ЭЛЕКТРОННАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ. № 1, 1971, с. 23-30

Статья публикуется под редакцией Ю.А. Масленикова

В предыдущей статье этой серии («Электронная промышленность»,  № 1, 1970, с. 22) рассказывалось о том, что первым шагом на пути создания микроэлектронной элементной базы была разработка нового схемотехнического подхода, при котором логические ячейки создавались на транзисторных схемах с непосредственными связями.

Процесс разработки первых микросхем и практического их доведения до производства был длительным и дорогостоящим, и поэтому из тактических соображений было решено параллельно проверить и схемотехническое решение, и микроминиатюрные запоминающие элементы созданием на их основе малогабаритной вычислительной машины. Уже тогда было ясно, что применение цифровых вычислительных машин для управления всякого рода процессами может обеспечить новое качество работы управляемого объекта. Однако применение существующих вычислительных машин в системах управления оказалось нецелесообразным.

Анализ показал, что, если ориентировать проектируемую машину в основном на управление промышленными объектами, то с изменением некоторых требований к машине можно получить большой экономический эффект. Управляющая машина для технологического процесса на заводе могла иметь весьма скромное быстродействие (порядка 3-6 тыс. операций в секунду) и минимальную разрядность (12-16 разрядов) и в то же время она должна была быть компактной, высоконадежной и дешевой. Ряд удачных решений позволил создать именно такую управляющую машину для народного хозяйства. Она получила название УМ1-НХ (рис. 1).

ПЕРВЫЙ ПРОМЫШЛЕННЫЙ МИНИПЬЮТЕР¹

Компактная, надежная и дешевая цифровая управляющая машина УM1-HX оказалась пригодной для решения широкой гаммы задач управления в реальном масштабе времени.

Техническая характеристика УМ1-НХ
(базовая модель)

Разрядность

Слов…………………………………………………………………………….15 (один разряд – знаковый)
Команд………………………………………………………………………… 20

Адресность – переменная…………………………………………………………………1, 2, или 3

Время выполнения операций, мксек

сложения………………………………………………………………………..90
умножения, деления…………………………………………………………..900
цифрового ввода или вывода…………………………………………………200

Количество каналов с (с электронным преобразованием)

ввода……………………………………………………………………………17
вывода…………………………………………………………………………..9

Время преобразования, мксек

угол-код 11-13 разрядов……………………………………………………….75
код-напряжение………………………………………………………………200
напряжение-код………………………………………………………………600

Объём памяти, слов

постоянного ЗУ…………………………………………………………..2560×20
оперативного………………………………………………………………256×15

Потребляемая мощность

(от сети 50 гц), вт……………………………………………………………..150

Вес, кг……………………………………………………………………………………….85

Самая простая комплектация была рассчитана на использование машины для управления объектами в замкнутом контуре. Со временем машина была обеспечена агрегатной произвольно наращиваемой системой дополнительных устройств: большой номенклатурой устройств связи с объектом; внешним запоминающим устройством и системой прерывания (некоторые характеристики этих устройств показаны в табл. 1), что позволило перейти к созданию первых многоканальных управляющих систем в различных отраслях народного хозяйства².

Таблица 1

Характеристики устройств «ввод-вывод»

В качестве основного переключающего элемента для логических схем был выбран самый обычный германиевый сплавной транзистор П15. По быстродействию (1-2 мксек средняя задержка) этот транзистор значительно уступал другим, особенно диффузионным, но зато имел три больших преимущества: он был самым дешевым массовым транзистором, обладал низким коллекторным напряжением в насыщении (50 мв) и не имел отказов по обрывам.

Рис. 2. Общая расшивочная панель

Частота отказов транзисторов П15 не превышала (1-4)×10⁻⁸ 1/ч, что позволило конструкторам принять смелое решение – осуществить сборку свыше 100 транзисторов на каждой странице, крепление страниц — на шарнире и соединение страниц с общей расшивочной панелью – жгутами без штепсельных разъемов (рис. 2), тем более, что разъемов надежных, дешевых и достаточно малогабаритных еще не было: Но тут же появилось сомнение: можно ли получить 10 000 циклов раскрывания страниц без отказа, если жгуты работают в прогибе. Многочисленные опыты подтвердили такую возможность.

