CC BY
25
Л. Н. Королев
О НАУЧНЫХ НАПРАВЛЕНИЯХ И РАЗРАБОТКАХ В ОБЛАСТИ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН И СИСТЕМ
(кафедра автоматизации систем вычислительных комплексов факультета ВМиК)
Создатель факультета академик Андрей Николаевич Тихонов совмещал в себе таланты выдающегося теоретика, практика и организатора науки. Он понимал, что невозможно ликвидировать острый дефицит в специалистах по созданию и применению вычислительной техники, лишь постепенно реформируя в рамках старой системы образования подготовку таких специалистов.
Одной из созданных в 1970 г. на факультете кафедр программистского направления была кафедра автоматизации систем вычислительных комплексов (АСВК), которую возглавил проф. А. Н. Королев.
В первые годы становления кафедры в составе ее преподавателей были известные в нашей стране специалисты. Сфера их интересов была связана с проектированием архитектур больших ЭВМ, с вопросами использования ЭВМ в автоматическом управлении такими сложными объектами, как противоракетная оборона, управление стыковкой космических кораблей, с созданием вычислительных комплексов для решения сложных задач атомной энергетики, т.е. с проектированием автоматизированных комплексов вычислительной техники.
В то время JI. Н. Королев работал в Институте точной механики и вычислительной техники (ИТМиВТ) АН СССР, возглавляемом С. А. Лебедевым — родоначальником отечественной вычислительной техники. Сотрудники института и, в том числе, JI. Н. Королев участвовали в создании операционных систем общего назначения и уникальных программ по управлению сложными техническими системами. Вместе с JI. Н. Королевым на кафедру пришли также сотрудники ИТМиВТ Г. Г. Рябов и А.Н. Томилин. Как и JI. Н. Королев, они стали работать на кафедре по совместительству. JI. Н. Королев в 1981 г. был избран членом-корреспондентом АН СССР. Г. Г. Рябов, чл.-корр. РАН, в то время возглавлял ИТМиВТ. Профессор кафедры А. Н. Томилин также был сотрудником ИТМиВТ. Ученым секретарем кафедры был назначен доцент В. К. Власов, сыгравший важную роль в становлении кафедры как учебного и научного подразделения факультета.
Далее кафедра стала быстро пополняться новыми сотрудниками, как приглашенными из других научных и производственных организаций, так и воспитанниками кафедры. Большинство сотрудников кафедры являлись крупными специалистами в области компьютерных наук, и это позволяло охватить весьма широкий спектр научных проблем, тем или иным способом связанных с развитием средств программного обеспечения. Это позволило привлечь студентов и аспирантов к увлекательной научной и практически полезной работе в этом сложном направлении, требующем хороших знаний в области аппаратной архитектуры ЭВМ, механизмов обработки данных предметной области, средств программирования и многих важных разделов дискретной и непрерывной математики.
Выпускники кафедры в настоящее время составляют основу педагогического и научного потенциала кафедры. Это профессор Р. Л. Смелянский — заведующий лабораторией вычислительных комплексов и лабораторией системы SUN в образовании и научных исследованиях, профессор И. В. Машеч-кин — заведующий лабораторией технологий программирования, доцент А. В. Гуляев, являющийся заместителем проректора МГУ и заведующим лабораторией программного оборудования нашего факультета, доцент В.Г. Баула, доцент А.Н. Терехин (с 1994 г. — ученый секретарь кафедры), доцент H.H. Попова и др.
Активно трудятся на кафедре профессор В. А. Сухомлин — заведующий лабораторией открытых информационных технологий, доцент Ю.М. Баяковский — заведующий лабораторией компьютерной графики и мультимедиа, доцент В. К. Власов и многие другие.
С кафедрой тесно контактирует Проблемная лаборатория (заведующий — ведущий научный сотрудник Н.П. Брусенцов).
Для кафедры АСВК основным базовым институтом был Институт точной механики и вычислительной техники АН СССР имени академика С. А. Лебедева.
В ИТМиВТ были разработаны такие широко известные вычислительные машины, как БЭСМ-6 и "Эльбрус". Роль математиков-программистов в их создании была весьма значительной. Ими был выполнен цикл работ по имитационному моделированию различных вариантов структурной организации
машин с учетом тех задач, для решения которых они предназначались; были созданы программные комплексы, позволившие автоматизировать некоторые этапы проектирования, ускорившие процессы изготовления машин; также были созданы системные программы, управляющие работой внешних и периферийных устройств, связанных с центральными машинами.
