1985 жылғы Cray 2 суперкомпьютері

Кіріспе

1985 жылғы суперкомпьютер моделі

Cray 2 – 1985 жылдан бастап Cray Research компаниясы жасаған төрт векторлық процессорлы суперкомпьютер. 1,9 GFLOPS ең жоғары өнімділігімен, ол шығарылған кезде әлемдегі ең жылдам машина болды, бұл орынды Cray X MP-ден басып алды. 1988 жылы оның орнына Cray Y MP келді. Cray 2 – Сеймур Крейдің бірнеше процессорды сәтті пайдаланған алғашқы дизайны болды. Бұған дейін 1970 жылдардың басында CDC 8600 құрылғысында әрекет жасалған, бірақ сол кездегі ЭМТ (эмиттерге байланысты логикалық) транзисторларын жұмыс істейтін машинаға орнату өте қиын болды. Cray 2 бұл мәселені ECL интегралды схемаларын қолдану арқылы шешті, оларды жаңа 3D сымдарға орналастырып, схемалардың тығыздығын едәуір арттырды. Тығыз орналасу және одан туындайтын жылу жүктемелері Cray 2 үшін үлкен мәселе болды. Бұл мәселе ерекше тәсілмен шешілді: электрлік инертті Fluorinert сұйықтығын қысыммен схемалар арқылы өткізіп, содан кейін процессор блогынан тыс жерде салқындату арқылы. Бұл ерекше "көшкілді" суыту жүйесі жоғары өнімділіктегі есептеудің символына айналды және көптеген деректік фильмдерде, сондай-ақ бір кезде кинофильмдерде де қолданылды. Бастапқы Cray 1-нен айырмашылығы, Cray 2 ең жоғары өнімділіктің толық көлемін беруде қиындықтарға тап болды. Компанияның X MP және Y MP сияқты басқа машиналары Cray 2-ден әлдеқайда көп сатылды. Cray Cray 3 сериясын әзірлеуді бастағанда, компания Cray C90 сериясын дамытуды жөн көрді. Бұл оқиғалар 8600 әзірленген кезде болған оқиғалардың тізбегімен бірдей, және сол сияқты, Крей компаниядан кетіп қалды.

