Як побудувати суперкомп'ютер? Запитайте Сеймура Крэя

Як побудувати суперкомп'ютер? Запитайте Сеймура Крэя

Це було в ті часи, коли поєднання слів "персональний комп'ютер" вважалося не лише неможливим, але і безглуздим. Навіщо потрібна удома велика шафа, набита складними напівпровідниковими схемами? Для вирішення яких завдань?


Та і не у всякий будинок така "мухарайка" поміститься! А скільки електрики ця дурна з'їдатиме?! Ні, немає, комп'ютер — це тільки для великих організацій і серйозних людей!

Одним словом, справа відбувалася в 1957 році в США. У місті Міннеаполіс з'явилася нова компанія по виробництву комп'ютерів, яку назвали "Control Data Corporation"(CDC). Компанію цю заснували декілька інженерів, що працювали до цього в "Sperry Corporation". Ця відома фірма знаходилася в Нью-Йорку і робила різну електронну техніку, в основному, по замовленнях військового відомства. Тут приступили до виробництва великого універсального комп'ютера UNIVAC.

Компанія була зацікавлена в розширенні ринку збуту комп'ютера, що вже випускався, а не в створенні інших, принципово нових моделей. З цієї причини група інженерів-електриків, що мріяли побудувати найшвидший комп'ютер у світі, покинула успішну компанію, для того, щоб пуститися в самостійне плавання.

Через рік до цієї групи приєднався їх колишній колега по "Sperry" Сеймур Крэй(Seymour Roger Cray; 1925 — 1996), і можна було сказати, що на борту нового корабля з'явився гідний капітан. Чому? Тому що Сеймур Крэй усе своє життя займався створенням і розробкою суперкомп'ютерів.


Що таке суперкомп'ютер? Дати це визначення непросто, тому що будь-які конкретні параметри суперкомп'ютера, призначені сьогодні, дуже скоро будуть досягнуті і перевищені, а потреба в комп'ютерах, що мають бо́льшие обчислювальні потужності, не пропаде. Будь-який суперкомп'ютер завжди відставатиме від тих завдань, над рішенням яких в даний момент працюють учені і для вирішення яких суперкомп'ютер потрібний саме зараз.

До числа завдань, для вирішення яких потрібно величезний об'єм обчислень, відносяться аеродинамічні і балістичні розрахунки, обсчет результатів сейсмічного аналізу, завдання пророцтва погоди, криптографія, розробка алгоритмів віртуальної реальності і ще, і ще, і ще. Так що ринок збуту у суперкомп'ютерів хоч і невеликий, та зате що жадібно поглинає нову продукцію, яка, до речі, коштує дуже дорого.

Пам'ятайте, в "Золотому теляті" И. Ильфа і Е. Петрова згадується рукопис композитора Франца Листа, де на першій сторінці вказано грати "швидко", на другій — "дуже швидко", на третій — "набагато швидше", на четвертій — "швидко, як тільки можливо", і все-таки на п'ятій — "ще швидше"? Так і тут. Головний параметр суперкомп'ютера — швидкодія.

Так от, усе життя і уся робота Сеймура Крэя було боротьбою за створення самого швидкодіючого комп'ютера. На даний момент часу, звичайно.

Сеймур Крэй народився в штаті Вісконсін в містечку Чиппева Фоллс(Chippewa Falls). Факт відомий: якщо на карті США зустрічаєш топонім у вигляді якогось незрозумілого слова, означає цей топонім індіанський. Так і тут. "Falls" — по-англійськи "водоспад", а "чиппева" — назва місцевого індіанського племені, яке в книгах Ф. Купера називають "оджибве".

Здібності до техніки, зокрема, до радіотехніки і до хімії, у Сеймура проявилися ще в школі. Відслуживши в армії на посаді електрика, він поступив в університет Міннесоти. У 1951 році закінчив навчання, отримавши ступінь магістра по прикладній математиці.

Потрібно було шукати роботу. Тоді в США існували дві групи, що працювали над створенням універсальних комп'ютерів. На східному узбережжі, в Нью-Йорку, будували UNIVAC. Інша ж група знаходилася зовсім недалеко, в столиці штату Міннесота, в місті Сент-Пол. Її роботу фінансувало Військово-морське відомство, а розташовувалася вона на фабриці, де виготовляли планери. Сеймуру Крэю такий варіант здався хорошим, і він влився в цю дослідно-конструкторську групу(Engineering Research Associates — ERA).


