Seymour Cray ja supertietokone

Monet meistä ovat tuttuja tietokoneet. Käytät todennäköisesti yhtä nyt tämän blogin lukemiseen, koska laitteet, kuten kannettavat tietokoneet, älypuhelimet ja tabletit, ovat käytännössä sama taustalla oleva tietotekniikka. Supertietokoneet ovat toisaalta jonkin verran esoteerisiä, koska niitä pidetään usein räikeinä, kalliina, energian imeviä koneita, jotka on kehitetty suurelta osin julkishallinnon laitoksille, tutkimuskeskuksille ja suurille yrityksiä.

Otetaan esimerkiksi Kiinan Sunway TaihuLight, joka on tällä hetkellä maailman nopein supertietokone Top500: n supertietokoneiden sijoitusten mukaan. Se koostuu 41 000 sirusta (pelkästään prosessorit painavat yli 150 tonnia), sen hinta on noin 270 miljoonaa dollaria ja sen teho on 15 371 kW. Plussapuolena on, että se pystyy kuitenkin suorittamaan nelinjatoja laskelmia sekunnissa ja voi tallentaa jopa 100 miljoonaa kirjaa. Ja kuten muitakin supertietokoneita, sitä käytetään myös käsittelemään joitain tieteen alojen monimutkaisimpia tehtäviä, kuten sääennuste ja huumeiden tutkimus.

Supertietokoneen käsite syntyi ensin 1960-luvulla, kun sähköinsinööri Seymour Cray nimeltä aloitti maailman nopeimman tietokoneen luomisen. Cray, jota pidetään ”superlaskennan isänä”, oli jättänyt tehtävänsä liiketoiminnan laskentajättiläisenä Sperry-Rand liittyäkseen vasta perustettuun Control Data Corporationiin, jotta hän voi keskittyä kehittämiseen tieteelliset tietokoneet. Maailman nopeimman tietokoneen tittelin omisti tuolloin IBM 7030 “Stretch”, joka oli yksi ensimmäisistä, joka käytti transistoreita tyhjiöputkien sijasta.

Vuonna 1964 Cray esitteli CDC 6600: n, joka sisälsi innovaatioita, kuten germaniumtransistorien kytkeminen pois piin ja Freoniin perustuvan jäähdytysjärjestelmän hyväksi. Vielä tärkeämpää on, että se juoksi 40 MHz: n nopeudella suorittaen suunnilleen kolme miljoonaa liukulukun operaatiota sekunnissa, mikä teki siitä nopeimman tietokoneen maailmassa. CDC 6600, jota pidetään usein maailman ensimmäisenä supertietokoneena, oli 10 kertaa nopeampi kuin useimmat tietokoneet ja kolme kertaa nopeampi kuin IBM 7030 Venytys. Otsikko luovutettiin lopulta vuonna 1969 seuraajalleen CDC 7600: lle.

Vuonna 1972 Cray jätti Control Data Corporationin perustamaan oman yrityksen, Cray Researchin. Jonkin ajan kuluttua siemenpääoman hankkimisesta ja sijoittajien rahoituksesta Cray debytoi Cray 1: n, joka taas nosti tietokoneen suorituskyvyn tasoa suurella marginaalilla. Uusi järjestelmä ajoi 80 MHz: n kellonopeudella ja suoritti 136 miljoonaa liukulukulaskua sekunnissa (136 megaflops). Muita ainutlaatuisia ominaisuuksia ovat uudentyyppinen prosessori (vektorikäsittely) ja nopeuteen optimoitu hevosenkengän muotoinen rakenne, joka minimoi piirien pituuden. Cray 1 asennettiin Los Alamosin kansalliseen laboratorioon vuonna 1976.

1980-luvulle mennessä Cray oli vakiinnuttanut asemansa supertietokonesuunnittelussa ja kaikkien uusien julkaisujen odotetaan yleisesti kaatavan hänen aikaisemmat ponnistelunsa. Joten kun Cray työskenteli kiireellisesti Cray 1-seuraajan kanssa, erillinen yritysryhmä julkaisi Cray X-MP -mallin, mallin, jota laskutettiin Cray 1: n "puhdistetummalle" versiolle. Siinä oli sama hevosenkengän muotoinen muotoilu, mutta siinä oli useita prosessoreita, jaettu muisti ja toisinaan sitä kuvataan kahdella Cray 1: llä, jotka on kytketty yhdeksi. Cray X-MP (800 megaflops) oli yksi ensimmäisistä “multiprocessor” -malleista ja auttoi avaamaan oven rinnakkaisprosessointi, jossa laskentatehtävät jaetaan osiin ja suoritetaan samanaikaisesti eri prosessorit.

