Сиймор Крей и суперкомпютърът

Много от нас са запознати компютри. Вероятно използвате такъв, за да четете тази публикация в блога, тъй като устройства като лаптопи, смартфони и таблети са по същество една и съща основна изчислителна технология. Суперкомпютрите, от друга страна, са донякъде езотерични, тъй като често се мислят за дълги, скъпи, машини за смучене на енергия, разработени като цяло за държавни институции, изследователски центрове и големи фирми.

Вземете за пример китайския Sunway TaihuLight, който в момента е най-бързият суперкомпютър в света, според класацията на суперкомпютърите в Top500. Той се състои от 41 000 чипа (процесорите сами тежат над 150 тона), струва около 270 милиона долара и има мощност от 15 371 кВт. От плюс, обаче, той е в състояние да извършва кадрили изчисления в секунда и може да съхранява до 100 милиона книги. И като други суперкомпютри, той ще бъде използван за справяне с някои от най-сложните задачи в областта на науката като прогноза на времето и изследвания на наркотиците.

Идеята за суперкомпютър възникна за първи път през 60-те години на миналия век, когато електротехник на име Сиймор Крей започна да създава най-бързия компютър в света. Крей, смятан за „баща на суперкомпютрите“, беше напуснал длъжността си в гиганта за бизнес изчисления Sperry-Rand, за да се присъедини към новосформираната корпорация за контрол на данни, така че да може да се съсредоточи върху развитието научни компютри. Заглавието на най-бързия компютър в света беше държано по това време от IBM 7030 „Stretch“, един от първите, които използват транзистори вместо вакуумни тръби.

През 1964 г. Cray представи CDC 6600, който включва иновации като изключване на германиеви транзистори в полза на силиций и система за охлаждане на базата на фреон. По-важното е, че той работи със скорост 40 MHz, изпълнявайки приблизително три милиона операции с плаваща запетая в секунда, което го направи най-бързият компютър в света. Често считан за първият суперкомпютър в света, CDC 6600 беше 10 пъти по-бърз от повечето компютри и три пъти по-бърз от IBM 7030 Разтягане. Заглавието в крайна сметка се отказа през 1969 г. на своя наследник CDC 7600.

През 1972 г. Cray напуска корпорацията Control Data, за да създаде собствена компания Cray Research. След известно време набиране на семеен капитал и финансиране от инвеститори, Крей дебютира Cray 1, който отново вдигна летвата за компютърна производителност с голям марж. Новата система работи с тактова скорост 80 MHz и изпълнява 136 милиона операции с плаваща запетая в секунда (136 мегафлопа). Други уникални функции включват по-нов тип процесор (векторна обработка) и оптимизирана за скорост дизайн подкова, която минимизира дължината на схемите. Cray 1 е инсталиран в Националната лаборатория в Лос Аламос през 1976 г.

До 80-те години Крей се бе утвърдил като превъзходно име в суперкомпютрите и се очакваше всяка нова версия да свали предишните му усилия. И така, докато Cray беше зает да работи върху наследник на Cray 1, отделен екип от компанията изложи Cray X-MP, модел, който беше таксуван като по-почистена версия на Cray 1. Той споделяше същия дизайн под формата на подкова, но се похвали с множество процесори, сподели памет и понякога се описва като два Cray 1, свързани заедно като един. Cray X-MP (800 мегафлопа) беше един от първите „многопроцесорни“ дизайни и помогна за отварянето на вратата към паралелна обработка, при която изчислителните задачи се разделят на части и се изпълняват едновременно от различен процесори.

Cray X-MP, който се актуализира непрекъснато, служи като стандартен носител до дългоочакваното пускане на Cray 2 през 1985 година. Подобно на своите предшественици, най-новото и най-доброто на Cray взе същия дизайн под формата на подкова и основно оформление с интегрирани схеми, подредени заедно върху логически табла. Този път обаче компонентите бяха натъпкани толкова плътно, че компютърът трябваше да бъде потопен в система за течно охлаждане, за да разсее топлината. Cray 2 е оборудван с осем процесора, с „процесор на преден план“, който отговаря за обработката на хранилището, памет и даване на инструкции на „фоновите процесори“, на които беше възложено действителното изчисление. Общо той набра скорост на обработка от 1,9 милиарда операции с плаваща запетая в секунда (1.9 Gigaflops), два пъти по-бърз от Cray X-MP.

Излишно е да казвам, че Крей и неговите проекти управляваха ранната ера на суперкомпютъра. Но той не беше единственият, който напредва на терена. В началото на 80-те също се появиха масово паралелни компютри, задвижвани от хиляди процесори, всички работещи в тандем, за да разбият макар и бариерите в производителността. Някои от първите многопроцесорни системи са създадени от W. Даниел Хилис, който дойде на идеята като аспирант в Масачузетския технологичен институт. По това време целта беше да се преодолеят ограниченията на скоростта на преките изчисления на процесора сред останалите процесори чрез разработване на децентрализирана мрежа от процесори, които функционираха подобно на невронния мозък мрежа. Реализираното му решение, въведено през 1985 г. като Connection Machine или CM-1, включва 65 536 взаимосвързани еднобитни процесори.

