كراي-2

يُعدّ جهاز Cray-2 حاسوبًا فائقًا مزودًا بأربعة معالجات متجهة ، صُنع بواسطة شركة Cray Research بدءًا من عام 1985. وبلغت ذروة أدائه 1.9 جيجا فلوبس ، ما جعله أسرع جهاز في العالم عند إصداره، وهو لقب كان يحمله سابقًا جهاز Cray X-MP . ثم تفوّق عليه جهاز Cray Y-MP في عام 1988.

كان جهاز Cray-2 أول تصميمات سيمور كراي التي نجحت في استخدام وحدات معالجة مركزية متعددة. وقد جُرّب هذا الأمر في جهاز CDC 8600 في أوائل سبعينيات القرن الماضي، لكن ترانزستورات منطق اقتران الباعث (ECL) في ذلك الوقت كانت صعبة التجميع في جهاز عملي. عالج جهاز Cray-2 هذه المشكلة باستخدام دوائر متكاملة من نوع ECL ، حيث تم تجميعها في تصميم ثلاثي الأبعاد مبتكر زاد من كثافة الدوائر بشكل كبير.

شكّلت كثافة التغليف وما ينتج عنها من حرارة مشكلةً رئيسيةً لجهاز Cray-2. وقد تمّ حلّ هذه المشكلة بطريقةٍ فريدةٍ من نوعها، وذلك بدفع سائل فلورينرت الخامل كهربائيًا عبر الدوائر تحت ضغطٍ عالٍ، ثمّ تبريده خارج صندوق المعالج. وأصبح نظام التبريد الفريد هذا، الذي يُشبه "الشلال"، رمزًا للحوسبة عالية الأداء في نظر العامة، وظهر في العديد من الأفلام التوعوية، كما استُخدم كدعامةٍ سينمائيةٍ لفترةٍ من الزمن.

على عكس جهاز Cray-1 الأصلي، واجه جهاز Cray-2 صعوبات في تحقيق الأداء الأمثل. وتفوقت مبيعات أجهزة أخرى من الشركة، مثل X-MP وY-MP، على مبيعات Cray-2 بفارق كبير. وعندما بدأت شركة Cray بتطوير جهاز Cray-3 ، اختارت تطوير سلسلة Cray C90 بدلاً منه. وهذا هو نفس تسلسل الأحداث الذي حدث أثناء تطوير جهاز 8600، وكما في تلك الحالة، انسحب Cray من الشركة.

بعد النجاح الذي حققه جهازه الشهير Cray-1 ، اتجه سيمور كراي إلى تصميم خليفته. وبحلول عام 1979، ضاق ذرعًا بتدخلات الإدارة في الشركة التي أصبحت كبيرة، وكما فعل سابقًا، قرر الاستقالة من منصبه الإداري والانتقال لتأسيس مختبر جديد. وكما حدث عند انتقاله الأول من مقر شركة Control Data في مينيابوليس، مينيسوتا ، إلى تشيبيوا فولز، ويسكونسن ، تفهمت إدارة كراي احتياجاته ودعمت انتقاله إلى مختبر جديد في بولدر، كولورادو . بدأ كراي العمل كمستشار مستقل في مختبرات كراي الجديدة عام 1980، حيث شكّل فريقًا وبدأ بتصميم جديد كليًا. أُغلق هذا المختبر لاحقًا، وبعد عقد من الزمن، افتُتح مختبر جديد في كولورادو سبرينغز .