Кроме упомянутых выше вычислительных машин БЭСМ-6 и "Эльбрус", коллективом ИТМиВТ были созданы специализированные вычислительные комплексы с соответствующим программным обеспечением. Роль будущих сотрудников кафедры в создании этих крупных комплексов, решавших важные государственные задачи, была также велика. Речь идет о многомашинном вычислительном комплексе, осуществлявшем управление в реальном времени многочисленными радиолокационными установками и противоракетами. Этот комплекс позволил успешно провести эксперименты по уничтожению боеголовок баллистических ракет на подлете к цели, положив начало созданию противоракетной обороны нашей страны. Следует отметить, что в этой области ученые нашей страны во многом опередили развитие аналогичных работ за рубежом. Так эксперимент по уничтожению головной части баллистической ракеты был осуществлен в Советском Союзе в марте 1961 г., более чем на два десятилетия опередив аналогичный эксперимент, проведенный в США в рамках проекта СОИ.
В качестве системных программистов ряд сотрудников кафедры участвовали в удачном эксперименте стыковки космических кораблей "Союз" и "Аполлон". Отсюда очевидна основная научная направленность исследований, выполняемых сотрудниками кафедры АСВК.
С учетом вышесказанного попытаемся в общих словах очертить область научных интересов кафедры в исследованиях и разработках программного обеспечения вычислительных машин и систем, отличающих ее от других программистских кафедр факультета ВМиК, также работающих в сфере системного программирования. Заметным достижением коллектива сотрудников кафедры АСВК следует считать их участие в разработке системы коллективного пользования МГУ. Эти работы были удостоены премии Совета Министров СССР.
Современное системное программное обеспечение представляет собой многослойную структуру. Условно все программное обеспечение можно разделить на два уровня, отражающие их целевые функции. Целевой функцией первого уровня, составляющей самый внутренний слой, наиболее приближенный к аппаратуре, является повышение эффективности использования возможностей, предоставляемых аппаратурой вычислительной системы, в смысле минимизации времени решения задач, минимизации использования ресурсов оборудования, экономии затрат. Эта часть, часто называемая ядром операционной системы, является своего рода продолжением аппаратуры машины. В его функции входит программное управление взаимодействием узлов машины и ее периферией. С другой стороны, этот внутренний слой обеспечивает более удобный и менее зависимый от архитектурных особенностей конкретной установки доступ вышележащих слоев программного обеспечения к вычислительным и логическим ресурсам машины.
Второй уровень программного обеспечения направлен на создание средств, обеспечивающих удобство использования вычислительной техники, автоматизирующих процессы программирования, информационного поиска, обеспечивающих работу в сети, т.е. средств интеллектуального интерфейса с пользователем. Системы программирования, включающие трансляторы, загрузчики, отладчики, средства диалогового взаимодействия и интерактивного взаимодействия пользователя со своей программой, средства автоматического распараллеливания и многое другое относятся к этому второму уровню наиболее объемной части программного обеспечения.
С развитием прежде всего первого уровня программного обеспечения в основном связана деятельность кафедры как с научной, так и с преподавательской точек зрения. Конечной целью исследований и разработок является повышение эффективности использования возможностей, предоставляемых компьютерной электроникой во всех ее современных приложениях. Студенты и аспиранты кафедры обучаются этому сложному и интересному делу извлечения из аппаратуры вычислительной техники наибольшего эффекта по скорости решения больших полезных для общества задач.
Таким образом, направление, в котором работает коллектив кафедры, в общих чертах можно сформулировать как "исследование и разработка систем управления процессами обработки данных с учетом архитектурных особенностей и областей применения вычислительных машин и систем".
Перечень этих задач обработки данных и приложений вычислительной техники непрерывно увеличивается, выдвигая все новые и новые проблемы, которые требуют своего отражения в программном обеспечении слоя, наиболее приближенного к аппаратуре.
Для машин второго и третьего поколения основной проблемой было создание эффективных опера-
ционных систем, обеспечивающих режим мультипрограммирования на однопроцессорных машинах. В настоящее время требуется решать проблемы, связанные с повышением эффективности систем параллельной и распределенной обработки данных на машинах с массовым параллелизмом при их сетевом взаимодействии. При этом необходимо учитывать мультимедийный характер взаимодействия пользователей с вычислительной техникой.
В современном мире набирает силу идея интеграции средств массовой электронной информации (телевидения, радиовещания), средств мобильной телефонной связи, средств сетевого взаимодействия в единую систему информационной поддержки жизнедеятельности общества.
Все эти вызовы современности, естественно, не могли обойти стороной научную и преподавательскую деятельность кафедры АСВК. Новые веяния требуют разработки новых технологий распределенной обработки при создании динамически перемещаемых приложений для GRID-подобных неоднородных вычислительных сред, создания программных систем анализа динамики информационных процессов, анализа и синтеза мультимедийной информации с применением нейросетевых вычислений и генетических алгоритмов. Проблема параллельной и распределенной обработки требует от системных программистов изучения требований, выдвигаемых предметными областями, где необходимы суперсложные вычисления.
