SUPERстарцы

Мы, живущие в век гигабайт, гигабод и гигагерц, конечно, имеем право рассматривать «суперы» того времени со снисходительной усмешкой: ОЗУ выдающегося для своего времени «Атласа» (Манчестер, 1962) составляло 672 Кбайт (точнее - 114688 48-разрядных слов), а основная тактовая частота знаменитой и без всяких скидок передовой на тот момент БЭСМ-6 (1967) равнялась 10 МГц. О более ранних машинах нечего и говорить: EDSAC (1949) имел память 1024 17-битных слова и быстродействие 650 инструкций в секунду при тактовой частоте 500 кГц. Но не будем забывать, что принципы построения современных компьютеров - параллелизм, конвейеризация, векторная и суперскалярная архитектуры - были обкатаны и теоретически обоснованы именно тогда.

Первым в истории суперкомпьютером и по быстродействию, и по роду решаемых задач следует, видимо, считать Colossus («Колосс»), к созданию которого имел непосредственное отношение знаменитый математик Джон фон Нейман. Кстати, Colossus - вообще первая электронная программируемая вычислительная машина. Ее относительное забвение простительно: введенная в строй на Рождество 1943 года (на три с половиной года раньше «официального» первенца - американского ENIAC), она была засекречена настолько, что о ее существовании знали только несколько человек в высшем руководстве Британии, и даже в 1970-х годах, когда по английским законам истек срок давности засекречивания архивов, далеко не все сведения о ней были опубликованы (документации об этом проекте присвоен гриф секретности «Ultra»).

Colossus I был специализированным компьютером и предназначался для расшифровки переписки верхушки вермахта. Но зато как он справлялся со своей задачей! Вдвое быстрее, чем Pentium образца 1996 года, работавший с эмулятором функций Colossus на языке Си. Кроме того, Colossus, в отличие от остальных первенцев вроде EDVAC и ENIAC, существовавших в одном-единственном опытно-эксплутационном экземпляре, был серийной машиной.

Самым мощным криптографическим устройством, которое использовали Гитлер и высшее командование Германии, был шифратор Lorenz Schlussel-Zelsatz, применявший теоретически невскрываемые одноразовые коды под названием «одноразовые блокноты Вернама» ¹. В конце концов, воспользовавшись ошибкой шифровальщика, дважды использовавшего один и тот же ключ в 1941 году, полковник Джон Тилтман (Tiltman) и Билл Тьютте (Tutte) из английского криптографического центра Bletchley Park воссоздали схему шифратора. Для разработки методов взлома привлекли фон Неймана, работавшего в Принстоне, и по его идеям был построен механический вариант машины, названной Heath Robinson (по имени художника - автора комиксов о фантастических машинах). Машина подтвердила правильность выбранного направления, но работала плохо: при необходимой скорости синхронизации двух бумажных перфолент порядка 1000 символов в секунду (на одной ленте размещались взламывающие коды, на другой - исходный текст сообщения), бумага рвалась. Поэтому под руководством лучшего электронщика английского Министерства почт Томми Флауэрса (Tommy Flowers) и был сконструирован Colossus - электронный вариант Robinson’а с переключателями на электронных лампах. Первоначально конструкторы сомневались, что такое большое количество ламп (около 1500) будет работать надежно, но Томми имел богатый опыт в разработке ламповых устройств (до войны он конструировал усилители для линий связи) и уверил, что все будет в порядке. Интересно, что одной из мер повышения надежности было обеспечение по возможности непрерывной работы ламп - как известно, львиная доля отказов электронных компонентов приходится на момент включения.

Colossus имел оптическое (!) считывающее устройство для перфоленты, кольцевые регистры на тиратронах, 5-битные сдвигающие регистры на тетродах, ламповые управляющие логические схемы и десятичные четырехразрядные релейные счетчики. Система могла обрабатывать 5 тысяч 5-битных символов (телеграфные коды Бодо, легшие в основу современного 7-битного ASCII) в секунду. Занимало все устройство примерно 25 квадратных метров и имело высоту 2,3 метра. Потребление энергии - около 5 кВт, общий вес около тонны. Хотя сам конструктор Томми Флауэрс иронически называл машину «веревочно-сургучной», о том, насколько конструкция была передовой для того времени, может свидетельствовать факт, что в начале семидесятых автор этой статьи своими глазами видел действующие считывающие устройства для перфоленты, основанные на чисто механических принципах (правда, в СССР).

