Усе починалося з менфреймов

Історія супер-ЕОМ бере свій початок з мейнфреймов – “великих машин”. Мейнфрейм (mainframe) термін походить від двох англійських слів. Main – основний або головний. Frame – рамка, скелет, тобто основа чогось. Мейнфрейм це головний комп’ютер обчислювального центру з великим об’ємом внутрішньої та зовнішньої пам’яті. Він зазвичай призначався для завдань, які вимагають складні обчислювальні операції. Але спочатку під даним терміном розуміли стійку, де знаходився процесор.

Перші покоління комп’ютерів, що займали цілі зали, складалися з величезних стійок, кожна з яких реалізовувала певний компонент комп’ютера. Процесор – займав цілу стійку. Сьогодні весь процесор розміщується на одній інтегральній схемі. Але у той час стійку з процесором називали основною, тобто мейнфреймом.

Розвиток мейнфреймів почався у 60-х роках. На той час корпорація IBM, замислившись над створенням потужних та універсальних ЕОМ, запропонувала ринку комп’ютер System/360. До сьогоднішнього дня безперечним лідером у виробництві мейнфреймов є та ж компанія IBM. Новітні її серії – zSeries (800, 890, 900, 990 та Z9 – 2005 р).

На початку 90-х інтерес до мейнфреймів значно знизився. Їх поступово стали витісняти кластерні системи. Вони дозволяють розподілено зберігати та обробляти дані, що підвищує їх надійність перед мейнфреймами. Підвищити продуктивність розподілених систем, значно дешевше, ніж централізованих. Ці ключові чинники призвели до значного зменшення кількості мейнфреймов в усьому світі. Проте для певного класу завдань, побудова централізованого сховища даних, виправдовує себе як з точки зору продуктивності, так і з економічних міркувань. Тому деякі підприємства свої обчислювальні центри будують на базі мейнфреймів.

Але все ж таки потужнішими на сьогоднішній день залишаються суперкомп'ютери. Їх відрізняє швидкодія, складність конструкції та висока вартість. Вони можуть виконувати мільярди операцій за секунду та зберігати величезні об'єми інформації.

Для незалежних компаній, що не пішли у фарватері IBM, на ринку ЕОМ залишалися тільки дві незаповнені ніші: дуже великі і, навпаки, дуже малі комп’ютери, туди і попрямували конкуренти. В результаті до кінця 60-х років ринок розшарувався на три нерівні сектори:

- СУПЕР-ЕОМ (supercomputers), спеціально спроектовані для особливо складних наукових розрахунків;

- ЕОМ загального призначення (mainframes), призначені для економічних та інженерних розрахунків. Цей сектор ринку був найбільш потужним і заповнений в основному IBM-сумістними моделями;

- МІНІ-ЕОМ (minicomputers) –гранично прості та дешеві комп’ютери вартістю менше 100 000 доларів.

Оскільки про ЕОМ загального призначення та МІНІ-ЕОМ було детально розглянуто раніше, у цьому параграфі ми зупинимося на історії створення суперкомп’ютерів.

Створення обчислювальних машин найвищої можливої на даний історичний момент продуктивності завжди було престижною справою для комп’ютерних фірм. Але, крім престижу, для виробництва СУПЕР-ЕОМ були і вагомі економічні причини: в наукових та військових колах постійно з’являються завдання, що пред’являють екстремальні вимоги до параметрів комп’ютерів. Це – складні розрахунки в ядерній фізиці, метеорології, космічній техніці і таке інше. Хоча ринкова ніша для суперкомп’ютерів і є невеликою, але є постійною та прибутковою.

Вперше термін "СУПЕР-ЕОМ" був використаний на початку 60-х років, коли група фахівців університету Ілінойса (США) під керівництвом доктора Д. Слотника запропонувала ідею реалізації першої у світі паралельної обчислювальної системи. Проект, що отримав назву SOLOMON, базувався на принципі векторної обробки, який був сформульований ще Дж. фон Нейманом, з використанням матричної паралельної архітектури, яку запропонував С. Унгер на початку 50-х років.

Річ у тім, що більшість суперкомп’ютерів демонструють продуктивність завдяки саме цьому (векторному) виду паралелізму. Будь-який програміст, розробляючи програми на звичних мовах високого рівня, напевно неодноразово стикався з так званими циклами DO. Але мало хто замислювався, який потенціал збільшення продуктивності полягає в цих операторах, які часто використовуються. Відомий фахівець в області систем програмування Д. Кнут показав, що цикли DO займають менше 4% коду програм на мові FORTRAN, але вимагають більше половини рахункового часу завдання.