Одним из отличительных качеств научно-исследовательских работ, проводящихся на кафедре, является сочетание научных исследований и их практического применения. Традиционно эти работы захватывали самые актуальные направления компьютерной науки.
В первые годы существования кафедры успешно велись практические работы по развитию терминального доступа на факультете, графическим средствам отображения информации. Эта работа велась одновременно с наращиванием вычислительных мощностей и систем хранения данных, в которых активное участие приняли сотрудники кафедры. На кафедре АСВК были успешно проведены работы по созданию систем удаленного терминального доступа, межмашинной связи для передачи файлов; велись работы по созданию средств и программного обеспечения терминального доступа, освоению мало кому известной в то время операционной системы Unix и ее использованию на отечественных мини-ЭВМ.
К 1988 г. учебно-научный вычислительный комплекс факультета не имел себе равных не только в МГУ, но и среди вычислительных центров других вузов, превосходил многие отраслевые вычислительные центры по суммарной вычислительной мощности и объему дисковой памяти, по оснащенности сотрудников и студентов факультета терминальным доступом к вычислительным мощностям, по развитию услуг удаленного терминального доступа, средствам графического отображения результатов вычислений.
Другим примером деятельности кафедры, к которой широко привлекались студенты и аспиранты, может служить развертывание исследований и разработок программного обеспечения машин, используемых на факультете.
Середина — конец 70-х гг. XX в. ознаменовались созданием в Московском университете системы коллективного пользования ЭВМ (СКП ЭВМ МГУ), которая предполагала объединение технических и программных средств университета с целью обеспечить массовый доступ пользователей МГУ к вычислительным ресурсам. В качестве основных вычислительных мощностей СКП использовался комплекс ЭВМ БЭСМ-6, работавший под управлением пакетной операционной системы ДИСПАК. В это время машины начали комплектоваться оборудованием (алфавитно-цифровые терминалы, жесткие магнитные диски), которое в принципе позволяло организовать их использование в многопользовательском, интерактивном режиме. В это время сотрудниками кафедры были проведены работы по проектированию и разработке системы дистанционного доступа для СКП ЭВМ МГУ. Итогом работ явилось создание системы КРАБ (Комплекс для работы абонентов) [1-3] — системы, которая опиралась на базовые средства операционной системы ДИСПАК. Данная система представляла собой надстройку над операционной системой ДИСПАК, которая обладала рядом принципиально новых возможностей:
• возможностью удаленного запуска задач, а также оперативного просмотра результатов выполнения задачи на алфавитно-цифровом терминале или сохранения результатов выполнения задачи в
специализированной файловой системе КРАБ;
• наличием многопользовательской специализированной файловой системы;
• наличием средств управления прохождением задач и развитой системы управления ресурсами.
Одной из отличительных особенностей системы КРАБ было использование для управления потоком задач пользователей и контроля использования ресурсов вычислительной системы так называемого "обобщенного ресурса". Идея, предложенная сотрудником кафедры И. В. Машечкиным, заключалась в определении функций стоимости использования единицы того или иного ресурса вычислительной системы (время ЦП, дисковое пространство файловой системы и т. п.) в качестве единицы времени. Соответственно для каждой из задач определялась "стоимость" ее выполнения. Далее, для пользователей определялся лимит виртуальных средств — обобщенный ресурс, который мог быть затрачен на оплату прохождения задач. Таким образом, варьируя "цены", удавалось осуществлять управление заданиями пользователей. Следует отметить, что применение подобного "рыночного" механизма в планировании заданий остается актуальным и на сегодняшний день, например при организации прохождения заданий в крупных вычислительных центрах, использующих уникальные высокопроизводительные вычислительные системы.
По существу, данная работа представляла собой создание новой операционной системы, являющейся надстройкой над ядром операционной системы ДИСПАК. Система КРАБ получила массовое распространение на территории СССР. Десятки ведущих научных и промышленных центров использовали систему КРАБ. Сейчас можно с уверенностью утверждать, что многие решения, использовавшиеся в системе, были оригинальны для систем, получивших массовое распространение. В 1984 г. цикл работ A.B. Гуляева, Н. В. Макарова-Землянского, И. В. Машечкина, связанных с созданием системы КРАБ, был отмечен медалью АН СССР за лучшую работу молодых ученых.
