سيمور كراي والحاسوب الخارق

كثير منا على دراية أجهزة الكمبيوتر. من المحتمل أنك تستخدم واحدة الآن لقراءة منشور المدونة هذا لأن الأجهزة مثل أجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف الذكية والأجهزة اللوحية هي في الأساس نفس تقنية الحوسبة الأساسية. من ناحية أخرى ، تعتبر الحواسيب العملاقة مقصورًا إلى حد ما كما يُعتقد في كثير من الأحيان على أنها ضخمة ، ومكلفة ، تم تطوير آلات امتصاص الطاقة ، إلى حد كبير ، للمؤسسات الحكومية ومراكز البحوث ، وعلى العموم الشركات.

خذ على سبيل المثال شركة Sunway TaihuLight الصينية ، التي تعد حاليًا أسرع حاسوب عملاق في العالم ، وفقًا لتصنيفات الحواسيب العملاقة Top500. وتتكون من 41000 رقاقة (تزن المعالجات وحدها أكثر من 150 طنًا) ، وتبلغ تكلفتها حوالي 270 مليون دولارًا ، وتبلغ قوتها 15371 كيلووات. على الجانب الإيجابي ، على الرغم من ذلك ، فهي قادرة على إجراء رباعيات من الحسابات في الثانية ويمكنها تخزين ما يصل إلى 100 مليون كتاب. ومثل الحواسيب العملاقة الأخرى ، سيتم استخدامه لمعالجة بعض المهام الأكثر تعقيدًا في مجالات العلوم مثل التنبؤ بالطقس وبحوث المخدرات.

ظهر مفهوم الكمبيوتر العملاق لأول مرة في الستينيات عندما شرع مهندس كهربائي يدعى سيمور كراي في إنشاء أسرع كمبيوتر في العالم. كراي ، الذي يعتبر "أبو الحوسبة الفائقة" ، ترك منصبه في عملاق حوسبة الأعمال ينضم Sperry-Rand إلى شركة Control Data Corporation التي تم تشكيلها حديثًا حتى يتمكن من التركيز على التطوير الحواسيب العلمية. تم الحصول على لقب أسرع جهاز كمبيوتر في العالم في ذلك الوقت بواسطة IBM 7030 "Stretch" ، وهو من أول من استخدم الترانزستورات بدلاً من الأنابيب المفرغة.

في عام 1964 ، قدم كراي CDC 6600 ، التي تضمنت ابتكارات مثل تبديل الترانزستورات الجرمانيوم لصالح السيليكون ونظام التبريد القائم على الفريون. والأهم من ذلك ، أنها تعمل بسرعة 40 ميجاهرتز ، وتنفذ ما يقرب من ثلاثة ملايين عملية عائمة في الثانية ، مما يجعلها أسرع كمبيوتر في العالم. غالبًا ما يُعتبر أول حاسوب عملاق في العالم ، كان CDC 6600 أسرع 10 مرات من معظم أجهزة الكمبيوتر وثلاث مرات أسرع من آي بي إم 7030 تمدد. تم التخلي عن العنوان في نهاية المطاف في عام 1969 إلى خلفه CDC 7600.

في عام 1972 ، غادر كراي شركة Control Data Corporation لتشكيل شركته الخاصة ، كراي للأبحاث. بعد مرور بعض الوقت في زيادة رأس المال الأساسي والتمويل من المستثمرين ، ظهر Cray لأول مرة في Cray 1 ، مما رفع مرة أخرى من مستوى أداء الكمبيوتر بهامش كبير. تم تشغيل النظام الجديد بسرعة 80 ميجا هرتز وأجرى 136 مليون عملية نقطة عائمة في الثانية (136 ميجا فلوب). وتشمل الميزات الفريدة الأخرى نوعًا أحدث من المعالج (معالجة المتجهات) وتصميمًا على شكل حدوة الحصان محسن السرعة يقلل من طول الدوائر. تم تثبيت Cray 1 في مختبر Los Alamos الوطني في عام 1976.

بحلول الثمانينيات ، أثبت كراي نفسه باعتباره الاسم البارز في الحوسبة الفائقة وكان من المتوقع على نطاق واسع أن يسقط أي إصدار جديد جهوده السابقة. لذا ، بينما كان كراي مشغولًا بالعمل على خليفة Cray 1 ، قام فريق منفصل في الشركة بإخراج Cray X-MP ، وهو نموذج تم وصفه بأنه إصدار أكثر "تنظيفًا" من Cray 1. شاركت نفس التصميم على شكل حدوة الحصان ، ولكنها تتباهى بمعالجات متعددة وذاكرة مشتركة وأحيانًا توصف بأنها جهازي Cray 1 مرتبطان ببعضهما البعض. كان Cray X-MP (800 ميجافلوب) أحد أول تصميمات "المعالجات المتعددة" وساعد في فتح الباب أمام معالجة متوازية ، حيث يتم تقسيم مهام الحوسبة إلى أجزاء وتنفيذها في وقت واحد مختلف معالجات.

