Seymour Cray ja superarvuti

Paljud meist on tuttavad arvutid. Tõenäoliselt kasutate seda ajaveebipostituse lugemiseks nüüd ühte, kuna sellised seadmed nagu sülearvutid, nutitelefonid ja tahvelarvutid on põhimõtteliselt samad arvutustehnoloogiad. Superarvutid on seevastu mõneti esoteerilised, kuna neid peetakse sageli kohmakateks, kulukateks, energia imemismasinad, mis on välja töötatud nii valitsusasutustele, uurimiskeskustele kui ka suurtele firmad.

Võtame näiteks Hiina Sunway TaihuLight, mis on praegu maailma kiireim superarvuti, vastavalt Top500 superarvuti edetabelile. See koosneb 41 000 kiibist (ainuüksi protsessorid kaaluvad üle 150 tonni), maksavad umbes 270 miljonit dollarit ja selle võimsus on 15 371 kW. Plussküljel on see aga võimeline teostama kvadriljonit arvutust sekundis ja mahutab kuni 100 miljonit raamatut. Ja nagu ka muid superarvuteid, kasutatakse seda ka teaduse kõige keerukamate ülesannete lahendamiseks, näiteks ilmateade ja ravimiuuringud.

Superarvuti mõiste tekkis esmakordselt 1960ndatel, kui elektrimootor Seymour Cray nimetas maailma kiireima arvuti loomist. Cray, keda peetakse „superarvutite arvutamise isaks“, oli lahkunud oma ametikohalt arvutiarvutite hiiglas Sperry-Rand liituda äsja moodustatud Control Data Corporationiga, et ta saaks keskenduda arendamisele teaduslikud arvutid. Maailma kiireima arvuti tiitlit kandis omal ajal IBM 7030 “Stretch”, mis oli üks esimesi, kes vaakumtorude asemel kasutas transistore.

1964. aastal tutvustas Cray CDC 6600, mis sisaldas selliseid uuendusi nagu germaaniumi transistoride väljalülitamine räni ja Freoonil põhineva jahutussüsteemi kasuks. Veelgi olulisem on see, et see töötab kiirusel 40 MHz, teostades umbes kolm miljonit ujukomaga operatsiooni sekundis, mis tegi sellest maailma kiireima arvuti. CDC 6600, mida sageli peetakse maailma esimeseks superarvutiks, oli kümme korda kiirem kui enamikul arvutitel ja kolm korda kiirem kui IBM 7030 venitus. Lõplikult loovutati tiitel 1969. aastal oma järeltulijale CDC 7600.

1972. aastal lahkus Cray Control Data Corporationist, et moodustada oma ettevõte Cray Research. Pärast mõnda aega stardikapitali kogumist ja investorite finantseerimist debüteeris Cray Cray 1, mis tõstis taas arvuti jõudluse riba laia varuga. Uus süsteem töötas kiirusel 80 MHz ja teostas sekundis 136 miljonit ujukomaga operatsiooni (136 megaflops). Muud unikaalsed funktsioonid hõlmavad uut tüüpi protsessorit (vektoritöötlust) ja kiiruse jaoks optimeeritud hobuserauakujulist kujundust, mis minimeerib vooluringide pikkuse. Cray 1 paigaldati Los Alamose riiklikku laborisse 1976. aastal.

1980-ndateks oli Cray ennast superarvutites peamiseks nimeks pannud ja iga uus väljaanne eeldas laialdaselt tema varasemate pingutuste ümberlükkamist. Ehkki Cray tegeles usinalt Cray 1 järeltulijaga, pani ettevõtte eraldi meeskond välja Cray X-MP, mudeli, mille eest arveldati Cray 1 rohkem "puhastatud" versioon. Sellel oli sama hobuserauakujuline kujundus, kuid sellel oli mitu protsessorit, jagatud mälu ja seda kirjeldatakse mõnikord kui kahte Cray 1-d, mis on omavahel ühendatud ühena. Cray X-MP (800 megaflops) oli üks esimesi mitmeprotsessorilisi disainilahendusi ja aitas avada ukse paralleelne töötlemine, kus arvutamisülesanded jagatakse osadeks ja täidetakse samaaegselt erinevad töötlejad.

