Биография С. А. Лебедева Малиновский Б. Н

Информационные технологии и

вычислительные системы, №3, 2002

Научная биография С.А. Лебедева

Второго ноября 2002 г. исполняется 100-лет со дня рождения С.А. Лебедева – одного из звездной плеяды ученых, создавших почти одновременно в конце 40-х и начале 50-х годов в США, Англии и бывшем Советском Союзе первые цифровые электронные вычислительные машины с динамически изменяемой программой вычислений. Этап становления цифровой электронной вычислительной техники на этом завершился, и была поставлена победная точка в ее соревновании с аналоговой. В настоящее время имена этих ученых хорошо известны. В США - Джон фон Нейман (1903-1957), Джон Мочли (1907-1980), Преспер Эккерт (род. 1919); в Англии - Алан Тьюринг (1912-1954), Том Килбурн (род.1921) и Морис Уилкс (род.1913); в Советском Союзе - Сергей Лебедев (1902-1974) и Исаак Брук (1902-1974).

Каждый из них внес заметный вклад в становление и дальнейшее развитие компьютерной науки и техники. Алан Тьюринг еще в 1934 г. в статье "О вычислимых числах" доказал возможность выполнения чисто механическим путем любого имеющего решение алгоритма. Предложенная им для этой цели гипотетическая цифровая универсальная машина, получившая название машины Тьюринга, имела память для запоминания последовательности действий, т.е. программу выполнения алгоритма.

Джон Мочли и Преспер Эккерт в 1946 г. создали цифровую электронную вычислительную машину ЭНИАК, в которой программа работы машины задавалась с помощью механических переключателей, что занимало много времени и препятствовало полной автоматизации вычислительного процесса. Во время проектирования следующей машины ЭДВАК они устранили этот недостаток, предусмотрев хранение программы в оперативной памяти. На этапе завершения работ по ЭНИАК и при проектированию ЭДВАК с ними начал сотрудничать известный ученый Джон фон Нейман. В то время он принимал участие в проекте по созданию атомной бомбы и был заинтересован в разработке эффективной вычислительной техники для выполнения расчетов. Обобщив опыт, полученный в процессе разработки обеих машин, он первым сформулировал основные принципы построения ЭВМ (в закрытом отчете, составленном в 1946 г. вместе с Г. Голдстайном и А. Берксом). Эти принципы были реализованы им в машине ИАК, построенной в 1952 году. Материалы отчета не публиковались до конца 50-х годов, но были переданы ряду фирм США и Англии.

Широкая известность Джона фон Неймана как крупного ученого сыграла свою роль - изложенные им принципы и структура ЭВМ впоследствии получили название неймановских, хотя в их разработке участвовали Эккерт и Мочли, а Лебедев независимо от них предложил такие же принципы для построении первой в бывшем Советском Союзе и в континентальной Европе Малой электронной счетной машины МЭСМ. В то время МЭСМ была засекречена, и о творческом вкладе советского ученого на Западе ничего не знали. Кстати, первая ЭВМ Джона фон Неймана ИАК начала работать через год после запуска МЭСМ в эксплуатацию.

В Великобритании ученые университета в Манчестере Фредерик Вильямс и Том Килбурн в 1948 г. создали примитивную ЭВМ под названием Беби (ребенок). Для записи данных и программы решения задачи они использовали электронно-лучевую трубку и первыми показали возможность хранить не только числа, но и программы в оперативной памяти машины. Через год еще один английский ученый Морис Уилкс, прослушавший в 1946 г. курс лекции Мочли и Эккерта, сумел опередить своих учителей и в 1949 г. создал в Кембридже первую в мире цифровую электронную вычислительную машину ЭДСАК с динамически изменяемой программой. В отличие от Беби ЭДСАК выполняла не только тесты, но и решала математические задачи.

Дальнейшая творческая судьба ученых первопроходцев сложилась по-разному. Алан Тьюринг в годы Второй мировой войны принимал участие в создании электронной цифровой машины «Колосс», предназначенной для расшифровки радиограмм немецкого вермахта. "Безусловно, не Тьюринг выиграл войну, но без него мы могли бы ее проиграть", - сказал один из его соратников по созданию машины. Ранняя смерть не позволила гениальному ученому в полной мере реализовать свои намерения. Судьбу Тьюринга разделил Джон фон Нейман - он умер на 54-м году жизни так и не увидев вторую, спроектированную под его руководством машину, названную в его честь «Джониак».

