМ

Оборудование ИРМ строилось таким образом, чтобы аппаратно поддержать внутренний язык, механизмы работы с графами, эффективно осуществлять централизованное и децентрализованное управление. В оборудовании ИРМ, так же, как и в других высокопроизводительных системах, используется кластерный принцип компоновки системы, но со специально выделенным (или совмещенным) одним управляющим процессором и средствами коммутации между кластерами (см. рис. 1). Кластерные архитектуры сегодня являются одними из перспективных в мире, число их постоянно растет, объем средств на создание таких архитектур постоянно увеличивается. Если в 1998 году это были сотни миллионов долларов, то сегодня это уже миллиарды долларов.

Блок-схема функциональной архитектуры ИРМ

Кластер - это симметричная параллельная архитектура типа SMP, в которую для улучшения трафика вводится несколько шин. Совокупность кластеров имеет черты как МРР - архитектур, так и SPP-архитектур [5]. В состав каждого кластера может входить от 4 до 8 микропроцессорных модулей, построенных на МП различного типа (RISC, SISC, цифровых сигнальных процессорах и др.). Кластеры связываются между собой двумя типами коммутаторов: коммутатором коротких сообщений (ККС) и магистральным коммутатором каналов (МКК). ККС - бесконфликтная схема, которая передает коды прерываний между МП кластеров для взаимной синхронизации их работы при децентрализованном управлении микропроцессорными модулями дулями. МКК - быстрая система коммутации со специальным механизмом арбитража без задержек. ККС осуществляет передачу байтовых сигналов прерываний между микропроцессорными модулями для инициирования нового процесса, либо прерывания старого, либо для инициирования передачи большого массива данных, которая выполняется уже через быстрый МКК.

Управляющий процессор (УП) предназначен для централизованного управления и синхронизации работы микропроцессорных модулей. УП в своей кэш-памяти второго уровня содержит управляющие структуры - таблицы, стеки, очереди, сообщения, а также карты прохождения запросов пользователей и их программ. УП связывается шинами управления и состояния с каждым микропроцессорным модулем через буферные регистры, шину прерывания и шины данных кластеров. Для обмена данными большого объема УП связывается с памятью каждого кластера через межкластерный коммутатор каналов (МКК).

Децентрализованное управление в пределах одного кластера осуществляется одним из МП, назначаемого УП в качестве ведущего. Получив от УП адрес входа в программу, ведущий МП самостоятельно распределяет ее исполнение среди других МП кластера. Каждый МП кластера исполняет свою заданную ветвь программы с возможным обращением за данными через ККС и МКК в другие кластеры и завершает свою работу выходом из этой программы и переходом в режим ожидания. Затем этот процесс повторяется, но уже при обработке другой ветви программы.

При инициализации системы во все микропроцессоры загружается копия ядра интерпретатора внутреннего языка, часто используемые подпрограммы ОС, математические функции, библиотечные функции ЯВУ (например, функции распределения памяти, обработки очередей, сортировки и т.п.).

Сегодня у нас разработано два опытных образца ИРМ. Первый из них - 2-х кластерный комплекс с 4-мя процессорами типа Pentium 2 и коммутаторами на ПЛИСах - 100тысячниках. Характеристики производительности этого образца не очень высоки. Однако на нем удалось проверить основные идеи, поработать с графовыми задачами из различных предметных областей и т.п.

За последние несколько месяцев нам с нашим партнером - фирмой ЮСТАР (г. Киев) - удалось построить полноценный мощный 4-х кластерный 8-ми процессорный комплекс -КЛАСТЕР - ИК НАНУ - на современных МП Duron c тактовой частотой более 1 МГц и КЭШами 2-х уровней, большой оперативной и внешней памятью. Сейчас этот комплекс находится в интенсивной опытной эксплуатации. Стоимость созданного кластера составила менее 4-х тыс. долларов. При появлении дополнительных средств мы тут же учетверим мощность этого кластера вначале до 32-процессорного варианта, а затем - до 64-процессорного. Это будет, по-видимому, самая мощная вычислительная система в Украине, на базе которой уже в ближайший 1-1,5 года можно будет организовать первый отечественный суперкомпьютерный центр.

На основании экспериментов с опытными образцами в настоящее время нами предложен проект базового варианта машин класса ИРМ (см. табл. 1-3). Все решения по этому проекту запатентованы 3 патентами - одним российским - на архитектуру и структуру вычислительной системы [15], и двумя украинскими - на вычислительную систему [16] и на средства бесконфликтной коммутации [17]. Мы постоянно отслеживаем появление новых электронных компонентов, языков параллельного программирования и соответственно пересматриваем архитектуру и структуру ИРМ с тем, чтобы соответствовать современному состоянию развития СВТ в мире.

Табл.1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБОРУДОВАНИЯ БАЗОВОГО ВАРИАНТА ИРМ

КЛАСТЕРЫ С ОБРАБАТЫВАЮЩИМИ ПРОЦЕССОРАМИ
Число кластеров 4;
Число микропроцессоров в кластере 4-8;
(МП типа - Intel Pentium III - IV с частотой ядра 2,0 Ггц и выше);Кэш L1 256 Кбайт на частоте ядра;
Кэш L2 до 2 Мбайт на частоте ядра;
Системная плата SC450NX на базе чипсета i850 Rambus фирмы Intel;
Память до 8 Гбайт: до 8 банков 100 Мгц DDR SDRAM 128 Mb с чередованием при обращении к памяти, предвыборкой данных при чтении из памяти;
Шина PCI 210 Мгц: две шины по 4 слота в каждой;
Жесткий диск 200 Gb, 4 шт. E-IDE;
Видеокарта 32 Gb Intel Express 3D AGP i740;
Связь с Интернет и по локальной сети;
Терминалы локальной сети до 64.

