SEYMOUR CRAY

jest człowiekiem, którego często nudzą własne dokonania. Mając dość pracy przy historycznym już dziś UNIVACu, założył w 1957 roku własną firmę CONTROL DATA CORPORATION (CDC), by móc pracować bez nadzoru przełożonych. W CDC zrealizował swe pierwsze pomysły dotyczące programowania równoległego, dając początek urządzeniom, określanym dziś jako "superkomputery". Firma odniosła ogromny sukces rynkowy i rozrosła się nad podziw, ale Seymour Cray... znudził się administrowaniem wielką organizacją. W 1972 roku odszedł od CDC, zakładając kolejne przedsiębiorstwo CRAY RESEARCH INC. Gdy odzyskana wolność tworzenia ponownie zaowocowała powstaniem giganta (w kilka lat zagarnął 75% światowego rynku wielkich komputerów), Seymour Cray ponownie miał dosyć. Znudzony monotonią pracy opartej na technologii krzemowej (CMOS) i nie mogąc przekonać swojej własnej dyrekcji do bardziej zdecydowanego wejścia w technologię arsenku galu, całkiem niedawno ponownie zostawił swoje dziecko własnemu losowi i założył trzecią już firmę CRAY COMPUTER CORP. Na razie jest to niewielka placówka badawcza, ale za parę lat... Cray nie zerwał swych związków z CRAY RES. - nadal ma w nim udziały, zaś CRI jest współwłaścicielem CCC. Niemniej formalnie są konkurentami.

Póki co, gdy mówi się o CRAYu, to zazwyczaj chodzi o CRAY RESEARCH INC.

HISTORIA SUPERKOMPUTERÓW

zaczyna się w roku 1966, gdy CONTROL DATA CORP. wprowadziło na rynek pierwszy komputer wieloprocesorowy CDC6600, umożliwiający zastosowanie processingu równoległego. Pomysł jest w istocie bardzo prosty. Jeżeli problem numeryczny da się podzielić na części od siebie niezależne, to części te można wykonywać jednocześnie. Do tego właśnie służą osobne procesory. Dzięki tej technice CDC6600 osiągnął zawrotną w owym czasie szybkość działania rzędu kilku Mflops (milion floating-point operations per second - milion operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę). Szybkość wyrażona w flops oznacza pewną górną, graniczną wielkość. W praktyce jest ona osiągalna tylko po dokonaniu specjalnych zabiegów.

Drugi wymiar, do dziś określający poziom nowoczesności komputera, wprowadziła CDC w roku 1974. Była to pierwsza w historii maszyna wektorowa CDC STAR100. Wektorowość jest pojęciem nieco trudniejszym do popularnego objaśnienia. W "normalnym" komputerze, na przykład w PC, każda elementarna operacja (np. dodawanie dwóch liczb) jest wykonywana osobno, jedna po drugiej. Tymczasem w praktyce bardzo często wykonuje się długie łańcuchy bliźniaczych operacji (fortranowska instrukcja DO, pascalowa FOR). CDC wprowadziło więc tzw. procesory wektorowe, w których rejestry są zwielokrotnione ("register pipelines"), Dzięki temu wielokrotnie powtarzane operacje są wykonywane masowo, po kilkadziesiąt za jednym pociągnięciem. Można by to porównać do koparki, która jednym ruchem wykonuje pracę odpowiadającą pracy wielu robotników z łopatami w ręku. Przetwarzanie wektorowe umożliwiło wówczas zbliżenie szybkości działania do granicy 100 Mflops.

Granica 100 Mflops została przekroczona w roku 1976 przez równoległo-wektorową maszynę CRAY-1, w której zastosowano zegar o repetycji 12.5 ns (nanosekunda - miliardowa część sekundy) - CDC STAR był sterowany zegarem o częstości 40 ns.

W 1981 roku CDC wyprodukowało ostatni w USA duży komputer jednoprocesorowy CYBER 205. Tylko Japończycy jeszcze do połowy lat osiemdziesiątych konstruowali jednoprocesorowe giganty.

