Setun

Setun ( russisch : Сетунь ) war ein 1958 an der Moskauer Staatlichen Universität entwickelter Computer . Er wurde unter der Leitung von Sergei Sobolev und Nikolai Brusentsov gebaut . Als erster moderner ternärer Computer nutzte er das balancierte ternäre Zahlensystem und die dreiwertige ternäre Logik anstelle der in anderen Computern üblichen zweiwertigen Binärlogik . ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

Der Computer wurde für die Moskauer Staatliche Universität entwickelt und im Kasaner Mathematischen Werk gefertigt. Von 1959 bis 1965 wurden 50 Exemplare gebaut, dann wurde die Produktion eingestellt. Der charakteristische Arbeitsspeicher umfasste 81 Wörter, wobei jedes Wort aus 18 Trits (ternären Ziffern) bestand, sowie weitere 1944 Wörter auf einer Magnettrommel (insgesamt etwa 7 KB). ^{[ 4 ]} Zwischen 1965 und 1970 wurde der Setun an der Moskauer Staatlichen Universität durch einen herkömmlichen Binärrechner ersetzt. Obwohl dieser die gleiche Leistung erbrachte, war er 2,5-mal so teuer. ^{[ 5 ]}

1970 wurde mit dem Setun-70 eine neue ternäre Computerarchitektur entwickelt. Edsger W. Dijkstras Ideen zur strukturierten Programmierung wurden in der Hardware dieses Computers umgesetzt. Der Short Instruction Set (SIS) wurde von Nikolay Brusentsov unabhängig von den Prinzipien der RISC-Architektur entwickelt und implementiert . ^{[ 5 ]}

Die Hardwarearchitektur des Setun-70 wurde in das Dialogsystem für strukturierte Programmierung (DSSP) umgewandelt. DSSP emuliert die Setun-70-Architektur auf Binärrechnern und ermöglicht so die Nutzung der Vorteile strukturierter Programmierung. Die DSSP-Programmiersprache weist eine ähnliche Syntax wie die Programmiersprache Forth auf , verwendet jedoch eine andere Abfolge von Basisbefehlen, insbesondere bei bedingten Sprungbefehlen. DSSP wurde in den 1980er Jahren von Nikolai Brusentsov und Doktoranden an der Moskauer Staatlichen Universität entwickelt . Eine 32-Bit-Version wurde 1989 implementiert.

Das Setun-Projekt wurde von Sergei Sobolev initiiert , um einen Kleinrechner für die Moskauer Staatliche Universität zu entwickeln , nachdem die geplante Lieferung des M-2-Rechners an die Universität 1953 abgesagt worden war. 1956 organisierte er eine Seminarreihe, in der die Nachteile der bestehenden Computer und verschiedene Pläne für deren technische Umsetzung analysiert wurden. An diesen Treffen nahmen Vertreter der Moskauer Staatlichen Universität, des Instituts für Atomenergie und anderer Institute der Akademie der Wissenschaften teil. Zu den namhaften Teilnehmern zählten Schura-Bura, Konstantin Adolfowitsch Semendaj und Schogolew. Auf einem dieser Seminare am 23. April 1956 wurde Nikolai Petrowitsch Brusentsow zum leitenden Konstrukteur und Projektleiter ernannt. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

Zu dieser Zeit hatte Brusentsov einen Hochschulabschluss (vergleichbar mit einem Master-Abschluss, siehe Bildung in Russland , traditionelles Modell) an der Moskauer Staatlichen Universität erworben und war Absolvent des Moskauer Energieinstituts . Bevor Sobolev Brusentsov zum leitenden Konstrukteur des Setun-Computers ernannte, versetzte er ihn in die Abteilung für Mechanik und Mathematik und schickte ihn in Gutenmachers Labor am Institut für Feinmechanik, um ihm entsprechende praktische Erfahrung zu ermöglichen. Für Brusentsov war dies eine unschätzbare Erfahrung. Im Labor hatte er Zugang zu den Laborrechnern und der dazugehörigen Dokumentation, die Brusentsov jedoch als „technisch mangelhaft“ empfand. Daraufhin entschied er sich für die Verwendung eines ternären Zahlensystems.

