Крей-1

Крей-1
3D визуализация двух Cray-1 с фигурой в масштабе
Дизайн
Производитель	Cray Research
Дизайнер	Сеймур Крей
Дата выхода	1975 г.
Проданных единиц	Более 80
Цена	7,9 млн долларов США в 1977 году (что эквивалентно 33,3 млн долларов США в 2019 году)
Кожух
Размеры	Высота: 196 см (77 дюймов) [1] Диаметр. (основание): 263 см (104 дюйма) [1] Диаметр. (столбцы): 145 см (57 дюймов) [1]
Масса	5,5 т (Cray-1A)
Мощность	115 кВт при 208 В, 400 Гц [1]
Система
Внешний интерфейс	Данные General Eclipse
Операционная система	COS и UNICOS
ЦПУ	64-битный процессор @ 80 МГц [1]
объем памяти	8,39 мегабайт (до 1 048 576 слов) [1]
Место хранения	303 мегабайта (блок DD19) [1]
ФЛОПЫ	160 MFLOPS
Преемник	Cray X-MP
v т е

Cray-1 был суперкомпьютер разработан, изготовлен и продается компанией Cray Research . Анонсированная в 1975 году первая система Cray-1 была установлена ​​в Лос-Аламосской национальной лаборатории в 1976 году. В итоге было продано более 100 Cray-1, что сделало ее одним из самых успешных суперкомпьютеров в истории. Он, пожалуй, наиболее известен своей уникальной формой, относительно небольшим С-образным корпусом с кольцом скамеек вокруг внешней стороны, закрывающим блоки питания и систему охлаждения.

Cray-1 был первым суперкомпьютером, успешно реализовавшим дизайн векторного процессора . Эти системы повышают производительность математических операций за счет организации памяти и регистров для быстрого выполнения одной операции с большим набором данных. Предыдущие системы, такие как CDC STAR-100 и ASC, реализовали эти концепции, но сделали это таким образом, что серьезно ограничили их производительность. Cray-1 решил эти проблемы и произвел машину, которая работала в несколько раз быстрее, чем любая аналогичная конструкция.

Архитектором Cray-1 был Сеймур Крей ; главным инженером был соучредитель Cray Research Лестер Дэвис. ^[2] Они продолжили проектировать несколько новых машин, используя те же основные концепции, и сохранили корону производительности до 1990-х годов.

Чертеж Cray-1 с 2 видами с масштабированием

История [ править ]

С 1968 по 1972 год Сеймур Крей из Control Data Corporation (CDC) работал над CDC 8600 , преемником его более ранних разработок CDC 6600 и CDC 7600 . 8600, по сути, состоял из четырех 7600 в коробке с дополнительным специальным режимом, который позволял им работать с синхронизацией шага в режиме SIMD .

Джим Торнтон, бывший технический партнер Cray по более ранним проектам, начал более радикальный проект, известный как CDC STAR-100 . В отличие от 8600, основанного на грубом подходе к производительности, STAR пошла по совершенно иному пути. Основной процессор STAR имел более низкую производительность, чем 7600, но добавлялось оборудование и инструкции для ускорения особенно распространенных суперкомпьютерных задач.

К 1972 году модель 8600 зашла в тупик; машина была настолько сложной, что невозможно было заставить ее работать должным образом. Даже один неисправный компонент может вывести машину из строя. Крей обратился к Уильяму Норрису , генеральному директору Control Data, и сказал, что необходимо изменить дизайн с нуля. В то время у компании были серьезные финансовые проблемы, и, поскольку STAR также находился на стадии разработки, Норрис не мог вложить деньги.

В результате Крей покинул CDC и основал Cray Research очень близко к лаборатории CDC. На заднем дворе земли, которую он купил в Чиппева-Фоллс , Крей и группа бывших сотрудников CDC начали искать идеи. Поначалу идея создания еще одного суперкомпьютера казалась невозможной, но после того, как главный технический директор Cray Research приехал на Уолл-стрит и нашел группу инвесторов, готовых поддержать Cray, все, что было необходимо, - это дизайн.

