Розвиток суперкомп'ютерів

Суперкомпьютеры: минуле, нинішнє та майбутнє.

Впервые термін «суперЕОМ «використали на початку 1960;х років, коли групу фахівців Іллінойського університету (США) під керівництвом доктора Д. Слотника запропонувала ідею реалізації першою у світі паралельної обчислювальної системи. Проект, який отримав назву SOLOMON, базувався на принципі векторної обробки, який було сформульовано ще Дж. фон Нейманом, та концепцію матричної паралельної архітектури, запропонованої З. Унгером на початку 1950;х років.

Дело у цьому, більшість суперкомп’ютерів демонструє вражаючу уяву продуктивність завдяки саме тому (векторному) виду паралелізму. Будь-який програміст, розробляючи програми на звичних мовами високого рівня, напевно неодноразово стоїть перед так званими циклами DO. Та хто замислювався, який потенціал збільшення продуктивності залежить від цих часто використовуваних операторах. Відомий фахівець у галузі систем програмування Д. Кнут показав, що цикли DO займають до 3,6% коду програм мовою FORTRAN, але вимагають понад половина лічильного часу завдань.

Идея векторної обробки циклів що така у тому, що у систему команд комп’ютера вводиться векторна операція, яка працює з усіма елементами векторов-операндов. У цьому реалізуються відразу дві можливості прискорення обчислень: по-перше, зменшується кількість виконуваних процесором команд об'єктного коду, оскільки зайвими у перерахунку індексів та молодіжні організації умовного переходу і, по-друге, усі фінансові операції складання елементів векторов-операндов можуть бути виконані одночасно у силу паралелізму обробки.

Важно зазначити ще одній особливості векторної обробки, пов’язану з кількістю елементарних операцій циклу: що більше паралельних операцій входить у векторизуемый цикл, то відчутнішою виграш швидкістю виконання обчислень, оскільки скорочується частка непродуктивних тимчасових витрат за вибірку, дешифрацию і запуск виконання векторної команди.

Первой суперЕОМ, використовує переваги векторної обробки, була ILLIAC IV (SIMD архітектура). На початку 1960;х років група того самого Слотника, об'єднана до Центру передових обчислювальних технологій при Іллінойському університеті, розпочала практичної реалізації проекту векторної суперЕОМ з матричної структурою. Виготовлення машини взяла він фірма Burroughs Corp. Технічний бік проекту досі вражає своєю масштабністю: система мала складатися з чотирьох квадрантів, кожен із яких включав у собі 64 процессорных елемента (ПЭ) і 64 модуля пам’яті, об'єднаних комутатором з урахуванням мережі типу гіперкуб. Усі ПЭ квадранта обробляють векторну інструкцію, яку спрямовує процесор команд, причому кожен виконує одну елементарну операцію вектора, дані на яку зберігаються в що з цим ПЭ модулі пам’яті. Отже, один квадрант ILLIAC IV здатний одночасно обробити 64 елемента вектора, а всю систему з чотирьох квадрантів — 256 елементів. 1972;го р. перша система ILLIAC IV встановили дослідницькому центрі NASA в Еймсі. Його результати експлуатацію у цієї організації отримали неоднозначну оцінку. З одного боку, використання суперкомп’ютера дозволило вирішити ті ряд найскладніших завдань аеродинаміки, із якими було неможливо впоратися інші ЕОМ. Навіть сама швидкісна ЕОМ фінансування наукових досліджень на той час — Control Data CDC 7600, яку, до речі, проектував «патріарх суперЕОМ «Сеймур Крей, могла забезпечити продуктивність трохи більше 5 MFLOPS, тоді як ILLIAC IV демонструвала середню продуктивність приблизно 20 MFLOPS. З іншого боку, ILLIAC IV не було доведено до конфігурації з 256 ПЭ; практично розробники обмежилися лише одне квадрантом. Причинами з’явилися й не так технічні складності до нарощування числа процессорных елементів системи, скільки проблеми, пов’язані з програмуванням обміну даними між процессорными елементами через комутатор модулів пам’яті. Усі спроби виконати завдання з допомогою системного програмного забезпечення зазнали невдачі, внаслідок кожне додаток вимагало ручного програмування передач комутатори, як і породило незадовільні відгуки користувачів.

Если б розробникам ILLIAC IV не вдалося подолати проблеми програмування матриці процессорных елементів, то, мабуть, розвиток обчислювальної техніки пішов би зовсім іншим шляхом і сьогодні домінували б комп’ютери з матричної архітектурою. Однак у 60-ті роки, ні пізніше задовільний і універсальне рішення дві такі принципових проблем, як програмування паралельної роботи кілька сотень процесорів і навіть забезпечення мінімуму витрат лічильного часу на обмін даними з-поміж них, не знайшли. Знадобилося приблизно 15 років зусиль різних фірм щодо реалізації суперЕОМ з матричної архітектурою, щоб дати остаточний діагноз: комп’ютери такого типу неспроможна задовольнити широке коло користувачів і мають дуже обмежену сферу застосування, часто у межах однієї чи кількох видів завдань.

По мері освоєння коштів надшвидкісної обробки даних розрив удосконаленням методів векторизации програм, тобто. автоматичного перетворення на процесі компіляції послідовних мовних конструкцій в векторну форму, і надзвичайної складністю програмування комутації і розподілу даних між процессорными елементами призвів до досить жорстка реакції користувачів щодо матричних суперЕОМ — широкого кола програмістів була потрібна простіша і «прозора «архітектура векторної обробки з використання стандартних мов високого рівня типу FORTRAN. Рішення знайшли наприкінці 1960;х років, коли фірма Control Data, із якою той час співпрацював Крей, представила машину STAR-100, засновану на векторно-конвейерном принципі обробки даних. Відмінність векторно-конвейерной технології від архітектури матричних ЕОМ у тому, що замість безлічі процессорных елементів, виконують одну й саму команду над різними елементами вектора, застосовується єдиний конвеєр операцій, принцип дії якого цілком відповідає класичному конвеєра автомобільних заводів Форда. Навіть така архаїчна по сучасним поняттям суперЕОМ, як STAR-100, показала граничну продуктивність лише на рівні 50 MFLOPS. У цьому істотно, що векторно-конвейерные суперЕОМ набагато дешевше своїх матричних «родичів ». Приміром, розробка й виробництво ILLIAC IV вилилися держбюджетові у 40 млн. дол. за витрати на експлуатацію порядку 2 млн. дол. на рік, тоді як ринкова вартість перших суперкомп’ютерів фірм CRAY і Control Data лежить у межах 10 — 15 млн. дол., залежно від обсягу пам’яті, складу периферійних пристроїв та інших особливостей конфігурації системи.