Кафедра АСВК всегда отличалась участием во внедрении и распространении передовых информационных технологий. В конце 70-х гг. XX в. по инициативе сотрудников кафедры Н. В. Макарова-Землянского и И. В. Машечкина факультет приобрел передовые на то время машины семейства СМ ЭВМ, что дало существенный толчок к развитию новых направлений исследований и применению передовых вычислительных систем в учебном процессе. Сотрудником кафедры Н. В. Макаровым-Землянским был проведен цикл работ по созданию терминального комплекса факультета ВМиК, проведены экспериментальные работы по разработке сетей ЭВМ. В это время под руководством И. В. Машечкина образовалась группа сотрудников, студентов и аспирантов, которая занималась изучением и внедрением в научный и учебный процессы операционной системы Unix и языка программирования СИ.
Вторая половина 80-х гг. прошлого века характеризовалась активным развитием и внедрением сетевых технологий, а также развитием широкого класса специализированных ЭВМ (от специальных встраиваемых вычислителей до высокопроизводительных суперЭВМ). В связи с этим возникла задача функционального распределения этапов обработки информации между ЭВМ различной специализации. Очевидно, что нерациональным является использование сложной высокопроизводительной суперЭВМ для решения задач редактирования текста или компиляции программ. Также, достаточно очевидным является то, что специализированная ЭВМ, предназначенная для управления навигационной системой самолета, не должна обладать средствами, позволяющими обеспечивать процесс подготовки программы к исполнению. В связи с этим сотрудником кафедры И. В. Машечкиным были предложены важные концепции организации адаптируемой, многофункциональной системы кросспро-граммирования:
• использование для создания программного обеспечения как ассемблеров объектных ЭВМ, так и традиционных языков высокого уровня;
• проведение отладки программ в терминах входных языков высокого уровня;
• возможность модификации и развития системы с точки зрения как включения новых языков программирования, так и возможности программирования различных типов объектных машин без существенной потери эффективности получаемого объектного кода;
• возможность переноса системы на новый тип инструментальной ЭВМ.
Система может применяться, как в кроссрежиме — при разработке ПО ЭВМ, отличающихся от инструментальной ЭВМ архитектурой или/и операционным окружением, так и в традиционном для систем программирования режиме, при котором отсутствуют отличия между инструментальной и объектной средой. Для обеспечения возможности расширения спектра объектных ЭВМ и переноса системы на другие инструментальные ЭВМ все основные компоненты системы кросспрограммирова-ния имеют выделенные машинно независимые части программ и части, функционирование которых определяется конкретными особенностями архитектуры и операционного окружения целевых машин.
Ядром такой системы программирования является система кросс-трансляторов, позволяющая использовать в качестве инструментальных средств программирования группу традиционных языков высокого уровня, таких, как СИ, СИ++, ПАСКАЛЬ, ФОРТРАН-77, ФОРТРАН-90, МОДУЛА-2, ОБЕРОН. Отличительной чертой организации трансляторов для этих языков является выделение машинно независимого этапа обработки исходных программ и перевода их в нотацию единого машинно независимого промежуточного языка — Унифицированного Промежуточного Представления (УПП). Обработка исходных программ в системе происходит в три этапа.
На первом этапе исходная программа переводится кросс-транслятором в форму УПП. При этом полностью осуществляется лексический и синтаксический анализ, а также частично проводится семантический анализ. В итоге в результате обработки программы, написанной на одном из входных языков системы кросспрограммирования образуется соответствующий ей модуль, в котором через конструкции УПП отображены объекты исходной программы и действия над ними.
Второй этап — это этап обработки исходной программы в форме модуля УПП. На втором этапе возможно проведение машинно независимой оптимизации модуля УПП. Производятся как действия по оптимизации последовательных программ (упрощение вычисляемых выражений, оптимизация циклов, линейных участков и т.п.), так и подготовка программ для выполнения на параллельных ЭВМ. Система обладает специально разработанным пакетом машинно независимой векторизации, позволяющим на уровне модуля УПП выделять векторизируемые фрагменты исходной программы с целью дальнейшей генерации кода для векторных ЭВМ.
На третьем этапе работы осуществляется машинно ориентированная обработка программы — генерация модуля в кодах объектной ЭВМ, машинно ориентированная оптимизация, стыковка со стандартными библиотеками.
Созданная экспериментальная система нашла свое практическое применение: в конце 80-х гг. на ее основе была создана и внедрена система кросспрограммирования специализированной сетевой станции. В начале 90-х гг. была разработана и внедрена в НПО ЭЛАС система программирования для специализированных управляющих ЭВМ САЛЮТ-5М. В 2000 г. была создана и внедрена специализированная система кросспрограммирования для НПО ЭЛАС, включающая в свой состав кросс-трансляторы языков СИ, ассемблер, средства кроссотладки и пр. Созданные системы использовались для программирования управляющих ЭВМ, используемых в исследованиях космоса.
