Л.В. Канторович и вычислительные машины

Круг интересов Леонида Витальевича был необычайно широк. Так, в течение длительного времени он уделял большое внимание вопросам машинной реализации сложных вычислительных процессов, предлагал оригинальные структурные и математические решения, руководил разработкой новых вычислительных устройств. Ему принадлежит ряд изобретений в этой области.

В своих воспоминаниях «Мой путь в науке» Леонид Витальевич посвятил этой тематике специальную главу «Вычисления, машины, программирование». Он рассказывает:

«Еще в 1943 г., будучи в командировке в Москве, я попал, по приглашению Лазаря Ароновича Люстерника, на семинар, где обсуждались проблемы использования машин для больших вычислительных работ». И дальше: «Меня эти вопросы очень заинтересовали, и я тут же на семинаре предложил ряд вариантов их применения».

Речь шла о «счетно-аналитических» машинах – электромеханических табуляторах, которые были приобретены в связи с переписью населения 1939 г. Одним из первых усовершенствований, предложенных Леонидом Витальевичем, была организация параллельных вычислений на табуляторах. Эта идея позволила, в частности, значительно ускорить и упростить вычисления для таблиц функций Бесселя, выполненные в ЛОМИ.

Затем Леонид Витальевич предлагает расширить вычислительные возможности табулятора путем присоединения специального устройства, названного «Функциональным преобразователем». Эта приставка, построенная на электромагнитных реле и купроксных диодах, выполняла вычисление различных функций с высокой точностью таблично-интерполяционным методом. Применялась линейная интерполяция. Таблицы были реализованы с помощью диодного ПЗУ, а сам табулятор использовался в качестве сумматора. В 1954 году Л.В. Канторовичу с соавторами было выдано авторское свидетельство на «Функциональный преобразователь» – первое по времени авторское свидетельство в изобретательской биографии Леонида Витальевича.

Развернутое описание работ, которые в эти годы проводились в ЛОМИ под руководством Леонида Витальевича, содержится в его рукописи, озаглавленной «Отчет о состоянии работы по теме „Использование функционального преобразователя в математических вычислениях“ и в связи с ней о работах по изготовлению блока высшей интерполяции или РВМ-3».

В архиве сохранилась машинописная копия неопубликованной статьи Л.В. Канторовича, М.К. Гавурина и В.Л. Эпштейна «Устройство для автоматической выборки из таблиц при работе на счетно-аналитических машинах». Эта статья, помеченная декабрем 1951 г., содержит математические основы работы «Функционального преобразователя». В конце статьи говорится: «Первое сообщение о подобной схеме было доложено на семинаре при Институте машиноведения АН СССР в 1947 г. Основные узлы этой схемы проверены на макетах, и в настоящее время заканчивается изготовление опытного образца».

Работы Л.В. Канторовича по вычислительной технике, выполненные в этот период, рассмотрены в тезисах его доклада «Об использовании счетно-аналитических машин и релейных устройств в математических вычислениях».

В период 1953–1956 гг. Леонид Витальевич много внимания уделяет популяризации вычислительной техники. В архиве хранятся его рукописи и стенограммы докладов, озаглавленные: «Значение современных счетных машин для человеческой культуры», «Применение электронных счетных машин», «О значении прогресса в вычислительной технике для прикладной математики», «Влияние современной вычислительной техники на развитие приближенных методов» и т. д. На основе этих работ была написана программная статья Л.В. Канторовича «Перспективы развития и использования электронных счетных машин», опубликованная в 1956 году в знаменитом сборнике «Математика, её содержание, методы и значение», который был переведен на многие языки и выдержал множество изданий, в том числе – совсем недавно, в 1999 году в США.

В этих статьях Л.В. Канторович, в частности, писал:

«В истории развития культуры и техники человеческого общества выделяются такие открытия и изобретения, которые имели значение не для одной какой-либо отрасли, а оказали влияние на почти все стороны человеческой деятельности. К таким открытиям и изобретениям относятся: книгопечатание, открытие Нового Света, паровая машина, ткацкий станок, железные дороги, электричество, бактериология, радио, воздухоплавание, телевидение и, наконец, атомная энергия.