Второй істотною особливістю векторно-конвейерной архітектури і те, що конвеєр операцій має лише один вхід, яким надходять операнды, і тільки вихід результату, тоді як і матричних системах є безліч входів за даними в процессорные елементи і безліч виходів із них. Інакше кажучи, в комп’ютерах з конвеєрної обробкою дані всіх паралельно виконуваних операцій вибираються і записуються на єдину пам’ять, у зв’язку з ніж зайвими в комутаторі процессорных елементів, який став каменем спотикання під час проектування матричних суперЕОМ.

Следующий удару позиціям суперЕОМ з матричної архітектурою завдали дві машини фірми Control Data Corp. — CYBER-203 і CYBER-205. Пікова продуктивність першої становила 100, а другий — вже 400 MFLOPS.

CRAY-1 робить переворот Векторно-конвейерный суперкомп’ютер STAR-100 і машини серії CYBER- 200, умовно кажучи, з’явилося лише «нокдауном «для матричної архітектури. Нокаутирующий удар був нанесений 1974 р., коли Крей, на той час залишив корпорацію CDC і заснував власну фірму Cray Research, оголосив про випуск CRAY-1 — векторно-конвейерной суперЕОМ, що стала епохальним подією світі обчислювальної техніки. Ця малогабаритна машина (її висота трохи перевершує середній людський зростання, а зайнята процесором площа трохи більше 2,5 кв. м), мала продуктивність 160 MFLOPS і ємність оперативної пам’яті 64 Мбайт. Після нетривалої пробної експлуатацію у Лос-Аламосской лабораторії, де новинка отримала найвищі відгуки програмістів і математиків, Cray Research налагодила би серійний випуск машин CRAY-1, які активно розкуповувалися США. Цікаво, що адміністрація США в належної ступеня оцінила стратегічну цінність CRAY-1 й які контролювала поставки цього комп’ютера навіть у дружні держави. Поява CRAY-1 зацікавило у користувачів, котрим потрібні гроші надшвидкісної обробки даних, а й в фахівців із архітектурі суперкомп’ютерів. Багатьом несподіваним (а розробників CYBER-205 навіть неприємним) став те що, що із більшістю завдань маленький комп’ютер CRAY-1 справлявся швидше, ніж значно переважаючий його за габаритам і пікової продуктивності CYBER-205. Так, під час тестування на пакеті рішення лінійних рівнянь LINPACK Джек Донгарра з Національній Лабораторії в Аргонне оцінив продуктивність CRAY-1S не більше 12 — 23 MFLOPS залежно від способу програмування, тоді як CYBER-205 показав продуктивність лише 8,4 MFLOPS. Пояснення знайшлося, щойно згадали закон Амдала (G.Amdahl), який відомий архітектор системи IBM/360 сформулював в 1967 р. як наступного постулату: «Продуктивність обчислювальної системи визначається самим повільним її компонентом ». Що стосується векторным суперЕОМ парадокс Амдала переломлюється так. Будь-яка завдання, виконувана в суперЕОМ, і двох взаємозалежних частин — векторних команд, сгенерированных компілятором при векторизации вихідної програми, і скалярних операцій, які компілятор не зумів перекласти на векторну форму. Якщо уявити суперкомп’ютер, хто вміє однаково швидко виробляти скалярні і векторні операції, то парадокс Амдала «не спрацьовує «і такі система із однаковою швидкістю виконуватиме завдання будь-якого рівня векторизации. Але звісно ж, що скалярная обробка забирає понад часу, плюс до всього CRAY-1 при циклі 12,5 нс має великим швидкодією скалярной обробки проти комп’ютером CYBER-205, яка має цикл дорівнює 20 нс.

Существует ще одне причина, через яку CRAY-1 перевершує CYBER-205 за швидкістю рішення більшості прикладних завдань. Вперше у практиці надшвидкісної обробки даних, а можливо, і загалом у обчислювальної техніки CRAY-1 розробили як комп’ютер з цілком закінченою архітектурою «регистр-регистр ». Усі операції обробки даних, що виконує центральний процесор цієї машини, вибирають операнды і записують результати обчислень, використовуючи не оперативну пам’ять, як це було зроблено на CYBER-205 більш ранніх суперкомп’ютерах, а спеціально призначені цієї мети программно-адресуемые регістри. Задля реалізації цієї архітектури в CRAY-1 було запроваджено принципове нововведення — векторні регістри, адресованими командами центрального процесора подібно звичайним регістрам даних, але могли запам’ятати до 64 елементів вектора кожен при 64- розрядному форматі окремих елементів. Природно, що, порівняно з CYBER-205 кожна окрема векторна команда в CRAY-1 виконувалася швидше, оскільки операції типу «регистр-регистр «від операцій типу «память-память «меншими тимчасовими витратами читання операндов і запис результату. Проте вирішальні переваги CRAY-1 перед суперЕОМ CDC і матричними суперкомпьютерами визначаються й не так кращої збалансованістю показників продуктивності, скільки простотою і зручністю експлуатації, і навіть високим якістю системного програмного забезпечення. Під час розробки своєї першої суперЕОМ Крей взяв до уваги на ту важливу обставина, більшість існуючих пакетів прикладних програм написано мовами послідовного типу, найчастіше мовою FORTRAN. Тому до складу програмного забезпечення CRAY-1 було включено інтелектуальний FORTRAN-компилятор CFT, здатний виявляти паралелізм програми послідовного дії і перетворювати в векторизованный код. Природно, що за такого підході всю наявну в користувача програмне забезпечення за небагатьма доопрацюваннями то, можливо перенесено на суперЕОМ.

Кроме векторизации циклічних конструкцій, в компіляторі CFT суперкомп’ютера CRAY-1 було запроваджено ще одна принципова нововведення — автоматичний пошук в вихідної програмі і його побудова многоконвейерных ланцюжків. Суть його наступного: тоді як програмі зустрічаються дві пов’язані векторні операції (тобто. результат першої служить операндом другий), то на відміну від випадку пов’язаних скалярних операцій, коли виконання другий операції починається тільки після завершення попередньої, обидві векторні команди можуть оброблятися практично паралельно, що подвоює продуктивність системи.

