Машини Сеймура Крея
Зміст
Машини Сеймура Крея
Сеймур Крей, американський інженер в області обчислювальної техніки, творець ряду американських суперкомп'ютерів, народився в містечку Chippewa Falls, штат Вісконсін, США. Славу винахіднику приніс комп'ютер CDC 6600.
ERA 1101 та UNIVAC 1103
В Engineering Research Associates і в компаніях-наступників - Remington Rand і Sperry Rand- Сеймур Крей пропрацював з 1950 по 1957 рік. У ці ж роки він створив свій перший дослідний комп'ютер ERA 1101, а також більшою мірою був автором проекту комп'ютера UNIVAC 1103. Машина була прямим конкурентом комп'ютера IBM 701 на ринку наукових обчислень. Так як Remington Rand випускала всі свої комп'ютери під назвою UNIVAC, новий комп'ютер отримав назву UNIVAC 1103. UNIVAC 1103 був представлений на ринку в лютому 1953 року. Перша машина була продана ВВС США для використання в програмі створення балістичних ракет на базі Eglin у Флориді. Навесні 1953 комп'ютер був представлений на комп'ютерній конференції в Лос-Анджелесі. На жаль, завод в місті Сент-Пол, раніше колишній в складі ERA, зазнавав труднощів з переходом від створення спеціалізованих комп'ютерів в одиничному екземплярі до їх масового виробництва, через що поставки UNIVAC 1103 йшли із затримками.
У 1955 році Remington Rand об'єдналася з компанією Sperry Corporation, утворивши компанію Sperry-Rand, а підрозділ UNIVAC Division було перейменовано в Sperry-UNIVAC. Багато колишніx працівників ERA були незадоволені своїм становищем, яке вони займали в гігантському конгломераті, і в 1957 році вони вирішили відбрунькуватися від Sperry-Rand і створити свою компанію Control Data Corporation.
Технічний опис
- Система використовувала пам'ять на електростатичних трубках Вільямса.
- Всього трубок було 36, кожна з яких могла зберігати 1024 біта даних, в сумі даючи обсяг ОЗП 1024 36-бітних слова.
- Кожна з 36 трубок Уїльямса була 5 дюймів в діаметрі. Крім того малася ОЗУ на основі магнітного барабана ємністю 16384 слів. І електростатична пам'ять, і пам'ять на барабані адресувалися безпосередньо: адреси від 0 до 01777 (в восьмеричної записи) давали доступ до електростатичного пам'яті, а адреси від 040000 до 077777 (в восьмеричної записи) - до барабана.
- Числа з фіксованою коми виражалися так: 1 біт відводився під знак, а 35 бітів - під значення, де негативні числа представлялися зворотним кодом.
- Для представлення чисел з плаваючою комою 1 біт відводився на знак, 8 біт - на порядок і 27 біт - на мантиссу.
- Інструкції складалися з 6 біт коду операції і двох 15-бітних адрес значень.
CDC 1604
Відразу після переходу в CDC Крей почав роботу над прототипом під назвою «Little Character», використовуючи транзистори, а не вакуумні лампи. Через складне фінансове становище молодої компанії він збирав прототип з бракованих транзисторів, які тільки міг придбати за низькою ціною в місцевих магазинах радіодеталей, компенсуючи «шлюб» дотепними схемами. Весь 1958 пішов на створення 6-бітного прототипу і розробку його модульної структури.
В CDC, спираючись на дослідження, проведене в Sperry-Rand за проектом навігаційної системи (проект Athena) для міжконтинентальних балістичних ракет Titan, і на експерименти з «Little Character», Крей побудував перший повноцінний комп'ютер CDC 1604 (англ.), Використовуючи германієві транзистори . Корпоративна легенда стверджує, що номер комп'ютера (1604) був отриманий шляхом простого складання номера з адреси, де розташовувалася компанія CDC (501 Park Avenue), з номером останнього комп'ютера (ERA / UNIVAC 1103), над яким працював Крей в Sperry-Rand до відходу в CDC.
