Seymour Cray och superdatorn

Många av oss är bekanta med datorer. Du använder förmodligen en nu för att läsa det här blogginlägget eftersom enheter som bärbara datorer, smartphones och surfplattor i princip är samma underliggande datorteknik. Superdatorer, å andra sidan, är något esoteriska eftersom de ofta är tänkta som skumma, kostsamma, energisugningsmaskiner utvecklade, i stort, för statliga institutioner, forskningscentra och stora företag.

Ta till exempel Kinas Sunway TaihuLight, för närvarande världens snabbaste superdator, enligt Top500s superdatorrankning. Den består av 41 000 chips (processorerna väger bara över 150 ton), kostar cirka 270 miljoner dollar och har en effektbetyg på 15 371 kW. På plussidan är det dock kapabelt att utföra fyrdubbla beräkningar per sekund och kan lagra upp till 100 miljoner böcker. Och som andra superdatorer kommer det att användas för att ta itu med några av de mest komplexa uppgifterna inom vetenskapens områden som väderprognoser och läkemedelsforskning.

Uppfattningen om en superdator uppstod först på 1960-talet då en elektrotekniker som hette Seymour Cray, började skapa världens snabbaste dator. Cray, som anses vara "superdatorns far", hade lämnat sin tjänst på affärsberäkningsjätten Sperry-Rand går med i det nybildade Control Data Corporation så att han kan fokusera på att utveckla vetenskapliga datorer. Titeln på världens snabbaste dator hölls då av IBM 7030 "Stretch", en av de första som använde transistorer istället för vakuumrör.

1964 introducerade Cray CDC 6600, som innehöll innovationer som att stänga av germanium-transistorer till förmån för kisel och ett Freon-baserat kylsystem. Ännu viktigare var att den körde med en hastighet på 40 MHz och utförde ungefär tre miljoner flytpunkter per sekund, vilket gjorde det till den snabbaste datorn i världen. Ofta anses vara världens första superdator, CDC 6600 var 10 gånger snabbare än de flesta datorer och tre gånger snabbare än IBM 7030 Stretch. Titeln överlämnades så småningom 1969 till sin efterträdare CDC 7600.

1972 lämnade Cray Control Data Corporation för att bilda sitt eget företag, Cray Research. Efter en tid inhämtning av såddkapital och finansiering från investerare debuterade Cray Cray 1, vilket återigen höjde fältet för datorprestanda med stor marginal. Det nya systemet körde med en klockhastighet på 80 MHz och utförde 136 miljoner flyttalsoperationer per sekund (136 megaflops). Andra unika funktioner inkluderar en nyare typ av processor (vektorbearbetning) och en hastighetsoptimerad hästskoformad design som minimerar längden på kretsarna. Cray 1 installerades på Los Alamos National Laboratory 1976.

På 1980-talet hade Cray etablerat sig som det främsta namnet i superdatorer och varje ny utgåva förväntades allmänt tappa hans tidigare ansträngningar. Så medan Cray var upptagen med en efterföljare till Cray 1, satte ett separat team på företaget fram Cray X-MP, en modell som fakturerades som en mer "städad" version av Cray 1. Den delade samma hästskoform, men skryttade med flera processorer, delade minne och beskrivs ibland som två Cray 1: er länkade samman som en. Cray X-MP (800 megaflops) var en av de första "multiprocessor" -konstruktionerna och hjälpte till att öppna dörren till parallellbehandling, där beräkningsuppgifterna delas upp i delar och körs samtidigt av annorlunda processorer.

Cray X-MP, som kontinuerligt uppdaterades, fungerade som standardbärare fram till den efterlängtade lanseringen av Cray 2 1985. Liksom sina föregångare tog Crays senaste och bästa samma hästskoformade design och grundläggande layout med integrerade kretsar staplade ihop på logikbrädor. Denna gång pressades dock komponenterna så tätt att datorn måste sänkas ned i ett vätskekylsystem för att sprida värmen. Cray 2 kom utrustad med åtta processorer, med en "förgrundsprocessor" som ansvarar för hantering av lagring, minne och ge instruktioner till ”bakgrundsprocessorerna”, som hade till uppgift att faktiskt beräkna. Sammantaget packade det en bearbetningshastighet på 1,9 miljarder flytande punktoperationer per sekund (1,9 Gigaflops), två gånger snabbare än Cray X-MP.

Naturligtvis styrde Cray och hans mönster superdatorns tidiga era. Men han var inte den enda som fortsatte fältet. De tidiga 80-talet såg också uppkomsten av massivt parallella datorer, drivna av tusentals processorer som alla arbetade i tandem för att krossa genom prestationsbarriärer. Några av de första multiprocessorsystemen skapades av W. Daniel Hillis, som kom på idén som doktorand vid Massachusetts Institute of Technology. Målet vid den tiden var att övervinna till hastighetsbegränsningarna att ha en CPU-beräkningar bland de andra processorer genom att utveckla ett decentraliserat nätverk av processorer som fungerade på samma sätt som hjärnans neurala nätverk. Hans implementerade lösning, som introducerades 1985 som Connection Machine eller CM-1, innehöll 65 536 sammankopplade enkelbitsprocessorer.

