揭秘K340A：切爾諾貝利杜加雷達的秘密計算機

杜加。冷戰期間蘇聯最雄心勃勃的項目。 一個用於偵測美國洲際彈道導彈發射的系統。 然而，由於切尔诺贝利核事故的影響，它始終未能投入全面運行。 然而，在其資料中心陰暗的走廊中，仍矗立著 K-340A。 一台獨一無二的電腦，曾是此巨大系統Frederick's brain。 這是首部專門介紹這台機器的紀錄片。 它的歷史、硬體、設計與操作。 這是我們近十年來對杜加研究 commission 的少數故事之一。 我們相信這將最終解答關於此地的一些長期懸而未決的問題。 我們第一次去杜加是在2010年8月。 嗯，我那次訪問只拍到幾張模糊的照片。 當時，杜加幾乎完全禁止進入。 樹木從天線中生長出來。 它們底下有青苔。 而所有的一切都像是被遺棄文明的遺物，四周環繞著古老城市的廢墟。 但顯而易見的主要謎團並不在這裡，而是在昔日的機器房裡。 充滿了寒冷、潮濕以及大量損壞的設備。 但看似混亂的現象背後，顯然有其邏輯。 而且我無法擺脫一種感覺，某些答案其實就在我們眼前。 後來證明，我完全正確。 在接下來的幾次訪問中，我探索了最大的建築物， 資料中心，繪製平面圖的草圖。 而在上層的一間大廳裡， 一排排標有 K340A 的機架與操作員控制台並排而立。 只需快速看一眼碑文，一切就都明白了。 就這樣了。 我只聽說過的神秘控制電腦。 而且它看起來與我之前見過的任何東西都毫無相似之處。 正是在這裡，以及下方的樓層，這些通道內布設了大量的電纜槽。 當時除了少數新聞文章和一些論壇帖子之外， 關於杜加的資料幾乎毫無細節，更別提它的電腦了。 情況一直持續到2014年底，我偶然得到了一本鮑里斯·馬拉舍維奇的書。 一位對蘇聯電腦歷史有著非常嚴謹研究的學者。 還有這些照片，是第一批的。 而且仍然是唯一公開的完整 K340A 電腦影像。 他從俄羅斯的杜納伊-3Y雷達系統中獲取了它們。 那是除了杜加之外，這些電腦唯一被使用過的地方。 以及最後還有一些仍在運作的地方。 他分享了許多技術細節。 包括該電腦是基於殘餘類計算系統的。 他也聲稱，這是歷來建造速度最快的第二代電腦。 當時我意識到，這類產品總共只生產了50件。 讓它成為一個絕對精彩的博物館展覽。 我們必須盡最大努力將其保存下來，傳給後世。 但首先，我們需要更多資訊。 2016年底，我們重返杜加進行了一次科研探險。 我們想要對剩餘的電腦設備進行清查。 但更重要的是，查看剩餘的文件資料。 嗯，如果你曾來這裡參觀過，一定看到那些隨處散落的紙張。 但我猜實際上並沒有太多人真的試著去閱讀它們。 於是我們帶了三腳架和相機，還有許多其他設備，開始工作。 大部分都是垃圾。 但有幾篇論文包含了一些電腦機架的藍圖片段及其他視覺線索。 幾乎所有東西都受到濕氣侵蝕三十年的嚴重影響。 因此，我們花了很大的努力，但還是成功地將其轉化為這樣。 現在我明白了，這是一個好主意，因為杜加早已成為一個旅遊景點。 因為往往有些人並無惡意， 我們正在移動文件以拍攝一張更好的照片， 然後第二天一場雨降臨，許多東西都不見了。 此外，還有一些來自技術說明的頁面， 這解釋了印表機如何與作業員控制台相鄰運作。 往後，憑藉這些資訊，我們後來就能找到完全相同的印表機。 甚至為其開發具USB介面的控制器。 關於這一點，我們將在另一集裡再談。 但你可能會問，為什麼所有這些都被遺留了呢？ 