Сеймур Крей и его машины

28 сентября 1925 года в Чиппеуа Фоллс, штат Висконсин, родился Сеймур Роджер Крэй. Этот талантливый инженер и изобретатель создавал одни из лучших компьютеров своего времени. Ещё со школьных лет он интересуется радиотехникой и химией. После окончания школы, в 1943 году, служит в американской армии оператором радиостанции и занимается расшифровкой японских сообщений. После службы в армии Сеймур Крэй поступает в Университет Миннесоты, где в 1950 году получает бакалавра по электротехнике, а в 1951 году магистра по прикладной математике.





Сеймур Крэй (1925 — 1996 гг.)

ERA 1101 и UNIVAC 1103

В 1951 году он начинает работать в Engineering Research Associates (ERA), которая специализируется на создании криптографического оборудования для Военно-Морских Сил США. Чуть позже в 1952 году ее приобретает Remington Rand и присоединяет к подразделению UNIVAC Division.

Компания ERA в 1947 году заключила контракт «Task 13» с ВМФ США, согласно которому они создают первый электронный компьютер с хранимой в памяти программой под названием «Atlas». И уже в конце 1950 года он запускается в Агентстве Национальной Безопасности США.

Но, несмотря на то, что эта электронно-вычислительная машина была засекречена, в декабре 1951 года руководство ERA добивается разрешения на ее видоизменение и запуск в продажу. Она выходит под маркой ERA 1101 (т.е.«13» в двоичном коде) и Сеймур Крэй, участвуя в работе над новой машиной, по сути, создаёт свой первый экспериментальный компьютер.



Фрагмент магнитного барабана ERA 1101

Правда машина не пользуется спросом, так как она не работает с перфокартами и к ней не выдается инструкция для работы и программирования. Компания хотела продавать машинное время всем желающим для чего в 1953-1954 гг. они собирают ERA 1101 для своего офиса. Но замысел не удался и в конце 1954 г. машину передают для эксплуатации Техническому институту штата Джорджия.

Последняя модель, над которой работал Сеймур Крэй в Sperry-Rand, до своего перехода в CDC, была ERA/UNIVAC 1103.



В машине использовалась память на 36-ти электростатических трубках Уильямса в диаметре 5 дюймов каждая. Они могли хранить по 1024 бита данных. Оперативная память была на основе магнитного барабана емкостью 16384 слов. Электростатическая память, и память на барабане адресовались напрямую: адреса от 0 до 01777 (в восьмеричной записи) давали доступ к электростатической памяти, а адреса от 040000 до 077777 (в восьмеричной записи) — к барабану. Числа с фиксированной запятой выражались так: 1 бит отводился под знак, а 35 битов — под значение, где отрицательные числа представлялись обратным кодом. А в числах с плавающей запятой 1 бит отводился на знак, 8 бит — на порядок и 27 бит — на мантиссу. Инструкции состояли из 6 бит кода операции и двух 15-битных адресов значений.

Engineering Research Associates просит Управление безопасности Вооруженных сил разрешить использовать компьютер Atlas II в коммерческих целях. Они получают такое разрешение при условии удаления определенного количества специализированных инструкций. И уже новая машина в начале 1953 года выходит на рынок, с названием UNIVAC 1103, составляя конкуренцию компьютеру IBM 701. Первую UNIVAC 1103 приобретают ВВС США, чтобы использовать в программе создания баллистических ракет на базе Eglin во Флориде. А после представления компьютера, в этом же 1953 году, в Лос-Анджелесе на компьютерной конференции компания получает на него заказы от Convair, Boeing, Lockheed и армейского полигона White Sands Missile Range.



Монтаж UNIVAC, 1953 год

Компания Sperry Rand видела свою перспективу в новых заказах и увеличении объема продаж компьютеров, а не в исследовательских проектах. Поэтому, в 1957 году они сокращают компьютерное подразделение и ряд разработчиков уходит, основывая компанию CDC (Control Data Corporation).

