Ретроклокинг: обзор мэйнфреймов и суперкомпьютеров
Оглавление
Вступление
У всех нас есть компьютеры, которые мы так любим разгонять, но встречаются и более производительные варианты в виде серверов с двумя или даже четырьмя процессорными разъемами. И однажды мне стало интересно:, а что еще быстрее?
Ответ на вопрос приводит к отдельному классу вычислительных машин: суперкомпьютерам и мэйнфреймам. Как развивался данный класс компьютерного оборудования, каким был в прошлом и чего достиг сейчас, какими цифрами производительности оперировал и можно ли использовать такие машины дома — обо всем этом я расскажу в данной статье.
С прочими моими материалами, посвященными ретроклокингу, можно ознакомиться по этой ссылке.
Флопсы
Для начала нужно определить, чем суперкомпьютер отличается от мэйнфрейма и что из них быстрее. Итак, суперкомпьютерами называют самые быстрые компьютеры. Их основное отличие от мэйнфреймов состоит в том, что все вычислительные ресурсы такого устройства направлены на решение одной глобальной задачи за минимально возможное время. Ну, а мэйнфреймы, наоборот, решают сразу массу задач.
В итоге суперкомпьютеры находятся на самой вершине любых компьютерных чартов и, как следствие, быстрее мэйнфреймов.
Человечество всегда нуждалось в быстром решении различных задач, но толчком к появлению супербыстрых машин послужила гонка вооружений известных сверхдержав и нужда в ядерных расчетах для проектирования и моделирования ядерных взрывов и вооружений. Для создания атомного оружия требовалась колоссальная вычислительная мощь, поскольку ни физики, ни математики были уже не в состоянии просчитывать и делать долгосрочные прогнозы, оперируя колоссальными объемами данных.
Для таких целей требовался компьютерный «разум». Но далее военные задачи плавно переходили в биологические, химические, астрономические метеорологические и другие. Все это заставило изобрести не просто компьютер, а нечто большее. Так появились первые мэйнфреймы и суперкомпьютеры.
Начало производства сверхбыстрых машин приходится на середину 60-х годов прошлого века. И важным критерием любого устройства была его производительность. Здесь на слуху у каждого оверклокера известная аббревиатура «FLOPS». Большинство тех, кто разгонял и тестировал процессор на стабильность, с большей долей вероятности использовал утилиту «LinX», которая выдает конечный результат производительности в гигафлопсах.
«FLOPS» (русское «флопс», акроним от английского FLoating-point Operations Per Second) является внесистемной единицей, используемой для измерения производительности любых компьютеров и показывающей, сколько операций с плавающей запятой в секунду выполняет данная вычислительная система.
LinX это бенчмарк «Intel Linpack», снабженный удобной графической оболочкой и предназначенный для упрощения проверки производительности и стабильности системы с использованием теста Intel Linpack (Math Kernel Library).
В свою очередь Linpack является самым популярным программным продуктом для оценки производительности суперкомпьютеров и мэйнфреймов, входящих в рейтинг суперкомпьютеров TOP500. Два раза в год его составляют специалисты в США из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли и Университета Теннесси.
При соотнесении результатов в гига-, мега- и терафлопсах следует помнить, что результаты быстродействия суперкомпьютеров всегда указывают над числами 64-разрядного формата, в то время как в обыденной жизни производители процессоров или видеокарт могут указывать производительность на 32-х разрядных данных, тем самым результат может казаться увеличенным в два раза.
И поскольку мы уже разобрались с единицей производительности самых быстрых компьютеров, стоит напомнить о разработчике популярной утилиты LinX.
Возможно, для кого-то будет открытием, возможно — нет, но автором лучшего бенчмарка всех времен и народов является участник нашего форума Александр Гусев, известный также под псевдонимом Dualist. Так что LinX можно назвать отечественным стратегическим продуктом 
.
Тема самого проекта находится тут, а помериться производительностью своего разогнанного процессора вы можете с другими оверклокерами в этой теме нашей конференции.
