Obsah
1. Historie počítačů vyráběných v SSSR (2)
2. Williamsova trubice – předchůdce operačních pamětí
3. Williamsova trubice versus feritová paměť
4. Elektronkový počítač Ural-1
5. B. I. Ramejev – otec počítačů Ural
7. Obsah následující části seriálu
1. Historie počítačů vyráběných v SSSR (2)
Na přelomu padesátých a šedesátých let minulého století existovalo v celém Sovětském Svazu přibližně pouze 120 programovatelných číslicových počítačů, zatímco v USA jich bylo vyrobeno a následně zprovozněno zhruba 5000 (analogové počítače, jejichž princip práce i způsob „programování“ se od číslicových počítačů značně odlišuje, nejsou do uvedených hodnot započteny). Tento značný rozdíl mezi oběma zeměmi byl způsoben, samozřejmě kromě politických a taktéž ideologických důvodů, i tím, že v průběhu padesátých let a na začátku let šedesátých let 20.století nebyl import výpočetní techniky do SSSR ze Západu povolen. Například v roce 1965 byly do SSSR dovezeny počítače či jejich součásti v celkové ceně pouze 5000 dolarů, o rok později dokonce jen v celkové hodnotě 2000 dolarů. Teprve až v roce 1967 můžeme zaznamenat velký skok v této oblasti obchodování, protože došlo k importu výpočetní techniky ze Západu do Sovětského Svazu v celkové ceně přesahující jeden milión dolarů.
Obrázek 1: Úspěch projektu Luna-3 byl do značné míry závislý na výpočetní technice, ostatně jako většina projektů uskutečněných v rámci kosmického programu.
Vedení Sovětského Svazu však číslicové počítače nutně potřebovalo i dlouhou dobu před rokem 1967, a to jak pro řízení různých složitých technologických procesů, tak i v kosmickém programu a samozřejmě též pro vývoj v oblasti jaderné energetiky, raket a střel (vojenský výzkum ostatně urychloval vývoj výpočetní techniky na obou stranách železné opony – viz například vznik ARPANETu, z něhož se v pozdější době vyvinul Internet). Právě z těchto důvodů vzniklo v padesátých letech minulého století v Sovětském Svazu několik počítačových systémů s různým výpočetním výkonem i rozdílnou specializací. Jednalo se jak o počítače zmíněné v předchozí části tohoto seriálu (MESM, Strela), tak i o další série počítačů, především typu Ural a BESM, které si popíšeme v následujících kapitolách na něž naváže i další díl tohoto seriálu. Mezi počítači vyrobenými a používanými v obou superstátech již v této době existovaly i poměrně značné technologické rozdíly, které se začaly vyrovnávat až v následujícím desetiletí vlivem dovozu výpočetní techniky do SSSR ze západních zemí.
Obrázek 2: Sálový počítač IBM-704, který byl specializován na provádění vědeckotechnických výpočtů, mj. i pro řešení problémů z oblasti jaderné energetiky.
2. Williamsova trubice – předchůdce operačních pamětí
V předchozí části tohoto seriálu jsme si při popisu elektronkového počítače Strela řekli, že tyto počítače neměly operační paměť vytvořenou ani z klopných obvodů (sestavených z elektronek), ani ze rtuťových trubic (v nichž je informace uchována ve formě zvukové vlny), dokonce ani z feritových jader, ale z takzvaných Williamsových trubic. Jedná se o zajímavé, i když po technologické stránce zcela překonané zařízení, jehož činnost si popíšeme v této kapitole. Williamsova trubice je konstrukčně založena na obrazovce osciloskopu (katodové trubici), která ovšem má před stínítkem umístěnou kovovou mřížku nebo destičku určenou pro zpětné čtení zapsaných informací, takže během činnosti trubice nejsou uložená data „viditelná“. Jedná se v podstatě o elektronku s přímo či nepřímo žhavenou katodou, mřížkou, několika pomocnými anodami (urychlovací, zaostřovací), vychylovacími destičkami (televizní obrazovky naproti tomu používají vychylovací cívky, které dovolují zkrátit délku trubice) a hlavní anodou nanesenou na vnitřní stěnu obrazovky – viz ilustrační obrázek umístěný pod tímto odstavcem.