В цілому CRAY-1 продемонстрував те, як треба поєднувати простоту і ефективність технічних рішень у сфері апаратного та програмного забезпечення суперкомп’ютера з простотою і зручністю його й, насамперед програмування звичайній більшість розробників середовищі «класичних «послідовних мов типу FORTRAN.

Спустя кілька днів, фахівців із Fujitsu, Hitachi і Nippon Electric (NEC) в стислі терміни зуміли видати справжній відповідь Крею з 6 моделей суперЕОМ, мало поступаються CRAY-1 по основним характеристикам, а в чомусь і переважаючих свій американський прототип.

Дело у цьому, що спочатку 1970;х років Японія включилася у гонитву суперкомп’ютерів, повідомивши початку державна програма створення ЕОМ надвисокої продуктивності. Як основних виконавців програмних засобів було обрано три провідні комп’ютерні фірми Японії. Корпорація NEC утворила спільне підприємство з Honeywell під назвою Honeywell-NEC Supercomputers (HNS), а фірма Fujitsu зуміла укласти угоди з Джином Амдалом, який на той час вийшов із IBM і заснував власну компанію Amdahl Corp. Плодом цього союзу стала машина AMDAHL V/6, котра відкрила еру комп’ютерів великих інтегральних схемах і яка змусила всерйоз похвилюватися керівництво IBM, з’ясувавши, що експлуатаційні характеристики AMDAHL V/6 позбавляють серйозних шансів перемогти жодному з комп’ютерів IBM на той час. Маючи технологією та досвідом розробки ЕОМ на БІС, яких американці на той час або не мали, оскільки CYBER-200 і CRAY-1 розробили на мікросхемах середній мірі інтеграції, японські фірми пішли у наступ на фронті суперкомп’ютерів.

В початку 80-х світло побачили одразу трьох сімейства суперЕОМ японського виробництва, причому кожен суперкомп’ютер з Країни вранішнього сонця мав свою архітектурну родзинку. По-перше, переважають у всіх японських суперЕОМ проти CRAY-1 було збільшено число скалярних і векторних регістрів (наприклад, NEC SX має 256 скалярными і 256 векторными регістрами проти восьми регістрів обох типів в CRAY-1). У результаті вдалося знизити навантаження на оперативну пам’ять системи, і навіть, значно суттєвіше, отримати великі змогу ефективної векторизации програм. Ще один цікаве нововведення запровадили розробники суперЕОМ сімейства NEC SX, об'єднавши векторну архітектуру «регистр-регистр «з принципом многоконвейерной обробки, раніше реалізованому в суперкомп’ютерах STAR-100, CYBER-203 і CYBER-205 фірми Control Data.

Правда, тут треба сказати таке: по-перше, многоконвейерная обробка вимагає встановлення додаткових модулів, що підвищує вартість центрального процесора, по-друге, виконання однієї векторної команди на кількох паралельних конвеєрах призводить до зростанню частки непродуктивних тимчасових витрат за запуск команди, підготовку операндов і запис результату. Наприклад, якщо конвеєр, виконує одну елементарну операцію не за п’ять тактів, замінити чотирма так само конвеєра, то, при довжині векторів в 100 елементів векторна команда пришвидшується лише у 3,69, а чи не вчетверо. Ефект «відставання «зростання продуктивності від підвищення числа конвеєрів особливо помітний, коли процесор витрачає чимало часу на обмін даними між конвеєром і пам’яттю. Ця обставина був належним чином оцінений розробки CYBER-205, і цього архітектура «память-память «даної моделі настільки погіршила динамічні параметри чотирьох конвеєрів її векторного процесора, що з досягнення продуктивності, близька до 200 MFLOPS, знадобилася дуже високий ступінь векторизации програм (порядку 1 тис. елементів в векторі), тобто. потенційно найпотужніша суперЕОМ 1970;х років реально ефективно обробляти лише обмежений клас завдань. Звісно, такий прорахунок негативно позначилося на ринкової долі CYBER-205 і програмі суперЕОМ компанії Control Data. Після CYBER-205 фірма CDC припинила спроби освоєння ринку суперЕОМ.

Использование в суперкомп’ютерах NEC SX архітектури «регистр-регистр «дозволило нейтралізувати недоліки многоконвейерной обробки, і модель NEC SX-2 із 16-го векторными конвеєрами стала першої суперЕОМ, яка подолала кордон у мільярд операцій із плаваючою точкою за секунду — її пікова продуктивність становила 1,3 GFLOPS. Фірма Hitachi пішла іншим шляхом. У суперкомп’ютерах серії S-810 ставка було зроблено на паралельне виконання відразу шести векторних команд. Далі Hitachi, продовжує лінію цього сімейства моделями S-810/60 і S-810/80; остання займає гідне третє місце за результатам тестування продуктивності на пакеті LINPACK, поступаючись лише грандам з CRAY і NEC. Відносну комерційну стабільність суперкомп’ютерів Hitachi можна пояснити тим, що вони, як і суперЕОМ фірми Fujitsu, повністю сумісні і системи IBM/370 по скалярним операціям. Це дозволяє застосовувати програми, створені на IBM VS FORTRAN й у стандарті ANSI X3.9 (FORTRAN 77), і навіть використовувати стандартну операційну середу MVS TSO/SPF більшість системних розширень IBM, включаючи управління вводом/выводом для IBM-сумісних дискових і стрічкових накопичувачів. Інакше кажучи, японські суперЕОМ фірм Hitachi і Fujitsu перші світі суперкомп’ютерів використовували дружній інтерфейс для користувачів найпоширенішої тоді обчислювальної системи — IBM/370.

