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Cray -3 は、シーモア クレイがCray-2の後継機として指定したベクトル スーパーコンピュータです。このシステムは、コンピューティングにおけるガリウム ヒ素(GaAs) 半導体の最初の主要な応用の 1 つであり、 1 立方フィート (0.028 m 3 )のCPUに数百のカスタム ビルドICが詰め込まれています。設計目標は、Cray-2 の約 12 倍にあたる 約 16 GFLOPS の性能でした。
Cray-3 の開発は、1988 年にウィスコンシン州チペワ フォールズにあるCray Research (CRI) の開発ラボで開始されました。ラボの他のチームは、同様のパフォーマンスを持つ設計に取り組んでいました。チームの集中を図るため、Cray-3 の開発は、その年の後半にコロラド州コロラド スプリングスの新しいラボに移されました。その後まもなく、ミネアポリスの本社は、Cray-3 の開発を終了し、別の設計であるCray C90 の開発に着手することを決定しました。1989 年に、Cray-3 の開発は、新しく設立された会社であるCray Computer Corporation (CCC) にスピンオフされました。
ローンチカスタマーであるローレンス・リバモア国立研究所は1991年に注文をキャンセルし、その後すぐに同社の幹部数名が退職した。最初のマシンは1993年にようやく完成したが、ローンチカスタマーがいなかったため、代わりに近くのボルダーにある国立大気研究センターにデモユニットとして貸し出された。同社は1995年5月に倒産し、マシンは正式に廃止された。
最初のCray-3が納品されると、シーモア・クレイはすぐに類似の改良版Cray-4の設計に移ったが、完全にテストされる前に会社は倒産した。[1] Cray-3はクレイが完成させた最後の設計となった。CCCの倒産に伴い、彼は並行設計に集中するためにSRC Computersを設立したが、この作品が納品される前の1996年に自動車事故で亡くなった。[2]
歴史
背景
シーモア・クレイは、1985年にクレイ2が生産段階に入るとすぐに、クレイ3の設計を開始しました。 [3]クレイは、通常、以前のモデルの10倍の性能を持つ新しいマシンを製造するという目標を設定しました。マシンが常にこの目標を達成したわけではありませんでしたが、これはプロジェクトを定義し、それを達成するにはどのようなプロセスの改善が必要かを明確にする上で便利な手法でした。[4]クレイ3では、彼はさらに高い性能改善目標、つまりクレイ2の12倍の増加を設定することにしました。[5]
クレイは、常に3つの同時進歩で速度向上の問題に取り組んできた。システムの並列性を高めるための実行ユニットの増加、信号遅延を減らすためのパッケージのタイト化、クロック速度を上げるためのコンポーネントの高速化である。この3つのうち、クレイは通常最後の点に最も積極的ではなかった。彼の設計は、最先端の設計ではなく、すでに広く使用されているコンポーネントを使用する傾向があった。[4]
Cray-2では、高密度化を可能にするために集積回路に新しい3Dパッケージングシステムを導入したが[6]、このプロセスには改善の余地があるように見えた。新しい設計では、すべてのワイヤの最大長を1フィート（0.30 m）に制限すると彼は述べた。これにより、プロセッサは1立方フィート（0.028 m 3 ）のブロックに収まる必要があり、これはCray - 2 CPUの約1/3に相当します。これにより、パフォーマンスが向上するだけでなく、システムは27分の1に小型化されます。[7]
12 倍の性能向上には、パッケージングだけでは不十分で、チップ自体の回路も高速化する必要があります。Cray-2 は、シリコンベースのトランジスタの速度の限界を4.1 ns (244 MHz) に押し上げているようで、さらに 2 倍以上の速度向上は不可能に思えました。12 倍の目標を達成するには、より根本的な変更が必要であり、「ハイテク」アプローチを使用する必要があります。[8]