事實上，剩下的已經不多了。 恢復此制度的嘗試一直持續到1988年，但均未成功。 之後，所有敏感內容都被徹底刪除。 杜加雷達站變成了民用設施，而留下的幾乎只剩下垃圾。 但它幫助我們重建了K340A完整時的樣貌。 然而，這並未解釋為何一開始就需要這麼奇怪的電腦。 嗯，正如你接下來會看到的，許多答案都來自於其創建的歷史。 但在那之前，曾有一次非常特別的會面。 有一天，一位我們稱他為喬治的年長工程師， 請求參觀以重訪他昔日的工作單位。 他想拿給他的孫子們看。 因為他們在網上看到某些內容，產生了興趣，開始提出問題。 這並不罕見，因為許多工程師以前都這麼做過，之後也有人這麼做。 但我們見面時，他說他使用的是 ES1033 通用電腦。 位於三樓走廊的房間裡。 雖然它並未直接參與杜加系統的運作，卻被用於數學研究。 當然，我問了關於電腦的事，他告訴了我這些。 那些特殊的電腦既嚴肅又奇怪。 只有少數工程師直接與他們合作， 而且他們大多數都在四十多歲左右，所以現在都超過八十歲了。 嗯，我認識幾個，但我不確定該怎麼把你們聯繫起來。 因為存在與年齡相關的問題。 然而，據我記憶，一開始共有七台電腦， 再加上1985年新增的一個。 他們做了很多事情，但有兩項任務尤為突出。 處理軌跡並優化操作的頻率-角度模式。 後來我們參觀了他那台機器殘存的樣子，他與我們分享了一些非常壯觀的故事。 包括一場與 K340-A 硬體有關的小惡作劇所引發的大混亂。 但接著他解釋了。 簡單來說，杜加的發射器會將信號發向洲際彈道導彈的起始點。 信號會多次反射離子層，以抵達目標。 這是飛彈引擎的排放物。 然後信號被反射並被兩個接收器接收。 以三角測量方式確定其位置並追蹤。 嗯，聽起來很簡單，但實際上要複雜得多。 由於電離層各層的特性會隨時間而變化， 季節、地磁活動以及其他数十個因素。 因此，一個在多台 K340-A 電腦上運行的演算法 分析了這些條件，並建議了最佳操作頻率。 一旦偵測到目標， 其他K340-A型機器處理此數據以確定軌跡 並預測它何時何地到達目的地。 這需要快速處理大量極長的數字。 嗯，今天這件事並不太難。 但在50年代和60年代，電腦是基於真空管和單獨的電晶體所構成的。 因此，效能、可靠性與能耗成為了 הציבור的關鍵挑-appointed。 這就是為什麼需要一台非常特殊的電腦。 1950年代的捷克斯洛伐克教授安东寧·斯洛博達 他和學生米羅·瓦拉赫共同開發了一個優雅的解決方案。 試想一下，你有一個極其巨大的數字需要處理。 你還有幾個槽数不同的桶。 因此你對這些數字逐一進行整數除法。 將提醒事項放入桶中。 這種方法稱為殘差類系統，簡稱 RCS。 因此，你可以將大數表示為這些小的殘差， 當你進行乘法或加法等運算時， 現在你與那些小數字一起工作。 在五十年代末，一份關於斯洛博達研究的報告 引起了第一設計局總工程師費多爾·盧金的注意 專門從事蘇聯防空系統。 他將其轉發給以色列·奧庫什斯基， 後來成為 K-340A 的主要開發者之一。 他意識到新系統有其局限性， 因此它不可能是普遍適用的。 但這對專業機器來說仍可能是一筆極佳的交易。 因此他與他的上司大衛·吉雷-尤迪茨基分享了自己的想法。 曾是斯特雷拉和烏拉爾電腦的開發者。 1960年，盧金成為第三十七研究所的所長。 後來稱為遠距離無線電通訊研究所， 他邀請了兩位科學家擔任新職位。 