7 октября, 2013

ПРОТИВОРАКЕТНАЯ ОБОРОНА И СУПЕРЭВМ

С ЧЕГО ВСЕ НАЧАЛОСЬ

В один прекрасный день меня вызвали в кабинет директора, академика Сергея Алексеевича Лебедева. В кабинете сидел моложавый мужчина средних лет в погонах полковника. Шла непринужденная беседа о возможности построения ПРО. Видно было, что Григорий Васильевич Кисунько (полковник) отвечает на вопросы С.А.Лебедева с большим удовольствием, так как вопросы были не праздные, и собеседники быстро стали единомышленниками. Надо сказать несколько слов о предыстории. Дело в том, что Сергей Алексеевич как бы предвидел эту проблему, и мы уже более трех лет вели работы по съему данных с радиолокатора в цифровом виде. Работы велись в интересах противосамолетной обороны и в нашей лаборатории к этому времени была создана специальная ЭВМ Диана-1, на которой мы провели натурные испытания в Кратово, в которых показали возможность одновременного сопровождения нескольких целей с помощью вычисления траектории в цифровом виде.

Беседа Сергея Алексеевича с Григорием Васильевичем закончилась обоюдным согласием в том, что решить поставленную проблему можно только с помощью цифровых вычислительных систем. Наиболее узкими местами являются точностные характеристики системы (наведение противоракеты с точностью не менее 25 м) и временная синхронизация данных системы, в особенности, выдача сигнала подрыва противоракеты с точностью до микросекунд. Не ясно было также воздействие осколочного заряда в безвоздушном пространстве. Г.В. Кисунько рассказал свои идеи решения этих проблем - метод определения координат головок баллистический ракеты дальнего действия (БРДД) и противоракеты по трем дальностям, измеренным разнесенным в пространстве радиолокаторам точного наведения (РТН) и возможность привязки всей системы к единому временному масштабу.

Мне разговор очень понравился (я только слушал) потому, что он был очень содержательным, велся на профессиональном уровне и, самое главное, наверное, потому, что было ясно - без вычислительной техники и нашей последней работы по съему данных с РЛС решить эту задачу невозможно.

После встречи Сергея Алексеевича с Григорием Васильевичем реакция была молниеносной. На следующий день к нам в лабораторию прислали группу специалистов высшего класса с целью изучения работ по съему данных с РЛС и принципам работы вычислительной техники. Освоение этих вопросов было столь эффективным и быстрым, что уже через месяц КБ-1 (отдел Г.В. Кисунько) приступил к разработке цифровых радиолокаторов слежения за целью практически без нашей помощи и консультации. Должен отметить, что раньше, чем Григорий Васильевич с нашими работами познакомился, сам академик А.Л. Минц. Результат был несколько иной. А.Л. Минц прислал одного человека для изучения проблемы, который прежде всего написал диссертационную работу по селекции сигнала РЛС и его оцифровки. В это время мы заканчивали в Курске систему наведения истребителей на цели с помощью ЭВМ "Диана-1" и "Диана-2. Несмотря на то, что испытания прошли положительно, эти идеи использования дискретной вычислительной техники в контуре наведения была реализована много лет спустя. Лет 20-30 еще выпускались вычислительные системы непрерывного действия на коноидах и сельсинах.

НАДО ЛИ БЫЛО ПРОВОДИТЬ РАБОТЫ ТАКОГО МАСШТАБА ПО ПРО?

Необходимо отметить, что среди научно-технической общественности не было единого мнения о необходимости проведения работ по столь дорогостоящей проблеме. Если бы, наверное, не инициатива Дмитрия Федоровича Устинова эта работа не состоялась бы, так как много уважаемых конструкторов военных систем были против нее.

Выскажу свое мнение по этому вопросу, рассматривая два различных аспекта значения этой работы: политический и научно-технический.

ПОЛИТИЧЕСКИЙ АСПЕКТ

Думаю, что некоторое политическое значение эта работа имела, так как после успешного ее испытания Хрущев Н.С. в своих выступлениях занял более жесткую позицию в международной политике.

В то же время, если бы у нас не было многолетнего провала в работах по этому направлению в связи с уходом Г.В. Кисунько и соответствующей переориентацией в построении подмосковной системы, наш потенциальный противник не имел бы тех политических преимуществ, которые он имеет сегодня, говоря о космических войнах.

