Сеймур Крей: Отец суперкомпьютеров

Введение

Архитектор и инженер суперкомпьютеров (1925–1996)

Сеймур Роджер Крей (28 сентября 1925 – 5 октября 1996) – американский инженер-электрик и архитектор суперкомпьютеров, разработавший серию компьютеров, на протяжении десятилетий остававшихся самыми быстрыми в мире, и основатель компании Cray Research, которая строила многие из этих машин. Джоэл С. Бирнбаум, в то время технический директор Hewlett Packard, называл его "отцом суперкомпьютерных технологий" и говорил: "Кажется невозможным преувеличить его влияние на отрасль; многие вещи, которые высокопроизводительные компьютеры теперь делают регулярно, казались совершенно невероятными, когда Сеймур впервые задумал их". Ларри Смарр, тогдашний директор Национального центра суперкомпьютерных приложений при Университете Иллинойса, назвал Крея "Томасом Эдисоном суперкомпьютерной индустрии".

Ранние годы

Крей родился в 1925 году в Чиппева-Фоллс, штат Висконсин, в семье Сеймура Р. и Лилиан Крей. Его отец был инженером-строителем, который привил Крею интерес к науке и технике. Уже в десять лет он смог построить устройство из деталей конструктора Erector Set, которое преобразовывало перфорированную бумажную ленту в сигналы азбуки Морзе. Подвал семейного дома был отдан юному Крею под "лабораторию". Крей окончил среднюю школу Чиппева-Фоллс в 1943 году, после чего был призван на военную службу во время Второй мировой войны в качестве радиооператора. Он участвовал в боевых действиях в Европе, а затем был переведен в Тихоокеанский театр военных действий, где занимался дешифровкой японских военно-морских кодов. Вернувшись в Соединенные Штаты, он получил степень бакалавра наук в области электротехники в Университете Миннесоты в 1949 году, а затем степень магистра прикладной математики в 1951 году.

Лаборатория ЦКЗ в Чиппева-Фоллс

В этот период Крей все больше раздражался тем, что он считал вмешательством со стороны руководства CDC. Крей всегда требовал абсолютно тихой рабочей среды с минимальными управленческими издержками, но по мере роста компании он постоянно отвлекался менеджерами среднего звена, которые, по словам Крея, мало что делали, кроме как наблюдали за ним и использовали его как инструмент продаж, знакомя с потенциальными клиентами. Крей решил, что для продолжения разработки ему придется переехать из Сент-Пола, достаточно далеко, чтобы поездка занимала слишком много времени для "быстрого визита", а стоимость междугородних телефонных звонков была бы достаточно высока, чтобы отбить желание звонить, но при этом достаточно близко, чтобы можно было без особых затруднений посещать реальные встречи или заседания совета директоров. После некоторых споров Норрис поддержал его и организовал новую лабораторию на земле, принадлежащей Крэю, в его родном городе Чиппева-Фоллс. Частично причиной переезда могло быть и беспокойство Крэя по поводу надвигающейся ядерной войны, из-за которой, по его мнению, города-близнецы представляли серьезную угрозу безопасности. Его дом, построенный в нескольких сотнях ярдов от новой лаборатории CDC, включал в себя огромное бомбоубежище. Новая лаборатория в Чиппева-Фоллс была создана в середине работы над проектом 6600, хотя, похоже, это не задержало его реализацию. После отгрузки 6600 следующим продуктом, разработанным в Чиппева-Фоллс, стала система CDC 7600, обеспечивающая пиковую вычислительную скорость в десять раз превышающую 6600. Неудачная попытка продолжить развитие 7600, CDC 8600, стала проектом, который положил конец череде его успехов в CDC в 1972 году. Хотя 6600 и 7600 в конечном итоге стали огромными успехами, оба проекта едва не обанкротили компанию в процессе разработки. 8600 столкнулась с аналогичными трудностями, и Крей в конце концов решил, что единственным выходом будет начать все заново. На этот раз Норрис не захотел рисковать, и другой проект в компании, CDC STAR 100, казался более перспективным. Норрис заявил, что готов поддерживать проект на минимальном уровне до поставки STAR, после чего полное финансирование можно будет направить на 8600. Крей не согласился работать в таких условиях и покинул компанию.