Натиск японських виробників був вражаючим, але З. Крей завдає своєчасний контрудару — в 1982 р. над ринком з’явився перший модель сімейства суперкомп’ютерів CRAY X-MP, а на два роки згодом у Ліверморській національної фізичної лабораторії їм. Лоуренса було встановлено перший примірник суперЕОМ CRAY-2. Машини від Cray Research випередили конкурентів у головному — вони ознаменували зародження нової генерації ЕОМ надвисокої продуктивності, у яких векторно-конвейерный паралелізм доповнювався мультипроцессорной обробкою. Крей застосував у комп’ютерах неординарні розв’язання проблеми розширення продуктивності. Зберігши в CRAY-2 і CRAY X-MP архітектуру і структурні напрацювання CRAY- 1, він розтрощив конкурентів відразу двома фронтах: досяг рекордно малої тривалості машинного циклу (4,1 нс) і розширив паралелізм системи з допомогою мультипроцессорной обробки. У результаті Cray Research зберегла у себе звання абсолютного чемпіона продуктивністю: CRAY-2 продемонструвала пікову продуктивність 2 GFLOPS, обігнавши NEC SX-2 — найшвидшу японську суперЕОМ — у півтора рази. Аби вирішити проблеми оптимізації машинного циклу Крей пішов від японців, у яких володіли технологією ECL-БИС, що дозволило в Fujitsu VP досягти тривалості машинного циклу в 7,5 нс. Поза тим що у CRAY-2 було використано швидкодіючі ECL-схемы, конструктивне рішення блоків ЦП забезпечувало максимальну щільність монтажу компонентів. Для охолодження такий унікальної системи, яка виділяла не мало 195 кВт, було використано технологія занурення модулів в карбід фтору — спеціальний рідкий хладагент виробництва американської фірми 3M.

Второе революційне рішення, реалізоване в суперкомп’ютері CRAY- 2, полягала у тому, що міра оперативної пам’яті було доведено до 2 Гбайт. С. Крею вдалося здійснити критерій балансування продуктивності і ємності оперативної пам’яті по Флинну: «Кожному мільйону операцій продуктивності процесора має відповідати щонайменше 1 Мбайт ємності оперативної пам’яті «. Суть проблеми у тому, що типові завдання гідроі аеродинаміки, ядерної фізики, геології, метеорології та інших дисциплін, можуть бути вирішені з допомогою суперЕОМ, вимагають обробки значних даних щоб одержати результатів прийнятною точності. Eстественно, при такий обсяг обчислень щодо мала ємність оперативної пам’яті викликає інтенсивний обмін з дискової пам’яттю, що у повній відповідності до законом Амдала веде до різкого зниження продуктивність системи.

Все-таки новий якісний рівень суперкомп’ютера CRAY-2 визначався й не так надмалій тривалістю машинного циклу і надвеликої ємністю оперативної пам’яті, скільки мультипроцессорной архітектурою, запозиченої в іншої розробки Cray Research — сімейства багатопроцесорних суперЕОМ CRAY X-MP. Його три базові моделі - X-MP/1, X-MP/2 і X-MP/4 — пропонували користувачам одне-, двохчи четырехпроцессорную конфігурацію системи з продуктивністю 410 MFLOPS на процесор. Спектр доступних варіантів розширювався з допомогою можливості установки пам’яті різного обсягу (від 32 до 128 Мбайт на систему). Такий орієнтований ринок підхід побудувати суперкомп’ютера згодом приніс фірмі Cray Research суттєвий комерційний ефект. Мультипроцессорная архітектура суперкомп’ютерів виробництва CRAY розробили з урахуванням здобутків і традицій недоліків багатопроцесорних мэйнфреймов, насамперед фірми IBM. На відміну від «класичних «операційними системами IBM, що використовують для взаємодії процесів механізм глобальних змінних і семафорів у спільній пам’яті, мультипроцессорная архітектура CRAY передбачає обмін даними між процесорами через спеціальні кластерні регістри, ще, обслуговування взаємодії процесів в архітектурі CRAY передбачені аппаратно-реализованные семафорные прапорці, які, скидаються і аналізуються з допомогою спеціальних команд, що також прискорює межпроцессорный міна й у результаті збільшує системну продуктивність. У цих нововведень коефіцієнт прискорення двухпроцессорной суперЕОМ CRAY X-MP/2 стосовно однопроцессорной CRAY X-MP/1 становить менше 1,86.

В на відміну від сімейства CRAY X-MP, моделі якого працюють під керівництвом ОС CO (Cray Operating System), CRAY-2 комплектувалася нової операційній системою CX-COS, створеної фірмою Cray Research з урахуванням Unix System V.

Во другої половини 80-х Control Data, «зійшла з дистанції «після невдачі з моделлю CYBER-205 знову з’являється над ринком сперЭВМ. У принципі, за розробку нової восьмипроцессорной суперЕОМ взялася ETA Systems — дочірня фірма CDC, — однак цьому проекті задіяли практично весь потенціал Control Data. Спочатку проект під назвою ETA-10, підтриманий уряду через контракти і дотації потенційним користувачам викликав пожвавлення серед фахівців із надшвидкісної обробці. Адже нова суперЕОМ мала досягти продуктивності удесятеро GFLOPS, тобто. вп’ятеро перевершити CRAY-2 за швидкістю обчислень. Перший зразок ETA-10 з однією процесором продуктивністю 750 MFLOPS було продемонстровано 1988 р., проте далі справи пішли гірше. У другому кварталі 1989 р. Control Data оголосила про згортання діяльності компанії ETA Systems через нерентабельність виробництва.

Не залишився осторонь проблеми надвисокої продуктивності і гігант комп’ютерного світу — фірма IBM. Аби не допустити поступатися своїх користувачів конкурентам з Cray Research, компанія розпочала програмі випуску старших моделей сімейства IBM 3090 із засобами векторної обробки (Vector Facility). Найпотужніша модель цієї серії - IBM 3090/VF-600S оснащена шістьма векторными процесорами і оперативної пам’яттю ємністю 512 Мбайт. Надалі цю лінію була продовжено такими машинами архітектури ESA, як IBM ES/9000−700 VF і ES/9000−900 VF, продуктивність що у максимальної конфігурації досягла 450 MFLOPS.

Ще один відома у комп’ютерному світі фірма — Digital Equipment Corp. — у жовтні 1989 р. анонсувала нову серію мэйнфреймов з векторными засобами обробки. Старша модель VAX 9000/440 оснащена чотирма векторными процесорами, що підвищують продуктивність ЕОМ до 500 MFLOPS.

Высокая вартість суперЕОМ і векторних мэйнфреймов виявилося не по кишені досить широкого кола замовників, потенційно готових скористатися комп’ютерних технологій паралельних обчислень. До до їх числа ставляться дрібні й середні наукові наукові центри й університети, і навіть виробничі компанії, які потребують високопродуктивної, але порівняно недорогий обчислювальної техніки.