十年後，在這所研究所裡，杜加被設計出來了。 首先，他們製造了A340A， 一台每秒可執行5000次運算的實驗性20位元電腦。 然後是 T340A， 基於第二代RCS的電腦，採用磁性體晶體管邏輯技術建造。 最後，在1966年，K-340A 完成了。 尤迪茨基和奧庫什斯基於1972年發表的一份報告揭示了一些有趣的細節， 因此，他們在多個國家申請了專利。 包括美國、法國和英國。 K-340A 有 472,000 個元件， 包括80,000個電晶體， 每秒一百萬次運算的演算法效能。 每台機器的價格為120萬盧布。 大約相當於當時的200萬美元。 到那時，已經生產了十台機器。 2人處於調整階段，另有15人已計畫進行。 首架K-340A於5N11基地成功完成測試， 那是位於烏克蘭尼古拉耶夫附近的最初杜加雷達安裝。 因此，一個獨立的 K-340A 由 15 到 17 個電腦機架組成。 4個電源機架，操作員控制台， 以及一個帶有兩個連接打印機的桌型支架用於輸出。 操作員的控制台相對較小， 而且很可能僅用於維護和整體控制。 它配備了以燈泡為基礎的指示器，並配有刻有文字的遮罩。 以及藍色和橙色濾鏡。 嗯，我們大概能解碼出大多數控制裝置的目的， 但若結合機架來說明，會更容易理解。 因此，所有機架均為尼達爾設備的標準型。 而且它們放置了小型標準卡片。 就像這一個，是從尼古拉耶夫的杜加系統中保存下來的。 由90年代參與拆卸過程的人所說。 與切爾諾貝爾的杜加雷達不同，那裡每塊電路板都失去了銀色連接器， 這一個完好無損，並且配有兩個金屬邊框。 這些卡片在 K-340A 系統的術語中稱為「電池」。 其實是非常簡單的裝置。 我們估計這類細胞大約有50種變異。 而且其中許多我們都能辨識出來。 根據大小，一個單元格可能佔用 1、2 或 3 個位置， 每行最多可達 50 個插槽。 每個插槽都配備了一個特製的35接點連接器。 由環氧樹脂製成，並以繞線方式將導線連接上去。 每一列還配有兩條電源總線， 以及用於連接機架的大型電纜連接器。 使用了三種類型的架子， 第一個是資料處理機架。 每台機器有四個。 形成我們現在所稱的處理器。 裡面有12排，總共600個單元格。 機架A-3控制著所有的電腦系統。 A-4 用作 16 個 45 位元字的高速處理器快取。 而A-5和A-6機櫃則是算術邏輯單元 處理殘餘類別系統計算的。 第二種類的機架被稱為單側蓄能器。 他們有三個人，也有可能是五個人。 機架A-7儲存常數和其他儲存的程式。 每個的容量為 4096 個 45 位元字。 而且由於這些常數和程式很少被更改， 根本不需要像磁帶捲軸或穿孔卡之類的東西。 相反，每個機架上都有四個大型貨箱，每個貨箱內裝有32個所謂的磁帶匣。 每個盒式磁帶都配備了具有開口和坐標尺的雙層矩陣。 每個開口處都有兩個線圈， 將將微小的鐵氧體棒插入兩個位置中的其中一個 goo 一個電感耦合的線圈用來表示邏輯一， 當部分插入的桿代表邏輯零。 此功能與喬治告訴我們的一個惡作劇故事有關。 當其中一台機器正在進行啟用時， 磁帶不管怎麼樣總是提供錯誤的資料。 因此工程師反覆重新安裝了鐵氧體棒， 但每次出現錯誤的位置都不同。 這持續了數週，使我們遠遠落後於計畫進度。 最終，一些眼神冷峻的嚴肅人士出現在資料中心。 好吧，如果你明白我指的是誰的話。 他們開始提出問題，使每個人都承受著巨大的壓力。 