Prezgodaj preminuli oče superračunalnikov

Seymour Cray v računalniškem svetu velja za očeta superračunalnikov, saj je bil arhitekt te vrste računalnikov, ki so v 70. in 80. letih prejšnjega stoletja veljali za najhitrejše na svetu. Žal je leta 1996 preminil v prometni nesreči in področje superračunalnikov je ostalo brez vrste odličnih zamisli in predvsem potrebnih inovacij, ki bi jih obudile v prakso. Kljub temu bo ime Cray za vekomaj z velikimi črkami (in računalniki) zapisano v računalniško zgodovino.

Oče superračunalnikov se je rodil leta 1925 v mestecu Chippewa Falls v ameriški zvezni državi Wisconsin. Že kot najstnik je izdelal napravo, imenovano Erector Set, ki je takratne računalniške rezultate v obliki preluknjanih kartic spremenila v signale Morsejeve abecede. Domača klet je hitro postala njegov laboratorij. Cray je srednjo šolo končal ravno v času, ko so ZDA v 2. svetovni vojni stopile na zavezniško stran, in se priključil vojski. Na evropskih tleh je sprva deloval v enoti za komunikacije in zveze, nato pa se preselil na Pacifik, kjer se je ukvarjal z razbijanjem japonskih komunikacijskih šifer. Po koncu vojne se je vrnil v ZDA in dokončal študij, postal je inženir elektrotehnike in nato še doktor matematike.

Že med študijem na univerzi v Minnesoti se je pridružil podjetju Engineering Research Associates (ERA), ki je izdelovalo specializirano kriptografsko opremo za ameriško mornarico. V podjetju ERA je spoznal vrsto različnih računalnikov, od tistih, ki so uporabljali vakuumske cevi in ojačevalce, do modelov s tranzistorji. Njegovo navdušenje nad tehnologijo je poskrbelo, da je postal strokovnjak za področje digitalne računalniške tehnologije. ERA 1103 (pozneje UNIVAC 1103) je bil prvi komercialno uspešen znanstveni računalnik, pod njegovo arhitekturo pa je bil podpisan prav Cray. Njegova inovacija – uporaba elektrostatične hrambe podatkov oziroma pomnilnika RAM.

Cray je leta 1958 skupaj s skupino sodelavcev zapustil podjetje ERA in postal nepogrešljiv član novo ustanovljenega podjetja Control Data Corporation (CDC), v katerem je najprej razvil sistem CDC 1604 (v bistvu je šlo za cenovno ugodnejšo različico računalnika ERA 1103), nato pa dobil zeleno luč, da razvije računalnik, kot ga še ni bilo. Zaupanje je tudi uresničil. Čeprav CDC 6600 s stališča uporabljene strojne opreme še ni hodil po samem robu, je Crayjeva zasnova poskrbela, da je bil ta prvi pravi superračunalnik bistveno hitrejši od česarkoli na trgu. Medtem ko so konkurenčna podjetja stavila predvsem na razvoj kar najhitrejših procesorjev, se je Cray lotil odpravljanja ozkih grl – še tako hiter procesor je brez širokega vodila, prek katerega bi prejemal podatke, prej ali slej začel »stradati«. Z modelom CDC 6600 je uvedel porazdeljeno arhitekturo, v kateri je osnovni znanstveni procesor s podatki zalagalo kar deset nadvse hitrih pomožnih naprav. Nabor ukazov je bil na moč podoben ukaznemu naboru RISC – in to vrsto let pred tem, ko je bila omenjena kratica sploh izumljena. Za piko na i je bil superračunalnik, ki je za takratne razmere (leta 1964) stal astronomskih 7 milijonov dolarjev, sestavljen v mestecu Chippewa Falls. Cray je v naslednjih letih razvil še dva superračunalniška naslednika, modela CDC 7600 in 8600, potem pa se je povsem posvetil svetu superračunalnikov. Ob podpori vodstva podjetja CDC in nekaterih sodelavcev je leta 1972 ustanovil lastno podjetje.

Na superračunalniku CDC 6600 so raziskovalci inštituta ETH Zurich razvili programski jezik pascal.

