Как советская троичная ЭВМ опередила эпоху на три десятилетия и была предана забвению

Ну, если честно, не то чтобы опередил — скорее даже опоздал. Но об этом чуть позже, а начну я с главного денежного показателя этой истории. «Сетунь» обходилась в 27 500 рублей — и это со всей сопутствующей периферией: телетайпом, перфоленточным барабаном и оптическим вводом. Для контраста: PDP-8, которую в Штатах считали эталоном бюджетности, стоила 20 000 долларов исключительно за процессорную плату, без какого-либо обвеса. Это сравнение приводил сам Н. П. Брусенцов в своих интервью.

Кроме того, «Сетунь» функционировала на троичной логике. Это была единственная в истории человечества серийная троичная ЭВМ — и в итоге её проект свернули.

Обычно после этого следует стандартный пассаж о Госплане, который погубил гениального изобретателя, обогнавшего эпоху на три десятка лет. Мне доводилось встречать подобные материалы раз пять, и каждый раз я спотыкалась об одно и то же несоответствие: там, где авторы доказывают преимущество троичной системы над двоичной, неизменно фигурирует фраза про «примерно семикратную выгоду». А буквально через абзац утверждается, что математический оптимум системы исчисления достигается при основании e. Эти два тезиса взяты буквально из разных реальностей, и логический мостик между ними не выстраивал ещё никто.

Пришлось мне во всем разбираться самостоятельно.

(Сразу оговорюсь: троичных компьютеров я не конструировала и «Сетунь» вживую не видела. Всё изложенное ниже базируется на элементарной арифметике, изучении первоисточников и логическом анализе элементной базы. Где у меня есть пробелы в знаниях — я так прямо и пишу)

Почему выбор пал на тройку

Суть концепции такова. Предположим, нам необходимо закодировать число вплоть до N. В позиционной системе с основанием b на это потребуется log_b(N) разрядов. Однако физическая реализация разряда напрямую зависит от его основания: чтобы ячейка поддерживала b стабильных состояний, затраты аппаратных ресурсов будут примерно пропорциональны b (один триггер на два состояния, три — на три).

Следовательно, общая стоимость выражается формулой:

C = b · log_b(N) = ln(N) · b/ln(b)

Множитель ln(N) отражает масштаб задачи и от нас не зависит. А вот член b/ln(b) определяется исключительно основанием. Находим производную, приравниваем её к нулю и получаем ln(b) = 1, то есть b = e ≈ 2,718.

В этот момент многие авторы пишут: «ближайшее целое число — это три», ставят точку и отправляются пить чай.

А давайте доведём расчёты до конца.

Основание	b/ln(b)	Отношение к двоичной
2	2,885	100%
e ≈ 2,718	2,718	94,2%
3	2,731	94,6%
4	2,885	100%
10	4,343	150%

Проверяем: 2/ln2 = 2/0,6931 = 2,885. 3/ln3 = 3/1,0986 = 2,731. Делим одно на другое: 2,731/2,885 = 0,946. Всё сходится.

И вот она, знаменитая экономичность троичного подхода. Целых пять с половиной процентов.

Ради скромных 5,5% никто не станет перестраивать целые отрасли промышленности. Ради такого прироста вообще не затевают масштабных реорганизаций — это значение теряется в погрешности между производственными цехами одного предприятия.

Обратите также внимание на четвёрку. Её показатель в точности равен двойке до мельчайших знаков, и это неслучайно: 4/ln4 = 4/(2·ln2) = 2/ln2. Четверичный разряд эквивалентен ровно двум двоичным, не привнося принципиально нового. Как говорится, математически изящно…

Тройка, семёрка, туз

Откуда же тогда взялся миф о семикратной экономии?

Я добросовестно пыталась отыскать первоисточник, но безуспешно. Тезис о том, что «количество элементов сокращается примерно в семь раз», кочует из публикации в публикацию безо всяких сносок, неизменно соседствуя с рассуждениями об числе e, откуда он логически никак не вытекает — мы только что убедились, что выгода составляет всего 5,5%.

Зато обнаружилось другое утверждение, больше похожее на реальный инженерный факт: передача трёхпозиционных сигналов по единственному проводнику позволила почти вдвое сократить число межкомпонентных и межблочных кабелей. Здесь речь идет именно о коммутации, а не о логических элементах, и под этим есть физическое основание — один трит передается по проводу, для которого биту потребовалось бы две линии. Как «сокращение проводов вдвое» трансформировалось в «сокращение элементов всемеро» — загадка. Полагаю, это классический испорченный телефон длиной в шестьдесят лет.