During this period Cray had become increasingly annoyed at what he saw as interference from CDC management. Cray always demanded an absolutely quiet work environment with a minimum of management overhead, but as the company grew he found himself constantly interrupted by middle managers who – according to Cray – did little but gawk and use him as a sales tool by introducing him to prospective customers. Cray decided that in order to continue development he would have to move from St. Paul, far enough that it would be too long a drive for a "quick visit" and long distance telephone charges would be just enough to deter most calls, yet close enough that real visits or board meetings could be attended without too much difficulty. After some debate, Norris backed him and set up a new laboratory on land Cray owned in his hometown of Chippewa Falls. Part of the reason for the move may also have to do with Cray's worries about an impending nuclear war, which he felt made the Twin Cities a serious safety concern. His house, built a few hundred yards from the new CDC laboratory, included a huge bomb shelter. The new Chippewa Lab was set up during the middle of the 6600 project, although it does not seem to have delayed the project. After the 6600 shipped, the successor CDC 7600 system was the next product to be developed in Chippewa Falls, offering peak computational speeds of ten times the 6600. The failed follow on to the 7600, the CDC 8600, was the project that finally ended his run of successes at CDC in 1972. Although the 6600 and 7600 had been huge successes in the end, both projects had almost bankrupted the company while they were being designed. The 8600 was running into similar difficulties and Cray eventually decided that the only solution was to start over fresh. This time Norris was not willing to take the risk, and another project within the company, the CDC STAR 100, seemed to be progressing more smoothly. Norris said he was willing to keep the project alive at a low level until the STAR was delivered, at which point full funding could be put into the 8600. Cray was unwilling to work under these conditions and left the company.

Исследования Крей

Разделение прошло довольно мирно, и когда он начал Cray Research в новой лаборатории на той же территории Чиппева годом позже, Норрис инвестировал 250 000 долларов в стартовый капитал. Как и организация CDC, исследования и разработки Cray располагались в Чиппева-Фоллс, а штаб-квартира – в Миннеаполисе. В отличие от CDC, производство Cray также находилось в Чиппева-Фоллс. Поначалу возникал вопрос о том, чем именно должна заниматься новая компания. Казалось, что разработка нового компьютера им не по карману, учитывая, что теперь уже крупная CDC не смогла поддерживать более одного проекта. Когда президент, ответственный за финансирование, отправился на Уолл-стрит в поисках начального капитала, он был удивлен, обнаружив, что репутация Крэя очень хорошо известна. Вместо того, чтобы бороться за место на рынке, финансовый мир был более чем готов предоставить Cray все необходимые средства для разработки новой машины. После нескольких лет разработки их первый продукт, Cray 1, был выпущен в 1976 году. Как и в предыдущих разработках Cray, в Cray 1 была обеспечена высокая скорость работы всей системы, а не только процессора. При выпуске он с легкостью превзошел практически все существующие машины по скорости, включая STAR 100, который обошел 8600 в борьбе за финансирование. Единственной машиной, способной работать на сопоставимом уровне, была ILLIAC IV – специализированная, уникальная система, которая редко работала на пределе своих возможностей, за исключением очень специфических задач. В целом, Cray 1 значительно превосходил все, что было на рынке. Серийный номер 001 был "предоставлен" в аренду Национальной лаборатории Лос-Аламоса в 1976 году, а летом первая полная система была продана Национальному центру атмосферных исследований (NCAR) за 8,8 миллиона долларов. Первоначальные оценки компании предполагали продажу около дюжины таких машин, основываясь на продажах аналогичных систем времен CDC, поэтому цена была установлена соответствующим образом. В конечном итоге было продано более 80 Cray 1, компания добилась огромного финансового успеха, а инновации Крэя в области суперкомпьютеров принесли ему прозвище "Волшебник Чиппева-Фоллс". Дальнейшие успехи давались не так легко. Пока он работал над Cray 2, другие команды представили двухпроцессорный Cray X MP, который также имел огромный успех, а затем и четырехпроцессорный X MP. Когда Cray 2 был наконец выпущен после шести лет разработки, он оказался лишь незначительно быстрее, чем X MP, в основном благодаря очень быстрой и большой основной памяти, и поэтому продавался в меньшем количестве. Cray 2 работал на частоте 250 МГц с очень глубоким конвейером, что затрудняло написание кода по сравнению с X MP с более коротким конвейером. С началом проекта Cray 3 он снова обнаружил, что его слишком сильно "отвлекают" повседневными задачами. Чтобы сосредоточиться на проектировании, Крей покинул пост генерального директора Cray Research в 1980 году и стал независимым подрядчиком. В 1988 году он перенес проект Cray 3 из Чиппева-Фоллс в лабораторию в Колорадо-Спрингс, штат Колорадо. В 1989 году Крей столкнулся с повторением истории, когда Cray 3 начал сталкиваться с трудностями. Разработка обновления X MP с использованием высокоскоростной памяти Cray 2 находилась в стадии разработки и, казалось, демонстрировала реальный прогресс, и руководство вновь оказалось перед выбором между двумя проектами и ограниченным бюджетом. В конечном итоге они решили выбрать более безопасный путь, выпустив новую разработку под названием Cray Y MP.