Крэй, как ведущий инженер государственного проекта Naval Tactical Data System, заканчивает его и вложив своих 5000 долларов в уставной капитал компании, присоединяется к CDC.

CDC 1604

Придя в Control Data Corporation, Сеймур Крэй сразу погружается в работу. Первой разработкой компании, под руководством Крэя, становиться высокоскоростная модель CDC 1604 с тактовой частотой 0,2 МГц (время такта 5 микросекунд). Исходя из исследований, проведённых в Sperry-Rand по проекту навигационной системы для межконтинентальных баллистических ракет и на экспериментов с «Little Character», Крэй построил первый полноценный компьютер CDC 1604, который работал на германиевых транзисторах вместо вакуумных электронных приборов. В 1960 году этот компьютер считался самым быстрым в мире.

Такие компьютеры были проданы в Naval Postgraduate School, Ливерморской национальной лаборатории, Университету штата Иллинойс, компаниям Northrop и Lockheed, Национальному бюро стандартов и даже Правительству Израиля.



консоль CDC-1604

Следующая разработка заняла у Крэя всего 3 дня. 12-битная версия CDC 1604 получила название CDC 160A. Это был первый в мировой практике мини-компьютер по размерам как офисный стол. Он применялся как консоль ввода-вывода данных в CDC 1604 или использовался как удаленный терминал. В США его стоимость составляла 110 000 долларов.



CDC 160A

В Советский Союз в 1968 году поступает одна из устаревших моделей CDC 1604. Ее ставят в г. Дубна в Объединённом институте ядерных исследований. Там же для CDC 1604 пишут транслятор «Фортран-Дубна», программно- совместимый с советским компьютером БЭСМ-6. В дальнейшем CDC 160A Крэй будет применять как периферийный процессор в своем суперкомпьютере CDC 6600.

Сравнительная таблица CDC-1604 и БЭСМ-6

Параметр\Машина	CDC-1604	БЭСМ-6
Начало серийного выпуска	1960	1968
Элементная база	Транзисторы	Транзисторы
Тип адресации	Одноадресная	Одноадресная
Разрядность слова	48 бит	48 бит
Длинна команды	24 бита	24 бита
Разрядность сумматора	48 бит	48 бит
Разрядность адреса	15 бит	15 бит
Регистров общего назначения	1 (+1)	1 (+1)
Индексных регистров	6	15
Обьем ОЗУ (оригинальный)	32 768 слов	32 768 слов

CDC 6600

В компании Control Data Corporation у Сеймура Крэя было много нагрузки, в том числе административной и представительской, что забирало много времени и энергии. Его авторитет, безусловно, рос, но он хотел просто работать над созданием новых компьютеров и все свое время и усилия вкладывать только в этом направлении.

Для того, чтобы Крэй все же остался на фирме, в 1962 году Уильям Норрис, недалеко от дома Крэя, строит ему лабораторию. В лаборатории работает около 40 человек, из них 4 программиста и 14 инженеров. 22 августа 1962 года фирма Control Data Corporation сообщает о новой модели: CDC 6600, самого мощного компьютера на тот период и занимает лидирующую позицию на рынке, отодвигая на второе место IBM.



Консоль управления и модульные стойки

Последняя модель IBM проигрывала новой машине Крэя по своей мощности в три раза. 22 августа 1963 года в Chippewa Labs компьютер CDC 6600 был представлен узкому кругу журналистов.

Компьютер CDC 6600 получает титул «суперкомпьютер». Впервые в CDC 6600 используется несколько независимых функциональных устройств. Он имел развитое программное обеспечение, оперативная память была разбита на 32 банка по 4096 60-ти разрядных слов, цикл памяти 1 мкс, 10 независимых функциональных устройств, кремниевые транзисторы. Теоретически он мог проводить более чем 3 млн. операций в секунду (хотя с помощью лучших компиляторов программистам удавалось добиться лишь 0,5 млн.), впервые имел систему охлаждения с помощью фреона, разработанную Дином Роуш. Так же в работе Крэю помогал Джим Торнтон, который занимался центральным процессором. Логические и арифметические операции выполнял главный процессор, а 10 периферийных процессоров считывали данные с устройства ввода и забирали результаты для передачи их на устройство вывода. Благодаря чему был разгружен центральный процессор и набор его команд выполнялся очень быстро.