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ

Остановлюсь более подробно на научно-техническом значении проблемы ПРО в развитии вычислительной техники. Создание экспериментального комплекса ПРО потребовало от вычислительных средств не только повышенного быстродействия, но и возможности работы в системе реального времени в комплексе вычислительных средств, разнесенных на большие расстояния (создание вычислительных сетей), построения мощных вычислительных комплексов обработки эксперимента, вычислительных комплексов крупных систем управления и информационных вычислительных центров, таких, как центр контроля космического пространства и др.

Рассмотрим некоторые из выше перечисленных комплексов. Так для решения проблемы уничтожения БРДЦ. поставленной перед нами Григорием Васильевичем, как уже говорилось, потребовалось создать высокопроизводительную вычислительную сеть, в которой производительность центральной ЭВМ достигла бы 40 тыс. oп/сек (в то время к этому пределу только приближались зарубежные ЭВМ).

Создание этой машины под названием М-40 было закончено в 1958 году. Для достижения столь высокой производительности были существенно пересмотрены принципы организации системы управления ЭВМ.

Каждое устройство машины: управление командами (УК), арифметическое устройство (АУ), оперативно-запоминающее устройство (ОЗУ), управление внешними устройствами (УВУ) получили автономное управление, что позволило реализовать их параллельную работу во времени. С этой целью создан мультиплексный канал обращения к ОЗУ со стороны УК, АУ и УВУ.

Эти устройства рассматривались как самостоятельно работающие процессоры, обращающиеся к общему ОЗУ, то есть как машина, фактически представлявшая собой многопроцессорный комплекс.

Согласно временной диаграмме М-40, обращение к памяти УК (А, А2, A3 и NK) и работы УВУ, включая систему передачи данных, процессор ввода-вывода данных (ПВВ), происходили, как правило, на фоне работы АУ, УК.

В экспериментальном комплексе противоракетной обороны (ПРО) эта машина осуществляла обмен информацией по пяти дуплексным одновременно и асинхронно работающим радиорелейным каналам связи с объектами, находящимися от нее на расстоянии от 100 до 200 километров, общий темп поступления информации через радиорелейные линии превосходил 1 МГц.

Проблема обмена информации с асинхронно работающими объектами была решена с помощью процессора ввода-вывода (ПВВ), работа которого основывалась на принципе мощного мультиплексного канала, имеющего свою память, доступную для всех каналов.

Одновременно с проведением боевой работы М-40 осуществляла запись на внешнее запоминающее устройство (барабан) экспресс-информации, которая обрабатывалась на аналогичной ЭВМ М-50 (модернизация М-40, обеспечивающая работу с плавающей запятой). Боевые пуски по всем направлениям входа и выхода сопровождались записью информации на магнитные ленты контрольно-регистрирующей аппаратуры (КРА). Это давало возможность в реальном масштабе времени "проигрывать" и анализировать каждый пуск, для чего ЭВМ М-40 и М-50 имели развитую систему прерываний.

Опыт эксплуатации экспериментального комплекса ПРО показал, что его вычислительные средства можно рассматривать как "мозг" всей системы; малейшие отклонения от нормы их функционирования приводят к нарушению работы всего комплекса, что может вызывать опасные ситуации.

Поэтому при создании вычислительных средств на полупроводниковых элементах для боевого комплекса особое внимание было уделено устойчивости его работы при сбоях и отказах. Вычислительная сеть системы ПРО имела протяженность несколько сот километров. Она состояла из вычислительных комплексов, каждый из которых был построен из идентичных боевых ЭВМ, обладающих полным пооперационным аппаратным контролем. Резервирование в комплексе обеспечивалось на уровне машин.

На десять функционально работающих машин (M1–М10) предусматривалось две машины (М11–М12) для горячего резервирования, которые работали в режиме "подслушивания" и были готовы в течение нескольких десятков миллисекунд заменить любую из вышедших из строя ЭВМ. Сигнал неисправности ЭВМ вырабатывался аппаратно системой пооперационного контроля каждой ЭВМ и посылался в систему прерывания всех машин. По межмашинному обмену, наряду с данными боевого цикла, передавалась необходимая экспресс-информация для ЭВМ, находящейся в резерве. В этом комплексе шесть ЭВМ (М1-М6) решали задачу обнаружения целей по данным радиолокатора дальнего действия и построения их траекторий. Четыре ЭВМ (М7-М10) решали задачи управления системой, включая задачу распределения целей по стрельбовым комплексам.