Отсутствие штепсельных разъемов диктует новый подход к эксплуатации арифметического устройства машины. Запасных страниц нет, есть только транзисторы в ЗИПе. Это на 30 мин удлиняет время поиска и устранения причины отказа, но отсутствие штепсельных разъемов значительно уменьшает количество отказов.

Для создания оперативного запоминающего устройства машины УМ1-НХ использовался специальный куб памяти с применением. интегральных магнитных элементов. Один из первых образцов, состоящий из 16 интегральных ферритовых элементов, печатных соединительных шлейфов, дешифраторных пластинок и плоских микрокабелей, показан на рис. 3 и 4. Применение дало большой выигрыш попотребляемой мощности (она составляла всего 20 вт) и позволило отказаться от традиционного обдува и термостатирования.

Рис. 3. Диодная матрица .

Рис. 4. Куб памяти со стороны дешифраторных пластинок и плоских микрокабелей

Своеобразное применение в машине УМ1-НХ нашли диодные матрицы. Совместно с адресным дешифратором они использовались как ПЗУ-микропрограммы для управления арифметическим устройством. На их основе была реализована операция ”взятие функции“, причем в 10-100 раз быстрее, чем по подпрограмме.

НОВЫЙ МИНИПЬЮТЕР³

Одна из первых микроминиатюрных управляющих машин УМ-2 (рис. 5) разрабатывалась в два этапа: создание универсальной базовой вычислительной машины и создание агрегатной системы устройств связи с объектом. В качестве ОЗУ использовался Куб-1 (на рис. 6 показана страница ОЗУ), который был уже опробован в первой машине и внедрялся в серийном производстве⁴.

Рис. 5. УМ-2 в герметичном корпусе

Рис. 6. Страница (плата) ОЗУ УМ-2

Рис. 7. Страница (плата) ПЗУ УМ-2

Для создания постоянного запоминающего устройства не было идеального запоминающего элемента, который обеспечил бы при простоте использования возможность электрической перезаписи программ. Пришлось разработать магнитный модуль постоянного запоминающего устройства с использованием серийно выпускаемых ферритовых сердечников. Каждый модуль содержит 128 полноразрядных чисел, набираемых методом прошивки сердечников в прямом (“1”) и обратном (”0”) направлениях. Прошивка в любом направлении осуществляется медным проводом через технологические отверстия в плате. Страница ПЗУ с 10 модулями (8 числовых и 2 дешифраторных) показана на рис 7.

Отсутствие возможности произвольного изменения программ, кроме сложной перепайки, считалось вначале существенным недостатком разработанного варианта ПЗУ. Однако преимущества, доказанные многолетним опытом, подтвердили в целом правильность принятого решения: ПЗУ показало очень высокую надежность, отсутствие сбоев, имело малую потребляемую мощность (5-20 вт на 2048 чисел) и отличалось большой компактностью.

Интересно отметить, что американские специалисты, имея печальный опыт с сохранением уязвимой программы в оперативном запоминающем устройстве (когда программа хранится в ОЗУ, один сбой его может привести к полному отказу управляемой системы), начали позже применять аналогичные постоянные запоминающие устройства. Так, постоянное запоминающее устройство с прошивкой применялось в машине “Аполлон” [1]. Даже в современных машинах для промышленных применений используются постоянные запоминающие устройства модульной конструкции, поставляемые заводом для хранения отработанных программ [2].

В итоге можно сказать, что применение жестких ПЗУ (без возможности перезаписи) оправдано для управляющих систем, так как схема и программа управления после отработки обычно не меняются.