Serię CRAY X-MP zainicjowano w 1982 skalarno-wektorową maszyną o szybkości 400 Mflops. Był wyposażony w dwie jednostki centralne (CPU - Central Processing Unit); w 1984 można już było dokupić dwie następne. Każda CPU mogła być programowana oddzielnie, ale potrafiły też współpracować bezpośrednio. Z tej przyczyny był to pierwszy superkomputer uniwersalny, przystosowany do rozwiązywania złożonych problemów matematycznych.

CRAY-2, wprowadzony na rynek w roku 1985, miał cztery procesory i osiągał szybkość 2 Gflops (gigaflops - bilion operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę). Komputer ten odróżniał się również od poprzedników wielkością pamięci operacyjnej - 2 gigabajty.

W połowie lat osiemdziesiątych CRAY RESEARCH zajął pozycję niekwestionowanego światowego lidera w produkcji superkomputerów. Oprócz CDC tylko Japończycy - NEC, Fujitsu i Hitachi - próbowały z nim konkurować maszynami SX-3, VP200 i S-820, Nie zdobyły jednak rynku poza terenem Japonii. Ich komputery, mimo podstawowych parametrów podobnych do CRAYa, ustępowały zakresem zastosowań, oprogramowaniem i zgodnością z pojawiającymi się już standardami przemysłowymi. Standardy te dotyczyły głównie nowej tendencji do otaczania dużych komputerów siecią podstacji i terminali, która od połowy lat osiemdziesiątych z roku na rok zyskuje na ważności. Czasy zmieniały się szybko. O ile użytkownikami CRAYa-1 byli głównie wysoko kwalifikowani pracownicy uniwersytetów i rządowych agencji, dla których oprogramowywanie maszyny stanowiło swoiste wyzwanie i przyjemność, teraz większość klienteli zaczęli stanowić ludzie potrzebujący na swych końcówkach ogromnej mocy obliczeniowej, nie będąc zainteresowanymi w szczegółach związanych z systemem czy tajnikami procesorów. Inżynierowie, fizycy, chemicy - już od dawna mieli przygotowane problemy do rozwiązania na superkomputerach tej klasy.

Strategia firmy musiała więc uwzględnić zmieniające się oczekiwania klientów. Rozpoczęto szeroko zakrojone prace nad oprogramowaniem mającym na celu poszerzenie możliwości operacyjnych komputerów oraz umożliwienie bezkolizyjnej pracy wielu użytkownikom jednocześnie.

W połowie lat osiemdziesiątych pojawiła się również nowa idea odnosząca się do architektury logicznej wielkich komputerów. Jest to tzw. architektura MPP (Massive Parallel Processing). Podstawę tego pomysłu stanowi zastąpienie kilku złożonych, drogich procesorów wielką liczbą małych, prostych i tanich. Koncepcja ta stwarza perspektywę dla względnie tanich superkomputerów o niezwykle zwiększonych możliwościach. Szacuje się, że pod koniec lat osiemdziesiątych, przy stosowanej obecnie technologii krzemowej, maszyny MPP osiągną barierę 1 Tflops (teraflops - milion miliardów operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę). Na razie prototypy maszyn MPP z trudem osiągają poziom CRAYa-2 i to tylko przy zadaniach określonego typu, szczególnie podatnych na paralelizację. Główny problem tkwi w oprogramowaniu, które potrafiłoby efektywnie wykorzystać zalety konstrukcji. Eksperci CRAYa są jednak przekonani, że przyszłość należy do MPP.

HARDWARE

W 1988 roku CRAY otworzył serię Y-MP, która do dziś stanowi podstawę jego oferty. Y-MP2, Y-MP4 i Y-MP8 (ostatnia cyfra określa liczbę procesorów) stanowią rodzinę opartą o takie same lub podobne CPU, taktowane zegarem o częstości 6 ns, o wewnętrznej szybkości transmisji 1000 Mbyte/s i pamięci operacyjnej do 256 Mwords (word=64 bity). Wyposażono je również w dodatkową pamięć SSD (Soli-state Storage Device) o bardzo szybkim dostępie. Są chłodzone cieczą i pobierają do 50 kW mocy.