Табл.2. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ БАЗОВОГО ВАРИАНТА ИРМ

С+Граф - оригинальный входной и внутренний ЯВУ, обладающий эффективными механизмами параллельного программирования: наследует свойства семейства языков С, С++, Javа и функционально развит в направлении осуществления параллельной обработки как программ, так и ориентированных графов, представляющих семантические сети. Конверторы (компиляторы) с известных ЯВУ на язык С+Граф. Параллельный интерпретатор с С+Граф на внутренний язык микропроцессоров. Стандартные ОС - Windows NT, Linux. Стандартные языки - С, С++, Java, Pascal, Fortran и др. Интегрированный интеллектуальный интерфейс - многооконная диалоговая система.
Как видно, в состав оборудования базового варианта ИРМ входят современные микропроцессоры и их обрамление, мощная оперативная и внешняя память, высокопроизводительные сетевые средства, периферия и т.п., а также современное программное обеспечение. Эти характеристики соответствуют современным представлениям о высокопроизводительных распределенных архитектурах, отвечающих требованиям High-Performance Computing (HPC). Но дополнительно к этому машинам класса ИРМ приданы новые качества, обеспечивающие расширение их универсальности и повышение эффективности человеко-машинного взаимодействия Human-Computer Interaction (HCI) при решении как традиционных задач, так и задач искусственного интеллекта.

Табл.3. ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ БАЗОВОГО ВАРИАНТА ИРМ

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ИЗ СПЕКТРА WINBENCH98 ДЛЯ КЛАСТЕРА В РАСЧЕТЕ НА ОДИН ПРОЦЕССОР:Целочисленных операций в секунду - не менее Dhrystones 3550 MIPS;
Операций с плавающей точкой в секунду -не менее Whetstones 2400 MFLOPS;
Disk Winmark при работе с БД на одном диске - 1700 Кбайт/с;
Disk Winmark при работе с БД на двух дисках при 2-х шинах PCI - 5400 Кбайт/с;
При работе с графикой - 160 Business Graphics;
Производительность при работе со знаниями - 0,35 МЛИВС. МАКСИМАЛЬНАЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ИЗ СПЕКТРА WINBENCH 98 БАЗОВОГО ВАРИАНТА ИРМ С 4-МЯ КЛАСТЕРАМИ ПО 4 ПРОЦЕССОРА НА КЛАСТЕР (ВСЕГО 16 МП И 1 УП): Целочисленных операций в секунду - 45440 MIPS;
Операций с плавающей точкой в секунду - 30700 MFLOPS;
При работе с БД - 10800 Кбайт/с по Business Disk Winmark;
Производительность при работе со знаниями - 4,8 МЛИВС.
Характеристики производительности базового варианта находится на уровне или даже выше наиболее мощных рабочих станций фирм Sun и HP и где-то на полдороги к существующим высокопроизводительным ЭВМ. Но это на МП, выпускающихся сегодня. При использовании более мощных МП и увеличении числа кластеров до 16-32 можно не сомневаться, что будут достигнуты характеристики производительности современных супер-ЭВМ.

Таким образом, нами представлены основные принципы построения ЭВМ класса ИРМ, рассмотрены методы пользовательского и автоматического (внутреннего) программирования для машин класса ИРМ. Для пользовательского параллельного программирования предложен входной язык С+Граф, основанный на базовых языках С++ и Java и включающий в себя дополнительные средства работы со сложными структурами данных (графами и др.). Внутренний язык С+Граф аналогичен входному и является средством представления виртуальной С+Граф-машины. Перевод в коды этой машины программ со входного языка С+Граф осуществляет компилятор. Виртуальная машина программно интерпретирует стандартизованный выходной код компилятора. Таким образом пользователь многопроцессорной системы с компонентами, работающими на языках низкого уровня, общается с ней исключительно на ЯВУ и, более того, полностью свободен от организации физического процесса вычислений. Такой подход можно считать эффективным развитием идей акад. В.М.Глушкова, в частности известного принципа структурной интерпретации ЯВУ, но уже в применении к многопроцессорным знаниеориентированным системам, и соответственно, называть его принципом структурно-программной распределенной интерпретации ЯВУ.

Руководитель проекта: Коваль В.Н.
Главный конструктор: Булавенко О.Н.
Научный консультант: Рабинович З.Л.

Разработчики: Любарский В.Ф., Мушка В.И., Митрофанова А.Е., Хабинец Н.П.