Ідея векторної обробки циклів такого роду полягає у тому, що в систему команд комп’ютера вводиться векторна операція, яка працює з усіма елементами векторів-операндів. При цьому реалізуються одразу дві можливості прискорення обчислень. По‑перше, скорочується кількість виконуваних процесором команд, оскільки відпадає необхідність у перерахунку індексів та організації умовного переходу, а, по-друге, всі операції складання елементів векторів-операндів можуть бути виконані одночасно через паралелізм обробки. Така можливість реалізована у так званих SIMD-командах, які виконують одну дію над кількома данними.

Лідером з виробництва суперкомп’ютерів в середині 60-х років стала фірма Control Data Corporation (CDC). Відмовившись від конкуренції з IBM в ніші мэйнфремов, CDC під керівництвом талановитого інженера Сеймура Крея (Seimour Cray, 1925 – 1996) розробила серію CDC-5000, потім CDC-6000. Машина CDC-6600 цієї серії продуктивністю 3 млн оп./с (або 3 MFLOPS, MегаФлопс). FLOPS – акронім від англ. Floating point Operations Per Second (виголошується як флопс) – величина, яка використовуеться для виміру продуктивності комп’ютерів, показує, скільки операцій над данними з плаваючою крапкою за секунду виконує така обчислювальна система.

Довгий час вважалася найшвидшою у світі, поки не поступилася пальмою першості CDC-8000 продуктивністю більше 10 млн. оп./с. Для забезпечення віддаленого доступу клієнтів до своїх суперкомп’ютерів фірма створила обчислювальну мережу «Cybernet» з комутацією каналів.

Разом з Control Data на ринку суперкомп’ютерів у 70-і роки фігурували багатопроцесорні моделі STAR-100 (1970 р.) продуктивністю 100 млн. оп./с, а також ЕОМ серії Cyber (моделі 70, 72 та ін.), Берроуз (Burruoghs B-5000) та ін.

Першою СУПЕР-ЕОМ, що використовувала переваги векторної обробки, була ILLIAC IV. На початку 60-х років група все того ж Слотника, об’єднана у Центр передових обчислювальних технологій при університеті Ілінойса, приступила до практичної реалізації проекту векторної СУПЕР-ЕОМ з матричною структурою. Виготовлення машини взяла на себе фірма Burroughs Corp.

Система повинна була складатися з чотирьох квадрантів, кожен з яких включав 64 процесорних елементів та 64 модулів пам’яті, об’єднаних комутатором на базі мережі типа гіперкуб. Один квадрант ILLIAC IV здатний одночасно обробляти 64 елементи вектора, а вся система з чотирьох квадрантів – 256 елементів. У 1972 р. перша система ILLIAC IV була встановлена у дослідницькому центрі NASA в Еймсе. Результати її експлуатації у цій організації отримали неоднозначну оцінку. З одного боку, використання суперкомп’ютера дозволило вирішити низку складних завдань аеродинаміки, з якими не могли впоратися інші ЕОМ. Навіть найшвидша ЕОМ для наукових досліджень того часу – Control Data CDC 7600, яку спроектував "патріарх СУПЕР-ЕОМ" Сеймур Крей, могла забезпечити продуктивність не більше 5 MFLOPS, тоді як ILLIAC IV демонструвала середню продуктивність приблизно в 150-200 MFLOPS. З іншого боку, ILLIAC IV так і не була доведена до повної конфігурації з 256 процесорних елементів; практично розробники обмежилися лише одним квадрантом. Демонтований ILLIAC IV був лише у 1983 році.

У 1976 р. була випущена модель Cray-1з продуктивністю 180 мільйонів операцій за секунду над числами з плаваючою крапкою, у 1985 – чотирьохпроцесорна Cray-2 з швидкодією близько 1 млрд. оп./с. (GFLOPS, ГігаФлопс), на початку 90-х років в моделі Cray-3 був перевищений поріг продуктивності 10 млрд. оп./с. Впродовж 80-х і першої половини 90-х років фірма Cray, не дивлячись на запеклу конкуренцію з боку молодих фірм, продовжувала лідирувати, але врешті-решт вона зіткнулася з великими фінансовими проблемами після гибелі С. Крея (авіакатастрофа), і була куплена Silicon Graphics Incorporated (SGI).