Cray -2 — это суперкомпьютер с четырьмя векторными процессорами, выпускаемый Cray Research с 1985 года. С пиковой производительностью 1,9 GFLOPS он был самой быстрой машиной в мире на момент выпуска, заменив Cray X-MP в этом месте. В свою очередь, в 1988 году его заменил Cray Y-MP .
Cray-2 был первым из проектов Сеймура Крея , успешно использовавшим несколько ЦП. Это было предпринято в CDC 8600 в начале 1970-х годов, но транзисторы с эмиттерно-связанной логикой (ECL) той эпохи было слишком сложно упаковать в рабочую машину. Cray-2 решил эту проблему с помощью использования интегральных схем ECL , упаковав их в новую 3D-проводку, которая значительно увеличила плотность схемы.
Плотная упаковка и возникающие в результате тепловые нагрузки были серьезной проблемой для Cray-2. Это было решено уникальным способом, путем продавливания электрически инертной жидкости Fluorinert через схему под давлением и последующего охлаждения ее вне корпуса процессора. Уникальная система охлаждения «водопад» стала представлять высокопроизводительные вычисления в глазах общественности и некоторое время использовалась во многих информационных фильмах и в качестве реквизита для фильмов.
В отличие от оригинального Cray-1, Cray-2 испытывал трудности с обеспечением пиковой производительности. Другие машины компании, такие как X-MP и Y-MP, значительно превзошли Cray-2 по продажам. Когда Cray начала разработку Cray -3 , компания решила вместо этого разработать серию Cray C90 . Это та же последовательность событий, которая произошла при разработке 8600, и, как и в том случае, Cray покинул компанию.
После успешного запуска своего знаменитого Cray-1 Сеймур Крей обратился к разработке его преемника. К 1979 году он устал от управленческих перерывов в том, что теперь было крупной компанией, и, как он делал в прошлом, решил уйти с руководящего поста и переехать, чтобы сформировать новую лабораторию. Как и при его первоначальном переезде в Чиппева-Фолс, Висконсин из штаб-квартиры Control Data в Миннеаполисе, Миннесота , руководство Cray поняло его потребности и поддержало его переезд в новую лабораторию в Боулдере, Колорадо . Работая в качестве независимого консультанта в этих новых Cray Labs, начиная с 1980 года, он собрал команду и начал работать над совершенно новым проектом. Позже эта лаборатория закрылась, а десятилетие спустя открылось новое предприятие в Колорадо-Спрингс .
Ранее Cray атаковал проблему увеличения скорости тремя одновременными достижениями: больше функциональных блоков, чтобы придать системе более высокий параллелизм, более плотная упаковка, чтобы уменьшить задержки сигнала, и более быстрые компоненты, чтобы обеспечить более высокую тактовую частоту. Классическим примером этой конструкции является CDC 8600 , который упаковал четыре машины типа CDC 7600 , основанные на логике ECL, в цилиндр размером 1 × 1 метр и работал на скорости цикла 8 нс (125 МГц ). К сожалению, плотность, необходимая для достижения этого времени цикла, привела к краху машины. Печатные платы внутри были плотно упакованы, и поскольку даже один неисправный транзистор мог привести к отказу всего модуля, упаковка большего количества транзисторов на картах значительно увеличивала вероятность отказа. Охлаждение плотно упакованных отдельных компонентов также представляло собой серьезную проблему.
Одним из решений этой проблемы, к которому уже перешло большинство поставщиков компьютеров, было использование интегральных схем (ИС) вместо отдельных компонентов. Каждая ИС включала набор компонентов из модуля, предварительно подключенных к схеме автоматизированным процессом сборки. Если ИС не работала, пробовалась другая. Во время разработки 8600 простая технология на основе MOSFET не обеспечивала необходимой Cray скорости. Однако постоянные усовершенствования изменили ситуацию к середине 1970-х годов, и Cray-1 смог использовать более новые ИС и по-прежнему работать на приличных 12,5 нс (80 МГц). Фактически, Cray-1 был несколько быстрее, чем 8600, потому что он вмещал в систему значительно больше логики из-за небольшого размера ИС.