В.Н.Коваль, О.Н.Булавенко, З.Л.Рабинович

Литература

1. Рабинович З.Л. О концепции машинного интеллекта и ее развитии // Кибернетика и системный анализ. - 1995. - № 2. - С. 163 - 178.
2. Коваль В.М., Палагин А.В., Рабинович З.Л. Подход к вопросу поддержки постановки и решения проблем // Сб. "Вопросы когнитивно-информационной поддержки постановки и решения новых научных проблем", Киев, 1995, с.65-74.
3. Коваль В.М., Булавенко О.Н., Рабинович З. Л. // Интеллектуальные решающие машины как средства аппаратной поддержки распределенных баз данных и знаний. Перша міжнародна науково-практична конференція з програмування "УкрПРОГ'98", праці, 2-4 вересня 1998р., Україна, Київ, Кібернетичний центр НАН України, 388-397с.
4. Koval V.M. Intelligent Solving Machines: Principles of Construction and Perspectives EC // International symposium on the contribution of Europeans to the evolution and the achievements of computer technology "Computers in Europe. Past, Present and Future", proceedings, october 5-9, 1998, Ukraine, Kyiv, 174-182pp.
5. Коваль В.М., Булавенко О.Н., Рабинович З. Л. // Интеллектуальные решающие машины как базовые средства высокопроизводительных вычислительных систем/ Ж. УСиМ, № 6, 1998, Киев, 42-50с.
6. Коваль В.М., Яковлев Ю.С. О проблеме интеллектуализации интегрированных систем информационной поддержки решения задач в области СВТ. Научно-теоретический журнал "Искусственный интеллект", НАНУ, Институт проблем искусственного интеллекта, 3'2000, Донецк, 2000, сс. 60-72
7. V.Koval A Hardware Support Provided for Distributed Data and Knowledge Bases and Aimed at Knowledge-oriented Architectures. VII Intern. Conf. "Knowledge-Dialogue-Solution" KDS-98, Poland, Szczecin, 21-25 September 1998.
8. Коваль В., Булавенко О., Рабинович З. Параллельное программирование в интеллектуальных решающих машинах // Проблемы программирования. Материалы второй международной научно-практической конференции по программированию "УкрПРОГ2000", Институт программных систем НАНУ, Киев, 2000, сс. 94-102
9.Вычислительные машины с развитыми системами интерпретации / В.М. Глушков, А.А. Барабанов, Л.А. Калиниченко, С.Д. Михновский, З.Л. Рабинович. Киев: Наук. думка, 1970. - 258 с.
10. "МИР", машина для інженерних розрахунків // Енциклопедія кібернетики, - Київ: Головна редакція УРЕ, 1973. - С. 55-56.
11. Гладун В.П. Планирование решений. - Киев: Наук. думка, 1987. - 168 с.
12. Гладун В.П. Партнерство с комп'ютером. Человеко-машинные целеустремленные системы. "Port-Royal", Киев-2000.
13. В.Н. Коваль. Концепторные языки. Доказательное проектирование / Киев: Наук. думка, 2001. - 188 с.
14. В.Н. Коваль. Прикладные системы анализа многомерных процессов / Киев: Наук. думка, 2002. - 496 с.
15. Вычислительная система. Патент РФ № 2042193, приоритет от 8.10.1991, заявка
№ 5014271 Роспатент, Российская федерация. Булавенко О.Н., Коваль В.М., Палагин А.В. и др.
16. Обчислювальна система. Патент України. № 19875, 1998р. Булавенко О.Н., Коваль В.М., Палагин А.В. и др.
17. Патент на винахід, Україна (UA), (21)98010405, (51) G06F15/16, (11) 56139,
приоритет от 26.01.98, 15.05.2003, Бюл. № 5, Булавенко О.М., Коваль В.М., Любарський В.Ф.и др.
18. Поспелов Г.С. Искусственный интеллект - основа новой информационной технологии. -М.: Наука, 1988. - 274с.

Реконфигурируемые системы на базе ПЛИС широко используются во многих областях: реконфигурируемая обработка данных; цифровая обработка сигналов; обработка изображений; коммуникации; вычислительные устройства общего назначения; верификация.

ПЛИС - программируемая логическая интегральная схема, сочетающая регулярность структуры полупроводникового запоминающего устройства с универсальностью микропроцессора, позволяющая программно формировать внутренний специализированный процессор. Структурно ПЛИС представляют собой однородную среду и обладают свойствами: однородности, реконфигурируемости и параллельности выполнения операций. Параллельность - повышение быстродействия, достигается за счет повышения тактовой частоты и за счет параллельного выполнения большого числа операций. Реконфигурируемость - надежность, гибкость и структурная универсальность (возможность создания для каждой задачи соответствующей структуры) обеспечиваются аппаратно за счет программного изменения связей между элементами и функций самих элементов. Однородность - простота технологии изготовления при использовании одинаковых элементов и однотипных связей между ними.

На сегодняшний день ПЛИС прошли путь от простых элементов ПЛМ (программируемые логические матрицы) до сложных ПЛИС - CPLD (Complex Programmable Logic Devices) и FPGA (Field Programmable Gate Array). Доступны кристаллы Virtex-II-Pro фирмы Xilinx емкостью до 10 миллионов системных вентилей, которые имеют огромное преимущество в логической емкости над предыдущими кристаллами FPGA. В течение ближайших трех - четырех лет будут предложены устройства с емкостью 50 миллионов системных вентилей - достаточную логику, чтобы формировать сложные, высокоэффективные системы на одном кристалле.

Существенным преимуществом ПЛИС является их универсальность и возможность быстрого программирования (конфигурирования) под заданный проект. Наличие исключительно удобных для разработчика средств автоматизации проектирования позволяет быстро и эффективно осуществить разработку, верификацию и отладку проекта на одном рабочем месте, используя в качестве основного технического средства PC или рабочую станцию.

Возможность многократного перепрограммирования (конфигурирования) позволяет вносить изменения в уже готовое, функционирующее изделие или использовать это изделие для выполнения различных функций в зависимости от загруженного проекта.

Семейство кристаллов Virtex (включающее серии Virtex, Virtex-E, Virtex-EM, Virtex-II, Virtex-II-Pro) оптимизировано для использования как hard, так и soft cores. Hard cores (типа PowerPC) - специализированные области кристалла FPGA, выделенные для определенных функций, в которых создаются блоки неизменной структуры, оптимизированные для заданной функции.