Джону Мочли и Просперу Эккерту удалось в 1952 г. завершить работу над ЭДВАК, а в начале 50-х годов создать первую в США серийную машину УНИВАК. В дальнейшем они стали руководителями основанных ими компьютерных фирм. Много усилий было израсходовано на судебный процесс в связи с намерением ученых получить патент на ЭНИАК. В результате продолжительного (почти 20 лет!) рассмотрения дела суд вынес отрицательное решение на том основании, что еще в 1939 г. профессор сельскохозяйственной школы в штате Айова Джон Атанасов (1903-1992) и его помощник Клиффорд Берри создали цифровую вычислительную машину на электронных лампах с использованием двоичной системы счисления и памятью на конденсаторах. Хотя машина была специализированной и предназначалась для решения систем линейных алгебраических уравнений, а работа завершилась лишь макетом, суд установил, что основное, на что претендуют творцы ЭНИАК, – использование электронных ламп, - было реализовано в машине Атанасова. К тому же выяснилось, что Мочли при встрече с Атанасовым ознакомился с его машиной.

Том Килбурн и Морис Уилкс достигли больших успехов в своей дальнейшей научной деятельности. В 1953 г. заработал макет первой в мире вычислительной машины на точечных транзисторах, созданной Килбурном. Работа была завершена в 1955 г. В машине использовались 200 транзисторов и 1300 германиевых диодов. В 60-е годы под его руководством была создана весьма совершенная машина АТЛАС на транзисторах. Использование в ней виртуальной памяти и мультипрограммной работы получили большой резонанс при разработке первых машин в разных странах.

Под руководством Мориса Уилкса была создана еще одна ламповая машина ЭДСАК-2 с микропрограммным управлением, впервые предложенным ученым в 1951 г. В дальнейшем он работал в области программирования, автоматизации проектирования компьютеров, разработал основы мультипрограммирования, консультировал много проектов и получил мировое признание как выдающийся ученый современности. В наше время 89-летний сэр Морис Уилкс (слово сэр добавлено по указу королевы Великобритании) - почетный профессор университета в Кембридже и консультант одной из ведущих американских фирм (ITT). Президиум НАН Украины в 1998 году присвоил ему звание почетного доктора НАН Украины.

Тем не менее, даже на фоне отмеченных выдающихся достижений западных ученых, – современников С.А. Лебедева, - результаты его научного творчества в области компьютерной науки и техники поражают своей масштабностью. Под его руководством и при непосредственном участии за двадцать с небольшим лет было создано 18 (!) ЭВМ, причем 15 из них выпускались серийно. Большинство машин относились к классу супер-ЭВМ и предназначались для крупных вычислительных центров и противоракетных систем.

Его деятельность началась с создания ламповых ЭВМ (МЭСМ, БЭСМ, БЭСМ2, М20, М-40, М-50). С появлением полупроводниковых элементов ученый перешел к разработке супер-ЭВМ второго поколения. Последняя из них - созданная в 1967 г. полупроводниковая БЭСМ-6 с производительностью миллион операций в секунду выпускалась 17 лет. Ею были оснащены многие вычислительные центры Советского Союза. Лондонский музей науки в 1992 г. приобрел БЭСМ-6, чтобы сохранить ее как один из лучших образцов в истории мирового компьютеростроения. Завершением деятельности С.А. Лебедева стало создание супер-ЭВМ на интегральных схемах производительностью в миллионы операций в секунду для систем противоракетной обороны. Каждая новая ЭВМ была результатом радикальной переработки предшествующей с критическим осмыслением собственного опыта и всего нового, что появилось в стране и за рубежом.

