1967 жылғы CDC 7600 суперкомпьютері

Кіріспе

CDC 7600 Сеймур Креймен CDC 6600-дің ізбасары ретінде жасалды, бұл Control Data компаниясының 1970-жылдарға дейін суперкомпьютер саласындағы үстемдігін ұлғайтты. 7600 36,4 МГц жиілікте (27,5 нс сағаттық цикл) жұмыс істеді және магниттік өзекті жад пен өзгермелі өлшемді (512 КВрд-ға дейін) екінші жадты (орналасқан жеріне байланысты) пайдаланған 65 КВрд негізгі жадымен (60 биттік сөз өлшемімен) жабдықталған. Бұл машина CDC 6600-ден шамамен он есе жылдам болды және қолмен жазылған кодта 10 MFLOPS, ал ең жоғары көрсеткіште 36 MFLOPS өнімділік бере алды. Сонымен қатар, 1970 жылдың басындағы сынақтар көрсеткендей, ол IBM System/360, Model 195 IBM бәсекелесінен сәл жылдам болды. 1967 жылы жүйе шығарылғанда, базалық конфигурацияда шамамен 5 миллион долларға сатылды, ал қосымша опциялар мен мүмкіндіктермен бірге бағасы әлдеқайда артты. 7600-дің маңызды жетістіктерінің бірі, кеңейтілген құбырлы жүйеден басқа, физикалық C пішіні болды, ол еден алаңының көлемін азайтып, сигналдардың қашықтығын қысқарту арқылы өнімділікті күрт арттырды. Өндіріс процестері мен сапа жақсарған сайын бұл жетістіктер машинаның жылдамдығын екі есе, тіпті бес есеге дейін арттыруға мүмкіндік берді. Алайда, 6600 дизайнындағыдай, Крей өзіне он есе өнімділігі жоғары машина жасау мақсатын қойды. 6600 өзінің замандастарынан әлдеқайда жылдам болды, себебі ол бірнеше функционалдық блоктарға ие болды, олар параллель жұмыс істей алды. Мысалы, машина екі санды қосса, бір уақытта тағы екеуін көбейтуге қабілетті болды. Дегенмен, кез келген берілген команда келесісі енгізілгенге дейін блок арқылы толық циклді аяқтауы керек еді, бұл жоспарлау жүйесі командалар біткен кезде кедергі тудырды. Қосымша функционалдық блоктарды қосу жоспарлаушы да жетілдірілмесе, өнімділікті жақсартпайды, әсіресе оған көбірек жад берілсе, осылайша ол параллель блоктарға берілетін командаларды қарастыра алады. Бұл үлкен мәселе болып көрінді. Бұл мәселені шешу үшін Крей командалық құбыр концепциясына жүгінді. Әрбір функционалдық блок кезекпен жұмыс істейтін бірнеше бөлімдерден тұрады, мысалы, қосу блогында жадтан операндарды алуға арналған схема, содан кейін математикалық бөлім және нәтижелерді жадқа қайтару үшін тағы бір бөлім болуы мүмкін. Кез келген уақытта блоктың бір бөлігі ғана белсенді болды, ал қалғаны өз кезегін күтті. Құбырлы жүйе бұл процесті алғашқы команда аяқталмас бұрын келесі команданы енгізу арқылы жақсартады, бос уақытты пайдаланады. Мысалы, бір команда қосылып жатқанда, келесі қосу командасының операндарын алуға болады. Осылайша, ағымдағы команда аяқталып, шығыс схемасына өткеннен кейін келесі қосуға арналған операндар қосылуын күтеді. Осылайша, әрбір функционалдық блок және машинаның өзі "параллель" жұмыс істейді. Өнімділіктің жақсаруы әдетте блоктың толық аяқталуына қажетті қадамдар санына байланысты. Мысалы, 6600 көбейту блогы команданы аяқтау үшін 10 цикл қажет болды, сондықтан құбырлы жүйе арқылы шамамен 10 есе жылдамдыққа қол жеткізуге болады. Дегенмен, бәрі оңай емес. Құбырлы жүйе блоктың ішкі бөліктерін операцияның әрбір қадамы толыққандай бөлек схемада орындалатындай етіп тиімді бөлуге мүмкіндік беруі керек. Бұл нақты өмірде сирек кездеседі. Дегенмен, 7600-де құбырлы жүйені қолдану 6600-ге қарағанда өнімділікті шамамен 3 есеге арттырды. Қалған мақсатқа жету үшін машинаны жылдамдықпен жұмыс істеуге тура келді, бұл жаңа транзисторлардың дизайны арқылы мүмкін болды. Алайда, өнімділіктің физикалық шектері бар, себебі машинаның бөліктері арасында сигналдардың қозғалуына кететін уақыт, бұл өз кезегінде оның физикалық өлшемімен анықталады. Крейдің дизайны әрқашан осы мәселеге көп күш жұмсады, осылайша жоғары жұмыс жиіліктеріне мүмкіндік берді. 7600 үшін әрбір схема модулі шын мәнінде алты баспалы схема тақтасынан тұрады, олардың әрқайсысы шағын резисторлармен, диодтармен және транзисторлармен толтырылған. Алты тақта бір-біріне тігіліп, шеттерімен біріктіріліп, өте кішкентай, бірақ негізінен жөндеуге келмейтін модуль жасалды. Алайда, дәл осындай тығыз қаптау машинаның ең үлкен мәселесіне де әкелді – жылу. 7600 үшін Крей қайтадан суыту инженері Дин Роушке жүгінді, ол бұрын Amana компаниясының қызметкері болған. Роуш арқанның әр жағына алюминий тақтасын қосты, олар өз кезегінде машинаның өзегі арқылы өтетін сұйық фреон жүйесімен салқындатылды. Бұл жүйе механикалық болғандықтан, және осылайша ақауларға бейім болғандықтан, 7600 қайтадан үлкен "C" пішінінде қайта жасалды, бұл салқындату құбырларының екі жағындағы модульдерге кіруге мүмкіндік берді, "C" ішіне кіріп, шкафты ашу арқылы.