К числу технических достижений, имеющих общечеловеческое значение, следует отнести и тот коренной прогресс в области вычислений, который был достигнут благодаря созданию электронных счетных машин, хотя на первый взгляд кажется, что этот вопрос представляет существенный интерес только для ученых, работающих в области математики и связанных с ней специальностей…

В настоящее время происходит непрерывный и интенсивный технический прогресс в области создания быстродействующих счетных машин, как за счет дальнейшего совершенствования уже используемых элементов, так и за счет применения новых физических принципов и элементов. Это позволяет ожидать в ближайшем будущем дальнейшего улучшения технических характеристик этих машин – быстродействия, ёмкости памяти, надежности, а также значительного упрощения и облегчения их конструкции и эксплуатации, что должно обеспечить возможность широкого распространения этих машин».

Ещё на заре вычислительной техники Леонид Витальевич чувствовал необходимость развития технических средств для «персональных» вычислений. В то время массовые расчеты во многих научных и проектных организациях страны велись на ручных арифмометрах и, в лучшем случае, на импортных электромеханических настольных счетных машинах «Мерседес-Эвклид» или «Рейнметалл». Эти машины были дόроги, ненадежны, неудобны в эксплуатации.

В середине 50-х гг. под руководством Л.В. Канторовича были разработаны релейные клавишные вычислительные машины оригинальной конструкции, которые обеспечивали более высокое быстродействие, расширенные функциональные возможности и высокую надежность. Об этих машинах Леонид Витальевич вспоминал:

«Внедрение их в практику оказалось делом довольно трудным. И в Москве, и в Ленинграде их отказались производить, но, к счастью, тогда было время совнархозов, и в Кирове нашелся завод и конструкторское бюро, которые были мало загружены и приняли это изобретение к реализации. Всё же в течение года или полутора лет они не приступали к работе, желая создать аналогичную машину, но собственной разработки. Однако работа вошла в план, сроки поджимали, и у нас запросили чертежи. В довольно короткий срок было начато изготовление этих машин на трех заводах, в том числе в Кирове – машина „Вятка“ и в Вильнюсе – машина „Вильнюс“ (практически они совпадали). В течение десяти лет было выпущено около сорока тысяч машин, что, в основном, удовлетворило нужды страны и позволило по большей части освободиться от импорта».

В эти же годы Леонид Витальевич, вместе со своими учениками Л.Т. Петровой, М.А. Яковлевой и другими начинает развивать предложенные им идеи крупноблочного программирования.

Леонид Витальевич утверждал, что крупноблочная концепция естественным образом распространяется на аппаратные средства и предоставляет широкие возможности для применения в вычислительных машинах новых эффективных архитектурных решений.

В 1960 г. он предложил разработать быстродействующий специализированный процессор с микропрограммным управлением и использовать его как «приставку» к действующим или проектируемым ЭВМ с целью повышения их эффективности. В это время Л.В. Канторович переезжает в Новосибирск, в институт математики СО АН СССР. Здесь под его руководством был разработан векторный конвейерный процессор для эффективного решения задач линейной алгебры и линейного программирования. Эта «приставка» получила название «Арифметической машины» или «АМ».

Так же, как и в ходе предыдущих своих разработок, Леонид Витальевич настойчиво добивался изготовления и применения нового процессора. При этом ему приходилось затрачивать большие усилия на преодоление сопротивления чиновников, на решение штатных, финансовых вопросов, вопросов снабжения и т. д. Наконец, он добился приобретения для машины АМ логических элементов комплекса Урал-10 (в Пензе). В 1967–1968 гг. при поддержке Западно-Сибирского Совнархоза удалось организовать в Томске изготовление экспериментального образца АМ. В 1969 г. эта машина была установлена в Вычислительном центре СО АН СССР, соединена с универсальной машиной М-20 и успешно прошла испытания. Достаточно сказать, что на векторно-матричных операциях машина АМ показала быстродействие на порядок бóльшее, чем универсальные машины, выполненные на такой же элементной базе.

