Seymour Cray és a szuperszámítógép

Sokan jól ismerik számítógépek. Valószínűleg most egyet fogsz használni a blogbejegyzés elolvasásához, mivel az olyan eszközök, mint a laptopok, okostelefonok és táblagépek alapvetően ugyanaz a számítástechnika. A szuperszámítógépek viszont kissé ezoterikusak, mivel gyakran úgy gondolják, hogy durva, költséges, energiaszívó gépek, amelyeket nagyrészt fejlesztettek ki kormányzati intézmények, kutatóközpontok és nagyvállalatok számára cégek.

Vegyük például a kínai Sunway TaihuLight-ot, amely jelenleg a világ leggyorsabb szuperszámítógépe, a Top500 szuperszámítógép rangsorának megfelelően. 41 000 forgácsból áll (egyedül a processzorok meghaladják a 150 tonnát), körülbelül 270 millió dollárba kerül és 15 371 kW teljesítményű. Plusz oldalán azonban másodpercenként milliárd számítás elvégzésére képes, és akár 100 millió könyvet is tárolhat. És hasonlóan más szuperszámítógépekhez, a tudomány területén a legbonyolultabb feladatok kezelésére fogják használni, például az időjárás-előrejelzés és a kábítószer-kutatás.

A szuperszámítógép fogalma először az 1960-as években merült fel, amikor a Seymour Cray nevű villamosmérnök megkezdte a világ leggyorsabb számítógépének létrehozását. Cray, a „szuperszámítógép apja”, az üzleti informatikai óriásnál hagyta el posztját Sperry-Rand, hogy csatlakozzon az újonnan alakult Control Data Corporationhez, hogy a fejlesztésre összpontosítson tudományos számítógépek. A világ leggyorsabb számítógépének címet abban az időben az IBM 7030 „Stretch” birtokolta, az egyik elsőként használt tranzisztorokat vákuumcsövek helyett.

1964-ben a Cray bemutatta a CDC 6600-at, amely olyan újításokat mutatott be, mint például a germánium-tranzisztorok kicserélése a szilícium és a Freon-alapú hűtőrendszer javára. Ennél is fontosabb, hogy 40 MHz-es sebességgel futott, körülbelül hárommillió lebegőpontos műveletet hajtott végre másodpercenként, ami a világ leggyorsabb számítógépévé vált. A CDC 6600, amelyet gyakran a világ első szuperszámítógépének tekintnek, tízszer gyorsabb volt, mint a legtöbb számítógép, és háromszor gyorsabb, mint a IBM 7030 Stretch. A címet végül 1969-ben feladták utódjának, a CDC 7600-nak.

1972-ben Cray elhagyta a Control Data Corporation-t, hogy megalapítsa saját vállalatát, a Cray Research-t. Néhány idő múlva a tőkebevonás és a befektetők finanszírozása után a Cray debütált a Cray 1-vel, amely ismét széles mozgástérrel emelte a számítógép teljesítményét. Az új rendszer 80 MHz-es sebességgel futott, és másodpercenként 136 millió lebegőpontos műveletet hajtott végre (136 megaflops). További egyedi jellemzők közé tartozik az újabb típusú processzor (vektorfeldolgozás) és a sebességre optimalizált patkó alakú kialakítás, amely minimalizálta az áramkörök hosszát. A Cray 1-t 1976-ban telepítették a Los Alamos Nemzeti Laboratóriumba.

Az 1980-as évekre Cray bebizonyította magát a szuperszámítógép elsődleges nevének, és minden új kiadás széles körben elvárható volt, hogy megdöntse korábbi erőfeszítéseit. Tehát amíg Cray elfoglalta a Cray 1 utódját, a cég külön csoportja elkészítette a Cray X-MP-t, egy modellt, amelyet a Cray 1 "tisztább" verziójaként számláztak. Ugyanazt a patkó alakú kialakítást osztotta meg, de több processzorral büszkélkedett, megosztott memóriával rendelkezik, és néha két Cray 1-ként írják le, amelyek össze vannak kapcsolva. A Cray X-MP (800 megaflops) volt az egyik első „többprocesszoros” formaterv, amely elősegítette a párhuzamos feldolgozás, ahol a számítási feladatokat részekre bontják és egyidejűleg hajtják végre különböző processzorok.