Obrázek 3: Schéma obrazovky osciloskopu, jejíž konstrukce je téměř shodná s konstrukcí Williamsovy trubice. Oranžovou a fialovou barvou je označena katoda s mřížkou, modrou barvou urychlovací a zaostřovací anoda, žlutou barvou horizontální a vertikální vychylovací destičky a zeleně elektronový paprsek emitovaný z katody a dopadající na stínítko.
Princip činnosti Williamsovy trubice je následující: počítač zaznamenává informace na obrazovku tím způsobem, že na její stínítko „vykresluje“ pomocí elektronového paprsku (rozmítaného po celé šířce stínítka vychylovacími destičkami) malé body v místech, ve kterých je zapotřebí zaznamenat logickou jedničku. Celá zaznamenávaná informace je tedy převedena na bitovou mapu zobrazenou na stínítku. Tato bitová mapa může být viditelná v případě, že je odklopena mřížka či destička, která stínítko zakrývá (v tomto případě ovšem nebude fungovat obnovování zaznamenaných informací, takže se tyto informace o poměrně krátké době ztratí). V místě dopadu elektronového paprsku, jehož intenzita je řízena napětím přiváděným na mřížku katodové trubice, vznikne na stínítku nábojový rozdíl mezi plochou svítícího bodu a jeho nejbližším okolím. Tento nábojový rozdíl zůstane stabilní po dobu několika stovek milisekund, konkrétní doba stability nábojového rozdílu je závislá na izolačních vlastnostech obrazovky.
Obrázek 4: Williamsova trubice se skutečně svojí konstrukcí i principem činnosti podobá obrazovce osciloskopu. Jediná výraznější změna Williamsovy trubice spočívá v přidání kovové mřížky nebo plechu před stínítko.
Čtení dat zapsaných na stínítku Williamsovy trubice je prováděno následovně: přes rozsvícený či naopak nerozsvícený bod je nakreslena krátká čárka. Pokud byl bod před nakreslením této čárky rozsvícený (což znamená, že zapsaný bit měl hodnotu 1) je nábojový rozdíl nakreslením čárky eliminován, což se projeví vznikem napěťového pulsu na kovové mřížce či destičce, která je umístěna před stínítkem. Tento puls je možné zesílit a následně přečíst zpět do počítače, jenž na základě aktuální pozice elektronového paprsku rozpozná, který bit právě přečetl. Pro čtení zapsaných dat se tedy používá princip, který je využíván i v některých jiných typech pamětí (například v moderních DRAM): zapsaná informace je čtením zničena, ovšem počítač ji může kdykoli obnovit. Vzhledem k tomu, že nábojový rozdíl je na stínítku stabilizován jen po velmi krátkou dobu (desítky až stovky milisekund), je nutné obsah paměti zapsané na stínítko Williamsovy trubice neustále obnovovat opakovaným čtením a zápisem.
Obrázek 5: Obrazovka osciloskopu s vychylovacími destičkami namísto cívek. Právě kvůli použití vychylovacích destiček je obrazovka v porovnání s rozměry svého stínítka velmi dlouhá.
3. Williamsova trubice versus feritová paměť
Williamsovy trubice byly použity v několika typech počítačů, zejména ve strojích, které vznikly v letech 1948 až cca 1955. Jedná se například o mainframy firmy IBM, konkrétně o typy IBM 701 a IBM 702 (kterými jsme se již v tomto seriálu zabývali), počítač UNIVAC 1103 a v neposlední řadě též již v předchozí části zmiňovaný Sovětský elektronkový počítač Strela-1. Tento typ paměti však trpěl několika poměrně závažnými nevýhodami, především poměrně malou kapacitou (řádově se jednalo o stovky, maximálně jeden tisíc bitů), nutností provádět kalibraci trubice před jejím použitím a taktéž jejím stárnutím. Z těchto důvodů se od použití Williamsových trubic v polovině padesátých let minulého století upustilo a pro operační paměti se začaly používat jiné technologie, především feritová jádra (viz další obrázek), klopné obvody sestrojené z elektronek či tranzistorů a později též integrované obvody se statickými nebo dynamickými paměťovými buňkami.