Бастапқы жобалау

Сеймур Крей өзінің танымал Cray 1 суперкомпьютерін сәтті іске қосып, оның ізбасарының жобалануына кірісті. 1979 жылға қарай ол енді үлкен компанияның басқару араласуларына шыдамады, сондықтан бұрынғыдай басшылық қызметінен кетіп, жаңа зертхана құруға шешім қабылдады. Chippewa Falls, Висконсин штатына Control Data бас кеңсесінен көшкендей, Cray басшылығы оның қажеттіліктерін түсініп, Боулдер, Колорадо штатындағы жаңа зертханаға көшуін қолдады. 1980 жылдан бастап жаңа Cray Labs-те тәуелсіз кеңесші ретінде жұмыс істей отырып, ол команда құрып, жаңа жобаға кірісті. Бұл зертхана кейін жабылып, он жылдан соң Колорадо Спрингсте жаңа нысан ашылды. Крей бұрын жылдамдықты арттыру мәселесіне үш бірдей жетістікпен шабуыл жасады: жүйенің жоғары параллелизмді қамтамасыз ету үшін көбірек функционалдық блоктар, сигналдардың кешігуін азайту үшін тығыз жинақтау және жоғары сағаттық жиілікті қамтамасыз ету үшін жылдам компоненттер. Бұл жобаның классикалық мысалы – CDC 8600, ол ECL логикасына негізделген 1 × 1 метрлік цилиндрге төрт CDC 7600 сияқты машинаны жинап, оларды 8 нс циклдық жылдамдықпен (125 МГц) іске қосты. Алайда, осы циклдық уақытты жеткізуге қажетті тығыздық машинаның күйреуіне әкелді. Ішкі контурлық тақталар тығыз жинақталған, тіпті бір ғана бұзылған транзистор бүкіл модульдің істен шығуына себеп болғандықтан, оларды тақталарға тығыз орналастыру істен шығу ықтималдығын арттырды. Тығыз жинақталған жеке компоненттерді салқындату да үлкен қиындық тудырды. Бұл мәселенің бір шешімі – көптеген компьютер өндірушілері жеке компоненттердің орнына интегралды схемаларды (IC) пайдалануға көшкені болды. Әрбір IC автоматтандырылған құрастыру процесі арқылы схемаға алдын ала қосылған модульден компоненттерді таңдауды қамтиды. IC жұмыс істемесе, басқасы сыналып көрілетін. 8600 жобаланған кезде қарапайым MOSFET технологиясы Крейге қажетті жылдамдықты ұсынбады. Алайда, 1970 жылдардың ортасына қарай үздіксіз жақсартулар жағдайды өзгертті, және Cray 1 жаңа IC-терді пайдалана алды және әлі де 12,5 нс (80 МГц) жылдамдықпен жұмыс істей алды. Шын мәнінде, Cray 1 8600-дан әлдеқайда жылдам болды, өйткені IC-тің кішігірім өлшеміне байланысты жүйеге әлдеқайда көп логиканы енгізді. IC дизайны жақсара бергенімен, IC-тің физикалық өлшемі негізінен механикалық шектеулермен шектелді; нәтижедегі компонент жүйеге дәнекерлеу үшін жеткілікті үлкен болуы керек еді. Микропроцессор дизайнының жылдам жақсаруы көрсеткендей, тығыздықты күрт жақсарту мүмкін болды, бірақ Крей қолданған IC-лер үшін, толық схеманың өте кішкентай бөлігін білдіретіндер, дизайн тұрақтанды. Cray 1-ге қарағанда өнімділікті 10 есе арттыру, Крей мақсат тұтқан нәрсе, машина күрделірек болуы керек еді. Сондықтан ол тағы да 8600 сияқты шешімге жүгінді, тығыздықты арттыру арқылы сағаттық жиілікті екі есе арттырды, негізгі жүйеге осы кіші процессорларды қосты, содан кейін машинадан жылуды қалай шығару мәселесін шешуге тырысты. Дизайнның тағы бір мәселесі процессор мен негізгі жад арасындағы өнімділік айырмашылығының артуы болды. CDC 6600 дәуірінде жад процессормен бірдей жылдамдықпен жұмыс істеді, ал негізгі мәселе оған деректерді енгізу болды. Крей бұл мәселені жүйеге он кіші компьютерлерді қосу арқылы шешті, бұл оларға баяу сыртқы сақтаумен (дискілер мен таспалар) айналысуға және негізгі процессор бос болмаған кезде деректерді жадыға "жіберуге" мүмкіндік берді. Бұл шешім енді ешқандай артықшылық ұсынбады; жад жеткілікті үлкен болды, оған бүкіл деректер жиынтығын оқуға болады, бірақ процессорлар жадтан әлдеқайда жылдам жұмыс істеді, сондықтан олар деректердің келуін ұзақ уақыт күтетін. Төрт процессорды қосу бұл мәселені одан да нашарлатты. Бұл мәселені болдырмау үшін жаңа жобада жад банктелді және екі тіркелімдер жиынтығы (B және T тіркелімдері) мүмкіндігінше ең жылдам жадтың 16 КВт блогымен ауыстырылды, ол жергілікті жад деп аталды, кэш емес, және төрт фоновый процессор оған жеке жоғары жылдамдықты құбырлармен қосылды. Бұл жергілікті жадқа деректерді арнайы алдыңғы қатарлы процессор берді, ол өз кезегінде негізгі жадқа бір CPU-ға арналған Gbit/s арна арқылы қосылды; X MP-да, керісінше, 3 бар, 2 бір мезгілде жүктеу және сақтау үшін, ал Y MP/C 90-да фон Нейманның бөтелкелігінен аулақ болу үшін 5 арна болды. Алдыңғы қатарлы процессордың міндеті компьютерді "жұмыстыру", сақтауды басқару және негізгі жадқа бірнеше арналарды тиімді пайдалану болды. Ол бар кэш құбырларын фоновый процессорларға байлаудың орнына, сегіз 16 сөздік буфер арқылы оларға орындалуға тиіс нұсқауларды берді. Қазіргі заманғы процессорлар да осы дизайның вариациясын пайдаланады, бірақ алдыңғы қатарлы процессор енді жүктеу/сақтау блогы деп аталады және ол өздігінен толыққанды машина емес. Негізгі жад банктері бір уақытта қол жеткізілуі үшін төрт бөлікке бөлінді, бұл бағдарламалаушыларға деректерін жадта таратуға мүмкіндік берді, осылайша жоғары параллелизмге қол жеткізуге болады. Бұл тәсілдің кемшілігі алдыңғы қатарлы процессордағы шашырау/жинақтау блогын орнату құны жоғары болды. Жады банктерінің санына сәйкес келетін қадамдық қақтығыстар өнімділікке (кешігу) зиян келтірді, мысалы, қуаттың 2-ге негізделген FFT алгоритмдерінде болғандай. Cray 2 Cray 1-ге немесе X MP-ға қарағанда әлдеқайда үлкен жадқа ие болғандықтан, бұл мәселені жұмысты тарату үшін массивқа қосымша пайдаланылмаған элементті қосу арқылы оңай шешуге болады.