A folyamatosan frissített Cray X-MP a hordozó volt a Cray 2 régóta várt 1985-ös bevezetéséig. Mint az elődei, a Cray legújabb és legnagyobb is ugyanazt a patkó alakú kialakítást és alapvető elrendezést vette át, a logikai táblákon összerakott integrált áramkörökkel. Ezúttal azonban az alkatrészeket annyira szorosan összetörték, hogy a számítógépet a hő eloszlatására folyadékhűtő rendszerbe kellett meríteni. A Cray 2 nyolc processzorral volt felszerelve, egy „előtér processzorral”, amely a tárolás kezeléséért felelős, memória és utasítások megadása a „háttérfeldolgozóknak”, amelyek feladata a tényleges számítás. Összesen 1,9 milliárd feldolgozási sebességet tett ki lebegőpontos műveletek másodpercenként (1,9 Gigaflops), kétszer gyorsabb, mint a Cray X-MP.

Mondanom sem kell, hogy Cray és tervei a szuperszámítógép korai korszakát uralták. De nem ő volt az egyetlen, aki előrelépte a mezőt. A 80-as évek elején nagymértékben párhuzamos számítógépek is megjelentek, amelyeket több ezer processzor táplált, mindegyikük együtt dolgozik, hogy összetörjék a teljesítmény akadályait. Az első multiprocesszoros rendszerek egy részét W hozta létre. Daniel Hillis, aki a Massachusettsi Technológiai Intézet végzős hallgatójaként jött ki az ötlettel. Abban az időben a cél az volt, hogy a sebességkorlátozásokhoz igazodjon, többek között a CPU közvetlen számításaival olyan processzorok decentralizált hálózatának kifejlesztésével, amelyek hasonlóan működtek az agy idegrendszeréhez hasonlóan hálózat. Végrehajtott megoldása, amelyet 1985-ben mutatott be Connection Machine vagy CM-1 néven, 65 536 összekapcsolt egybites processzort tartalmazott.

A 90-es évek eleje a vége kezdetét jelentette, hogy Cray megfojtotta a szuperszámítógépet. Addigra a szuperszámítógépes úttörő elválasztott a Cray Research-től a Cray Computer Corporation-nek. A dolgok délre indultak, amikor a Cray 3 projekt, amely a Cray 2 szándékos utódja, sokféle problémába ütközött. Cray egyik legnagyobb hibája az volt, hogy a gallium-arzenid félvezetőket - egy újabb technológiát - választották a kijelentésben kitűzött céljának, a feldolgozási sebesség tizenkétszeres javításának a megvalósításához. Végül a gyártásuk nehézségei és más technikai komplikációk együtt késleltetést vettek végbe évekig tartó projekt során, és a társaság sok potenciális ügyfele végül veszített érdeklődés. Nem sokkal a társaság kifogyott a pénzéből, és bejelentést nyújtott be csőd 1995-ben.

Cray küzdelmei lehetőséget adnának a fajta őr megváltoztatására, mivel a versengő japán számítástechnikai rendszerek az évtized nagy részében uralkodnának a mezőn. A Tokiói székhelyű NEC Corporation először 1989-ben lépett fel a helyszínre az SX-3-mal és egy évvel később bemutatta egy négyprocesszoros verziót, amely a világ leggyorsabb számítógépe lett, csak hogy elsötétül 1993-ban. Ebben az évben a Fujitsu numerikus szélcsatornája, amelyben a 166 vektorprocesszor nagy erővel hajtotta végre az első szuperszámítógépet, amely meghaladta a 100 gigaflop-ot (oldalsó megjegyzés: elképzelés arról, hogy a technológia milyen gyorsan fejlődik, a 2016-os leggyorsabb fogyasztói feldolgozók több mint 100 gigaflop sebességet tudnak csinálni, de akkoriban különösen lenyűgöző volt. 1996-ban a Hitachi SR2201 felülúszta az előteget 2048 processzorral, hogy elérje a csúcsteljesítményt: 600 gigaflop.