Если у кого-то сохранился сканом оригинального отчета Брусенцова или монографии «Малая цифровая вычислительная машина „Сетунь“» (1965) — поделитесь в комментариях, там должна быть подлинная статистика.

Кстати, о цифрах. В процессе сбора технических характеристик выяснилось, что верить опубликованным данным тоже нельзя.

Параметр	Первый источник	Второй источник
Электронные лампы	37	20
Полупроводниковые диоды/транзисторы	~300	320
Барабан, коротких слов	1944	3888
Быстродействие, операций/с	4500	5000–6000
Выпущенных машин	46	около 50
Годы производства	1962–1964	1959–1965

Причем грешат этим не сомнительные сайты, а вполне авторитетные энциклопедии и мемуарная литература. Часть расхождений объяснима объективно — ЭВМ модернизировалась, и емкость барабана на 3888 слов относилась, скорее всего, к более поздним модификациям. Но некоторые разночтения не поддаются логике: разница между двадцатью и тридцатью семью лампами — это не вариативность комплектаций, а элементарное тиражирование чужих опечаток.

Далее я опираюсь на данные из Большой российской энциклопедии и интервью самого Брусенцова как на первоисточники, а все сторонние значения буду оговаривать отдельно.

Осень 1959 года: машина признана ненужной

Теперь обратимся к роли Госплана, раз уж большинство читателей ждет именно этого.

В осенние месяцы 1959 года разработчиков пригласили на заседание Коллегии Госкомитета по радиоэлектронике. Там им безапелляционно заявили, что вычислительная машина отечеству не нужна: Госплан и ВСНХ заняли резко негативную позицию, внеся проект в «черный список» подлежащих закрытию тем.

Деталь, которая потрясает меня больше всего: у проекта не было никакого дополнительного финансирования. Абсолютно ноль рублей. Энтузиасты трудились за стандартную зарплату сотрудников ВЦ МГУ на приборах и деталях, которые заводы списывали при прекращении выпуска старой номенклатуры. Первую в мире серийную троичную ЭВМ собрали буквально из подножного сырья — и её собирались закрыть ради банальной экономии бюджета.

Для понимания масштабов: создание стандартной ЭВМ М-20 в обычном конструкторском бюро обошлось, по воспоминаниям Брусенцов, в десятки миллионов рублей и заняло два с половиной года.

Тем не менее, государственные испытания «Сетунь» выдержала блестяще. Последовали официальное постановление Совмина о развертывании серийного производства на Казанском заводе математических машин и даже медаль ВДНХ.

Парадоксальная дешевизна

А теперь начинается самое интересное.

Цена в 27 500 рублей обернулась серьезной проблемой. Машина оказалась чересчур дешевой для предприятия-изготовителя: плановые показатели тогда измерялись в валовых рублях, и сорок шесть недорогих компьютеров в отчетности выглядели гораздо хуже, чем десяток дорогостоящих монстров.

Логика безупречна, если принять установленные правила игры. Завод не занимался вредительством — он просто оптимизировал те метрики, за которые с него спрашивал вышестоящий аппарат. Это чистейшее проявление закона Гудхарта за полтора десятилетия до того, как он был сформулирован.

На практике это выглядело следующим образом: правительственное постановление существует, проигнорировать его напрямую завод не смеет. Поэтому «Сетунь» собирали скромными партиями по 10–12 штук ежегодно. Формально распоряжение Совмина исполнялось. Фактически — саботировалось. Мне это невероятно напоминает современные отписки техподдержки: формально ответ предоставлен, но по сути вас вежливо послали.

Показательна история с чешской делегацией. Представители Чехословакии проявляли огромный интерес к «Сетуни», рассчитывая успешно продавать её по рыночной стоимости и получать около полумиллиона долларов чистой прибыли с каждой единицы. Им ответили прямо: даже не пытайтесь заказывать, всё равно снимем с производства.

Заказ так и не состоялся. Выпуск прекратили.

Сам Брусенцов характеризовал это предельно емко: «Сетунь» стояла поперёк горла косным руководителям на высоких постах. И возразить тут нечего.