Эти ЭВМ под названием 5Э926 имели производительность 0,5 млн. оп/с над числами с фиксированной запятой и ОЗУ объемом 32 тысячи 48 разрядных слов. Все основные устройства ЭВМ имели автономное управление, а управления внешними устройствами осуществлялось процессором передачи данных, имеющим довольно развитую специальную систему команд. Серийный выпуск этих машин для управления различными стационарными средствами вооружения был начат с 1966 года. Машина была модернизирована в части введения арифметики с плавающей запятой и мультипрограммного режима. Модернизированная ЭВМ имела название 5Э51 и серийно выпускалась с 1967 года для построения мощных вычислительно-информационных центров повышенной надежности. Благодаря автономной работе ее основных устройств и, в первую очередь, процессора ввода-вывода, на базе общего ОЗУ эти машины успешно использовались при создании многомашинных комплексов с единой внешней памятью, состоящей из большого количества барабанов, дисков и лент.

После окончания работ по штатной системе, Григорий Васильевич поставил новую задачу перед так называемыми "вычислителями". Потребовал для детального анализа отраженного сигнала вычислительные средства производительностью 100 млн. скалярных операций, в то время как наиболее быстродействующая суперЭВМ "Cray" имела не более 5 млн. oп/сек. Это можно было сделать только на новых архитектурных принципах.

Если М-40 можно отнести к многопроцессорной системе со специализированным процессором ввода и вывода, а функционирующие несколько позднее зарубежные многопроцессорные ЭВМ фирм Борроуз и Хьюлетт-Паккард были построены в первую очередь для обеспечения надежности комплекса (горячее резервирование) процессоров, то нам предстояло создать многопроцессорные системы с целью увеличения производительности комплекса (сложение производительности процессоров). Мирового опыта в этом не было или был отрицательный у ПВМ (при увеличении процессоров выше трех повышения производительности практически не наблюдалось). Многопроцессорные вычислительные комплексы (МВК) "Эльбрус-1" и "Элъбрус-2" первыми доказали возможность увеличения производительности системы с увеличением числа процессоров до 10-ти.

Производительность многопроцессорной системы в основном ограничивается двумя факторами: пропускной способностью коммутатора между процессорами и ОЗУ и сложностью организации корректной работы сверхоперативной кэш памяти. Трудности, возникающие при решении этих двух проблем, существенно увеличиваются с ростом количества процессоров. Пропускная способность коммутатора "Эльбрус-2" достигала 2 Гбайт/с. Корректность работы сверхоперативной памяти была обеспечена путем ее разбиения на несколько частей, каждая из которых имела свой алгоритм работы в соответствии с выполняемой функцией. Так, в МВК "Эльбрус-2" имеется: сверхоперативная память команд, массивов, локальных данных, безадресный буфер быстрых регистров, построенный по принципу потока данных и буфер глобальных данных. Корректность работы буфера глобальных данных с ОЗУ вызывает те же проблемы в многопроцессорном комплексе, которые возникают в сверхоперативной кэш. В МВК "Эльбрус-2" реализована схема корректности работы этого буфера, которая обеспечивает корректную работу комплекса, практически не замедляя ее вне зависимости от числа процессоров. Аналогичные схемы, используемые в современных комплексах фирмы Hewlett Packard (SPP-2000) и Selicon Graphiks, существенно уступают по эффективности схеме МВК "Эльбрус-2".

МВК "Эльбрус-2" создавался в два этапа:
- на первом этапе отрабатывались новые архитектурные принципы, включая программное обеспечение;
- на втором этапе наряду с принципами архитектуры отрабатывалась новая конструкторско-технологическая база.

На первом этапе был реализован 10-процессорный комплекс "Эльбрус-1" производительностью в 15 млн. оп/с на элементно-конструкторской базе 5Э26 и ТТЛ элементах с задержкой 10-20 нс на вентиль. На втором этапе МВК "Эльбрус-2" производительностью 120 млн. оп/с и объемом ОЗУ 160 Мбайт, построенный на элементной базе типа Motorola 10000 с задержкой 2-3 не на вентиль.