Самая сложная проблема при создании УМ-2 возникла из-за отсутствия подходящего переключающего элемента на кремнии. Было принято решение применять германиевые диффузионные бескорпусные транзисторы во всех схемах. Ряд плоских микромодулей большой номенклатуры, разработанный на базе этих транзисторов, содержал не только логические схемы, но и схемы для запоминающих устройств и устройств сопряжения с объектом. Принцип интеграции здесь был применен в смысле монолитной защиты большого количества элементов (заливка модулей кремнийорганической резиной, герметизация корпуса машины).

Рис. 8. Поэлементное резервирование в УМ-2

Высокая плотность элементов в этих модулях (40 элементов/см³) позволяет говорить о них как о микросхемах, правда, без слова «интегральные».

Отличительной чертой первой модификации микросхем машин УМ-2 являлось применение системы поэлементного резервирования. Для следующей модификации был найден оригинальный способ выявления полноты резерва электрической подкачкой эмиттерных шин, выведенных отдельно. На схеме резервирования (рис. 8​) подача положительного смещения на шину Э_л прекращает работу левых транзисторов узла, блока или машины – по желанию, не влияя на правые. Таким образом проверяются либо правые, либо левые половины логических ячеек. Принятая система резервирования вместе с тщательной отработкой схемотехники и технологии производства дали ряд микросхем с рекордной надежностью:

Частота отказов для микросхемы с 12 НЕ-ИЛИ

Микросхемы без резервирования………….λ_{без/рез} = 6,5*10⁻⁶

Микросхемы с резервированием…………..λ_расп = 4,2*10⁻⁸

Микросхемы с резервированием…………..λ_70°С = 2*10⁻⁸

Микросхемы с резервированием…………..λ_хран = 7,6*10⁻⁹

Однако эти схемы обладали быстродействием в 4 раза меньшим по сравнению со схемами, рассчитанными, допустим, на транзисторы со строго регламентированной и стабильной во времени базовой характеристикой. Для частичного возмещения потерь в скорости был принят ряд мер.

Рис. 9. Оригинальная схема соединения транзисторов в УМ-2 для сокращения времени задержек

Одна из схемо-структурных мер ускорения работы вычислителя показана на рис. 9. В схеме с общим эмиттером средняя задержка при передаче сигнала с базы на коллектор составляет для германиевых транзисторов МТ – 10 800 нсек. Тот же транзистор в нижней схеме дает задержку 80 нсек/каскад. Применение такой схемы в арифметическом устройстве уменьшило время сложения на 17 мксек.

Еще одним примером увеличения эффективного быстродействия машины служит введение сверхоперативной памяти (СОП) на транзисторных регистрах. СОП связана с ОЗУ, ПЗУ и АУ и может хранить до 8 чисел. Цикл обращения в СОП составляет 2-3, а в ОЗУ или ПЗУ – 10-15 мксек. Анализ программ для различных задач показал, что для многих задач в связи с многократным использованием чисел и констант при наличии 8 ячеек в СОП 80% всех обращений будет в СОП и 20% – в ОЗУ. Таким образом, наличие нескольких страниц СОП не только значительно увеличило быстродействие, но и улучшило внешние связи машины.

Основной конструктивной особенностью УМ-2 считалось применение устройства микроклимата, так как, во-первых, ОЗУ и ПЗУ не могли работать в диапазоне шире 0-40⁰C — нуждались в термостатировании; во-вторых, арифметическое устройство могло работать в интервале от — 40 до + 70⁰С, но со значительной потерей надежности на краях; в-третьих, все электронные элементы вели себя лучше в сухой атмосфере, чем во влажной; в-четвертых, внутренний теплоотвод требовал во всех условиях 0,5 атм минимального давления внутри корпуса.

Рис. 10. Теплообменник «жидкость-воздух» в УМ-2

Пришлось принять такое решение: заключить машину целиком в герметичный изолированный корпус, в котором размещены пакеты с сушильным агентом; на верхней крышке смонтировать определенный тип теплообменника в зависимости от условий данного объекта. Теплообменник типа «жидкость-воздух» (рис. 10), работая с системой автоматики, поддерживал температуру внутри корпуса 25±5⁰С. На рис. 11 показан блок арифметики, состоящий из 20 логических страниц. Шарнирное соединение блока с корпусом и страниц с блоком дает удобный доступ к любому элементу. Штепсельные разъемы не применялись внутри машины, за исключением некоторых модификаций блоков.