Крэй говорил:

Любой может создать быстрый процессор. Но изюминка в том, чтобы заставить всю систему работать быстро

Компьютеры CDC 6600 собирались на заводе CDC в пригороде города Сент-Пол — Арден-Хилс. Но по требованию Крэя, первые пять машин собирали сотрудники его лаборатории, а работники завода из Arden Hills наблюдали за сборкой и перенимали опыт.

Цена этого компьютера была чуть больше 7 млн. долларов, в то время как компьютеры  IBM Stretch стоили 13 млн. долларов. Первый компьютер был продан Комиссии по атомной энергии и Бюро погоды, а к 1967 году уже 63 машины CDC 6600 было куплено элитными клиентами.

В дальнейшем, взяв за основу CDC 6600, выпускается серия компьютеров, более дешевых по цене, но значительно уступающих по скорости работы. Компьютеры были выпущены под общим названием «серия 6000»: CDC 6400 (апрель 1966 года), CDC 6500 (октябрь 1967 года), CDC 6700 (октябрь 1969 года). Как продолжение, еще должен был быть выпущен компьютер CDC 6800, но Сеймур Крэй не хотел просто совершенствовать модели и решил создать новый компьютер на его основе — CDC 7600, который стал следующим этапом в истории развития суперкомпьютеров.

CDC 7600

В 1969 году выходит следующий компьютер Крэя CDC 7600. Его тактовая частота составляла 37 МГц. В CDC 7600 впервые использовалось сочетание параллельной и конвейерной обработки. А для улучшения работы конвейера, каждый из его «этапов» был представлен в виде отдельного электронного блока, содержавшего несколько печатных плат с компонентами, расположенными одна над другой. Это давало возможность сделать систему компактной, но при поломке какой-либо из плат весь блок выходил из строя.



CDC 7600 серии №1

CDC 7600 был в 4 раза быстрее чем CDC 6600 и стоил 7.5 млн. долларов. Но несмотря на отличия этих компьютеров они, благодаря компилятору Fortran, были совместимы. 100 штук CDC 7600 были куплены по цене от 6 до 10 миллионов долларов, в зависимости от конфигурации компьютеров.

CDC 8600

Следующая модель CDC 8600 представляла объединение четырех компьютеров CDC 7600 в одну общую систему. Они работали на частоте 125 МГц и имели общий доступ к оперативной памяти объемом 2 Мб. Каждый процессор новой системы работал в 2,5 раза быстрее CDC 7600, а это увеличивало производительность почти в 10 раз. Но вместе с тем надежность работы всей системы была достаточно низкой и CDC 8600 на рынок не вышел.



Макет CDC 8600, вероятно, сделанный в рекламных целях

Крэй понимает, что нужна новая машина и обращается к Уильяму Норрису, исполнительному директору Control Data Corporation, с просьбой о поддержке нового проекта. Однако Норрис ему отказывает, так как фирма концентрируем все свои силы на разработке STAR-100 (разработчик инженер CDC, Джим Торнтон). После чего, в 1972 году, Крэй с командой инженеров, уходит с Control Data Corporation и организовывает свою собственную фирму – Cray Research.

Cray-1

Взяв во внимание все недостатки и преимущества своих прежних компьютеров и последней разработки STAR-100 Control Data Corporation, Крэй берется за создание новой машины.

В основу компьютера закладывается параллельная обработка информации. Вместо транзисторов в новой машине Крэй использует интегральные микросхемы и векторный процессор; повышает время на такт до 12,5 нс (80 МГц); Микропроцессор использовал 12 конвейерных функциональных модулей, разбитых на четыре группы — адресную, скалярную, векторную и группу по обработке чисел с плавающей запятой (порядок – 15, мантисса – 49). Производительностью системы составляла 180 миллионов операций в секунду с плавающей запятой.