Накопленный опыт позволил фирмам - производителям ПЛИС, опираясь на опыт фирм - разработчиков аппаратуры, рекомендовать ПЛИС для замены микросхем малой и средней степени интеграции при реализации стандартных комбинационных (шифраторы, дешифраторы, сумматоры, преобразователи кодов, компараторы и др.) и последовательностных (регистры, сдвиговые регистры, счетчики и др.) функциональных узлов, а также логики склеивания (glue logic). С этой целью в состав САПР ПЛИС введен CORE Generator - инструментальное средство, предоставляющее в распоряжение пользователя параметрические логические "ядра", оптимизированные для кристаллов ПЛИС.

Следует отметить, что система CORE, благодаря использованию сетевых технологий, позволяет существенно уменьшить время разработки новых проектов. В соответствии со сформулированными техническими требованиями, проектировщик по сети Internet может получить, оптимизированное для FPGA, логическое ядро и включить его в свой проект.

При проектировании цифровых устройств на базе ПЛИС различной сложности - от простых PLD до CPLD и FPGA широко используют языки описания аппаратных средств (HDL). Наиболее популярные HDL языки - VHDL, Verilog и Abel.

Reconfigurable Computing. Быстрое развитие современных технологий и производство ПЛИС высокой степени интеграции привело к созданию новых направлений в "Computer Science" - "Reconfigurable Computing" и "IRL - Technology". Термин "Reconfigurable Computing" в общем случае обозначает понятие как реконфигурируемой структуры компьютера (hardware), так и процесса обработки данных, выполняемого компьютером. Технология IRL (Internet Reconfigurable Logic) предусматривает возможность реконфигурации (в том числе дистанционной, через сеть Internet) структур вычислительных устройств, включенных в эту сеть и реализованных на элементной базе ПЛИС типа FPGA.

Теоретические основы и примеры практической реализации ЭВМ с гибкой (программируемой) архитектурой, в которой используется механизм микропрограммной эмуляции как инструмент перестройки архитектуры, прежде всего процессора, разрабатывались под руководством А.В. Палагина. Тем самым обеспечивается настройка на различные внутренние языки, совместимых по разрядности, популярных в то время моделей мини-ЭВМ (фирм DEC, H/P и др.), т.е. получалась своеобразная "машина-полиглот", которая могла "переваривать" программное обеспечение, реализованное в различных внутренних языках (системах команд), создавая необходимые для каждого конкретного применения проблемно-ориентированные конфигурации. Другим приложением свойства гибкости было развитие внутреннего языка базовых моделей одного из известных семейств оригинальных микро-ЭВМ как эффективное средство повышения их производительности.

Главной компонентой архитектуры этого класса ЭВМ была гибкая иерархическая система управления, использующая на нижнем, микропрограммном уровне управления оригинальный "эмулятор" форматов команд.
Теоретической основой разработки и оценки эффективности системы управления ЭВМ был предложенный логико-информационный метод проектирования. В соответствие с логической концепцией логико-информационной модели процессор представляется известной композицией операционного и управляющего автомата. В соответствие с информационной концепцией процессор рассматривается как информационная система, вся информация в которой отнесена к трем "сферам" состояний: хранения, транспортировки и преобразования. Таким образом, при определенных соотношениях между объектами информации в этих сферах можно получить оптимальные технические параметры ЭВМ.

Важным качеством ЭВМ с гибкой архитектурой является степень гибкости или уровень программируемых компонентов. Именно они определяют диапазон технических решений и свойства архитектур, каждая из которых эффективна в своем, вполне определенном, классе задач. В данном случае уровень программируемых компонентов опускался до функциональных узлов системы управления ЭВМ, поэтому условно его можно назвать "автоматным" уровнем. Базовыми компонентами на этом уровне в 70-е годы были программируемые логические матрицы ПЛМ.

С появлением современных кристаллов ПЛИС типа FPGA с емкостью более чем 100.000 логических вентилей стало возможным использовать полученные результаты для построения реконфигурируемых компьютеров с полностью программируемой архитектурой. В реконфигурируемых компьютерах (компьютерах с программируемой архитектурой) фиксируется обрабатывающее поле заданной размерности, сконфигурированное специально для выполнения определенного заданного алгоритма или его части, обеспечивая таким образом реализацию этого алгоритма оптимальным способом, имея в виду, как время его выполнения, так и затраты аппаратных ресурсов. Алгоритм может быть разбит на фрагменты, выполняемые последовательно, в связи с чем, соответствующие этим фрагментам структуры также загружаются в кристалл последовательно (в порядке их выполнения), что приводит к существенной экономии ресурсов. Сложность фрагментов алгоритма при этом определяется лишь логической емкостью кристалла, т.е. размерностью обрабатывающего поля.

Таким образом, реконфигурируемая обработка данных представляет собой в известной мере изменение центральной парадигмы проектирования современных средств вычислительной техники и автоматики, а реконфигурируемые аппаратные средства становятся реальной и быстро развивающейся областью вычислительной техники. Процесс конфигурации ПЛИС, составляющих основу реконфигурируемых устройств, может быть реализован при наличии соответствующих файлов конфигурации, полученных в процессе создания проекта с помощью САПР.