Najmłodsze dzieci CRAYa, z oficjalną datą urodzenia 26 listopada 1991, to Y-MP EL oraz Y-MP C90. Pierwszy z nich jest maleństwem (jak na CRAYa) o szybkości 133 Mflops dla każdego z 4 procesorów i pamięci do 128 Mwords, pobierającym 6 kW mocy i nie wymagającym chłodzenia. W założeniu maszyna pomyślana jest jako bardzo wydajna podstacja dla większych komputerów.

CRAY Y-MP C90 to obecnie największy superkomputer na świecie. Szesnaście procesorów, 16 Gflops, 256 Mwords pamięci operacyjnej, sumaryczna wewnętrzna transmisja 250 Gbytes/s, 2048 Mwords SSD, całkowita szybkość transmisji do SSD równa 13.6 Gbytes/s, szybkość transmisji do każdego z 256 urządzeń zewnętrznych równa 200 Mbytes/s. Nowość stanowi zastosowanie podwójnych wektorowych rejestrów, po 64 bity każdy, a także znaczny wzrost wewnętrznej i zewnętrznej szybkości transmisji danych. C90 wyróżnia się także zwiększonym przystosowaniem do pracy w sieci na rzecz bardzo wielu użytkowników.

Skalę postępu dokonanego w ciągu ostatnich lat obrazuje następujący przykład: ten sam kod, służący do symulacji przepływu powietrza wokół skrzydła samolotu w locie, na maszynie CRAY X-MP liczył się 30 godzin, 4 godziny na Y-MP8 i 1 godzinę na Y-MP C90.

SOFTWARE

od połowy lat osiemdziesiątych stanowi znaczącą część aktywności firmy. Uznając powszechność UNIXa, CRAY zrezygnował z własnego systemu operacyjnego COS (Cray Operating System) na rzecz UNICOS, który jest po prostu UNIXem przystosowanym do maszyn CRAYa i odpowiedno rozszerzonym. Rozszerzenia dotyczą przede wszystkim nadzoru nad operacjami wejścia-wyjścia oraz wielodostępu i wielozadaniowości. Na przykład program FFIO (Flexible File Input/Output) powoduje, że wielkość zbioru danych jest ograniczona tylko łączną wielkością wszystkich dysków, a nie każdego z nich. Gospodarkę zbiorami wzbogacono o operacje typu cache z wykorzystaniem pamięci SSD. UNICOS kontroluje migrację i częstość używania plików. Gdy dyski twarde są zapełnione, rzadko używane zbiory zostają automatycznie przesunięte do pamięci masowej "off-line" (np. taśmy magnetyczne). Z punktu widzenia użytkownika jedynym kłopotem jest więc tylko zwiększony czas dostępu do tych zbiorów. Zarządzany przez UNICOS komputer jest również niezwykle efektywnym file-serverem, zapewniającym wielopoziomowe zabezpieczenie danych dzięki programowi MultiLevel Security (MLS).

Obecnie wprowadzono już wersję 6.0 UNICOSu. Warto odnotować, że, z uwagi na wcześniejszych klientów, którzy przywykli już do COSu, prace nad tym systemem zostały zakończone dopiero w kwietniu br.