У цій групі, а потім в компаніях, які продовжували і утілювали в життя її напрацювання, Крэй пропрацював більше шести років, з 1951 по 1957 рік. За ці роки він став досвідченим конструктором, створивши свій перший дослідницький комп'ютер ERA 1101. Крім того, він брав найдіяльнішу участь в другому проекті — побудові комп'ютера UNIVAC 1103.

Як вже було сказано, коли Крэй "переріс" свою роботу, він пішов з благополучної і досягаючої успіху компанії "Sperry" в нову, яку сам же з друзями створив — в компанію Control Data Corp(CDC). Якось Сеймур Крэй помітив, що він любить починати все спочатку і тому робить це постійно.

Вже в 1958 році на ринку з'явився перший комп'ютер, створений під керівництвом Крэя, — CDC 1604. Він був повністю виконаний на транзисторах, тоді як у більшості обчислювальних пристроїв все ще працювали старі добрі повільні радіолампи, розсіювальні в навколишній простір величезну кількість тепла. Об'єм пам'яті цього комп'ютера був близько 0.2 Мегабайтів. Порівняйте з об'ємом пам'яті свого мобільного телефону і посміхніться. А потім захопитеся. Як хвацько танцювали ці хлопці на такому п'ятачку!

Зараз ми звикли оцінювати потужність процесора будь-якого обчислювального пристрою по тактовій частоті, на якій він працює. Частота ця вимірюється в Гигагерцах(мільярдах Гц). Чим ця частота вища, тим производительнее процесор, тим швидше він виконує елементарні операції.

Вже в 1960-х роках продуктивність суперкомп'ютерів у багато разів перевищувала продуктивність звичайних комерційних машин, представлених на тодішньому ринку. За рахунок чого це досягалося?

По-перше, за рахунок передової елементної бази. Створюючи перший суперкомп'ютер CDC 6600, Крэй став використовувати кремнієві транзистори замість германієвих. Нові транзистори працювали швидше і з меншим тепловиділенням. Їх розмір був мікроскопічним. Тим самим зменшувався вплив скінченності швидкості світла!

Тут вдумлива людина зупиниться, щоб здивуватися і ще раз захопитися. Конструктори суперкомп'ютера підібралися впритул до обмежень, що накладаються скінченністю швидкості світла! Провідники, лінійні розміри яких складали долі міліметра, вже впливали на продуктивність комп'ютера! Електричний струм проходив по них занадто довго! Лінійні розміри провідників слід було зменшити в сто, а якщо вийде, в тисячу разів. Адже зменшили! Це було друге рішення, що відкрило шлях до створення суперкомп'ютера.

У зв'язку з цим виникла третя проблема. Деталі на платах були розташовані так тісно, що кількість тепла, що виділяється ними, ставала критичною. Щоб охолодити "киплячу" плату процесора, слід було впровадити нову, досконалу, систему охолодження.


По-четверте, був придуманий новий спосіб прискорення роботи комп'ютера — паралельні обчислення. Декілька працюючих незалежно один від одного процесорів обробляли кожного свою частину програми, обмінюючись в міру необхідності результатами обчислень через дуже швидку внутрішню пам'ять.

Зараз цей спосіб вважається чи не стандартним. У кожному комп'ютері, в кожному смартфоні встановлені багатоядерні процесори, що підвищують швидкість роботи в 4, в 8, а то і в 16 разів! Але тоді ця ідея була, без жодного сумніву, геніальною. Геніальною, але зовсім не простою у виконанні. Вона зажадала і хитрих апаратних реалізацій, і розробки нової теорії паралельних обчислювальних процесів.

Нарешті, по-п'яте, конструкція суперкомп'ютера CDC 6600 передбачала "розвантаження" процесора. Роботою периферійних пристроїв управляли окремі блоки, що управляють, працювали незалежно від центрального процесора. Сам же центральний процесор займався тільки обробкою інформації.

Завдяки усім цим винаходам, CDC 6600 працювала принаймні в 10 разів швидше за інші комерційні комп'ютери. Її швидкодія була три мільйони операцій в секунду! У 1962 році це здавалося неймовірним. Частиною комп'ютера була спеціальна охолоджувальна система, що проганяла між тісно зрушеними платами охолоджений фреон.

Перші суперкомп'ютери купили елітні клієнти — Комісія з атомної енергії і Бюро погоди. За три роки було продано 63 комп'ютери CDC 6600. Вони працювали в головних наукових закладах США.