Most, hol volt Intel? A vállalat, amely a fogyasztói piac vezető chipgyártójává vált, a század vége felé nem igazán tett szert a szuperszámítás területére. Ennek oka az volt, hogy a technológiák összesen nagyon különféle állatok voltak. Például a szuperszámítógépeket úgy tervezték, hogy a lehető legtöbb feldolgozási energiát akadályozzák meg, miközben személyesek A számítógépek célja a hatékonyság csökkentése a minimális hűtési képességekből és a korlátozott energiaellátásból. Tehát 1993-ban az Intel mérnökei végül belevetették magukat azzal a merész megközelítéssel, hogy nagymértékben párhuzamosan haladnak a 3680 processzor, Intel XP / S 140 Paragon, amely 1994 júniusáig elérte a szuperszámítógép csúcstalálkozóját rangsorban. Ez volt az első nagymértékben párhuzamos processzor szuperszámítógép, amely vitathatatlanul a leggyorsabb rendszer a világon.

Eddig a szuperszámítógép elsősorban azoknak a területe, akiknek mély zsebük van az ilyen ambiciózus projektek finanszírozására. Mindez 1994-ben megváltozott, amikor a NASA Goddard űrrepülési központjának vállalkozói, akiknek nem volt ilyen luxusuk, egy okos módszer a párhuzamos számítástechnika erejének kiaknázására személyi számítógépek sorozatának összekapcsolásával és konfigurálásával Ethernet segítségével hálózat. Az általuk kifejlesztett „Beowulf klaszter” rendszer 16 486DX processzorból állt, amelyek képesek a gigaflops tartományban működni és 50 000 dollárnál kevesebbet építettek. Azt is megkülönböztette, hogy a Linuxot futtassa a Unix helyett, mielőtt a Linux lett a választott operációs rendszer a szuperszámítógépek számára. Nagyon hamarosan a do-it-yourselferek mindenhol hasonló tervrajzokat követtek, hogy felállítsák saját Beowulf-klasztereiket.

Miután 1996-ban elutasította a címet a Hitachi SR2201-hez, az Intel abban az évben visszatért a Paragonon alapuló, ASCI Red elnevezésű tervezéssel, amely több mint 6000 200 MHz frekvenciát tartalmazott. Pentium Pro processzorok. Annak ellenére, hogy elmozdult a vektorprocesszoroktól a polcokon kívüli alkatrészek mellett, az ASCI Red megszerezte annak a megkülönböztetését, hogy az első számítógép, amely megtörte az egy trillió flop gátot (1 teraflops). 1999-re a frissítések lehetővé tették három trillió flop (3 teraflops) meghaladását. Az ASCI Red-t a Sandia National Laboratories-ben telepítették, és elsősorban a nukleáris robbanások szimulálására és az ország karbantartásának elősegítésére használták. nukleáris arzenál.

Miután Japán újrapróbálta a szuperszámítógépes vezetéket egy ideig a 35,9 teraflops NEC Earth Simulator segítségével, az IBM 2004-ben kezdte a szuperszámítógépet soha nem látott magasságokba a Blue Gene / L-vel. Abban az évben az IBM debütált egy prototípust, amely alig szélére helyezte a Föld Szimulátort (36 teraflop). És 2007-re a mérnökök felrobbantanák a hardvert, hogy a feldolgozási képességét közel 600 teraflops csúcsra emeljék. Érdekes módon a csapat elérni tudta az ilyen sebességet azzal a megközelítéssel, hogy több chipet használ, amelyek viszonylag alacsony teljesítményű, de energiahatékonyabbak. 2008-ban az IBM ismét kitörött, amikor bekapcsolta a Roadrunner-et, az első szuperszámítógépet, amely másodpercenként meghaladja az egymillió milliárd lebegőpontos műveletet (1 petaflop).