48-бітний CDC 1604 був представлений на ринку в 1960 році, і на той момент з тактовою частотою 0,2 МГц (час такту 5 мікросекунд) він був найшвидшим комп'ютером в світі. Перший екземпляр був поставлений в Naval Postgraduate School (англ.), А наступні продані Ліверморській національній лабораторії, Університету штату Іллінойс, компаніям Northrop і Lockheed, Національному бюро стандартів, і навіть Уряду Ізраїлю. Роком пізніше за довгі триденні вихідні Крей розробив зменшену 12-бітну версію CDC 1604, яка отримала назву CDC 160A. CDC 160A містився в звичайному конторському столі і був по суті першим в історії мінікомп'ютером. Він використовувався як консоль вводу-виводу даних в CDC 1604, або як віддалений термінал. На його основі було створено сімейство миникомпьютеров CDC 160, а модифіковану версію CDC 160A Крей використовував як периферійних процесорів у своєму суперкомп'ютері CDC 6600.
У 1968 році один вже порядком морально застарілий CDC 1604 був поставлений в СРСР і встановлено в Об'єднаному інституті ядерних досліджень в м Дубна. В Дубні для CDC 1604 був написаний транслятор «Фортран-Дубна», програмно сумісний з вітчизняним комп'ютером БЕСМ- 6, перший примірник якого ОІЯД отримав у тому ж 1968 році.
CDC 6600
У пошуках більш спокійної обстановки для роботи над CDC 6600, Крей зі своєю командою з 30 інженерів у 1962 переїхав в місто свого дитинства Чіппеуа Фоллс (англ.) В окрему лабораторію, подалі від штаб-квартири CDC в Міннеаполісі. В CDC 6600 Крей замість германієвих застосував планарні кремніві транзистори компанії Fairchild Semiconductor. Завдяки більш високій швидкості перемикання логічних вентилів, побудованих на цих транзисторах, вдалося значно підвищити швидкодію комп'ютера і сильно спростити його схему. Незважаючи на те, що кремнієві транзистори витримують набагато більш високі робочі температури, ніж германієві, через високу щільності упаковки 400000 логічних елементів комп'ютера з метою скорочення довжини електричних ланцюгів в CDC 6600 Крею довелося задуматися над відведенням тепла - повітряної вентиляції виявилося недостатньо. Інженер Дін Роуш (Dean Roush) розробив систему охолодження, яка за допомогою алюмінієвих радіаторів відводила тепло від друкованих плат з транзисторами до трубок, по яких циркулював фреон, як у справжньому холодильнику. У роботі над CDC 6600 Крею в основному допомагали інженери Джим Торнтон (центральний процесор) і Дін Роуш (охолоджуюча система).
До середини 1963 CDC 6600 був готовий, і перші тести показали, що він працює в 50 разів швидше CDC 1604. Високої швидкості вдалося добитися завдяки кільком новаторським рішенням: на відміну від поширеної тоді схеми в CDC 6600 головний процесор комп'ютера виконував тільки логічні і арифметичні операції. Робота з периферійними пристроями була покладена на 10 «периферійних процесорів», головне призначення яких було «зчитувати» дані з пристроїв введення центрального процесору і забирати результати для відправки на пристрої виводу. Це дозволило розвантажити центральний процесор, скоротити набір його машинних команд до мінімуму і зробити їх виконання дуже швидким, тобто практично реалізувати ідею, яка пізніше, в 1970-х роках, була втілена в RISC-процесорах. Крім того в центральному процесорі мався конвеєр команд - новинка в комп'ютерній індустрії, яка вже була реалізована в деяких комп'ютерах компаній-конкурентів (ILLIAC II (англ.), IBM 7030 Stretch).
CDC 7600
Наступний комп'ютер CDC 7600 (англ.) Сеймура Крея був представлений в 1969 році. З тактовою частотою 37МГц (час циклу - 27,5 наносекунд) він був «всього» в 4 рази швидше CDC 6600 при майже тій же ціні - 7.5 млн доларів. Через відсутність значного стрибка в продуктивності CDC 7600 продавався дещо гірше, ніж CDC 6600.