За четыре года Cray Research разработала свой первый компьютер. ^[3] В 1975 году был анонсирован Cray-1 80 МГц. Волнение было настолько велико, что между Ливерморской национальной лабораторией Лоуренса и Лос-Аламосской национальной лабораторией началась война за первую машину , последняя в конечном итоге выиграла и получила серийный номер 001 в 1976 году для шестимесячного испытания. Национальный центр атмосферных исследований (NCAR) был первым официальным заказчиком Cray Research в 1977 году, заплатив US млн $ 8,86 (7900000 $ плюс $ 1 млн для дисков) для серийного номера 3. НКАР машина была выведена из эксплуатации в 1989 году ^[4]Компания рассчитывала продать около дюжины машин и соответственно установить продажную цену, но в итоге было продано более 80 Cray-1 всех типов по цене от 5 до 8 миллионов долларов. Эта машина сделала Сеймура Крея знаменитостью, а его компания добилась успеха, который продлился до крушения суперкомпьютера в начале 1990-х годов.

Основываясь на рекомендации исследования Уильяма Перри , АНБ приобрело Cray-1 для теоретических исследований в области криптоанализа . По словам Будянски, «хотя стандартные истории Cray Research сохранятся на протяжении десятилетий, утверждая, что первым заказчиком компании была Лос-Аламосская национальная лаборатория, на самом деле это было АНБ ...» ^[5]

На смену 160  MFLOPS Cray-1 в 1982 году пришел 800 MFLOPS Cray X-MP , первый многопроцессорный компьютер Cray. В 1985 году очень продвинутый Cray-2 с максимальной производительностью 1,9 GFLOPS пришел на смену первым двум моделям, но имел несколько ограниченный коммерческий успех из-за определенных проблем с обеспечением стабильной производительности в реальных приложениях. Поэтому более консервативно разработанный эволюционный преемник моделей Cray-1 и X-MP был создан под названием Cray Y-MP и выпущен в 1988 году.

Для сравнения: процессор в типичном интеллектуальном устройстве 2013 года, таком как Google Nexus 10 или HTC One , работает примерно со скоростью 1 Гфлопс ^[6], а процессор A13 в iPhone 11 2020 года - со скоростью 154,9 Гфлопс. ^[7] Суперкомпьютеры, пришедшие на смену Cray-1, не достигли отметки до 1994 года .

Фон [ править ]

Типичная научная рабочая нагрузка состоит из чтения больших наборов данных, их некоторого преобразования и последующей повторной записи. Обычно применяемые преобразования идентичны для всех точек данных в наборе. Например, программа может добавить 5 к каждому числу в наборе из миллиона чисел.

В традиционных компьютерах программа перебирает все миллионы чисел, складывая пять, тем самым выполняя миллион инструкций a = add b, c. Внутренне компьютер выполняет эту инструкцию в несколько этапов. Сначала он считывает инструкцию из памяти и декодирует ее, затем собирает любую необходимую дополнительную информацию, в данном случае числа b и c, а затем, наконец, выполняет операцию и сохраняет результаты. Конечным результатом является то, что компьютеру требуются десятки или сотни миллионов циклов для выполнения этих операций.

Векторные машины [ править ]

В STAR новые инструкции, по сути, писали циклы для пользователя. Пользователь сообщал машине, где в памяти хранится список чисел, а затем вводил одну команду a(1..1000000) = addv b(1..1000000), c(1..1000000). На первый взгляд кажется, что экономия ограничена; в этом случае машина выбирает и декодирует только одну команду вместо 1 000 000, тем самым экономя 1 000 000 операций выборки и декодирования, что составляет примерно четверть всего времени.

Реальная экономия не так очевидна. Внутри ЦП компьютера состоит из нескольких отдельных частей, предназначенных для одной задачи, например, для добавления числа или выборки из памяти. Обычно, когда инструкция проходит через машину, в любой момент времени активна только одна часть. Это означает, что каждый последовательный шаг всего процесса должен завершиться, прежде чем можно будет сохранить результат. Это меняет добавление конвейера команд . В таких машинах ЦП будет «смотреть вперед» и начинать выборку последующих инструкций, пока текущая инструкция все еще обрабатывается. На этой сборочной линии моде для выполнения любой инструкции по-прежнему требуется столько же времени, но как только она завершает выполнение, следующая инструкция оказывается сразу за ней, и большинство шагов, необходимых для ее выполнения, уже завершены.

