CDC 8600: Несостоявшийся шедевр Сеймура Крея

Введение

CDC 8600 был последней разработкой суперкомпьютера Сеймура Крэя во время его работы в корпорации Control Data. Являясь естественным преемником CDC 6600 и CDC 7600, 8600 должен был быть примерно в 10 раз быстрее 7600, который уже был самым быстрым компьютером на рынке. Конструкция представляла собой, по сути, четыре компьютера 7600, упакованные в очень компактный корпус для работы на более высоких тактовых частотах. Разработка началась в 1968 году, вскоре после выпуска 7600, но проект вскоре столкнулся с трудностями. Плотная компоновка системы привела к серьезным проблемам с надежностью и сложностям в охлаждении отдельных компонентов. К 1971 году у CDC возникли проблемы с денежным потоком, а конструкция все еще не была завершена, что побудило Крэя покинуть компанию в 1972 году. Проект 8600 был окончательно отменен в 1974 году, и Control Data перешла к разработке серии CDC STAR 100. Крей вернулся к базовой конструкции 8600 в своем Cray 2 в начале 1980-х годов. Использование интегральных схем решило проблемы с плотной компоновкой, а жидкостное охлаждение – проблемы с теплоотводом. Cray 2 очень похож на 8600 как в физическом, так и в концептуальном плане.

Дизайн

В 1960-х годах разработка компьютеров основывалась на монтаже электронных компонентов (транзисторов, резисторов и т. д.) на печатных платах. Несколько плат формировали дискретный логический элемент машины, известный как модуль. Общая скорость работы машины тесно связана с длиной проводников – трассой сигнала, – что требовало от высокоскоростных компьютеров максимально уменьшать размеры модулей. Это противоречило необходимости повышения функциональности за счет увеличения сложности самих модулей. К концу 1960-х годов отдельные компоненты перестали значительно уменьшаться в размерах, поэтому для повышения сложности машин модули должны были увеличиваться. Теоретически, это могло замедлить работу машины из-за задержек в передаче сигналов. Cray стремился решить эти противоречивые задачи, одновременно увеличивая размер каждого модуля и оснащая его большим количеством компонентов, и уменьшая размеры компьютера в целом за счет более плотной компоновки модулей внутри машины. Между разработкой 7600 и началом работы над 8600 не произошло улучшений в самих компонентах, поэтому любое повышение производительности должно было достигаться исключительно за счет компоновки. Для новой конструкции использовались модули, содержащие восемь четырехслойных печатных плат размером примерно 20x15 см, образующие стопку размером с большой учебник и потребляющие около 3 киловатт энергии. Затем модули упаковывались в сравнительно небольшой шасси центрального процессора – 16-гранный цилиндр диаметром и высотой около метра, установленный на кольце блоков питания. Предлагаемая конструкция сильно напоминала более позднюю Cray 2, но была еще короче и меньше в диаметре. Учитывая, что вся эта мощность рассеивалась в таком небольшом пространстве, охлаждение было серьезной конструкторской проблемой. Инженер Cray по системам охлаждения, Дин Роуш, ранее работавший в Amana, разместил медный лист внутри каждой печатной платы, отводя тепло к медной пластине на одном конце, где оно охлаждалось фреоновой системой. Это еще больше увеличило вес и сложность модулей, до такой степени, что каждый из них весил около… Электронные компоненты также были улучшены по сравнению с предыдущими конструкциями. Основные схемы процессора перешли на логику на основе ЭКЛ, что позволило увеличить тактовую частоту до 125 МГц (цикл 8 нс) с 36,4 МГц (цикл 27,5 нс) у 7600, то есть примерно в четыре раза. Основная память также была реализована на основе ЭКЛ, и машина была оснащена огромным для того времени объемом – 256 К слов (2 Мбайт) стандартной памяти. Память была распределена по 64 банкам для быстрого доступа, примерно 8 нс/слово, хотя время цикла любого банка составляло около 250 нс. Быстрая ферритовая память с доступом 20 нс (в целом) также была разработана в качестве резервной копии полупроводниковой памяти. Cray решил, что 8600 будет включать четыре полноценных процессора, совместно использующих основную память. Для повышения общей пропускной способности машина могла работать в специальном режиме, отправляя одну инструкцию всем четырем процессорам с разными данными. Эта техника, известная сегодня как SIMD, уменьшала общее количество обращений к памяти, поскольку инструкция считывалась только один раз вместо четырех. Каждый процессор был примерно в 2,5 раза быстрее 7600, поэтому при работе всех четырех процессоров машина в целом была бы примерно в 10 раз быстрее, достигая скорости около 100 МFLOPS. Правительство четко дало понять, что все будущие закупки компьютеров потребуют поддержки обработки ASCII. Для удовлетворения этого требования 8600 использовал 64-битное слово (восемь 8-битных символов) вместо более раннего 60-битного слова (десять 6-битных символов), использовавшегося в 6600 и 7600. Как и в предыдущих конструкциях, инструкции "упаковывались" в слова, при этом каждая инструкция занимала 16 или 32 бита (вместо 15/30). 8600 больше не использовал регистры A или B, как в предыдущих конструкциях, и вместо этого включал набор из 16 регистров X общего назначения. Система периферийного процессора 6600/7600 использовалась для ввода/вывода, практически без изменений. Были предприняты некоторые усилия для обеспечения совместимости между старыми машинами и 8600, но изменение разрядности слова затруднило это. Вместо этого были сохранены форматы чисел с плавающей точкой, что позволило напрямую переносить код Fortran.