Спочатку Крей створював комп'ютер під назвою CDC 6800, який планувалося зробити назад сумісним з CDC 6600. Але потім він відмовився від цієї думки і побудував новий комп'ютер CDC 7600 з нуля. Незважаючи на відмінності в архітектурі, CDC 7600 виявився майже повністю сумісним з CDC 6600 за допомогою компілятора Fortran, який підтримували обидві машини.
Cray-1
Приступаючи в 1972 році до нового комп'ютера, Крей врахував помилки свого попереднього невдалого проекту CDC 8600, а також плюси і мінуси конкуруючого проекту CDC STAR-100.
По-перше, він відмовився від транзисторів на користь інтегральних мікросхем (ІС), які давали таку щільність упаковки логічних елементів при високій надійності, яку неможливо було досягти за допомогою транзисторів. Це дозволило без втрати продуктивності підвищити час на такт до 12,5 нс (80 МГц), замість амбітних 8 нс (125 МГц) в CDC 8600. По-друге, він відмовився від багатопроцесорноїсистеми на користь векторного процесора, як у проекту-конкурента CDC STAR-100.
Далі Крей врахував недоліки STAR-100. Комп'ютеру під час виконання програми потрібно виконувати як векторні, так і скалярні обчислення. STAR-100 показував високу швидкість на векторних обчисленнях, але був повільним в скалярних. Через це міць STAR-100 проявлялася тільки на спеціальних завданнях, де була потрібна обробка великих масивів даних. Для Cray-1 Сеймур Крей побудував процесор, який швидко виконував і скалярні і векторні обчислення. Цього вдалося домогтися через створення так званих «векторних регістрів» - модулів пам'яті невеликого обсягу, які розташовувалися близько до процесора і працювали дуже швидко (але коштували дуже дорого). Таким чином центральний процесор брав дані з регістрів і записував дані теж в регістри, реалізуючи новий принцип роботи з пам'яттю «регістр-регістр», в той час як CDC STAR-100 використовував колишній спосіб роботи з пам'яттю - «load-store», тобто читання і запис в пам'ять (яка була повільною) безпосередньо. В CDC STAR-100 основна пам'ять була на феромагнітних сердечниках, а в Cray-1 для пам'яті використовувалися напівпровідники. Крім того CDC STAR-100 будувався сумісним з попередніми моделями компанії CDC 6600 і CDC 7600, а Cray-1 починався з нового аркуша, і сумісності з попередніми моделями не було потрібно, що значно полегшувало завдання Крею.
У 1974 році перші тести машини показали продуктивність 80 MFLOPS.
Архитектура Cray-1
Великий набір процесорних регістрів, що складаються з групи векторних регістрів по 64 елементу, блок скалярних регістрів, блок адресних регістрів. Кожна група регістрів пов'язана зі своїм конвеєрним процесором.
Дана система могла виконувати скалярні операції над векторними даними, над адресами, числами з плаваючою комою (порядок - 15, мантиса - 49). Швидкодія 180 млн операцій в секунду з плаваючою комою. У даній НД використовуються команди довжиною 16 або 32 розряду. В коротких командах 7 розрядів виділяється під код операції, 3 адресних поля по 3 розряду, визначали номер регістра для зберігання операндів. У довгих - 22 розряду для того, щоб можна було знайти операнд в загальному полі ОП. Один з регістрів визначає довжину вектора, другий - регістр маски.
Центральний процесор Cray-1 складався з 500 друкованих плат, на кожній із яких з обох сторін розташовувалося по 144 мікросхеми. Всього виходило 144.000 мікросхем, які охолоджувалися фреоном. Для кращого охолодження і циркуляції фреону в охолоджувальній системі центральний процесор був виконаний в стилі «вежі» з 12 колонами, складеними у формі дуги довжиною 270 градусів (у вигляді букви «C» - від «Cray», якщо дивитися зверху), а охолоджувальна система була розташована в підставі цієї вежі. Так був створений характерний, оригінальний і впізнаваний вигляд комп'ютера, що нагадує диван.
