Суперкомпьютер Cray-1

Одной из инженерных задумок Крэя на стадии проектирования являлось использование в Cray-1 всего трех типов интегральных схем: элементов логики, чипов оперативной памяти и регистров, что позволяло значительно повысить надежность и отказоустойчивость системы. Впрочем, общее количество микросхем в системе в итоге достигло 350 тысяч штук, и, чтобы упаковать такое количество в сравнительно небольшой корпус, Крею и его инженерам пришлось изрядно потрудиться.

В итоге они решили объединить индивидуальные двухсторонние печатные платы в модули с размерами 15х23 см. Каждый модуль содержал пять слоев: на двух внешних с обеих сторон располагались микросхемы, общее количество которых доходило до 288 штук, тогда как три внутренние платы предназначались исключительно для обеспечения электрических соединений между ними. Еще на этапе проектирования суперкомпьютера создатели подразумевали, что модуль будет «одноразовым»: при выходе из строя хотя бы одной микросхемы его заменяли работоспособным, ремонт вышедшего из строя компонента системы не предусматривался. Всего в Cray-1 было использовано 113 различных комбинаций модулей общей численностью 1662 штук.

Крей прекрасно понимал, что одним из главных лимитирующих факторов в компьютерных системах является скорость, с которой электрический сигнал перемещается посредством соединительных проводов: чем они длиннее, тем больше время задержки. Решение проблемы конструктор видел в придании новому компьютеру многогранной формы, благодаря чему сокращалась длина проводов, а также увеличивалась плотность расположения компонентов системы. В довершение к этому центральный процессор Cray-1 был со всех сторон окружен чипами оперативной памяти, в результате чего время доступа к каждому из них было одинаковым.

Для соединения электронных модулей были применены провода трех типов – 30, 60 и 120 см длины, время прохождения электрического сигнала в которых составляло, соответственно, одну, две и четыре наносекунды. Трудности пайки проводов в собиравшейся системе заключались в том, что провода практически не маркировались: присутствовало всего два цвета – синий и серый. По словам инженера Cray Research Ли Хибги (Lee Higbie), процедуру пайки немного облегчало то, что кабели разной длины припаивались по очереди: «Вначале мы разбирались с проводами длиной 30 см, затем – 60 и 120 см. Последних в системе всего пара штук».

Большинство сотрудников, занимавшихся сборкой первого суперкомпьютера Cray Research, составляли женщины, которых Крэй нанимал при наличии у них опыта работы ткачихами. Их дисциплина и стремление к совершенству оказались незаменимыми при точном припаивании сотен километров проводов.

Из-за сверхплотной интеграции компонентов внутри суперкомпьютера Cray-1 выделял огромное количество тепла, поэтому ему необходима была серьезная система охлаждения. Инженеры Cray Research разработали соответствующую установку, использовавшую в качестве охладителя жидкий фреон. Между модулями с электронными компонентами были установлены медные пластины с тефлоновым покрытием, собиравшие тепло и отводившие его к краям стойки.

Они крепились к основной «охлаждающей магистрали», состоявшей из идущих вдоль каждой из 12 панелей алюминиевых «кожухов», внутри которых располагались стальные трубки. По ним протекал жидкий фреон, охлаждавшийся в нижней части системы, где и находилась холодильная установка. Температура «магистрали» составляла 12 градусов Цельсия, тогда как в центральной части модулей с электронными компонентами она доходила до 54 градусов. В целом температура суперкомпьютера была ниже комнатной, что позволяло установить его даже в помещение, не оборудованное системой воздушного кондиционирования.

Вся электроника суперкомпьютера была упакована в многогранник с шестнадцатью гранями (четыре из которых отсутствовали для доступа к внутренностям системы) высотой 195 см и диаметром 150 см. Как и для всех последующих суперкомпьютеров Сеймура Крея, покупатель был волен самостоятельно выбрать цвет окраски граней своего Cray-1. Вес всей системы составлял 5,25 тонны, энергопотребление – 115 кВт.

Суммарная же потребляемая мощность Cray-1 вместе с системой хранения данных и охлаждающей установкой составляла 250 кВт! Неудивительно, что за одну только подачу питания на суперкомпьютер отвечал отдельный агрегат под названием «Устройство распределения энергии» (Power Distribution Unit) высотой в два метра, работавший от собственного дизельного генератора.

Архитектурное превосходство Cray-1 сделало из него непревзойденного чемпиона по быстродействию. Средняя производительность суперкомпьютера составляла 80 MFLOPS. При выполнении некоторых операций скорость работы Cray-1 повышалась до 150 MFLOPS. Пиковая же производительность составляла 250 MFLOPS. Для сравнения: популярные в то время мейнфреймы Cyber 176 и IBM 360/195 были способны лишь на 4-7 MFLOPS. По словам Джека Лоренца (Jack Lorenz), президента компании United Computer Systems, ставшей одним из первых коммерческих клиентов на Cray-1: «Если на CDC 6600 одна задача могла выполняться на протяжении 24 часов, то при использовании Cray-1 это время сокращалось в 12 раз».