Как построить суперкомпьютер? Спросите Сеймура Крэя

Да и не во всякий дом такая «мухарайка» поместится! А сколько электричества эта дура будет съедать?! Нет, нет, компьютер — это только для больших организаций и серьезных людей!

Одним словом, дело происходило в 1957 году в США. В городе Миннеаполис появилась новая компания по производству компьютеров, которую назвали «Control Data Corporation» (CDC). Компанию эту основали несколько инженеров, работавших до этого в «Sperry Corporation». Эта известная фирма находилась в Нью-Йорке и производила различную электронную технику, в основном, по заказам военного ведомства. Здесь приступили к производству большого универсального компьютера UNIVAC.

Компания была заинтересована в расширении рынка сбыта уже выпускаемого компьютера, а не в создании других, принципиально новых моделей. По этой причине группа инженеров-электриков, мечтавших построить самый быстрый компьютер в мире, покинула успешную компанию, для того чтобы пуститься в самостоятельное плавание.

Через год к этой группе присоединился их бывший коллега по «Sperry» Сеймур Крэй (Seymour Roger Cray; 1925 — 1996), и можно было сказать, что на борту нового корабля появился достойный капитан. Почему? Потому что Сеймур Крэй всю свою жизнь занимался созданием и разработкой суперкомпьютеров.

Что такое суперкомпьютер? Дать это определение непросто, потому что любые конкретные параметры суперкомпьютера, назначенные сегодня, очень скоро будут достигнуты и превышены, а потребность в компьютерах, имеющих бо́льшие вычислительные мощности, не пропадет. Любой суперкомпьютер всегда будет отставать от тех задач, над решением которых в данный момент работают ученые и для решения которых суперкомпьютер необходим именно сейчас.

К числу задач, для решения которых требуется огромный объем вычислений, относятся аэродинамические и баллистические расчеты, обсчет результатов сейсмического анализа, задачи предсказания погоды, криптография, разработка алгоритмов виртуальной реальности и еще, и еще, и еще… Так что рынок сбыта у суперкомпьютеров хоть и небольшой, но зато жадно поглощающий новую продукцию, которая, к слову, стоит очень дорого.

Помните, в «Золотом теленке» И. Ильфа и Е. Петрова упоминается рукопись композитора Франца Листа, где на первой странице указано играть «быстро», на второй — «очень быстро», на третьей — «гораздо быстрее», на четвертой — «быстро, как только возможно», и все-таки на пятой — «еще быстрее»? Так и здесь. Главный параметр суперкомпьютера — быстродействие.

Так вот, вся жизнь и вся работа Сеймура Крэя была борьбой за создание самого быстродействующего компьютера. На данный момент времени, конечно.

Сеймур Крэй родился в штате Висконсин в городке Чиппева Фоллс (Chippewa Falls). Факт известный: если на карте США встречаешь топоним в виде какого-то непонятного слова, значит этот топоним индейский. Так и здесь. «Falls» — по-английски «водопад», а «чиппева» — название местного индейского племени, которое в книгах Ф. Купера называют «оджибве».

Способности к технике, в частности, к радиотехнике и к химии, у Сеймура проявились еще в школе. Отслужив в армии в должности электрика, он поступил в университет Миннесоты. В 1951 году закончил учебу, получив степень магистра по прикладной математике.

Надо было искать работу. Тогда в США существовали две группы, работавшие над созданием универсальных компьютеров. На восточном побережье, в Нью-Йорке, строили UNIVAC. Другая же группа находилась совсем недалеко, в столице штата Миннесота, в городе Сент-Пол. Ее работу финансировало Военно-морское ведомство, а располагалась она на фабрике, где изготавливали планеры. Сеймуру Крэю такой вариант показался хорошим, и он влился в эту опытно-конструкторскую группу (Engineering Research Associates — ERA).

В этой группе, а затем в компаниях, которые продолжали и воплощали в жизнь ее наработки, Крэй проработал более шести лет, с 1951 по 1957 год. За эти годы он стал опытным конструктором, создав свой первый исследовательский компьютер ERA 1101. Кроме того, он принимал самое деятельное участие во втором проекте — построении компьютера UNIVAC 1103.