كان Cray X-MP ، الذي تم تحديثه باستمرار ، بمثابة حامل قياسي حتى إطلاق Cray 2 الذي طال انتظاره في عام 1985. مثل أسلافه ، اتخذ أحدث وأكبر كراي نفس التصميم على شكل حدوة الحصان والتخطيط الأساسي مع دوائر متكاملة مكدسة معًا على لوحات المنطق. ولكن هذه المرة ، كانت المكونات مكتظة بإحكام لدرجة أنه كان يجب غمر الكمبيوتر في نظام تبريد سائل لتبديد الحرارة. يأتي جهاز Cray 2 مزودًا بثمانية معالجات ، مع "معالج أمامي" مسؤول عن معالجة التخزين ، الذاكرة وإعطاء التعليمات إلى "معالجات الخلفية" ، التي كلفت بالحساب الفعلي. وإجمالاً ، بلغت سرعة معالجته 1.9 مليار عمليات النقطة العائمة في الثانية (1.9 جيجا فلوبس) ، أسرع مرتين من Cray X-MP.

وغني عن القول أن كراي وتصميماته حكمت الحقبة المبكرة للحاسوب الخارق. لكنه لم يكن الوحيد الذي يتقدم في الميدان. وشهدت الثمانينيات المبكرة ظهور أجهزة كمبيوتر متوازية بشكل كبير ، مدعومة بآلاف المعالجات التي تعمل جنبًا إلى جنب لتحطيم حواجز الأداء. تم إنشاء بعض الأنظمة متعددة المعالجات الأولى بواسطة W. دانيال هيليس ، الذي توصل إلى هذه الفكرة كطالب دراسات عليا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. كان الهدف في ذلك الوقت هو التغلب على حدود السرعة في وجود حسابات مباشرة لوحدة المعالجة المركزية من بين الآخرين المعالجات من خلال تطوير شبكة لامركزية من المعالجات تعمل بشكل مشابه للعصب العصبي في الدماغ شبكة الاتصال. حله الذي تم تطبيقه ، والذي تم تقديمه في عام 1985 باسم Connection Machine أو CM-1 ، يضم 65،536 معالجات أحادية البت مترابطة.

كانت أوائل التسعينيات بمثابة بداية النهاية للسيطرة الخانقة لـ Cray على الحوسبة الفائقة. بحلول ذلك الوقت ، انفصل رائد الحوسبة الفائقة عن Cray Research لتشكيل Cray Computer Corporation. بدأت الأمور تتجه نحو الشركة عندما واجه مشروع Cray 3 ، الخليفة المقصود لـ Cray 2 ، مجموعة كاملة من المشاكل. كان أحد أخطاء كراي الرئيسية هو اختيار أشباه الموصلات من زرنيخيد الغاليوم - وهي تقنية أحدث - كوسيلة لتحقيق هدفه المعلن المتمثل في تحسين سرعة المعالجة اثني عشر ضعفًا. في نهاية المطاف ، انتهت صعوبة إنتاجها ، إلى جانب المضاعفات التقنية الأخرى ، بالتأخير المشروع لسنوات وأدى إلى خسارة العديد من عملاء الشركة المحتملين في نهاية المطاف فائدة. قبل فترة طويلة ، نفدت أموال الشركة وقدمت لها إفلاس في عام 1995.

إن نضالات كراي ستفسح المجال لتغيير حراسة الأنواع لأن أنظمة الحوسبة اليابانية المتنافسة ستهيمن على الميدان طوال معظم العقد. ظهرت شركة NEC ومقرها طوكيو لأول مرة في المشهد في عام 1989 مع SX-3 وبعد ذلك بعام كشف النقاب عن إصدار من أربعة معالجات أصبح أسرع جهاز كمبيوتر في العالم ، إلا أنه تم تجاوزه في عام 1993. في ذلك العام ، أصبح نفق الرياح الرقمي من فوجيتسو ، مع القوة الغاشمة التي تضم 166 معالجًا متجهًا ، أول حاسوب عملاق يتجاوز 100 جيجا فلوب (ملاحظة جانبية: لمنحك فكرة عن مدى سرعة تقدم التكنولوجيا ، يمكن لمعالجات المستهلكين الأسرع في عام 2016 أن تفعل بسهولة أكثر من 100 جيجا فلوب ، ولكن في ذلك الوقت ، كانت مثيرة للإعجاب بشكل خاص). في عام 1996 ، قامت شركة هيتاشي SR2201 بزيادة الرهان المسبق بـ 2048 معالج للوصول إلى أعلى أداء لـ 600 جيجا فلوب.

