Cray-2

La Cray-2 es una supercomputadora con cuatro procesadores vectoriales fabricada por Cray Research a partir de 1985. Con un rendimiento máximo de 1,9 GFLOPS , era la máquina más rápida del mundo en el momento de su lanzamiento, un título que anteriormente ostentaba la Cray X-MP . A su vez, fue superada por la Cray Y-MP en 1988.

El Cray-2 fue el primero de los diseños de Seymour Cray en utilizar con éxito múltiples CPU. Esto ya se había intentado en el CDC 8600 a principios de la década de 1970, pero los transistores de lógica acoplada por emisor (ECL) de la época eran demasiado difíciles de integrar en una máquina funcional. El Cray-2 solucionó este problema mediante el uso de circuitos integrados ECL , empaquetándolos en un novedoso cableado 3D que aumentó considerablemente la densidad del circuito.

El empaquetado denso y la consiguiente carga térmica supusieron un gran problema para el Cray-2. Esto se solucionó de una manera singular: forzando el paso del líquido Fluorinert, eléctricamente inerte , a través del circuito a presión y enfriándolo posteriormente fuera de la carcasa del procesador. Este singular sistema de refrigeración en cascada se convirtió en un símbolo de la computación de alto rendimiento para el público y apareció en numerosos vídeos informativos y como atrezo cinematográfico durante un tiempo.

A diferencia del Cray-1 original, el Cray-2 tuvo dificultades para ofrecer un rendimiento óptimo. Otros equipos de la compañía, como el X-MP y el Y-MP, superaron ampliamente en ventas al Cray-2. Cuando Cray comenzó el desarrollo del Cray-3 , optó por desarrollar la serie Cray C90 . Esta misma secuencia de eventos se repitió durante el desarrollo del 8600, y, al igual que en aquel caso, Cray abandonó la compañía.

Tras el exitoso lanzamiento de su famoso Cray-1 , Seymour Cray se dedicó al diseño de su sucesor. En 1979, harto de las interrupciones de la dirección en lo que ahora era una gran empresa, decidió, como ya había hecho en el pasado, renunciar a su puesto directivo y fundar un nuevo laboratorio. Al igual que en su traslado original a Chippewa Falls, Wisconsin, desde la sede de Control Data en Minneapolis, Minnesota , la dirección de Cray comprendió sus necesidades y apoyó su traslado a un nuevo laboratorio en Boulder, Colorado . Trabajando como consultor independiente en estos nuevos laboratorios Cray, a partir de 1980 formó un equipo y comenzó un diseño completamente nuevo. Este laboratorio cerraría más tarde, y una década después se inauguraría una nueva instalación en Colorado Springs .

Cray había abordado previamente el problema del aumento de velocidad con tres avances simultáneos: unidades más funcionales para dotar al sistema de mayor paralelismo, un empaquetado más compacto para reducir los retardos de señal y componentes más rápidos para permitir una mayor velocidad de reloj. El ejemplo clásico de este diseño es el CDC 8600 , que integraba cuatro máquinas similares al CDC 7600, basadas en lógica ECL , en un cilindro de 1 × 1 metro y las hacía funcionar a una velocidad de ciclo de 8 ns (125 MHz ). Desafortunadamente, la densidad necesaria para lograr este tiempo de ciclo provocó el fracaso de la máquina. Las placas de circuitos internos estaban densamente empaquetadas, y dado que incluso un solo transistor defectuoso podía provocar el fallo de todo un módulo, el aumento de la densidad en las tarjetas incrementaba considerablemente la probabilidad de fallo. La refrigeración de los componentes individuales, tan densamente empaquetados, también representó un gran desafío.

Una solución a este problema, adoptada ya por la mayoría de los fabricantes de computadoras, consistía en utilizar circuitos integrados (CI) en lugar de componentes individuales. Cada CI incluía una selección de componentes de un módulo precableado en un circuito mediante un proceso de fabricación automatizado. Si un CI no funcionaba, se probaba con otro. En la época en que se diseñaba la 8600, la sencilla tecnología basada en MOSFET no ofrecía la velocidad que Cray necesitaba. Sin embargo, a mediados de la década de 1970, las constantes mejoras cambiaron las cosas, y la Cray-1 pudo utilizar CI más modernos y aun así funcionar a una respetable velocidad de 12,5 ns (80  MHz). De hecho, la Cray-1 era incluso algo más rápida que la 8600 porque integraba mucha más lógica en el sistema debido al pequeño tamaño de los CI.