In the 1960s, computer design was based on mounting electronic components (transistors, resistors, etc.) on circuit boards. Several boards formed a discrete logic element of the machine, known as a module. Overall machine cycle speed is strongly related to the signal path—the length of the wiring—requiring high speed computers to make their modules as small as possible. This was at odds with the need to make the modules themselves more complex to increase functionality. By the late 1960s, individual components had stopped getting much smaller, so to increase the complexity of the machines, the modules would have to grow. In theory, this could slow the machine down due to signalling delays. Cray aimed to solve these contradictory problems by doing both; making each module larger and crammed with many more components, while at the same time making the computer as a whole smaller by packing the modules closer together inside the machine. Between the time the 7600 was developed and work on the 8600 began, there had been no process improvements in the components themselves, so any performance improvements had to come solely from packaging. For the new design, they used modules containing eight four layer circuit boards about 8" by 6", resulting in a stack the size of a large textbook and using up about 3 kilowatts of power. The modules were then packed into a mainframe chassis that was comparatively tiny, a 16 sided cylinder about one meter (3') across and high, sitting on top of a ring of power supplies. The proposed design bears a strong resemblance to the later Cray 2, but even shorter and smaller in diameter. With all of this power being dissipated in such a small space, cooling was a major design issue. Cray's refrigeration engineer, Dean Roush, formerly of Amana, placed a sheet of copper inside each of the circuit boards, removing the heat to a copper block on one end where it was cooled by a freon system. This further increased the weight and complexity of the modules, to the point where each one weighed about The external cooling system was considerably larger than the machine itself. The electronic components were likewise improved over previous designs. The main CPU circuits moved to ECL based logic, enabling a clock speed increase to 125MHz (8ns cycle time) from the 7600's 36.4MHz (27.5ns cycle time) an increase of about four times. Main memory was also moved to an ECL implementation and the machine was equipped with a whopping for the times 256k words (2 megabytes) standard. The design spread the memory across 64 banks for fast access at about 8 ns/word, even though the cycle time of any one bank was about 250 ns. A high speed core memory with a 20 ns access (overall) was also designed as a backup to the semiconductor memory. Cray decided that the 8600 would include four complete CPUs sharing the main memory. To improve overall throughput, the machine could operate in a special mode that sent a single instruction to all four processors with different data. This technique, today known as SIMD, reduced the total number of memory accesses because the instruction was only read once, instead of four times. Each processor was about 2.5 times as fast as a 7600, so with all four running the machine as a whole would be about 10 times as fast, at about 100 MFLOPS. The government made it clear that all future computer purchases would require ASCII processing. To meet this requirement, the 8600 used a 64 bit word (eight eight bit characters) instead of the earlier 60 bit word (ten six bit characters) used in the 6600 and 7600. As in prior designs, instructions were "stuffed" into words, with each instruction taking up either 16 or 32 bits (up from 15/30). The 8600 no longer used the A or B registers as in previous designs, and included a set of 16 general purpose X registers instead. A 6600/7600 Peripheral Processor system was used for I/O, largely unchanged. Some effort was made to help compatibility between the older machines and the 8600, but the change in word length made this difficult. Instead, floating point formats were retained, allowing Fortran code to port directly.