سبق لشركة كراي أن عالجت مشكلة زيادة السرعة بثلاثة تطورات متزامنة: وحدات وظيفية أكثر لزيادة التوازي في النظام، وتغليف أكثر إحكامًا لتقليل تأخير الإشارة، ومكونات أسرع للسماح بتردد ساعة أعلى. المثال الكلاسيكي لهذا التصميم هو جهاز CDC 8600 ، الذي ضم أربع آلات شبيهة بجهاز CDC 7600 تعتمد على منطق ECL داخل أسطوانة أبعادها متر واحد في متر واحد، وشغّلها بسرعة دورة 8 نانوثانية (125 ميجاهرتز ). لسوء الحظ، أدت الكثافة المطلوبة لتحقيق زمن الدورة هذا إلى فشل الجهاز. كانت لوحات الدوائر الداخلية مكتظة للغاية، وبما أن عطل ترانزستور واحد فقط كان كفيلاً بتعطيل وحدة كاملة، فإن زيادة عددها على اللوحات زاد بشكل كبير من احتمالية العطل. كما مثّل تبريد المكونات الفردية المتقاربة تحديًا كبيرًا.

كان أحد حلول هذه المشكلة، والذي اعتمده معظم موردي الحواسيب، هو استخدام الدوائر المتكاملة (ICs) بدلاً من المكونات الفردية. احتوت كل دائرة متكاملة على مجموعة مختارة من المكونات من وحدة نمطية موصلة مسبقًا في دائرة كهربائية بواسطة عملية تصنيع آلية. إذا لم تعمل إحدى الدوائر المتكاملة، يتم تجربة أخرى. في ذلك الوقت، لم تكن تقنية MOSFET البسيطة، التي كانت قيد التصميم ، توفر السرعة التي تحتاجها شركة Cray. مع ذلك، أدت التحسينات المتواصلة إلى تغيير الوضع بحلول منتصف السبعينيات، وأصبح جهاز Cray-1 قادرًا على استخدام دوائر متكاملة أحدث مع الحفاظ على سرعة تشغيل جيدة تبلغ 12.5 نانوثانية (80  ميجاهرتز). في الواقع، كان جهاز Cray-1 أسرع قليلاً من جهاز 8600 لأنه احتوى على قدر أكبر من المنطق في النظام نظرًا لصغر حجم الدوائر المتكاملة.

على الرغم من استمرار تحسن تصميم الدوائر المتكاملة، إلا أن حجمها المادي ظل مقيدًا إلى حد كبير بالقيود الميكانيكية؛ إذ كان لا بد أن يكون المكون الناتج كبيرًا بما يكفي للحامه في النظام. كان من الممكن تحقيق تحسينات جذرية في الكثافة، كما يتضح من التحسن السريع في تصميم المعالجات الدقيقة ، ولكن بالنسبة لنوع الدوائر المتكاملة التي استخدمتها شركة كراي، والتي تمثل جزءًا صغيرًا جدًا من دائرة كاملة، فقد وصل التصميم إلى حده الأقصى. ولتحقيق زيادة أخرى في الأداء بمقدار عشرة أضعاف مقارنةً بجهاز كراي-1، وهو الهدف الذي سعت إليه كراي، كان لا بد من زيادة تعقيد الجهاز. لذلك، لجأ مرة أخرى إلى حل مشابه لمعالج 8600، حيث ضاعف سرعة الساعة من خلال زيادة الكثافة، وأضاف المزيد من هذه المعالجات الأصغر حجمًا إلى النظام الأساسي، ثم حاول معالجة مشكلة تبريد الجهاز.

تمثلت إحدى مشكلات التصميم الأخرى في تزايد فجوة الأداء بين المعالج والذاكرة الرئيسية . ففي عصر جهاز CDC 6600، كانت الذاكرة تعمل بنفس سرعة المعالج، وكانت المشكلة الرئيسية تكمن في تغذية البيانات إليها. حلت شركة كراي هذه المشكلة بإضافة عشرة حواسيب أصغر إلى النظام، مما سمح لها بالتعامل مع وحدات التخزين الخارجية الأبطأ (الأقراص والأشرطة) و"إدخال" البيانات إلى الذاكرة عندما يكون المعالج الرئيسي مشغولاً. لم يعد هذا الحل يقدم أي مزايا؛ فقد كانت الذاكرة كبيرة بما يكفي لقراءة مجموعات البيانات كاملةً، لكن المعالجات كانت تعمل بسرعة أكبر بكثير من الذاكرة، مما كان يؤدي إلى قضاء أوقات طويلة في انتظار وصول البيانات. وقد أدى إضافة أربعة معالجات إلى تفاقم هذه المشكلة.

