IBM アドバンスト コンピュータ システム プロジェクト

ACS -1とACS-360 は、 1965 年から 1969 年にかけてIBMがAdvanced Computing Systemsプロジェクトの一環として設計した 2 つの関連スーパーコンピュータです。設計は未完成で、どのモデルも生産されませんでしたが、このプロジェクトは、今日存在するほぼすべての高性能コンピュータに組み込まれている数多くの組織的手法とアーキテクチャの革新を生み出しました。このプロジェクトから生まれたアイデアの多くは、 IBM RS/6000の開発に直接影響を与え、最近ではIntelとHPがItaniumプロセッサで使用しているExplicitly Parallel Instruction Computing (EPIC) コンピューティング パラダイムに貢献しています。

ACS プロジェクトが中止された後、エンジニアたちは IBM の他の部門に復帰する選択肢を与えられました。カリフォルニアから東海岸に戻らなければならないため、多くのエンジニアは辞退しました。1970 年には MASCOR を設立した者もいましたが、資金を調達できなかったため、長くは続きませんでした。ジーン・アムダールは、この機会を利用して自分の会社を設立し、ACS 用に取り組んだECL設計を使用して IBM 互換のメインフレーム コンピューターを製造しました。アムダール社の 470V/6 は、IBM 独自のハイエンド設計よりも高速で安価でした。

IBMは1961年5月に同社初のスーパーコンピュータであるIBM 7030 Stretchを発表した。しかし、ローンチカスタマーであるロスアラモス科学研究所でのテストで実用性能が非常に低いことが判明したため、市場から撤退せざるを得なくなった。IBMはほぼ即座に、IBMポキプシー研究所でプロジェクトX 、 IBMトーマス・J・ワトソン研究所でプロジェクトYという2つの開発プロジェクトを組織した。プロジェクトXはStretchの10～20倍の速度で動作するマシンを設計すること、プロジェクトYは100倍の速度で動作するマシンを設計することになっていた。^[1]

1962年春、コントロールデータ社（CDC）は、ローレンス放射線研究所に2台のコンピュータを設置し、さらに強力な設計の3台目のコンピュータの契約を獲得したことを発表しました。この新しいマシンは、1963年8月にCDC 6600として正式に発表され、IBMのCEOであるトーマス・J・ワトソン・ジュニアは、今では有名なメモ^[2]を書き、この小さな会社がどのようにしてIBMのマシンよりも優れた性能のマシンを製造できたのかを尋ねました。^[1]

1963年9月の会議で、IBMは当時新製品ライン（NPL）と呼ばれていた製品のハイエンドを強化することを決定した。プロジェクトXはNPL命令セットを実装するように指示され、そのラインナップのハイエンドマシンとなった。1964年にNPLがSystem/360として発売されると、プロジェクトXはモデル92となり、後にモデル91と改名された。最終的に、モデル90シリーズのマシンは約12台販売された。^[1]

プロジェクトYは、純粋に科学市場を対象とした長期プロジェクトであったため、NPLを使用するように指示されたことはありませんでした。開発はジャック・バートラムと彼の実験コンピュータおよびプログラミンググループに割り当てられ、1963年後半に本格的に開始されました。バートラムは、ジョン・コック、フランシス・アレン、ブライアン・ランデル、ハーブ・ショーア、エドワード・H・サッセンガスなどを採用しました。ショーアは最初の命令セットを開発し、かつての教え子であるリン・コンウェイをシステムシミュレータの開発に採用しました。^[1]

System/360 はすぐに大成功を収めたが、生産ラインの問題が納品を妨げ、会社の大部分はそれらの解決に注力した。一方、CDC は 6600 の 10 倍の性能を持つ新しいマシンを導入すると発表した。ワトソンは 360 の命令セットが新しい設計に適さないと確信しており、360 の問題による研究所の混乱で開発が遅れるのではないかと心配していた。1965 年の春、彼は兵器研究所の顧客により近いカリフォルニアに新しい部門を設立することを承認した。カリフォルニア州サニーベールの建物が 1965 年に購入され、IBM アドバンスト コンピューティング システムズとして設立された。マックス ペイリーが研究所長となった。^[3]