Машина АМ, предложенная Л.В. Канторовичем и разработанная при его непосредственном участии, была, по-видимому, одним из первых векторных конвейерных процессоров – прообразом будущих суперкомпьютеров.

* * *

Леонид Витальевич лучше, чем кто-либо другой, понимал, какое значение имеет высокое быстродействие вычислительных машин для экономики и технического прогресса. Он снова и снова пытается обратить внимание руководства на свои оригинальные разработки и найти пути к их серийному производству и практическому применению. Сохранилось много писем, которые относятся к концу 60-х гг. и подписаны Л.В. Канторовичем, С.Л. Соболевым, Г.И. Марчуком. Среди адресатов этих писем: В.А. Кириллин, М.Е. Раковский, В.Д. Калмыков, К.Н. Руднев, А.М. Ларионов * В те годы В.А. Кириллин – председатель Госкомитета СССР по науке и технике, М.Е. Раковский – заместитель председателя Госплана СССР, В.Д. Калмыков – министр радиотехнической промышленности, К.Н. Руднев – министр приборостроения, средств автоматизации и систем управления. А.М. Ларионов был Генеральным конструктором ЕС ЭВМ. и другие. С этими руководителями, в чьих руках находилась судьба отечественного электронного машиностроения, Леонид Витальевич встречался также и лично.

Однако, именно в это время, как известно, руководство, вопреки мнению ведущих советских конструкторов – создателей отечественной вычислительной техники, приняло волевое решение – копировать устаревшие американские машины. На все доводы Леонида Витальевича был один ответ: «Разработка специализированных процессоров, ускорение существующих машин не нужны. В ближайшее время начнется производство семейства Единой Системы машин, которые смогут решить все проблемы».

Теперь мы хорошо знаем, к чему привела такая «техническая политика». В 1992 г. Б.Н. Малиновский писал об этом:

«На разработку ЕС ЭВМ были затрачены огромные средства. Копирование ИБМ-360 шло трудно, с многократными сдвигами намеченных сроков, потребовало огромных усилий разработчиков. <...> Если подумать об ущербе, который был нанесен отечественной вычислительной технике, стране, общеевропейским интересам, то он, конечно, несравнимо выше в соотношении с полученными скромными (не по затратам труда и средств!) результатами».

Один необычный эпизод из истории создания машины АМ хорошо характеризует настойчивость Леонида Витальевича при достижении своих целей и способность преодолевать препятствия.

Конец 1967 года. В Томске, в СКБ Математических машин заканчивается монтаж опытного образца АМ * В заводской документации эта работа именовалась: Тема 27-66 «Специализированная ЭВМ для экономических расчетов». . Для того, чтобы приступить к отладке и испытаниям, остается получить из Пензы блоки питания (конечно, заранее заказанные и профинансированные). Но не тут-то было! Блоки питания комплекса Урал-10 – достаточно сложные, громоздкие и, главное,– дефицитные изделия. Конец года, завод не справляется с плановыми заданиями...

После длительных переговоров Леонид Витальевич добивается положительного решения Д. Жучкова (начальника 4-го главного управления Министерства радиопромышленности). И тогда, наконец, завод соглашается поставить в Томск необходимые блоки, но... «при условии оказания помощи с Вашей стороны рабочей силой, а именно – командирования в наше распоряжение на срок 20 дней (в декабре с. г.) трёх фрезеровщиков и трёх токарей, способных выполнять работы не ниже четвертого разряда». Стоило видеть, как академик Канторович, с помощью нескольких других академиков – руководителей Сибирского отделения разыскивает в разных институтах Академгородка рабочих высокой квалификации и командирует их в Пензу!

Это – подействовало. В январе 1968 г. шесть источников питания были отгружены, а 3 февраля 1968 г. – получены в Томске.

Л.В. Канторович видел большие резервы развития вычислительной техники в организации согласованных усилий исследователей разных специальностей – математиков, программистов, инженеров,– в системном подходе к проблеме. Он неоднократно подчеркивал, что архитектура вычислительных машин отстаёт от современных возможностей науки и техники. Важнейшим направлением комплексных исследований он считал изучение вычислительных методов и алгоритмов с точки зрения эффективного использования технических возможностей и, с другой стороны, максимальное использование возможностей машин для осуществления современных вычислительных процессов.