The CDC 7600 was designed by Seymour Cray to be the successor to the CDC 6600, extending Control Data's dominance of the supercomputer field into the 1970s. The 7600 ran at 36.4 MHz (27.5 ns clock cycle) and had a 65 Kword primary memory (with a 60 bit word size) using magnetic core and variable size (up to 512 Kword) secondary memory (depending on site). It was generally about ten times as fast as the CDC 6600 and could deliver about 10 MFLOPS on hand compiled code, with a peak of 36 MFLOPS. In addition, in benchmark tests in early 1970 it was shown to be slightly faster than its IBM rival, the IBM System/360, Model 195. When the system was released in 1967, it sold for around $5 million in base configurations, and considerably more as options and features were added. Among the 7600's notable state of the art contributions, beyond extensive pipelining, was the physical C shape, which both reduced floor space and dramatically increased performance by reducing the distance that signals needed to travel. as the production processes and quality improved. These sorts of improvements might be expected to make a machine twice as fast, perhaps as much as five times. However, as with the 6600 design, Cray set himself the goal of producing a machine with ten times the performance. One of the reasons the 6600 was so much faster than its contemporaries is that it had multiple functional units that could operate in parallel. For instance, the machine could perform an addition of two numbers while simultaneously multiplying two others. However, any given instruction had to complete its trip through the unit before the next could be fed into it, which caused a bottleneck when the scheduler system ran out of instructions. Adding more functional units would not improve performance unless the scheduler was also greatly improved, especially in terms of allowing it to have more memory, so it could look through more instructions for ones that could be fed into the parallel units. That appeared to be a major problem. In order to solve this problem, Cray turned to the concept of an instruction pipeline. Each functional unit consisted of several sections that operated in turn, for instance, an addition unit might have circuitry dedicated to retrieving the operands from memory, then the actual math unit, and finally another to send the results back to memory. At any given instance only one part of the unit was active, while the rest waited their turn. A pipeline improves on this by feeding in the next instruction before the first has completed, using up that idle time. For instance, while one instruction is being added together, the operands for the next add instruction can be fetched. That way, as soon as the current instruction completes and moves to the output circuitry, the operands for the next addition are already waiting to be added. In this way each functional unit works in "parallel", as well as the machine as a whole. The improvement in performance generally depends on the number of steps the unit takes to complete. For instance, the 6600's multiply unit took 10 cycles to complete an instruction, so by pipelining the units it could be expected to gain about 10 times the speed. Things are never that simple, however. Pipelining requires that the unit's internals can be effectively separated to the point where each step of the operation is running on completely separate circuitry. This is rarely achievable in the real world. Nevertheless, the use of pipelining on the 7600 improved performance over the 6600 by a factor of about 3. To achieve the rest of the goal, the machine would have to run at a faster speed, now possible using new transistor designs. However, there is a physical limit to performance because of the time it takes signals to move between parts of the machine, which in turn is defined by its physical size. As always, Cray's design work spent considerable effort on this problem and thus allow higher operating frequencies. For the 7600, each circuit module actually consisted of up to six printed circuit boards, each one stuffed with subminiature resistors, diodes, and transistors. The six boards were stacked up and then interconnected along their edges, making a very compact, but basically unrepairable module. However the same dense packing also led to the machine's biggest problemheat. For the 7600, Cray once again turned to his refrigeration engineer, Dean Roush, formerly of the Amana company. Roush added an aluminum plate to the back of each side of the cordwood stack, which were in turn cooled by a liquid freon system running through the core of the machine. Since this system was mechanical, and therefore prone to failure, the 7600 was redesigned into a large "C" shape to allow access to the modules on either side of the cooling piping by walking into the inside of the "C" and opening the cabinet.

