Seymour Cray a superpočítač

Mnohí z nás sú oboznámení počítače. Pravdepodobne už používate tento príspevok na čítanie tohto blogového príspevku, pretože zariadenia, ako sú napríklad notebooky, smartfóny a tablety, sú v podstate rovnakou výpočtovou technológiou. Na druhej strane superpočítače sú trochu ezoterické, pretože sú často považované za náročné, nákladné, stroje na sanie energie vyvinuté vo veľkej miere pre vládne inštitúcie, výskumné centrá a veľké firmy.

Vezmime si napríklad čínsky Sunway TaihuLight, v súčasnosti najrýchlejší superpočítač na svete, podľa rebríčka superpočítačov Top500. Skladá sa zo 41 000 čipov (samotné procesory vážia viac ako 150 ton), stoja okolo 270 miliónov dolárov a majú výkon 15 371 kW. Pozitívne je, že dokáže vykonávať štvornásobné výpočty za sekundu a dokáže uložiť až 100 miliónov kníh. Podobne ako iné superpočítače sa bude používať aj na riešenie niektorých najzložitejších úloh v oblasti vedy, ako sú predpovede počasia a výskum drog.

Pojem superpočítač sa prvýkrát objavil v 60. rokoch 20. storočia, keď sa elektrotechnik Seymour Cray pustil do vytvorenia najrýchlejšieho počítača na svete. Cray, považovaný za „otca superpočítačov“, opustil svoje miesto v gigantu pre výpočtovú techniku Sperry-Rand sa pripojí k novovytvorenej spoločnosti Control Data Corporation, aby sa mohol sústrediť na rozvoj vedecké počítače. Titul najrýchlejšieho počítača na svete bol v tom čase držiteľom IBM 7030 „Stretch“, jedného z prvých, ktorý namiesto vákuových elektrónok používal tranzistory.

V roku 1964 predstavil Cray CDC 6600, ktorý predstavoval inovácie, ako napríklad prepínanie germániových tranzistorov v prospech kremíka a freónový chladiaci systém. Ešte dôležitejšie je, že bežal rýchlosťou 40 MHz a vykonával zhruba tri milióny operácií s pohyblivou rádovou čiarkou za sekundu, čím sa stal najrýchlejším počítačom na svete. CDC 6600, často považovaný za prvý superpočítač na svete, bol desaťkrát rýchlejší ako väčšina počítačov a trikrát rýchlejší ako počítač IBM 7030 Stretch. Titul bol nakoniec vzdaný v roku 1969 jeho nástupcovi CDC 7600.

V roku 1972 opustil Cray spoločnosť Control Data Corporation a založil svoju vlastnú spoločnosť Cray Research. Po určitom čase, ktorý získal počiatočný kapitál a financovanie od investorov, Cray debutoval Cray 1, ktorý opäť zvýšil latku pre výkon počítača o veľkú maržu. Nový systém bežal pri hodinovej rýchlosti 80 MHz a vykonával 136 miliónov operácií s pohyblivou rádovou čiarkou za sekundu (136 megaflops). Medzi ďalšie jedinečné vlastnosti patrí novší typ procesora (vektorové spracovanie) a dizajn podkovy v tvare optimalizovanej na rýchlosť, ktorý minimalizuje dĺžku obvodov. Cray 1 bol nainštalovaný v Los Alamos National Laboratory v roku 1976.

V 80. rokoch sa Cray etabloval ako hlavné meno v oblasti superpočítačov a očakáva sa, že každé nové vydanie zvrhne jeho predchádzajúce úsilie. Takže keď bol Cray zaneprázdnený prácou na nástupcovi Cray 1, samostatný tím spoločnosti vydal model Cray X-MP, model, ktorý bol vyúčtovaný ako „vyčistenejšia“ verzia Cray 1. Zdieľalo rovnaký tvar podkovy, ale chválilo sa viac procesorov, spoločná pamäť a niekedy sa označuje ako dva Cray 1s spojené ako jeden. Cray X-MP (800 megaflopov) bol jedným z prvých „multiprocesorových“ dizajnov a pomohol otvoriť dvere paralelné spracovanie, pričom výpočtové úlohy sú rozdelené na časti a vykonávané súbežne rozdielny procesory.