The split was fairly amicable, and when he started Cray Research in a new laboratory on the same Chippewa property a year later, Norris invested $250,000 in start up money. Like CDC's organization, Cray R&D was based in Chippewa Falls and business headquarters were in Minneapolis. Unlike CDC, Cray's manufacturing was also in Chippewa Falls. At first there was some question as to what exactly the new company should do. It did not seem that there would be any way for them to afford to develop a new computer, given that the now large CDC had been unable to support more than one. When the President in charge of financing traveled to Wall Street to look for seed money, he was surprised to find that Cray's reputation was very well known. Far from struggling for some role to play in the market, the financial world was more than willing to provide Cray with all the money they would need to develop a new machine. After several years of development, their first product was released in 1976 as the Cray 1. As with earlier Cray designs, the Cray 1 made sure that the entire computer was fast, as opposed to just the processor. When it was released it easily beat almost every machine in terms of speed, including the STAR 100 that had beaten the 8600 for funding. The only machine able to perform on the same sort of level was the ILLIAC IV, a specialized one off machine that rarely operated near its maximum performance, except on very specific tasks. In general, the Cray 1 beat anything on the market by a wide margin. Serial number 001 was "lent" to Los Alamos National Laboratory in 1976, and that summer the first full system was sold to the National Center for Atmospheric Research (NCAR) for $8.8 million. The company's early estimates had suggested that they might sell a dozen such machines, based on sales of similar machines from the CDC era, so the price was set accordingly. Eventually, well over 80 Cray 1s were sold, the company was a huge success financially, and Cray's innovations with super computers won him the nickname "The Wizard of Chippewa Falls". Follow up success was not as easy. While he worked on the Cray 2, other teams delivered the two processor Cray X MP, which was another huge success and later the four processor X MP. When the Cray 2 was finally released after six years of development it was only marginally faster than the X MP, largely due to very fast and large main memory, and thus it sold in much smaller numbers. The Cray 2 ran at 250 MHz with a very deep pipeline, making it harder to write code than for the shorter pipe X MP. As the Cray 3 project started, he found himself once again being "bothered" too much with day to day tasks. In order to concentrate on design, Cray left the CEO position of Cray Research in 1980 to become an independent contractor. In 1988, he moved the Cray 3 project from Chippewa Falls to a laboratory in Colorado Springs, Colorado. In 1989, Cray was faced with a repeat of history when the Cray 3 started to run into difficulties. An upgrade of the X MP using high speed memory from the Cray 2 was under development and seemed to be making real progress, and once again management was faced with two projects and limited budgets. They eventually decided to take the safer route, releasing the new design as the Cray Y MP.

Корпорация Cray Computer

Крей решил выделить лабораторию в Колорадо-Спрингс и учредить корпорацию Cray Computer. Эта новая организация забрала с собой проект Cray 3. Cray 3 с частотой 500 МГц стал вторым крупным провалом Cray. Чтобы обеспечить десятикратное увеличение производительности, которого он всегда требовал от своих новейших машин, Крей решил, что машина должна быть построена на основе полупроводников из арсенида галлия. Ранее Крей всегда избегал использования чего-либо, даже близкого к передовым технологиям, предпочитая проверенные решения и проектируя быструю машину на их основе. В данном случае Крей разрабатывал каждую деталь машины, включая чипы. Тем не менее, команде удалось запустить машину и поставить первый экземпляр в NCAR 24 мая 1993 года. Машина по сути оставалась прототипом, и компания использовала установку для отладки конструкции. К этому времени на рынок вышло множество машин с массово-параллельной архитектурой, предлагавших более выгодное соотношение цены и производительности, чем Cray 3. Крей отреагировал, применив подход "грубой силы", начав проектирование Cray 4, который должен был работать на частоте 1 ГГц и превосходить эти машины, независимо от стоимости. К 1995 году дальнейших продаж Cray 3 не последовало, а окончание холодной войны сделало маловероятным приобретение достаточного количества Cray 4 для окупаемости затрат на разработку. Компания исчерпала финансовые ресурсы и 24 марта 1995 года подала заявление о банкротстве по главе 11.