在另一次試圖修復看似有故障的盒式磁帶的過程中， 一名工程師的手已經開始發抖。 因此他不小心把一盒鐵氧體棒掉到了地上。 當然，他試著用磁鐵把它們吸起來。 但令他震驚的是，其中一些棒子並沒有磁性。 結果發現，有個惡作劇的人製作了幾十個 外觀相似的鉛筆芯棒，隨意地混進了盒子裡。 嗯，也許是在工廠裡就已經完成了。 但這則故事最終傳遍了整個資料中心。 一年後，我們當然對此事笑了出來， 但當時，相信我，一點也不好笑。 每個磁帶上的九個 XY 解碼器部分處理了資料讀取。 在卡帶貨櫃之間，有兩排細胞。 其中一些是地址寄存器，用來控制具有4096個輸出端的二極體解碼器。 所選資料經過放大器電路傳輸， 然後被發送到處理器緩衝區。 K340A的記憶體由這八個機架組成， 編號從 8 到 15，它們被稱為數字累加器。 每個機架內裝有兩個獨立的儲存器，每個儲存器容量為1024個45位元字。 很遺憾，我們並沒有關於它們的詳細資訊。 但鮑里斯·馬拉舍維奇拍攝的一張照片顯示，內部有兩組相互對稱的牢房。 以及四個提供27伏特的額外電源。 K340A 的一個關鍵特徵是其與外部裝置互動的先進系統。 因此，最多可直接連接八個裝置到處理器控制器。 但此外，任何數值累加器均可從RAM空間中釋放。 在這種情況下，它們將作為與這些外部設備進行數據交換時的某種緩衝。 所有電腦機架均由一個全区命名為 K254A 的四機架區供電。 嗯，它的插槽現在是空的，但背板和托盤仍在裡面。 因此，這幫助我們精確地辨識出其中一個的配置。 第一個機架上有警示燈，顯示電力是如何被控制的。 無論是作為多機械複合系統的一部分遠端操作，還是從控制台本地操作。 控制台也具有類似的指示燈和模式切換開關， 以及一個用於在本地模式下調整電壓功率的開關隔間。 然而，正如你所想像的，所有這些設備都產生了大量熱量。 因此，在二樓安裝了一套強大的空調系統。 每段冷卻三至四層架。 空氣被輸送到機架，並在頂部收集。 然後通過每行兩端的兩個集熱器進行循環冷卻。 喬治分享了關於這個冷卻系統的兩個故事。 我們的機械需要特殊的氣候才能運作， 因此，室內始終相當寒冷，約為攝氏20度。 夏天的時候，我們經常在休息時間到外面去，所以相信我， 我們早在空調成為常識之前，就已經知道如何因空調而感冒了。 但更嚴重的事件發生了。 所以，那個巨大的洞，對吧？ 這裡矗立著兩台非常非常大的空調設備。 空氣由水冷卻，並配有特殊的乾燥機。 有一天，其中一個出現了故障，而問題未能及時被發現。 令我們驚恐的是，我們發現設備機架內竟然有實際的水滴。 你根本無法想像我們後來需要修理多少設備。 或者有多少人因此失去了工作。 第二層還有一套大型的電纜支架系統， 以及那些標有 K341A 的小型支架。 他們有一個有趣的功用。 因此，機架之間的連接是使用同軸電纜完成的。 然而，細小的電纜搭配小巧的連接器，能整齊地安裝 長度被限制在12米以內。 但某些連接需要跨越超過一百公尺，因此需要使用更粗的電纜。 因此，這些小型支架內含有配備特殊分路器的電池。 基本上是電阻的塊狀組合， 這使得不同類型和電阻的電纜能夠共同工作。 關於如何操作主控台，並沒有詳細的說明。 但同時，這是一台來自那個時代的機器。 你在非常底層處理資料的地方工作。 因此，大體上可以理解當時的情況是什麼。 中央部分排列著一長列45盞燈泡。 