Машина пропонувалася в трьох модифікаціях: A, B і C, які відрізнялися один від одного лише розмірами пам'яті: 1000000 слів, 500 тисяч слів і 250 тисяч слів відповідно. З цих модифікацій реально продавалися тільки Cray-1A і Cray-1B. На Cray-1C так і не знайшлося покупця, і відповідно не було побудовано жодного примірника цієї модифікації.
Cray-2
Сеймур Крей приступив до створення нового суперкомп'ютера - Cray-2 - ще до закінчення доведення попередньої моделі - Cray-1, тобто приблизно в 1976 році. У початковому варіанті Cray-2 являв собою машину з чотирма векторними процесорами з часом на такт 4 нс, тобто в три рази менше, ніж у Cray-1 (12,5 нс). До 1978 року Cray-2 знаходився тільки в проектах, так як Крей і його команда були зайняті складанням серійних Cray-1 та їх поліпшеннями за вимогами замовників. На початку 1978 Крей вирішив, що Cray-2 буде містити не 4 векторних процесора, а 64 скалярних процесора. Це був радикальний відхід від успішного напрямки векторних процесорів до Маловідомі технології масово-паралельних обчислень. Для такого незвичайного комп'ютера потрібна особливий распараллелівающій компілятор, роботою над яким зайнявся Стів Нельсон (Steve Nelson). Після декількох місяців робіт Крей наніс візит в Ліверморської національної лабораторію, де представив нову майбутню машину тамтешнім програмістам. Виявилося, що 64-процесорна машина не затребувана, і Крею довелося згорнути роботи над випередила свій час технологією і знову повернутися до вихідної схемою.
Для підвищення тактової частоти відстань між елементами комп'ютера довелося зменшувати. Якщо найдовший провід в Cray-1 був не довше 6 футів, в Cray-2 довжину проводів скоротили до 16 дюймів. Щільніша упаковка означала великі труднощі з відведенням тепла. Спроба використовувати підхід Cray-1 не принесла успіху. Відстань між панелями було настільки мало, що між ними неможливо було розмістити мідні пластинки теплоотводов для охолодження. Проект Cray-2 став походити на провальний проект CDC 8600, через що Крей пішов на сміливий крок. Він запропонував організувати лабораторію в місті Боулдер (шт. Колорадо), яка б зайнялася створенням інтегральних схем. В Cray-1 і спочатку в Cray-2 використовувалися найпростіші мікросхеми малого ступеня інтеграції всього з двома логічними вентилями на еммітерной-пов'язаної логіці біполярних транзисторів. Лабораторія в Боулдері повинна була спроектувати і створити надвеликі інтегральні мікросхеми для Cray-2, які б дозволили упакувати великий обсяг логіки в малі розміри машини. Місто Боулдер був обраний не випадково, так як там перебувала штаб-квартира Національного Центру Атмосферних досліджень США (англ.) - Першого покупця Cray-1 і потенційного покупця Cray-2. Лабораторія, яку назвали "Cray Labs", була покликана розмістити на одному або декількох чіпах весь комп'ютер Cray-1, для чого працівники лабораторії розібрали один примірник Cray-1 по гвинтика, щоб зрозуміти, як він працює. У той же час роботи над Cray-2 в Cray Research були заморожені, а інженери команди були переведені на інші напрямки.
У 1981 році Сеймур Крей вніс радикальну пропозицію по конструкції Cray-2. Він запропонував помістити весь комп'ютер в інертну рідина під назвою Fluorinert (англ.) Компанії 3M, яка використовувалася в той час в медицині при операціях на серці. Рідина повинна була циркулювати навколо комп'ютера і всередині нього і відводити тепло більш ефективно, ніж повітря. Цей прорив зробив непотрібними роботи лабораторії в Боулдері над спеціальними НВІС, і в 1982 році вона була закрита. У 1980 році Крей пішов з поста глави компанії Cray Research і став працювати в компанії як незалежний підрядник. Це дозволило йому більше часу приділяти Cray-2, роботи над яким тривали вже 4 роки.