Cray X-MP, jota päivitettiin jatkuvasti, toimi vakiokantajana Cray 2: n pitkään odotettuun lanseeraukseen vuonna 1985. Kuten edeltäjänsä, myös Cray: n uusin ja suurin valitsi saman hevosenkengän muotoisen suunnittelun ja perusasettelun integroiduilla piireillä, jotka on pinottu toisiinsa logiikkalevyille. Tällä kertaa komponentit kuitenkin puristettiin niin tiukasti, että tietokone oli upotettava nestemäiseen jäähdytysjärjestelmään lämmön poistamiseksi. Cray 2 oli varustettu kahdeksalla prosessorilla, "etualan prosessorilla", joka vastaa varastoinnin käsittelystä, muisti ja ohjeiden antaminen "taustaprosessoreille", joille annettiin tehtäväksi laskenta. Kaikkiaan sen pakkausnopeus oli 1,9 miljardia liukulukuoperaatiot sekunnissa (1,9 Gigaflops), kaksi kertaa nopeammin kuin Cray X-MP.

Sanomattakin on selvää, että Cray ja hänen suunnittelunsa hallitsivat supertietokoneen varhaista aikakautta. Mutta hän ei ollut ainoa, joka eteni kentällä. 80-luvun alkupuolella ilmestyi myös massiivisesti rinnakkaisia ​​tietokoneita, joita saavat tuhannet prosessorit, jotka kaikki työskentelevät yhdessä rikkoakseen suorituskyvyn esteitä. Jotkut ensimmäisistä moniprosessorijärjestelmistä on W: n luoma. Daniel Hillis, joka keksi idean jatko-opiskelijana Massachusetts Institute of Technology. Tuolloin tavoitteena oli päästä nopeusrajoituksiin, kun CPU: lla oli suoria laskelmia muun muassa prosessoreita kehittämällä hajautettu prosessorien verkko, joka toimi samalla tavalla kuin aivojen hermo verkkoon. Hänen toteuttamassaan ratkaisussa, joka otettiin käyttöön vuonna 1985 nimellä Connection Machine tai CM-1, oli 65 536 kytkettyä yhden bitin prosessoria.

90-luvun alkupuolella alkoi loppua Krayn kuristumiselle superlaskennassa. Siihen mennessä supertietokoneiden edelläkävijä oli eronnut Cray Researchista Cray Computer Corporationiksi. Asiat alkoivat mennä etelään yritykselle, kun Cray 3 -projekti, Cray 2: n tarkoitus seuraaja, joutui joukkoon ongelmia. Yksi Cray: n suurimmista virheistä oli gallium-arsenidipuolijohteiden - uudemman tekniikan - valitseminen tapana saavuttaa hänen ilmoittamansa tavoitteen, kaksinkertaistaa käsittelyn nopeus. Viime kädessä niiden tuottamiseen liittyvät vaikeudet yhdessä muiden teknisten ongelmien kanssa viivästyivät hanke vuosia ja johti siihen, että monet yrityksen potentiaaliset asiakkaat menettivät lopulta kiinnostuksen kohde. Aikaisemmin yrityksellä oli loppumassa rahaa ja haki konkurssi vuonna 1995.

Crayn kamppailut antaisivat tietyn tyyppisen vartijan vaihtamiselle, kun kilpailevat japanilaiset tietokonejärjestelmät hallitsisivat kentän huomattavasti vuosikymmenen ajan. Tokiossa sijaitseva NEC Corporation tuli ensimmäisen kerran näyttämölle vuonna 1989 SX-3: n kanssa ja vuotta myöhemmin julkisti neljän prosessorin version, joka otettiin maailman nopeimpana tietokoneena, vain pimennettäväksi vuonna 1993. Tuona vuonna Fujitsun numeerisesta tuuletunnelista 166 vektoriprosessorin raakavoimalla tuli ensimmäinen supertietokone, joka ylitti 100 gigaflopsia (sivuhuomautus: Antaaksesi sinulle ajatus siitä, kuinka nopeasti tekniikka kehittyy, nopeimmat kuluttajaprosessorit 2016 voivat helposti tehdä yli 100 gigaflopsia, mutta tuolloin se oli erityisen vaikuttava). Vuonna 1996 Hitachi SR2201 ylitti anten 2048-prosessorilla saavuttaakseen huipputehon 600 gigaflops.