Obrázek 6: Matice feromagnetické paměti, jejíž kapacita dosahovala řádově několika stovek bajtů. Feromagnetické paměti díky svým lepším vlastnostem postupně vytlačily Williamsovy trubice. Jednou z předností feromagnetických pamětí byla dlouhá doba uchování informace, a to i při odpojeném napájení počítače – feritová jadérka si totiž svoji magnetizaci mohla zachovat po dobu několika minut a v některých případech dokonce i několika hodin (takže po pádu systému si programátoři mohli obsah paměti jednoduše přečíst – jedná se o pravý „core dump“, protože buňky feromagnetické paměti se nazývají jádra – „core“).
Obrázek 7: Detail čtyř jader feritové paměti.
4. Elektronkový počítač Ural-1
Dalšími typy počítačů, se kterými se dnes seznámíme, jsou elektronkové počítače Ural; konkrétně se jedná o typy Ural-1, Ural-2, Ural-3 a Ural-4. Navazující typy počítačů nesoucích název Ural již byly založeny na technologii tranzistorů, což se pozitivně projevilo na jejich vyšším výpočetním výkonu, větší spolehlivosti a v neposlední řadě též na jejich menší ceně, což bylo velmi důležité, neboť se tyto počítače používaly v prakticky všech zemích RVHP. Nejprve se seznámíme s technickými parametry počítače Ural-1, který vznikl v roce 1957. Jednalo se o počítač, jehož aritmeticko-logická jednotka zpracovávala binárně kódovaná čísla o šířce 36 bitů, což je mj. stejný formát, jaký byl použit u počítačů IBM 704, které byly, stejně jako počítače Ural, specializovány pro provádění vědeckotechnických výpočtů. Vzhledem k tomu, že se jednalo o poměrně malý počítač (slovo „malý“ je samozřejmě nutné chápat v kontextu doby, v tomto případě se jednalo o počítač s pouze 800 elektronkami a 3000 germaniovými diodami), byl jeho výpočetní výkon velmi nízký – dokázal provést pouze cca 100 aritmetických operací za sekundu.
Obrázek 7: Jeden z modelů bubnové paměti.
Tento počítač používal bubnovou paměť s kapacitou 1024 slov (jejíž kapacita se v dalších modelech až osmkrát zvýšila). Rychlost rotace bubnu byla rovna 6000 otáčkám za minutu, takže přístup k požadovaným údajům byl velmi rychlý – řadič a aritmeticko-logická jednotka většinou nemusely na požadovaná data čekat, což bylo v době, kdy se šetřilo každou minutou strojového času, velmi důležité. Jako externí paměť bylo možné použít děrnou pásku s typickou kapacitou deset tisíc slov uložených na jedné pásce či magnetickou pásku s kapacitou čtyřicet tisíc slov. Jako výstupní zařízení se používala tiskárna a v některých případech také obrazovka osciloskopu, zejména v případě, kdy bylo zapotřebí zobrazit grafy, které byly výsledkem výpočtů. Zajímavé bylo, že tento počítač vyžadoval třífázové napájení, podobně jako například některé modely superpočítačů Cray o mnoho let později, a jeho špičková spotřeba dosahovala až 30 kW (včetně nezbytného chlazení).
Obrázek 8: Magnetická páska byla po velmi dlouhou dobu typickou součástí mnoha sálových počítačů i minipočítačů.
5. B. I. Ramejev – otec počítačů Ural
Jednou z nejzajímavějších postav, které se velkou měrou podílely na vývoji výpočetní techniky v Sovětském Svazu, byl i Bašir Iskanderovič Ramejev. Jednalo se o velmi talentovaného inženýra a vědce, který se již ve svém mládí zajímal o elektroniku, speciálně o rádia a rádiem řízené modely (dokonce sestrojil model rádiem řízeného obrněného vlaku). Bašir začal studovat na universitě v Moskvě, ovšem právě v tomto období (konkrétně v roce 1938) byl jeho otec zatčen a označen za nepřítele sovětského lidu. Následně byl Ramejev i přes své výborné studijní výsledky vyhozen z university a po několika pokusech o nalezení vhodného zaměstnání našel v roce 1940 práci jako poměrně nevýznamný pracovník v Moskevském výzkumném ústavu. Během druhé světové války byl Ramejev přidělen k jednotce zabývající se šifrováním, kde dokonce navrhl šifrovací stroj vhodný pro sériovou výrobu (podrobnější technické informace o tomto stroji pravděpodobně doposud nebyly zveřejněny).