With the successful launch of his famed Cray 1, Seymour Cray turned to the design of its successor. By 1979 he had become fed up with management interruptions in what was now a large company, and as he had done in the past, decided to resign his management post and move to form a new lab. As with his original move to Chippewa Falls, Wisconsin from Control Data HQ in Minneapolis, Minnesota, Cray management understood his needs and supported his move to a new lab in Boulder, Colorado. Working as an independent consultant at these new Cray Labs, starting in 1980 he put together a team and started on a completely new design. This lab would later close, and a decade later a new facility in Colorado Springs would open. Cray had previously attacked the problem of increased speed with three simultaneous advances: more functional units to give the system higher parallelism, tighter packaging to decrease signal delays, and faster components to allow for a higher clock speed. The classic example of this design is the CDC 8600, which packed four CDC 7600 like machines based on ECL logic into a 1 × 1 meter cylinder and ran them at an 8 ns cycle speed (125 MHz). Unfortunately, the density needed to achieve this cycle time led to the machine's downfall. The circuit boards inside were densely packed, and since even a single malfunctioning transistor would cause an entire module to fail, packing more of them onto the cards greatly increased the chance of failure. Cooling the closely packed individual components also represented a major challenge. One solution to this problem, one that most computer vendors had already moved to, was to use integrated circuits (ICs) instead of individual components. Each IC included a selection of components from a module pre wired into a circuit by the automated construction process. If an IC did not work, another one would be tried. At the time the 8600 was being designed the simple MOSFET based technology did not offer the speed Cray needed. Relentless improvements changed things by the mid 1970s, however, and the Cray 1 had been able to use newer ICs and still run at a respectable 12.5 ns (80 MHz). In fact, the Cray 1 was actually somewhat faster than the 8600 because it packed considerably more logic into the system due to the ICs' small size. Although IC design continued to improve, the physical size of the ICs was constrained largely by mechanical limits; the resulting component had to be large enough to solder into a system. Dramatic improvements in density were possible, as the rapid improvement in microprocessor design was showing, but for the type of ICs used by Cray, ones representing a very small part of a complete circuit, the design had plateaued. In order to gain another 10 fold increase in performance over the Cray 1, the goal Cray aimed for, the machine would have to grow more complex. So once again he turned to an 8600 like solution, doubling the clock speed through increased density, adding more of these smaller processors into the basic system, and then attempting to deal with the problem of getting heat out of the machine. Another design problem was the increasing performance gap between the processor and main memory. In the era of the CDC 6600 memory ran at the same speed as the processor, and the main problem was feeding data into it. Cray solved this by adding ten smaller computers to the system, allowing them to deal with the slower external storage (disks and tapes) and "squirt" data into memory when the main processor was busy. This solution no longer offered any advantages; memory was large enough that entire data sets could be read into it, but the processors ran so much faster than memory that they would often spend long times waiting for data to arrive. Adding four processors simply made this problem worse. To avoid this problem the new design banked memory and two sets of registers (the B and T registers) were replaced with a 16 KWord block of the very fastest memory possible called a Local Memory, not a cache, attaching the four background processors to it with separate high speed pipes. This Local Memory was fed data by a dedicated foreground processor which was in turn attached to the main memory through a Gbit/s channel per CPU; X MPs by contrast had 3, for 2 simultaneous loads and a store and Y MP/C 90s had 5 channels to avoid the von Neumann bottleneck. It was the foreground processor's task to "run" the computer, handling storage and making efficient use of the multiple channels into main memory. It drove the background processors by passing in the instructions they should run via eight 16 word buffers, instead of tying up the existing cache pipes to the background processors. Modern CPUs use a variation of this design as well, although the foreground processor is now referred to as the load/store unit and is not a complete machine unto its own. Main memory banks were arranged in quadrants to be accessed at the same time, allowing programmers to scatter their data across memory to gain higher parallelism. The downside to this approach is that the cost of setting up the scatter/gather unit in the foreground processor was fairly high. Stride conflicts corresponding to the number of memory banks suffered a performance penalty (latency) as occasionally happened in power of 2 FFT based algorithms. As the Cray 2 had a much larger memory than Cray 1s or X MPs, this problem was easily rectified by adding an extra unused element to an array to spread the work out.