Nyt missä oli Intel? Yritys, joka oli vakiinnuttanut asemansa kuluttajamarkkinoiden johtavana sirunvalmistajana, ei todellakaan antanut suihkutietokoneiden aloitusta ennen vuosisadan loppua. Tämä johtui siitä, että tekniikat olivat kokonaan hyvin erilaisia ​​eläimiä. Esimerkiksi supertietokoneet on suunniteltu tukoamaan mahdollisimman paljon prosessointitehoa samalla kun henkilökohtainen tietokoneiden tarkoituksena oli vähentää tehokkuutta minimaalisista jäähdytysominaisuuksista ja rajoitetusta energiantoimituksesta. Joten vuonna 1993 Intel-insinöörit ottivat lopulta askeleen ottamalla rohkean lähestymistavan siirtyäkseen massiivisesti rinnakkain 3680 prosessori Intel XP / S 140 Paragon, joka kesäkuuhun 1994 mennessä oli noussut supertietokoneen huippukokoukseen rankingissa. Se oli ensimmäinen massiivisesti rinnakkaisprosessorin supertietokone, joka oli kiistatta nopein järjestelmä maailmassa.

Tähän saakka supertietokone on ollut pääasiassa niiden henkilöiden ala, joilla on sellaiset syvätaskut, joilla rahoitetaan tällaisia ​​kunnianhimoisia hankkeita. Kaikki muuttui vuonna 1994, kun NASA: n Goddard-avaruuslentokeskuksen urakoitsijat, joilla ei ollut tällaista ylellisyyttä, keksivat fiksu tapa hyödyntää rinnakkaislaskennan voimaa yhdistämällä ja määrittämällä sarja tietokoneita ethernetin avulla verkkoon. Heidän kehittämä “Beowulf-klusterijärjestelmä” koostui 16 486DX-prosessorista, jotka pystyvät toimimaan gigaflops-alueella ja joiden rakentaminen maksoi alle 50 000 dollaria. Siinä erotettiin myös Linuxin käyttämisestä Unixin sijasta ennen kuin Linuxista tuli supertietokoneiden valittu käyttöjärjestelmä. Melko pian, tee-se-sinun-suosikkisi seurasi kaikkialla samanlaisia ​​suunnitelmia perustaakseen omat Beowulf-klusterinsa.

Sen jälkeen kun se oli luovuttanut otsikon Hitachi SR2201: lle, Intel palasi sinä vuonna takaisin Paragon-pohjaiseen malliin, nimeltään ASCI Red, joka koostui yli 6000 200MHz Pentium Pro -prosessorit. Vaikka ASCI Red siirtyi pois vektoriprosessoreista myymäläkomponenttien puolesta, se erottui siitä, että se oli ensimmäinen tietokone, joka rikkoi yhden biljoonan flopsin esteen (1 teraflops). Vuoteen 1999 mennessä päivitykset mahdollistivat sen, että se ylitti kolme biljoonaa floppia (3 teraflopsia). ASCI Red asennettiin Sandian kansallisiin laboratorioihin ja sitä käytettiin ensisijaisesti ydinräjähdysten simulointiin ja maan ylläpidon avuksi. ydinasema.

Sen jälkeen kun Japani retookoi supertietokonejohdon ajanjakson ajan 35,9 teraflopsin NEC Earth Simulator -sovelluksella, IBM toi superlaskennan ennennäkemättömiin korkeuksiin vuodesta 2004 alkaen Blue Gene / L: llä. Sinä vuonna IBM esitteli prototyypin, joka juuri tuskin reunasi Earth Simulatoria (36 teraflops). Ja vuoteen 2007 mennessä insinöörit nousisivat laitteistoa työntääkseen prosessointikykynsä melkein 600 teraflopsin huipulle. Mielenkiintoista, että joukkue pystyi saavuttamaan tällaiset nopeudet noudattamalla lähestymistapaa käyttää enemmän siruja, jotka olivat suhteellisen vähän virtaa, mutta energiatehokkaampia. Vuonna 2008 IBM murtautui uudelleen, kun se käynnisti Roadrunnerin, ensimmäisen supertietokoneen, joka ylitti yhden kvadriljoonan liukulukulaskutoimituksen sekunnissa (1 petaflops).