Cray X-MP, ktorý bol neustále aktualizovaný, slúžil ako štandardný nosič až do dlho očakávaného uvedenia Cray 2 v roku 1985. Podobne ako jeho predchodcovia, aj najnovší a najväčší Cray prevzal rovnaký dizajn v tvare podkovy a základné rozloženie s integrovanými obvodmi naskladanými na logických doskách. Tentoraz sa však komponenty napchali tak pevne, že počítač sa musel ponoriť do systému chladenia tekutín, aby sa rozptýlilo teplo. Cray 2 bol vybavený ôsmimi procesormi a „popredným procesorom“ zodpovedným za manipuláciu s úložiskom, pamäte a dávať pokyny „procesorom na pozadí“, ktoré boli poverené skutočným výpočtom. Celkovo zabalila rýchlosť spracovania 1,9 miliardy operácie s pohyblivou rádovou čiarkou za sekundu (1,9 Gigaflops), dvakrát rýchlejšie ako Cray X-MP.

Netreba dodávať, že Cray a jeho návrhy vládli v ranom veku superpočítača. Ale on nebol jediný, ktorý postupoval po poli. Začiatkom 80-tych rokov sa objavili aj masívne paralelné počítače poháňané tisíckami procesorov, ktoré všetky pracovali v tandeme, aby prekonali prekážky vo výkone. Niektoré z prvých multiprocesorových systémov vytvoril W. Daniel Hillis, ktorý prišiel s nápadom ako postgraduálny študent na Massachusetts Institute of Technology. Cieľom v tom čase bolo prekonať obmedzenia rýchlosti, ktoré majú priame výpočty CPU medzi sebou procesorov vytvorením decentralizovanej siete procesorov, ktoré fungovali podobne ako mozgový nerv siete. Jeho implementované riešenie, predstavené v roku 1985 ako Connection Machine alebo CM-1, obsahovalo 65 536 vzájomne prepojených jednobitových procesorov.

Začiatky deväťdesiatych rokov boli začiatkom konca Crayovho uškrtenia superpočítačom. Dovtedy sa priekopník v oblasti superpočítačov oddelil od spoločnosti Cray Research a vytvoril spoločnosť Cray Computer Corporation. Vec sa pre spoločnosť začala vyvíjať na juh, keď sa projekt Cray 3, zamýšľaný nástupca Cray 2, dostal do množstva problémov. Jednou z hlavných chýb spoločnosti Cray bolo zvoliť polovodiče géniového arzenidu - novšiu technológiu - ako spôsob, ako dosiahnuť svoj stanovený cieľ, ktorým je dvanásťnásobné zvýšenie rýchlosti spracovania. V konečnom dôsledku sa ťažkosti s ich výrobou spolu s ďalšími technickými komplikáciami nakoniec oneskorili projekt roky a vyústil do straty mnohých potenciálnych zákazníkov spoločnosti Záujem. Netrvalo dlho a došli spoločnosti peniaze bankrot v roku 1995.

Crayove zápasy by umožnili zmenu strážcov, pretože konkurenčné japonské počítačové systémy by dominovali po väčšinu desaťročia. Tokiová spoločnosť NEC Corporation sa prvýkrát objavila na scéne v roku 1989 so SX-3 ao rok neskôr predstavila verziu so štyrmi procesormi, ktorá prevzala úlohu najrýchlejšieho počítača na svete, iba aby sa mohla zatieniť v roku 1993. V tom roku sa numerický veterný tunel Fujitsu s hrubou silou 166 vektorových procesorov stal prvým superpočítačom, ktorý prekonal 100 gigaflopov (Vedľajšia poznámka: Aby som vám dal predstavu o tom, ako rýchlo táto technológia napreduje, najrýchlejší spotrebitelia v roku 2016 dokážu ľahko urobiť viac ako 100 gigaflopov, ale v tom čase to bolo obzvlášť pôsobivé). V roku 1996 Hitachi SR2201 vylepšil ante s 2048 procesormi, aby dosiahol maximálny výkon 600 gigaflopov.