1965 年 8 月の運営会議で、ペイリー、バートラム、ショールはこれまでの設計についてプレゼンテーションを行った。このマシンは、科学計算の標準である 48 ビットのワード長を使用する。このマシンのクロック サイクル時間は 10 ナノ秒で、6600 の約 10 倍高速で、クロックあたり 6 または 7 の内部サイクルを持つ。ほとんどの計算を実行する算術論理ユニット(ALU) は、6600 と同様にパイプライン化され、1 サイクルあたり複数の命令をディスパッチする。分岐の両側の実行を開始するバッファーによって分岐のパフォーマンスが向上する。^[3]

ハーウッド・コルスキーは様々な競合設計についてのプレゼンテーションを行い、ジーン・アムダールとチェン・ツェチアンはハイエンドの360モデル92での取り組みについて話した。コルスキーはストレッチ・プロジェクトに参加する前にロスアラモスで7年間働いていたが、アムダールはストレッチ開発のリーダーに抜擢された後にIBMを去ったが、1960年にIBMリサーチに戻りプロジェクトXの取り組みに参加した。^[3] 1964年後半、アムダールは西海岸に戻りたいと考え、スタンフォード大学で教職に就いた。1965年1月、彼はモデル92での取り組みによりIBMフェローに任命された。フェローとして、アムダールは自分が選んだIBM施設で働く権利があり、ボブ・エバンスの招待でACSに参加することを決めた。^{[4] [5]}

この初期の会議でも、アムダールは、プロジェクトXの場合のようにACSを360と互換性を持たせる方がはるかに理にかなっていると主張した。ACSよりもわずかに遅くなるかもしれないが、それは主に32ビットワードを使用し、32個の48ビットレジスタではなく16個のレジスタを持っているためである。しかし、モデル92の顧客には、はるかに高いパフォーマンスへのアップグレードパスを提供し、そのマシン用に開発されたすべてのソフトウェア、特にコンパイラ技術を活用できる。^[3]

1966 年初頭、プロジェクト Y の設計は ACS-1 として最終決定され、唯一の大きな変更点は 192 ビット拡張浮動小数点形式が削除されたことであった。1966 年、カリフォルニア州メンロパークの 2800 Sand Hill Road に、スタンフォード線形加速器の近くに 38,000 平方フィート (3,500 m ² ) の新しい建物が建設され、プロジェクトはその年の終わりにそこに移転した。この時期に設計に大きな変更があった。当初、コンパイラは、大きなコアメモリまたは薄膜メモリストアから、 CPU 内のより小さなスタティック RAMキャッシュ(ただし、この用語は当時は使用されていませんでした) に命令を移動する役割を担っていた。システムを検討した結果、Schorr と Dick Arnold は、このシステムは動作しないという結論に達し、32 または 64 kWords のハードウェア キャッシュを備えたシングルレベルとして再実装することを決定した。^[6]

ACS 用に開発されたもう 1 つのコンセプトは、動的命令スケジューリング (DIS) です。アドレスを計算する ALU とインデックス ユニットはどちらも 6 スロットのバッファーを備えており、そこから 2 つの命令を選択して順序外に実行できます。これにより、システムはキューに入れられた命令を実行できる一方で、前の命令はメモリまたは以前の計算からデータを待機しています。順序外に実行されたこれらの計算の出力は、適切なタイミングでメモリに戻されるため、すべてがマシン コードで見つかった順序で実行されたように見えます。ACS のソフトウェア シミュレーションを開発するために雇われた Lynn Conway は、ビット マトリックスを使用して、どの命令が実行可能で、どの命令が待機中であるかを追跡するシステムを開発しました。^[6]

