Seymour Cray a superpočítač

Mnozí z nás jsou obeznámeni počítače. Pravděpodobně používáte jeden nyní ke čtení tohoto blogového příspěvku, protože zařízení, jako jsou notebooky, chytré telefony a tablety, jsou v podstatě stejnou základní výpočetní technologií. Na druhé straně superpočítače jsou poněkud ezoteričtí, protože jsou často považováni za hromadí, nákladné, stroje pro sání energie vyvinuté z velké části pro vládní instituce, výzkumná střediska a velké firmy.

Vezměte si například čínský Sunway TaihuLight, v současnosti nejrychlejší superpočítač na světě, podle žebříčku superpočítačů Top500. Skládá se ze 41 000 čipů (samotné procesory váží více než 150 tun), stojí asi 270 milionů dolarů a má výkon 15 371 kW. Na druhou stranu je však schopen provádět kvadriliony výpočtů za sekundu a může uložit až 100 milionů knih. A stejně jako ostatní superpočítače se bude používat k řešení některých nejsložitějších úkolů v oblasti vědy, jako je předpovídání počasí a výzkum drog.

Pojem superpočítač se poprvé objevil v 60. letech, kdy se elektrotechnik jménem Seymour Cray pustil do vytváření nejrychlejšího počítače na světě. Cray, považovaný za „otce superpočítačů“, opustil svůj post v obřích počítačových počítačů Sperry-Rand se připojí k nově vytvořené společnosti Control Data Corporation, aby se mohl soustředit na vývoj vědecké počítače. Titul nejrychlejšího počítače na světě byl v té době držen IBM 7030 „Stretch“, jedním z prvních, který místo vakuových trubic používal tranzistory.

V roce 1964, Cray představil CDC 6600, který představoval inovace takový jako vypínání germanium tranzistory ve prospěch křemíku a Freon-založený chladicí systém. Ještě důležitější je, že běžel rychlostí 40 MHz a prováděl zhruba tři miliony operací s pohyblivou desetinnou čárkou za sekundu, což z něj učinilo nejrychlejší počítač na světě. CDC 6600, často považovaný za první superpočítač na světě, byl 10krát rychlejší než většina počítačů a třikrát rychlejší než počítač IBM 7030 Stretch. Titul byl nakonec vzdán v roce 1969 jeho nástupci CDC 7600.

V roce 1972 opustil Cray Control Data Corporation a vytvořil vlastní společnost Cray Research. Po nějaké době získávání počátečního kapitálu a financování od investorů Cray debutoval Cray 1, což opět zvýšilo latku pro výkon počítače o velkou rezervu. Nový systém běžel při hodinové rychlosti 80 MHz a vykonával 136 milionů operací s pohyblivou řádovou čárkou za sekundu (136 megaflops). K dalším jedinečným funkcím patří novější typ procesoru (vektorové zpracování) a design ve tvaru podkovy optimalizovaný na rychlost, který minimalizuje délku obvodů. Cray 1 byl nainstalován v Los Alamos National Laboratory v roce 1976.

V 80. letech se Cray prosadil jako preeminentní jméno v superpočítání a jakékoli nové vydání se široce očekávalo, že svrhne jeho předchozí úsilí. Takže zatímco Cray byl zaneprázdněn prací na nástupci Cray 1, samostatný tým společnosti vydal Cray X-MP, model, který byl účtován jako „čistší“ verze Cray 1. Sdílel stejný design ve tvaru podkovy, ale pyšnil se více procesory, sdílenou pamětí a někdy je popsán jako dva Cray 1s spojené dohromady jako jeden. Cray X-MP (800 megaflop) byl jedním z prvních „multiprocesorových“ návrhů a pomohl otevřít dveře paralelní zpracování, přičemž výpočetní úlohy jsou rozděleny na části a prováděny současně pomocí odlišný procesory.

Cray X-MP, který byl neustále aktualizován, sloužil jako standardní nositel až do dlouho očekávaného uvedení Cray 2 v roce 1985. Stejně jako jeho předchůdci, i nejnovější a největší Cray převzali stejný design ve tvaru podkovy a základní rozvržení s integrovanými obvody naskládanými na logické desky. Tentokrát však byly komponenty napěněny tak pevně, že počítač musel být ponořen do kapalinového chladicího systému, aby se odvádělo teplo. Cray 2 byl vybaven osmi procesory, s „popředím procesorem“, který má na starosti manipulaci s úložištěm, paměti a dávat pokyny „procesorům na pozadí“, které byly pověřeny skutečným výpočtem. Celkově to sbalilo rychlost zpracování 1,9 miliardy operace s pohyblivou řádovou čárkou za sekundu (1,9 Gigaflops), dvakrát rychlejší než Cray X-MP.

Netřeba dodávat, že Cray a jeho návrhy vládly rané éře superpočítače. Ale nebyl jediným, kdo postupoval po poli. Počátkem 80. let se také objevily masivně paralelní počítače, poháněné tisíci procesory, které všechny pracují v tandemu, aby překonaly překážky ve výkonu. Některé z prvních multiprocesorových systémů byly vytvořeny W. Daniel Hillis, který přišel s myšlenkou jako postgraduální student na Massachusetts Institute of Technology. Cílem v té době bylo překonat rychlostní omezení přímých výpočtů CPU mezi sebou procesory vytvořením decentralizované sítě procesorů, která fungovala podobně jako nervový mozek síť. Jeho implementované řešení, představené v roce 1985 jako Connection Machine nebo CM-1, představovalo 65 536 vzájemně propojených jednobitových procesorů.