Cray Research se loti brezkompromisnega uresničevanja novih zamisli

Stroka je menila, da je Cray s tlakovanjem lastne poti storil napako. Superračunalniki takratnega časa so bili pregrešno dragi, celo velikan, kot je bil CDC, si je lahko privoščil razvoj le enega na leto. Cray se je zato odpravil do ljudi z denarjem – finančnikov na Wall Streetu. Odziv ga je dobesedno šokiral. Finančniki so namreč poznali njegove prebojne rešitve in v njem videli človeka, ki jim lahko ustvari še precej več denarja. Zato je hitro prejel vsa sredstva, ki jih je potreboval za razvoj novega, zopet najzmogljivejšega superračunalnika.

Ko je leta 1975 napovedal 80-megaherčni superračunalnik Cray-1, je v industriji završalo. Za prvi stroj, ki je tranzistorje nadomestil z integriranimi vezji, in je bil sposoben toeretičnih 160 MIPS (nekaj strojnih omejitev je zmogljivosti računanja s plavajočo vejico držalo na okoli 136 MFLOPS), so se podjetja in organizacije dobesedno steple, spopad za superračunalnik s serijsko številko 1 pa je na dražbi dobil Los Alamos National Laboratory – 8,8 milijona dolarjev vredni sistem mu je bil dobavljen leta 1976. Tretji Cray-1 je za skoraj 8 milijonov dolarjev kupil ameriški Center za raziskave ozračja, o njegovih zmogljivostih pa priča podatek, da je bil v rabi kar ducat let (1977–1989). V Cray Research so načrtovali prodajo okoli desetih sistemov Cray-1, a so v naslednjih letih izdelali kar 85 superračunalnikov Cray-1 s ceno med 5 in 8 milijoni dolarjev. Seymour Cray in njegovo podjetje sta postala zvezdi računalniške industrije in to vlogo ohranila do zatona superračunalnikov v drugi polovici 90. let.

Cray je v želji, da bi še pospešil hitrost delovanja integriranih vezij, sistem zasnoval v obliki črke C – da so bili vsi gradniki sistema kar najbliže – nobena žica v računalniku ni bila daljša od 1,2 metra. Izjemne zmogljivosti so ustvarjale tudi velikanske količine toplote. Za njeno odvajanje je Cray razvil inovativen hladilni sistem, ki je uporabljal nevnetljiv plin freon.

Arhitektura superračunalnika Cray-1 je odsevala značaj njegovega načrtovalca – z izvedbo revolucionarnih idej je odpravljala tehnične ovire svojega časa.

Uspeh superračunalnika Cray-1 je odmeval po svetu, podjetje pa je prvega prodalo v Evropo leta 1977 – kupil ga je Evropski center za napovedovanje vremena. Družba Cray Research je nato odprla tudi podružnice v Veliki Britaniji, Nemčiji in na Japonskem.

Doba GIGAFLOPS in galijev arzenid

Cray je v želji, da bi poskrbel za nov mejnik v svetu računalništva, povlekel drzno potezo – odstopil je z mesta direktorja svojega podjetja in postal neodvisni zunanji sodelavec. Medtem ko se je Seymour ukvarjal z naslednikom, Cray-2, je skupina zaposlenih v podjetju leta 1982 razvila prvi večprocesorski superračunalnik Cray X-MP. 105 MHz stroj je imel deljen pomnilnik in vrsto pomnilniških cevovodov, sočasno pa so svoje delo opravljale kar tri enote s plavajočo vejico.

