Hacia 1949 era claro que, a pesar del exitoso trabajo de desarrollo de la MESM realizado por Lébedev y su equipo, el avance en general de la computación (por lo menos en Kiev) era más bien lento. Lavrentev⁸ estaba preocupado por tal situación y decidió hacer una audaz jugada: escribió una carta personal nada menos que a I. V. Stalin. En la misiva al premier soviético, Lavrentev escribía sobre la necesidad de acelerar las investigaciones en el campo de la tecnología de computadoras, y las grandes perspectivas para el uso de las mismas. En aquellos años existían proyectos de defensa, espaciales y científicos que necesitaban imperiosamente contar con elementos computacionales cada vez más eficientes, capaces de efectuar cálculos a gran escala. Aunque él sólo esperaba recibir algún tipo de asistencia oficial para el trabajo en Kiev, el resultado fue sorprendente: el mismo Lavrentev fue designado inmediatamente (a principios de 1950) director del Instituto de Mecánica de Precisión e Ingeniería de la Computación de Moscú (en ruso “Institut Tochnoi Mekhaniki i Vychislitel'noi Tekhniki”, ITMiVT). El instituto había sido establecido dos años antes, en 1947, para que se convirtiera en un moderno centro científico para el desarrollo de la computación en la URSS, pero los resultados de su trabajo hasta el momento del nombramiento de Lavrentev, no habían sido satisfactorios. Como muchos de sus principales científicos pertenecían a la “antigua generación”, fundamentalmente interesados en los dispositivos de calcular del tipo mecánico, las computadoras electrónicas todavía no eran el eje central de las investigaciones del instituto. Una vez en su nuevo puesto, Lavrentev, quien era un matemático puro, invitó a S. A. Lébedev para que condujera los proyectos del instituto relacionados con las computadoras electrónicas.

En Marzo de 1950 Lébedev aceptó la invitación de Lavrentev y viajó a Moscú para encabezar el Laboratorio N° 1 del ITMiVT. Sus colegas recordarían que él vino a Moscú con el diseño prácticamente listo de una nueva computadora llamada Máquina de Calcular Electrónica de Alta Velocidad (en ruso “Bystrodeistvuyushchaya Elektronnaya Schetnaia Mashina”, BESM). El trabajo con la BESM empezó inmediatamente a su arribo.

Sin perder tiempo Lébedev distribuyó el trabajo entre sus nuevos colegas. De esta manera el diseño de la unidad aritmética fue realizado por P. P. Golovistikov, mientras que K. S. Neslukhovskiy se encargó de la unidad de control. También se involucraron en el proyecto varios estudiantes que provenían de algunas universidades técnicas, principalmente del Instituto de Ingeniería de Potencia de Moscú. Sus trabajos sobre la BESM eran a la misma vez los temas de sus propios trabajos finales de carrera. Lébedev conformaba siempre a sus equipos de una manera típica: unos pocos experimentados asistentes-diseñadores, y un gran número de científicos muy jóvenes. Los primeros aportaban una alta competencia, y los últimos el entusiasmo, la inventiva y la iniciativa.

Algunos de estos jóvenes estudiantes se convertirían en sus colaboradores de toda la vida. Con el correr de los años muchos de ellos se hicieron famosos científicos y diseñadores. Sin embargo, para entonces los futuros académicos V. S. Burtsev y V. A. Melnikov junto con A. G. Laut, I. D. Vizun, A. S. Fedorov y L. A. Orlov, eran entusiastas y obedientes “soldadores” que poco a poco materializaban algunos componentes de la BESM. Entre los jóvenes del equipo, Lébedev puso especial atención en Burtsev; reparaba no sólo en sus obvios talentos sino también en el hecho de que había perdido a sus padres durante la guerra, por lo que tuvo que vivir totalmente por sus propios medios. Burtsev –quien era uno de los principales seguidores de Lébedev– a menudo mencionaba que su maestro siempre lo ayudó en todos los aspectos, es decir, tanto en lo profesional como en lo personal, actuando de algún modo “como un padre adoptivo”.

En Abril de 1951 la Comisión Examinadora Estatal sobre computadoras, encabezada por el académico M. V. Keldysh, aprobó los anteproyectos de las computadoras BESM y STRELA. Esta última fue diseñada en paralelo en el SKB-245. Para el primer cuarto de 1953 la BESM ya estaba completamente ensamblada y puesta a punto. En Abril de 1953 la Comisión Estatal emitió el permiso oficial para su operación regular.

