クレイ2

Cray -2は、 1985年からCray Research社が製造を開始した、 4つのベクトルプロセッサを搭載したスーパーコンピュータです。発売当時はピーク性能1.9GFLOPSで、 Cray X-MPが保持していた世界最速のマシンでした。しかし、 1988年にはCray Y-MPによってその座を奪われました。

Cray-2は、シーモア・クレイが設計したコンピュータの中で、複数のCPUを実用的に利用することに成功した最初の機種でした。これは1970年代初頭にCDC 8600で試みられていましたが、当時のエミッタ結合ロジック（ECL）トランジスタは、実用的なコンピュータに組み込むのが非常に困難でした。Cray-2はこの問題を解決するため、ECL集積回路を採用し、回路密度を大幅に向上させる斬新な3D配線でそれらをパッケージ化しました。

高密度なパッケージングとそれに伴う発熱は、Cray-2にとって大きな問題でした。この問題は、電気的に不活性なフルオリナート液を加圧して回路に通し、プロセッサボックスの外側で冷却するという独自の方法で解決されました。この独特な「ウォーターフォール」冷却システムは、高性能コンピューティングの象徴として広く知られるようになり、しばらくの間、多くの情報番組や映画の小道具として登場しました。

初代Cray-1とは異なり、Cray-2は最高のパフォーマンスを発揮するのに苦労した。同社のX-MPやY-MPといった他の機種は、Cray-2を大きく上回る売上を記録した。Cray社がCray-3の開発に着手した際、同社は代わりにCray C90シリーズの開発を選択した。これは8600の開発時と同じ流れであり、その場合と同様に、クレイ氏は同社を去った。

有名なCray-1の発売が成功したことで、シーモア・クレイは 後継機の設計に着手した。1979年までに、彼は大企業となったクレイ社の経営陣の介入にうんざりし、過去にもそうしたように、経営職を辞任して新しい研究所を設立することを決意した。ミネソタ州ミネアポリスのコントロール・データ本社からウィスコンシン州チペワフォールズへ移った時と同様に、クレイ社の経営陣は彼のニーズを理解し、コロラド州ボルダーの新しい研究所への移転を支援した。1980年から、彼はこれらの新しいクレイ研究所で独立コンサルタントとして働き、チームを編成して全く新しい設計に着手した。この研究所は後に閉鎖され、10年後にはコロラドスプリングスに新しい施設が開設されることになる。

Crayは以前、システムの並列性を高めるための機能ユニットの増加、信号遅延を減らすためのパッケージの密化、クロック速度の向上を可能にするためのコンポーネントの高速化という3つの同時進歩によって、高速化の問題に取り組んでいました。この設計の典型的な例はCDC 8600で、ECLロジックに基づくCDC 7600に似たマシンを4台、1メートル×1メートルの円筒に詰め込み、8ナノ秒（125MHz）のサイクル速度で動作させました。残念ながら、このサイクル時間を達成するために必要な高密度が、マシンの失敗につながりました。内部の回路基板は高密度に詰め込まれており、トランジスタが1つでも故障するとモジュール全体が故障するため、カード上にトランジスタを多く詰め込むと故障の可能性が大幅に高まりました。密集した個々のコンポーネントを冷却することも大きな課題でした。

この問題に対する解決策の一つとして、ほとんどのコンピュータベンダーが既に採用していたのが、個々の部品の代わりに集積回路（IC）を使用することだった。各ICは、自動製造プロセスによって回路に配線されたモジュールから選択された部品で構成されていた。ICが動作しない場合は、別のICが試された。8600が設計されていた当時、単純なMOSFETベースの技術では、Crayが必要とする速度が得られなかった。しかし、1970年代半ばまでに絶え間ない改良によって状況は変わり、Cray-1はより新しいICを使用しながらも、依然として12.5ナノ秒（80MHz）という十分な速度で動作できるようになった 。実際、ICのサイズが小さいため、Cray-1はシステムにかなり多くのロジックを詰め込むことができたため、8600よりも若干高速だった。