コンウェイはシミュレーターを使用して、IBM 7090、CDC 6600、S/360 Model 91と比較して、いくつかの高性能コンピューティングワークロードをベンチマークしました。IBMの旧式の科学計算機器である7090と比較すると、ACS-1はラグランジュ流体力学計算（LHC）を2,500倍高速に実行します。より複雑な中性子拡散（ND）コードでは、ACS-1は7090のほぼ1,300倍のパフォーマンスを上回り、6600の約60倍の速度でした。^[7]

アレン、コック、ジム・ビーティーは、このマシンのコンパイラの開発を主導した。このシステムは高度に進化し、積極的にコードを最適化することになっていたため、これはかなりの努力を要する作業だった。その機能の中には、ループを巻き戻す機能、基本ブロックの概念に基づいて命令をスケジュールする機能、コードベースとプラットフォームベースの最適化を分離する機能などがあった。このコンパイラは、 PL/1フロントエンドとFortran IVの拡張バージョンの両方で使用される予定だった。^[5]

1967年11月のプロジェクトレビューで、ハーブ・ショールは1971年に最初のマシンを出荷するという納品計画を概説した。^{[8]この計画では、}オペレーティングシステムには10万行以上のFortranとアセンブリコードが必要であり、コンパイラ、アセンブラ、ライブラリルーチンには約7万行が必要であると見積もられていた。彼は開発コストをソフトウェアだけで1500万ドル（2023年には1億3700万ドル）と見積もった。^[5]

アムダールは、360互換バージョンのマシンの開発を訴え続けた。1967年1月、ラルフ・L・パーマーはジョン・バッカス、ロバート・クリーシー、ハーウッド・コルスキーにプロジェクトとアムダールのコンセプトを検討するよう依頼した。コルスキーは、360互換バージョンは難しすぎると結論付け、ACSは360ではなくCDC 6600市場をターゲットにしているため、顧客が互換性に関心があるなら、6600との互換性の方が便利だと指摘した。翌月、アムダールはマーケティング上の理由から、再び360との互換性を主張した。^[5]

アムダールは360の互換性を主張し続け、バートラムとの対立が深まった。バートラムはアムダールを「隔離」し、誰も彼と話をできないようにすることで対応した。誰かが訪ねてくると、数分以内に別の誰かがやって来て、最初の訪問者を会議に呼び入れた。^[9]同じ頃、ACSチームの別のメンバーである回路設計者のジョン・アールは、チーム内で軋轢を生じさせていた仕事のスタイルを理由に、メインチームから外されていた。アールはフィラデルフィアでの喧嘩で殴られており、^[9]病院から戻ったとき、バートラムはアールをアムダールに割り当てたが、これは明らかに罰の一種だった。^[5]

これは裏目に出た。翌月、アムダールはアールを説得して 360 互換バージョンが実現可能だと納得させ、アールはそれを設計した。その結果がアムダール アール コンピュータ、つまり AEC/360 である。彼らは ACS-1 のコンセプトの多くを使用して、ACS-1 よりわずかに遅いが、コストは 75% 程度で、ゲート数は 270,000 個ではなく 90,000 個に抑えた設計を作成した (当時の ECL ロジックでは、ゲート 1 つに約 5 個のトランジスタが必要)。コスト削減の大部分はレジスタの数が少なく、サイズも小さいことによるもので、ACS-1 ではゲートの半分を占めていた。レジスタの数が少ないことによるパフォーマンスの低下は、合理化された内部設計によって可能になった、より高速な 8 ナノ秒クロックによって補われることになっていた。^[5]

1967 年 12 月、コルスキーはアムダールと会い、提案された設計についてより詳細な説明を聞きました。^[8]同じ頃、アムダールは IBM 社内の人々に電話をかけ、新しい設計について説明し始めました。ニューヨークのシステム開発部門にコンセプトが広まると、部門の副社長であるエリック・ブロックは社内レビューを組織し始めました。ACS チームは「必死の」再設計で対応し、ゲート数を 270,000 から 200,000 に減らしましたが、パフォーマンスにはほとんど影響がなく、過剰設計であることが強く示されました。^[10]