С з іншого боку, такі найбільші виробники суперЕОМ, як Cray Research, Fujitsu, Hitachi і NEC, явно недооцінили потреби «середніх «користувачів, зосередившись на досягненні рекордних показників продуктивності і, на жаль, ще більше рекордної вартості своїх виробів. Дуже гнучкою виявилася стратегія Control Data, котра вже після невдачі з CYBER-205 основну увагу приділила випуску наукових комп’ютерів середнього класу. У найгіршому разі 1988 р. виробництво машин типу CYBER-932 вдвічі перевищила випуск старших моделей серії CYBER-900 і суперЕОМ із маркою CDC. Основним конкурентом Control Data над ринком малогабаритних паралельних комп’ютерів, які отримали під назвою «мини-суперЭВМ », стала майбутній пріоритет у світі мини-суперкомпьютеров фірма Convex Computer. У межах своїх розробках Convex першої реалізувала векторну архітектуру з допомогою надвеликих інтегральних схем (СБИС) за технологією КМОП. Через війну користувачі отримали серію щодо недорогих комп’ютерів за ціною менш 1 млн. дол., які мають продуктивністю від 20 до 80 MFLOPS. Інтерес до ці машини перевершив усі очікування. Явно ризиковані інвестиції у програмі Convex обернулися швидким і солідним доходом від її реалізації. Історія розвитку суперкомп’ютерів однозначно показує, що у цій найскладнішої області інвестування високих технологій, зазвичай, дає позитивного результату — треба лише, щоб проект адресували досить широкого кола користувачів і містив занадто ризикованих технічних рішень. Convex, яка, отримавши таку перевагу на старті, стала успішно розвиватися. Спочатку вона випустила ринку сімейство Convex C-3200, старша модель якого C-3240 має продуктивність 200 MFLOPS, та був — сімейство Convex C-3800, що складається з чотирьох базових моделей за одну-, двох-, чотирьохі восьмипроцессорной конфігурації. Найпотужніша машина цієї серії Convex C-3880 має продуктивність, гідну «справжньої «суперЕОМ 80-х, і за тестуванні на пакеті LINPACK обігнала за швидкістю обчислень такі, як IBM ES/9000−900 VF, ETA-10P і навіть CRAY-1S. Зазначимо, що Cray Research, випускає мини-суперЭВМ CRAY Y-EL, також реалізовану на технології КМОП-СБИС. Цей комп’ютер може поставлятися за одну-, двохчи четырехпроцессорной конфігурації і відданість забезпечує продуктивність 133 MFLOPS на процесор. Обсяг оперативної пам’яті змінюється залежно від побажань замовника буде в діапазоні 256−1024 Мбайт.

Доминирование векторних суперкомп’ютерів як у державних програмах і забезпечити сталий становище «царя гори », зайняте Cray Research, року влаштовувало прибічників MIMD-параллелизма. Спочатку цей клас було включено многопроцессорные мэйнфреймы, а згодом до них додалися суперЕОМ третього покоління з мультипроцессорной структурою. І всі та інші засновані на сформульованому фон Нейманом принципі управління обчислювальним процесом за командами програми, чи управління потоком команд (Instruction Flow). Проте з середини 1960;х років математики почали обговорювати проблему розбивки завдання на велика кількість паралельних процесів, кожен із яких може оброблятися незалежно з інших, а управління виконанням всієї завдання здійснюється через передачу даних від однієї процесу іншому. Цей принцип, відомого як управління потоком даних (Data Flow), теоретично має дуже багатообіцяючим. Теоретики DataFlow-параллелизма припускали, що систему можна буде потрапити організувати із невеличких і тому дешевих однотипних процесорів. Досягнення надвисокої продуктивності повністю покладалося на компілятор, здійснює розпаралелювання обчислювального процесу, і ОС, координуючу функціонування процесорів. Зовнішня простота принципу MIMD-параллелизма викликала до життя безліч проектів.

Из найвідоміших розробок систем класу MIMD варто згадати IBM RP3 (512 процесорів, 800 MFLOPS), Cedar (256 процесорів, 3,2 GFLOPS; комп’ютер однойменної фірми), nCUBE/10 (1024 процесора, 500 MFLOPS) і FPS-T (4096 процесорів, 65 GFLOPS). На жаль, жодного з цих проектів не завершився повним успіхом і зі згаданих систем не показала оголошеної продуктивності. Річ у тім, що, як у разі з матричними SIMD-суперкомпьютерами, занадто багато технічних і програмних проблем було з організацією комутатори, забезпечує обмін даними між процесорами. З іншого боку, процесори, складові MIMDсистему, затрималися у практиці таких вже маленькими і дешевими. Як наслідок, нарощування їхньої кількості зумовлювало такому збільшення габаритів системи та подовженню межпроцессорных зв’язків, що було річ цілком очевидна: при що у кінці 80-х рівні елементної бази реалізація MIMD-архитектуры неспроможна призвести до появи систем, здатних конкурувати з векторными суперкомпьютерами.

Неординарное розв’язання проблеми комутаційної мережі процесорів MIMDсистеми запропонувала небагатьом відома фірма Denelcor, яка виконала розробку многопроцессорной моделі HEP-1. Цей суперкомп’ютер був задуманий як MIMD-система, яка містить від 1 до 16 виконавчих процессорных елементів і по 128 банків пам’яті даних із 8 Мбайт кожен. Система із 16-ти процесорів мала мати максимальної продуктивністю 160 MFLOPS при паралельної обробці 1024 процесів (по 64 процесу у кожному із 16-ти ПЭ). Цікавою архітектурної особливістю HEP-1 було те, що MIMD-обработка безлічі процесів виконувалася без використання комутаційної мережі, яку замінила так звана «вертушка Флинна » .

Напомним, ідея «вертушки Флинна «залежить від організації мультипроцессора як нелінійної системи, що з групи процесорів команд (ПрК), кожен із яких «веде «свій потік команд, і спільного всім ПрК набору арифметичних пристроїв, циклічно подключаемых до кожного з ПрК до виконання їх команд. Цілком ймовірно, що ефект «вертушки Флинна «полягає у скороченні обсягу, займаного арифметичними пристроями в многопроцессорной системі, оскільки у «арифметику «може припадати до 60% апаратних ресурсів центрального процесора.