其上半部分顯示當前正在處理的資料所存儲的暫存器。 根據這段銘文， 這些燈泡按餘數類系統的模數分組。 然後還有這兩個用途不明的記錄裝置， 以下是兩個算術邏輯單元的暫存器。 這些很可能顯示了每個單元的最終計算結果。 在資料被進一步傳送至處理器緩衝區之前。 然後就變得有趣了。 因此，在底部是指令的控制暫存器。 顯示目前的指令， 以及指令登錄簿， 這很可能顯示操作員的輸入或排隊的指令。 但這裡有一個有趣的細節。 因此，電腦可以在一個週期內執行兩條指令。 長度為 25 位的稱為 K2， 並用於管理處理器緩衝區之間的資料交換， 儲存裝置及外部連接埠。 另一段長度為 20 位元的稱為 K1。 這是用於算術邏輯單元的。 所以，這就是這個指標被分為兩部分的原因。 右側的指示器可能顯示正在處理的資料和指令的位址。 以及處理器操作和系統狀態。 然後，在左上角有三排燈泡， 表示系統中斷狀態的 哪些被阻止，哪些已啟用，以及哪些已觸發或當前處於活躍狀態。 K340A 設有特殊的時間記錄器和計時器。 但它在最字面意義上也配備了實時時鐘。 那在技術上是一隻產生脈衝的標準航空鐘。 以下是顯示設備與處理器交換資料的微小指示器。 還有兩排燈泡顯示哪些記憶體模組實際用於記憶體。 或因外部資料交換而被釋放。 然後，有一把鍵盤。 嗯，有些按鈕缺失了，因此我們需要將幾個面板的圖片組合起來。 嗯，任何一個上都沒有留下碑文。 但當我們檢視面板內部結構後，這些功能變得更加清晰。 簡而言之，右側的所有內容都是各種封鎖和主控台指令 對應於上述指標。 然後，下方兩行用於操作員輸入。 進入 K1 子指令，K2 子指令， 而這一行最長的欄位是用來輸入數值的。 接下來是「開始」、「停止」和「步進」按鈕。 其他都是按鈕，可用來修改， 選擇並覆寫資料、位址和指令。 除了這一個，它會啟動內建揚聲器進行廣播。 作業的輸出以紙帶形式呈現，來自MP16-2數位印表機。 那些在60年代對於各種電腦與工業設備來說都很常見。 好吧，雖然花了好幾年，我們終於找到了一個。 這台機器有一台正在使用的列印機，另一台則處於備用狀態。 雖然我們並沒有實際輸出強度的任何細節， 我們知道這台印表機每秒可印出 25 行， 一卷紙帶可以儲存兩萬行。 但這裡有一個細微的細節。 這台印表機一次可列印一列16個符號，以十進位或八進位格式顯示。 但 K340A 執行 45 位元的字。 因此，看似是印表機用的桌子，實際上卻是一組控制器機架。 將其轉換為與印表機相容的格式。 我們將很快對這台打印機進行詳細評測，並示範其工作原理， 請繼續關注。 在網際網路上，你可以找到這些電腦是更大處理系統的一部分， 稱為 1S31G。 關於它的詳細資訊有限， 但也有證據顯示，背後其實正在上演一段相當戲劇性的故事。 因此，每個主機上都有小型的橙色標籤，標示著機器組的編號。 或稱為MK。 一開始他們有七個人， 六個在這個洞，一個在下一個。 一些MKs配有額外的機架，使其存儲容量翻倍。 並且由於電力系統能夠以集中控制方式運行， 某些機器必須處於熱備用狀態，以確保額外的穩定性和冗餘性。 那個共用的電力控制器一定就在附近某處。 因此我們認為，它當時就在這個現在空無一物的房間裡。 還有一間小房間，是我們工程師提到的。 在這個房間裡，矗立著幾台硬碟驅動器， 與 ES 主機所具備的相同 以及其控制器機架。 