В 2000 г. при кафедре АСВК была образована лаборатория технологий программирования. Заведующим лабораторией был назначен профессор И. В. Машечкин.
Одним из новых перспективных направлений исследований, осуществляемых кафедрой и лабораторией технологий программирования, является исследование методов и разработка программных систем интеллектуального анализа данных (Data Mining). Актуальность этих исследований объясняется тем, что с развитием информационных технологий увеличивается количество, размер и сложность хранилищ и баз данных. Объем хранимой в них информации может достигать миллиардов записей. Поэтому возникает необходимость разработки программных средств автоматизированного анализа данных большого объема с целью извлечения из них содержательной информации. Для этого используются системы интеллектуального анализа данных (ИАД), задача которых заключается в выявлении скрытых, нетривиальных, содержательных закономерностей в хранимых данных. Выделяют следующие основные задачи ИАД: поиск ассоциативных правил, классификацию, прогнозирование, кластеризацию, поиск исключений.
Коллективом исследователей кафедры и лаборатории технологий программирования были разработаны новые эффективные методы поиска исключений и классификации, использующие математический аппарат теории нечетких множеств и потенциальных функций. Разработанные методы позволяют анализировать разнородные структурированные данные большого объема. Эти методы были реализованы и успешно апробированы на прикладных задачах выявления компьютерных атак и фильтрации нежелательной почты. В настоящее время исследуется возможность применения разработанных методов для анализа медицинских данных. В этих исследованиях существенной с практической точки зрения является их направленность на возможность решения этой сложной задачи в реальном масштабе времени, что требует учета особенностей архитектуры вычислительных систем. Эта работа была отмечена медалью РАН (М.И. Петровский).
В 1982 г. была создана лаборатория вычислительных комплексов (ЛВК), которую возглавил профессор кафедры Р. Л. Смелянский. До 1984 г. лаборатория занималась в основном созданием инфраструктуры терминального доступа и средств терминального доступа к ЭВМ БЭСМ-6. Начиная с
1984 г. тематика работ JIBK расширяется. Во-первых, активно стали развиваться средства обеспечения терминального доступа к ЭВМ серии ЕС. Во-вторых, были начаты работы по анализу производительности средств вычислительной техники методами имитационного моделирования. Дело в том, что с 1980 по 1984 г. по заказу НИИ "Дельта" на кафедре АСВК велись работы по созданию системы автоматизированного исследования вычислительных систем (САИВС). Создание САИВС было частью проекта по созданию отечественной векторно-конвейерной суперЭВМ. Значительную часть работ в проекте САИВС вела JIBK. Основным результатом этого проекта стало осознание непригодности традиционных для того времени средств имитационного моделирования для анализа функционирования распределенных вычислительных сред. Главной причиной этого было то, что подходы и средства анализа не позволяли эффективно учитывать, описывать поведение программ, анализировать это поведение в контексте конкретной конфигурации аппаратных средств, базового программного обеспечения, не позволяли получать прогноз с нужной степенью точности. В то время не было теории, которая позволяла бы все это делать.
Тем не менее сотрудничество с НИИ "Дельта" было продолжено в части анализа архитектуры средств удаленного доступа к создаваемой суперЭВМ вплоть до начала 90-х гг. Основными результатами этого сотрудничества явилась разработка эффективной архитектуры станции удаленного доступа к суперЭВМ. Параллельно с этим сотрудничеством в лаборатории был начат инициативный проект по исследованию поведения программ в распределенных вычислительных средах.
Эта тематика стала успешно развиваться и стала основной для лаборатории вычислительных комплексов на многие годы.
Прежде всего надо было понять, можно ли описать поведение программ независимо от аппаратной среды ее функционирования, другими словами, существует ли инвариант поведения программ. Если да, то как его построить? Проблему усложняло то, что в распределенных вычислительных средах требовалось анализировать разные аспекты поведения программ разными методами. Различия в методах влекли различия в формах описания. Возникала проблема автоматического преобразования или совместимости этих форм. "Корень зла" здесь был в том, что разные методы по-разному интерпретировали понятие времени: некоторые рассматривали время как количественную, измеряемую величину; другие — как форму причинно-следственных связей. Какой-либо теории, описывающей взаимосвязь программы и времени, тогда не было. Все эти проблемы усугублялись тем обстоятельством, что программы оказались "плохим" объектом для наблюдения: они могли менять свое поведение в результате наблюдения!