Проблемы компании

В 1971 году компания Control Data столкнулась с необходимостью "затянуть пояса" из-за расходов на продолжающийся судебный процесс против IBM и попросила все подразделения сократить фонд оплаты труда на 10%. Крей умолял Control Data освободить его подразделение, чтобы он мог завершить выпуск 8600. Когда Control Data отклонила эту просьбу, он снизил себе зарплату до минимальной, чтобы решить проблему. К 1972 году стало очевидно, что даже легендарные навыки Крэя в разработке модулей подводили его в случае с 8600. Надежность была настолько низкой, что казалось невозможным заставить машину работать в целом. Это случалось не впервые: над проектом 6600 Крэю пришлось начинать с нуля, а 7600 какое-то время находился в производстве, прежде чем начал работать надежно. В этот раз Крей решил, что текущая конструкция зашла в тупик, и сообщил Уильяму Норрису (генеральному директору CDC), что единственный выход – перепроектировать машину с нуля. Финансовое положение компании было шатким, и Норрис решил, что не может пойти на риск; Крэю придется продолжать работу над текущей конструкцией. В 1972 году Крей решил, что не может работать в таких условиях, и покинул CDC, чтобы основать Cray Research (уход был мирным; Норрис и другие сотрудники CDC приобрели часть первоначального выпуска акций Cray Computer, что оказалось для них выгодной инвестицией). Для своей новой работы он отказался от концепции многопроцессорности, опасаясь, что программное обеспечение того времени не сможет в полной мере использовать возможности процессоров. Возможно, он пришел к такому выводу после того, как ILLIAC IV наконец был введен в эксплуатацию примерно в то же время и продемонстрировал разочаровывающую производительность. Члены команды убедили Норриса, что 8600 можно завершить даже без Крэя, и работа продолжилась в лаборатории Чиппева. К 1974 году машина все еще работала некорректно. Конкурирующая разработка STAR Джима Торнтона к этому моменту достигла производственного качества, и проект 8600 был отменен. В реальной эксплуатации STAR показал низкую производительность, а когда Cray 1 вышел на рынок в 1976 году, CDC быстро покинула рынок суперкомпьютеров. В 1980-х годах была предпринята попытка вернуться на рынок с ETA 10, но она закончилась неудачей.

In 1971, Control Data was undergoing a "belt tightening" due to the cost of an ongoing lawsuit against IBM, and asked all divisions to reduce their payroll by 10%. Cray begged to Control Data to exempt his division so he could get the 8600 shipping. When Control Data refused this request, he cut his own pay to minimum wage to solve the problem. By 1972, it appeared that even Cray's legendary module design abilities were failing him in the case of the 8600. Reliability was so poor that it appeared impossible to get a whole machine working. This was not the first time this had happened: on the 6600 project Cray had to start over from scratch, and the 7600 was in production for some time before it started working reliably. In this case Cray decided the current design was a dead end, and told William Norris (CDC's CEO) that the only way forward was to redesign the machine from scratch. The finances of the company were dangerous, and Norris decided that he could not take the risk; Cray would have to continue with the current design. In 1972, Cray decided that he could not work under such conditions, and left CDC to form Cray Research (it was an amicable departure; Norris and other CDC staffers purchased some of the Cray Computer initial stock offering, which turned out to be a lucrative investment for them). For his new work he abandoned the multiprocessor concept, concerned that software of the era would be unable to take full advantage of the CPUs. He may have come to this conclusion after the ILLIAC IV finally entered operation at about the same time, and proved to have disappointing performance. Team members convinced Norris that the 8600 could be completed even without Cray, and work continued at the Chippewa Lab. By 1974, the machine still didn't work correctly. Jim Thornton's competing STAR design had reached production quality at this point, and the 8600 project was then cancelled. In service STAR proved to have poor real world performance, and when the Cray 1 entered the market in 1976, CDC was quickly pushed from the supercomputer market. An effort was made to re enter the market in the 1980s with the ETA 10, but this ended poorly.