Различия между программируемыми микропроцессорами и ПЛИС постепенно стираются. Современные кристаллы ПЛИС включают в свой состав увеличенную локальную память, специализированные умножители и RISC - процессоры (Power PC). Скорее всего, кристаллы ПЛИС никогда не будут заменять микропроцессоры для вычислительных задач общего назначения, но концепция конфигурируемой обработки данных, вероятно, будет играть возрастающую роль в развитии быстродействующих реконфигурируемых вычислительных систем. Аналогично с компьютерами, связанными с сетью Internet, которые могут автоматически загружать компоненты программного обеспечения для выполнения специфических задач, реконфигурируемые устройства могут, при необходимости, загружать новые конфигурации аппаратных средств, используя технологию IRL.

Принципы построения реконфигурируемых систем

В настоящее время под руководством А.В. Палагина ведутся работы по созданию компьютерной системы с реконфигурируемой (виртуальной) архитектурой, которая представляет собой проблемно - ориентированные конфигурации применительно к каждой конкретной задаче. Структура реконфигурируемой системы состоит из 2-х частей: постоянной (или "фиксированной") части F - host компьютера и переменной части V - так называемого "реконфигурируемого" оборудования, которое можно объединять в различные конфигурации. Оборудование V также подразделяется на две части: "стандартную" часть , которая подключается к F через стандартные шины host компьютера и представлена материнской платой с локальной внутренней шиной для подключения "нестандартной" части , представляющей собой широкий набор модулей расширения. Операции, выполняемые в каждой из частей, определяются следующими характеристиками: в F - временем вычислений и исходными данными; в V - также дополнительным оборудованием, необходимым для выполнения соответствующих операций, временем передачи информации между вычислительными модулями и временем реконфигурации системы (загрузки soft cores в кристаллы ПЛИС).

В данной системе конфигурация формируется таким образом, чтобы перенести основную работу с F - части системы на специализированные блоки (V - часть), которые представляют собой soft cores. Для строго сформулированной вычислительной задачи (где однозначно определены все численные процедуры) и описания характеристик операций для F и V требуется организовать общую структуру ( ) и распределить вычисления таким образом, чтобы минимизировать целевую функцию (сумма стоимостей реконфигурации и времени вычислений).

Данная проблема является исключительно сложной, по существу это комбинаторная задача оптимального синтеза. Ограничение, накладываемое конечным объемом реконфигурируемого оборудования, не позволяет получить приемлемый для практики однозначный метод нахождения оптимального решения. Поэтому, находится решение (близкое к оптимальному) методом последовательных приближений.

Реконфигурация структуры включает две фазы. В первой изменяется лишь часть , т.е. механическое изменение не допускается. Если не достигнут заданный критерий оптимизации, то есть часть не имеет достаточной логической мощности и памяти, либо специфических средств ввода-вывода информации, то осуществляется переход ко второй фазе. И дальнейшая реконфигурация системы выполняется также и механическим способом (путем установки модулей расширения в соответствующие разъемы - слоты локальной шины материнской платы).

Структурная организация реконфигурируемых процессоров. Реконфигурируемые процессоры (РП) представляют собой в минимальной конфигурации печатную плату с размещенными на ней одним или несколькими кристаллами пользовательских ПЛИС (ППЛИС), энергонезависимой памяти для хранения файлов конфигурации, элементами загрузки конфигурационного файла (файлов) и одним или несколькими разъемами для подключения внешних устройств (модулей расширения). Тип энергонезависимой памяти определяется областью применения РП: для динамического конфигурирования ППЛИС в процессе функционирования целесообразно использовать Flash - память, а при отсутствии такой необходимости - ППЗУ. Использование Flash - памяти предполагает наличие в составе РП блока управления этой памятью, реализующего загрузку этой памяти файлами конфигурации из внешнего источника, а также чтения с произвольной выборкой требуемого файла и его загрузки.

Большинство задач обработки данных требуют наличия cache-памяти в составе РП. Обращение к памяти должно осуществляться как от внешнего устройства (через установленный разъем), так и со стороны устройства, реализованного в ППЛИС. С целью расширения памяти на плате РП устанавливается разъем для подключения дополнительной памяти. Cache - память в составе РП предполагает наличие контроллера памяти.
Такой тип РП получил название несущих или материнских плат, в связи с тем, что к ним могут быть подсоединены платы расширения. РП разрабатываются под промышленные стандарты, такие как PCI, CompactPCI, PMC (PCI Mezzanine Cards), DIME (DSP and Image processing Module for Enhanced FPGAs) и VME. Спецификация PMC разрешает добавлять модули расширения к материнским платам через локальную шину PCI. Материнские платы подключаются к стандартной шине компьютера и работают в режиме сопроцессора.

Комплекс основных задач в данной области формулируется следующим образом:

- разработка теоретических основ принципов построения реконфигурируемых цифровых структур на основе однородной среды, в соответствии с этим построить систему формализованных методик и алгоритмов синтеза параметрических модулей с учетом особенностей их конструктивно-технологической базы;
разработка основ теории адаптивных логических сетей (АЛС), предназначенных для решения широкого класса задач путем непосредственной структурной реализации алгоритмов обработки и отображения входного множества данных в выходное множество данных за счет их структурной универсальности, в основу структурной организации которых положены требования динамической реконфигурируемости, многоуровневости и параллельности обработки данных, которым в полной мере соответствует современная элементная база - ПЛИС;
- разработка алгоритмов адаптации логических сетей на заданные классы задач, в том числе задачи классификации и др.;
- разработка структуры реконфигурируемого процессора, реализующего конвейерный принцип обработки данных;
- разработка базовых библиотечных параметрических модулей посредством их описания на языке VHDL и схемотехнического редактора САПР ПЛИС, в том числе порогового устройства, сумматора Хемминга, устройств сортировки, медианных фильтров, перемножителей матриц и других;
- разработка основ структурной организации нейроподобных сетей Хемминга на основе кристаллов ПЛИС.