Начало эры супермашин
Первый мэйнфрейм был разработан небезызвестной компанией IBM в 1964 году, при этом затраты на его создание составили 5 миллиардов долларов. Для перевода в современные американские денежные знаки эту сумму нужно умножить где-то на шесть.
Назывался он просто — IBM System/360. Суперкомпьютер не был заключен в привычный монолитный корпус, а состоял из различных модулей и весил не одну тонну. Всего IBM анонсировала шесть моделей своей системы и 40 наименований различной периферии.
Производительность такого мэйнфрейма в зависимости от модели составляла от нескольких тысяч до миллиона операций в секунду. Сердцем системы являлись интегральные схемы, в которых использовалось от десятков до сотен миллионов транзисторов.
Объем оперативной памяти в зависимости от модели был от 16 до 1024 Кбайт, хотя в максимальной комплектации он достигал 16 Мбайт. Вся обрабатываемая информация хранилась на гигантских бобинах с магнитной лентой, которые содержали девять дорожек. Были выпущены накопители на жестких дисках, объем которых составлял единицы мегабайт, а масса — пару десятков килограммов. Доступен был и вариант хранения информации на памяти с магнитными сердечниками объемом пару мегабайт.
По нынешним меркам характеристики микроскопические, но с них-то все началось. С анонсом IBM System/360 были введены многие современные стандарты, которые и поныне ими остаются. Впервые один байт равнялся восьми битам, ввели байтовую адресацию памяти и 32-х битные слова. А в старших моделях была реализована технология динамической трансляции адресов (dynamic address translation), которая известна нам под названием «виртуальная память».
Несмотря на немалую стоимость (до трех миллионов долларов), продажи IBM System/360 шли на ура. За первый месяц IBM поступило заказов более чем на тысячу экземпляров, а за шесть лет существования данного семейства было продано более 33 тысяч таких машин. Таким образом мэйнфрейм IBM System/360 заложил фундамент и дальнейшие тенденции развития компьютерной техники.
Первым суперкомпьютером в полном понимании этого слова можно назвать построенную в 1976 году Сеймуром Крэем высокопроизводительную и эстетически привлекательную машину с названием Cray-1. Ее разработка обошлась в $8.86 млн (~$35 млн по нынешнему курсу).
Первый экземпляр новой супермашины отправился в Лос-Аламосскую национальную лабораторию для расчетов проектирования ядерного оружия. И пусть его стоимость составила 8.86 млн долларов, но последующие машины были лишь на пару сотен тысяч долларов дешевле.
Cray-1 представлял собою векторно-конвейерную вычислительную систему. Центральный процессор включал 500 печатных плат, на которых находилось 144 000 микросхем, они в свою очередь работали на частоте 80 МГц. Поставщиком микросхем стала компания Fairchild, из которой в последующем вышли основатели Intel и AMD. Объем оперативной памяти равнялся 8 мегабайтам.
Все платы устанавливались в башенный корпус с двенадцатью секциями, при виде сверху форма суперкомпьютера напоминала очертание буквы «C».
Для повышения производительности и уменьшения задержек при прохождении сигнала Сеймур Крэй придумал и спроектировал специальную форму своей машины. Главная идея сводилась к уменьшению расстояния между платами, поэтому форма основного скелета была выбрана в виде многогранника, что давало возможность окружить процессор по периметру чипами оперативной памяти, в результате чего время доступа к каждому из них было одинаковым.
Кроме того, такое расположение плат позволяло сократить длину проводов и обеспечить лучший теплоотвод. Несмотря на эти оптимизации, количество проводов внутри Cray-1 поражало воображение.
Лично мне башенный дизайн Cray-1 чем-то напомнил цилиндрический Apple Mac Pro, только в гораздо уменьшенном виде.
Производительность системы превосходила 100 MFLOPS, а в оптимизированных для векторного процессора задачах достигала 150 MFLOPS. Масса Cray-1 была равна 5.25 тонны, высота — около двух метров, суммарное энергопотребление — 250 кВт (135 кВт приходились на компрессорную систему охлаждения, работающую на жидком фреоне).