クレイは、Cray-2 にガリウムヒ素回路を使用する予定でした。これは、スイッチング速度がはるかに速いだけでなく、消費電力が少なく、したがって動作温度も低くなります。Cray-2 が設計されていた当時、ガリウムヒ素製造の状態は、スーパーコンピュータを供給するのに十分ではありませんでした。 [9] 1980 年代半ばまでに状況は変わり、クレイはそれが唯一の前進方法であると判断しました。[10]大手チップメーカーからの投資が不足していたため、クレイはガリウムヒ素チップ製造の新興企業である GigaBit Logic に投資し、社内サプライヤーとして使用することを決定しました。[11]
1988年11月にシステムについて説明したクレイは、12倍の性能向上は、GaAs回路による3倍、プロセッサ数の増加による4倍になると述べている。クレイ2の問題の1つは、プロセッサ間の帯域幅が限られているためにマルチプロセッシング性能が低いことだったが、これを解決するためにクレイ3ではクレイY-MPで使用されているはるかに高速なアーキテクチャを採用した。これにより、設計性能は8000 MIPS、つまり16 GFLOPSになる予定だった。[7]
発達
Cray-3は、もともと1991年に納入される予定だった。[12]これは、スーパーコンピュータ市場が1980年の年間成長率50%から1988年の10%へと急速に縮小していた時期だった。 [10]同時に、Cray Researchは、オリジナルのCray-1を祖先に持つシステムアーキテクチャのより高速なマルチプロセッサバージョンであるY-MPにも取り組んでいた。Y-MPとCray-3のグループを集中させるため、そしてCrayの個人的な支援を受けて、[13] Cray-3プロジェクトはコロラドスプリングスの新しい研究センターに移転した。[3]
1989年までに、Y-MPの納入が始まり、ウィスコンシン州チペワフォールズにあるCRIのメインラボは、Y-MPシリーズのさらなる改良版であるC90に移行した。[14] [15] Cray-2の販売台数がわずか25台だったため、経営陣はCray-3の開発を「低優先度」にすることを決定した。1988年11月、コロラドスプリングスのラボはCray Computer Corporation (CCC)として分社化され、CRIは新会社の株式の10%を保持し、開発資金として8,500万ドルの約束手形を提供した。[3] Cray自身は新会社の株主ではなく、契約社員として働いていた。[16] [17] CRIは元の建物のリース契約を保持していたため、新会社は再び移転しなければならず、さらなる遅延を招いた。[3] [6]
1991年までに開発は遅れ始めた。[18]ローレンス・リバモア国立研究所が最初のマシンの注文をキャンセルし、[19] C90に変更したことで開発はさらに遅れた。CEOを含む数人の幹部が同社を去った。[16]その後同社は、4～8個のプロセッサを搭載した小型バージョンのマシンを必要とする顧客を探すと発表した。[20]
最初の（そして唯一の）量産モデル（シリアル番号S5、Graywolfと命名）は、1993年5月にデモシステムとしてNCARに貸与された。NCARのバージョンは、4つのプロセッサと128Mワード（64ビットワード、1GB）の共通メモリで構成されていた。 [21]運用中に、スタティックRAMに問題があることが判明した。また、平方根コードにバグがあり、6000万回に1回の計算が間違っていることも発見された。さらに、4つのCPUのうち1つが確実に動作していなかった。[22]
CCC は 1995 年 3 月に約 3 億ドルの資金を費やした後、破産を宣言しました。NCAR のマシンは翌日正式に廃止されました。[23] Cray-3 マシン用に、シリアル番号 S1 から S7 までの 7 つのシステム キャビネット、または「タンク」が製造されました。そのほとんどは、より小型の 2 CPU マシン用でした。小型タンクのうち 3 つは Cray- 4プロジェクトで使用されました。[24]基本的には、1 ns (1 GHz) で動作する 64 個のより高速な CPU を搭載した Cray-3 であり、さらに狭いスペースに詰め込まれています。[25]もう 1 つはCray-3/SSSプロジェクトで使用されました。[26]
Cray-3 の失敗は、主に政治的および技術的環境の変化によるものでした。このマシンはワルシャワ条約機構の崩壊と冷戦の終結の時期に設計されており、スーパーコンピュータの購入が大幅に減少しました。[20] [27]同時に、市場では超並列(MP または MPP) 設計への投資が増加していました。Cray はこのアプローチに批判的で、ウォール ストリート ジャーナル紙は、 MPP システムはまだベクトル コンピュータに対する優位性を証明していないと述べ、多くのユーザーが大規模な並列マシンのプログラミングに苦労していることを指摘しました。「少なくとも私が生きている間には、MPP システムが普遍的に成功することはないと思います」。[27]