Хотя конструкция ИС продолжала совершенствоваться, физический размер ИС был в значительной степени ограничен механическими пределами; полученный компонент должен был быть достаточно большим, чтобы его можно было впаять в систему. Радикальное улучшение плотности было возможно, как показало быстрое улучшение конструкции микропроцессора , но для типа ИС, используемых Cray, представляющих собой очень малую часть полной схемы, конструкция зашла в тупик. Чтобы получить еще один 10-кратный прирост производительности по сравнению с Cray-1, к которому стремился Cray, машина должна была стать более сложной. Поэтому он снова обратился к решению, подобному 8600, удвоив тактовую частоту за счет увеличения плотности, добавив больше этих меньших процессоров в базовую систему, а затем попытавшись решить проблему отвода тепла от машины.
Другой проблемой проектирования был увеличивающийся разрыв в производительности между процессором и основной памятью . В эпоху CDC 6600 память работала с той же скоростью, что и процессор, и главной проблемой была загрузка в нее данных. Cray решила эту проблему, добавив в систему десять меньших компьютеров, что позволило им работать с более медленным внешним хранилищем (дисками и лентами) и «впрыскивать» данные в память, когда основной процессор был занят. Это решение больше не давало никаких преимуществ; память была достаточно большой, чтобы в нее можно было считывать целые наборы данных, но процессоры работали настолько быстрее памяти, что им часто приходилось долго ждать поступления данных. Добавление четырех процессоров просто усугубило эту проблему.
Чтобы избежать этой проблемы, новая конструкция банковой памяти и двух наборов регистров (регистры B и T) была заменена блоком памяти объемом 16 Кслов максимально быстрой памяти, называемой локальной памятью, а не кэшем, прикрепляя к ней четыре фоновых процессора отдельными высокоскоростными каналами. Эта локальная память питалась данными от выделенного процессора переднего плана , который в свою очередь был подключен к основной памяти через канал Гбит/с на ЦП; X-MP, напротив, имели три канала для двух одновременных загрузок и сохранения, а Y-MP/C-90 имели пять каналов, чтобы избежать узкого места фон Неймана . Задача процессора переднего плана заключалась в том, чтобы «запускать» компьютер, обрабатывать хранилище и эффективно использовать несколько каналов в основной памяти. Он управлял фоновыми процессорами, передавая инструкции, которые они должны были выполнять, через восемь буферов по 16 слов , вместо того, чтобы привязывать существующие каналы кэша к фоновым процессорам. Современные процессоры также используют разновидность этой конструкции, хотя процессор переднего плана теперь называется блоком загрузки/сохранения и сам по себе не является полноценной машиной.
Основные банки памяти были организованы в квадранты для одновременного доступа, что позволяло программистам распределять свои данные по памяти для достижения более высокого параллелизма. Недостатком этого подхода является то, что стоимость настройки блока рассеивания/сбора в процессоре переднего плана была довольно высокой. Конфликты шагов, соответствующие количеству банков памяти, страдали от потери производительности (задержки), как это иногда случалось в алгоритмах на основе FFT, возводимых в степень 2. Поскольку у Cray 2 был гораздо больший объем памяти, чем у Cray 1 или X-MP, эта проблема была легко устранена путем добавления дополнительного неиспользуемого элемента в массив для распределения работы.
Ранние модели Cray-2 вскоре остановились на конструкции с использованием больших печатных плат, заполненных микросхемами. Это сделало их чрезвычайно сложными для пайки вместе, и плотность все еще была недостаточной для достижения их целей по производительности. Команды работали над конструкцией около двух лет, прежде чем даже сам Cray «сдался» и решил, что будет лучше, если они просто отменят проект и уволят всех, кто над ним работал. Лес Дэвис, бывший соавтор Cray по дизайну, оставшийся в штаб-квартире Cray, решил, что его следует продолжить с низким приоритетом. После некоторых незначительных кадровых перестановок команда продолжила во многом как и прежде.
Шесть месяцев спустя у Крея случился момент « эврики ». Он созвал главных инженеров на совещание и представил новое решение проблемы. Вместо того, чтобы делать одну большую печатную плату, каждая «карта» вместо этого состояла из трехмерной стопки из восьми, соединенных вместе в середине плат с помощью штифтов, торчащих из поверхности (известных как «пого» или «z-штифты»). Карты были упакованы прямо друг на друга, поэтому полученная стопка была высотой всего около 30 мм.
