クレイ-2

クレイ-2

EPFLに展示されているCray-2 中央ユニット (前景) とFluorinert冷却「ウォーターフォール」(背景) 。
メーカー	クレイリサーチ
タイプ	スーパーコンピュータ
発売日	1985 （1985年）
製造中止	1990
販売数	25
CPU	カスタムベクトルプロセッサ
前任者	クレイX-MP

Cray -2は、1985 年にCray Research 社が製造した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。ピーク性能が 1.9 GFLOPSで、発売当時は世界最速のマシンであり、Cray X-MPの地位を奪いました。その後、1988 年に Cray Y-MPがその地位を奪いました。

Cray-2 は、シーモア クレイの設計の中で初めて複数の CPU をうまく利用したものでした。これは1970 年代初頭にCDC 8600でも試みられましたが、当時のエミッタ結合ロジック(ECL)トランジスタは、実用マシンに実装するのが難しすぎました。Cray-2 は、ECL集積回路を使用してこの問題を解決し、斬新な 3D 配線で実装することで、回路密度を大幅に高めました。

Cray-2 では、高密度のパッケージングとそれに伴う熱負荷が大きな問題でした。この問題は、電気的に不活性なFluorinert液体を圧力をかけた状態で回路に流し込み、プロセッサ ボックスの外で冷却するという独自の方法で解決されました。この独自の「ウォーターフォール」冷却システムは、一般の人々の目には高性能コンピューティングの象徴となり、しばらくの間、多くの情報映画や映画の小道具として登場しました。

オリジナルの Cray-1 とは異なり、Cray-2 はピーク性能を発揮するのが困難でした。X-MP や Y-MP など、同社の他のマシンは Cray-2 を大幅に上回る売上を記録しました。Cray が Cray -3の開発を開始したとき、同社は代わりにCray C90シリーズの開発を選択しました。これは 8600 の開発中に発生した一連の出来事と同じであり、そのときと同様に Cray は同社を去りました。

有名なCray-1の発売が成功した後、シーモア・クレイは その後継機の設計に着手しました。1979 年までに、彼は今や大企業となった会社で経営陣による妨害にうんざりし、以前と同じように経営陣の職を辞して新しい研究所を設立することを決意しました。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 フォールズに最初に異動したときと同様に、クレイの経​​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異動をサポートしました。1980 年からこの新しい Cray 研究所で独立コンサルタントとして働き、彼はチームを編成して完全に新しい設計に着手しました。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オープンしました。

クレイは以前、速度向上の問題に、3つの同時進歩で取り組んでいた。すなわち、システムの並列性を高めるための機能ユニットの増加、信号遅延の低減のためのパッケージのタイト化、クロック速度の向上を可能にする高速コンポーネントの導入である。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のようなマシン4 台を1 × 1 メートルのシリンダーに詰め込み、8 ns のサイクル速度 (125 MHz ) で動作させた。残念ながら、このサイクル時間を達成するために必要な密度がマシンの失敗につながった。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さらに詰め込むと故障の可能性が大幅に高くなった。高密度に詰め込まれ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あった。

この問題の解決策の 1 つは、ほとんどのコンピュータ ベンダーがすでに採用していた、個々のコンポーネントの代わりに集積回路(IC) を使用することです。各 IC には、自動化された構築プロセスによって回路に事前に配線されたモジュールから選択したコンポーネントが含まれています。IC が機能しない場合は、別の IC が試されます。8600 が設計されていた当時、単純なMOSFETベースのテクノロジでは、Cray が必要とする速度を提供できませんでした。しかし、絶え間ない改良により 1970 年代半ばまでに状況は変わり、Cray-1 は新しい IC を使用しても、12.5 ns (80 MHz) という優れた速度で動作できるようになりました。実際、Cray-1 は、IC が小さいためシステムにかなり多くのロジックを詰め込んだため、8600 よりもいくらか高速でした。

IC 設計は改善を続けましたが、IC の物理的サイズは主に機械的な制限によって制約されていました。つまり、結果として得られるコンポーネントは、システムに半田付けできる大きさでなければなりませんでした。マイクロプロセッサ設計の急速な改善が示しているように、密度の劇的な改善は可能でしたが、Cray が使用するタイプの IC は完全な回路の非常に小さな部分を表すものであり、設計は頭打ちになっていました。Cray が目指していた目標である、Cray-1 の性能をさらに 10 倍にするには、マシンをより複雑にする必要があります。そこで彼は再び 8600 のようなソリューションに目を向け、密度を高めることでクロック速度を 2 倍にし、基本システムにこれらのより小さなプロセッサをさらに追加して、マシンから熱を排出する問題に対処しようとしました。

もう 1 つの設計上の問題は、プロセッサとメイン メモリのパフォーマンス ギャップが拡大していることでした。CDC 6600の時代、メモリはプロセッサと同じ速度で動作し、主な問題はメモリにデータを入力することでした。Cray は、システムに 10 台の小型コンピュータを追加して、低速の外部ストレージ (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「送り込む」ことでこの問題を解決しました。このソリューションにはもはや利点がありませんでした。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したため、データが到着するまでに長い時間がかかることがよくありました。プロセッサを 4 つ追加しても、この問題は悪化しただけでした。

この問題を回避するために、新しい設計では、バンク メモリと 2 セットのレジスタ (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 メモリと呼ばれる可能な限り最高速の16 K ワードブロックのメモリに置き換え、4 つのバックグラウンド プロセッサを個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、このプロセッサは CPU ごとに 1 Gbit/s チャネルを介してメイン メモリに接続されていました。これに対して、X-MP には 2 つの同時ロードと 1 つのストア用に 3 つのチャネルがあり、Y-MP/C-90 にはフォン ノイマン ボトルネックを回避するために 5 つのチャネルがありました。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、複数のチャネルを効率的に使用してメイン メモリに取り込み、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、既存のキャッシュ パイプをバックグラウンド プロセッサに結び付けるのではなく、 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使用していますが、フォアグラウンド プロセッサは現在ロード/ストア ユニットと呼ばれており、それ自体が完全なマシンではありません。

