Seymour Cray και ο υπερυπολογιστής

Πολλοί από εμάς γνωρίζουμε Υπολογιστές. Πιθανότατα να το χρησιμοποιήσετε τώρα για να διαβάσετε αυτήν την ανάρτηση ιστολογίου, καθώς συσκευές όπως φορητοί υπολογιστές, smartphone και tablet είναι ουσιαστικά η ίδια υποκείμενη τεχνολογία υπολογιστών. Οι υπερυπολογιστές, από την άλλη πλευρά, είναι κάπως εσωτερικοί, δεδομένου ότι συχνά θεωρούνται γεμάτοι, δαπανηροί, μηχανές απορρόφησης ενέργειας που αναπτύχθηκαν, σε γενικές γραμμές, για κυβερνητικά ιδρύματα, ερευνητικά κέντρα και μεγάλα επιχειρήσεις.

Πάρτε για παράδειγμα το Sunway TaihuLight της Κίνας, που είναι σήμερα ο ταχύτερος υπερυπολογιστής στον κόσμο, σύμφωνα με την κατάταξη των υπερυπολογιστών της Top500. Αποτελείται από 41.000 μάρκες (μόνο οι επεξεργαστές ζυγίζουν πάνω από 150 τόνους), κοστίζουν περίπου 270 εκατομμύρια δολάρια και έχει ισχύ ισχύος 15.371 kW. Από την άλλη πλευρά, ωστόσο, είναι σε θέση να εκτελεί τετραπλάσια υπολογισμούς ανά δευτερόλεπτο και μπορεί να αποθηκεύσει έως και 100 εκατομμύρια βιβλία. Και όπως και άλλοι υπερυπολογιστές, θα χρησιμοποιηθεί για την αντιμετώπιση ορισμένων από τις πιο περίπλοκες εργασίες στους τομείς της επιστήμης, όπως η πρόγνωση καιρού και η έρευνα για τα ναρκωτικά.

Η ιδέα του υπερυπολογιστή ξεκίνησε για πρώτη φορά στη δεκαετία του 1960 όταν ένας ηλεκτρολόγος μηχανικός με το όνομα Seymour Cray, ξεκίνησε να δημιουργεί τον ταχύτερο υπολογιστή στον κόσμο. Ο Cray, που θεωρείται «πατέρας της υπερυπολογιστικής», είχε αφήσει τη θέση του στο γίγαντα των υπολογιστικών επιχειρήσεων Sperry-Rand για να συμμετάσχει στη νεοσύστατη εταιρεία ελέγχου δεδομένων, ώστε να μπορεί να επικεντρωθεί στην ανάπτυξη επιστημονικοί υπολογιστές. Ο τίτλος του γρηγορότερου υπολογιστή στον κόσμο κρατήθηκε τότε από το IBM 7030 "Stretch", ένα από τα πρώτα που χρησιμοποίησαν τρανζίστορ αντί για σωλήνες κενού.

Το 1964, ο Cray εισήγαγε το CDC 6600, το οποίο παρουσίαζε καινοτομίες όπως η αλλαγή τρανζίστορ γερμανίου υπέρ του πυριτίου και ενός συστήματος ψύξης με βάση το Freon. Το πιο σημαντικό, έτρεξε με ταχύτητα 40 MHz, εκτελώντας περίπου τρία εκατομμύρια λειτουργίες κινητής υποδιαστολής ανά δευτερόλεπτο, γεγονός που τον έκανε τον ταχύτερο υπολογιστή στον κόσμο. Συχνά θεωρείται ο πρώτος υπερυπολογιστής στον κόσμο, το CDC 6600 ήταν 10 φορές ταχύτερο από τους περισσότερους υπολογιστές και τρεις φορές πιο γρήγορα από το IBM 7030 Stretch. Ο τίτλος παραιτήθηκε τελικά το 1969 στον διάδοχό του το CDC 7600.

