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 ]}

Nach der Fertigstellung des ersten Setun-Modells ordnete das sowjetische Ministerkabinett die Massenproduktion der Setun-Computer im Kasaner Werk für Mathematische Maschinen an. Die Werksleitung zeigte jedoch kein Interesse an einer groß angelegten Computerproduktion. Das zweite im Werk gefertigte Modell wurde zurückgeschickt, da die Werksleitung und die Verantwortlichen die Zuverlässigkeit des Computers als unzureichend einstuften. Das Team war gezwungen, das zweite Modell manuell nachzujustieren. Am 30. November 1961 wurde der Direktor des Kasaner Werks gezwungen, ein Gesetz zu unterzeichnen, das die Versuche, die Produktion des Setun-Computers einzustellen, beendete. Die Computer wurden anschließend bis 1965 mit einer Rate von 15–20 Geräten pro Jahr produziert. Dann stellte das Werk die Produktion ein, da der Verkaufspreis des Computers zu niedrig war.

Obwohl Setun im Ausland auf großes Interesse stieß, erfüllte das Außenhandelsministerium nie die eingegangenen Bestellungen. Es wurden lediglich 50 Setun-Computer hergestellt, von denen 30 an Hochschulen innerhalb der Sowjetunion eingesetzt wurden. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

Zwischen 1961 und 1968 entwickelten Brusentsov und Zhogolev den Setun-70, die nächste Generation des Setun-Computers mit einer neuen Architektur. Er war für eine effiziente Softwareentwicklung konzipiert, wobei das ternäre System eine Schlüsselrolle spielte. Sowohl Adressen als auch Operationen werden in Silben dargestellt, wobei jede Silbe 6 Trits (etwa 9,5 Bit) lang ist. Algebraische Ausdrücke von Operanden in Silben ersetzen die traditionellen Befehle als Wörter, da der Befehlssatz erweitert wurde, um eine größere Varianz der Operandenlänge zu ermöglichen. ^{[ 5 ]} Die Algebra wird durch Test-, Kontroll- und Ein-/Ausgabeoperationen ergänzt. Der Benutzer kann selbstständig Operationen hinzufügen, ohne die Leistung des Computers zu beeinträchtigen, wodurch ideale Bedingungen für strukturierte Programmierung geschaffen werden. Brusentsov behauptete, dass sich die Programmierzeit auf dem Setun-70 um das Fünf- bis Zehnfache reduziert, bei gleichzeitig beispielloser Zuverlässigkeit, Klarheit, Kompaktheit und Geschwindigkeit.

Der Funktionsalgorithmus von Setun-70 wurde ausführlich in der erweiterten Fassung von Algol-60 beschrieben .

Der neue Rektor der Universität hielt Brusentsovs Forschung und Computerentwicklung für Pseudowissenschaft . Nach dem Setun-70-Projekt wurde Brusentsovs Labor vom Rechenzentrum der Moskauer Staatlichen Universität in ein Studentenwohnheim verlegt, und der ursprüngliche Prototyp des Setun-Computers wurde zerstört. Das Setun-70-Modell wurde in das neue Dachbodenlabor gebracht und diente als Grundlage für die Entwicklung des Lerncomputersystems 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