因此，K340A的所有資料都傳輸到了那些磁碟上。 唉，那些東西去了哪裡，我實在不知道，很遺憾。 我們猜測這些資料是送往尼達爾研究所用於研究目的。 儘管杜加從未實際服役， 它在某種程度上是可操作的。 並且進行了大量電離層研究。 這種連接很可能是由這些機架所管理的。 因為其中一個多出了一對數字累加器， 這一點，正如我們之前所說的，可以用作緩衝。 有一個著名的傳說， 在1984年，經過多次測試後， 設計師們得出結論，以當時的狀況而言，Duga 是無效的。 這導致了決定採用更複雜的演算法來運作。 那需要更多的運算能力， 因此，後來又增加了八組MK-08。 整合工作隨即展開。 但在K340A的排架中，有更多的货架， 其中包含代碼 S27 的。 從邏輯上來看，這些必定是某種通訊介面。 因為一臺獨立的機器完全沒有用處。 然而，從視覺上看，其中 few 个設計 不僅看起來不同，還帶點手工製作的感覺。 在這裡，我們只能猜測。 那是一次性創作， 對於某些極其狹窄的觀點而言，正是因為這個地方。 我們相信那只可能是一件事， 與新型主機的連接。 這些設備於1984年安裝在一樓大廳。 那些是 ES-1060，蘇聯製造的 IBM-370 兼容機。 每秒完成一百萬次分離的性能。 那顯然是沒有預料到的。 由於要供應他們的電纜連接，地板被抬高了。 喬治表示，這些機器仍處於調整階段。 由於切爾諾貝利核事故，永遠也未能投入運營。 順帶一提，我們長期關注的粉絲們一定記得 我們找到了一個類似主機的控制面板， 並正在努力讓它重獲新生。 由於資訊有限，此項目進展緩慢。 但我們希望今年能完成。 看來這些大型主機是作為最後的手段才安裝的。 因為民用電腦有一個弱點 同時處理外部連接。 這就是為什麼到了1986年，杜加系統仍在使用1966年設計的電腦運作。 但似乎這已不再足夠。 這便引出了一个 somewhat出乎意料的結論。 也許是切爾諾貝利核事故，實際上結束了這個項目。 其實對 everyone 來說都是一種巨大的釋放。 那讓她能夠拋下一切，最終將它遺忘。 當年，這間大廳裡僅有的東西是什麼， 大約耗資一千五百万美元。 但對於運作天文數字預算的蘇聯體制而言， 這還不到一盒火柴的價錢。 但總體開支明顯高出了數百倍，甚至上千倍。 這使得杜加成為蘇聯真正優先事項的紀念碑。 這個投入其中的國家， 但不在附近核電廠的安全範圍內。 這最終為它帶來了成果。 話雖如此，我們的研究所始終有一個更大的目標。 為了保留K-340A的某些內容， 講述這個戲劇性的故事。 這引導我們產生了創建一座冷戰博物館的想法。 在切爾諾貝爾-2的杜加設施其中一棟建築物內， 以K-340A為核心展品。 雖然缺乏足夠的資訊讓機器恢復運作， 計劃是清潔和修理組件， 然後像將模型連接至現代電腦一樣將它們組裝起來 重現燈光與聲音。 因此，任何人都能坐在控制台前，感受到自己就像操作員一樣。 或研究論文，或觀察電子零件，諸如此類。 到2021年為止，我們已成立一個正式的工作小組，參與人員眾多。 我們幾乎就要開始實際施工了。 不幸的是，到了2022年2月，情況發生了變化。 這使得一切無限期地推遲了。 有一天，如果資料中心大樓足夠穩固， 我們將會回到這個項目。 但這故事的發展可能就會不同了。 在那之前，我們將盡最大努力以數位形式保存杜加的故事。 這就是其中的第一個。 請繼續關注，感謝收看，下次再見。