Векторные процессоры используют эту технику с одной дополнительной уловкой. Поскольку структура данных имеет известный формат - набор чисел, расположенных последовательно в памяти, - конвейеры могут быть настроены для повышения производительности выборки. При получении векторной инструкции специальное оборудование устанавливает доступ к памяти для массивов и максимально быстро загружает данные в процессор.

Подход CDC в STAR использовал то, что сегодня известно как архитектура память-память . Это относилось к способу сбора данных машиной. Он настроил свой конвейер для чтения и записи в память напрямую. Это позволило СТАР использовать векторы любой длины, ^{[ править ]} , что делает его очень гибким. К сожалению, конвейер должен был быть очень длинным, чтобы иметь достаточно инструкций в полете, чтобы компенсировать медленную память. Это означало, что машина понесла высокие затраты при переключении с обработки векторов на выполнение операций с отдельными случайно расположенными операндами. ^{[ требуется разъяснение ]}Кроме того, низкая скалярная производительность машины означала, что после того, как произошло переключение и машина выполняла скалярные инструкции, производительность была довольно низкой ^{[ необходима цитата ]} . Результатом были довольно неутешительные результаты в реальных условиях, что, возможно, могло быть предсказано законом Амдала ^{[ требуется пояснение ]} .

Подход Крея [ править ]

Крей изучил отказ STAR и извлек из этого ^{урок [ цитата ]} . Он решил, что в дополнение к быстрой векторной обработке его конструкция также потребует превосходной универсальной скалярной производительности. Таким образом, когда машина переключает режимы, она по-прежнему обеспечивает превосходную производительность. Кроме того, он заметил, что рабочие нагрузки в большинстве случаев можно значительно улучшить за счет использования регистров .

Точно так же, как более ранние машины игнорировали тот факт, что большинство операций применялось ко многим точкам данных, STAR игнорировал тот факт, что те же самые точки данных будут повторно обрабатываться. В то время как STAR будет читать и обрабатывать одну и ту же память пять раз, чтобы применить пять векторных операций к набору данных, было бы намного быстрее прочитать данные в регистры процессора один раз, а затем применить пять операций. Однако у этого подхода были ограничения. Регистры были значительно дороже с точки зрения схемотехники, поэтому можно было предоставить только ограниченное количество. Это означало, что дизайн Cray будет иметь меньшую гибкость с точки зрения размеров векторов. Вместо того, чтобы читать вектор любого размера несколько раз, как в STAR, Cray-1 должен был бы читать только часть вектора за раз,но затем он может выполнить несколько операций с этими данными перед записью результатов обратно в память. Учитывая типичные рабочие нагрузки, Крей считал, что небольшие затраты, связанные с необходимостью разбивать большие последовательные обращения к памяти на сегменты, являются затратами, которые стоит заплатить.

Поскольку типичная векторная операция будет включать загрузку небольшого набора данных в векторные регистры, а затем выполнение над ним нескольких операций, векторная система новой конструкции имела свой собственный отдельный конвейер. Например, блоки умножения и сложения были реализованы как отдельные аппаратные средства, поэтому результаты одного могли быть внутренне конвейеризованы в следующем, причем декодирование команд уже было обработано в основном конвейере машины. Крей назвал эту концепцию цепочкой , поскольку она позволяла программистам « связывать вместе» несколько инструкций и добиваться более высокой производительности.

Описание [ править ]

Новая машина была первой разработкой Cray, в которой использовались интегральные схемы (ИС). Хотя ИС были доступны с 1960-х годов, только в начале 1970-х годов они достигли производительности, необходимой для высокоскоростных приложений. В Cray-1 использовались только четыре разных типа ИС: двойной вентиль ИЛИ-ИЛИ-НЕ с 5-4 уровнями ECL (один с 5 входами и один с 4 входами, каждый с дифференциальным выходом) ^{[8], использовался} другой, более медленный вентиль MECL 10K 5-4 ИЛИ-НЕ. для разветвления адреса используется высокоскоростное (6 нс) статическое ОЗУ (SRAM) 16 × 4 бит, используемое для регистров, и статическое ОЗУ 1024 × 1 бит 48 нс, используемое для основной памяти. ^[9] Эти интегральные схемы были поставлены Fairchild Semiconductor.и Motorola . Всего в Cray-1 было около 200 000 ворот.

