Seymour Cray un superdators

Daudzi no mums ir pazīstami ar datori. Jūs, visticamāk, tagad izmantojat šo emuāra ziņas lasīšanu, jo tādas ierīces kā klēpjdatori, viedtālruņi un planšetdatori būtībā ir viena un tā pati skaitļošanas tehnoloģija. Superdatori, no otras puses, ir nedaudz ezotēriski, jo tos bieži uzskata par drūmiem, dārgiem, enerģijas sūkšanas mašīnas, kuras ir izstrādājušas valdības iestādes, pētniecības centri un lielas firmas.

Piemēram, Ķīnas Sunway TaihuLight, kas šobrīd ir ātrākais superdators pasaulē, saskaņā ar Top500 superdatoru klasifikāciju. Tas sastāv no 41 000 mikroshēmu (procesoru vien svars pārsniedz 150 tonnas), maksā apmēram 270 miljonus dolāru un tā jauda ir 15 371 kW. Plusa pusē tas tomēr spēj veikt kvadriljonus aprēķinu sekundē un var uzglabāt līdz 100 miljoniem grāmatu. Un tāpat kā citi superdatori, tas tiks izmantots, lai risinātu dažus sarežģītākos uzdevumus zinātnes jomā, piemēram, laika prognozi un zāļu izpēti.

Priekšstats par superdatoru vispirms radās pagājušā gadsimta 60. gados, kad elektrotehniķis, vārdā Seimūrs Krejs, sāka izveidot visātrāko datoru pasaulē. Kerija, kuru uzskatīja par “superdatoru tēvu”, bija atstājusi amatu biznesa skaitļošanas gigantā Sperry-Rand pievienoties jaunizveidotajai Control Data Corporation, lai viņš varētu koncentrēties uz attīstību zinātniskie datori. Pasaulē ātrākā datora titulu tajā laikā ieguva IBM 7030 “Stretch”, kurš viens no pirmajiem vakuuma lampu vietā izmantoja tranzistorus.

1964. gadā Kerijs iepazīstināja ar CDC 6600, kurā bija tādas inovācijas kā germānija tranzistoru izslēgšana par labu silīcijam un uz Freona balstīta dzesēšanas sistēma. Vēl svarīgāk ir tas, ka tas darbojās ar ātrumu 40 MHz, sekundē veicot aptuveni trīs miljonus peldošā komata operāciju, kas to padarīja par ātrāko datoru pasaulē. Bieži uzskatāms par pasaulē pirmo superdatoru, CDC 6600 bija 10 reizes ātrāks nekā vairums datoru un trīs reizes ātrāks nekā IBM 7030 Stiepjas. Galu galā nosaukums tika atdots 1969. gadā tā pēctecim CDC 7600.

1972. gadā Krejs pameta Control Data Corporation, lai izveidotu savu uzņēmumu Cray Research. Pēc kāda laika piesaistot sākuma kapitālu un investoru finansējumu, Cray debitēja Cray 1, kas atkal palielināja joslu datora veiktspējai par plašu rezervi. Jaunā sistēma darbojās ar 80 MHz takts ātrumu un veica 136 miljonus peldošā komata darbību sekundē (136 megaflops). Pie citām unikālām funkcijām pieder jaunāka veida procesors (vektora apstrāde) un ātrumam optimizēta pakavas formas konstrukcija, kas samazina ķēžu garumu. Cray 1 tika uzstādīts Los Alamos Nacionālajā laboratorijā 1976. gadā.

Līdz astoņdesmitajiem gadiem Kerija bija kļuvusi par galveno vārdu superdatorā, un tika gaidīts, ka ikviens jauns laidiens apgāzīs viņa iepriekšējos centienus. Tātad, kamēr Cray bija aizņemts, strādājot pie Cray 1 pēcteča, atsevišķa kompānijas komanda izlaida Cray X-MP - modeli, par kuru tika iekasēta maksa par Cray 1 “sakoptāku” versiju. Tam bija tāds pats pakavas formas dizains, bet tas lepojās ar vairākiem procesoriem, koplietojamo atmiņu un dažreiz tiek aprakstīts kā divi 1. krēms, kas savienoti kopā kā viens. Cray X-MP (800 megaflops) bija viens no pirmajiem “daudzprocesoru” dizainiem un palīdzēja atvērt durvis paralēlo apstrādi, kurā skaitļošanas uzdevumi tiek sadalīti daļās un vienlaicīgi izpildīti ar savādāk pārstrādātāji.