Cray-2 був представлений публіці в 1985 році. Показавши на тестах пікову продуктивність 1.9 Гфлопс, він став найшвидшим в світі суперкомп'ютером, змістивши з п'єдесталу Cray X-MP, випущений в 1983 році. Цей титул Cray-2 утримував до 1990 року, коли компанія ETA (підрозділ компанії CDC) випустила суперкомп'ютер ETA-10G.
У 1985 році вартість Cray-2 становила 17.6 мільйона доларів США.
Характеристики
- Процесор: 2 або 4 векторних процесора
- Елементна база: ІС з 16 логічними вентилями, емітерний-пов'язана логіка на біполярних транзисторах
- Час такту: 4.1 наносекунди
- Обсяг пам'яті: 256 мільйон 64-розрядних слів
- Охолодження: рідинне, з повним зануренням
- Операційна система: UNIX-подібна Unicos або Cray Operating System
- ПО: два компілятора мови Fortran: CFT2 і CFT77 з автоматичною векторизацией коду, компілятор мови C, макро-асемблер CAL, утиліти і бібліотеки для роботи з пристроями введення-виведення та організації виконання завдань
- Енергоспоживання: 195 кВт
- Габарити: висота - 114.3 см, діаметр - 134.6 см, 14 вертикальних колон-стійок, зібраних в дугу довжиною 300 градусів
Cray-3,Cray-4,Cray-5,Cray-6
15 травня 1989 Крей оголосив про звільнення з компанії Cray Research і вирішив продовжити роботу над Cray-3 в рамках нової компанії - Cray Computer Corporation, що влаштувалася в Колорадо-Спрінгс. Розставання було мирним: Cray Research вклало в нову компанію Крея 100 мільйонів доларів готівкою і 50 мільйонів додало майном. В Cray Computer Corporation Крей працював як підрядник, а не як штатний працівник.
В кінці серпня 1990 року компанія вдалося укласти договір на продаж першого комп'ютера з Ліверморської національної лабораторією. За договором Cray-3 повинен був бути поставлений не пізніше червня 1992 з поетапною здачею модулів. До червня 1991 всі етапи були пройдені успішно, проте до грудня 1991 року стало ясно, що здати в строк блок обчислень з плаваючою комою не вдасться. Наприкінці грудня Ливерморская лабораторія повідомила, що відмовляється від контракту на Cray-3 і набуває замість нього комп'ютер C90 у компанії Cray Research.
З втратою свого головного клієнта для компанії Cray Computer Corporation наступили важкі часи. Щомісячні витрати компанії становили 5 мільйонів доларів. Список урядових організацій, здатних придбати комп'ютер за 30 мільйонів доларів, скоротився з закінченням Холодної війни і скороченням фінансування на оборону. Не маючи покупця, було вирішено зупинити розробку 16-процесорного варіанту Cray-3 і знайти покупця на 8-процессорную машину.
Незважаючи на все це на початку 1994 року Крей почав роботу над новим комп'ютером - Cray-4, який був простіший і більш надійною машиною. Робота над Cray-4 йшла успішніше, ніж Cray-3. Вдалося досягти тактової частоти 1 ГГц (час такту - 1 нс), загальна вартість машини була в п'ять разів нижче, ніж Cray-3.
В цілому до середини 1994 року роботу в компанії налагодилася, вже будувалися плани на машини Cray-5 і Cray-6, а Крей подумував про вихід на пенсію. Проте компанії в умовах економічного спаду не вдалося знайти грошей на оплату поточних витрат і завершення робіт. 24 березня 1995 компанія оголосила про своє банкрутство, витративши в загальній сумі 300 мільйонів доларів на розробку і поставивши безкоштовно на пробу в травні 1993 роки комп'ютер Cray-3 лише одному покупцю - Національному центру атмосферних досліджень, де він так за кілька років і не запрацював коректно і був списаний через 2 дні після того, як Cray Computer Corporation збанкрутувала.
До середини липня 1995 Крей разом з рештою керівниками компанії намагався знайти інвестора для продовження робіт, однак випуск моделі Cray T90 компанією Cray Research поставив хрест на перспективах комп'ютера Cray-4.