メイン メモリ バンクは、同時にアクセスできるように 4 分割して配置されており、プログラマーはデータをメモリ全体に分散して、並列性を高めることができます。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いことです。メモリ バンクの数に対応するストライドの競合により、2 のべき乗の FFT ベースのアルゴリズムで時々発生するパフォーマンスの低下 (レイテンシ) が発生しました。Cray 2 のメモリは Cray 1 や X-MP よりもはるかに大きいため、この問題は、未使用の要素を配列に追加して作業を分散させることで簡単に修正できました。

初期の Cray-2 モデルは、IC を詰め込んだ大型の回路基板を使用する設計にすぐに落ち着きました。このため、はんだ付けが非常に難しく、密度もパフォーマンス目標に達するには不十分でした。チームは約 2 年間設計に取り組みましたが、Cray 自身も「諦め」、プロジェクトを中止して作業中の全員を解雇するのが最善だと判断しました。Cray の元設計協力者で Cray 本社に残っていた Les Davis は、優先度は低くてもプロジェクトを継続すべきだと判断しました。いくつかの小さな人事異動の後、チームは以前とほぼ同じように作業を継続しました。

6 か月後、クレイは「ひらめき」の瞬間を迎えました。彼は主要なエンジニアたちを会議に招集し、問題に対する新しい解決策を提示しました。1 つの大きな回路基板を作る代わりに、各「カード」は 8 枚の 3D スタックで構成され、表面から突き出たピン (「ポゴ」または「Z ピン」と呼ばれる) を使用して基板の中央で接続されます。カードは互いにぴったり重なり合って詰め込まれたため、スタックの高さはわずか 30 mm 程度でした。

このような密度では、従来の空冷システムでは機能しません。IC 間に空気が流れる余地が少なすぎるからです。代わりに、システムは3Mの新しい不活性液体であるフロリナートのタンクに浸されます。冷却液は圧力をかけられ、モジュールの横方向に押し出され、流速はおよそ 1 インチ/秒でした。加熱された液体は冷水熱交換器を使用して冷却され、メイン タンクに戻されました。新しい設計の作業は、当初の開始日から数年後の 1982 年に本格的に開始されました。

こうした状況が続く中、 Cray 本社のSteve Chenの指揮のもとCray X-MPが開発され、Cray-2 に真剣に挑むものと見られていました。この内部的な脅威と、日本製の Cray-1 に似た一連のマシンに対処するため、Cray-2 のメモリ システムは、サイズだけでなくプロセッサへの「パイプ」の数も大幅に改善されました。マシンが最終的に 1985 年に納品されたときには、遅延が長すぎて、パフォーマンス上の利点の多くはメモリの高速化によるものでした。このマシンを購入する意味があったのは、処理するデータ セットが膨大なユーザーだけでした。

最初に出荷された Cray-2 は、それまでに出荷されたすべての Cray マシンを合わせたよりも多くの物理メモリ (256 MWord ) を搭載していました。計算が低速の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 2D 領域または粗い 3D からより細かい 3D 領域に移行しました。

Cray-2 は主に米国防総省とエネルギー省向けに開発されました。用途は核兵器研究や海洋学(ソナー) 開発が多かったのですが、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 センターで非機密扱いのエネルギー研究に使用されました。また、民間機関 ( NASA エイムズ研究センターなど)、大学、世界中の企業にも導入されました。たとえば、フォードとゼネラル モーターズはどちらも、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 コンポーネントの仮想衝突試験に 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でしたが、開発上の問題により Cray-3 は 1 台しか製造されず、資金も調達されませんでした。Cray-2 の精神的な後継機は、 Crayが提供したCray X1です。

2012年、ピオトル・ルシュチェク（ジャック・ドンガラの元博士課程の学生）は、 iPad 2が組み込みLINPACKベンチマークでCray-2の過去のパフォーマンスに匹敵することを示す結果を発表しました。^[1]

液体冷却を使用しているため、Cray-2 には「バブルス」というあだ名が付けられ、コンピュータ関連の一般的なジョークはこのユニークなシステムに言及したものだった。ジョークには、「釣り禁止」の標識、熱交換器タンクから出てくるネス湖の怪物のボール紙の絵、熱交換器内のプラスチックの魚などがあった。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るフッ素化ポリエーテルが限られた範囲で分解して、非常に有毒なガスであるペル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 は視覚効果のために、冷却液が流れる透明な「バブル チャンバー」と、床にこぼれた同じ物質が光っている様子を示すポスターを作成していた。これは、実際にこのようなことが起こった場合、施設を避難させなければならないというジョークだった。^[3]液体の製造業者は、ポンプと直列に設置してこの有毒な分解生成物を触媒的に分解できるスクラバーを開発した。

ロジック モジュールの各垂直スタックは、5 ボルトのバスバーに電力を供給する電源モジュールのスタックの上に配置され、各バスバーは約 2200 アンペアを供給します。Cray-2 は、480 V の三相を取り込む 2 つのモーター ジェネレータによって電力を供給されます。

• スーパーコンピューティングの歴史

ウィキメディア・コモンズには、 Cray-2に関連するメディアがあります。

• Cray-2 モジュールの写真
• Cray-2 機能説明マニュアル
• Cray-2 パンフレット