Главным принципом построения всех машин, созданных С.А. Лебедевым, было распараллеливание вычислительного процесса. Впервые С.А. Лебедев реализовал этот принцип в МЭСМ, БЭСМ, использовав арифметическое устройство параллельного действия. В М-20, М-40, М-50 добавилась возможность работы внешних устройств параллельно с процессором. В БЭСМ 6 появился конвейерный (или "водопроводный", как назвал его Лебедев) способ выполнения вычислений. В следующих ЭВМ использовалась многопроцессорность и т.п.. Добавим, что до настоящего времени принцип распараллеливания процесса обработки информации, впервые реализованный С.А. Лебедевым, является основным при построении супер ЭВМ.

«С.А. Лебедев гениально предугадал перспективы широкого развития электронной дискретной вычислительной техники, - пишет ученик С.А. Лебедева, теперь академик В.С. Бурцев (см. «Научное наследие академика С.А. Лебедева». Сб. «Кибернетика и вычислительная техника», вып.1, 1985), - Особое место в этом развитии он отводил высокопроизводительным ЭВМ и комплексам, считая данное направление передовой линией научно-технического прогресса этой области. Именно созданию и развитию отечественных высокопроизводительных ЭВМ и комплексов посвящены лучшие годы его жизни.»

Ученики Сергея Алексеевича Л.Н. Королев и В.А. Мельников в статье "Об ЭВМ БЭСМ-6" дополняют вышеприведенные высказывания: «Гениальность С.А. Лебедева состояла именно в том, что он ставил цель с учетом перспективы развития структуры будущей машины, умел правильно выбрать средства для ее реализации применительно к возможностям отечественной промышленности» (Управляющие системы и машины. 1976, №6).

Активная творческая деятельность С.А. Лебедева содействовала созданию в бывшем Советском Союзе ряда мощных научных школ и развертыванию отечественного компьютеростроения. При этом научная школа С.А. Лебедева, по всеобщему признанию, занимала ведущую роль. Руководимый им Институт точной механики и вычислительной техники АН СССР в 50-е, 60-е и 70-е годы по уровню научных исследований и практических результатов мог конкурировать с известной американской фирмой IBM.

С.А. Лебедев и сотрудники ИТМ и ВТ, принимавшие участие в создании ЭВМ, неоднократно отмечались правительственными наградами. Сам Сергей Алексеевич был награжден орденами Ленина (1954, 1962, 1972), Октябрьской Революции (1971). В 1956 г. ему было присвоено звание Героя Социалистической Труда. В 1966 г. он получил Ленинскую, а в 1969 - Государственную премию СССР. В 1974 г., когда ученого не стало, институту было присвоено его имя.

Исключительная скромность С.А. Лебедева, секретность значительной части его работ, существовавшие в те годы «железный занавес» и «холодная война» привели к тому, что долгое время даже в Советском Союзе, а особенно в западных странах публикаций о жизни и деятельности гениального ученого было явно недостаточно. Вероятно именно по этой причине в изданной в 1995 г. книге американского историка Джона Ли "Компьютерные пионеры", где приведено свыше 200 биографий ученых, имени С.А. Лебедева, к сожалению, не оказалось.

Лишь в девяносто пятую годовщину со дня рождения ученого международная научная общественность Запада, получившая к этому времени возможность лучше ознакомиться с результатами деятельности С.А. Лебедева, признала его выдающиеся заслуги в области компьютерной науки и техники. На приуроченной к этой дате медали Международного компьютерного общества, врученной детям С.А. Лебедева, написано: "Сергей Алексеевич Лебедев. 1902-1974. Разработчик и конструктор первого компьютера в Советском Союзе. Основатель советского компьютеростроения».

Готовящееся полное издание его научных трудов и ряд новых публикаций о его жизни и деятельности будут лучшим подарком к 100-летию со дня рождения великого ученого.

Современником С.А. Лебедева был И.С. Брук. И.С. Брук первым выдвинул и осуществил идею создания малых вычислительных машин для использования в научных лабораториях. Под его руководством в 1950-1951 гг. была создана в макетном исполнении первая в Российской федерации¹ малая цифровая электронная вычислительная машина с хранимой в памяти программой M-1 (главный конструктор Н.Я. Матюхин). В середине 1952 г. она заработала и оказалась единственной в Российской федерации действующей ЭВМ. Схожесть биографий этих двух замечательных ученых поразительна. Оба родились в один год, учились в одном институте, «становились на ноги» как ученые в одной научной организации, оба занимались вопросами энергетики, от нее шли к вычислительной технике, оба стали руководителями ведущих научных школ в области цифровых вычислительных машин.