Cray X-MP, kas tika pastāvīgi atjaunināts, kalpoja par standarta nesēju līdz ilgi gaidītajam Cray 2 palaišanai 1985. gadā. Tāpat kā tās priekšgājēji, arī Cray jaunākais un lielākais izvēlējās to pašu pakavas formas dizainu un pamata izkārtojumu ar integrētajām shēmām, kas saliktas kopā uz loģikas dēļiem. Šoreiz tomēr komponenti tika salikti tik cieši, ka siltums izkliedēja datoru, lai to iegremdētu šķidruma dzesēšanas sistēmā. Cray 2 bija aprīkots ar astoņiem procesoriem un “priekšplāna procesoru”, kas atbild par uzglabāšanu, atmiņa un instrukciju sniegšana “fona procesoriem”, kuriem bija uzticēts faktiskais aprēķins. Kopumā tā apstrādes ātrums bija 1,9 miljardi operācijas ar peldošo komatu sekundē (1,9 Gigaflops), divas reizes ātrāk nekā Cray X-MP.

Lieki piebilst, ka Krejs un viņa dizaini valdīja superdatora agrīnajā ērā. Bet viņš nebija vienīgais, kurš izvirzījās laukumā. 80. gadu sākumā parādījās arī masveidā paralēli datori, kurus darbina tūkstošiem procesoru, un visi strādā tandēmā, lai sagrautu veiktspējas barjeras. Dažas no pirmajām daudzprocesoru sistēmām izveidoja W. Daniels Hilis, kurš nāca klajā ar ideju kā Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta maģistrants. Toreizējais mērķis bija pārvarēt ātruma ierobežojumus, piemēram, ar CPU tiešajiem aprēķiniem apstrādātājus, izveidojot decentralizētu procesoru tīklu, kas darbojās līdzīgi smadzeņu neironam tīkls. Viņa ieviestais risinājums, kas 1985. gadā tika ieviests kā Connection Machine vai CM-1, parādīja 65 536 savstarpēji savienotus viena bita procesorus.

90. gadu sākums iezīmēja beigām, kad Kerija bija nožēlojusies par superdatoru. Līdz tam superdatoru veidošanas pionieris bija atdalījies no Cray Research, izveidojot Cray Computer Corporation. Uzņēmumam viss sāka iet uz dienvidiem, kad Cray 3 projektam, kas bija paredzēts Cray 2 pēctecis, radās vesela virkne problēmu. Viena no Kreija lielākajām kļūdām bija gallija arsenīda pusvadītāju - jaunākas tehnoloģijas - izvēle par veidu, kā sasniegt viņa izvirzīto mērķi - divpadsmit reizes uzlabot apstrādes ātrumu. Galu galā kavēšanās radās grūtības tos izgatavot, kā arī citas tehniskas komplikācijas gadu gaitā, un rezultātā daudzi uzņēmuma potenciālie klienti galu galā zaudēja interese. Pēc neilga laika uzņēmumam izbeidza naudu un iesniedza pieteikumu bankrots 1995. gadā.

Kreija cīņas ļautu mainīt sava veida aizsargu, jo konkurējošās japāņu skaitļošanas sistēmas dominēs laukumā daudzus desmit gadus. Tokijā bāzētā NEC Corporation pirmo reizi uz skatuves ieradās 1989. gadā ar SX-3 un gadu vēlāk atklāja četru procesoru versiju, kas pārņēma kā ātrākais dators pasaulē, tikai lai tiktu aizēnota 1993. gadā. Tajā gadā Fujitsu skaitliskais vēja tunelis ar 166 vektora procesoru brutālo spēku kļuva par pirmo superdatoru, kas pārspēja 100 gigaflopus (blakuspiezīme: lai jums ideja par to, cik strauji attīstās tehnoloģija, ātrākie patērētāju procesori 2016. gadā var viegli izdarīt vairāk nekā 100 gigaflopus, bet tajā laikā tas bija īpaši iespaidīgs). 1996. gadā Hitachi SR2201 pārsniedza ante ar 2048 procesoriem, lai sasniegtu maksimālo jaudu 600 gigaflops.