На погляд структура HEP-1 мало відрізняється від класичної «вертушки Флинна «- той самий циклічний запуск команд, що належать різним процесам, й самі загальні для безлічі процесів арифметичні устрою. Проте за вході виконавчих пристроїв переключаються не процесори команд, а процеси з допомогою спеціального механізму вибірки, збереження й відновлення слів стану кожного виконуваного процесу. По-друге, в HEP-1 застосовуються конвеєрні виконавчі устрою, що дозволяє арифметичним пристроям обробляти значно більше операцій, ніж прототипам мэйнфреймов. Здається, нарешті знайдено рішення, об'єднує гідності MIMDархітектури та конвеєрної обробки даних (звідси назва «MIMD-конвейеризация ») і при цьому який виключає основний недолік MIMD-структуры — наявність мережного комутатори процесорів. Проте після досить успішних тестів суперЕОМ HEP-1 і схвальних відгуків аналітиків запущений у виробництві проект наступній як і машини HEP-2 закрили через відсутність замовлень. Подібно безлічі інших проектів створення суперкомп’ютерів з MIMDархітектурою, програма HEP не отримала схвалення користувачів недоліки системного ПО. Річ у тім, що на відміну від векторних суперкомп’ютерів, які вдало виходить із завданнями, представленими на стандартних мовами послідовного типу, для ефективного програмування MIMD-систем знадобилося введення у ужиток абсолютно нових мов паралельного програмування.

Если проектувальникам суперкомп’ютерів класу MIMD вдасться вирішити проблеми системного ПО, доступних мов паралельного програмування, і навіть компіляторів тих мов, то розвитку обчислювальної техніки слід очікувати дуже крутого і драматичного розвитку подій.

После комерційного успіху моделей CRAY X-MP фірма Cray Research випустила модифіковане сімейство суперкомп’ютерів CRAY Y-MP, товаришів із більшим числом процесорів (до максимально восьми) і зниженою тривалістю машинного циклу (6 нс). Старша модель цього сімейства CRAY Y-MP/832 мала пікову продуктивність 2666 MFLOPS і займала дванадцятий позицію у рейтингу Дж. Донгарра за результатами тестування на пакеті LINPACK.

Первые ж п’ять позицій належали представникам CRA Y-MP C90, старша модель якого — 16-процессорная машина CRAY Y-MP C90/16 256 — мала оперативну пам’ять ємністю 2 Гбайт і могла демонструвати продуктивність лише на рівні 16 GFLOPS. Усі 16 процесорів і оперативна пам’ять цього комп’ютера розміщалися у однієї стійці дуже скромних розмірів: 2,95×2,57×2,17 м³. Підсистема ввода/вывода CRAY Y-MP C90 мала до 256 каналів із загальною пропускною спроможністю 13,6 Гбайт/с, вмонтований кремнієвий диск ємністю 16 Гбайт і підтримувала дискову пам’ять загальною ємністю до запланованих 4 Тбайт. «Суперпараметры «моделі CRAY Y-MP C90 ефектно доповнюються розвиненим програмним забезпеченням, центральним ядром якого є компілятори CF77 Fortran, Cray Standard З Compiler, Cray ADA і Pascal.

Примерно тим часом Сеймур Крей залишає засновану їм фірму Cray Research і це створює нову компанію Cray Computer з метою розробки суперкомп’ютерів нової генерації CRAY-3 і CRAY- 4. Причинами такого кроку стали дві обставини: по-перше, керівництво Cray Research не хотіло піддавати фірму фінансовому моральному ризику у разі невдачі нових проектів, а по-друге, сам Крей віддав перевагу займатися піонерськими розробками, залишивши для Cray Research завдання закріплення успіху вже створених продуктів. Через війну, звільнившись ярма проектування CRAY-3 і CRAY-4, стару дітище зосередилося на «шліфуванні «апаратного та програмного забезпечення сімейства CRAY Y-MP, а нове зайнялося пошуком технічних рішень, дозволяють кардинально підвищити продуктивність векторно-конвейерной обробки. Річ у тім, що наприкінці 80-х Крей зумів вгадати ситуацію, що склалася у сфері векторних суперкомп’ютерів до середини 90-х: архітектурні й програмні можливості її збільшення продуктивності з допомогою многопроцессорной обробітку грунту і вдосконалення операційними системами і компіляторів для суперЕОМ цього виявилися практично вичерпані, які традиційна елементна база — ECL і BiCMOS БІС зі ступенем інтеграції порядку 10 тис. вентилів на кристал — Демшевського не дозволяє подолати поріг тривалості машинного циклу в 2−3 нс. У основу проекту CRAY-3 було закладено ідея переходу на принципово нову елементну базу — БІС з урахуванням арсеніду галію, яка теоретично дозволяє забезпечити субнаносекундную тривалість машинного циклу. Витівка здавалася дуже ризикованою, тим більше наприкінці 80х років у світі немає промислово освоєної технології для як і елементної бази. Принаймні проект CRAY-3 «загальмувався «саме через незадовільний технічний стан технології розробки і виробництва GaAs-микросхем, і навіть складання їх окремих модулів. Проте після приблизно п’яти роботи над проектом CRAY-3 «побачив світ «й одразу був у трійці рекордсменів продуктивності, обігнавши все конкуруючі суперкомп’ютери по тактовою частоті.

Примерно у середині 1990;х років сумашедший темп розвитку суперкомп’ютерів було втрачено. Як основних причин варто навести такі: величезний спад державної програми розвитку суперЕОМ, як наслідок припинення ‘холодної громадянської війни', плюс відсутності ринку збуту супермашин, що наявністю цілком підхожих мини-суперЭВМ значно більше дешевих і доступних. Більшість виробників намагаються переорієнтуватися утворенні архітектур з масовим паралелізмом (MPP).

1994 г. Компанія Cray Computer повідомила про випуск у першій половині наступного суперкомп’ютера Cray-4 чотириі восьмипроцессорных конфігураціях. Фірма NEC представила на американському ринку свій суперкомп’ютер SX-4, поставки якого розпочнуться у 1995 р. Випуск массово-параллельного комп’ютера NCube 3, продемонстрованого компанією NCube і орієнтованого на науковий ринок, намічено на II квартал нинішнього року.

1995 г. Мабуть, найбільш вражаючим подією став крах фірми Cray Computer. Ці новини мало кому виявилися сюрпризом: не становила таємниці існування численних боргів, які у результаті те, що Cray Computer окремо не змогла продати жодного комп’ютера Cray-3 два роки, які з дня уявлення системи.