Po ukončení války se Ramejev z vysílání rádia BBS dozvěděl, že v USA byl sestrojen první elektronický počítač ENIAC. Svěřil se s touto novinkou (kterou armáda s velkou pravděpodobností již znala, ale nedokázala rozpoznat její význam) svému nadřízenému admirálovi A. I. Bergovi, který ihned rozpoznal důležitost počítačů a prosadil, aby se SSSR začalo zabývat jejich vývojem a posléze i výrobou. Ramejev se samozřejmě stal jedním z lidí, kteří se na vývoji počítačů významným způsobem podíleli. Například pro počítač Strela navrhoval aritmeticko-logickou jednotku, nebo se zasadil o to, aby byl tento počítač založen na technologii elektronek a nikoli elektromagnetických relé. Počítače Strela, jichž bylo vyrobeno minimálně sedm kusů, se následně staly velmi důležitou součástí několika výzkumných programů, především z oblasti jaderné energetiky, řízení jaderných elektráren a taktéž v kosmickém programu.
Obrázek 9: B. I. Ramejev.
Pro období padesátých let minulého století je typické, že i přes tyto (pro SSSR velmi důležité) výsledky nebylo z politických důvodů Ramejevovi nikdy dovoleno, aby dokončil své universitní vzdělání a následně (v roce 1953) mu bylo dokonce zakázáno, aby vyučoval na universitě (důvod pro tento zákaz byl jednoduchý – Ramejev neměl vysokoškolský diplom). Mnoho tehdejších Ramejevových studentů se v dalších letech stalo úspěšnými a slavnými konstruktéry počítačů (například se jednalo o V. V. Rezanova). Někteří ze studentů se připojili k projektu, jehož úkolem byl mj. vývoj nových počítačů – výsledkem byly počítače typu Ural, kterými se v této části seriálu o historii výpočetní techniky zabýváme. Během let 1953 až 1954 byl Ramejev jmenovaný vedoucím celého projektu, v jehož průběhu byl nejenom navržen počítač Ural-1, ale byla též vytvořena výrobní linka, na níž se tyto počítače i jejich jednotlivé části vyráběly.
Jak výzkumné laboratoře, tak i zmíněná výrobní linka byly postaveny ve městě Penza (vzdáleném cca 600 km jihovýchodně od Moskvy), kam se Ramejev v roce 1955 přestěhoval a kam ho následovala i poměrně velká skupina mladých inženýrů. Toto město se posléze po více než pět let stalo centrem vývoje informační techniky v SSSR i přesto, že Ramejev nikdy nebyl politicky „spolehlivou osobou“. Pikantní však je, že v roce 1962 Ramejev získal z iniciativy svých nadřízených i spolupracovníků titul doktor věd i přesto, že nikdy nezískal klasický universitní diplom.
V pozdějších letech se Ramejev podílel i na mnoha dalších důležitých projektech, například na návrhu počítače Ural-25, který měl být sestavený pouze z integrovaných obvodů a následně se též snažil o to, aby počítače vyvíjené v SSSR i dalších zemích, spolu byly v co největší míře kompatibilní, což bylo důležité, protože v průběhu šedesátých let vzniklo poměrně velké množství různých počítačů, které spolu nedokázaly v uspokojivé míře kooperovat. O vlivu B. I. Ramejeva na vývoj programovacích jazyků se ještě zmíníme v následující části tohoto seriálu.