De tidiga 90-talet markerade början på slutet för Crays kvävehållning på superdator. Då hade den superdatoriska banbrytaren delat sig från Cray Research för att bilda Cray Computer Corporation. Det började gå söderut för företaget när Cray 3-projektet, den avsedda efterträdaren till Cray 2, stötte på en hel mängd problem. Ett av Crays stora misstag var att välja halvledare av galliumarsenid - en nyare teknik - som ett sätt att uppnå sitt uttalade mål om en tolvfaldig förbättring av bearbetningshastigheten. I slutändan slutade svårigheten att producera dem, tillsammans med andra tekniska komplikationer, försena projektet i flera år och resulterade i att många av företagets potentiella kunder så småningom förlorade intressera. Inte länge, företaget slut på pengar och ansökte om konkurs 1995.

Crays kamp skulle ge plats för en förändring av sortens vakt eftersom konkurrerande japanska datorsystem skulle komma att dominera fältet under stora delar av decenniet. Tokyo-baserade NEC Corporation kom först på scenen 1989 med SX-3 och ett år senare avslöjade en version av fyra processorer som tog över som världens snabbaste dator, bara för att försvinna 1993. Det året blev Fujitsu's Numerical Wind Tunnel, med brutkraften från 166 vektorprocessorer, den första superdatorn som överträffade 100 gigaflops (Sidanmärkning: För att ge dig en idén om hur snabbt tekniken utvecklas, de snabbaste konsumentprocessorerna 2016 kan enkelt göra mer än 100 gigaflops, men vid den tiden var det särskilt imponerande). 1996 höjde Hitachi SR2201 ante med 2048 processorer för att nå en toppprestanda på 600 gigaflops.

Nu var var Intel? Företaget som hade etablerat sig som konsumentmarknadens ledande chiptillverkare gjorde inte riktigt en stänk i superkomputeringsområdet förrän mot slutet av seklet. Detta berodde på att teknologierna var helt olika djur. Superdatorer, till exempel, var utformade för att fastna i så mycket processorkraft som möjligt medan de är personliga datorer handlade om att pressa effektiviteten från minimal kylkapacitet och begränsad energiförsörjning. Så 1993 tog Intel-ingenjörerna äntligen steget genom att ta den djärva metoden att gå massivt parallellt med 3 680 processor Intel XP / S 140 Paragon, som i juni 1994 hade klättrade till toppen av superdatorn ranking. Det var den första massivt parallella processor-superdatorn som var otvivelaktigt det snabbaste systemet i världen.

Fram till denna punkt har superdatorer huvudsakligen varit domänen för dem med den typen av djupa fickor för att finansiera sådana ambitiösa projekt. Allt förändrades 1994 när entreprenörer vid NASA: s Goddard Space Flight Center, som inte hade den typen av lyx, kom med en smart sätt att utnyttja kraften i parallell databehandling genom att länka och konfigurera en serie persondatorer med ett Ethernet nätverk. Systemet "Beowulf cluster" som de utvecklade bestod av 16 486DX-processorer, som kan fungera inom gigaflops-sortimentet och kostade mindre än $ 50 000 att bygga. Det skilde också med att köra Linux snarare än Unix innan Linux blev de operativsystem som valts för superdatorer. Ganska snart följdes gör-det-själv-människor överallt liknande ritningar för att sätta upp sina egna Beowulf-kluster.

Efter att ha avstått från titeln 1996 till Hitachi SR2201 kom Intel tillbaka samma år med en design baserad på Paragon som heter ASCI Red, som bestod av mer än 6000 200MHz Pentium Pro-processorer. Trots att de flyttade bort från vektorprocessorer till förmån för komponenter utanför hyllan fick ASCI Red utmärkelsen av att vara den första datorn som bryter den en biljoner flops barriären (1 teraflops). År 1999 gjorde uppgraderingar det möjligt att överträffa tre biljoner floppar (3 teraflops). ASCI Red installerades på Sandia National Laboratories och användes främst för att simulera kärnkraftsexplosioner och hjälpa till att underhålla landets nukleär arsenal.

Efter att Japan återupptog superdatorledningen under en period med 35,9 teraflops NEC Earth Simulator, förde IBM superdata till enastående höjder från och med 2004 med Blue Gene / L. Det året debuterade IBM med en prototyp som knappt kantade Earth Simulator (36 teraflops). År 2007 skulle ingenjörerna höja hårdvaran för att driva sin bearbetningskapacitet till en topp på nästan 600 teraflops. Intressant nog kunde teamet nå sådana hastigheter genom att använda fler chips som var relativt låg effekt, men mer energieffektiva. 2008 banade IBM igen marken när den startade Roadrunner, den första superdatorn som överskred en fjärdedels flytande punktoperation per sekund (1 petaflops).