Teraz, kde bol intel? Spoločnosť, ktorá sa etablovala ako popredný výrobca čipov na spotrebiteľskom trhu, sa do konca storočia nespravodlivo nerozvrhla v oblasti superpočítačov. Dôvodom bolo, že technológie boli celkom veľmi odlišné zvieratá. Napríklad superpočítače boli navrhnuté tak, aby zachytávali čo najväčší možný výkon pri osobnom spracovaní počítače boli všetky o stlačení účinnosti z minimálnej chladenie schopnosti a obmedzené dodávky energie. Takže v roku 1993 inžinieri spoločnosti Intel konečne prepadli tým, že sa odvážne priblížili k tomu, že budú masívne paralelne s internetom 3 680 procesorov Intel XP / S 140 Paragon, ktoré do júna 1994 vyšplhali na vrchol superpočítača rebríčky. Bol to prvý masívne paralelný procesor superpočítača, ktorý bol nepochybne najrýchlejším systémom na svete.

Doteraz bolo superpočítanie doménou najmä tých, ktorí majú také hlboké vrecká na financovanie takýchto ambicióznych projektov. To sa zmenilo v roku 1994, keď dodávatelia v Goddardovom vesmírnom letovom centre NASA, ktorí nemali taký luxus, prišli s šikovný spôsob, ako využiť silu paralelného výpočtu prepojením a konfiguráciou série osobných počítačov pomocou ethernetu siete. Klastrový systém „Beowulf“, ktorý vyvinuli, pozostával zo 16 procesorov 486DX, schopných pracovať v rozsahu gigaflops a náklady na jeho výstavbu boli nižšie ako 50 000 dolárov. Predtým, ako sa Linux stal operačným systémom voľby pre superpočítače, mal tiež rozlišovanie medzi systémom Linux a Unix. Čoskoro boli kutilovia všade nasledovaní podobnými plánmi, aby si založili svoje vlastné klastre Beowulfov.

Po vzdaní sa titulu v roku 1996 na Hitachi SR2201 sa Intel vrátil v tomto roku s dizajnom založeným na Paragone s názvom ASCI Red, ktorý pozostával z viac ako 6 000 200 MHz Procesory Pentium Pro. Napriek tomu, že sa ASCI Red vzdialil od vektorových procesorov v prospech off-the-shelf komponentov, získal vyznamenanie za prvý počítač, ktorý prelomil bariéru jedného bilióna flopov (1 teraflop). V roku 1999 jej upgrade umožnil prekonať tri bilióny flopov (3 teraflopy). ASCI Red bola inštalovaná v Sandia National Laboratories a bola používaná predovšetkým na simuláciu jadrového výbuchu a na pomoc pri údržbe krajiny. jadrový arzenál.

Po tom, čo Japonsko znovu prevzalo superpočítačové vedenie na obdobie s simulátorom NEC Earth 35,9 teraflops, IBM priniesla superpočítač do bezprecedentných výšok od roku 2004 s Blue Gene / L. V tom roku IBM debutovala s prototypom, ktorý sotva ohraničil Earth Simulator (36 teraflops). A do roku 2007 by inžinieri zvýšili hardvér, aby posunuli svoju kapacitu spracovania na vrchol takmer 600 teraflopov. Je zaujímavé, že tím bol schopný dosiahnuť také rýchlosti tým, že šiel s použitím viac čipov, ktoré boli relatívne nízke, ale energeticky účinnejšie. V roku 2008 sa spoločnosť IBM opäť rozbehla, keď zapla Roadrunner, prvý superpočítač, ktorý prekročil jeden štvorcový milión operácií s pohyblivou rádovou čiarkou za sekundu (1 petaflops).