Сәулет

+ CDC 7600 59 тіркеледі . 17 - ші . 00 (бит позициясы) Оператор тіркелгілері (60 бит) X0 (LCM бастау мекенжайы) Тіркелгі 0 X1 (оқу) Тіркелгі 1 X2 (оқу) Тіркелгі 2 X3 (оқу) Тіркелгі 3 X4 (оқу) Тіркелгі 4 X5 (оқу) Тіркелгі 5 X6 (жазу) Тіркелгі 6 X7 (жазу) Тіркелгі 7 Мекенжай тіркелгілері (18 бит) A0 (SCM бастау) Мекенжай 0 A1 (оқу мекенжайы) Мекенжай 1 A2 (оқу мекенжайы) Мекенжай 2 A3 (оқу мекенжайы) Мекенжай 3 A4 (оқу мекенжайы) Мекенжай 4 A5 (оқу мекенжайы) Мекенжай 5 A6 (жазу мекенжайы) Мекенжай 6 A7 (жазу мекенжайы) Мекенжай 7 Көтеру тіркелгілері (18 бит) B0 (барлық биттері нөл) Көтеру 0 B1 Көтеру 1 B2 Көтеру 2 B3 Көтеру 3 B4 Көтеру 4 B5 Көтеру 5 B6 Көтеру 6 B7 Көтеру 7 Бағдарлама мекенжайы (18 бит) P

7600 – архитектуралық жаңалық болды, және оның көптеген мүмкіндіктері әлі де компьютерлік құрылымның стандартты бөліктері болып табылады. Бұл – 6 биттік операциялық кодты қамтитын 15 биттік командалық сөзді қолданатын жүктеу-сақтау компьютері. Орталық процессорда белгілі бір нүктеде көбейту немесе бөлу операциялары болмаса, барлығы 64 машиналық код бар, оның ішінде операциясыз код та бар. 7600-де екі негізгі жад бар. Кішкентай жадта қазіргі уақытта орындалып жатқан командалар мен өңделіп жатқан деректер сақталады. Оның қол жеткізу уақыты 27,5 нс кіші циклдардың 10-ын құрайды және сөз ұзындығы 60 битті құрайды. Үлкен жадта шағын жадқа беруге дайын деректер сақталады. Оның қол жеткізу уақыты 27,5 нс кіші циклдардың 60-ын құрайды және сөз ұзындығы 480 бит (теңдікпен 512 бит).

CDC 6600-мен байланыс

CDC 7600 машинасы «6600 машинасымен машиналық код деңгейінде үйлесімді болу үшін жасалған, бірақ өнімділікті айтарлықтай арттыруды көздеді». Бір пайдаланушы былай деді: «Көптеген пайдаланушылар ешқандай өзгеріссіз екі жүйеде де жұмыс істей алатын болды», бірақ Крей толыққанды үйлесімділікке қол жеткізе алмайтынын түсінген соң, 7600 машинасына көшті. Дегенмен, 7600 машинасының операциялық жүйесінің құрылысының арқасында 6600 және 7600 төменгі деңгейдегі айырмашылықтарға қарамастан «біркелкі бағдарламалық ортаны» бөлісті. Машинаның әрбір циклында PPU-дың біреуі басқаруды қолға алып, негізгі процессор сандарды өңдеп жатқанда жадқа деректерді жіберді. Цикл аяқталғаннан кейін басқару келесі PPU-ға берілді. Осылайша жад негізгі процессор жұмыс істеуі үшін әрқашан жаңартылған ақпаратты сақтап тұрды (сыртқы құрылғылардағы кешігулерді ескермегенде), деректердің кешігуін жойып, CPU-ны математикалық есептеулер үшін ғана жасауға мүмкіндік берді. PPU-ны өте зиялы «коммуникациялық арна» деп атауға болады. 6600 машинасы сияқты, 7600 машинасы да 60 биттік сөздерді және әдетте 15 биттік ұзындықтағы нұсқауларды қолданды, бірақ 30 биттік нұсқаулар да болды. Нұсқаулар 60 биттік сөздерге орналастырылды, бірақ 30 биттік нұсқау екі сөзді қамтымады, және басқару тек бір сөз ішіндегі алғашқы нұсқауға берілуі мүмкін болды. Алайда, нұсқаулар жиынтығы жаңа ішкі жад құрылымын көрсету үшін өзгертілді, осылайша ол бұрынғы 6600 машинасымен үйлесімсіз болды. Машиналар компиляторлар мен операциялық жүйелерді көп қиындықсыз көшіруге мүмкіндік беретіндей ұқсас болды. Бастапқыда машина бағдарламалық қамтамасыз етумен бірге келмеді; пайдаланушылар LTSS, NCAROS және басқалар сияқты өз операциялық жүйелерін жазуға дайын болуы керек еді; сондай-ақ LRLTRAN сияқты компиляторлар (динамикалық жадты басқару және стандартты емес мүмкіндіктері бар Fortran-ның Livermore нұсқасы). CDC сонымен қатар 7600 машинасының негізінде екі көппроцессорлық компьютерді 7700 модель нөмірімен шығарды. Олар асимметриялық конфигурациядағы екі 7600 машинасынан тұрды: орталық және қосымша машина. Олар зымырандарды ұшыру және КСРО-ның ICBM-дерін бақылау үшін пайдаланылды. Радар симуляторы CDC 6400 машинасының кіріс/шығыс бөлігімен жабдықталған нақты уақыт симуляторы болды. Бұл жүйелер Тынық мұхиты аймағында қолданылуы тиіс еді. Бір компьютер TRW компаниясының Редондо Бич қаласында орнатылды (кейіннен Кваджалейн атоллына, Оңтүстік Тынық мұхитына көшірілді), ал екіншісі Макдоннел Дуглас компаниясының Хантингтон Бич қаласында орнатылды. Олар 25 шасси арқылы қосылған 7600 машиналарынан құралған 7600 MP болды.