Το 1972, ο Cray έφυγε από την Control Data Corporation για να δημιουργήσει τη δική του εταιρεία, Cray Research. Μετά από αρκετό καιρό συγκέντρωση κεφαλαίων και χρηματοδότηση από επενδυτές, ο Cray έκανε το ντεμπούτο του στο Cray 1, το οποίο αύξησε πάλι τη γραμμή για την απόδοση των υπολογιστών με μεγάλο περιθώριο. Το νέο σύστημα έτρεξε με ταχύτητα ρολογιού 80 MHz και πραγματοποίησε 136 εκατομμύρια λειτουργίες κινητής υποδιαστολής ανά δευτερόλεπτο (136 megaflops). Άλλα μοναδικά χαρακτηριστικά περιλαμβάνουν έναν νεότερο τύπο επεξεργαστή (επεξεργασία διανύσματος) και έναν σχεδιασμό βελόνας με βελτιστοποίηση ταχύτητας που ελαχιστοποίησε το μήκος των κυκλωμάτων. Το Cray 1 εγκαταστάθηκε στο Εθνικό Εργαστήριο του Los Alamos το 1976.

Μέχρι τη δεκαετία του 1980 ο Cray είχε καθιερωθεί ως το κορυφαίο όνομα στην υπερυπολογιστική και κάθε νέα κυκλοφορία αναμενόταν ευρέως να ανατρέψει τις προηγούμενες προσπάθειές του. Έτσι, ενώ ο Cray ήταν απασχολημένος με την εργασία του διαδόχου του Cray 1, μια ξεχωριστή ομάδα της εταιρείας παρουσίασε το Cray X-MP, ένα μοντέλο που τιμολογήθηκε ως μια πιο «καθαρισμένη» έκδοση του Cray 1. Μοιράστηκε τον ίδιο σχεδιασμό με πέταλο, αλλά διέθετε πολλούς επεξεργαστές, κοινή μνήμη και μερικές φορές περιγράφεται ως δύο Cray 1s που συνδέονται μεταξύ τους ως ένα. Το Cray X-MP (800 megaflops) ήταν ένα από τα πρώτα σχέδια «πολυεπεξεργαστή» και βοήθησε στο άνοιγμα της πόρτας παράλληλη επεξεργασία, όπου οι υπολογιστικές εργασίες χωρίζονται σε μέρη και εκτελούνται ταυτόχρονα από διαφορετικός επεξεργαστές.

Το Cray X-MP, το οποίο ενημερώθηκε συνεχώς, χρησίμευσε ως ο βασικός φορέας μέχρι την πολυαναμενόμενη κυκλοφορία του Cray 2 το 1985. Όπως και οι προκάτοχοί του, η τελευταία και η μεγαλύτερη Cray πήρε το ίδιο σχέδιο και βασική διάταξη σε σχήμα πέταλου με ενσωματωμένα κυκλώματα στοιβασμένα σε λογικές σανίδες. Αυτή τη φορά, ωστόσο, τα εξαρτήματα ήταν γεμάτα τόσο σφιχτά που ο υπολογιστής έπρεπε να βυθιστεί σε ένα σύστημα ψύξης υγρού για να διαλύσει τη θερμότητα. Το Cray 2 ήρθε εξοπλισμένο με οκτώ επεξεργαστές, με έναν "επεξεργαστή προσκηνίου" υπεύθυνος για τον χειρισμό αποθήκευσης, μνήμη και δίνοντας οδηγίες στους «επεξεργαστές φόντου», στους οποίους ανατέθηκε ο πραγματικός υπολογισμός. Συνολικά, συσκευάστηκε ταχύτητα επεξεργασίας 1,9 δισεκατομμυρίων λειτουργίες κινητής υποδιαστολής ανά δευτερόλεπτο (1,9 Gigaflops), δύο φορές πιο γρήγορα από το Cray X-MP.

Περιττό να πούμε, ο Cray και τα σχέδιά του κυβέρνησαν την πρώιμη εποχή του υπερυπολογιστή. Αλλά δεν ήταν ο μόνος που προωθούσε το πεδίο. Οι αρχές της δεκαετίας του '80 είδαν επίσης την εμφάνιση μαζικά παράλληλων υπολογιστών, που τροφοδοτούνται από χιλιάδες επεξεργαστές που εργάζονται παράλληλα για να συντρίψουν τα εμπόδια απόδοσης. Μερικά από τα πρώτα συστήματα πολλαπλών επεξεργαστών δημιουργήθηκαν από τον W. Ο Ντάνιελ Χίλις, ο οποίος βρήκε την ιδέα ως μεταπτυχιακός φοιτητής στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης. Ο στόχος εκείνη την εποχή ήταν να ξεπεραστούν οι περιορισμοί ταχύτητας της ύπαρξης άμεσων υπολογισμών CPU επεξεργαστές αναπτύσσοντας ένα αποκεντρωμένο δίκτυο επεξεργαστών που λειτουργούσαν παρόμοια με το νευρικό του εγκεφάλου δίκτυο. Η υλοποιημένη λύση του, που εισήχθη το 1985 ως Connection Machine ή CM-1, παρουσίασε 65.536 διασυνδεδεμένους επεξεργαστές ενός bit.