Жидкий фреон циркулировал по двенадцати стальным магистральным трубкам внутри корпуса системы, забирая тепло от плат с микросхемами, к которым примыкали медные пластины с тефлоновым покрытием для более эффективного отвода тепла. А в нижней части Cray-1 находилась холодильная установка.
Ниже представлен пример плат Cray-1, которые сейчас продают на всемирном аукционе eBay как реликвии. При выходе из строя одной микросхемы менялась вся плата целиком, ремонт вышедшего из строя компонента системной платы не предусматривался.
Особенность архитектуры Cray-1 состояла в том, что она обладала способностью адаптации к структуре решаемой задачи: допускалась параллельная работа и самих конвейеров, и элементарных блоков обработки в пределах любого конвейера.
Система была способна выполнять как скалярные, так и векторные операции, причем одновременно могло выполняться несколько скалярных и векторных операций. В качестве операционной системы выступала COS (Cray Operating System), которая обеспечивала режим пакетной обработки до 63 задач.
Для покупателей этого суперкомпьютера был доступен своеобразный моддинг — заказчик мог выбрать цвет граней на свое усмотрение. А для тех, у кого не хватало финансов на покупку, предусматривалась аренда супермашины. К примеру, месячный абонемент стоил 210 500 долларов.
С момента выпуска первого экземпляра суперкомпьютера до конца его производства компания Сеймура Крэя продала 85 систем Cray-1, став мировым лидером по выпуску самых производительных вычислительных систем.
Весной 1985 года Сеймур Крэй представил новый и самый быстрый в мире компьютер Cray-2, построенный по заказу Министерства обороны США. Он удерживал пальму первенства среди всех супермашин до 1990 года и существенно отличался от своего предшественника.
За десять лет производительность заметно выросла и достигла 1.9 GFLOPS. Объем оперативной памяти составлял 2 Гбайт. Количество процессоров достигало четырех штук, и к каждому из них помимо векторных регистров была добавлена локальная оперативная память объемом 128 Кбайт. Тактовая частота одного процессора составляла 244 МГц, вычислительная мощность равнялась 488 MFLOPS.
Внешне новинка выглядела в виде все того же цилиндра, правда, его размеры и масса уменьшились. Высота машины составляла 1.15 м, масса — 2500 кг. Энергопотребление — 195 кВт.
Стоимость одной машины была установлена в районе 17.5 млн долларов, по нынешним меркам примерно $36 млн.
Из-за уменьшения размеров и более плотной компоновки плат фреоновую систему охлаждения применить было уже невозможно. И тогда Сеймур Крэй в очередной раз предложил инновационный подход в виде использования жидкостной системы охлаждения.
Внутрь герметичного корпуса Cray-2 заливалась специальная инертная охлаждающая жидкость (разработка компании 3М), которая забирала на себя все тепло, выделяемое суперкомпьютером. Объем жидкости доходил до 760 литров, что составляло около трети всей массы устройства. При нагревании элементов на прозрачных стенках Cray-2 появлялись многочисленные пузырьки, и с современной RGB подсветкой этот суперкомпьютер смотрелся бы намного лучше 
.
Но у данной жидкости было одно негативное свойство. При ее закипании выделялся опасный для здоровья человека газ, поэтому должна была соблюдаться полная герметичность корпуса.
Cray-2 получил возможность подключения к другому такому же суперкомпьютеру для увеличения вычислительных мощностей. Подключение осуществлялось через специальную выделенную сеть с пропускной способностью 1.6 Гбит/с.
С середины 1980-х годов роль программного обеспечения начала возрастать, а затраты на его проектирование — расти. Так, на разработку ПО для Cray-2 было потрачено столько же средств, сколько на его аппаратное обеспечение. В качестве операционной системы Cray-2 использовалась операционная система UNICOS на основе Unix.
Логический модуль Cray-2.
В 1990 году специально для Ливерморской национальной лаборатории был построен в единственном экземпляре восьмипроцессорный Cray-2 стоимостью 19 миллионов долларов, который сейчас находится в Музее компьютерной истории в штате Калифорния, США.