Así la BESM, por ser una de las pocas computadoras disponibles en la URSS, fue inmediatamente puesta a trabajar en forma intensiva. De todos modos su rendimiento real, hasta 1956 cuando fue modernizada, era mucho más bajo que lo planeado. La principal razón de esta merma en el rendimiento fue la falta de tubos de memoria (un tipo especial de tubo de rayos catódicos⁹). De acuerdo al diseño de Lébedev, ésos deberían haber sido los componentes básicos de la unidad de memoria de la BESM. Sin embargo, estos tubos de memoria fueron proporcionados sólo a la computadora STRELA, la cual gozaba, por ser pedida por los militares, de una prioridad superior. La BESM fue considerada básicamente como una computadora científica. Lébedev sustituyó los tubos de memoria con tubos acústicos de mercurio (o “memorias de líneas de retardo”), que eran más fáciles de obtener pero hacían que la velocidad de la computadora cayera significativamente con relación a lo previsto en el diseño. La unidad de memoria de la BESM estaba constituida por 70 tubos acústicos de mercurio, cada uno de aproximadamente un metro de longitud: 64 eran para almacenar información, uno para la señal del reloj, y 5 de repuesto. Los tubos habían sido desarrollados en 1949 en el Instituto de Automatización por orden de Lébedev. De acuerdo a los cálculos hechos por Lébedev en el proyecto, los cuales eran bastante realistas, la BESM estaba en condiciones de ser, por algún tiempo, la computadora más rápida del mundo. De todos modos, en 1956, la Comisión Estatal repitió su procedimiento evaluatorio y la BESM fue dotada finalmente con todos los tubos de memoria requeridos. La computadora alcanzó por fin el rendimiento planeado, confirmando así todas las estimaciones de Lébedev.

Por supuesto, en 1956 ya no era la computadora más rápida del mundo, pero en ese mismo año S. A. Lébedev hizo una presentación sobre la BESM en una conferencia internacional en Darmstadt (Alemania) y causó sensación. Era la primera vez que la comunidad científica europea escuchaba “algo” sobre las computadoras soviéticas. Para entonces la BESM sí era –todavía– la computadora más rápida en Europa.

En 1955 Lébedev lanzó otro proyecto. Como en aquel momento los componentes necesarios para la BESM todavía no estaban disponibles, Lébedev comenzó a trabajar en una nueva computadora llamada M-20. El número “20” indicaba el rendimiento esperado: 20 mil operaciones por segundo. De nuevo tenía que ser la más rápida del mundo. Por decisión gubernamental el trabajo sobre la M-20 fue asignado a dos organizaciones: el ITMiVT de Lébedev y el SKB-245. Lébedev fue designado diseñador jefe del proyecto y M. K. Sulim del SKB-245, fue su segundo. El equipo de Lébedev se ocupó del diseño y desarrollo de la computadora, mientras que el SKB-245 tuvo a su cargo la preparación de la documentación técnica y la construcción del primer prototipo de la M-20. P. P. Golovistikov desarrolló el hardware y M. R. Shura-Bura¹⁰ elaboró su set de instrucciones. Shura-Bura también introdujo muchas nuevas operaciones lógicas, como así también procedimientos para el direccionamiento. De esta forma se logró simplificar considerablemente la programación de la máquina. También se logró una significativa mejora en el rendimiento debido a un nuevo mecanismo para manipular el “acarreo”, en la unidad aritmética-lógica. Para implementar éstas y muchas otras mejoras los diseñadores no necesitaron válvulas adicionales sino sólo diodos, los cuales para la época eran pequeños –y fundamentalmente confiables– elementos semiconductores de germanio. El prototipo o modelo experimental de la M-20 fue ensamblado en 1957. Pero, bastante inesperadamente, su funcionamiento no fue satisfactorio. Los nuevos componentes dinámicos, que funcionaban correctamente cuando se los probaba en forma individual, necesitaban mejoras esenciales para ser integrados en un gran sistema.

Lébedev decidió no perder tiempo, y simultáneamente hizo mejoras en la BESM, instalándole los más avanzados componentes de la M-20. Usó las nuevas micro-válvulas electrónicas que tenían mejores características, y reemplazó las válvulas-diodos con diodos de germanio de alto voltaje sin tener que cambiar la circuitería. Los tubos de memoria también fueron reemplazados por la memoria de núcleos de ferrita de la M-20, con una capacidad para 2048 palabras (de hecho, sólo la mitad que en la M-20).