UNICOS współpracuje z innymi sieciami w oparciu o trzy najczęściej spotykane protokoły transmisyjne: TCP/IP, ISO/OSI i USCP. W razie potrzeby oczywiście można definiować inne protokoły. System operacyjny współpracuje ze wszystkimi sieciami szybkiej transmisji: Ethernet, HyperChannel, FDDI i HIPPI. Niektóre popularne programy sieciowe mają już wbudowane narzędzia do komunikacji z UNICOSem - na przykład Network File System firmy Sun, czy X-Windows, pozwalają na bezproblemowe korzystanie z CRAYa tak, jak gdyby był on częścią podstacji. UNICOS komunikuje się również z SNA firmy IBM oraz DECnet'em. Oprogramowanie CRAYa jest dostępne z wielu różnych systemów, włączając MVS i MV IBM'u, NOS/VE CDC, VAX/VMS DEC'a i rozmaite wersje UNIXa.

Firma CRAY dostarcza kompilatory języków programowania: Fortran, C, Ada, Pascal i LISP. Na szczególną uwagę zasługuje dziś Fortran z uwagi na to, że jego kompilator został wyposażony w tzw. autotasking, czyli narzędzie do wykrywania w programie użytkownika elementów nadających się do sparalelizowania. AutoTask samodzielnie dokonuje restrukturyzacji programu źródłowego (jeśli jest potrzebna) oraz uzupełnia odwołaniami do wewnętrznych bibliotek procedur nadzorujących egzekucję równoległą. AutoTask to inteligentny program - nie tylko znajduje nadające się do paralelizacji niezależne pętle iteracyjne, lecz również potrafi przepisać pętle zależne na niezależne, jeżeli taka możliwość istnieje. Rezultatem działania Autotasku jest przerobiony program źródłowy, użytkownik może więc dokładnie wiedzieć, jakie zmiany zostały zaproponowane.

ZASTOSOWANIA

Lista zastosowań komputera, który potrafi w kilka godzin rozwiązać układ stu tysięcy równań różniczkowych, jest bardzo długa i nigdy nie zostanie definitywnie zamknięta. Najbardziej spektakularne zastosowania dotyczą procesów, których eksperymentalna realizacja byłaby zbyt droga, niebezpieczna, czasochłonna albo w ogóle niemożliwa do przeprowadzenia.

Przemysł motoryzacyjny wykorzystuje komputery CRAYa do przeprowadzania analizy strukturalnej konstrukcji samochodów, zwłaszcza w aspekcie bezpieczeństwa (w komputerze można z powodzeniem wielokrotnie "rozbić" samochód o mur, minimalizując czas i pieniądze tracone na prawdziwe próby wytrzymałości). Przemysłu motoryzacyjnego dotyczą też studia nad zewnętrznym i wewnętrznym przepływem powietrza, których dokładne pomiary w ogóle nie są możliwe.

Przemysł lotniczy od dawna korzysta z symulacji zachowania się konstrukcji samolotów, opartych głównie o metody elementu skończonego. Na tym polu CRAY nie ma konkurencji, gdyż żaden inny komputer nie pozwala na obliczanie tak ogromnych zadań. Zysk z tych obliczeń, oprócz zwiększonego bezpieczeństwa lotu, to ograniczenie do minimum bardzo drogich prób w tunelu aerodynamicznym. Oprócz analizy strukturalnej, połączonej z aerodynamiką, ważną rolę odgrywają symulacje procesu spalania w silnikach odrzutowych, pozwalające na konstruowanie silników o wysokiej wydajności. Ostatnio komputery CRAY grają główną rolę w amerykańskim projekcie budowy samolotu atmosferyczno- kosmicznego (US National Aerospaceplane Project). Numeryczne symulacje dotyczą pojazdu poruszającego się z prędkością dwudziestopięciokrotnie przewyższającą prędkość dźwięku (nie do zrobienia w tunelu), a jednym z głównych problemów jest analiza procesów termicznych i chemicznych zachodzących przy tak wielkiej prędkości na powierzchni kadłuba. CRAY odegrał również decydującą rolę przy konstruowaniu niewidzialnego dla radarów bombowca Stealth. Jego dziełem jest projekt kształtu kadłuba, skład chemiczny powłoki pochłaniającej wiązkę radarową i symulacja zachowania się samolotu zarówno w powietrzu, jak i w polu elektromagnetycznym.