Исследование этих фундаментальных вопросов составило основу работ JIBK. Для ответа на вопрос об инварианте поведения программ в JIBK в течение 1984-1990 гг. были созданы уникальная 16-процессорная система, управляемая мини-ЭВМ СМ-1420, и весь комплекс базового программного обеспечения, включая объектно-ориентированную операционную систему, специализированные средства имитационного моделирования. Идея этого стенда состояла в том, что на многопроцессорной системе выполнялась распределенная программа, поведение которой тщательно измерялось. На мини-ЭВМ выполнялась модель другого вычислителя. Результаты измерений поведения программы преобразовывались в инвариантную форму и использовались как рабочая нагрузка для модели вычислителя на мини-ЭВМ. С помощью этой установки были проработаны методы инвариантного описания поведения программ, спецификации свойств поведения программ, методов оценки времени выполнения программ на конкретном вычислителе по инварианту ее поведения; разработаны основы архитектуры инструментальных средств для имитационного моделирования на основе инварианта поведения. Также была разработана теория этого вопроса в виде модели функционирования распределенной вычислительной среды, были последовательно рассмотрены многие важные аспекты поведения программ в распределенных вычислительных средах, позволяющих оценить на этапах проектирования правильность принимаемых решений по составу, топологии, архитектуре вычислительной системы и по организации ее программного обеспечения. Разработанное в лаборатории системы и программное обеспечение отмечалось наградами ВВЦ, Министерством науки и технической политики РФ. В 1996-1998 гг. разработки с лаборатории демонстрировались на крупнейшей международной выставке CeBIT.
С 1998 по 2001 г. лаборатория выигрывает международный научный грант в кооперации с научным центром GMD (Германия) и CWI (Голландия) на проведение исследований методов проверки правильности программного обеспечения встроенных систем реального времени. Одним из важных результатов этого проекта стало создание первой отечественной системы проверки правильности про-
грамм на моделях. В этой работе активное участие принимал доцент кафедры математической кибернетики В. А. Захаров.
Изучение поведения программ позволило по-новому взглянуть на процесс разработки и проектирования вычислительных систем. Оказалось, что, зная поведение, можно заранее предсказать многие черты вычислителя, который будет наиболее эффективен для программ с таким поведением. Так в JIBK зародилось новое направление — синтез вычислительных систем по информации о поведении программ. В ходе исследования методов синтеза была показана фундаментальная связь этих методов с методами теории расписания, разработаны новые подходы на основе применения нетрадиционных моделей вычислений, таких, как нейросетевая модель, генетические алгоритмы.
Очень успешными оказались идеи использования методов описания и анализа поведения программ для решения ряда проблем информационной безопасности систем и сетей. Начиная с 2000 г. в лаборатории ведутся научно-исследовательские работы по обеспечению информационной безопасности на основе описания поведения программ.
Результаты описанных выше исследований были использованы на практике для решения чисто прикладных задач и проектов по заказу таких организаций, как НПО "Взлет", ЦНИИмаш, НПО "ЭЛАС", Фазотрон, ЦНИИРТ, ВВИА им. Н.Е. Жуковского, НИИСИ, ВНИИНС, ФАПСИ, ФСБ, ГосНИИАС, НТЦ "Модуль", ОКБ им. П. О. Сухого и ряда других организаций.
Важным проектом, инициированным в лаборатории вычислительных комплексов, стал проект создания совместной лаборатории компании Sun Microsystems и Московского университета. К концу 80-х гг. экономическое положение в научно-исследовательских подразделениях стало критическим: финансирование прекратилось, отечественная экономика была в кризисе, информационное обеспечение библиотек периодическими изданиями было приостановлено, специалисты стали уходить, уезжать на запад. Необходимо было как-то остановить эти деструктивные процессы.
Важное значение приобрели научные контакты с зарубежными фирмами, которые позволили инициировать проекты с целью получения доступа к современным информационным технологиям и вычислительной технике. К концу 1991 г. удалось установить рабочие контакты с компанией Sun Microsystems. Летом 1992 г. был подписан договор между Московским государственным университетом и компанией Sun Microsystems о создании совместной лаборатории "Системы SUN в образовании и научных исследованиях" (сокращенно ЛСОНИ) как научного подразделения факультета ВМиК МГУ. Возглавил лабораторию профессор Р. Л. Смелянский.
Основные задачи, которые была призвана решать лаборатория ЛСОНИ, следующие:
• обучение студентов современным информационным технологиям;
• демонстрация новейших разработок фирмы Sun Microsystems;
• проведение исследовательских проектов в области информационных технологий;
• организация проведения в лаборатории производственной практики, курсовых и дипломных работ
студентов факультета ВМиК.