Tagad, kur bija Intel? Uzņēmums, kas sevi bija izveidojis par vadošo mikroshēmu ražotāju patērētāju tirgū, līdz gadsimta beigām īsti neveicināja superdatoru darbību. Tas notika tāpēc, ka tehnoloģijas bija ļoti atšķirīgi dzīvnieki. Piemēram, superdatori tika izstrādāti, lai iestrēgtu pēc iespējas vairāk apstrādes jaudas, kamēr tās būtu personīgas datori bija saistīti ar efektivitātes samazināšanu no minimālām dzesēšanas iespējām un ierobežotas enerģijas piegādes. Tātad 1993. gadā Intel inženieri beidzot sāka ienirt, izvēloties drosmīgu pieeju masveidā paralēli ar 3680 procesors Intel XP / S 140 Paragon, kurš līdz 1994. gada jūnijam bija sasniedzis superdatora virsotni klasifikācija. Tas bija pirmais masveidā paralēlais procesora superdators, kas neapšaubāmi ir visātrākā sistēma pasaulē.

Līdz šim superdatorizācija galvenokārt bija to cilvēku joma, kuriem ir ļoti dziļas kabatas, lai finansētu tik vērienīgus projektus. Tas viss mainījās 1994. gadā, kad NASA Goddard kosmosa lidojumu centra darbuzņēmēji, kuriem nebija šāda veida greznības, nāca klajā ar gudrs veids, kā izmantot paralēlās skaitļošanas jaudu, sasaistot un konfigurējot personālo datoru sērijas, izmantojot Ethernet tīkls. Viņu izstrādātā “Beowulf klasteru” sistēma sastāvēja no 16 486DX procesoriem, kas spēj darboties gigaflops diapazonā un kuru celtniecība izmaksāja mazāk nekā 50 000 USD. Pirms Linux kļuva par superdatoru izvēlētajām operētājsistēmām, tai bija atšķirība darbināt Linux, nevis Unix. Diezgan ātri visur, kur do-to-yourselfers, sekoja līdzīgi plāni, lai izveidotu savas Bovulfa kopas.

Pēc tam, kad 1996. gadā tika atteicies no Hitachi SR2201 nosaukuma, Intel tajā gadā atgriezās ar dizainu, kura pamatā bija Paragons un kuru sauca par ASCI Red un kas bija vairāk nekā 6000 200MHz Pentium Pro procesori. Neskatoties uz attālināšanos no vektora procesoriem par labu tradicionālajiem komponentiem, ASCI Red ieguva atšķirību kā pirmais dators, kurš pārkāpa viena triljona flopu barjeru (1 teraflops). Līdz 1999. gadam jauninājumi ļāva tai pārspēt trīs triljonus kritienu (3 teraflopi). ASCI Red tika uzstādīts Sandijas Nacionālās laboratorijās, un to galvenokārt izmantoja, lai modelētu kodolsprādzienus un palīdzētu uzturēt valsts kodolarsenāls.

Pēc tam, kad Japāna atkārtoti pārveidoja superdatoru vadību uz laiku, izmantojot 35,9 teraflops NEC Earth Simulator, IBM 2004. gadā ar Blue Gene / L pārsniedza superdatoru bezprecedenta augstumā. Tajā gadā IBM debitēja par prototipu, kurš tik tikko izvirzīja Zemes simulatoru (36 teraflopi). Un līdz 2007. gadam inženieri paaugstinātu aparatūru, lai tās apstrādes iespējas sasniegtu gandrīz 600 teraflopu maksimumu. Interesanti, ka komanda spēja sasniegt šādus ātrumus, dodoties ar pieeju, lai izmantotu vairāk mikroshēmas, kuru enerģija ir salīdzinoši maza, bet energoefektīvākas. 2008. gadā IBM atkal izlauzās, ieslēdzot Roadrunner - pirmo superdatoru, kas pārsniedza vienu kvadriljonu peldošā komata darbību sekundē (1 petaflops).