После этого все усилия были брошены на разработку следующей модели суперкомпьютера Cray-3, однако из-за возникшего ряда проблем был построен только один экземпляр Cray-3. Его вычислительная мощность составляла 5 GFLOPS.
Процессорный модуль Cray-3.
Интересно, что Cray-3 моделировался на компьютерах Apple, а компания Apple в свою очередь приобрела суперкомпьютер Cray для проектирования дизайна собственных ПК.
Модели Cray были использованы не только для военных целей, их мощности применялись в NASA, а также для создания спецэффектов в киноиндустрии. Последняя уже начинала отходить от макетных моделей и использовала всю мощь суперкомпьютеров для создания спецэффектов. Мощности Cray-2 задействовались в таких блокбастерах, как «Звездные войны», «Парк юрского периода», «Терминатор 2: Судный день» и других.
С момента зарождения рынка суперкомпьютеров на нем господствовали американские компании, но с начала 90-х годов прошлого века в конкурентную борьбу начали включаться японские производители. Одним из них была компания Fujitsu, создавшая в 1993 году свой векторный параллельный суперкомпьютер Numerical Wind Tunnel при сотрудничестве с японской Национальной аэрокосмической лабораторией.
В тесте Linpack Numerical Wind Tunnel показал производительность 124.2 GFLOPS. В его основе лежали 140 векторных процессоров с тактовой частотой 105 МГц, произведенных самой Fujitsu. В последующем их количество было увеличено до 166 штук. Объем общей оперативной памяти составлял 44.5 Гбайт или 256 Мбайт на узел. Суммарная потребляемая мощность системы равнялась 498 кВт. Система охлаждения была двухкаскадной, первый охлаждал платы с микросхемами, а второй выводил тепло за пределы здания.
В марте 1996 года японская компания Hitachi выпустила свой суперкомпьютер с незамысловатым названием SR2201/1024. В данной системе использовались сразу 1024 скалярных процессора HARP-1E на основе архитектуры PA-RISC 1.1 с тактовой частотой 150 МГц, которые были способны развить производительность в 220.4 GFLOPS. Эти процессоры производились по заказу компанией Hewlett-Packard.
Каждый из 1024 узлов получал в свое распоряжение 256 Мбайт оперативной памяти, что суммарно давало 256 Гбайт, и сообщался с другими узлами по скоростному интерфейсу, способному обеспечить передачу данных на уровне 300 Мбайт/с. Объем дискового пространства был равен 72 Гбайт. Данный суперкомпьютер размещался в Токийском университете.
Первым суперкомпьютером, который преодолел рубеж в 1000 GFLOPS или 1 терафлопс, был Intel ASCI Red, построенный в 1997 году.
В его основе лежали известные каждому 9152 обычных, свободно продававшихся в то время в рознице процессоров Intel Pentium Pro с тактовой частотой 200 МГц (разъем Socket 8). Каждый узел содержал два таких процессора и 128 Мбайт оперативной памяти.
Пара таких узлов устанавливалась на общей плате с коммуникационным модулем, а те в свою очередь размещались в 85 шкафах-стойках. Суммарный объем оперативной памяти у Intel ASCI Red составлял 594 гигабайта, дисковая подсистема состояла из 640 жестких дисков с суммарным объемом дискового пространства 2 терабайта.
Этот «терафлопсный» суперкомпьютер был построен самой Intel по заказу правительства США, стоимость компонентов была в районе $55 млн. Главный архитектурный критерий заключался в использовании общедоступных компонентов, поэтому были выбраны стандартные серверные компоненты того времени, но за исключением коммуникационных модулей, разработанных специально для ASCI Red.
А главная задача машины заключалась в мониторинге ядерного арсенала США после объявления в октябре 1992 года моратория на проведение ядерных испытаний.
Все оборудование размещалось на площади в 150 кв. м и потребляло 850 кВт энергии; еще 500 кВт требовалось на кондиционирование помещения для поддержания оптимальной температуры работы суперкомпьютера. В тесте Linpack он показал результат 1.338 TFLOPS.
Полный текст статьи читайте на overclockers.ru