Создаются модули памяти небольшого объема («векторные регистры»), которые работают на высокой скорости и находятся близко к процессору, что дает возможность довольно быстро выполнять скалярные и векторные исчисления. Оперативная память (разрядность 64 бита) состоит из 16 независимых блоков объемом 64 Кб слов каждый. Ее объем охватывает 1048576 машинных слова (8 Мб). Регистровая память разделяется на пять групп регистров, в сумме – 152 шт. Ещё в системе была специальная буферная память для промежуточного хранения команд исполняемых программой, состоящая из четырех секций по 16 машинных слов в каждой. Центральный процессор использовал новый принцип работы с памятью «регистр-регистр». Он получает данные из регистров и записывает их туда же.

Так как Cray-1 был принципиально другим компьютером, то Крэю не было необходимости совмещать его с предыдущими машинами. Cray-1 представлял собой векторно-конвейерную вычислительную систему. Компьютер имел многогранную форму, что позволяло уменьшить длину проводов и увеличить плотность расположения компонентов системы. Центральный процессор со всех сторон был окружен чипами оперативной памяти, что предполагало одинаковое время на доступ к каждому из них. Он состоял из 500 печатных плат, на которых находилось 144000 микросхем, охлаждаемые фреоном. Для более эффективного охлаждения центральный процессор имел форму «башни» с двенадцатью колонами поставленные полукругом длиной 270 градусов и напоминающие букву «С» (от Cray), а сама охладительная система находилась внизу под башнями.

Из-за сверхплотной интеграции компонентов внутри, Cray-1 выделял большое количество тепла. А значит, требовалась мощная система охлаждения. Для этого разрабатывают специальную установку, где для охлаждения используется жидкий фреон.



Система охлаждения Cray-1

Между модулями устанавливаются медные пластины с тефлоновым покрытием, которые собирают тепло и отводят его к краям стойки. Пластины прикрепляются к основной «охлаждающей магистрали», состоящей из 12 панелей алюминиевых «кожухов», внутри которых находятся стальные трубки. По ним проходил жидкий фреон, охлаждающийся в нижней части системы, в которой и находится холодильная установка. Температура «магистрали» составляет 12 градусов по Цельсию, а в центральной части модулей может повышаться до 54 градусов. В общем, температура компьютера была ниже комнатной и это давало возможность устанавливать его в помещении, даже не имеющем воздушного кондиционирования.



Корпус нижней части суперкомпьютера был покрыт слоем мягкого наполнителя, и внешне походил на сидения, от чего его в шутку называли «самым дорогим в мире креслом»

Вся электроника Cray-1 была спрятана в многогранник с шестнадцатью гранями диаметром 150 см и высотой 195 см. Вес системы достигал 6 тонн, энергопотребление составляло – 115 кВт. А общая потребляемая мощность (вместе с системой хранения данных и охлаждающей установкой) была 250 кВт. Поэтому за подачу питания отвечало специальное устройство Power Distribution Unit, два метра высотой, самостоятельно обеспечивающее себя благодаря личному дизельному генератору.

В 1974 году уже первые тесты компьютера Cray-1 показали его среднюю производительность, равную 80 MFLOPS. При некоторых операциях скорость увеличивалась до 150 MFLOPS, а максимальная производительность составила 250 MFLOPS.



Сеймур Крей в 1974 году, со своим детищем – компьютером Cray 1

В 1975 году Cray Research знакомит общественность с компьютером Cray-1, а в марте 1976 года выпускают свой первый образец компьютера (серийный номер 001), который устанавливают в Ядерной Лос-Аламосской лаборатории США на полгода и получают превосходнейшие отзывы.

Это служит хорошей рекламой для продажи следующего компьютера; вторая машина продаётся за 8,86 млн. долларов Национальному Центру Атмосферных исследований США. И еще более сотни клиентов были заинтересованы в таком приобретении.