В 1992 г. силами коллектива ЛСОНИ на факультете ВМиК был организован класс, в котором были установлены рабочие станции Sun для обучения студентов работе с ОС Unix и прикладными программными продуктами. Установленное оборудование и программное обеспечение были безвозмездно переданы факультету компанией Sun Microsystems. Несколько десятков сотрудников факультета ВМиК бесплатно прошли подготовку по использованию и администрированию системы Solaris. За время существования ЛСОНИ сотни студентов смогли принять участие в реальных проектах, существенно повысив уровень своей подготовки, получив практические навыки по работе с сетью, с реляционными и объектно-ориентированными СУБД, разработке программного обеспечения, используя оборудование и программное обеспечение, установленное в ЛСОНИ компанией Sun Microsystems.
Важно отметить, что лаборатория СОНИ получила доступ к методам построения локальных сетей, мощные серверы и промышленную версию системы Unix. Это позволило начать на факультете проект построения первой локальной сети факультета. Затем эта сеть охватила весь 2-й учебный корпус МГУ. С 1993 по 2000 г. ЛСОНИ отвечала за развитие и функционирование локальной сети факультета, обеспечивала эту сеть серверным оборудованием, администрировала ее. Первым в МГУ доступ в Интернет получил факультет ВМиК именно благодаря активной работе ЛСОНИ.
В 1993 г. было приобретено оборудование и произведена установка спутниковой антенны и мультимедийного оборудования, что позволило организовать на базе ЛСОНИ участие в ежемесячных видеоконференциях SunErgy. Организатором SunErgy была SunLabs — научно-исследовательское подразделение компании Sun Microsystems. В этих конференциях, транслируемых по всему миру через
спутниковые каналы, принимали участие наиболее видные представители компьютерной индустрии для обсуждения самых "горячих" тем современного мира информационных технологий. В ЛСОНИ было установлено необходимое оборудование для приема трансляций, а рабочие станции с выходом в Интернет позволяли в ходе передачи связываться с ведущими в студии.
В 1995 г. компания Sun Microsystems включила ЛСОНИ в международный проект SunSITE (Sun Software Information and Technologies Exchange), в рамках которого более чем в 75 университетах мира создана сеть серверов, связанных между собой и содержащих информацию в областях современных технологий и науки, образования и культуры, истории и литературы. На факультете ВМиК был создан российский узел глобальной сети серверов SunSITE.
В январе 1998 г. Sun Microsystems подарила факультету ВМиК самый мощный на то время сервер, используемый в образовательных организациях, — четырехпроцессорный сервер Sun Enterprise 450. В лаборатории была проведена большая работа по созданию и модификации программного обеспечения, что позволило включить этот сервер в сеть факультета и сделать его доступным всем подразделениям МГУ, и ряд факультетов имели возможность проводить на нем научно-исследовательские работы.
В феврале 2002 г. на базе ЛСОНИ был создан Центр компетенции по комплексу современных информационных технологий SunONE (Sun Open Network Environment). Основными направлениями деятельности Центра компетенции являются: разработка и чтение учебных курсов по технологиям SunONE для студентов в форме спецкурсов по выбору в рамках учебного плана факультета ВМиК; разработка и проведение практикума по учебным курсам, созданным в рамках данного соглашения; проведение пилотных проектов по применению и освоению технологий SunONE. В настоящее время разработано уже 4 курса, которые читаются для студентов факультета.
В 1999 г. на базе ЛСОНИ на факультете ВМиК открывается региональная Сетевая академия Cisco, которая объединила более 12 локальных академий в университетах России таких, как Ижевский государственный технический университет, Государственная академия народного хозяйства (Москва), Иркутский государственный университет, Башкирский государственный университет (Уфа), Томский политехнический университет, Российский государственный открытый технический университет железных дорог (Москва), Новгородский государственный университет, Волгоградский государственный университет, Московский институт стали и сплавов, факультет информационных и контрольных систем МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Появление этой академии на факультете ВМиК открыло студентам факультета доступ к учебным материалам и технологиям компании Cisco. Сегодня все студенты факультета, слушающие курс "Компьютерные сети", выполняют упражнения в рамках этой Сетевой академии. В 2003 г. за свою активную работу Сетевая академия факультета была признана академией года.
Следует отметить работы, ведущиеся на кафедре и в лабораториях, в области нейрокомпьютинга, генетических алгоритмов и клеточных автоматов. Эти работы тесно примыкают к работам в области распараллеливания, как один из примеров, нашедших отражение, как в архитектурах современных машин нетрадиционной архитектуры, так и в новых парадигмах решения плохо формализованных задач в сфере экономики, медицины и других "нематематических" областей науки и техники. Круг задач, которые целесообразно решать с применением нейросетей и генетических алгоритмов, связан с обработкой экспериментальных данных, как правило, содержащих шумы, неточности, пробелы, а иногда данных с плохо известной структурой. Создание систем обработки такого рода данных является одной из актуальных и важных задач компьютерной науки и информационных технологий. При этом речь идет о данных очень большого объема, и проблема эффективного использования архитектурных особенностей вычислительных систем с целью ускорения процесса обработки становится все более актуальной.
