Seymour Cray i superračunalo

Mnogi od nas su upoznati računala. Vjerojatno ćete ga koristiti za čitanje ovog bloga jer su uređaji poput prijenosnih računala, pametnih telefona i tableta u osnovi ista računalna tehnologija. Superračunala, s druge strane, pomalo su ezoterična jer se često smatra kao oklijevajući, skup, strojevi za usisavanje energije razvijeni su u velikoj mjeri za vladine institucije, istraživačke centre i velike tvrtke.

Uzmimo za primjer kineski Sunway TaihuLight, trenutno najbrže superračunalo na svijetu, prema rang listi superračunala Top500. Sastoji se od 41.000 čipova (samo procesori teže 150 tona), a košta oko 270 milijuna dolara i ocjena snage 15.371 kW. S pozitivne strane, međutim, može izvršiti četverogodišnje proračune u sekundi i može pohraniti do 100 milijuna knjiga. Kao i drugi superračunala, on će se koristiti u rješavanju nekih od najsloženijih zadataka u znanstvenim područjima, poput prognoze vremena i istraživanja lijekova.

Pojam superračunala nastao je 1960-ih kada je inženjer elektrotehnike po imenu Seymour Cray krenuo u stvaranje najbržeg računala na svijetu. Cray, koji se smatra „ocem superračunara“, napustio je svoje mjesto u gigantu za poslovne računske tehnologije Sperry-Rand će se pridružiti novoosnovanoj korporaciji Control Data kako bi se mogao usredotočiti na razvoj znanstvena računala. Naslov najbržeg računala na svijetu u to je vrijeme nosio IBM 7030 „Stretch“, jedan od prvih koji je umjesto vakuumskih cijevi koristio tranzistore.

Cray je 1964. predstavio CDC 6600, koji je sadržavao inovacije poput isključivanja germanijevih tranzistora u korist silicija i sustava hlađenja koji se temelji na Freonu. Još važnije, radila je brzinom od 40 MHz, izvršavajući otprilike tri milijuna operacija s pomičnim zarezom u sekundi, što ju je učinilo najbržim računarom na svijetu. Često se smatra prvim superračunalom na svijetu, CDC 6600 je 10 puta brži od većine računala i tri puta brži od IBM 7030 Stretch. Naslov je na kraju odustao 1969. godine nasljedniku CDC 7600.

Cray je 1972. godine napustio Control Data Corporation radi osnivanja vlastite tvrtke Cray Research. Nakon nekog vremena prikupljanja osnovnog kapitala i financiranja od investitora, Cray je debitirao Cray 1, koji je opet podigao traku za računalnim performansama s velikom maržom. Novi sustav kretao se u taktovima od 80 MHz i obavljao je 136 milijuna operacija s pomičnim zarezom u sekundi (136 megaflopa). Ostale jedinstvene značajke uključuju noviju vrstu procesora (vektorska obrada) i dizajn koji je optimalan za brzinu u obliku potkove koji je minimizirao duljinu krugova. Cray 1 instaliran je u Nacionalnom laboratoriju u Los Alamosu 1976. godine.

Do osamdesetih godina Cray se etablirao kao vodeće ime u superračunavanju i očekivalo se da će svako novo izdanje nadvladati njegove prethodne napore. Dakle, dok je Cray bio zaposlen radeći na nasljedniku Cray 1, posebni tim tvrtke predstavio je Cray X-MP, model koji je naplaćen kao više "očišćenu" verziju Cray 1. Dijelio je isti dizajn oblika potkove, ali imao je višestruke procesore, zajedničku memoriju i ponekad se opisuje kao dva Cray 1 povezana zajedno. Cray X-MP (800 megaflops) bio je jedan od prvih „multiprocesorskih“ dizajna i pomogao je u otvaranju vrata za paralelna obrada, pri čemu se računski zadaci dijele na dijelove i izvršavaju istovremeno različit procesora.

Cray X-MP, koji se neprestano nadograđivao, poslužio je kao standardni nositelj do dugo očekivanog lansiranja Cray 2 1985. godine. Kao i njegovi prethodnici, Cray-ovi najnoviji i najbolji poprimili su isti dizajn oblika podkve i osnovni izgled s integriranim krugovima nasloženima na logičke ploče. Ovog puta, međutim, komponente su bile nabijene tako čvrsto da je računalo moralo biti uronjeno u sustav za hlađenje s tekućinom kako bi se mogla raspodijeliti toplina. Cray 2 došao je opremljen sa osam procesora, s “procesorom u prvom planu” koji je zadužen za rukovanje spremištem, memoriju i davanje uputa „pozadinskim procesorima“ koji su dobili zadatak stvarnog računanja. Sveukupno je pakirao brzinu obrade od 1,9 milijardi operacije s pomičnim zarezom u sekundi (1.9 Gigaflops), dva puta brže od Cray X-MP.

Nepotrebno je reći da su Cray i njegovi dizajni presudili ranom dobu superračunala. Ali nije bio jedini koji je napredovao na terenu. U ranim 80-ima također se pojavila masovna paralelna računala, koje pokreću tisuće procesora koji svi rade u tandemu da bi razbili prepreke u performansama. Neke od prvih multiprocesorskih sustava stvorio je W. Daniel Hillis, koji je na ideju došao kao diplomski student na Massachusetts Institute of Technology. Tada je cilj bio prevladati ograničenje brzine između izravnih izračuna CPU-a razvijanjem decentralizirane mreže procesora koji su funkcionirali slično kao i moždana neuralna mreža. Njegovo implementirano rješenje, uvedeno 1985. kao Connection Machine ili CM-1, sadržavalo je 65.536 međusobno povezanih jednobitnih procesora.