IC設計は改良を続けていたものの、ICの物理的なサイズは主に機械的な制約によって制限されていた。結果として得られる部品は、システムにはんだ付けできるほど大きくなければならなかった。マイクロプロセッサ設計の急速な進歩が示すように、密度の劇的な向上は可能であったが、クレイが使用していたタイプのIC、つまり完全な回路のごく一部を構成するICについては、設計は頭打ちになっていた。クレイが目指していた、Cray-1よりもさらに10倍の性能向上を実現するには、マシンをより複雑にする必要があった。そこで彼は再び8600のような解決策に目を向け、密度を高めることでクロック速度を2倍にし、これらの小型プロセッサを基本システムにさらに追加し、マシンから熱を排出するという問題に取り組もうとした。

もう一つの設計上の問題は、プロセッサとメインメモリ間の性能差が拡大していたことでした。CDC 6600の時代には、メモリはプロセッサと同じ速度で動作しており、主な問題はメモリへのデータ供給でした。Cray は、システムに 10 台の小型コンピュータを追加することでこの問題を解決しました。これにより、低速な外部ストレージ (ディスクやテープ) を処理し、メインプロセッサがビジー状態のときにデータをメモリに「注入」することが可能になりました。しかし、この解決策はもはや何の利点ももたらしませんでした。メモリはデータセット全体を読み込むのに十分な大きさでしたが、プロセッサはメモリよりもはるかに高速に動作するため、データが到着するまで長時間待たされることがよくありました。4 台のプロセッサを追加しても、この問題は悪化するだけでした。

この問題を回避するため、新しい設計では、バンクメモリと 2 組のレジスタ (B レジスタと T レジスタ) を、キャッシュではなくローカルメモリと呼ばれる最速の16 Kワードのメモリブロックに置き換え、4 つのバックグラウンドプロセッサをそれぞれ別の高速パイプで接続しました。このローカルメモリには、専用のフォアグラウンドプロセッサからデータが供給され、フォアグラウンドプロセッサは、CPU ごとに 1 Gbit/s のチャネルを介してメインメモリに接続されていました。これに対し、X-MP は 3 つのチャネルを持ち、2 つの同時ロードと 1 つのストアが可能でした。また、Y-MP/C-90 は、フォン ノイマン ボトルネックを回避するために 5 つのチャネルを持っていました。フォアグラウンドプロセッサの役割は、ストレージを処理し、メインメモリへの複数のチャネルを効率的に使用してコンピュータを「実行」することでした。フォアグラウンドプロセッサは、バックグラウンドプロセッサへの既存のキャッシュパイプを占有する代わりに、8 つの 16ワードバッファを介して実行すべき命令を渡すことで、バックグラウンドプロセッサを駆動しました。現代のCPUもこの設計のバリエーションを採用しているが、フォアグラウンドプロセッサは現在ではロード/ストアユニットと呼ばれ、それ自体で完全なマシンではない。

メインメモリバンクは、同時にアクセスできるように4つの象限に配置されており、プログラマはデータをメモリ全体に分散させて並列性を高めることができました。このアプローチの欠点は、フォアグラウンドプロセッサにスキャッター/ギャザーユニットを設定するコストがかなり高かったことです。メモリバンクの数に対応するストライド競合は、2のべき乗FFTベースのアルゴリズムで時折発生するように、パフォーマンスの低下（レイテンシ）を引き起こしました。Cray 2はCray 1やX-MPよりもはるかに大きなメモリを搭載していたため、この問題は、未使用の要素を配列に追加して処理を分散させることで容易に解決できました。

回路基板の詰め込みと新しい設計アイデア

初期のCray-2モデルは、ICを詰め込んだ大型回路基板を使用する設計に落ち着きました。しかし、この設計でははんだ付けが非常に難しく、また、性能目標を達成するには密度がまだ十分ではありませんでした。チームは約2年間設計に取り組みましたが、最終的にクレイ自身も「諦め」、プロジェクトを中止して関係者全員を解雇するのが最善だと判断しました。クレイの元設計協力者で、クレイ本社に残っていたレス・デイビスは、優先順位を低くしてプロジェクトを継続すべきだと判断しました。若干の人事異動の後、チームは以前とほぼ同じように作業を続けました。