Aunque el diseño de circuitos integrados (CI) seguía mejorando, su tamaño físico estaba limitado principalmente por restricciones mecánicas; el componente resultante debía ser lo suficientemente grande como para soldarse a un sistema. Era posible lograr mejoras drásticas en la densidad, como lo demostraba el rápido avance en el diseño de microprocesadores , pero para el tipo de CI utilizados por Cray, que representaban una parte muy pequeña de un circuito completo, el diseño se había estancado. Para obtener otro aumento de rendimiento diez veces superior al del Cray-1, el objetivo que Cray se había propuesto, la máquina tendría que volverse más compleja. Así que, una vez más, recurrió a una solución similar a la del 8600, duplicando la velocidad de reloj mediante una mayor densidad, añadiendo más de estos procesadores más pequeños al sistema básico y, posteriormente, intentando solucionar el problema de la disipación del calor de la máquina.

Otro problema de diseño fue la creciente brecha de rendimiento entre el procesador y la memoria principal . En la época del CDC 6600, la memoria funcionaba a la misma velocidad que el procesador, y el principal problema era la alimentación de datos. Cray lo solucionó añadiendo diez ordenadores más pequeños al sistema, lo que les permitía gestionar el almacenamiento externo más lento (discos y cintas) e introducir datos en la memoria cuando el procesador principal estaba ocupado. Esta solución ya no ofrecía ninguna ventaja; la memoria era lo suficientemente grande como para leer conjuntos de datos completos, pero los procesadores funcionaban mucho más rápido que la memoria, por lo que a menudo tenían que esperar mucho tiempo a que llegaran los datos. Añadir cuatro procesadores simplemente empeoró el problema.

Para evitar este problema, el nuevo diseño de memoria distribuida y dos conjuntos de registros (los registros B y T) se reemplazaron por un bloque de 16 KWords de la memoria más rápida posible, denominada Memoria Local ( no caché), a la que se conectaban los cuatro procesadores de fondo mediante tuberías de alta velocidad independientes. Esta Memoria Local recibía datos de un procesador de primer plano dedicado , que a su vez estaba conectado a la memoria principal mediante un canal de Gbit/s por CPU. En cambio, los X-MP tenían tres canales, para dos cargas simultáneas y un almacenamiento, y los Y-MP/C-90 tenían cinco para evitar el cuello de botella de von Neumann . La tarea del procesador de primer plano era "ejecutar" el ordenador, gestionando el almacenamiento y haciendo un uso eficiente de los múltiples canales de la memoria principal. Controlaba los procesadores de fondo pasándoles las instrucciones que debían ejecutar a través de ocho búferes de 16 palabras , en lugar de saturar las tuberías de caché existentes para los procesadores de fondo. Las CPU modernas también utilizan una variación de este diseño, aunque el procesador principal ahora se denomina unidad de carga/almacenamiento y no es una máquina completa en sí misma.

Los bancos de memoria principal estaban organizados en cuadrantes para acceder a ellos simultáneamente, lo que permitía a los programadores distribuir sus datos en la memoria para lograr un mayor paralelismo. La desventaja de este enfoque era que el costo de configurar la unidad de dispersión/recopilación en el procesador en primer plano era bastante elevado. Los conflictos de paso correspondientes al número de bancos de memoria sufrían una penalización en el rendimiento (latencia), como ocurría ocasionalmente en los algoritmos basados ​​en FFT de potencia de 2. Dado que el Cray 2 tenía una memoria mucho mayor que los Cray 1 o X-MP, este problema se solucionaba fácilmente añadiendo un elemento adicional no utilizado a una matriz para distribuir la carga de trabajo.

Placas de circuitos impresos compactas y nuevas ideas de diseño.

Los primeros modelos Cray-2 pronto adoptaron un diseño con grandes placas de circuitos impresos repletas de circuitos integrados. Esto dificultaba enormemente su soldadura, y la densidad aún no era suficiente para alcanzar los objetivos de rendimiento. Los equipos trabajaron en el diseño durante aproximadamente dos años antes de que el propio Cray se diera por vencido y decidiera que lo mejor sería cancelar el proyecto y despedir a todos los que trabajaban en él. Les Davis, antiguo colaborador de diseño de Cray que permanecía en la sede de la compañía, decidió que debía continuarse con baja prioridad. Tras algunos cambios menores de personal, el equipo siguió trabajando prácticamente igual que antes.