建築
論理的な設計
Cray-3のシステムアーキテクチャは、フォアグラウンド処理システム、最大16個のバックグラウンドプロセッサ、最大2ギガワード（16 GB）の共通メモリで構成されていました。フォアグラウンドシステムは入出力とシステム管理専用でした。これには32ビットプロセッサと、主にHiPPIチャネル経由の大容量ストレージとネットワークデバイス用の4つの同期データチャネルが含まれていました。[28]
各バックグラウンドプロセッサは、計算部、制御部、ローカルメモリから構成されていました。計算部は、64ビットのスカラー、浮動小数点、ベクトル演算を実行しました。制御部は、命令バッファ、メモリ管理機能、リアルタイムクロックを提供しました。16kワード（128kバイト）の高速ローカルメモリが各バックグラウンドプロセッサに組み込まれ、一時的なスクラッチメモリとして使用されました。[29]
共通メモリはシリコンCMOS SRAMで構成され、64バンクのオクタントに編成され、最大8つのオクタントが可能でした。ワードサイズは64ビットプラス8つのエラー訂正ビットで、総メモリ帯域幅は128ギガバイト/秒と評価されました。[30]
CPU設計
以前の設計と同様に、Cray-3 のコアは多数のモジュールで構成され、各モジュールには部品が詰め込まれた複数の回路基板が含まれていました。密度を高めるために、個々のGaAsチップはパッケージ化されず、代わりに超音波金接合で約 1 インチ (25 mm) 四方の基板に直接取り付けられました。次に基板を裏返し、電気配線を運ぶ 2 番目の基板と結合します。このカードの配線は穴を通ってチップ キャリアの「底面」(チップの反対側) まで伸び、そこで接合され、チップが 2 層の基板の間に挟まれます。これらのサブモジュールは4 層に積み重ねられ、Cray-2 と同様に相互に配線されて 3D 回路を形成しました。[21]
Cray-2とは異なり、Cray-3モジュールにはエッジコネクタも含まれていました。16個のサブモジュールが4×4アレイに接続され、121 x 107 x 7ミリメートル（4.76インチ×4.21インチ×0.28インチ）の単一のモジュールが作られました。この高度なパッケージングでも、回路密度は1990年代の基準でさえ低く、1立方インチあたり約96,000ゲートでした。[31]現代のCPUは1平方インチあたり数百万のゲート数を提供し、3D回路への移行は2017年の時点ではまだ検討中でした[アップデート]。[32]
その後、32 個のモジュールが積み重ねられ、ツイストペア線で結線されて 1 つのプロセッサが作られました。基本サイクル時間は 2.11 ナノ秒 (474 MHz) で、各プロセッサは約 0.948 GFLOPSに達し、16 個のプロセッサを搭載したマシンでは理論上 15.17 GFLOPS に達します。この高性能の鍵は、メイン メモリへの高速アクセスにあり、これにより各プロセスは最大 8 GB/秒までバーストすることができました。[33]
機械設計
モジュールは「ブリック」と呼ばれるアルミニウムのシャーシにまとめられていました。Cray -2 と同様に、冷却のためにブリックは液体フロリナートに浸されていました。64 個のメモリ モジュールを備えた 4 プロセッサ システムは、約 88 kW の電力を消費しました。 [21] 4 プロセッサ システム全体の高さと前後の長さは約 20 インチ (510 mm)、幅は 2 フィート (0.61 m) 強でした。[34]
最大4基のプロセッサを搭載したシステムでは、プロセッサアセンブリは幅42インチ (1.1 m)、奥行き28インチ (0.71 m)、高さ50インチ (1.3 m) のキャビネットの上部にある半透明のブロンズアクリルカバーの下に収まり、[34]その下にメモリがあり、その下に電源と冷却システムがありました。8基および16基のプロセッサを搭載したシステムは、より大きな八角形のキャビネットに収納されていました。全体として、Cray-3は、他のスーパーコンピュータと比較して比較的小型のCray-2よりもかなり小型でした。[34]