それから6か月後、クレイはついにひらめきを得た。彼は主任エンジニアたちを集めて会議を開き、問題に対する新しい解決策を提示した。従来の大きな回路基板を1枚作る代わりに、各「カード」は8枚のカードを3次元的に積み重ねたもので、基板の中央で表面から突き出たピン（「ポゴピン」または「Zピン」と呼ばれる）を使って接続される。カードは互いにぴったりと積み重ねられるため、結果として得られる積み重ねの 高さは約30mmに抑えられる。

このような高密度では、従来の空冷システムでは到底機能しない。IC間の空気の流れが少なすぎるためだ。そこで、システムは3M社製の新しい不活性液体「フルオリナート」のタンクに浸されることになった。冷却液は加圧されてモジュール内を横方向に流れ、流量は約1インチ/秒だった。加熱された液体は冷水熱交換器で冷却され、メインタンクに戻された。この新しい設計の開発は、当初の計画開始から数年後の1982年に本格的に始まった。

こうした状況の中、クレイ本社ではスティーブ・チェンの指揮のもと、 Cray X-MPが開発されており、Cray-2にとって強力なライバルとなる可能性を秘めていた。この内部的な脅威、そしてCray-1に似た新型日本製マシンの登場に対抗するため、Cray-2のメモリシステムは、容量とプロセッサへの「パイプ」の数の両面で大幅に改良された。1985年にようやくマシンが納入された頃には、開発の遅延があまりにも長かったため、その性能向上は主に高速メモリによるものだった。このマシンを購入する真のメリットは、膨大なデータセットを処理する必要のあるユーザーに限られていた。

最初に納入されたCray-2は、それまでに納入されたすべてのCrayマシンを合わせたよりも多くの物理メモリ（256MWord）を搭載していた。計算が低速な仮想メモリに依存する必要がなくなったため、シミュレーションは2次元領域または粗い3次元領域から、より細かい3次元領域へと移行した。

Cray-2は主に米国国防総省とエネルギー省向けに開発されました。用途は主に核兵器研究や海洋学（ソナー）開発でした。しかし、最初のCray-2（シリアル番号1）は、ローレンス・リバモア国立研究所の国立磁気核融合エネルギーコンピュータセンターで機密指定されていないエネルギー研究に使用されました。また、 NASAエイムズ研究センターなどの民間機関、大学、世界中の企業にも導入されました。例えば、フォードとゼネラルモーターズは、自動車のボディシェルの複雑な有限要素解析モデルの処理や、生産前のボディシェル部品の仮想衝突試験にCray-2を使用しました。

Cray-2はCray-3に取って代わられるはずだったが、開発上の問題によりCray-3は1台しか製造されず、代金も支払われなかった。Cray-2の精神的後継機は、 Cray社が提供するCray X1である。

液体冷却方式を採用していたため、Cray-2 は「バブル」というニックネームが付けられ、この独特なシステムをネタにしたジョークがコンピューターの周りでよく聞かれた。ジョークには「釣り禁止」の看板、熱交換器タンクからネス湖の怪物 が現れる様子を描いた段ボール、熱交換器の中にプラスチックの魚を入れるなどがあった。Cray-2 の消費電力は 150～200 kW だった。1990 年代初頭にローレンス・リバモア国立研究所で行われた研究では、Cray-2 回路の冷却に使用されていたパーフルオロポリエーテルが、ある程度分解して極めて毒性の強いガスであるパー​​フルオロイソブチレンを生成することが示された。^{[ 2 ]}当時、Cray は冷却液が流れる透明な「バブルチャンバー」を視覚効果のために示し、床に同じ物質がこぼれて光っているポスターを作成した。ジョークは、実際にこれが起こったら施設を避難させなければならないというものだった。^{[ 3 ]}液体の製造元は、ポンプと直列に設置できるスクラバーを開発し、この有毒な分解生成物を触媒的に分解しました。

ロジックモジュールの垂直スタックはそれぞれ、5ボルトのバスバーに電力を供給するパワーモジュールのスタックの上に配置されており、各バスバーは約2200アンペアの電流を供給していた。Cray-2は、480ボルトの三相電源を入力とする2台のモータージェネレーターによって駆動されていた。

• スーパーコンピューティングの歴史

• Cray-2モジュールの画像
• Cray-2 機能説明マニュアル
• Cray-2 パンフレット
• Cray-2コンピュータシステムのマニュアル｜アメリカ国立歴史博物館