По оценкам историков, Colossus I сыграл важнейшую роль в обеспечении успеха высадки союзников в Нормандии. Полная информация о его усовершенствованной модификации Colossus Mark II, вступившей в строй в начале июня 1944 года, за неделю до высадки, стала доступна лишь в 2000 году, что объясняется не только неповоротливостью британских бюрократов, но и тем, что положенные в основу Colossus криптографические принципы сохраняли актуальность до самого последнего времени. В конце войны восемь из десяти построенных «Колоссов» были демонтированы, а два оставшихся просуществовали аж до 1960 года, когда все чертежи машин были уничтожены - как видим, не только в нашей стране можно наблюдать наплевательское отношение к собственной истории. Благодаря активности Энтони Сейла (Anthony Sale, теперь хранитель музея Bletchley Park) Colossus I был любовно восстановлен в 1996 году, как раз к юбилею постройки ENIAC.

Фон Нейман был инициатором создания и первой машины из знаменитой серии ILLIAC (ILLInois Automated Computer). В 1948 году в Иллинойском университете на грант от Министерства обороны в 150 тысяч долларов была создана Digital Computer Laboratory для разработки двух суперкомпьютеров. ILLIAC I, первый компьютер, построенный в учебном учреждении, вошел в строй в 1952 году и содержал 2800 ламп. Вес его составлял около пяти тонн. Наибольшую известность получил ILLIAC IV (1965), построенный университетом совместно с корпорацией Burroughs по заказу NASA - прямой конкурент советской БЭСМ-6. Архитектурно ILLIAC IV представлял собой мультипроцессорную систему (первоначально было задумано 64 процессора, но когда к 1972 году стоимость системы возросла до 31 миллиона долларов, остановились на 16). Он стал первым компьютером, в котором использовалась быстрая память на микросхемах. Емкость каждой микросхемы (производства Fairchild Semiconductor, основанной, кстати, Г. Муром) - 256 бит, а всего было набрано 1 Мбайт - по 64К на процессор. Быстродействие такого варианта достигало 150-200 Мфлопс. Некоторые характеристики ILLIAC IV впечатляют и сейчас: например, быстродействие подсистемы ввода/вывода - 1 Гбод. Для сравнения, быстродействие БЭСМ-6 составляло всего 1 Мфлопс, но по соотношению производительность/цена она далеко обходила своего конкурента: в БЭСМ было всего 60 тысяч транзисторов, а в «Иллиаке» только одна микросхема памяти содержала тысячу. Демонтирован ILLIAC IV был только в 1983 году.

Совершенно иную, векторную архитектуру имел еще более знаменитый Cray. Сеймур Крэй, основавший в 1972 году компанию Cray Research работал над созданием суперкомпьютеров долго - с 1958 года, сначала самостоятельно, затем в корпорации Control Data Corporation, где принимал участие в разработке машин серии Cyber. Cray-1, созданный в 1976 году, широко использовал интегральные технологии (самую быстродействующую по тем временам ЭСЛ-логику). Память Cray-1 составляла 8 Мбайт, поделенных на 16 блоков емкостью 64К 48-разрядных слов каждый, с суммарным временем доступа 12,5 нс. Имелась и внешняя память на магнитных дисках емкостью около 450 Мбайт, расширявшаяся до 8 Гбайт. Для машины был создан оптимизирующий транслятор с Фортрана, макроассемблер и специальная многозадачная ОС. Оценивать быстродействие Cray-1 трудно: на скалярных операциях с плавающей точкой он показывал 20-60 Мфлопс, но на некоторых классах задач производительность доходила до 160 Мфлопс. Следует отметить, что Cray-1 изначально создавался для коммерческих применений и был заметно дешевле, чем военные системы типа ILLIAC IV.

При подготовке статьи использованы материалы сайта Codes and Ciphers in the Second World War и сайта Charles Babbage Institute Миннесотского университета.