Примерно у цей самий час Cray Research оголосила про випуск нової серії суперкомп’ютерів CRAY T90, у яких вперше відсутні кабельні сполуки. У цих системах, отримали на стадії розробки назва Triton, кількість процесорів варіювався від 1 до 32, а максимальна продуктивність досягала 60 млрд. операцій на секунду. У порівняні з 16-процессорными комп’ютерами CRAY C90, швидкодія яких нині сягає 16 Гфлопс, нові машини мають у своєму 3−5 раз краще співвідношення производительность/стоимость.

В Японії ж, Fujitsu представляє два векторних паралельних суперкомп’ютера з урахуванням КМОП-технологии: VX і VPP оснащені запатентованими БІС на КМОП-структурах, обсягом пам’яті 8 Гбайт для моделі VX і 32 Гбайт — для VPP300. За максимальної конфігурації (16 процесорів) продуктивність VPP300 становить 35,2 Гфлопс, а моделі VX при чотирьох процесорах — 8,8 Гфлопс.

Компания Parsytec Computer Gmb продемонструвала першу систему з масовим паралелізмом GC/Power Plus з урахуванням RISCпроцесорів PowerPC 601. Кількість процессорных елементів в GC/Power Plus не може змінюватися від 32 до 1024, у своїй продуктивність становить від 2,5 до 80 GFLOPS.

В 1996 р. Cray починає комерційний випуск нової моделі масштабируемых суперкомп’ютерів CRAY T3E з пікової продуктивністю 1,2 TFLOPS. Основна характеристика, де наголошували розробники, — масштабованість, яка має аналогів історія суперкомп’ютерів. Мінімальна конфігурація, яка містить вісім мікропроцесорів, допускає збільшення його кількості в 256 раз. Збільшення продуктивності може статися досягнуто кластеризацией систем.

Тем щонайменше, проектування MIMD машин й у більшою мірою було мистецтвом, щоправда треба сказати явне спрямування це області. Так, MIMD-суперкомпьютеру Paragon з розподіленої пам’яттю, розробленого Intel, вдалося вижити й заробити досить успішно існувати (побудований комерційні мікропроцесорах від Intel): з швидкодією 140 Гфлопс встановлено у лабораторії Sandia і 150 Гфлопс встановлено у Oak Ridge National Lab. Ще однією прикладом може бути система HP Exemplar SPP1600, яка було побудовано на мікропроцесорах RISC PA-7200 базується на архітектурному принципі MIMD з поділом пам’яті.

Fujitsu выпусакет сімейство суперкомп’ютерів VPP700 Series. Їх конфігурація може наращиваться від базової, що включає 8 процессорных блоків, до 256- процессорной з сукупної продуктивністю на 500 гривень Гфлопс. IBM продовжує розвивати свою родину RS/6000 Scalable Powerparallel (SP). Вона вибудовує свій найпотужніший паралельний комп’ютер з 472 процесорами і максимальною продуктивністю в 200 Гфлопс (превоначально планувалося, що у восьми корпусах розмістяться 512 вузлів, а загальна кількість процесорів досягне 4096).

Спустя рік, знову анонсувала суперкомп’ютер CRAY Т3Е-900 більш швидких процесорах, ніж в попередньої моделі CRAY Т3Е. У результаті досягнуто рекордна продуктивність 1,8 TFLOPS. Тоді це будуть єдина у світі система, потужність якої перевищила трильйон FLOPS. Новий суперкомп’ютер є не кластер безлічі незалежних вузлів, а єдину систему з централізованим управлінням і сильносвязанными процессорными елементами. Максимальне число процесорів CRAY T3E-900 сягає 2048.

1997 г. то, можливо відзначений, як появою корпорації Sun Microsystems над ринком суперкомп’ютерів. Передумовою цього є випуск нового сімейства Ultra-Sparc III, з урахуванням якого Sun планує випустити системи. У цьому треба сказати, що Sun віддала перевагу SMP (симетричній многопроцессорной) архітектурі: так, cуперкомпьютер UltraHPC то, можливо сконфигурирован з урахуванням 64 процесорів Ultrasparc II (250 Mhz) і може забезпечувати продуктивність до 32 Gflops; тоді, як «більшість виробників суперЕОМ ‘сповідують' NUMA (архітектура з неоднорідним доступом до пам’яті).

А як справи з всього цього у Росії? Ні великого секрету у тому, що сьогодні комп’ютерна індустрія Росії перебуває у коматозний стан. На середину 80-х у СРСР існувала досить струнка державна програма по суперкомпьютерам, яка, крім фінансування досить широкого спектра проектів, включала дії з модернізації виробництва елементної бази й оснащенню заводів необхідним технологічним устаткуванням. Що стосується успіху програми 1989;го — 1991 рр. світ мав з’явитися низку цілком сучасних суперкомп’ютерів з продуктивністю від 100 MFLOPS до 1,2 GFLOPS. З іншого боку, радянська суперкомпьютерная програма передбачала значне просування у сфері MIMD-систем. У принципі, на той час СРСР вже мав комп’ютерами «Эльбрус-2 », параметри котрих цілком відповідали визначенню «суперЕОМ ». Фаворитом суперкомпьютерной програми став колектив розробників цієї машини — Інститут точної механіки та обчислювальної техніки їм. Лебедєва АН СРСР (ИТМиВТ), відомий такими запам’ятовуються проектами, як «БЭСМ », «Чегет «і «Ельбрус- 1 ». Саме у цьому інституті було закладено два (з чотирьох) основних проекту державна програма — «Эльбрус-3 «і «Модульний конвеєрний процесор «(МКП). Одне напрям очолив проект «Эльбрус-3 », заснований на абсолютно новій архітектурі широкої команди (Very Long Instruction Word, VLIW). Архітектура цього цікава тим, що центральний процесор вибирає з пам’яті і запускає виконання відразу кількох операцій, упакованих компілятором за одну командне слово. Пікова продуктивність повної конфігурації системи (16 процесорів) очікувалася лише на рівні 10 GFLOPS, було б цілком непогано. Другий напрямок розвитку радянських суперЕОМ припускало досягнення скромніших показників продуктивності (близько 1 GFLOPS на процесор) шляхом застосування перевіреного практикою принципу векторно-конвейерной обробки, але не матимуть копіювання зарубіжних суперкомп’ютерів. У ИТМиВТ паралельно з VLIW-системой «Эльбрус-3 «стартував проект МКП під офіційним назвою «Эльбрус-3Б », який планували завершити створенням системи з 2−20 процесорів, яка має сумарною пікової продуктивністю 2−10 GFLOPS. Напрям розробки векторно-конвейерных суперЕОМ оригінальної структури вибрали й у суперкомп’ютерів Єдиної системи. головний інститут програми «ЄС ЕОМ «- Науководослідницький центр електронної обчислювальної техніки (НИЦЭВТ) — в 1986 р. анонсував початок проекти створення суперкомп’ютера ЕС1191 з продуктивністю 1,2 GFLOPS. Хоча цей машина за своїми характеристиками і поступалася «Эльбрусам », однак вона її конструктивні особливості могли бути вельми привабливими користувачів. По-перше, оригінальне рішення системи з чотирьох скалярних процесорів і самого загального векторного процесора дозволило значно зменшити яку він обіймав обсяг: вся центральна частина машини розміщалася в стійці, приблизно рівної за габаритами поширеному мэйнфрейму ЕС1066. По-друге, ЕС1191 реалізовувала дружній інтерфейс користувача ЄС ЕОМ (бере початок від ОС фірми IBM) із застосуванням усього розмаїття системних і прикладних програмных продуктів. І, насамкінець, «козирною картою «ЕС1191 була повітряна система охолодження, яка різко знижувала видатки виробництво і експлуатацію машини проти рідинним охолодженням «Эльбрусов » .