Конечно, Леонид Витальевич применял идеи системного подхода в своих собственных работах, связанных с крупноблочным программированием и проектированием крупноблочных специализированных процессоров. Но он имел также серьезные намерения воздействовать на разработку и производство вычислительной техники в масштабах страны. Важным шагом на этом пути было организованное им специальное координационное совещание, посвященное обсуждению системного подхода. Это совещание под названием «Математические основы и техническая реализация крупноблочных вычислительных процессов» проходило 28–29 мая 1973 г. в Ленинграде, в ЛОМИ. В нём участвовали около 30 специалистов из Ленинграда, Москвы и Новосибирска. В частности, Ленинград представляли В.Н. и Д.К. Фаддеевы, С.С. Лавров, Г.С. Цейтин, И.В. Романовский и другие. Леонид Витальевич приехал из Москвы и выступил с программным докладом «Перспективы крупноблочного подхода в прикладной математике, программировании и вычислительной технике».

В течение двух дней участники координационного совещания активно обсуждали проблему и приняли решение, в котором, в частности, говорилось: «Совещание считает, что имеются реальные возможности получить в СССР такие же, как в США высокие показатели при решении больших задач особой важности (например, задач оптимального планирования и управления)».

Вскоре после ленинградского совещания Леонид Витальевич предложил провести Всесоюзную конференцию по крупноблочным вычислительным процессам. Была даже проведена некоторая предварительная подготовка.

Однако, в эти годы техническая политика руководства была уже целиком направлена на копирование американских вычислительных машин, и все усилия Л.В. Канторовича обеспечить прогрессивное и оригинальное развитие этой отрасли, которое могло бы вывести отечественное электронное машиностроение на мировой уровень, не нашли поддержки.

Говоря здесь о крупноблочном подходе, хотелось бы привести два фрагмента из замечаний Леонида Витальевича, внесенных им на упомянутом совещании 1973 г. в Ленинграде:

«Принцип специализации является общепринятым в любой отрасли. Если говорить о специализации в промышленности, то возможны два вида специализации – предметная и технологическая. Предметная – когда производство ориентировано на определенный предмет или группу сходных предметов, технологическая – когда оно ориентировано на определенные технологические операции (например, литье) и возможность обеспечения этими операциями различных предметов.

На начальном этапе вычислительной техники строились специализированные машины, ориентированные на определенные узкие классы расчетов. Они не оправдали себя: при стоимости, близкой к универсальным машинам, они были мало эффективны. Гораздо более оправданной для ЭВМ представляется специализация „технологического“ типа, рассчитанная на эффективное выполнение некоторых сложных и массовых операций, часто встречающихся в различных вычислительных процессах и благодаря этому успешно применимых ко многим сложным массовым задачам.

Существенная особенность фон-Неймановской архитектуры состоит в сведении сложной и объёмной задачи к последовательному выполнению ряда команд над индивидуальными числами. Таким образом, она не предполагает какой-либо организованности и специальных свойств числовых массивов и операций, что, вообще говоря, является её достоинством. В то же время, при наличии таких особенностей (параллелизма и т. п.) она лишь частично использует их для повышения эффективности, причем – чисто программными методами.

Между тем, структурная организация информации и операций является типичной для современных сложных и объёмных задач. Учет этих особенностей при организации решения их на ЭВМ может значительно повысить эффективность решения, особенно – если использовать не только программные, но и аппаратные средства, если сама архитектура машин строится с расчетом на использование этих особенностей».

Рассматривая деятельность Леонида Витальевича в области вычислительных машин и программирования, можно отметить, что в определенном смысле личность Л.В. Канторовича, который сочетал многие разнообразные интересы в науке и оставил глубокий след не только в математике и математической экономике, но и в архитектуре компьютеров, сходна с личностью Джона фон Неймана.

Страница 16 из 25 Все страницы