الآن ، أين كان شركة انتل? الشركة التي أثبتت مكانتها كشركة تصنيع شرائح رائدة في السوق الاستهلاكية ، لم تقم حقًا بدخول مجال الحوسبة الفائقة حتى نهاية القرن. وذلك لأن التقنيات كانت مختلفة تمامًا عن الحيوانات. على سبيل المثال ، تم تصميم أجهزة الكمبيوتر العملاقة للتشويش على أكبر قدر ممكن من قوة المعالجة أثناء الشخصية كانت أجهزة الكمبيوتر تدور حول الحد من الكفاءة من الحد الأدنى من قدرات التبريد وإمدادات الطاقة المحدودة. لذا في عام 1993 ، أخذ مهندسو Intel أخيرًا في الهبوط من خلال اتخاذ النهج الجريء للذهاب بشكل موازٍ إلى حد كبير 3،680 معالج Intel XP / S 140 Paragon ، والتي صعدت بحلول يونيو 1994 إلى قمة الكمبيوتر العملاق الترتيب. كان أول حاسوب عملاق متوازي بشكل كبير ليكون أسرع نظام في العالم بلا منازع.

حتى هذه اللحظة ، كانت الحوسبة الفائقة بشكل رئيسي من اختصاص أولئك الذين لديهم جيوب عميقة لتمويل مثل هذه المشاريع الطموحة. تغير كل ذلك في عام 1994 عندما توصل المقاولون في مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا ، والذين لم يكن لديهم هذا النوع من الرفاهية ، إلى طريقة ذكية لتسخير قوة الحوسبة المتوازية من خلال ربط وتشكيل سلسلة من أجهزة الكمبيوتر الشخصية باستخدام إيثرنت شبكة الاتصال. يتألف نظام "Beowulf الكتلة" الذي طوروه من 16 معالجات 486DX ، قادرة على العمل في نطاق gigaflops وتكلف أقل من 50000 دولار للبناء. كان له أيضًا تمييز تشغيل Linux بدلاً من Unix قبل أن يصبح Linux أنظمة التشغيل المفضلة لأجهزة الكمبيوتر الفائقة. وسرعان ما اتبعت برامج افعل ذلك بنفسك في كل مكان مخططات مماثلة لإنشاء مجموعات Beowulf الخاصة بها.

بعد التخلي عن العنوان في عام 1996 إلى Hitachi SR2201 ، عادت Intel في ذلك العام بتصميم يعتمد على Paragon يسمى ASCI Red ، والذي كان يتكون من أكثر من 6000 200 ميجا هرتز معالجات Pentium Pro. على الرغم من الابتعاد عن المعالجات الموجهة لصالح المكونات الجاهزة ، اكتسب ASCI Red تميزًا بكونه أول كمبيوتر يكسر حاجز تريليون flops (1 teraflops). وبحلول عام 1999 ، مكنتها الترقيات من تجاوز ثلاثة تريليون فلوب (3 تيرافلوب). تم تركيب ASCI Red في مختبرات سانديا الوطنية واستخدم بشكل أساسي لمحاكاة الانفجارات النووية والمساعدة في الحفاظ على البلاد ترسانة نووية.

بعد أن استعادت اليابان تقدم الحوسبة الفائقة لفترة مع 35.9 تيرافلوبس NEC Earth Simulator ، جلبت IBM الحوسبة الفائقة إلى ارتفاعات غير مسبوقة بدءًا من عام 2004 مع Blue Gene / L. في ذلك العام ، ظهرت IBM لأول مرة في النموذج الأولي الذي بالكاد حطم Earth Simulator (36 تيرافلوب). وبحلول عام 2007 ، سيقوم المهندسون بتكثيف الأجهزة لدفع قدرتها على المعالجة إلى ذروة ما يقرب من 600 تيرافلوب. ومن المثير للاهتمام ، تمكن الفريق من الوصول إلى هذه السرعات من خلال اتباع نهج استخدام المزيد من الرقائق التي كانت منخفضة الطاقة نسبيًا ، ولكن أكثر كفاءة في استخدام الطاقة. في عام 2008 ، بدأت شركة IBM في التقدم مرة أخرى عندما قامت بتشغيل Roadrunner ، أول حاسوب عملاق يتجاوز عدد عمليات النقطة العائمة التي تبلغ كوادريليون في الثانية (1 بيتافلوبس).