При такой плотности никакая традиционная система воздушного охлаждения не могла работать; между ИС было слишком мало места для потока воздуха. Вместо этого система была погружена в бак с новой инертной жидкостью от 3M , Fluorinert . Охлаждающая жидкость под давлением продавливалась вбок через модули, а скорость потока составляла примерно один дюйм в секунду. Нагретая жидкость охлаждалась с помощью теплообменников с охлажденной водой и возвращалась в основной бак. Работа над новой конструкцией началась всерьез в 1982 году, через несколько лет после первоначальной даты начала.
В то время как это происходило, Cray X-MP разрабатывался под руководством Стива Чена в штаб-квартире Cray, и казалось, что он составит Cray-2 серьезную конкуренцию за свои деньги. Чтобы устранить эту внутреннюю угрозу, а также ряд новых японских машин типа Cray-1, система памяти Cray-2 была значительно улучшена, как по размеру, так и по количеству «труб» в процессорах. Когда машина была наконец доставлена в 1985 году, задержки были настолько длительными, что большая часть ее преимуществ в производительности была обусловлена более быстрой памятью. Покупка машины действительно имела смысл только для пользователей с огромными наборами данных для обработки.
Первый Cray-2, поставленный, обладал большей физической памятью (256 Мслов ), чем все ранее поставленные машины Cray вместе взятые. Моделирование перешло из 2-мерной области или грубого 3-мерного в более тонкую 3-мерную область, поскольку вычисления не должны были полагаться на медленную виртуальную память.
Cray-2 был в основном разработан для Министерства обороны и энергетики США . Его использовали, как правило, для исследований ядерного оружия или океанографических ( сонарных ) разработок. Однако первый Cray-2 (серийный номер 1) использовался в Национальном вычислительном центре магнитного термоядерного синтеза в Национальной лаборатории Лоуренса в Ливерморе для несекретных энергетических исследований. Он также нашел свое применение в гражданских агентствах (таких как Исследовательский центр Эймса NASA ), университетах и корпорациях по всему миру. Например, Ford и General Motors использовали Cray-2 для обработки сложных моделей конечно-элементного анализа кузовов автомобилей и для проведения виртуальных краш-тестов компонентов кузова перед производством.
Cray-2 должен был быть заменен Cray-3 , но из-за проблем с разработкой был построен только один Cray-3, и он так и не был оплачен. Духовным потомком Cray-2 является Cray X1 , предлагаемый Cray .
В 2012 году Петр Лусчек (бывший аспирант Джека Донгарры ) представил результаты, показывающие, что производительность iPad 2 соответствует исторической производительности Cray-2 на встроенном тесте LINPACK . [1]
Из-за использования жидкостного охлаждения Cray-2 получил прозвище «Пузыри», и распространённые шутки вокруг компьютера ссылались на эту уникальную систему. Шутки включали знаки «Рыбалка запрещена», картонные изображения Лох- несского чудовища, вылезающего из бака теплообменника, пластиковую рыбу внутри теплообменника и т. д. Потребляемая мощность Cray-2 составляла 150–200 кВт. Исследования, проведённые в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса в начале 1990-х годов, показали, что в ограниченной степени перфторированный полиэфир, используемый для охлаждения контуров Cray-2, распадается с образованием чрезвычайно токсичного газа перфторизобутилена . [2] В то время Cray создал плакат, показывающий прозрачную «пузырьковую камеру», через которую проходила охлаждающая жидкость для визуального эффекта, с разливом того же материала, блестевшим на полу — шутка заключалась в том, что если это действительно произойдёт, объект придётся эвакуировать. [3] Производитель жидкости разработал скруббер, который можно было разместить в одной линии с насосом, который бы каталитически разлагал этот токсичный продукт распада.
Каждая вертикальная стопка логических модулей располагалась над стопкой силовых модулей, которые питали 5-вольтовые шины , каждая из которых выдавала около 2200 ампер. Cray-2 питался от двух мотор-генераторов, которые потребляли 480 В трехфазного тока .