Жабдықталған схемалар және жаңа дизайн идеялары

Алғашқы Cray 2 модельдері көп ұзамай IC-термен толтырылған үлкен схемалық тақталарды пайдалануға көшті. Бұл оларды бірге тіркеуді өте қиын етті, ал тығыздығы олардың өнімділік мақсаттарына жету үшін әлі де жеткіліксіз болды. Командалар екі жыл бойы жобаның дизайнымен жұмыс істеді, содан кейін тіпті Крей өзі де «бас көтеруді» тоқтатты және жобаны тоқтатып, оған жұмыс істейтін барлық адамды жұмыстан босатуды жөн көреді деп шешті. Крейдің бұрынғы дизайн серіктесі Лес Дэвис, Крей штаб-пәтерінде қалды және оны төмен басымдықпен жалғастыру керек деп ойлады. Шағын кадрлық өзгерістерден кейін команда бұрынғысынша жұмысын жалғастырды. Алты айдан кейін Крейде «эврика» сәті туды. Ол бас инженерлерді жинап, мәселені шешудің жаңа жолын ұсынды. Бір үлкен схемалық тақтаны жасаудың орнына, әрбір «карта» сегіздік 3D үймеден тұрады, олар тақталардың ортасында тігінен шығып тұрған штифттер арқылы біріктіріледі (бұл «погостар» немесе «z-штифттер» деп аталады). Карталар бір-бірінің үстіне тігіліп, жалпы биіктігі шамамен 30 мм құрады. Мұндай тығыздықпен әдеттегі ауамен салқындату жүйесі жұмыс істемейтін еді, өйткені IC-лер арасында ауа ағыны үшін жеткілікті орын болмайтын еді. Оның орнына, жүйе 3M компаниясынан алынған жаңа инертті сұйық, Fluorinert, бар резервуарға батырылатын болды. Салқындатқыш сұйықтық модульдер арқылы бүйірден қысыммен айдалып, ағын жылдамдығы секундына шамамен бір дюйм болатын. Жылытылған сұйықтық суытылған сумен жылу алмастырғыштар арқылы салқындатылып, негізгі резервуарға қайтарылатын еді. Жаңа дизайн бойынша жұмыс 1982 жылы, бастапқы күнінен бірнеше жыл өткен соң басталды. Осы уақытта Cray X MP Стив Ченнің басшылығымен Крей штаб-пәтерінде әзірленді және Cray 2-ге күшті бәсекелес боларлықтай көрінді. Бұл ішкі қауіпті сейілту үшін, сондай-ақ жапондық Cray 1 сияқты жаңа машиналардың бірнеше сериясын ескере отырып, Cray 2 жад жүйесі процессорларға қосылатын «құбырлар» саны мен көлемі бойынша күрт жақсартылды. 1985 жылы машина жеткізілген кезде, кешігулер соншалықты ұзақ болды, оның өнімділігінің көп бөлігі жадтың жылдамдығына байланысты болды. Машинаны сатып алу тек өте үлкен деректер жиынтығын өңдеуі керек болған пайдаланушылар үшін ғана мағыналы болды. Алғашқы жеткізілген Cray 2 машинасы барлық бұрынғы Cray машиналарының жиынтығынан артық физикалық жадқа (256 Мсөз) ие болды. Есептеулер баяу виртуалды жадқа тәуелді болмағандықтан, модельдеу 2D немесе жалпы 3D-дан неғұрлым егжей-тегжейлі 3D-ға көшті.