ブロックは、1968 年 3 月に行われたレビューを担当するために IBM ポキプシーのカール コンティを選んだ。アムダールは、手計算によるサイクル数に基づくパフォーマンス見積もりを提示した。コンティは、整数ベンチマークでは AEC/360 は ACS-1 より最大 5 倍高速で、浮動小数点では最大 2.5 倍遅く、ACS の複雑な分岐システムはせいぜい 10 ～ 20% の高速化しかなく、必要に応じて AEC に適応できるというアムダールの主張を受け入れた。しかし、コンティが指摘した重要な点は、ACS システムのパフォーマンスがコンパイラに大きく依存している場合、そのコードを他のマシンに移すと結果が大きく異なる可能性があり、それが不利になる可能性があるということだった。^[11]また、AEC は 108,000 ゲートに近づくものの、それでも ACS の半分の複雑さしかないと結論付けた。^[10]

最終レビューは4月に実施されたが、これは短く、すでに決定されていたようだった。5月、IBMはACS-1をキャンセルし、その時点でACS-360として知られることになるAEC/360を進めると発表した。アムダールの競合設計がこれに大きく関係していたが、それが唯一の理由ではなかった。アムダールはまた、1500万ドルを360のオペレーティングシステムの改善に使った方がよいと主張していた。そうすれば、AECだけでなく、ラインナップ全体が改善されるだろう。しかし、おそらくACSにとって最も深刻な打撃は、360の継続的な成功だった。1968年1月、NASAは360モデル95を受け取った。IBMはこれを「現在ユーザーが操作している中で最も高速で強力なコンピュータ」と表現した。^[11] ACSはモデル95を大幅に上回る性能を持っていたが、この時点でワトソン・ジュニアはスーパーコンピュータ市場から完全に撤退することを検討していた。^[12]

ACS プロジェクトを回想した記事の多くは、オリジナルのマシンが世界をリードしていたであろうと述べている。コンウェイは「後から考えてみると、ACS-1 がうまく構築されていたら、当時の最高のスーパーコンピュータになっていたであろうことが今では認識されている」と述べている。^[8]オリジナルの設計をキャンセルするという決定は、彼女が開発したシミュレータが移植されていなかったため、サイクル数がテストされていなかったことが主な理由であった。^[8]同様に、8 ナノ秒サイクルというアムダールの主張は、マーク・スモーターマンが現実的ではないと示唆しているにもかかわらず、コンティのレビューで受け入れられた。^[11]

ACSの上級管理職のほとんどが去り、アムダールが指揮を執ることになった。AEC/360は提案された方針に沿って開発を継続したが、唯一の大きな変更点は、アウトオブオーダーシステムの一部として汎用レジスタ名変更を導入し、360命令セットで動作するように分岐予測システムを変更した点であった。^[11]

マシンのコストを計算しているうちに、アムダールは、その販売で利益を上げることは不可能だと結論付けた。これは会社にとって重大なリスクだった。なぜなら、確実に損失が出るハイエンドマシンを導入することは、反競争的行為、つまりCDCのような企業から市場を奪おうとする試みとみなされる可能性があるからだ。IBMはStretchで同様の問題に直面したが、時間が経つにつれて、そのプロジェクトの研究開発は会社で広く利用されており、それが請求されればわずかにプラスになることが判明した。^[13] ACS/360がより明確に利益を上げることができるように、アムダールは、同じ基本システムの3つのモデル、つまりオリジナルのACS/360、パフォーマンスが1/3の小型モデル、そして1/9のさらに小型バージョンを製造することを提案した。それでも、IBMのラインナップの中では最速のマシンとなるだろう。^[11]この提案は却下された。^[13]