К 1965 году проект окончательно прикрыли. Затем последовала эпоха Единой системы ЭВМ (ЕС ЭВМ), слепое копирование архитектуры System/360, и места для уникальных отечественных разработок в стране не осталось вовсе — впрочем, это тема для совершенно другого масштабного разговора, не сводимая только к троичной логике.

На этом можно было бы опустить занавес и поблагодарить аудиторию. Если бы не один интригующий вопрос.

А при чём тут Госплан?

Если корень проблемы крылся исключительно в советских чиновниках — почему подобные ЭВМ не получили распространения в США?

Никакого Госплана там не было и в помине. Существовали свободный рынок, венчурный капитал и абсолютная свобода инженерного творчества. Во время оттепельных визитов 1958–1959 годов «Сетунь» произвела на американских специалистов колоссальное впечатление, породив волну публикаций о небинарных вычислениях.

И что в итоге было создано?

TERNAC. 1973 год, университет штата Нью-Йорк в Буффало, лаборатория под руководством Гидеона Фридера. Двадцать четыре трита на слово фиксированной длины, сорок два трита под мантиссу для плавающей запятой. Замечательная машина.

Работавшая на Фортране. Через эмулятор. Который функционировал на двоичном железе Burroughs B1700.

Выводы исследователей звучали весьма сдержанно: по производительности и стоимости решение сопоставимо с традиционными двоичными аналогами, а эмуляция небинарной логики на бинарной базе технически осуществима. Помилуйте, но это вовсе не триумф троичной системы. Это доказательство того, что строить «чистое» троичное железо просто нецелесообразно.

За пределами Советского Союза ни одного полноценного троичного компьютера на физических элементах так и не появилось. Нигде и никогда.

Едва ли весь остальной мир страдал одинаковой косностью мышления. Следовательно, причина кроется вовсе не в Госплане. Точнее — не только в нём.

Почему трит не прижился в транзисторах

Для понимания причин придется спуститься на уровень элементной базы, иначе дальнейшая дискуссия потеряет смысл.

Вопрос, который я изначально ставила неверно, звучал как «почему троичная система не победила». На самом деле формулировать нужно иначе: почему троичный подход оказывался дешевле именно в рамках архитектуры «Сетуни».

Элементную базу «Сетуни» составляли ферритодиодные ячейки, унаследованные от разработок Гутенмахера. По сути своей это были быстродействующие магнитные усилители импульсного тока, построенные на магнитных сердечниках и полупроводниковых диодах. В машине насчитывалось около 3500 таких усилителей, 4500 диодов, 7000 ферритовых сердечникова, а также около трех сотен транзисторов и несколько десятков радиоламп.

Следите за логикой. Магнитный усилитель представляет собой пороговое устройство с взвешенными входами, причем веса могут принимать как положительные, так и отрицательные значения. Суммирование происходит на уровне ампер-витков. Сердечник перемагничивается в ту или иную сторону в зависимости от результирующего знака. Три стабильных состояния формировались практически бесплатно, поскольку «плюс», «ноль» и «минус» — это естественные физические состояния ферромагнетика, оперирующего со знаковыми величинами.

А теперь возьмем классический полупроводниковый транзистор. Транзистор — это дискретный ключ. Он либо открыт, либо заперт — всего два состояния.

И здесь картина кардинально меняется. Симметричная троичная арифметика была выгодной вовсе не сама по себе — она была дешевой на базе магнитных усилителей. Выбор системы счисления и используемая элементная база неразрывно связаны. Брусенцов отыскал блестящий локальный оптимум для конкретной технологии, которой владел. Но эта технология исчерпала себя.

Что происходит при попытке реализовать трит на кремниевых полупроводниках:

Необходимость формирования уровней. Требуются либо промежуточные уровни напряжения, либо специализированные транзисторы с разными пороговыми характеристиками. Первое влечет за собой сложные опорные генераторы, второе — нестандартные технологические процессы производства.

Деградация запаса по помехоустойчивости. При напряжении питания в 1 В для двух уровней отводится по полвольта на каждый, а для трех — уже по трети. При этом тенденция развития электроники шла к снижению питающих напряжений от пяти вольт до долей вольта. Таким образом, время играло против многоуровневых систем, а не за них.

Проблема статических токов. Ключевое преимущество КМОП-технологии заключается в том, что в стационарном состоянии она практически не потребляет энергию. Логический элемент, зависший на промежуточном уровне напряжения, как правило, потребляет ток постоянно. В результате сводится на нет главный смысл перехода на КМОП.