ИС были установлены на больших пятислойных печатных платах , до 144 ИС на плату. Затем платы были установлены вплотную для охлаждения (см. Ниже) и помещены в двадцать четыре стойки высотой 28 дюймов (710 мм), содержащие 72 двойных платы. Типичный модуль (отдельный процессор) требует одной или двух плат. Всего в машине было 1662 модуля 113 разновидностей.

Каждый кабель между модулями представлял собой витую пару , обрезанную до определенной длины, чтобы гарантировать получение сигналов точно в нужное время и минимизировать электрическое отражение. Каждый сигнал, создаваемый схемой ECL, был дифференциальной парой, поэтому сигналы были сбалансированы. Это, как правило, делает спрос на источник питания более постоянным и снижает шум переключения. Нагрузка на блок питания была настолько равномерно сбалансирована, что Cray хвастался, что блок питания не регулируется. С точки зрения источника питания вся компьютерная система выглядела как простой резистор.

Высокопроизводительная схема ECL выделяла значительное количество тепла, и конструкторы Cray потратили столько же усилий на конструкцию холодильной системы, сколько на остальную механическую конструкцию. В этом случае каждая печатная плата была соединена со второй, размещенной вплотную друг к другу с листом меди между ними. Медный лист проводил тепло к краям клетки, где находился жидкий фреон.при работе в трубах из нержавеющей стали он отводился к охлаждающему устройству под машиной. Первый Cray-1 задержали на шесть месяцев из-за проблем в системе охлаждения; Смазка, которая обычно смешивается с фреоном для поддержания работы компрессора, протекает через уплотнения и в конечном итоге покрывает платы маслом до тех пор, пока они не закорочены. Для правильной герметизации труб пришлось использовать новые методы сварки. Единственные патенты, выданные на компьютер Cray-1, касались конструкции системы охлаждения.

Чтобы вывести машину на максимальную скорость, все шасси было изогнуто в большую С-образную форму. Части системы, зависящие от скорости, были размещены на «внутренней стороне» шасси, где длина проводов была короче. Это позволило уменьшить время цикла до 12,5 нс (80 МГц), не так быстро, как 8 нс 8600, от которого он отказался, но достаточно быстро, чтобы превзойти CDC 7600 и STAR. По оценке NCAR, общая пропускная способность системы в 4,5 раза выше, чем у CDC 7600. ^[10]

Cray-1 был построен как 64-битная система, в отличие от 7600/6600, которые были 60-битными машинами (изменения также планировались для 8600). Адресация была 24-битной, с максимумом 1 048 576 64-битных слов (1 мегаворд) в основной памяти, где каждое слово также имело 8 бит четности, всего 72 бита на слово. ^[11] Было 64 бита данных и 8 контрольных бит. Память была распределена по 16 чередующимся банкам памяти , каждый из которых имел время цикла 50 нс, что позволяло читать до четырех слов за цикл. Меньшие конфигурации могут иметь 0,25 или 0,5 мегаворда основной памяти. Максимальная совокупная пропускная способность памяти составила 638 Мбит / с. ^[11]

Основной набор регистров состоял из восьми 64-битных скалярных (S) регистров и восьми 24-битных адресных (A) регистров. Они поддерживались набором из шестидесяти четырех регистров, каждый для временного хранилища S и A, известных как T и B соответственно, которые не могли быть просмотрены функциональными блоками. Векторная система добавила еще восемь 64-элементных на 64-битные векторные (V) регистры, а также длину вектора (VL) и векторную маску (VM). Наконец, система также включала 64-битный регистр часов реального времени и четыре 64-битных буфера инструкций, каждый из которых содержал шестьдесят четыре 16-битных инструкции. Аппаратное обеспечение было настроено так, чтобы векторные регистры могли загружаться по одному слову за цикл, в то время как для адресных и скалярных регистров требовалось два цикла. Напротив, весь буфер команд из 16 слов может быть заполнен за четыре цикла.

Cray-1 имел двенадцать конвейерных функциональных блоков. Арифметические операции с 24-битным адресом выполнялись в блоках сложения и умножения. Скалярная часть системы состояла из блока добавления, логического блока, счетчика совокупности , блока начального счета нуля и блока сдвига. Векторная часть состояла из модулей сложения, логики и сдвига. Функциональные блоки с плавающей запятой совместно использовались скалярной и векторной частями, и они состояли из блоков сложения, умножения и обратного приближения.