Early Cray 2 models soon settled on a design using large circuit boards packed with ICs. This made them extremely difficult to solder together, and the density was still not enough to reach their performance goals. Teams worked on the design for about two years before even Cray himself "gave up" and decided it would be best if they simply canceled the project and fired everyone working on it. Les Davis, Cray's former design collaborator who had remained at Cray headquarters, decided it should be continued at low priority. After some minor personnel movements, the team continued on much as before. Six months later Cray had his "eureka" moment. He called the main engineers together for a meeting and presented a new solution to the problem. Instead of making one larger circuit board, each "card" would instead consist of a 3 D stack of eight, connected together in the middle of the boards using pins sticking up from the surface (known as "pogos" or "z pins"). The cards were packed right on top of each other, so the resulting stack was only about 30 mm high. With this sort of density there was no way any conventional air cooled system would work; there was too little room for air to flow between the ICs. Instead the system would be immersed in a tank of a new inert liquid from 3M, Fluorinert. The cooling liquid was forced sideways through the modules under pressure, and the flow rate was roughly one inch per second. The heated liquid was cooled using chilled water heat exchangers and returned to the main tank. Work on the new design started in earnest in 1982, several years after the original start date. While this was going on the Cray X MP was being developed under the direction of Steve Chen at Cray headquarters, and looked like it would give the Cray 2 a serious run for its money. In order to address this internal threat, as well as a series of newer Japanese Cray 1 like machines, the Cray 2 memory system was dramatically improved, both in size as well as the number of "pipes" into the processors. When the machine was eventually delivered in 1985, the delays had been so long that much of its performance benefits were due to the faster memory. Purchasing the machine really made sense only for users with huge data sets to process. The first Cray 2 delivered possessed more physical memory (256 MWord) than all previously delivered Cray machines combined. Simulation moved from a 2 D realm or coarse 3 D to a finer 3 D realm because computation did not have to rely on slow virtual memory.

Пайдалануы және жалғастырушылары

Cray 2 негізінен АҚШ Қорғаныс және Энергетика министрліктері үшін әзірленді. Оның қолданылуы ядролық қаруды зерттеу немесе океанографиялық (сонарлық) әзірлемелерге бағытталған. Дегенмен, алғашқы Cray 2 (сериялық нөмірі 1) Лоуренс Ливермор ұлттық зертханасындағы Ұлттық магниттік синтез энергиясы компьютерлік орталығында құпиялы емес энергия зерттеулері үшін қолданылды. Ол сондай-ақ азаматтық мекемелерге (мысалы, NASA Ames Research Center), университеттерге және әлемдік корпорацияларға да тарады. Мысалы, Ford және General Motors екеуі де Cray 2-ні автомобиль кузовтарының күрделі элементтік-анализдік модельдерін өңдеу және өндіріске дейін кузов компоненттерінің виртуалды сынақтарын жүргізу үшін пайдаланды. Cray 2-ні Cray 3 алмастыру жоспарланған, бірақ дамудағы қиындықтарға байланысты тек бір Cray 3 құрылды және ол ешқашан толық төленбеді. Cray 2-нің рухани мұрагері – Cray ұсынған Cray X1.

Кейінгі компьютерлермен салыстыру

2012 жылы Пиотр Лушчек (Джек Донгарраның бұрынғы докторанты) iPad 2 құрылғысының кіріктірілген LINPACK сынақ нұсқасында Cray 2 суперкомпьютерінің тарихи көрсеткіштерімен тең екенін көрсеткен нәтижелерді ұсынды.

Қызықты деректер

Сұйық салқындатуды қолданудың арқасында Cray 2 компьютерге "Баблз" деген лақап ат қойылды, ал компьютердің маңындағы әдеттегі әзілдер осы ерекше жүйеге сілтеме жасады. Оларға "Балық аулауға тыйым салынады" деген белгілер, жылу алмастырғыштан шығып келе жатқан Лох-Несс монстрының картондық суреті, алмастырғыштың ішіне салынған пластикалық балықтар және тағы басқалар кірді. Cray 2 компьютерінің қуат тұтынуы 150–200 кВт құрады. 1990 жылдардың басында Лоуренс Ливермор Ұлттық зертханасында жүргізілген зерттеулер көрсеткендей, Cray 2 тізбектерін салқындату үшін қолданылатын перфторлы полиэфир белгілі бір шекте ыдырап, өте улы газ – перфторлы изобутиленді құрайтын еді. Сол кезде Cray салқындатқыш сұйықтықтың өтетін мөлдір "көпіршік камерасын" көрсететін плакат жасады, бұл визуалды эффект үшін жасалған еді, ал еденге сол материалдың тамшылары шашыраған күйде бейнеленген – әзілдің мәні, егер мұндай жағдай орын алса, ғимаратты эвакуациялау қажет болар еді. Сұйықтықтың өндірушісі бұл улы ыдырау өнімдерін катализдік жолмен ыдырататын, сорғымен бірге орналастырылатын скрубберді жасады. Логикалық модульдердің әр тік қабаты 5 вольттық шиналарды қуатпен жабдықтаған қуат модульдерінің қабатының үстінде орналасқан, олардың әрқайсысы шамамен 2200 ампер қуатты жеткізеді. Cray 2 екі мотор-генератормен жұмыс істеді, олар үш фазалы 480 В желісінен қуат алды.