Сверхкомпьютер CDC 7600: Архитектура и Производительность

Введение

1967 суперкомпьютер

CDC 7600 был разработан Сеймуром Крэем как преемник CDC 6600, продлив доминирование Control Data в области суперкомпьютеров в 1970-е годы. 7600 работал на частоте 36,4 МГц (27,5 нс тактового цикла) и имел 65 Кслов первичной памяти (с 60-битным размером слова) с использованием магнитных сердечников и переменного размера (до 512 Кслов) вторичной памяти (в зависимости от установки). Он был примерно в десять раз быстрее, чем CDC 6600, и мог выдавать около 10 MFLOPS на скомпилированном вручную коде, с пиковой производительностью 36 MFLOPS. Кроме того, в контрольных тестах в начале 1970 года было показано, что он немного быстрее, чем его конкурент IBM, IBM System/360, модель 195. Когда система была выпущена в 1967 году, она продавалась за около 5 миллионов долларов в базовой конфигурации и значительно дороже с добавлением опций и функций. Среди заметных достижений 7600, помимо широкого использования конвейерной обработки, была физическая С-образная форма, которая уменьшила занимаемую площадь и значительно увеличила производительность за счет сокращения расстояния, которое должны были пройти сигналы. По мере улучшения производственных процессов и качества, подобные улучшения могли увеличить скорость машины в два, а возможно, и в пять раз. Однако, как и в случае с 6600, Крей поставил перед собой цель создать машину с десятикратно большей производительностью. Одна из причин, по которой 6600 был намного быстрее своих современников, заключалась в наличии нескольких функциональных блоков, способных работать параллельно. Например, машина могла одновременно выполнять сложение двух чисел и умножение двух других. Однако любая инструкция должна была завершить прохождение через блок, прежде чем следующая могла быть в него подана, что создавало узкое место, когда в системе планировщика заканчивались инструкции. Добавление большего количества функциональных блоков не улучшило бы производительность, если бы планировщик также не был значительно улучшен, особенно в плане увеличения его памяти, чтобы он мог просматривать больше инструкций и выбирать те, которые можно было бы подать в параллельные блоки. Это казалось серьезной проблемой. Чтобы решить эту проблему, Крей обратился к концепции конвейера команд. Каждый функциональный блок состоял из нескольких секций, работающих последовательно. Например, блок сложения мог иметь схему, предназначенную для извлечения операндов из памяти, затем сам математический блок и, наконец, схему для отправки результатов обратно в память. В любой момент времени активной была только одна часть блока, а остальные ждали своей очереди. Конвейерная обработка улучшает это, подавая следующую инструкцию до завершения первой, используя это время простоя. Например, пока одна инструкция складывается, можно извлечь операнды для следующей инструкции сложения. Таким образом, как только текущая инструкция завершается и переходит в выходную схему, операнды для следующего сложения уже готовы к сложению. Таким образом, каждый функциональный блок работает "параллельно", как и машина в целом. Улучшение производительности обычно зависит от количества шагов, необходимых блоку для завершения операции. Например, умножитель 6600 выполнял инструкцию за 10 циклов, поэтому, благодаря конвейерной обработке, можно было ожидать увеличения скорости примерно в 10 раз. Однако все не так просто. Конвейерная обработка требует, чтобы внутренние компоненты блока можно было эффективно разделить до такой степени, чтобы каждый шаг операции выполнялся на полностью отдельных схемах. Это редко достижимо на практике. Тем не менее, использование конвейерной обработки в 7600 улучшило производительность по сравнению с 6600 примерно в 3 раза. Чтобы достичь остальной части цели, машине необходимо было работать на более высокой скорости, что стало возможным благодаря новым конструкциям транзисторов. Однако существует физический предел производительности из-за времени, необходимого для перемещения сигналов между частями машины, которое, в свою очередь, определяется ее физическим размером. Как всегда, Крей приложил значительные усилия к решению этой проблемы в процессе проектирования, что позволило добиться более высоких рабочих частот. Для 7600 каждый модуль схемы фактически состоял из шести печатных плат, каждая из которых была наполнена субминиатюрными резисторами, диодами и транзисторами. Шесть плат складывались в стопку и соединялись по краям, создавая очень компактный, но практически неремонтопригодный модуль. Однако такая плотная упаковка также привела к самой большой проблеме машины – нагреву. Для 7600 Крей снова обратился к своему инженеру по холодильному оборудованию Дину Рашу, ранее работавшему в компании Amana. Раш добавил алюминиевую пластину к задней части каждой стороны стопки, которые, в свою очередь, охлаждались жидкой фреоновой системой, проходящей через ядро машины. Поскольку эта система была механической и, следовательно, подвержена поломкам, 7600 был перепроектирован в большую С-образную форму, чтобы обеспечить доступ к модулям с обеих сторон от охлаждающих труб, войдя внутрь "С" и открыв шкаф.

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.