Rane devedesete su označile početak kraja za Crayev stranglehold u superkompjutingu. Do tada, superkompjuterski pionir odvojio se od Cray Research-a, tako da je postao Cray Computer Corporation. Stvari su počele ići prema jugu kada je projekt Cray 3, namjenski nasljednik Cray 2, naišao na čitav niz problema. Jedna od glavnih grešaka Craya opredijelila se za poluvodiče s arzijevim galijem - novijom tehnologijom - kao način za postizanje zacrtanog cilja dvostrukog poboljšanja brzine obrade. Konačno, poteškoće u njihovoj proizvodnji, zajedno s drugim tehničkim komplikacijama, na kraju su odgađale projekt godinama i rezultiralo je time da su mnogi potencijalni kupci tvrtke na kraju izgubili interes. Prije dugog vremena, tvrtki je ponestalo novca i prijavila se stečaj u 1995.

Crayove će borbe ustupiti mjesto promjeni vrste zaštite jer će konkurentni japanski računski sustavi dominirati na terenu većim dijelom desetljeća. Tokio sa sjedištem u Tokiju prvi je put izašao na scenu 1989. godine sa SX-3 i godinu dana kasnije predstavio četveroprocesorsku verziju koja je preuzela kao najbrže računalo na svijetu, samo da bi ga pomračila u 1993. godini. Te godine, Fujitsuov Numerički tunel s velikim brojem 166 vektorskih procesora postao je prvo superračunalo koje je nadmašilo 100 gigaflopa (Side note: Daje vam ideja o tome kako brzo napreduje tehnologija, najbrži potrošački procesori u 2016. lako mogu napraviti više od 100 gigaflopa, ali u to je vrijeme bilo posebno impresivno). Godine 1996. Hitachi SR2201 nadogradio je ante s 2048 procesora kako bi postigao vrhunske performanse od 600 gigaflopa.

E sad, gdje je bio Intel? Tvrtka koja se etablirala kao vodeći proizvođač čipova na tržištu, do kraja stoljeća zapravo nije napravila mrlju u području superračunanja. To je zbog toga što su tehnologije bile vrlo različite životinje. Superračunala, na primjer, dizajnirana su tako da ometaju što veću procesorsku snagu, ali i osobnu računala su bila za smanjenje pritiska zbog minimalnih mogućnosti hlađenja i ograničene opskrbe energijom. Tako su 1993. godine Intelovi inženjeri napokon krenuli na korak odvavši se hrabro pristupivši se masovno paralelno s 3.680 procesora Intel XP / S 140 Paragon, koji se do lipnja 1994. popeo na vrh superračunala ljestvici. Bio je to prvi masovno paralelni procesor superračunala koji je neosporno najbrži sustav na svijetu.

Do ovog trenutka, superračunalo je uglavnom bila domena onih sa dubokim džepovima za financiranje tako ambicioznih projekata. Sve se to promijenilo 1994. godine kada su izvođači NASA-inog centra za svemirske letove Goddard, koji nisu imali takav luksuz, smislili pametan način iskorištavanja snage paralelnog računanja povezivanjem i konfiguriranjem niza osobnih računala pomoću etherneta mreža. Sustav „Beowulf cluster” koji su razvili sastojao se od 16 486DX procesora, sposobnih za rad u gigaflops rasponu i koštali su manje od 50 000 dolara za izgradnju. Također je imao razliku od pokretanja Linuxa, a ne Unixa, prije nego što je Linux postao operativni sustav izbora za superračunala. Vrlo brzo, svugdje sami radnici pratili su slične nacrte za postavljanje vlastitih klastera Beowulf.

Nakon što je 1996. odustao od naslova na Hitachi SR2201, Intel se te godine vratio s dizajnom temeljenim na paragonu nazvanom ASCI Red, koji se sastojao od više od 6.000 200MHz Procesori Pentium Pro. Unatoč tome što se udaljavao od vektorskih procesora u korist komponenti koje nisu na polici, ASCI Red dobio je prepoznatljivost kao prvo računalo koje je slomilo barijeru od trilijuna flopsa (1 teraflops). Do 1999. godine, nadogradnje su mu omogućile da nadmaši tri bilijuna flopa (3 teraflopa). ASCI crveni instaliran je u nacionalnim laboratorijama Sandia i prvenstveno se koristio za simulaciju nuklearnih eksplozija i pomoć u održavanju zemlje nuklearni arsenal.

Nakon što je Japan ponovno pokrenuo superračunalni vod za razdoblje s NEC simulatorom Zemlje od 35,9 teraflops, IBM je 2004. godine doveo superračunanje do neviđenih visina, počevši s Blue Gene / L. Te je godine IBM predstavio prototip koji je jedva urezao simulator Zemlje (36 teraflopa). A do 2007. godine, inženjeri bi povećali hardver kako bi povećali njegovu sposobnost obrade do vrha od gotovo 600 teraflopa. Zanimljivo je da je tim uspio postići takve brzine pristupom upotrebi više čipova koji su relativno male snage, ali energetski učinkovitiji. U 2008. godini, IBM se ponovno slomio kada je uključio Roadrunner, prvo superračunalo koje je premašilo jedan kvadrat s operacijama s pomičnom točkom u kvadrantu (1 petaflops).