Принципиальными отличиями результатов работ в данной области являются:

- ориентация на технологические возможности отечественных предприятий компьютерного машиностроения;
- свойство структурной универсальности (помимо алгоритмической универсальности), позволяющее для каждого алгоритма создавать в универсальном функциональном поле свою структурную схему, которая обеспечивает эквивалентное отображение структурной схемы алгоритма и процессов функционирования, позволяя менять логическую структуру устройства в зависимости от специфики решаемой задачи путем реконфигурирования внутренней структуры.

Реконфигурируемые системы найдут широкое применение в следующих приложениях:

- проблемно-ориентированные системы и сопроцессоры;
- телекоммуникации, обработка изображений, цифровая обработка сигналов;
- моделирование алгоритмов и проектирование архитектур современных компьютеров, основанных на кристаллах FPGA и ASIC;
- современные системы управления, связанные с выполнением больших объемов вычислений - управление технологическими процессами, контрольно-измерительной аппаратурой, роботами - манипуляторами, других системах реального времени;
- знание - ориентированные системы - создание автоматных сетей для синтаксически - семантического анализа текстов, в частности, для реализации модели языковой картины мира (ЯКМ).

Данное направление выполняется в рамках работ, которые являются теоретическим обобщением научных и практических результатов, полученных в течении более чем десятилетнего периода разработок ряда цифровых устройств на ПЛИС, выполненных в отделе "Микропроцессорная техника" Института кибернетики им. В.М. Глушкова НАН Украины.

Тогда мы стали продумывать Львовскую систему (АСУП) с крупносерийным характером производства на телевизионном заводе во Львове.

Мной в 1965 году было выдвинуто понятие специализированной операционной системы, предназначенной для систем с регулярным потоком задач плюс небольшой процент нерегулярных задач. Дело в том что операционные системы, которыми снабжались машины ИБМ-360 в 1965 году и которые решают случайные потоки задач, универсальны для пакетного режима и хороши для вычислительных центров (относительно хороши, конечно). А в АСУ, как правило, мы имели дело с задачами регулярными, т. е. мы знали, что в какое-то время должна выйти на счет такая-то задача. Поэтому мы могли использовать упреждение во времени для предварительной подготовки информации с тем, чтобы когда задача вышла на счет, необходимая информация уже была готова (магнитные ленты подкручены, и первая порция информации передана в оперативную память и т. д.). Для этого вводилось расписание задач, и с помощью мультипрограммирования оставалось только заполнять возникающие промежутки счетом нерегулярных задач или отладкой новых задач, которые возникают в результате развития системы.

После «Львовской системы» в конце 60-х — начале 70-х годов мы завершили работы по системе «Кунцево» (для кунцевского радиозавода). Она делалась таким образом, чтобы перекрыть практически большинство задач в группе приборо- и машиностроительных отраслей промышленности.

Нам удалось подписать соответствующие приказы о том, чтобы 600 систем, которые разрабатывались в то время в девяти оборонных министерствах (машиностроительных и приборостроительных), делались на основе кунцевской системы.

• • •

Виктор Михайлович Глушков сыграл огромную роль в формировании идей создания автоматизированных систем управления. Под его руководством была выполнена разработка специальных технических средств для управления рядом технологических процессов в металлургической, химической и судостроительной промышленностях, а также для микроэлектроники.

Анализируя возможности вычислительной техники и проблемы экономики В.М. Глушков первым выдвинул идею создания автоматизированных систем управления для предприятий, как низшего элемента автоматизированной системы управления экономикой в целом.

В 1962 г. В.М. Глушков выступал во Львове с лекцией о возможностях ЭВМ. К нему подошел директор завода "Электрон" С.О. Петровский и предложил свой завод в качестве полигона для создания АСУ предприятием. Так началась разработка первой в стране АСУП, которая получила название "Львов". Первая очередь системы была сдана Госкомиссии в 1967 г. Она была признана типовой для предприятий с массовым характером производства и началось тиражирование этой системы во всех отраслях оборонной промышленности. Таких систем было внедрено более 1000.

Работа над системой "Львов" позволила сформировать коллектив разработчиков АСУ. Среди них Скурихин В.И., Шкурба В.В., Морозов А.А. и ряд других.

В 1967 году сдана в эксплуатацию и рекомендована к массовому тиражированию первая в стране автоматизированная система управления (АСУ) предприятием с массовым характером производства "Львов". На этой системе были отработаны многие принципы, положенные в основу автоматизированных систем управления иных типов. В 1970 году В.М.Глушкову (с коллективом авторов) присуждена Государственная премия УССР за эту разработку.

Параллельно с системой "Львов" разрабатывались системы "Проект", "Скорость", "Вираж", "Чертеж", которые автоматизировали отдельные жизненные циклы изделий.

В.М. Глушков вместе с коллективами разработчиков АСУ формирует новую задачу - создание комплексных автоматизированных систем управления.

Первую такую систему начали разрабатывать для НПО "Энергия" (Калининград, Московская область). В ее рамках была создана первая в стране гибкая производственная система (ГИС), где работали только станки автоматы и роботы. Это был шаг к созданию заводов-автоматов, о которых уже начинали мечтать разработчики АСУ. На этой ГИС был изготовлен "Буран". Система отмечена Госпремией СССР.

Создание КАСУ НПО "Энергия" продолжалось 5-ть лет. Система также была принята Госкомиссией. Руководили этой разработкой академик НАН Украины В.И. Скурихин и А.А. Морозов.