При покупке Cray-1 (а в дальнейшем и других компьютеров), каждый заказчик мог выбрать цвет граней на своё усмотрение

Но, на ряду, с покупкой, Cray-1 можно было арендовать за 210500 долларов в месяц (час работы на Cray-1 составлял 7500 долларов). Продажи компьютеров Cray-1 привели Cray Research к финансовому росту в компании и поражению их конкурентов.

Cray-2

Около 1976 года Крэй начинает разрабатывать новый компьютер Cray-2. Изначально он планировался как компьютер с четырьмя векторными процессорами и временем на такт 4 нс, но к 1978 году он решает изменить технологию и заменить 4 векторных процессора на 64 скалярных процессора. Но технологии массово-параллельных вычислений были малоизученными. Для компьютера с массово-параллельными вычислениями был необходим особый распараллеливающий компилятор. И над ним начал работать Стив Нельсон. Спустя несколько месяцев, Крэй отправляется в Ливерморскую национальную лабораторию, к их программистам с проектом своей новой машины. Но на тот момент компьютер на 64 скалярных процессорах оказался слишком прогрессивным и к нему ещё не были готовы. После чего Сеймур Крэй возвращается к первоначальной разработке.

Чтобы повысить тактовую частоту, Крэй уменьшает расстояние между элементами компьютера. Длину проводов укорачивают до 16 дюймов. Упаковка становится белее плотной, а расстояние между панелями не позволяет поместить пластинки теплоотводов, что в свою очередь затрудняет отвод тепла. Поэтому нужна была другая охлаждающая система не похожая на Cray-1.

Проект Cray-2 становился похожим на провальный проект CDC 8600. И тогда Крэй предлагает создать лабораторию по созданию интегральных схем, что бы вместить большой объем логики в малые размеры машины. Такая лаборатория появляется Болдыре (штат Колорадо).

В конце 1980 года Крэй передает руководство компанией Cray Research Джону Роллвалену и посвящает больше времени работе над Cray-2. Что бы более эффективно отводить тепло, Крэй в 1981 году, предлагает поместить всю машину в инертную жидкость Fluorinert компании 3М (Minnesota Mining and Manufacturing Company), которая использовалась при операциях на сердце. Это вещество должно было отводить тепло посредством циркуляции как вокруг машины, так и внутри нее.



Внутри Cray-2

В связи с этим новшеством необходимость в Болдырской лаборатории и ее работах над СБИС, исчезает и в 1982 году она закрывается. Весной 1985 года Крэй представляет новый самый быстрый в мире компьютер Cray-2. Эту пальму первенства он держит до 1990 года (в 1990 году, компания ETA выпустит новый суперкомпьютер ETA-10G). Первый экземпляр Cray-2 поставили Ливерморской национальной лаборатории.

Система Cray-2 имела 2 или 4 векторных процессора (в зависимости от конфигурации), ее элементная база состояла из интегральной схемы с 16 логическими вентилями и эмиттерно-связанной логики на биполярных транзисторах. Время такта составляло 4,1 нс, объем памяти — 256 млн. 64-разрядных слов. Была поставлена операционная система UNIX-подобная Unicos или Cray Operating System. Программное обеспечение имело два компилятора языка Fortran: CFT2 и CFT77 с автоматической векторизацией кода, компилятор языка C, макро-ассемблер CAL, утилиты и библиотеки для работы с устройствами ввода-вывода и организациями исполнения задач. У Cray-2 было жидкостное охлаждение с полным погружением, а энергопотребление составляло 195 кВт. Его высота составляла 114,3 см, диаметр — 134,6 см. Компьютер состоял из 14 вертикальных колонн-стоек, собранных в дугу длиной 300 градусов.



Cray-2 в NASA

2-й экземпляр Cray-2 в сентябре 1985 года был установлен в Исследовательском центре Эймса. Вначале Cray-2 разрабатывался для Министерства обороны и Министерства энергетики США, для исследований в области ядерных вооружений и океанографии, но он нашел свое применение и в мирных направлениях: в NASA, в университетах и корпорациях по всему миру.