6. Počítač Ural-2
Počítač Ural-1, jehož základní parametry jsme si popsali ve čtvrté kapitole, byl nejméně výkonným modelem z celé rodiny počítačů nesoucích název Ural. Druhý model nazvaný jednoduše Ural-2, který byl Ramejevovým týmem navržen a posléze zkonstruován v průběhu let 1958 až 1959, již dokázal provést dvanáct tisíc operací součtu či rozdílu (nebo libovolnou logickou či bitovou operaci) za sekundu, popř. tři tisíce násobení za stejnou časovou jednotku. Jednalo se o počítač, který byl poměrně úspěšný, neboť bylo vyrobeno přibližně 200 kusů těchto strojů, což není v kontextu doby malé množství. Kromě samotného výpočetního výkonu tohoto počítače se vylepšily i prakticky všechny jeho další parametry, především velikost feritové paměti, kapacita paměti bubnové, která dosahovala 8192 slov, přičemž bylo možné použít až osm těchto pamětí současně atd. Kapacita magnetických pásek byla rovna 260 tisícům slov, počet jednotek magnetických pásek mohl dosahovat až dvanácti kusů, tj. v daný okamžik mohl počítač přistupovat až k třem milionům slov (jedná se o podobné hodnoty, jaké můžeme najít například i u dobových počítačů firmy IBM).
Obrázek 10: Počítač Ural-2 vyfocený v muzeu spolu s moderním notebookem položeným vedle řídicího panelu.
7. Obsah následující části seriálu
V následující části seriálu o historii výpočetní techniky si popíšeme další zajímavé a dnes již poněkud pozapomenuté počítače, které byly navrženy a používány v zemích RVHP. Budeme se zabývat například počítačem Setun, který byl zvláštní tím, že nepoužíval binární kód, ale kód ternární (trojkový), druhou generací počítačů Ural (zejména pak modely Ural-11, Ural-14 a Ural-16) založených na technologii tranzistorů a taktéž si řekneme, jaké programovací jazyky se na těchto počítačích nejčastěji používaly.
Obrázek 11: Tranzistorový počítač Ural-16.
8. Odkazy na Internetu
- Williams Tube
http://en.wikipedia.org/wiki/Williams_tube - Williams Tube
http://www.computer50.org/kgill/williams/williams.html - 60's style Soviet computer technology (video – slovensky)
http://blogs.techrepublic.com.com/classic-tech/?p=163 - Soviet Computer URAL2
http://www.youtube.com/watch?v=LChE-9fg7c8 - Tribute to the Soviet Computing – Part I
http://www.youtube.com/watch?v=1Zx4NEAAt-E&feature=related - Computers – Deception by Control Data Corporation
http://reformed-theology.org/html/books/best_enemy/chapter_05.htm - Timeline of Computer History
http://www.computerhistory.org/timeline/ - Russian Virtual Computer Museum: Strela Computer
http://www.computer-museum.ru/english/strela.htm - Russian Virtual Computer Museum: General-Purpose Automatic Digital Computer „Ural-11“
http://www.computer-museum.ru/english/ural11.htm - The Hidden Side of the Moon
http://www.mentallandscape.com/L_Luna3.htm - History of computing hardware
http://en.wikipedia.org/wiki/History_of_computing_hardware - History of computer hardware in Soviet Bloc countries
http://en.wikipedia.org/wiki/History_of_computer_hardware_in_Soviet_Bloc_countries - Computers – Deception by Control Data Corporation
http://reformed-theology.org/html/books/best_enemy/chapter_05.htm - Strela computer
http://en.wikipedia.org/wiki/Strela_computer - Ural (computer)
http://en.wikipedia.org/wiki/Ural_(computer) - Setun
http://en.wikipedia.org/wiki/Setun - DSSP AND FORTH. COMPARE ANALYSIS
http://www.forth.org.ru/~dssp/msdos_e/papers/daf.txt - Bashir Iskanderovich Rameev
http://www.computer-museum.ru/english/galglory_en/rameev.htm - Architecture and computer code of Strela computer
http://www.computer-museum.ru/english/strcomm.htm - ‚Ural‘ Universal Automatic Digital Computers
http://oai.dtic.mil/oai/oai?verb=getRecord&metadataPrefix=html&identifier=AD0756074 - URAL
http://www.bashedu.ru/konkurs/tarhov/english/ural.htm - Algol 68 – Years in the USSR
http://www.computer-museum.ru/english/algol68.htm - Strela-1, the First Soviet Computer: Political Success and Technological Failure
http://portal.acm.org/citation.cfm?id=1158833
http://www.computer.org/portal/web/csdl/doi/10.1109/MAHC.2006.56
ČLÁNKY DO MAILU