Pidevalt uuendatav Cray X-MP töötas tavalise kandjana kuni Cray 2 kauaoodatud turuletulekuni 1985. aastal. Nagu eelkäijad, võttis ka Cray uusim ja parim sama hobuserauakujulise kujunduse ja põhipaigutuse koos integreeritud vooluringidega, mis on laotud loogikatahvlitele. Seekord olid komponendid aga nii tihedalt kokku pressitud, et kuumuse hajutamiseks tuli arvuti sukeldada vedelasse jahutussüsteemi. Cray 2 oli varustatud kaheksa protsessoriga, mille esiplaanil töötav protsessor vastutab ladustamise eest, mälu ja juhiste andmine „taustprotsessoritele”, kellele tehti ülesandeks tegelik arvutus. Kokku oli selle töötlemiskiirus 1,9 miljardit ujukomaoperatsioonid sekundis (1,9 Gigaflops), kaks korda kiiremini kui Cray X-MP.

Ütlematagi selge, et Cray ja tema kujundused valitsesid superarvuti varajast ajastut. Kuid ta polnud ainus, kes põllul edasi liikus. 80ndate alguses ilmnesid ka massiliselt paralleelsed arvutid, mida toidavad tuhanded protsessorid, kes kõik töötavad jõudlusbarjääride purustamiseks. Mõned esimestest mitmeprotsessorilistest süsteemidest lõi W. Daniel Hillis, kes tuli selle idee välja Massachusettsi tehnoloogiainstituudi magistrandina. Tol ajal oli eesmärk ületada kiirusepiirangutele, mis muu hulgas hõlmasid keskseadme otseseid arvutusi protsessorite jaoks, töötades välja detsentraliseeritud protsessorite võrgu, mis toimis sarnaselt aju närviga võrk. Tema rakendatud lahenduses, mis tutvustati 1985. aastal ühendusseadmena või CM-1, oli 65 536 ühendatud ühebitist protsessorit.

90ndate algus tähistas Cray superarvutite kägistamise lõpu algust. Selleks ajaks oli superarvutite pioneer Cray Researchist eraldunud, et moodustada Cray Computer Corporation. Asjad hakkasid ettevõtte jaoks lõuna poole minema, kui Cray 3 projektiga, mis oli Cray 2 kavandatud järeltulija, tekkis terve rida probleeme. Cray üks peamisi vigu oli galliumarseniidi pooljuhtide - uuema tehnoloogia - valimine oma eesmärgi saavutamiseks - töötlemise kiiruse kaheteistkordseks parandamiseks - saavutamiseks. Lõppkokkuvõttes viivitasid nende valmistamise raskused koos muude tehniliste komplikatsioonidega aastaid kestnud projekti tulemusel paljud ettevõtte potentsiaalsed kliendid kaotasid lõpuks huvi. Enne pikka aega sai ettevõttel raha otsa ja ta esitas avalduse pankrot aastal 1995.

Cray võitlused annaksid võimaluse muuta omavalvurit, kuna konkureerivad Jaapani arvutisüsteemid domineerivad valdkonnas palju kümnendit. Tokyos asuv NEC Corporation asus sündmuskohale esmakordselt 1989. aastal koos SX-3-ga ja aasta hiljem avalikustas nelja protsessoriga versiooni, mis võttis üle maailma kiireima arvutina, ainult et see oleks varjatud aastal 1993. Sel aastal sai Fujitsu numbriline tuuletunnel 166 vektorprotsessori julma jõuga esimeseks superarvutiks, mis ületas 100 gigablokki (külgmärkus: et anda teile idee sellest, kui kiiresti tehnoloogia areneb, saavad 2016. aasta kiiremad tarbijaprotsessorid hõlpsalt teha rohkem kui 100 gigablokki, kuid omal ajal oli see eriti muljetavaldav). Aastal 1996 ülendas Hitachi SR2201 ante 2048 protsessoriga, et saavutada maksimaalne jõudlus 600 gigablapsi.