Seis meses después, Cray tuvo su momento de inspiración . Convocó a los ingenieros principales a una reunión y les presentó una nueva solución al problema. En lugar de fabricar una única placa de circuito impreso, cada "tarjeta" consistiría en una pila tridimensional de ocho, conectadas entre sí en el centro mediante pines que sobresalían de la superficie (conocidos como "pogos" o "pines Z"). Las tarjetas se apilaban unas encima de otras, de modo que la pila resultante tenía tan solo unos 30  mm de altura.

Con esta densidad, ningún sistema convencional de refrigeración por aire funcionaría; el espacio para que el aire circulara entre los circuitos integrados era demasiado reducido. En su lugar, el sistema se sumergiría en un tanque con un nuevo líquido inerte de 3M , Fluorinert . El líquido refrigerante se inyectaba a presión a través de los módulos, con un caudal aproximado de una pulgada por segundo. El líquido caliente se enfriaba mediante intercambiadores de calor de agua fría y se devolvía al tanque principal. El desarrollo del nuevo diseño comenzó formalmente en 1982, varios años después de la fecha de inicio prevista.

Mientras tanto, Steve Chen desarrollaba el Cray X-MP en la sede de Cray, un procesador que prometía ser un serio competidor para el Cray-2. Para hacer frente a esta amenaza interna, así como a una serie de nuevas máquinas japonesas similares al Cray-1, el sistema de memoria del Cray-2 se mejoró drásticamente, tanto en tamaño como en número de conexiones a los procesadores. Cuando finalmente se entregó en 1985, los retrasos fueron tan prolongados que gran parte de sus ventajas de rendimiento se debieron a la memoria más rápida. Adquirir el procesador solo tenía sentido para usuarios con grandes conjuntos de datos que procesar.

La primera Cray-2 entregada poseía más memoria física (256 MWord ) que todas las máquinas Cray entregadas anteriormente juntas. La simulación pasó de un ámbito bidimensional o tridimensional aproximado a un ámbito tridimensional más detallado, ya que el cálculo no tenía que depender de la lenta memoria virtual.

El Cray-2 se desarrolló principalmente para los Departamentos de Defensa y Energía de los Estados Unidos . Sus usos solían estar relacionados con la investigación de armas nucleares o el desarrollo oceanográfico ( sonar ). Sin embargo, el primer Cray-2 (número de serie 1) se utilizó en el Centro Nacional de Computación de Energía de Fusión Magnética del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore para investigación energética no clasificada. También se empleó en agencias civiles (como el Centro de Investigación Ames de la NASA ), universidades y corporaciones de todo el mundo. Por ejemplo, Ford y General Motors utilizaron el Cray-2 para procesar modelos complejos de análisis de elementos finitos de carrocerías de automóviles y para realizar pruebas de choque virtuales de componentes de carrocería antes de la producción.

El Cray-2 iba a ser reemplazado por el Cray-3 , pero debido a problemas de desarrollo, solo se fabricó una unidad y nunca se pagó. El sucesor espiritual del Cray-2 es el Cray X1 , ofrecido por Cray .

Debido al uso de refrigeración líquida, el Cray-2 recibió el apodo de "Bubbles" (Burbujas), y las bromas comunes en torno a la computadora hacían referencia a este sistema único. Las bromas incluían letreros de "No pescar", representaciones de cartón del monstruo del lago Ness emergiendo del tanque del intercambiador de calor, peces de plástico dentro del intercambiador, etc. El consumo de energía del Cray-2 era de 150 a 200  kW. Una investigación realizada en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore a principios de la década de 1990 indicó que, en cierta medida, el poliéter perfluorado utilizado para enfriar los circuitos del Cray-2 se descompondría para formar el gas extremadamente tóxico perfluoroisobutileno . ^{[ 2 ]} En ese momento, Cray había creado un póster que mostraba la "cámara de burbujas" transparente por la que pasaba el fluido refrigerante para un efecto visual, con un derrame del mismo material brillando en el suelo; la broma era que si esto ocurría realmente, las instalaciones tendrían que ser evacuadas. ^{[ 3 ]} El fabricante del líquido desarrolló un depurador que podía colocarse en línea con la bomba y que degradaría catalíticamente este producto de descomposición tóxico.

Cada pila vertical de módulos lógicos se ubicaba sobre una pila de módulos de potencia que alimentaban barras colectoras de 5 voltios , cada una de las cuales suministraba aproximadamente 2200 amperios. El Cray-2 se alimentaba mediante dos motores-generadores que recibían 480 V trifásicos .

• Historia de la supercomputación

• Imágenes del módulo Cray-2
• Manual de descripción funcional de Cray-2
• Folleto de Cray-2
• Manuales del sistema informático Cray-2 | Museo Nacional de Historia Americana