К именам обоих приложимо определение - первые. И.С. Брук первым в СССР (совместно с Б.И. Рамеевым) разработал проект цифровой электронной вычислительной машины с жестким программным управлением (август 1948 г.). В это время машина подобного типа имелась лишь в США («ЭНИАК», 1946 г.). Они же получили первое в СССР свидетельство об изобретении цифровой ЭВМ (с общей шиной), датируемое декабрем 1948 г. К сожалению, и проект и изобретение не были своевременно реализованы на практике.

Вместе с тем неудержимое стремление быть впереди всех, постоянно иметь новые и новые результаты часто мешало ученому доводить начатое дело до конца. Не случайно ЭВМ М-1 не принималась никакими комиссиями и только третья разработанная под руководством И.С. Брука ЭВМ стала выпускаться промышленностью. Разработка ЭВМ была вызвана скорее желанием проявить свои творческие способности еще в одной новой и актуальной области науки и техники, нежели являлась основополагающим направлением деятельности ученого. «Работа над ЭВМ M-1 в ЭНИН АН СССР в лаборатории электросистем велась «полулегально», сегодня сказали бы, что это было хобби руководителя работ и только.» (Из воспоминаний бывшего участника работ А.Б. Залкинда.) В эти же годы Брук активно продолжал исследования в области энергетики, выдвинул проблему управляющих машин и много сделал для их применения на электрических станциях, увлекался проблемой управления в экономике и пр. В итоге в дальнейшем он передал эстафету развития вычислительных средств своим замечательным ученикам - Николаю Яковлевичу Матюхину и Михаилу Александровичу Карцеву. Однако, если учесть весь комплекс работ, проведенных Бруком и его учениками, то вклад его научной школы в компьютеростроение был достаточно значителен, а развернувшееся с самого начала негласное творческое соревнование двух ведущих научных школ - С.А. Лебедева и И.С. Брука стимулировало научные коллективы, не давало возможности успокоиться на достигнутом.

Научная деятельность С.А. Лебедева в энергетике.

Академик Сергей Алексеевич Лебедев, словно бы прожил две творческих жизни. Первая совпала с двадцатью годами научной деятельности в области энергетики, вторая была целиком отдана компьютеростроению - созданию ЭВМ и организации их серийного выпуска. Между ними вклинился судьбоносный водораздел - пять лет, проведенных в Киеве. Именно здесь совершился переход от первой жизни ко второй. Он был достаточно резким, но и вполне объяснимым. Исследования в энергетике, чем вначале занимался С.А. Лебедев, требовали большого количества вычислений, и поэтому его интересы стали перемещаться в область средств автоматизации вычислений.

Сергей Алексеевич Лебедев родился 2 ноября 1902 г. в Нижнем Новгороде в семье учителей. Безукоризненная честность и трудолюбие ставились в семье во главе воспитания. Ниточки из детства тянулись ко всему, что делали впоследствии Сергей и остальные дети Лебедевых.

Окончив в 1928 г. Высшее техническое училище (МВТУ) им. Баумана в Москве и получив диплом инженера-электрика, С.А. Лебедев стал преподавателем МВТУ им. Баумана и одновременно млад­шим научным сотрудником Всесоюзного электротехнического института (ВЭИ). Вскоре он возглавил в нем группу, а затем лабораторию электрических сетей.

В 1933 г. совместно с А.С. Ждановым опубликовал монографию "Устойчивость параллельной работы электрических систем", дополненную и переизданную в 1934 г. В мировой литературе к тому времени еще не было подобной работы, которая настолько полно и разносторонне освещала проблему устойчивости энергосистем. Дифференциальные уравнения электромагнитного и электромеханического переходных процессов для синхронных машин, приведенные в книге, получили название уравнений Лонглея-Лебедева-Жданова (Лонглей – американский ученый, авт.). Они дали возможность успешно решать ряд задач анализа режимов энергосистем и синтеза автоматических регуляторов возбуждения синхронных машин. Еще через год ВАК присвоил молодому ученому звание профессора. В 1939 г. Лебедев защитил докторскую диссертацию, не будучи кандидатом наук. В ее основу была положена разработанная им теория искусственной устойчивости энергосистем.