В конце 60-х годов была создана АСУ "Кунцево" под руководством чл.-кор. НАН Украины А.А. Стогния, которая также была признана типовой для своего класса предприятий и рекомендована к тиражированию.

Идеология АСУ становится в 70-е годы общепринятой. И когда в СССР принимается решение о строительстве Ульяновского авиационно промышленного комплекса одновременно принимается решение о создании КАСУ УАПК. Это был первый пример проектирования громадного промышленного комплекса с встроенной АСУ. Сдача КАСУ УАПК производилась одновременно с выпуском предприятием первого самолета "Руслан". Главным конструктором системы был чл.-кор. НАН Украины А.А. Морозов.

Опыт создания целого ряда автоматизированных систем организационного управления позволил В.М. Глушкову сформулировать задачу общегосударственной автоматизированной системы управления (ОГАС).

У нас в стране все организации были плохо подготовлены к восприятию обработки экономической информации. Вина лежала как на экономистах, которые практически ничего не считали, так и на создателях ЭВМ. В результате создалось такое положение, что у нас органы статистики и частично плановые были снабжены счетно-аналитическими машинами образца 1939 года, к тому времени полностью замененные в Америке на ЭВМ.

Американцы до 1965 года развивали две линии: научных машин (это двоичные машины с плавающей запятой, высокоразрядные) и экономических машин (последовательные двоично-десятичные с развитой памятью и т. д.). Впервые эти две линии соединились в машинах фирмы ИБМ.

Я организовал коллектив у нас в институте, сам разработал программу по его ознакомлению с задачей, поставленной А. Н. Косыгиным. Неделю провел в ЦСУ СССР, где подробно изучал его работу. Просмотрел всю цепочку от районной станции до ЦСУ СССР.

За 1963 год я побывал не менее чем на 100 объектах, предприятиях и организациях самого различного профиля: от заводов и шахт до совхозов. Потом я продолжал эту работу, и за десять лет число объектов дошло почти до тысячи. Поэтому я очень хорошо, может быть как никто другой, представляю себе народное хозяйство в целом: от низа до самого верха, особенности существующей системы управления, возникающие трудности и что надо считать.

Понимание того что нужно от техники, у меня возникло довольно быстро. Задолго до окончания ознакомительной работы я выдвинул концепцию не просто отдельных государственных центров, а сети вычислительных центров с удаленным доступом, т. е. вложил в понятие коллективного пользования современное техническое содержание.

Мы разработали первый эскизный проект "ЕДИНОЙ Государственной сети вычислительных центров ЕГСВЦ, который включал около 100 центров в крупных промышленных городах и центрах экономических районов, объединенных широкополосными каналами связи. Эти центры, распределенные по территории страны, в соответствии с конфигурацией системы объединяются с остальными, занятыми обработкой экономической информации. Их число мы определяли тогда в 20 тысяч. Это крупные предприятия, министерства, а также кустовые центры, обслуживающие мелкие предприятия. Характерным было наличие распределенного банка данных и возможность безадресного доступа из любой точки этой системы к любой информации после автоматической проверки полномочий запрашивающего лица. Был разработан ряд вопросов, связанных с защитой информации. Кроме того, в этой двухъярусной системе главные вычислительные центры обмениваются между собой информацией не путем коммутации каналов и коммутации сообщений, как принято сейчас, с разбивкой на письма, а я предложил соединить эти 100 или 200 центров широкополосными каналами в обход каналообразующей аппаратуры с тем, чтобы можно было переписывать информацию с магнитной ленты во Владивостоке на ленту в Москве без снижения скорости. Тогда все протоколы сильно упрощаются и сеть приобретает новые свойства. Это пока нигде в мире не реализовано. Наш проект был до 1977 года секретным ...

С самого начала я сформулировал задачу и по автоматизации двигательной (моторной) функции роботов. Мной была поставлена задача создать автоматическую руку на тележке, которая передвигалась бы вдоль щита управления любым объектом и переключала бы тумблеры, рубильники, поворачивала бы ручки и т. д., одновременно к ней добавлялось примитивное зрение, которое было бы способно воспринимать только положение стрелки приборов или деления шкалы. Но, к сожалению, я не смог подыскать человека, который любил бы работать с механикой, руками. А зту задачу я поставил еще в 1959 году, когда о роботах еще никто не заикался. Если бы у нас были хорошие мастерские, то мы могли бы в 1963 году первыми в мире иметь механическую руку. К сожалению, не все удается сделать.

Синтез всех зтих направлений - в роботах-манипуляторах с рукой, зрением и искусственной речью. Одновременно, мы начали работы по распознаванию смысла фраз на русском языке, т. е. в области семантических сетей, как теперь зто называется. Этим занимался А. А. Стогний и частично А.А.Летичевский, они добились хороших результатов. А. А. Стогний подготовил хорошие программы. По потоку предложений на входе зтот алгоритм строил семантическую сеть, т, е. определял, какие слова с какими корреспондируются. Например, предложение "Стул стоит на потолке" хоть и правильно грамматически, но семантически неверно и т. д. Были сделаны зачатки картины мира, причем было придумано экономное кодирование; затем А. А. Стогний переключился на распознавание дискретных образов, тематику Ю.И.Журавлева, да и я оставил это дело, и у нас оно захирело. Надо было его с машинным переводом связать, но опять не хватило людей, а я не мог заниматься лишь семантической алгоритмикой. И все-таки, когда я сделал в 1962 году в Мюнхене на конгрессе IFIP доклад на эту тему, это было сенсацией - у американцев ничего подобного в то время не было. Тогда же меня избрали в программный комитет Международной федерации по обработке информации.