Система имела ограниченный параллелизм. Он мог выдавать одну инструкцию за такт для теоретической производительности 80  MIPS , но с векторным умножением и сложением с плавающей запятой, происходящими параллельно, теоретическая производительность составляла 160 ^[12]  MFLOPS. (Блок обратного приближения мог также работать параллельно, но не давал истинного результата с плавающей запятой - для достижения полного деления требовалось два дополнительных умножения.)

Поскольку машина была разработана для работы с большими наборами данных, в конструкции также были выделены значительные схемы для ввода / вывода . Ранние разработки Cray в CDC включали отдельные компьютеры, предназначенные для этой задачи, но в этом больше не было необходимости. Вместо этого Cray-1 включал в себя четыре 6-канальных контроллера, каждый из которых получал доступ к основной памяти один раз в четыре цикла. Каналы имели ширину 16 бит и включали 3 бита управления и 4 бита для коррекции ошибок, поэтому максимальная скорость передачи составляла 1 слово на 100 нс или 500 тысяч слов в секунду для всей машины.

Первоначальная модель Cray-1A весила 5,5 тонны, включая фреоновую систему охлаждения. Сконфигурированный с 1 миллионом слов оперативной памяти, машина и ее источники питания потребляли около 115 кВт мощности; охлаждение и хранение, вероятно, увеличили эту цифру более чем вдвое. ^{[ необходима цитата ]} Миникомпьютер Data General SuperNova S / 200 служил в качестве блока управления обслуживанием (MCU), который использовался для подачи операционной системы Cray в систему во время загрузки, для мониторинга процессора во время использования и, возможно, в качестве передней панели. -конечный компьютер. Большинство, если не все, Cray-1A были доставлены с использованием последующего Data General Eclipse в качестве MCU.

Cray-1S [ править ]

Cray-1S , объявленный в 1979 году, был улучшенный Cray-1 , которая поддерживает большую основную память 1, 2 или 4 миллиона слов. Увеличение объема оперативной памяти стало возможным благодаря использованию биполярных микросхем ОЗУ объемом 4 096 x 1 бит со временем доступа 25 нс. ^[13]Миникомпьютеры Data General были при желании заменены 16-разрядными компьютерами собственного производства со скоростью 80 MIPS. Подсистема ввода-вывода была отделена от основной машины и подключена к основной системе через канал управления 6 Мбит / с и высокоскоростной канал передачи данных 100 Мбит / с. Это разделение сделало 1S похожим на две «половинки Crays», разделенных несколькими футами, что позволяло расширять систему ввода-вывода по мере необходимости. Системы можно было купить в различных конфигурациях, от S / 500 без ввода-вывода и 0,5 миллиона слов памяти до S / 4400 с четырьмя процессорами ввода-вывода и 4 миллионами слов памяти.

Крей-1М [ править ]

Cray-1М , объявленный в 1982 году, заменил Cray-1S. ^[14] Он имел более короткое время цикла 12 нс и использовало менее дорогую МОП- память в основной памяти. 1M поставлялся только в трех версиях: M / 1200 с 1 миллионом слов в 8 банках или M / 2200 и M / 4200 с 2 или 4 миллионами слов в 16 банках. Все эти машины включали в себя два, три или четыре процессора ввода-вывода, и система добавляла дополнительный второй высокоскоростной канал данных. Пользователи могут добавить твердотельное запоминающее устройство с оперативной памятью MOS от 8 до 32 миллионов слов.

Программное обеспечение [ править ]

В 1978 году был выпущен первый стандартный пакет программного обеспечения для Cray-1, состоящий из трех основных продуктов:

• Операционная система Cray (COS) (на более поздних машинах будет работать UNICOS , разновидность Cray UNIX )
• Язык ассемблера Cray (CAL)
• Cray FORTRAN (CFT), первый компилятор Fortran с автоматической векторизацией

Штаты Департамент энергетики Соединенных финансируемая сайты из Ливерморской национальной лаборатории , Лос - Аламос научной лаборатории , Sandia National Laboratories и Национальный научный фонд суперкомпьютерных центров (для физики высоких энергий) представлял собой второй по величине блок с LLL в системе Cray Time Sharing (CTSS) . CTSS был написан на Фортране динамической памяти, сначала назывался LRLTRAN, который работал на CDC 7600 , переименованный в CVC (произносится как «Civic»), когда была добавлена ​​векторизация для Cray-1. Cray Research попыталась соответствующим образом поддержать эти сайты. Этот выбор программного обеспечения повлиял на последующие мини-суперкомпьютеры., также известные как « цветные карандаши ».