Почти двадцать лет проработал Сергей Алексеевич в ВЭИ. Последние десять лет он руководил отделом автоматики. До войны ВЭИ являлся одним из самых известных научно-исследовательских ин­ститутов, где работал ряд ученых с мировым именем. Отдел автома­тики занимался проблемой управления энергетическими системами (С.А.Лебедев, П.С. Жданов, А.А. Гродский), теорией автоматического регулирования (Л.С. Гольдфарб, Д.И. Марьяновский, В.В. Солодовников), новыми средствами автоматики (Д.В. Свечарник), телемеханикой (А.В. Михайлов) и представлял собой настоящее созвездие молодых талантов. Некоторые сотрудники института впоследствии стали крупными учеными, а их научные труды получили мировое признание. Замечательной особенностью института было наличие в нем достаточно мощной производственной базы, благодаря чему результаты исследований быстро внедрялись в практику.

Автору удалось разыскать одного из ветеранов ВЭИ - профессора, док­тора технических наук Д.В. Свечарника, поделившегося своими воспоминаниями о Сергее Алексеевиче.

«В 1935 г. к моему рабочему столу в ВЭИ подсел новый руководитель нашего отдела автоматики молодой профессор Сергей Алексеевич Лебедев. Поинтересовался: что я за год с лишним после окончания института успел сделать? Разговор пошел совсем неформальный, - Сергей Алексеевич сумел быстро схватить суть проблемы, похвалил спроектированную мной и Марьяновским систему автоматизации прокатных станов - в ней использовался запатентованный нами принцип введения гибких нелинейных обратных связей (в отечественной литературе уже не раз указывалось, что этот принцип в США был предложен на 11 лет позже...), - предсказал ему широкое применение. Но Сергей Алексеевич умел не только одобрять то, что ему нравилось. Когда мы на опытном заводе ВЭИ отлаживали образец этой системы и она, конечно, с ходу «не пошла», он нашел в чертежах соединение, могущее вызвать неприятности, молча показал на него и так посмотрел, что я готов был сквозь землю провалиться... Когда через год мы успешно испытали эту аппаратуру на стане-500 в Днепродзержинске, он не только сам приехал наблюдать за автоматической работой стана, но и привез с собой директора ВЭИ. За это изобретение Центральный совет изобретателей присвоил в 1936 г. мне и Д.И. Марьяновскому почетное звание "Лучший изобретатель СССР". Сергей Алексеевич ничего не получил - да он никогда и не добивался наград.

Совместная работа вскоре переросла в дружбу. Летом мы с ним уезжали в дальние путешествия - преимущественно в горы. Пошли как-то на Эльбрус. Последние 50 метров на подходе к седловине я буквально прополз. Сергей Алексеевич довольно бодро шагал. Рискованно прыгал с камня на камень, и проводник, глядя на него, цокал языком и приговаривал: «Ай, ай, такой старый и такой смелый!» («старому» тогда было лет 35).

Но смелым он действительно был - и не только в горах. В зловещем 1937 г. боязливый руководитель отдела электрических машин ВЭИ уволил А.Г. Иосифьяна, уже тогда проявившего себя талантливым исследователем. Разработанный им в 1935-1936 гг. первый в стране линейный электродвигатель экспонировался на Всемирной выставке в Нью-Йорке. Отец ученого был армянским священником и дашнаком, что и испугало его начальника. Сергей Алексеевич, не колеблясь, пригласил его в свой отдел. В те страшные 30-е годы, когда подсиживание и доносительство были обычным явлением, в отделе ВЭИ, которым заведовал Сергей Алексеевич, сотрудники чувствовали себя уверенно и спокойно. И я, и А.Г. Иосифьян, и такие известные ученые, как А.В. Михайлов, А.А. Фельдбаум, Н.Н. Шереметьевский и многие другие, - все мы «птенцы гнезда» Сергея Алексеевича, бывшие сотрудники его отдела в ВЭИ.