Применение Cray-2 в NASA

Стоимость Cray-2 в 1985 году составляла 17.6 миллиона долларов. В 1990 году специально для Ливерморской национальной лаборатории в единственном экземпляре строится 8-процессорный Cray-2 стоимостью 19 миллионов долларов. К этому времени Сеймур Крэй отделяется от Cray Research и создает новую компанию Cray Computer Corp, чтобы работать над новым компьютером Cray-3 и поддерживать Cray-2.



Единственный в мире 8-процессорный Cray-2

Cray-3, Cray-4, Cray-5, Cray-6

Еще с 1988 года Крэй начинает работу над новой машиной Cray-3. Что бы полностью посвятить себя этой работе он в мае 1989 года уходит из компании Cray Research и создает новую Cray Computer Corporation. Со своей стороны Cray Research вкладывает в новую компанию Крэя 100 миллионов долларов наличными и 50 миллионов имуществом.

Чтобы достичь больших скоростей в модели Cray-3, Крэй берет арсенид галлия, который используется в быстродействующих схемах для спутников, как основу для своих микросхем. Это дало возможность создать микросхемы, работающие в шесть раз быстрее кремниевых микросхем. Но учитывая, что арсенид галлия очень хрупкий, то производительность таких изделий была очень низкой. Для испытания собранных модулей не было тестового оборудования, и компания Cray Computer Corporation вынуждена была приобретать дорогое оборудование по специальному заказу. А это в свою очередь влияло на дальнейшую стоимости компьютера (свыше 30 миллионов долларов).



Процессорный модуль Cray 3

Cray 3 поддерживал установку до 16 процессоров. Его производительность должна была стать самой высокой в мире. Но он, к сожалению, работает нестабильно. И Национальный центр атмосферных исследований, будучи главным заказчиком на Cray 3, перестает выделять деньги на доработки.

В августа 1990 года Cray Computer Corporation все же заключают договор с Ливерморской национальной лабораторией на продажу и поставку первого компьютера до июня 1992 г. Вплоть до июня 1991 года сдачи модулей идут по плану, но к концу 1991 года становиться очевидно, что в назначенный срок сдать блок вычислений с плавающей запятой не возможно и контракт разрывается.

В итоге для компании наступает тяжёлое время. С окончанием холодной войны и сокращением финансовых расходов на оборону, число компаний способных купить компьютер за такую цену значительно уменьшилось. И компания принимает решение остановить разработку 16-процессорного Cray-3 и найти покупателя на 8-процессорный компьютер. В итоге единственный в мире прототип Cray 3 находится в NCAR (Национальном центре атмосферных исследований).

Спустя некоторое время компания Cray Computer Corporation обанкротилась, но Крэй не останавливается и продолжает воплощать свои новые идеи. В 1996 году появляется новая компания SRC Computers и продолжается работа над Сгау-4.

Планировалось, что у Сгау-4 будет 64 процессора, длительность такта — 1 нс (тактовая частота 1 ГГц) и максимальная производительность 128 GFLOPS. Работа над Сгау-4 продвигалась по плану, в перспективе намечались Сгау-5, и Сгау-6. Как всегда в планах Крэя оставалось создание самого быстрого компьютера в мире. Но 22 сентября 1996 года Сеймур Крей попадает в автомобильную аварию. Он получает очень тяжелые травмы шеи и головы. И 5 октября 1996 года Сеймур Роджер Крэй, в возрасте 71 год, умирает от полученных травм.



В честь Крэя в 1997 году была учреждена награда «Seymour Cray Computer Engineering Award », которая вручается ежегодно IEEE Computer Society. За период своей деятельности Сеймур Крэй создал уникальную линию компьютеров высшего класса сыгравших ключевую роль в истории развития суперкомпьютеров.

Источник: geektimes.ru/company/ua-hosting/blog/278760/