NCAR имеет собственную операционную систему (NCAROS).

Агентство национальной безопасности разработало собственную операционную систему (Folklore) и язык (IMP с портами Cray Pascal, C и Fortran 90 позже) ^[15]

Библиотеки начинались с собственных предложений Cray Research и Netlib .

Существовали и другие операционные системы, но большинство языков, как правило, основывались на Фортране или Фортране. Bell Laboratories , как доказательство концепции переносимости и проектирования схем, переместила первый компилятор C в свой Cray-1 (без векторизации). Позднее это дало CRI шестимесячную фору для переноса Cray-2 на Unix в ущерб ETA Systems и созданию первого компьютерного тестового фильма Lucasfilm « Приключения Андре и Уолли Б.» .

Прикладное программное обеспечение обычно бывает классифицированным ( например, ядерный код, криптоаналитический код) или патентованным ( например, моделирование нефтяных пластов). Это было связано с тем, что между клиентами и заказчиками университетов было мало общего программного обеспечения. Немногочисленными исключениями были климатологические и метеорологические программы, пока NSF не отреагировал на японский проект компьютерных систем пятого поколения и не создал свои суперкомпьютерные центры. Даже тогда делились небольшим кодом.

Музеи [ править ]

Cray-1 выставлены в следующих местах:

• Музей науки Брэдбери в Лос-Аламосе, Нью-Мексико
• Музей промышленности и технологий Чиппева-Фолс в Чиппева-Фолс, штат Висконсин
• В Cray Inc. офисы в Cray Plaza в Сент - Пол, штат Миннесота
• Музей истории компьютеров в Маунтин-Вью, Калифорния ^[16]
• Компьютерный музей Америки, Розуэлл, Джорджия, США ^[17]
• Компьютерный музей DigiBarn ^[18]
• Немецкий музей в Мюнхене
• ETH Zurich - Eidgenössische Technische Hochschule Zürich , Швейцария
• Живые компьютеры: музей + лаборатории в Сиэтле, Вашингтон ^[19]
• Национальный центр атмосферных исследований в Боулдере, Колорадо ^[20]
• Национальный музей авиации и космонавтики в Вашингтоне, округ Колумбия ^[21]
• Музей Боло в Лозанне , Швейцария
• Национальный музей вычислительной техники в Блетчли-парке ^[22]
• Музей науки в Лондоне ^[23]
• Шведский национальный музей науки и техники в Стокгольме, Швеция ^[24]

Другие изображения Cray-1 [ править ]

• Cray-1 с открытыми внутренними частями на EPFL

• Платы логики

• Внутри башни

• Система охлаждения

• Верх корпуса

• Крупный план материнских плат

• Деталь блока питания Cray-1A

• Cray-1 в Музее истории компьютеров

• Cray-1 в Музее истории компьютеров

• Cray-1 в Немецком музее

• The Cray-1 в Музее науки, Лондон

• Cray-1 в Компьютерном музее Америки, Розуэлл, Джорджия, США

• Платы логики

• Некоторые из 50 миль проводки

• Сеймур Крей со своим Cray-1

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме Cray-1 .

• Справочное руководство по аппаратному обеспечению компьютерной системы CRAY-1 , публикация № 2240004, версия C 11/77 (первые три главы) - Из DigiBarn / Ed Thelen
• Справочное руководство по аппаратному обеспечению компьютерной системы CRAY-1 , публикация № 2240004, версия C 11/77 (полное, отсканированное, PDF)
• Коллекция онлайн-руководств и документации по Cray @ Bitsavers
• Журнал Cray Channels @ Центр истории вычислений
• Руководства и документация Cray @ Центр истории вычислений
• Публикации группы пользователей Cray @ Центр истории вычислений
• Галерея суперкомпьютеров NCAR
• Verilog определение логики ЦП Cray-1A