Sobolev unterstützte das Projekt weiterhin, indem er Assistenten fand und sich an den Diskussionen beteiligte. 1956 begann Brusentsov mit vier Ingenieuren und fünf Technikern sowie sich selbst mit der Entwicklung. Das gesamte Team arbeitete in einem 60 Quadratmeter großen Raum mit Labortischen, wo sie die Maschine in Handarbeit entwarfen und zusammenbauten. Zhogolev fungierte als Hauptprogrammierer, und gemeinsam mit ihm entwickelte Brusentsov die Computerarchitektur von Setun. 1958 wuchs das Team auf 20 Personen an, und das erste Modell des Setun-Computers wurde montiert. Der Name Setun stammt von einem Fluss in der Nähe der Universität. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

After the first model of Setun was built, the Kazan Mathematical Machines Factory was decreed by the Soviet Cabinet of Ministers to mass-produce the Setun computers. However, the leadership at the Kazan plant was not interested in large-scale computer production. The second model built in the factory was sent back because the plant managers and officials maintained that the computer was not yet reliable. The team was forced to manually adjust the second model. On November 30, 1961, the director of the Kazan factory was forced to sign an act which ended the attempts to cease the production of the Setun computer. The computers were then produced at the rate of 15-20 machines annually until 1965, when the plant refused to continue the production as the sale price of the computer was too low.

While Setun attracted significant interest from abroad, the Ministry of Foreign Trade never filled the orders received. Only 50 Setun computers have been manufactured, 30 of which were used in the higher education institutions inside the Soviet Union.^[5][6]

Between 1961 and 1968, Brusentsov and Zhogolev developed Setun-70, the next generation of Setun computer with a new architecture. It was designed for effective software development, in which the ternary system played a key role. Both addresses and operations are in syllables, where each syllable's length equals to 6 trits (about 9.5 bits). Algebraic expressions of operands by syllables replace the instructions as words in the traditional design, as the instruction set is updated to allow more variance of operand length.^[5] The algebra is supplemented by testing, control, and input-output operations. The user can add operations on their own without reducing the computer's performance, thus providing the ideal conditions for structured programming. Brusentsov claimed that the programming time on Setun-70 is reduced by five to tenfold with unprecedented reliability, clarity, compactness and speed.

The functioning algorithm of Setun-70 was comprehensively described in expanded Algol-60.

The new university rector considered Brusentsov's research and computer design a pseudo-science. After the Setun-70 project, Brusentsov's lab was relocated from the computer center at Moscow State University to an attic in a student dormitory, and the original prototype of the Setun computer was destroyed. The Setun-70 model was taken to the new attic laboratory and was used as a basis for developing the educational computer system Master Work Station.

Dank der Einfachheit und Natürlichkeit ihrer Architektur sowie eines durchdachten Programmiersystems mit den Interpretern IP-2 (Gleitkomma, 8 Dezimalstellen), IP-3 (Gleitkomma, 6 Dezimalstellen), IP-4 (komplexe Zahlen, 8 Dezimalstellen) und IP-5 (Gleitkomma, 12 Dezimalstellen) sowie dem POLIZ-Autocode mit Betriebssystem und Standard-Subroutinenbibliothek (Gleitkomma, 6 Dezimalstellen) wurden die Setun-Computer von Anwendern an Universitäten, in Industriebetrieben und Forschungsinstituten schnell beherrscht. Sie erwiesen sich als effektives Werkzeug zur Lösung praktisch wichtiger Probleme in verschiedensten Bereichen, von wissenschaftlicher Modellierung und Ingenieurberechnungen bis hin zu Wettervorhersage und Optimierung des Unternehmensmanagements. ^{[ 8 ]}

Auf Anwenderseminaren zu den Setun-Computern – an der Moskauer Staatlichen Universität (1965), im Ljudinowo-Diesellokomotivwerk (1968) und am Irkutsker Polytechnischen Institut (1969) – wurden Dutzende Berichte über erfolgreiche praktische Anwendungen für die Volkswirtschaft vorgestellt. Dank seines symmetrischen ternären Codes erwies sich Setun als ein wahrhaft universelles, leicht programmierbares und hocheffizientes Recheninstrument. Es erwarb sich einen hervorragenden Ruf, insbesondere als Lehrmittel für die numerische Mathematik an über dreißig Universitäten. An der Schukowski-Luftwaffenakademie diente Setun sogar als Plattform für das erste automatisierte computergestützte Lernsystem. ^{[ 9 ]}

Brian Hayes argumentiert in seinem Artikel Third Base , dass Brusentsov den theoretischen Vorteil des Dreiersystems nicht erkannt habe: ^{[ 10 ].}

Leider erkannte Setun das Potenzial des Dreiersystems zur Reduzierung der Bauteilanzahl nicht. Jedes Trit wurde in zwei in Reihe geschalteten Magnetkernen gespeichert, die drei stabile Zustände ermöglichten. Ein Kernpaar hätte zwei Binärbits speichern können, was mehr Information als ein einzelnes Trit entspricht. Der Vorteil des Dreiersystems wurde somit verschenkt.