Архитектура

+ CDC 7600 регистры 59 . 17 . 00 (позиция бита) Регистры операндов (60 бит) X0 (начальный адрес LCM) Регистр 0 X1 (чтение) Регистр 1 X2 (чтение) Регистр 2 X3 (чтение) Регистр 3 X4 (чтение) Регистр 4 X5 (чтение) Регистр 5 X6 (запись) Регистр 6 X7 (запись) Регистр 7 Адресные регистры (18 бит) A0 (начало SCM) Адрес 0 A1 (адрес чтения) Адрес 1 A2 (адрес чтения) Адрес 2 A3 (адрес чтения) Адрес 3 A4 (адрес чтения) Адрес 4 A5 (адрес чтения) Адрес 5 A6 (адрес записи) Адрес 6 A7 (адрес записи) Адрес 7 Регистры приращения (18 бит) B0 (все биты в ноль) Приращение 0 B1 Приращение 1 B2 Приращение 2 B3 Приращение 3 B4 Приращение 4 B5 Приращение 5 B6 Приращение 6 B7 Приращение 7 Программный адрес (18 бит) P

7600 стала архитектурной вехой, и большинство её особенностей до сих пор являются стандартными элементами компьютерной архитектуры. Это компьютер с загрузкой и сохранением, с 15-битным словом команды, содержащим 6-битный код операции. Существует всего 64 машинных кода, включая код без операции, без операций умножения или деления с фиксированной точкой в центральном процессоре. 7600 имеет две основные ячейки памяти. Малая ячейка памяти хранит инструкции, которые в настоящее время выполняются, и данные, которые в настоящее время обрабатываются. Время доступа к ней составляет 10 из 27,5 нс малых циклов, а длина слова – 60 бит. Большая ячейка памяти хранит данные, готовые к передаче в малую ячейку памяти. Время доступа к ней составляет 60 из 27,5 нс малых циклов, а длина слова – 480 бит (512 бит с контролем четности).

Связь с CDC 6600

CDC 7600 "был разработан с обеспечением обратной совместимости машинного кода с 6600, но с существенным увеличением производительности". Один пользователь говорил: "Большинство пользователей могли работать на любой системе без изменений", однако переход на 7600 был осуществлен, когда Крей пришел к выводу о невозможности полной совместимости. Тем не менее, благодаря архитектуре операционной системы 7600, 6600 и 7600 разделяли "единую программную среду", несмотря на различия на низком уровне. В течение каждого цикла работы машины один из ППУ осуществлял управление, передавая данные в память, пока основной процессор выполнял вычисления. После завершения цикла управление передавалось следующему ППУ. Таким образом, память всегда содержала актуальную информацию для работы основного процессора (за исключением задержек во внешних устройствах), что исключало задержки при работе с данными и позволяло построить ЦП исключительно для математических вычислений. ППУ можно было бы назвать высокоинтеллектуальным "каналом связи". Как и в 6600, в 7600 использовались 60-битные слова с инструкциями, обычно длиной 15 бит, хотя также присутствовали и 30-битные инструкции. Инструкции упаковывались в 60-битные слова, но 30-битная инструкция не могла занимать части двух слов, и управление могло быть передано только первой инструкции в слове. Однако сам набор инструкций был изменен, чтобы отразить новую внутреннюю организацию памяти, что сделало его несовместимым с более ранней 6600. Машины были достаточно похожи, чтобы обеспечить относительно простую переносимость компиляторов и операционных систем. Первоначально машина поставлялась без программного обеспечения; пользователи должны были быть готовы разработать собственную операционную систему, такую как LTSS, NCAROS и другие, а также компиляторы, такие как LRLTRAN (версия Fortran от Livermore с динамическим управлением памятью и другими нестандартными функциями). CDC также производила два многопроцессорных компьютера на базе 7600, под номером модели 7700. Они состояли из двух машин 7600 в асимметричной конфигурации: центральной и вспомогательной. Они использовались для запуска ракет и отслеживания входящих советских межконтинентальных баллистических ракет. Симулятор радаров представлял собой систему моделирования в реальном времени с CDC 6400 для обеспечения ввода/вывода. Эти системы предназначались для использования на Тихоокеанском ракетном полигоне. Один компьютер был установлен в TRW в Редондо-Бич, штат Калифорния (позже перенесен на атолл Кваджалейн в южной части Тихого океана), а второй – в McDonnell Douglas в Хантингтон-Бич, штат Калифорния. Это были настоящие 7600, соединенные через шасси 25, что позволило объединить их в 7600 MP.

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.

Прием и использование

С 1969 по 1975 год CDC 7600 общепризнанно считался самым быстрым компьютером в мире, за исключением специализированных машин. Однако, несмотря на передовую механику и систему охлаждения, 7600 был склонен к поломкам. И LLNL, и NCAR сообщали, что машина выходила из строя как минимум раз в день, а часто – четыре или пять раз. Приёмка на местах установки занимала годы, пока устранялись ошибки, и хотя машина в целом достаточно хорошо продавалась, учитывая её позиционирование в "высоком" сегменте, вряд ли она принесла CDC какую-либо ощутимую прибыль. Преемник CDC 8600 так и не был завершен, и Сеймур Крей основал собственную компанию, Cray Research. Один из сохранившихся 7600 частично экспонируется в Музее истории компьютеров. Из-за своих габаритов можно продемонстрировать только два угловых блока. Остальные находятся на хранении. Другой 7600 выставлен в Музее промышленности и технологий Чиппева-Фоллс вместе с консолью и контроллером ленточного накопителя.