Ранните 90-те бележи началото на края за удушението на Cray за суперкомпютри. Дотогава суперкомпютърният пионер се е отделил от Cray Research, за да образува Cray Computer Corporation. Нещата започнаха да тръгват на юг за компанията, когато проектът Cray 3, планираният наследник на Cray 2, се сблъска с цял куп проблеми. Една от основните грешки на Крей беше избирането на галиев арсенид полупроводници - по-нова технология - като начин за постигане на заявената му цел - дванадесеткратно подобряване на скоростта на обработка. В крайна сметка трудностите при производството им, заедно с други технически усложнения, в крайна сметка се забавиха проектът в продължение на години и доведе до много от потенциалните клиенти на компанията в крайна сметка да загубят интерес. Преди дълго компанията изчерпа парите и подаде молба банкрут през 1995г.

Борбата на Cray ще отстъпи място за смяна на рода пазари, тъй като конкурентните японски изчислителни системи ще доминират на полето през по-голямата част от десетилетието. Базираната в Токио NEC Corporation за пръв път излезе на сцената през 1989 г. със SX-3 и година по-късно представи четирипроцесорна версия, която се превърна в най-бързият компютър в света, само за да бъде затъмнена през 1993г. През същата година Numerical Tunel на Fujitsu, с грубата сила на 166 векторни процесора, стана първият суперкомпютър, който надмина 100 гигафлопа (Side note: Да ви даде идея колко бързо напредва технологията, най-бързите потребителски процесори през 2016 г. могат лесно да направят повече от 100 гигафлопа, но по това време беше особено впечатляващо). През 1996 г. Hitachi SR2201 повиши антето с 2048 процесори, за да достигне максимална производителност от 600 гигафлопа.

Сега, къде беше Intel? Компанията, която се утвърди като водещ производител на чип производители на пазара, всъщност не направи пръскане в сферата на суперкомпютрите до края на века. Това беше така, защото технологиите бяха съвсем различни животни. Суперкомпютрите например са проектирани така, че да задържат колкото се може повече процесорна мощност, докато са лични компютрите бяха свързани със стискане на ефективността от минимални възможности за охлаждане и ограничено захранване. Така през 1993 г. инженерите на Intel най-накрая се отдалечиха, като предприемат смелия подход да вървят масово паралелно с 3680 процесор Intel XP / S 140 Paragon, който до юни 1994 г. се изкачи до върха на суперкомпютъра класации. Това беше първият масово успореден процесор на суперкомпютър, безспорно най-бързата система в света.

До този момент суперкомпютрите бяха предимно домейнът на тези с вид на дълбоки джобове за финансиране на такива амбициозни проекти. Всичко се промени през 1994 г., когато изпълнителите в Центъра за космически полети на Годард на НАСА, които не разполагаха с такъв тип лукс, излязоха с интелигентен начин да се използва силата на паралелните изчисления чрез свързване и конфигуриране на серия от персонални компютри с помощта на етернет мрежа. Системата „Beowulf cluster”, която те разработиха, се състоеше от 16 486DX процесора, способни да работят в обхвата на gigaflops и да струват под 50 000 долара за изграждане. Освен това той имаше отличието да работи с Linux, а не от Unix, преди Linux да се превърне в операционните системи на избор за суперкомпютри. Доста скоро навсякъде са направени подобни оператори, които са били последвани от подобни чертежи, за да създадат свои собствени клъстери Beowulf.

След отстъпването на заглавието през 1996 г. на Hitachi SR2201, Intel се завърна през същата година с дизайн, базиран на Paragon, наречен ASCI Red, който се състоеше от повече от 6000 200MHz Процесори Pentium Pro. Въпреки че се отдалечава от векторните процесори в полза на нестандартните компоненти, ASCI Red спечели отличието като първият компютър, който преодоля бариерата от трилион флопа (1 терафлопс). До 1999 г. ъпгрейдите му позволиха да надмине три трилиона флопа (3 терафлопа). ASCI Red е инсталиран в националните лаборатории Sandia и се използва предимно за симулиране на ядрени експлозии и подпомагане на поддържането на страната ядрен арсенал.

След като Япония отново изведе суперкомпютриращия лидер за период с 35.9 терафлопския NEC Earth Simulator, IBM доведе суперкомпютрите до безпрецедентни височини, като започна през 2004 г. със Blue Gene / L. През същата година IBM дебютира прототип, който едва успя да пресече симулатора на Земята (36 терафлопа). И до 2007 г. инженерите ще увеличат хардуера, за да избутат способността му за обработка до пик от близо 600 терафлопа. Интересното е, че екипът успя да постигне такива скорости, като подходи с използването на повече чипове, които бяха с относително ниска мощност, но по-енергийно ефективни. През 2008 г. IBM отново се счупи, когато включи Roadrunner, първият суперкомпютър, който надхвърли една квадрилион операции с плаваща запетая в секунда (1 петафлопс).