Увеличение транзисторного бюджета на разряд. Троичный инвертор значительно сложнее бинарного. Выигрывая пресловутые 5,5% на общем количестве разрядов, вы многократно переплачиваете количеством транзисторов в каждой ячейке. Арифметика оказывается далеко не в вашу пользу.

Сложив эти четыре фактора, мы получаем исчерпывающий ответ, почему троичные ЭВМ не прижились ни в СССР, ни в США, нигде бы то ни было еще.

Многоуровневая логика всё же победила. Но иначе

На этом можно было бы поставить точку, констатировав смерть троичной концепции. Но собирая материал, я поинтересовалась, где многозначная логика задействована в «железе» сегодня, и была изрядно удивлена.

Она триумфально победила в сфере хранения данных.

MLC-память хранит четыре уровня заряда в одной ячейке. TLC — восемь. QLC — шестнадцать. Подобные накопители стоят в каждом современном SSD и флеш-карте, это многомиллиардный промышленный стандарт — ровно то, о чём говорил Брусенцов: не ограничиваться двоичным принципом.

Но есть важный нюанс. Взгляните на эти цифры: 4, 8, 16. Заметили? Тройки среди них нет.

Никаких расчетов через основание e и производные там не производилось. Руководствовались совершенно иным прагматичным вопросом: сколько уровней электрического заряда мы можем стабильно различать в пределах одной физической ячейки — столько и задействуем. Итогом стал ответ «шестнадцать, если смириться с издержками», причем константа Эйлера в этих выкладках не участвовала вовсе.

Многозначность одержала верх по причинам, не имеющим никакого отношения к теории Брусенцова. Эволюция пошла по другому пути и остановилась совсем не там, где он прогнозировал. Повторюсь: побеждает та парадигма, которая наиболее органично ложится на физическую природу носителя. Для ферритов это была тройка. Для электрического заряда на изолированном затворе — шестнадцать.

Что касается ключевых схем, там по-прежнему царит двоичная система, и с 1960-х годов здесь ничего не изменилось. Относительно кутритов в сфере квантовых вычислений замечу кратко: они существуют и обладают определенной полезностью, но лишь потому, что некоторые квантовые системы естественным образом демонстрируют более двух уровней, позволяя компактнее реализовывать отдельные логические вентили. И это снова вопрос физики материального носителя, а не чистой арифметики. Если кто-то сталкивался с этим на практике — буду рада почитать ваши комментарии, поскольку здесь я перечужие знания и могу упускать технические тонкости.

То же самое касается чипов памяти MLC/QLC: если вам доводилось работать с проблемами деградации ячеек и разброса порогов — поделитесь опытом в комментариях.

Итоги

У меня нет готовых призывов или амбициозных планов по исправлению прошлого. Троичные компьютеры уже не вернутся — по крайней мере, не по тем мотивам, ради которых их принято идеализировать.

История «Сетуни» — это вовсе не банальный рассказ о том, как косная бюрократия задушила гения. Точнее, не только о нем: бюрократический аппарат действительно приложил к этому руку, и это неоспоримый факт. Десятки машин в год и ультиматумы вроде «не заказывайте, мы всё равно закроем производство» — это абсурд.

Обидно другое. Даже если бы в ту осень 1959 года чиновники из ГКРЭ встали и устроили овацию, а завод в Казани штамповал по двести машин ежегодно, к 1975 году эпоха троичных ЭВМ всё равно подошла бы к концу. Не из-за чьего-то злого умысла, а в силу естественного исчерпания ресурсной базы магнитных усилителей.

При этом сорок шесть созданных машин исправно функционировали. Тридцать из них эксплуатировались в вузах от Калининграда до Якутска. На самом первом экземпляре, собранном студентами в стенах МГУ на энтузиазме, за полтора десятка лет интенсивной эксплуатации зафиксировано ровно три отказов компонентов — три на четыре с лишним тысячи элементов, причем все в течение первого же года. Ни один советский компьютер серии ЕС не мог похвастаться подобной надежностью.

Так что опережения времени на тридцать лет не случилось, но была создана великолепная, сбалансированная под свою технологию машина, которую сначала погубила кабинетная отчетность, а затем окончательно вытеснила кремниевая революция. Второе было неизбежно. Первое — нет.

 

Источник