Trg je nestrpno čakal model Cray-2, tudi zaradi napovedi, da bo kar podeseteril zmogljivosti svojega predhodnika. Leta 1985 je bil superračunalniški kolos končno nared, a zaradi svoje zahtevnosti prodajnega uspeha ni ponovil. Največja zmogljivost je bila 1,9 GFLOPS, kar je pomenilo nov svetovni rekord, s katerim se je na lestvici najzmogljivejših superračunalnikov obdržal več let. Vsega 4-procesorski Cray-2 je prinesel povsem novo arhitekturo z zelo veliko cevovodi (VLSI). Idealen je bil za reševanje matematičnih izzivov, ki so zahtevali velikanske količine podatkov (beri: pomnilnika). Cray-2 je bil prvi superračunalnik, ki je za hlajenje tiskanih vezij – ta so bila nameščena tesno drugo poleg drugega – uporabljal tekočino in namenske izmenjevalce toplote. Zaradi visoke gostote komponent, ki so oddajale zelo veliko toplote, zračno hlajenje ni prišlo v poštev. Tekočinsko hlajena sredica je bila v celoti potopljena v neprevodno tekočino 3M Flourinert, ki je ob delovanju sistema brbotala. Za slabši prodajni uspeh tega superračunalnika so strokovnjaki krivili predvsem to, da so morali njegovi kupci naložbo v strojno opremo skoraj izenačiti z naložbo v programsko opremo in razviti aplikacije za operacijski sistem Cray Operating System (COS) in Unixovo distribucijo UNICOS.

Podobno kot sodobna analogija Intelovih razvojnih ekip, ki delujejo po sistemu tik-tak, je tudi Cray tekmoval z razvojniki v matičnem podjetju. Ti so leta 1988 pod vodstvom Steva Chena izdelali superračunalnik Cray Y-MP, ki je premogel osem vektorskih procesorjev zmogljivosti 333 MEGAFLOPS (sistem je sicer zmogel nepretrgano zagotavljati le zmogljivost 2,3 GIGAFLOPS).

To je Craya podžgalo, da je z modelom Cray-3 presegel samega sebe. Kot inženir je izdelal »nor« načrt, po katerem je v polprevodniških elementih predvidel uporabo galijevega arzenida (GaAs) namesto silicija. A že cena materiala, ki bi ga potrebovala superračunalnika Cray-3 in Cray C90, je bila astronomska, zato se ju Cray Research ni želel lotiti. Seymour je nato oblikoval novo podjetje, Cray Computer Corporation, in izdelal svoj Cray-3, a žal zanj ni dobil niti enega kupca, saj »superračunalnik skrajnosti« ni deloval zanesljivo. Vrhunskega inženirja ta neuspeh ni potrl, nasprotno, odločil se je za izdelavo naslednika, modela Cray-4, a mu ga ni uspelo dokončati, saj je njegovo podjetje zaradi izjemnih stroškov izdelave eksotičnih gradnikov prej bankrotiralo.

Paralelizem in TERAFLOPS

Cray se ni dal in je ustanovil še eno podjetje, tokrat SRC Computers, v katerem se je ukvarjal s tehnologijami masovnega paralelizma in ekstremnih zmogljivostih pomnilnika. A še preden je svoje izjemne zamisli dokončno uresničil v praksi, je tragično preminil v prometni nesreči. Podjetje SRC Computers sicer na področju hiperskalabilnih strežnikov uspešno posluje še danes.

Samo za primerjavo: pregrešno napredni Cray-2 je imel leta 1985 računske zmogljivosti tablice Apple iPad 2. Uporabljala ga je tudi NASA.

Družba Cray Research je še v začetku 90. let žela velike uspehe. 1991 so predstavili Cray C90, katerega osrednji procesor je zmogel stalno zmogljivost 1 GIGAFLOPS, sistem pa je premogel 16 takšnih procesorjev in za 256 milijonov besed centraliziranega pomnilnika. Zanimiva je bila tudi tržna niša »mini superračunalnikov«, ki so jo ustvarili Cray XMS in nasledniki.

V naslednjih letih je Cray Research vladal svetu superračunalnikov prav po zaslugi tehnologij masovnega paralelizma, saj je izdeloval ne le nadvse zmogljive, temveč tudi robustne in zanesljive sisteme, ki jih je bilo razmeroma enostavno upravljati. Tehnološke meje mogočega so premikali sistemi Cray T3D, Cray T90 in Cray T3E. Nato je začelo povpraševanje po superračunalnikih strmo upadati, Cray Research pa se je združil s podjetjem Silicon Graphics Inc (SGI) in to je superstrežniški oddelek takoj odprodalo družbi Sun. A ime Cray ostaja na lestvici najzmogljivejših superračunalnikov. Še leta 2012 je bil Cray Titan, ki zmore 17,59 PETAFLOPS, najzmogljivejši sistem na svetu.