La BESM así actualizada era realmente una buena máquina, por lo que a principios de 1958 comenzó a ser producida en serie en la Planta de Construcción de Máquinas Volodarskiy (Ulyanovsk, sobre el Volga), como una computadora digital (civil) universal llamada BESM-2. El trabajo preparatorio para la producción en serie se completó en menos de nueve meses, y estuvo cargo de los ingenieros K. S. Neslukhovsky, A. N. Zimariov, V. A. Melnikov y A. V. Avaev entre otros.

Mientras tanto P. Golovistikov, V. Laut y A. Sokolov mejoraron los componentes de la M-20. El número de válvulas finalmente se redujo a 1600. Notablemente, éstas trabajaban sin ser exigidas gracias a las mejoras introducidas en el circuito (en el mismo se aplicó el “principio del pulso”). Todo esto hizo que la M-20 tuviera una confiabilidad muy alta. El rendimiento promedio era de 20 mil operaciones por segundo, lo cual estaba de acuerdo a lo estimado. Máquina binaria, el tamaño de la palabra en la M-20 era de 45 bits, y empleaba una aritmética de punto flotante (36 bits para la mantisa, 1 bit para el signo del número, 7 bits para el exponente, y 1 bit para el signo del exponente). El formato de las instrucciones era de tres direcciones. Tenía una RAM de núcleos de ferrita con una capacidad máxima de 4096 palabras. Tambores magnéticos y cintas magnéticas conformaban su ROM (memoria externa). La M-20 tenía un consumo de 50 kW. Se empleaban tarjetas perforadas para la entrada/salida de datos.

Lébedev y su equipo implementaron en la M-20 numerosas innovaciones que incrementaron notablemente el rendimiento; entre ellas:

• Set de instrucciones con modificación automática de las direcciones y aritmética de índices.
• Superposición (en términos de tiempo) del funcionamiento de la unidad aritmética con la extracción desde la memoria principal de una nueva instrucción (una especie de procesamiento pipeline).
• Superposición de la salida de datos con la operación de la unidad aritmética.

Todas estas innovaciones hicieron que, a nivel mundial, la M-20 fuera una de las computadoras de primera generación más rápidas y confiables. A modo de comparación, en los EEUU existía una máquina llamada NORC (Naval Ordnance Research Calculator) que efectuaba también unas 20 mil operaciones por segundo, pero que empleaba para ello unas 8000 válvulas.

En 1958 la Comisión Examinadora Estatal oficialmente aprobó a la computadora y la recomendó para la producción en serie. La M-20 fue calificada por la Comisión como “la más rápida del mundo”. Inicialmente, esta máquina sólo fue entregada a aquellos institutos que trabajaban en la URSS en los proyectos más críticos.

Un grupo de matemáticos, encabezado por M. R. Shura-Bura, produjo un novedoso software y la M-20 se convirtió en una máquina ideal para programar. De este modo, al poco tiempo de comenzar su producción en serie, la M-20 se hizo muy popular en la URSS. Un grupo de usuarios impulsó la creación de la “Asociación de Usuarios de la M-20”. Esta asociación fue establecida por una decisión del Presidium de la Academia de Ciencias de la URSS en 1961. Uno de los principales promotores de esta organización, Shura-Bura, fue su presidente. Los objetivos principales de la asociación incluían un eficiente intercambio de información, algoritmos y programas, el desarrollo de un lenguaje de programación unificado, y la creación de software estandarizado.

Con posterioridad, fueron producidas dos variantes de la M-20 construidas con elementos semiconductores. La arquitectura, sin embargo, permaneció sin cambios. Estas variantes fueron llamadas M-220 y M-222 (M. K. Sulim fue el diseñador jefe de ambas).

Para la época de la M-20 y la BESM-2, Lébedev ya había sido director del ITMiVT por casi cinco años. El director del instituto, el académico M. A. Lavrentev fue designado en ese cargo en 1950, pero no permaneció por mucho tiempo en el mismo. En 1953 fue elegido vicepresidente de la Academia de Ciencias de la URSS, y recomendó a Lébedev para que le sucediera en el ITMiVT. También en 1953 Lébedev fue elegido miembro pleno de la Academia de Ciencias de la URSS. Por coincidencia notable Lébedev fue recibido en la ceremonia oficial por el famoso matemático e investigador polar Otto Schmidt (el padre de su primer “arrendador” Sigurd Schmidt), quien mencionó “hoy damos la bienvenida a dos nuevos académicos, dos personas prominentes, S. A. Lébedev y A. P. Sakharov”.