Počátkem devadesátých let byl začátkem konce Crayova záhada nad superpočítačem. Do té doby se superpočítačový průkopník oddělil od Cray Research a vytvořil Cray Computer Corporation. Věci začaly pro společnost jít na jih, když projekt Cray 3, zamýšlený nástupce Cray 2, narazil na celou řadu problémů. Jednou z hlavních chyb společnosti Cray bylo zvolit polovodiče gallium arsenidu - novější technologii - jako způsob, jak dosáhnout svého stanoveného cíle dvanáctinásobného zlepšení rychlosti zpracování. Nakonec potíže s jejich výrobou spolu s dalšími technickými komplikacemi nakonec zpozdily projekt po celá léta a vyústil v mnoho z potenciálních zákazníků společnosti nakonec prohrál zájem. Netrvalo dlouho a došla společnost peníze a podala žádost bankrot v roce 1995.

Crayovy boje by ustoupily změnám stráže druhů, protože konkurenční japonské počítačové systémy by po většinu desetiletí ovládly pole. Tokiová společnost NEC Corporation se na scénu poprvé objevila v roce 1989 se SX-3 ao rok později představil čtyřprocesorovou verzi, která převzala roli nejrychlejšího počítače na světě, jen aby byla zatměna v roce 1993. Ten rok se Numerický větrný tunel Fujitsu s hrubou silou 166 vektorových procesorů stal prvním superpočítačem, který překonal 100 gigaflopsů (vedlejší poznámka: představa o tom, jak rychle se technologie vyvíjí, nejrychlejší spotřebitelé v roce 2016 dokáží snadno udělat více než 100 gigaflopsů, ale v té době to bylo obzvláště působivé). V roce 1996 Hitachi SR2201 vylepšil ante s 2048 procesory, aby dosáhl špičkového výkonu 600 gigaflops.

Teď, kde to bylo Intel? Společnost, která se etablovala jako přední výrobce čipů na spotřebitelském trhu, se do oblasti superpočítačů až do konce století opravdu nedostala. Bylo to proto, že technologie byly celkem velmi odlišnými zvířaty. Například superpočítače byly navrženy tak, aby uvázly v co největším možném výkonu při osobní práci Všechny počítače byly o stlačení účinnosti z minimálního chlazení a omezené dodávky energie. Takže v roce 1993 se inženýři společnosti Intel konečně rozhodli, že odvážně přistoupí k masivnímu souboji s internetem 3 680 procesorů Intel XP / S 140 Paragon, které do června 1994 vyšplhaly na vrchol superpočítače hodnocení. Byl to první masivně paralelní procesorový superpočítač, který byl nepochybně nejrychlejším systémem na světě.

Doposud bylo superpočítání doménou těch, kteří mají takové hluboké kapsy na financování takových ambiciózních projektů. To vše se změnilo v roce 1994, když dodavatelé v Goddard Space Flight Center NASA, kteří neměli takový druh luxusu, přišli s chytrý způsob, jak využít sílu paralelních výpočtů propojením a konfigurací řady osobních počítačů pomocí ethernetu síť. Klastrový systém „Beowulf“, který vyvinuli, se skládal ze 16 procesorů 486DX, schopných provozu v rozsahu gigaflops a náklady na stavbu byly nižší než 50 000 USD. Před tím, než se Linux stal operačním systémem pro superpočítače, měl také na starosti Linux a Unix. Brzy se dělalo samoobslužných po celém světě podobné plány, aby si založili vlastní klastry Beowulfů.

Poté, co se vzdal titulu v roce 1996 k Hitachi SR2201, Intel se vrátil ten rok s designem založeným na Paragonu zvaném ASCI Red, který se skládal z více než 6 000 200 MHz Procesory Pentium Pro. Přestože se ASCI Red vzdálil od vektorových procesorů ve prospěch off-the-shelf komponent, získal vyznamenání za to, že byl prvním počítačem, který prolomil bariéru jednoho bilionu propadů (1 teraflopy). V roce 1999 jej upgrade umožnil překonat tři biliony flopů (3 teraflopy). ASCI Red byl nainstalován v Sandia National Laboratories a byl používán především pro simulaci jaderných výbuchů a pro pomoc při údržbě země jaderný arzenál.

Poté, co Japonsko znovu zavedlo superpočítačový náskok po dobu s simulátorem NEC Earth 35,9 teraflops, přinesla IBM superpočítač do bezprecedentních výšek počínaje rokem 2004 s Blue Gene / L. V tomto roce IBM debutovala s prototypem, který sotva ohraničil Earth Simulator (36 teraflops). A do roku 2007 by inženýři vylepšili hardware a posunuli jeho schopnost zpracování na vrchol téměř 600 teraflopsů. Je zajímavé, že tým dokázal dosáhnout takových rychlostí tím, že použil více čipů, které byly relativně nízké, ale energeticky účinnější. V roce 2008 se společnost IBM znovu rozpoutala, když zapla Roadrunner, první superpočítač, který překročil jeden kvadrillion operací s pohyblivou řádovou čárkou za sekundu (1 petaflops).