Nüüd kus oli Intel? Tarbijaturu juhtiva kiibitootjana end sisse seadnud ettevõte ei teinud superarvutite valdkonnas tegelikult veel sajandi lõpupoole plaani. Selle põhjuseks oli asjaolu, et tehnoloogiad olid väga erinevad loomad. Näiteks superarvutid olid konstrueeritud nii, et need ummistaksid võimalikult palju töötlemisvõimsust, olles samas isiklikud arvutite eesmärk oli vähendada tõhusust minimaalsetest jahutusvõimalustest ja piiratud energiavarustusest. Nii võtsid Inteli insenerid 1993. aastal lõpuks ohjad, astudes julgele lähenemisviisile, et minna masinaga paralleelselt 3680 protsessor Intel XP / S 140 Paragon, mis 1994. aasta juuniks oli tõusnud superarvuti tippu paremusjärjestus. See oli esimene massiliselt paralleelne protsessori superarvuti, mis oli vaieldamatult kiireim süsteem maailmas.

Kuni selle hetkeni on superarvutid olnud peamiselt nende inimeste pärusmaa, kellel on sellised sügavad taskud, et selliseid ambitsioonikaid projekte rahastada. See kõik muutus 1994. aastal, kui NASA Goddardi kosmoselennukeskuse töövõtjad, kellel polnud sellist luksust, tulid välja nutikas viis paralleelse andmetöötluse võimsuse kasutamiseks, ühendades ja konfigureerides personaalarvutite sarja Etherneti abil võrk. Nende välja töötatud “Beowulfi klastri” süsteem koosnes 16 486DX protsessorist, mis on võimelised töötama gigaflopside vahemikus ja mille ehitamine läks maksma vähem kui 50 000 dollarit. Enne Linuxist sai superarvutite jaoks valitud opsüsteemide eristamist ka Unixi asemel Linux. Üsna pea järgiti kõikjal "tee-seda-ise" -lubasid sarnastele joonistele, et luua oma Beowulfi klastrid.

Pärast 1996. aastal Hitachi SR2201 tiitlist loobumist tuli Intel sel aastal tagasi Paragonil põhineva disainilahendusega nimega ASCI Red, mis koosnes rohkem kui 6000 200MHz Pentium Pro protsessorid. Hoolimata sellest, et ta eemaldus vektorprotsessoritest tavapäraste komponentide kasuks, sai ASCI Red eristatuse - oli esimene arvuti, mis murdis ühe triljoni flopi barjääri (1 teraflops). 1999. aastaks võimaldasid uuendused sellel ületada kolm triljonit floppi (3 teraflopi). ASCI Red paigaldati Sandia riiklikesse laboratooriumitesse ja seda kasutati peamiselt tuumaplahvatuste simuleerimiseks ja riigi hooldamisel tuumaarsenal.

Pärast seda, kui Jaapan superarvuti juhtimise perioodi jooksul 35,9 teraflopsise NEC Earth Simulatoriga ümber kujundas, viis IBM superarvuti enneolematutele kõrgustele alates 2004. aastast Blue Gene / L abil. Sel aastal debüteeris IBM prototüübi, mis vaevalt servas Earth Simulatori (36 teraflopi). Ja 2007. aastaks tõstaksid insenerid riistvara üles, et viia selle töötlemise võime tippu ligi 600 teraflopi. Huvitav on see, et meeskond suutis sellise kiiruse saavutada, kasutades lähenemisviisi kasutada rohkem suhteliselt väikese võimsusega, kuid energiatõhusamaid kiipe. 2008. aastal murdis IBM taas teed, kui lülitas sisse Roadrunneri - esimese superarvuti, mis ületas ühe kvadriljoni ujukomatehingu sekundis (1 petaflops).