В течение нескольких последних лет на кафедре под руководством Л. Н. Королева и H. Н. Поповой ведутся важные работы по анализу эффективности применения нейросетевых вычислений и генетических алгоритмов в рамках распределенных вычислений с использованием новой мультипроцессорной техники и сетевого взаимодействия.
Актуальность исследований, проводимых на кафедре и в лабораториях в этой области, связана со все возрастающим использованием вычислительных машин для анализа и обработки плохо формализованных данных, отражающих развитие процессов, законы поведения которых плохо изучены, а их математические модели не созданы. К такого рода процессам относятся ряд физических процессов поведения плазмы в ускорителях, многие экономические процессы и большой класс задач биоинформатики. Анализ такого рода процессов связан с анализом баз данных очень большого объема,
размещенных, как правило, на разных узлах корпоративных и глобальных сетей.
Исследуются методики использования сети Internet (Web, J AVA-технолог и и и др.) для доступа к распределенным базам экспериментальных данных и построения корпоративных информационных систем с использованием сетевых стандартных методов защиты информации. Разработаны методы трансформации баз данных на основе специального внутреннего их представления. Исследованы проблемы распараллеливания трудоемкого процесса обучения нейросетей различной архитектуры с целью сокращения временных затрат на основе использования базы знаний о характеристиках сфер применения алгоритмов.
Исследуются проблемы применения генетических алгоритмов и нейрокомпьютинга к задачам выбора подходящих архитектур параллельных вычислительных систем для решения некоторых трудоемких задач математической физики и обработки экспериментальных данных. При этом основное внимание уделяется анализу возможностей применения мультипроцессорных кластеров MIMD-архитектуры в части выбора подходящего числа процессоров и минимизации межпроцессорных обменов. Разработаны методы трансформации базы данных в части приведения их к стандартизованному внутреннему представлению, облегчающему применение нейросетевых и генетических вычислений. Исследованы архитектуры нейрокомпьютеров с целью пригодности их для решения задач анализа временных рядов и поведения динамических процессов, хранящихся в базах данных. Разработан действующий вариант информационной системы, проверенный на реальных базах данных. Эксплуатация системы позволила выработать ряд рекомендаций по ее использованию для различных предметных областей. Дополнительно разработан проект системы дистанционного обучения применения нейросетей и генетических алгоритмов как оболочки информационной системы на основе средств системы Интернет.
Результаты научно-исследовательских работ внедрены во многие курсы, читаемые на факультете ВМиК. Кафедра активно участвует в учебно-методической работе факультета. В течение нескольких последних лет профессором кафедры Р. Л. Смелянским разработан новый основной курс лекций "Компьютерные сети", предложена оригинальная методика автоматизированного проведения занятий и контроля успеваемости. Профессором И. В. Машечкиным и доцентом А. Н. Терехиным разработаны оригинальные базовые курсы "Системное программное обеспечение" и "Операционные системы", предложена программа проведения семинарских занятий и практикума на ЭВМ, поддерживающих эти курсы лекций, разработана серия методических пособий по курсу лекций. Впервые на факультете лекции стали читаться с использованием современного презентационного оборудования.
В 2002 г. выпущен учебник "Основы информатики", авторы JI. Н. Королев и А. И. Миков. В конце 2003 г. выпущена монография JI. Н. Королева "Архитектура процессоров электронных вычислительных машин", которую можно считать учебным пособием по соответствующему курсу лекций.
В данной статье использованы материалы, предоставленные сотрудниками кафедры: В. К. Власовым, И. В. Машечкиным, H.H. Поповой, Р. Л. Смелянским, А.Н. Терехиным, М.И. Петровским.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гуляев A.B., М ак ар о в-3 е м л я н с к и й Н.В., Машечкин И. В. Диалоговый комплекс программ КРАБ. М.: Наука, 1984.
2. Королев Л. Н. Структуры ЭВМ и их математическое обеспечение. М.: Наука, 1978.
3. Королев Л. Н. Микропроцессоры, микро- и мини-ЭВМ. М.: Изд-во МГУ, 1989.
4. Королев Л. Н. Архитектура процессоров электронных вычислительных машин. М.: МАКС Пресс.
5. Королев Л.Н., Миков А. И. Введение в информатику. М.: Высшая школа, 2001.
6. Машечкин И. В. Инструментальные средства программирования современных вычислительных систем: концепции, некоторые решения // Информационные технологии и вычислительные системы. М.: Изд-во РАН, 1996. № 1. С. 64-76.
Поступила в редакцию 15.01.05