Если з розробки суперкомп’ютера ЕС1191 інженери НИЦЭВТ відійшли від практики повторення зарубіжних прототипів, то повній відповідності до принципом «святе місце порожнім немає «ідея швидкого досягнення результату з допомогою повторення вже пройденого шляху не знайти своїх прибічників. Колектив фахівців під керівництвом академіка У. А. Мельникова розпочав розробку суперЕОМ «Електроніка СС БІС », яка базувалася на структурних рішеннях та систему команд машин CRAY. У принципі так, цей напрям хоч і припускає постійне відставання від прототипу (хто-хто, а російські користувачі добре відчули розрив машинами ЄС ЕОМ і навіть комп’ютерами IBM рівня), але «приречене на успіх », особливо в детальному копіюванні оригіналу. Принаймні Китай здобув собі дуже непогані суперкомп’ютери VH-1 і VH-2 з допомогою копіювання машин CRAY-1 і CRAY X-MP.

Все суперкомп’ютерні проекти радянських часів використовували однотипну елементну базу — матричні великі інтегральні схеми за технологією ECL (эмиттерно-связанная логіка) зі ступенем інтеграції 1500 вентилів на кристал і швидкодією порядку 0,5 нс на вентиль. Звісно, проти сучасними досягненнями мікроелектронної технології ці параметри, м’яко висловлюючись, не вражають, але для середини1980;х років вони були «цілком лише на рівні «і відставали елементної бази японських суперкомп’ютерів Fujitsu, NEC чи Hitachi.

К жалю, саме у усе це наклалися відомі події 1991 — 1992 рр., і тоді замість самої значній порції виділених коштів суперкомп’ютерні проекти отримали анархію в договірних засадах між інституціями та заводами. Через війну «Эльбрус-3Б «і «Електроніка СС БІС «сьогодні перебувають у вигляді досвідчених зразків, завершення проекту «Эльбрус-3 «сильно затяглося, а роботи над ЕС1191 заморожені.

Правда казати про смерть російських суперкомп’ютерів поки, повидимому, передчасно. Річ набагато складніший і значно драматичніше, ніж здається. По-перше, ще дві провідні комп’ютерних центру Росії - ИТМиВТ і НИЦЭВТ, які у принципі здатні справитися з завданням створення суперЕОМ, плюс в обох інститутах поки збереглося невеличке, а цілком дієздатне ядро найкваліфікованіших фахівців. Коли 1991 р. зрозуміли, що проект ЕС1191 вдасться завершити брак коштів на виготовлення досвідчених зразків суперкомп’ютера, було вирішено про заморожуванні проекту й розгортанні його основі робіт зі створення сімейства малогабаритних суперкомп’ютерів ЕС119Х. Х, використовують все архітектурні, структурні і більшу частину схемотехнических рішень ЕС1191 (в базових моделях цього сімейства використовується 60 — 70% БІС, розроблених для ЕС1191). У результаті усього за рік — невеличкий колектив інженерів завершив проектування першої моделі цього сімейства — суперскалярной мини-суперЭВМ ЕС1195. У цих зусиль народилася досить швидка (50 MFLOPS при 256 Мбайт оперативної пам’яті) і дуже компактна (на її установки потрібно менше кв. м площі) машина, що була вперше продемонстровано на виставці «Информатика-93 ». Завершена розробка й почалося виготовлення другий базової моделі сімейства ЕС119Х. Х — векторного суперкомп’ютера ЕС1191.01, пікова продуктивність якого складають 500 MFLOPS. Нарешті, проектується гібридна система ЕС1191.10, що об'єднує гідності векторно-конвейерной і MPP-обработки. Її мінімальна конфігурація дозволить отримати продуктивність лише на рівні 2 GFLOPS. Усі моделі сімейства ЕС119Х. Х призначені до роботи під Unix чи OS/2 і сконструйовані в так званому «офісному виконанні.

Впрочем, розробники ЕС119Х. Х чітко розуміють, що в їхніх дітища є «ахіллесова п’ята «- застаріла елементна база (ECL-чипы зі ступенем інтеграції 1500 вентилів на кристал). Тож у розвиток ідей ЕС119Х. Х почалися робота зі створення сімейства суперкомп’ютерів «АМУР «з урахуванням КМОП-микросхем зі ступенем інтеграції 200 тис. вентилів на кристал. Ця програма розрахована три роки і має завершитися випуском трьох базових моделей суперкомп’ютерів, дозволяють будувати масштабируемые обчислювальні системи з продуктивністю від 50 MFLOPS до 20 GFLOPS. Істотною особливістю всіх базових моделей сімейства «АМУР «є використання єдиного комплекту з семи чипів (власне, мікропроцесорів) і розміщення процесорів в одній платі, як і «материнської «платі самого персонального комп’ютера. Природно, що названі особливості суперкомп’ютерів «АМУР «означають значно знизився рівень витрат за виробництво і цих машин, тобто. зрештою зменшення їхньої ринкової вартості.