Изучалась возможность установке на истребитель оружия более крупного калибра. Эти работы велись зимой 1938-39 г.г. на заводе № 156 в Москве лично под руководством Николая Николаевича Поликарпова. Главным образом, рассматривались способы монтажа синхронных крупнокалиберных пулеметов над двигателем. Установка более тяжелых пулеметов в носу самолета позволила бы сместить вперед центр тяжести планера, увеличив тем самым запас устойчивости по тангажу, что, в свою очередь, делало самолет более стабильной платформой при стрельбе. В конце 1939 г. началась доработка под крупнокалиберные пулеметы двух истребителей, взятых из авиационной бригады, дислоцировавшейся в Люберцах. На одном самолете (заводской номер 1021332) демонтировали крыльевые ШКАСы. а в носовой части фюзеляжа чуть ниже оси самолета установили два 12,7-мм пулемета конструкции Березина. Размещение пулеметов и ящиков под боекомплект (440 патронов) привело к необходимости уменьшить емкость фюзеляжного топливного бака. Общую емкость баков удалось сохранить на прежнем уровне за счет монтажа крыльевых баков. Самолет получил обозначение И-16СО (Синхронизированный Опытный). Испытания проводились с 23 марта по 9 апреля 1939 г. Вариант с двумя 20-мм пушками ШВАК получил обозначение И-16ПС (Пушечный Синхронизированный), испытания этого самолета проводились параллельно с испытаниями И-16СО. Пушки монтировались на самолете с заводским номером 521570; они были настолько длинными, что казенные части пушек выступали в кабину летчика. Боекомплект — по 175 снарядов на ствол. Внешне И-16СО и И-16ПС были практически идентичны исходным самолетам. Оба истребителя успешно прошли испытания, в ходе которых даже производился отстрел оружия с отключенным стабилизатором. Самолеты доказали способность летать с простреленными лопастями воздушных винтов. С другой стороны, испытания выявили недостатки, главным из которых стало попадание пороховых газов в кабину и в карбюратор двигателя. На самолете в пушечном исполнении этот дефект проявлялся более ярко, поэтому к серийному производству рекомендовали вариант с пулеметами Березина.
Неизвестно, была ли построена серия истребителей с пулеметами Березина (в технической документации самолеты обозначались ЦКБ-150). но весной 1939 г. эти машины вызывали значительный интерес. В конечном итоге на самом высоком уровне данная модификация рекомендовалась в массовое производство, причем освоению этого вариант придавался наивысший приоритет на всех заводах, выпускавших истребители И-16. Задержка с выпуском самолетов была связана с нехваткой пулеметов — оружейные заводы не успевали выпускать их в достаточном количестве. Массовый выпуск И-16 с пулеметами БС (Березин Синхронный) начался с середины 1940 г., истребитель получил обозначение И-16 тип 29.