Как уже было сказано, когда Крэй «перерос» свою работу, он ушел из благополучной и преуспевающей компании «Sperry» в новую, которую сам же с друзьями создал — в компанию Control Data Corp (CDC). Как-то Сеймур Крэй заметил, что он любит начинать все сначала и поэтому делает это постоянно.

Уже в 1958 году на рынке появился первый компьютер, созданный под руководством Крэя — CDC 1604. Он был полностью выполнен на транзисторах, в то время как в большинстве вычислительных устройств все еще трудились старые добрые медлительные радиолампы, рассеивающие в окружающее пространство огромное количество тепла. Объем памяти этого компьютера был около 0.2 Мегабайтов. Сравните с объемом памяти своего мобильного телефона и улыбнитесь. А потом восхититесь. Как лихо отплясывали эти парни на таком пятачке!

Сейчас мы привыкли оценивать мощность процессора любого вычислительного устройства по тактовой частоте, на которой он работает. Частота эта измеряется в Гигагерцах (миллиардах Гц). Чем эта частота выше, тем производительнее процессор, тем быстрее он выполняет элементарные операции.

Уже в 1960-х годах производительность суперкомпьютеров во много раз превышала производительность обычных коммерческих машин, представленных на тогдашнем рынке. За счет чего это достигалось?

Во-первых, за счет передовой элементной базы. Создавая первый суперкомпьютер CDC 6600, Крэй стал использовать кремниевые транзисторы вместо германиевых. Новые транзисторы работали быстрее и с меньшим тепловыделением. Их размер был микроскопическим. Тем самым уменьшалось влияние конечности скорости света!

Здесь вдумчивый человек остановится, чтобы удивиться и еще раз восхититься. Конструкторы суперкомпьютера подобрались вплотную к ограничениям, накладываемым конечностью скорости света! Проводники, линейные размеры которых составляли доли миллиметра, уже влияли на производительность компьютера! Электрический ток проходил по ним слишком долго! Линейные размеры проводников следовало уменьшить в сто, а если получится, в тысячу раз. И ведь уменьшили! Это было второе решение, открывшее путь к созданию суперкомпьютера.

В связи с этим возникла третья проблема. Детали на платах были расположены так тесно, что количество выделяемого ими тепла становилось критическим. Чтобы охладить «кипящую» плату процессора, следовало внедрить новую, совершенную, систему охлаждения.

В-четвертых, был придуман новый способ ускорения работы компьютера — параллельные вычисления. Несколько работающих независимо друг от друга процессоров обрабатывали каждый свою часть программы, обмениваясь по мере необходимости результатами вычислений через очень быструю внутреннюю память.

Сейчас этот способ считается едва ли не стандартным. В каждом компьютере, в каждом смартфоне установлены многоядерные процессоры, повышающие скорость работы в 4, в 8, а то и в 16 раз! Но тогда эта идея была, без всякого сомнения, гениальной. Гениальной, но совсем не простой в исполнении. Она потребовала и хитрых аппаратных реализаций, и разработки новой теории параллельных вычислительных процессов.

Наконец, в-пятых, конструкция суперкомпьютера CDC 6600 предусматривала «разгрузку» процессора. Работой периферийных устройств управляли отдельные управляющие блоки, работавшие независимо от центрального процессора. Сам же центральный процессор занимался только обработкой информации.

Благодаря всем этим изобретениям, CDC 6600 работала по крайней мере в 10 раз быстрее других коммерческих компьютеров. Ее быстродействие было три миллиона операций в секунду! В 1962 году это казалось невероятным. Частью компьютера была специальная охлаждающая система, прогонявшая между тесно сдвинутыми платами охлажденный фреон.

Первые суперкомпьютеры купили элитные клиенты — Комиссия по атомной энергии и Бюро погоды. За три года было продано 63 компьютера CDC 6600. Они работали в главных научных заведениях США.

Продолжение следует…