Οι αρχές της δεκαετίας του '90 σηματοδότησαν την αρχή του τέλους για τον Cray's stranglehold στην υπερυπολογιστική. Μέχρι τότε, ο πρωτοπόρος υπερυπολογιστών είχε αποχωρήσει από την Cray Research για να σχηματίσει την Cray Computer Corporation. Τα πράγματα άρχισαν να πηγαίνουν νότια για την εταιρεία όταν το έργο Cray 3, ο προβλεπόμενος διάδοχος του Cray 2, αντιμετώπισε πλήθος προβλημάτων. Ένα από τα μεγαλύτερα λάθη του Cray ήταν η επιλογή ημιαγωγών γάλλιου αρσενιδίου - μια νεότερη τεχνολογία - ως τρόπος επίτευξης του δηλωθέντος στόχου του για μια διπλάσια βελτίωση στην ταχύτητα επεξεργασίας. Τελικά, η δυσκολία στην παραγωγή τους, μαζί με άλλες τεχνικές επιπλοκές, κατέληξε να καθυστερήσει το έργο για χρόνια και είχε ως αποτέλεσμα να χάσουν πολλοί από τους πιθανούς πελάτες της εταιρείας ενδιαφέρον. Πριν από πολύ καιρό, η εταιρεία εξάντλησε χρήματα και υπέβαλε αίτηση πτώχευση το 1995.

Οι αγώνες του Cray θα μπορούσαν να αλλάξουν το είδος της φρουράς, καθώς τα ανταγωνιστικά ιαπωνικά υπολογιστικά συστήματα θα έρθουν να κυριαρχήσουν στο πεδίο για μεγάλο μέρος της δεκαετίας. Η NEC Corporation με έδρα το Τόκιο πρωτοεμφανίστηκε στη σκηνή το 1989 με το SX-3 και ένα χρόνο αργότερα αποκάλυψε μια έκδοση τεσσάρων επεξεργαστών που ανέλαβε τον ταχύτερο υπολογιστή στον κόσμο, μόνο για να εκλείψει το 1993. Εκείνη τη χρονιά, το Numerical Wind Tunnel της Fujitsu, με την ωμή δύναμη 166 επεξεργαστών διανύσματος έγινε ο πρώτος υπερυπολογιστής που ξεπέρασε τα 100 gigaflops (Σημείωση: Για να σας δώσει ιδέα για το πόσο γρήγορα εξελίσσεται η τεχνολογία, οι ταχύτεροι επεξεργαστές καταναλωτών το 2016 μπορούν εύκολα να κάνουν περισσότερα από 100 gigaflops, αλλά τότε, ήταν ιδιαίτερα εντυπωσιακό). Το 1996, το Hitachi SR2201 ανέβασε το ante με 2048 επεξεργαστές για να φτάσει σε κορυφαία απόδοση 600 gigaflops.

Τώρα, που ήταν Intel? Η εταιρεία που είχε καθιερωθεί ως ο κορυφαίος κατασκευαστής τσιπ στην αγορά των καταναλωτών, δεν έκανε πραγματικά παφλασμό στο χώρο της υπερυπολογιστικής μέχρι τα τέλη του αιώνα. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι τεχνολογίες ήταν εντελώς διαφορετικά ζώα. Οι υπερυπολογιστές, για παράδειγμα, σχεδιάστηκαν για να μπλοκάρουν όσο το δυνατόν περισσότερη επεξεργαστική ισχύ ενώ είναι προσωπικοί Οι υπολογιστές αφορούσαν την αποτελεσματικότητα συμπίεσης από τις ελάχιστες δυνατότητες ψύξης και την περιορισμένη παροχή ενέργειας. Έτσι, το 1993, οι μηχανικοί της Intel πήραν τελικά την κατάδυση, ακολουθώντας την τολμηρή προσέγγιση να πηγαίνουν μαζικά παράλληλα με το 3.680 επεξεργαστής Intel XP / S 140 Paragon, ο οποίος μέχρι τον Ιούνιο του 1994 είχε ανέβει στην κορυφή του υπερυπολογιστή κατατάξεις. Ήταν ο πρώτος μαζικά παράλληλος υπερυπολογιστής επεξεργαστών που ήταν αναμφισβήτητα το ταχύτερο σύστημα στον κόσμο.