МВК "Эльбрус" построен по модульному принципу и в зависимости от комплектации может включать необходимое количество центральных процессоров (1-10), модулей оперативной памяти (4-32), процессоров ввода-вывода (ПВВ) (1-4), устройств внешней памяти (барабанов, дисков, магнитных лент), процессоров передачи данных (ППД) (1-16) и устройств ввода-вывода, подключенных либо непосредственно к ПВВ, либо через линии передачи данных посредством ППД. Каждый компонент комплекса, включая разнесенные по ним узлы центрального коммутатора, имеет стопроцентный аппаратный контроль и при появлении хотя бы одиночной ошибки в ходе вычислительного процесса выдает сигнал неисправности. По этому сигналу операционная система через аппаратно реализованную систему реконфигурации исключает неисправный модуль из работы.

Отключенный модуль попадает в ремонтную конфигурацию, в которой посредством тест-диагностических программ и специальной аппаратуры ремонтируется, после чего может быть включен операционной системой в рабочую конфигурацию.

Описанная структура позволяет осуществить резервирование на уровне однотипных модульных устройств. Время подключения резервного модуля не превосходит 0,01 сек, что обеспечивает бессбойную работу комплекса с заданной надежностью для всех боевых систем.

Таким образом, в процессе создания вычислительных средств системы ПРО СССР занимал передовые позиции в мире в области развития архитектуры суперЭВМ и схемотехническом решении вычислительной техники, таких как:
- организация мультиплексных каналов связи;
- создание вычислительных систем, объединяющих далеко разнесенные объекты;
- создание высокоскоростных самовосстанавливающихся вычислительных комплексов сначала на базе машинных, а затем на базе функциональных модулей (центральных процессоров (ЦП), оперативной памяти (ОП), процессоров ввода вывода (ПВВ), процессора приема передачи данных (ППД);
- повышение производительности многопроцессорного комплекса за счет сложения производительности процессоров;
- организация работы комплекса на общее поле внешней памяти;
- обеспечение высокой достоверности выдаваемой информации и аппаратно-программной диагностики;
- обезличенную работу модулей центральных и специализированных процессоров и возможность адаптации комплекса к решаемым задачам за счет подключения специализированных процессоров;
- решение проблемы когерентности КЭШ с минимальными потерями.

Новый толчок получило развитие радиолокации, теория и практика ракетостроения. Главным конструктором РЛС дальнего действия В.П. Сосульниковым впервые в мире была создана станция обзорного действия с селекцией сигнала в цифровом виде с дальностью обнаружения в 5000 км. Заставили лететь такую ракету-спринт (фактически снаряд), которую не могли заставить лететь в контуре управления на базе непрерывной техники. Существенное развитие получили цифровые системы моделирования. Натурным испытаниям предшествовало исследование контуров управления с достоверными цифровыми моделями поведения ракет.

Помню, как О.В. Голубев и Н.К. Свечкопал ежедневно по ночам забирали все машинное время вычислительного комплекса для отработки системы управления всего комплекса, а в одно прекрасное утро, когда я входил в зал вычислительного комплекса, Олег Голубев, несмотря на бессонную ночь, был в хорошем настроении и сказал, что ракета-спринт полетит. И действительно, через некоторое время она полетела.

Новое развитие получили комплексы обработки натурных испытаний. Каждый удачный или неудачный "пуск" мы имели возможность полностью повторить и исследовать поведение системы в любой момент времени как на боевом комплексе, так и на специальном вычислительном комплексе обработки экспресс-информации. На базе мощных вычислительных комплексов в ряде институтов развивались исследовательские центры моделирования различных ситуаций поведения систем военного назначения, а так же комплексы контроля космоса и состояния самого земного шара на основании данных со спутников.