Cray-3システムには、システムキャビネットに加えて、プロセッサの数に応じて1つまたは2つのシステム制御ポッド（または「Cポッド」）も必要でした。これは、52.5インチ（1.33メートル）四方、高さ55.3インチ（1.40メートル）で、電源と冷却制御装置を収容していました。[34]
システム構成
クレイ3の構成として、次のようなものが公式に規定されている。[35]
ソフトウェア
Cray-3は、 Cray ResearchのUNICOSオペレーティングシステムバージョン5.0をベースにしたコロラドスプリングスオペレーティングシステム（ CSOS ）を実行しました。CSOSとUNICOSの主な違いは、CSOSがUNICOSで使用されていたすべてのPCC拡張機能を削除して標準Cに移植されたことです。[36]
Cray-3で利用できるソフトウェアの多くはCray Researchから派生したものであり、例えばX Window System、ベクトル化FORTRANおよびCコンパイラ、NFS、TCP/IPスタックなどが含まれていた。[37] [36]
参考文献
引用
- ^ 「CCC 1994 年次報告書」。2012年9月19日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- ^ 「訃報 – スーパーコンピューティングの父、シーモア・クレイ」。2008年5月7日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- ^ abcd Trew 2012、245ページ。
- ^ マッケンジー1998、141ページより。
- ^ マッケンジー1998年、153ページ。
- ^ ab Readings 2000、p. 10。
- ^ Trew 2012、246ページより。
- ^ マッケンジー1998年、153-154頁。
- ^ Readings 2000、9ページ。
- ^ マッケンジー1998、154ページより。
- ^ Peltz, James (1990 年 1 月 23 日)。「GigaBit Logic が Cray Computers との売却交渉中」。ロサンゼルス タイムズ。
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- ^ マレー1997年、190ページ。
- ^ 「クレイコンピュータは予定より遅れている」ニューヨークタイムズ。1991年12月17日。
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- ^ ab 「冷戦の終焉がクレイ・コンピュータに打撃を与える」ニューヨーク・タイムズ、1992年2月21日。
- ^ abc レスター 1993.
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文献
- CRAY-3 スーパーコンピュータ システム(PDF) (パンフレット)。Cray Computer Corporation。1993 年。
- ヒル、マーク・ドナルド他 (2000)。コンピュータアーキテクチャの読み物。Gulf Professional Publishing。ISBN 9781558605398。
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- マッケンジー、ドナルド（1998）。機械を知る：技術変化に関するエッセイ。MIT 出版。ISBN 9780262631884。
- マレー、チャールズ (1997)。『スーパーマン：シーモア・クレイとスーパーコンピュータの背後にいる技術の魔術師たちの物語』ジョン・ワイリー。ISBN 9780471048855。
- アーサー・トゥルー (2012)「ベクトル スーパーコンピュータ: 並列化に遅すぎることはない」。アーサー・トゥルー、グレッグ・ウィルソン (編)。『過去、現在、並列: 利用可能な並列コンピュータ システムの調査』。Springer Science & Business。245 ページ。ISBN 9781447118428。
外部リンク
- Digibarn の Cray-3 モジュール
- Cray Research と Cray コンピュータに関する FAQ パート 2
- Cray-2 および -3 命令セット (アーカイブ)