Nafciarze używają superkomputerów, między innymi, do modelowania złóż naftowych, co pozwala na zminimalizowanie liczby wierceń i ich optymalną lokalizację. Najpierw buduje się model oparty na danych uzyskanych metodami sejsmologii odbiciowej, których obróbka też wymaga wielkich komputerów. Następnie projektuje się rozkład szybów naftowych z uwzględnieniem wszystkich parametrów złoża, takich jak: ciśnienie, temperatura, skład chemiczny ropy i cechy geologiczne otoczenia złoża. Bez wielkich komputerów nie byłaby możliwa budowa "pływających wysp" wiertniczych o wysokości 1000 stóp, kosztujących miliardy dolarów. ARAMCO przyznaje, że zakupiony w 1984 roku CRAY wybawił firmę ze znacznych kłopotów związanych z konstrukcją zbiorników ropy naftowej, które przedtem nie sprawdzały się w warunkach panujących na terenie Arabii Saudyjskiej.

Modelowanie złożonych układów atomowych to baza współczesnego przemysłu chemicznego i farmaceutycznego. Dzięki bardzo złożonym obliczeniom potrafimy dziś zaprojektować nowy związek chemiczny, na przykład polimer złożony z tysięcy atomów. Można przewidzieć jego własności fizykochemiczne oraz ocenić reaktywność. Ma znaczenie nie tylko z punktu widzenia samej nauki, ale również businessu. Dość powiedzieć, że opracowanie nowego leku jest poprzedzone syntezą ok. 30000 związków chemicznych, przy czym synteza każdego z nich oznacza wydatek ok. 50000 USD. Większość dzisiejszych polimerów została opracowana za pomocą superkomputerów CRAY.

Meteorologia od dawna jest jednym z najwierniejszych klientów producentów wielkich komputerów, zaś CRAYe zainstalowano we wszystkich liczących się ośrodkach badań atmosfery i środowiska naturalnego. Dzięki współczesnym maszynom możliwe jest budowanie efektywnych modeli globalnych, uwzględniających właściwie wszystkie czynniki kształtujące pogodę: parowanie i kondensację, dopływ energii słonecznej, zachowanie się chmur, przepływy masy i ciepła, stan wód oceanicznych itd. Służy to zarówno bieżącym prognozom jak i badaniom długoterminowych procesów. Na przykład w amerykańskim National Center for Atmospheric Research bada się długofalowe skutki wzrostu zawartości dwutlenku węgla w atmosferze.

BUSINESS

CRAY RESEARCH INC. został założony 6 kwietnia 1972 roku z bardzo skromnym założeniem: opracowywać, produkować i sprzedawać najpotężniejsze komputery na świecie. Założenie to spełnia do dzisiaj z pełnym, jak się zdaje, sukcesem. Pracuje tu ok. 5000 osób zatrudnionych w centrali w Eagan w Minnesocie, w 35 oddziałach w USA, 13 filiach w Europie i 1 filii w Tokio. Obroty firmy są od kilku lat raczej ustabilizowane: 756.3 mln USD w 1988 roku, 784.7 mln USD w 1989 roku i 804.4 mln USD w 1990 roku. Do tej pory zainstalowano 270 superkomputerów CRAYa u 211 klientów w 20 państwach - 63% w USA, 30% w Europie i 17% w Japonii. Na badania i rozwój firma przeznacza 15% dochodu (bardzo dużo), po połowie na hardware i software.

Najważniejszym klientem CRAYa są agencje rządowe - 29% zainstalowanych systemów, przemysł lotniczy - 15%, uniwersytety - 15%, wydobycie i przetwórstwo ropy naftowej - 10%, służby klimatologiczne - 7%. Na liście klientów z ostatniego roku znajdują się, m. in.: Rolls Royce Jet Engines, Thomson-CSF, Mitsubishi, Daihatsu, Honda, Chrysler, Du Pont, Exxon, Monsanto. Nie ma na niej nikogo z Europy Wschodniej.