1969年5月、IBMの上層部は、代わりにプロジェクト全体をキャンセルすることを決定した。 ^[11]どうやらアムダールの提案によるものと思われる。^[13]当初は、動きの速いCDCに対抗するためのプロジェクトとして計画されていたものが、今では10年近くも続いており、短期間でマシンをリリースする兆候はほとんど見られなかった。アムダールは後に、キャンセルの主因はIBMの慎重に計画された価格設定構造を混乱させたためだと主張した。会社全体として、一定のパフォーマンスレベルを超えるマシンは常に赤字であり、ACS/360と同じくらい高速なマシンを導入するには、他のマシンの価格を下げることを余儀なくされるような価格設定が必要であると理解していた。 ^[4]彼はまた、この技術を他のプロジェクトに使用し、研究開発費を税金で控除できるように、意図的に失敗するように設定されていたという噂を聞いたと主張している。^[13]

プロジェクトの中止が発表されて間もなく、1969年8月にIBMはIBM System/360 Model 195を発表した。これはModel 91を集積回路で再実装したもので、当時ラインナップ中最速だったModel 85の2倍の速度を実現した。ハイエンド市場に対応するため、ポキプシーでベクトル処理タスクフォースが発足した。^[14]

ACSプロジェクトが中止されたとき、多くのエンジニアはニューヨークのIBMメイン研究キャンパスに戻ることに興味がなく、カリフォルニアに残ることを望んだ。一部はカリフォルニア州サンノゼのIBMハードドライブ研究施設に移り、他の多くのエンジニアは新しい会社、Multi Access System Corp、またはMASCORを設立するために去りました。しかし、この会社は資金調達に失敗し、わずか数か月で倒産しました。^[14]アムダールは1970年9月に辞職し、360互換機を製造するために自分の会社を設立し、1975年にアムダール470/6を発表しました。アムダール社は1980年代までIBM互換システムの大手ベンダーとなり、1970年代から80年代にかけて20%以上の市場シェアを獲得しました。^[15]

ACS-1もACS-360も製造されることはなかったが、その設計を担当したIBM Advanced Computing Systemsグループは、アーキテクチャ上の革新を開発し、現代のコンピュータアーキテクチャとシステムの設計の基礎となるRISC CPU設計技術を数多く開拓した。^[16]

• パイプラインステージの論理ゲートレベル数を積極的に削減し、サイクルタイムを短縮します。
• プロセッサとメモリの緊密な統合
• キャッシュとのI/Oを合理化したキャッシュメモリ
• コンパイラ最適化技術
• 仮想メモリオペレーティングシステム
• 複数命令のデコードと発行（初めて）
• 分岐ターゲットバッファの使用（初）
• ハードウェアに実装されたマルチスレッド（IBM 初）
• 動的命令スケジューリング/アウトオブオーダー実行
• ハードウェアレジスタ名の変更
• 命令の述語
• レベルセンシティブスキャン設計（IBM が使用）
• 固定ヘッドハードディスク
• 空冷式高速LSI回路
• 設計プロセスで使用される高度なシミュレーションツール

• IBM Future Systems プロジェクトは、高水準プログラミング言語を直接実行できるマシンを開発する最新のプロジェクトです。

• Smotherman, Mark K.; Sussenguth, Edward H.; Robelen, Russell J. (2016). 「IBM ACS プロジェクト」. IEEE Annals of the History of Computing . 38 (1): 60–74. doi :10.1109/MAHC.2015.50.
• Conway, Lynn (2011)。「IBM-ACS: 1960 年代のスーパーコンピュータ プロジェクトから学んだ思い出と教訓」(PDF)。信頼性と歴史的コンピューティング: Brian Randell の 75 歳の誕生日に捧げるエッセイ。Springer-Verlag。pp. 185–224。
• Aspray, Bill (2000 年 9 月 24 日)。「Gene Amdahl 口述歴史」(PDF) (インタビュー)。

• IBM Advanced Computing Systems (ACS) — 1961–1969 — Mark Smotherman が管理する IBM ACS-1 スーパーコンピューターのドキュメント プロジェクト