Ausgewogene ternäre Systeme und ternäre Computer sind in der Geschichte nicht neu. Thomas Fowler baute 1840 einen mechanischen Computer, der ein ausgewogenes ternäres System verwendete. ^{[ 11 ]} Die ausgewogene ternäre Darstellung von Zahlen und die zugehörige Arithmetik wurden in der Zahlentheorie bereits von Leonhard Euler angewendet ^{[ 12 ]} und von Claude Shannon in seiner 1950 veröffentlichten Arbeit „A Symmetrical Notation for Numbers“ kurz erörtert. ^{[ 13 ]}

Obwohl das ternäre System nie in Serie produziert wurde, gab es Diskussionen über die Vorteile des ternären Systems gegenüber dem binären System, und in der akademischen Welt bestand großes Interesse am ternären und allgemeiner an mehrwertigen Logiksystemen. ^{[ 14 ]}

Brusentsov fand das ternäre Zahlensystem dem binären überlegen: Es ermöglichte ihm die Entwicklung sehr einfacher und zuverlässiger Elemente, und er benötigte nur ein Siebtel der Elemente im Vergleich zu Gutenmachers Computern. Auch der Energiebedarf war deutlich geringer, da weniger Magnetstäbe und Dioden verwendet wurden. Er befand zudem, dass die im ternären System verwendete natürliche Zahlenkodierung der direkten, reziproken und ergänzenden Zahlenkodierung des Binärsystems überlegen sei. Er argumentierte, dass das ternäre System dem binären in den meisten Aspekten überlegen sei, und veröffentlichte von 1985 bis 2014 mehrere Arbeiten, in denen er für das ternäre System warb.

Die Symmetrie der balancierten ternären Logik ermöglicht die natürliche Darstellung negativer Zahlen.

Das ternäre System ist auch aus informationstheoretischer Sicht effizienter . Donald Knuth schrieb in seinem Buch „The Art of Computer Programming “: „Vielleicht werden sich die symmetrischen Eigenschaften und die einfache Arithmetik dieses Zahlensystems eines Tages als recht wichtig erweisen.“ ^{[ 15 ]} Er merkte an, dass…

Die Komplexität der arithmetischen Schaltungen für die balancierte ternäre Arithmetik ist nicht viel größer als für das Binärsystem, und eine gegebene Zahl benötigt nur so viele Ziffernstellen für ihre Darstellung.“ ^{[ 15 ]}${\displaystyle \log _{3}2\approx 63\%}$

In der Arbeit „The Prospects for Multivalued Logic: A Technology and Applications View“ argumentierte Kenneth C. Smith , dass mehrwertige Logik eine Lösung für das Verbindungsproblem in digitalen Systemen darstellt. ^{[ 16 ]} Insbesondere Douglas W. Jones geht davon aus, dass das ternäre System die Anzahl der Verbindungsleitungen um 36 % reduzieren wird. ^{[ 17 ]}

Douglas W. Jones veröffentlichte auf seiner Homepage unter dem Namen „The Ternary Manifesto“ eine Reihe von Berechnungen und Entwurfsalgorithmen für das ternäre System , darunter schnelle ternäre Addition, Multiplikation und Division. Es zeigte sich, dass die verbesserte Effizienz der Verbindungen und der Zifferndarstellung größtenteils durch den höheren Bedarf an Logikgattern in den Berechnungen kompensiert wird. Beispielsweise benötigt die ternäre Addition, obwohl sie die gleiche Rechengeschwindigkeit wie die binäre Addition erreicht, 62 % mehr Logik. ^{[ 17 ]}

Inzwischen haben viele darauf hingewiesen, dass ternäre Schaltungen schwer zu entwickeln sind, insbesondere da die meisten modernen digitalen Datenflüsse binär sind. ^{[ 18 ] [ 19 ]}

In der Arbeit „Vergleich binärer und mehrwertiger ICs nach VLSI-Kriterien“ von Daniel Etiemble und Michel Israël verglichen die Autoren binäre und mehrwertige integrierte Schaltungen anhand ihrer detaillierten Leistungsanalyse. Sie kamen zu dem Schluss, dass mehrwertige Schaltungen zwar valide und nützlich sind, aber die binären Schaltungen nicht übertreffen. In ihrer Schlussfolgerung schrieben sie ^{[ 18 ]}

Mehrwertige und zweiwertige Schaltkreise dürfen nicht als Konkurrenten betrachtet werden. Würde man sie so sehen, hätten die zweiwertigen Schaltkreise bereits gewonnen.

• Geschichte des Rechnens in der Sowjetunion