Компьютеры SRC

Крей всегда противился массово-параллельным решениям для высокоскоростных вычислений, приводя множество доводов в пользу того, что один очень быстрый процессор будет работать лучше. Он знаменито заметил: "Если бы вы пахали поле, что бы вы предпочли: двух сильных быков или 1024 кур?" К середине 1990-х годов этот аргумент становилось все труднее отстаивать, а современные технологии компиляции упростили разработку программ для таких машин, сделав ее не намного сложнее, чем для более простых систем. Крей основал новую компанию, SRC Computers, и приступил к проектированию собственной массово-параллельной машины. Новая разработка была сосредоточена на скорости обмена данными и производительности памяти – узком месте, которое ограничивало многие параллельные проекты. Проектирование только началось, когда Крей погиб в автомобильной аварии. Компания SRC Computers продолжила разработку и специализировалась на реконфигурируемых вычислениях.

Технические подходы

Крей часто ссылался на два важных аспекта своей философии проектирования: отвод тепла и обеспечение того, чтобы все сигналы, которые должны были прибыть в пункт назначения одновременно, действительно прибывали одновременно. Его компьютеры оснащались встроенными системами охлаждения, которые в конечном итоге включали каналы для охлаждающей жидкости, отлитые непосредственно в корпуса, и термосвязанные с металлическими пластинами на печатных платах, а также системы полного погружения в охлаждающую жидкость. В одной из историй, которые он рассказывал о себе, он осознал в начале своей карьеры необходимость блокировки работы компьютеров от систем охлаждения – чтобы компьютер не запускался, если система охлаждения не функционирует. Изначально ему не пришло в голову реализовать блокировку в обратном направлении, пока один из клиентов не сообщил, что локальные перебои в электроснабжении выключили их компьютер, но при этом система охлаждения продолжала работать – в результате они обнаружили утром, что машина покрыта льдом. Крей решил проблему временного сдвига сигналов (skew) путем обеспечения одинаковой электрической длины каждого пути сигнала в своих более поздних компьютерах, чтобы значения, предназначенные для обработки в определенный момент времени, действительно были корректными. При необходимости он прокладывал проводники вперед и назад на печатных платах, пока не достигалась требуемая длина, и использовал уравнения Максвелла при проектировании плат, чтобы учесть любые радиочастотные эффекты, которые могли изменять скорость сигнала и, следовательно, электрическую длину пути. На вопрос о том, какими CAD-инструментами он пользовался при проектировании компьютеров, Крей ответил, что предпочитает блоки бумаги формата 8 ½ x 11 дюймов с едва заметной сеткой 1/4 дюйма.

Личная жизнь

Крей избегал публичности, и существует множество необычных историй о его жизни вне работы, получивших название "Rollwagenisms" – так их называл тогдашний генеральный директор Cray Research, Джон А. Ролваген. Он любил кататься на лыжах, заниматься виндсерфингом, играть в теннис и другие виды спорта. Одним из его любимых занятий было рытьё туннеля под домом; он объяснял секрет своего успеха "посещениями эльфов", которые приходили к нему, когда он работал в туннеле: "Пока я копаю туннель, эльфы часто приходят ко мне с решениями моих проблем". По одной из версий, когда руководство попросило Крэя предоставить подробные планы на один и пять лет для его следующей машины, он просто написал: "Пятилетняя цель: построить самый большой компьютер в мире. Годовая цель: одна пятая от вышеуказанного". А однажды, когда от него ожидали многостраничный подробный отчет о ходе работы для руководства компании, Крей представил отчет из двух предложений: "Работа продвигается удовлетворительно, как было оговорено в июньском плане. Не было никаких существенных изменений или отклонений от июньского плана". Премия IEEE Computer Society имени Сеймура Крэя за достижения в области компьютерной инженерии, учрежденная в конце 1997 года, отмечает инновационный вклад в высокопроизводительные вычислительные системы, отражающий творческий дух Крэя. Крей женился на Верене Фолл в 1947 году. Они знали друг друга с детства. Она была дочерью методистского пастора, как и мать Крэя, а Верена работала диетологом. У них было трое детей, и они развелись около 1978 года. Позже он женился на Гери Харранд, и у них родились один сын и две дочери. Крей получил смертельные ранения в результате аварии, вызванной опрокидыванием автомобиля, спровоцированной безрассудным водителем, когда Крей перестраивался на своем Jeep Cherokee на межштатную автомагистраль 25 недалеко от Военно-воздушной академии в Колорадо. Крей скончался от полученных травм 5 октября 1996 года, через две недели после аварии и через неделю после своего 71-го дня рождения.