Логическая страница, представленная на рис. 12, содержит 32 микросхемы, соединенные при помощи кос из проволоки со фторопластовой изоляцией.

Рис.11. Блок арифметики УМ-2 .

Рис. 12. Логическая страница (плата) с соединительными жгутами

Рис. 13. Плата логики с печатным монтажом

Позже были разработаны многослойные печатные страницы (Рис. 13), имеющие до 6 медных слоев с каждой стороны. В качестве изоляционных слоев применялась фоточувствительная эмаль. На фотографии видны луженые контактные площадки для припайки микросхем, а печатные линии не видны из-за верхнего слоя изоляции.

Ниже приводится характеристика машины УМ-2.

Техническая характеристика УМ-2

Назначение……………………………………..Универсальная управляющая вычислительная машина

Тип машины……………………………………Параллельная, с фиксированной запятой

Адресность…………………………………….Один-три

Быстродействие, мксек………………………..Сложение – 52; умножеме – 275; деление – 780

Среднее быстродействие*, операций/сек…….8100

Объем памяти, слов……………………………ОЗУ – 512; ПЗУ – 4096

Цикл памяти, мксек…………………………..15

Разрядность……………………………….…..23

Логика…………………………..……………..1000 модулей по 8 схем; НЕ-ИЛИ в каждом

Объём, дм³………………………..……………70

Потребляемая мощность, вт………..……….120

Время безотказной работы, ч……….………556 (полученное при полном комплексе испытаний

* 75% – сложение, 23% – умножение, 3% – деление.

Спустя год после разработки УМ-2 завершилась разработка агрегатной системы УСО. Характеристики некоторых из  этих устройств приведены в табл. 2.

Таблица 2

Характеристики некоторых устройств связи с объектом машины УМ-2

*……..40 страниц размещается в одном корпусе
** ……±1 шаг шагового двигателя

Управляющий комплекс на 260 электронных каналов ввода-вывода размещается в двух стандартных корпусах. На рис. 14 он показан на стенде для отработки программ.

Рис. 14. Управляющий комплекс на основе УМ-2

Опыт создания малогабаритных и микроминиатюрных управляющих машин, изложенный в этой статье, относится к первому периоду развития микроэлектроники. С тех пор прошло много лет и, надо полагать, сегодня можно создавать вычислительные машины, далеко превосходящие предыдущие, что в первую очередь зависит от улучшения элементной базы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Electronic Navigator Charts Path со Моопэ Electronics” 1967, јап. 9, р. 109-118.
2. Supernova. “Electronics” 1969, sept. 1, р. 119-120.

УДК 621.382.8

Примечания редактора

¹Здесь и далее Ф. Г. Старос пытается ввести в оборот термин «минипьютер» как эквивалент выражения «миниатюрный компьютер». Эта попытка потерпела неудачу в отличие от термина «микроэлектроника», введённого в оборот в Советском Союзе Ф. Г. Старосом в 1957-1958 годах.

²Управляющая ЭВМ УМ1-НХ (НХ – народно-хозяйственного применения) разрабатывалась с 1959 по 1962 годы под руководством Ф. Г. Староса в СКБ-2 предприятия абонементный ящик 233 Госкомитета по радиоэлектрнике и созданного в 1961 году на основе СКБ-2 предприятия абонементный ящик 155 Госкомитета по электронной технике. Серийное производство было начато в 1963 году на Ленинградском электромеханическом заводе. https://www.computer-museum.ru/histussr/um1nh.htm

³Управляющая ЭВМ УМ-2 разрабатывалась с 1961 по 1964 год под руководством Ф. Г. Староса предприятием абонементный ящик 155 Госкомитета по электронной технике, переименованным в 1964 году в Ленинградское Конструкторское Бюро Министерства электронной промышленности.

⁴Имеется ввиду УМ1-НХ.

В начало