В творческом наследии В.М.Глушкова значительное место занимают исследования в области искусственного интеллекта.

Под его руководством они велись широким фронтом. Здесь и работы по распознаванию образов (зрительных, речевых, языковых и т.п.), исследования в области робототехники, математической лингвистики, информационных систем и др. Однако самой близкой для него проблемой, которой он много занимался непосредственно сам на протяжении всей своей кибернетической деятельности, была автоматизация поиска доказательств теорем. Еще в 1958 г., изучая в качестве оппонента докторскую диссертацию А.И.Ширшова, В.М.Глушков сделал попытку проверить найденные А.И.Ширшовым тождества в кольцах и алгебрах ЛИ с помощью программы на машине "Урал". Он внимательно следил за работами по созданию алгоритмов поиска логического вывода в СССР и за рубежом, инициировал проведение соответствующих исследований в Институте кибернетики. Под его руководством в начале 60-х годов были проведены эксперименты по машинной реализации алгоритма Тарского и некоторых других алгоритмов поиска вывода в разрешимых теориях.

С проблемой доказательств связывались работы по аналитическим выкладкам и их реализации в машинах серии МИР. Эти работы основывались на солидной материально-технической базе. В 1963 г. при Институте кибернетики АН УССР было создано Специальное конструкторское бюро математических машин и систем с небольшим опытным производством. Возникшее на базе завода "Радиоприбор" серийное производство ЭВМ, разработанных Институтом кибернетики АН УССР, способствовало организации самостоятельного завода Вычислительных управляющих машин (ВУМ).

Кроме работ по увеличению "интеллекта" создаваемых машин, в рассматриваемый период проводились исследования и в других направлениях. Развивая идею диалога человек - машина при автоматизации дедуктивных построений, группа сотрудников Института кибернетики (А. А. Летичевский, Ю. В. Капитонова, 3. М. Асельдеров, К. П. Вершинин, В. Ф. Костырко и др.) под руководством В. М. Глушкова создала язык "практической" математической логики и систему обработки текстов на этом языке, максимально приближенные к практике работы исследователей в соответствующих разделах современной математики (в первую очередь алгебры), а также первый вариант машинного алгоритма очевидности. Решались проблемы по дальнейшему увеличению доказательной силы машинной части будущей диалоговой системы.

Под руководством В. И. Рыбака проводились теоретические исследования в области робототехники. Построен действующий макет "интеллектуального" робота, способного визуально опознавать простые геометрические тела, осуществлять с помощью управляемой ЭВМ "руки" целенаправленное их перемещение и т. п. Проведены теоретические исследования по усовершенствованию методов автоматического распознавания и синтеза речи. Создана экспериментальная система распознавания слитных фраз при словаре до 300 слов с малой вероятностью ошибки (В. А. Ковалевский, Т.П.Винцюк и др.).

Под руководством П. М. Амосова продолжалась работа по имитации на ЭВМ разумного поведения. От имитации деятельности одного человека осуществлен переход к имитации деятельности коллективов. В целом в данный период возрос интерес к применению имитационного моделирования для изучения социальных процессов. С этой целью разработаны модели с широким диапазоном применения и началась разработка программного обеспечения (В. М. Глушков и др.).

В области биологической и медицинской кибернетики продолжались исследования вопросов биоэлектрического управления движениями человека. Разработаны многоканальные биоэлектрические управляющие устройства серии "Миотон", которые внедрены в клиническую практику, в первую очередь для лечения параличей (Л. С. Алеев и др.). Совместно с Киевским научно-исследовательским институтом клинической медицины им. акад. Н. Д. Стражеско разрабатываются имитационные модели для прогнозирования и управления (в режиме диалога с врачом) при лечении больных с инфарктом миокарда. Создана система автоматизации анамнеза, ориентированная на ишемическую болезнь (В. М. Глушков, В. А. Петрухин и др.).

Под руководством А. А. Попова созданы автоматизированные системы обработки медицинской информации (в частности, для анализа функции дыхания и сердечно-сосудистой системы) и внедрены в медицинских учреждениях Ялты, Одессы, Славянска, Кисловодска. Разрабатывается автоматизированная система управления курортами (А. А. Стогний, А. А. Попов и др.). Продолжались исследования биологических объектов и систем регулирования на клеточном и системном уровне (Ю. Г. Антомонов, К. А. Иванов-Муромский и др.). С биомедицинскими аспектами связаны проводимые под руководством В. В. Павлова исследования эргатических систем управления.

К концу 60-х годов сформировалась новая точка зрения на проблему поиска доказательств, суть которой сводится к следующему. Прежде всего, необходимо разработать практический формальный язык для записи математических предложений и их доказательств. Он должен быть близким к естественному языку математики и фактически представлять собой формализацию той части естественного языка, на котором пишутся книги по математике. Реализацией языка математики является "алгоритм очевидности", который позволяет проверять правильность математических текстов, написанных в языке, если доказательства достаточно подробны, или находить в них пробелы. На базе уже только этих средств строится "интеллектуальная" информационная система, которая позволяет накапливать знания и пользоваться ими в процессе выполнения математических исследований. Что же касается открытия новых математических фактов и поиска доказательств сложных теорем, то это должно выполняться в диалоговом режиме с использованием специализированных дедуктивных средств, которые создаются на базе языка, алгоритмов очевидности и информационных систем.