Таким образом, именно система ПРО дала мощный толчок внедрения высокопроизводительных вычислительных средств в народное хозяйство. Именно под эту систему впервые были созданы коллективы разработчиков и конструкторских бюро по созданию высокопроизводительных комплексов в Москве, Загорске, Пензе и других городах СССР. Именно эти коллективы, имея опыт создания вычислительных средств ПРО, успешно справились с созданием в кратчайшие сроки вычислительных средств для системы С-300 генерального конструктора, академика Б.В. Бункина. Помню, как он отчитывал на полигоне своих разработчиков цифровой техники за то, что у них, что ни работа – то отказ. А когда они оправдывались и говорили, что это интегральные схемы не достаточно надежны, Б.В.Бункин сказал: "Все интегральные схемы одинаковые, однако у вас отказывают, а у "вычислителей" (ИТМ и ВТ) отказов нет". В этот момент я подумал, что не зря мы получили опыт создания ПРО - мы научились делать отказоустойчивые системы. Если при создании ПРО по вине "вычислителей" было загроблено немало пусков, включая и полет ракеты на Караганду, то при отработке системы С-300 на нашем счету было не так много испорченных пусков.

Наряду с вышеперечисленными вычислительными системами, успешно были освоены заводами высокопроизводительные специализированные комплексы главного конструктора М.А. Карцева. Большое значение в развитии вычислительных средств имели информационно-вычислительные комплексы, создаваемые под руководством академика А.И. Савина.

Был создан высококвалифицированный коллектив разработчиков и технологов вычислительных средств, в первую очередь, за счет работ, проводимых по тематике ПРО. Создание высокопроизводительных вычислительных средств требовало создания и необходимой для их реализации элементной базы. Под заказ ПРО были поставлены разработки самых быстродействующих интегральных схем, разъемов, кабелей, высоко прецизионных печатных плат и других компонент современной элементной базы.

Решения, которые предлагал Григорий Васильевич, базировались на более совершенных методах поражения боеголовки баллистической ракеты дальнего действия (БРДЦ) - точное наведение, осколочный заряд, частотная селекция, опознавание цели и так далее. Построенная система не содержала перспективных задач и реализовывалась на известных инженерных решениях.

Системы вооружения, создаваемые на базе вычислительных средств были конкурентоспособны зарубежным аналогам. Был период, когда мы в области ПРО опередили Америку более чем на 10 лет.

Поэтому, отвечая на вопрос о значении и необходимости работ по ПРО, я считаю, что значение этого направления работ в создании передовой технологии по многим ведущим направлениям науки и техники громадно. Строительство же под Москвой ПРО с атомным зарядом не содержала каких-либо прогрессивных решений в развитии ПРО и не ставило перед наукой и техникой задач, способствующих их развитию.

Направления работ Г.В. Кисунько базировались на прогрессивных научно-технических методах создания системы ПРО, направляющих на дальнейшее развитие научно-технического потенциала страны, в то время как последняя подмосковная система ПРО значительно уступала в этом отношении системам ПРО, разработанным под руководством Г.В. Кисунько.

ПРО И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СРЕДСТВ

Безусловно, будет вопрос, а каково состояние в настоящее время вычислительных средств и причины отставания их развития в нашей стране. Постараюсь коротко ответить. В период до перестройки причиной отставания вычислительных средств я считаю то, что со стороны правительства недостаточное внимание уделялось элементной базе. Основные средства страны "загонялись" в системы вооружения, по которым мы не уступали нашему предполагаемому противнику. Элементная база не выводилась на уровень конкурентоспособности с зарубежной. Вычислительные средства военных систем нивелировали эту ситуацию за счет новых оригинальных архитектурных решений, которые несколько увеличивали аппаратные средства всего комплекса, что практически не сказывалось на увеличении общей стоимости системы вооружения. Поэтому неверным будет мнение о том, что мы отставали в области архитектурных и схемотехнических решений вопросов вычислительной техники. Что же касается после перестроечного периода, то здесь нужно искать другие причины, основная из которых - бездарное распределение государственного бюджета в этой области:
- недооценка значения суперЭВМ как передового фронта развития вычислительной техники;
- закрытие высокопоставленными инстанциями всех проектов суперЭВМ (Векторный Эльбрус, СС БИС, МКП и ОСВМ);
- разгон коллективов и закрытие институтов ВЦКП, ИПК и ИВВС;
- систематическое вливание бюджетных средств в вычислительную технику без отдачи.

Но, чтобы закончить не на такой печальной ноте, скажу, что уцелел небольшой коллектив школы С.А. Лебедева, который в настоящее время создал проект суперЭВМ, позволяющей построить вычислительный комплекс производительностью 1015 oп/сек даже на современной элементной базе.