Μέχρι αυτό το σημείο, ο υπερυπολογισμός ήταν κυρίως τομέας εκείνων με το είδος των βαθιών τσεπών για τη χρηματοδότηση τέτοιων φιλόδοξων έργων. Όλα αυτά άλλαξαν το 1994 όταν οι εργολάβοι στο Goddard Space Flight Center της NASA, που δεν είχαν τέτοια πολυτέλεια, ήρθαν με έξυπνος τρόπος για να αξιοποιήσετε τη δύναμη του παράλληλου υπολογιστή συνδέοντας και διαμορφώνοντας μια σειρά προσωπικών υπολογιστών χρησιμοποιώντας ένα ethernet δίκτυο. Το σύστημα "Beowulf cluster" που ανέπτυξαν αποτελείται από 16 486DX επεξεργαστές, ικανούς να λειτουργούν στην περιοχή των gigaflops και κόστισαν λιγότερο από 50.000 $. Είχε επίσης τη διάκριση να τρέχει το Linux και όχι το Unix προτού το Linux γίνει το λειτουργικό σύστημα επιλογής για υπερυπολογιστές. Πολύ σύντομα, οι κάτοικοι παντού ακολούθησαν παρόμοια σχεδιαγράμματα για να δημιουργήσουν τα δικά τους σμήνη Beowulf.

Μετά την παραίτηση του τίτλου το 1996 από το Hitachi SR2201, η Intel επέστρεψε εκείνη τη χρονιά με ένα σχέδιο βασισμένο στο Paragon που ονομάζεται ASCI Red, το οποίο αποτελούσε περισσότερα από 6.000 200MHz Επεξεργαστές Pentium Pro. Παρά το γεγονός ότι απομακρύνθηκε από τους επεξεργαστές διανυσμάτων υπέρ των off-the-shelf συστατικών, το ASCI Red κέρδισε τη διάκριση ότι είναι ο πρώτος υπολογιστής που έσπασε το φράγμα ενός τρισεκατομμύρια flops (1 teraflops). Μέχρι το 1999, οι αναβαθμίσεις της επέτρεψαν να ξεπεράσει τρία τρισεκατομμύρια flops (3 teraflops). Το ASCI Red εγκαταστάθηκε στα Sandia National Laboratories και χρησιμοποιήθηκε κατά κύριο λόγο για την προσομοίωση πυρηνικών εκρήξεων και για τη συντήρηση της πυρηνικό οπλοστάσιο.

Αφού η Ιαπωνία ανέκτησε το προβάδισμα υπερυπολογιστών για μια περίοδο με τον 35.9 teraflops NEC Earth Simulator, η IBM έφερε την υπερυπολογιστική σε πρωτοφανή ύψη ξεκινώντας το 2004 με το Blue Gene / L. Εκείνη τη χρονιά, η IBM έκανε το ντεμπούτο του σε ένα πρωτότυπο που μόλις βρήκε το Earth Simulator (36 teraflops). Και μέχρι το 2007, οι μηχανικοί θα αυξήσουν το υλικό για να αυξήσουν την ικανότητα επεξεργασίας του σε μια κορυφή σχεδόν 600 teraflops. Είναι ενδιαφέρον ότι η ομάδα μπόρεσε να επιτύχει τέτοιες ταχύτητες ακολουθώντας την προσέγγιση της χρήσης περισσότερων τσιπ που ήταν σχετικά χαμηλής ισχύος, αλλά πιο ενεργειακά αποδοτικά. Το 2008, η IBM έσπασε ξανά το έδαφος όταν ενεργοποίησε το Roadrunner, τον πρώτο υπερυπολογιστή που ξεπέρασε τις λειτουργίες κινητής υποδιαστολής ανά δευτερόλεπτο ανά 1 δευτερόλεπτο (1 petaflops).