Надвигалась война. Отдел переключился на оборонную тематику. Мы с Сергеем Алексеевичем начали работу - впервые непосредственно совместную - над созданием боевых средств, самонаводящихся на излучающую или отражающую излучение цель. В сентябре 1941 г. Сергей Алексеевич эвакуировался с ВЭИ в Свердловск. Мне пришлось больше заниматься созданием головки самонаведения (тогда и были впервые разработаны и потом запатентованы так называемые экстрафокальные головки), Сергею Алексеевичу - аэродинамикой и динамикой летательного аппарата (им была разработана четырехкрылая система с автономным управлением по независимым координатам). Но приходилось отвлекаться на более земные работы - ездили мы с Сергеем Алексеевичем и на лесозаготовки. Скудно питаясь брюквой и хлебом, валили за 11-часовой рабочий день 100-110 могучих деревьев с помощью двуручной пилы... В 1944 г. ВЭИ вернулся в Москву, и начались продувки моделей нашего летательного аппарата в Жуковском, под Москвой. Результаты обсуждали с академиками Христиановичем и Дородницыным. Вместе уже в 1945-1946 гг. проводили натурные испытания на Черном море. И хотя мы оба в равной степени числились главными конструкторами «управляемого оружия», доклад на комиссии Совета Министров СССР Сергей Алексеевич поручил мне. Сам он только отве­чал на вопросы «по своей части». Кто-то из членов комиссии прикрепил к своей груди «замарбличенную», внешне совершенно темную лампочку, и, как бы он ни приседал, отпрыгивал в сторону, тупорылая акула со взаимно перпендикулярными плавниками все время самонаводилась на его грудь - это впечатляло. Маршал авиации Жаворонков дал высокую оценку нашей работе и рассказал, чего стоит авиации обычными бомбами поразить не только боевой огрызающийся корабль, но даже скромную баржу. И когда в октябре 1946 г. на натурных испытаниях в Евпатории, где я был вместе с Сергеем Алексеевичем, было получено прямое попадание в баржу, мы молча обнялись...

Таким он был - талантливым ученым и скромным человеком, терпеливым воспитателем и строгим руководителем, рассудительным и смелым в действиях, терпимым к ошибкам, но ненавидящим подлость и измену».

В годы войны, находясь в Свердловске, С.А. Лебедев в удивительно короткие сроки разработал быстро принятую на вооружение систему стабилизации танкового орудия при прицеливании. Никто не знает, скольким танкистам в годы войны она спасла жизнь, позволяя наводить и стрелять из орудия без остановки машины, что делало танк менее уязвимым. За работу в области военной техники С.А. Лебедев был награжден орденом Трудового Красного Знамени и медалью «За доблестный труд в Великой Отечественной войне 1941-1945 гг.».

Почти каждая работа ученого в области энергетики сопровождалась созданием вычислительных средств для выполнения расчетов в процессе ее проведения или для включения их в состав разрабатываемых устройств. Так, для расчета тысячекилометровой сверхмощной (9600 МВт) линии электропередачи Куйбышевский гидроузел - Москва пришлось создать высокоавтоматизированную установку из мощных индуктивностей и емкостей, реализующую математическую модель линии. Это грандиозное сооружение было установлено в одном из зданий на площади Ногина в Москве. Второй экземпляр модели был собран в Свердловске. Использование модели, а по существу, специализированного вычислительного устройства, позволило быстро и качественно провести необходимые расчеты и составить проектное задание на уникальную линию электропередачи.

Для системы стабилизации танковой пушки и автоматического устройства самонаведения на цель авиационной торпеды потребовалось разработать аналоговые вычислительные элементы, выполняющие основные арифметические операции, а также дифференцирование и интегрирование. Развивая это направление, Лебедев в 1945 г. создал первую в стране электронную аналоговую вычислительную машину для решения систем обыкновенных дифференциальных уравнений, которые часто встречаются в задачах, связанных с энергетикой.