The CDC 7600 "was designed to be machine code upward compatible with the 6600, but to provide a substantial increase in performance". One user said: "Most users could run on either system without changes." but was changed to 7600 when Cray decided that it could not be completely compatible. However, due to the 7600's operating system design, the 6600 and 7600 shared a "uniform software environment" despite the low level differences. For any given cycle of the machine one of the PPUs was in control, feeding data into the memory while the main processor was crunching numbers. When the cycle completed, the next PPU was given control. In this way the memory always held up to date information for the main processor to work on (barring delays in the external devices themselves), eliminating delays on data, as well as allowing the CPU to be built for mathematical performance and nothing else. The PPU could have been called a very smart "communications channel". Like the 6600, the 7600 used 60 bit words with instructions that were generally 15 bits in length, although there were also 30 bit instructions. The instructions were packed into the 60 bit words, but a 30 bit instruction could not straddle two words, and control could only be transferred to the first instruction in a word. However, the instruction set itself had changed to reflect the new internal memory layout, thereby rendering it incompatible with the earlier 6600. The machines were similar enough to make porting of compilers and operating systems possible without too much trouble. The machine initially did not come with software; sites had to be willing to write their own operating system, like LTSS, NCAROS, and others; and compilers like LRLTRAN (Livermore's version of Fortran with dynamic memory management and other non standard features). CDC also manufactured two multi processor computers based on the 7600, with the model number 7700. They consisted of two 7600 machines in an asymmetric configuration: a central and an adjunct machine. They were used for missile launch and inbound tracking of USSR ICBMs. The radar simulator was a real time simulator with a CDC 6400 for input/output front end. These systems were to be used in the Pacific Missile Range. One computer was installed at TRW in Redondo Beach CA (later moved to Kwajalein Atoll, South Pacific), and the second one was installed at McDonnell Douglas in Huntington Beach, California. They were actual 7600s connected by chassis 25 to make them a 7600 MP.

Қабылдау және пайдалану

1969-1975 жылдар аралығында CDC 7600, арнайы құрылғыларды есептемегенде, әлемдегі ең жылдам компьютер деп есептелді. Дегенмен, жетілдірілген механикалық бөліктері мен салқындату жүйесіне қарамастан, 7600 жиі бұзылатын. LLNL және NCAR машинаның күніне кем дегенде бір рет, көбінесе төрт немесе бес рет істен шығатынын хабарлады. Орнату кезіндегі сынақтар мен қателерді түзету бірнеше жылға созылды. Машина "жоғары деңгейдегі" нарықтағы орнына қарай, жақсы сатылды, бірақ CDC үшін нақты пайда әкелгені күмәнді. CDC 8600 мұрагері аяқталған жоқ, ал Сеймур Крей өз компаниясын – Cray Research-ті құрды. 7600-дің бір данасы Компьютер тарихы мұражайында ішінара көрсетілген. Оның үлкен көлемінен тек екі бұрыштық бөлігін көрсетуге болады, ал қалғаны қоймада сақталады. Тағы бір 7600 Chippewa Falls индустрия және технология мұражайында, консолі мен магниттік лента бақылау құрылғысымен бірге қойылған.