لتجنب هذه المشكلة، استُبدلت الذاكرة المُجمّعة في التصميم الجديد ومجموعتان من السجلات (سجلات B وT) بكتلة ذاكرة محلية (Local Memory ) بسعة 16 كيلو كلمة ، وهي أسرع ذاكرة ممكنة ، وليست ذاكرة تخزين مؤقت (cach). وتم ربط المعالجات الخلفية الأربعة بها عبر قنوات منفصلة عالية السرعة. وكانت هذه الذاكرة المحلية تُغذّى بالبيانات من معالج أمامي مُخصّص ، والذي كان بدوره متصلاً بالذاكرة الرئيسية عبر قناة جيجابت/ثانية لكل وحدة معالجة مركزية. في المقابل، احتوت معالجات X-MP على ثلاث قنوات، لتحميل وتخزين البيانات في وقت واحد، بينما احتوت معالجات Y-MP/C-90 على خمس قنوات لتجنب عنق زجاجة فون نيومان . وكانت مهمة المعالج الأمامي هي "تشغيل" الحاسوب، حيث يتولى إدارة التخزين والاستخدام الأمثل للقنوات المتعددة في الذاكرة الرئيسية. وكان يُشغّل المعالجات الخلفية عن طريق تمرير التعليمات التي يجب تنفيذها عبر ثمانية مخازن مؤقتة (16 كلمة) ، بدلاً من إشغال قنوات التخزين المؤقت الموجودة بالمعالجات الخلفية. تستخدم وحدات المعالجة المركزية الحديثة أيضًا شكلاً مختلفًا من هذا التصميم، على الرغم من أن المعالج الأمامي يُشار إليه الآن باسم وحدة التحميل/التخزين وليس جهازًا كاملاً بحد ذاته.

رُتِّبت بنوك الذاكرة الرئيسية في أرباع ليتم الوصول إليها في الوقت نفسه، مما سمح للمبرمجين بتوزيع بياناتهم عبر الذاكرة لتحقيق توازي أعلى. لكن يعيب هذا النهج ارتفاع تكلفة إعداد وحدة التوزيع/التجميع في المعالج الأمامي. وقد تسببت تعارضات الخطوات، التي تتناسب مع عدد بنوك الذاكرة، في انخفاض الأداء (زمن الاستجابة)، كما يحدث أحيانًا في خوارزميات تحويل فورييه السريع (FFT) القائمة على قوى العدد 2. ولأن ذاكرة Cray 2 كانت أكبر بكثير من ذاكرة Cray 1 أو X-MP، فقد تم حل هذه المشكلة بسهولة بإضافة عنصر إضافي غير مستخدم إلى مصفوفة لتوزيع العمل.

لوحات دوائر كهربائية معبأة وأفكار تصميم جديدة

سرعان ما استقرت النماذج الأولى من Cray-2 على تصميم يستخدم لوحات دوائر كبيرة مليئة بالدوائر المتكاملة. جعل هذا الأمر لحامها معًا صعبًا للغاية، ولم تكن الكثافة كافية لتحقيق أهداف الأداء. عملت الفرق على التصميم لمدة عامين تقريبًا قبل أن يتخلى كراي نفسه عن المشروع ويقرر أنه من الأفضل إلغاء المشروع وتسريح جميع العاملين عليه. قرر ليس ديفيس، المتعاون السابق مع كراي في التصميم والذي بقي في مقر الشركة، مواصلة العمل عليه بأولوية منخفضة. بعد بعض التغييرات الطفيفة في الموظفين، واصل الفريق العمل كما كان من قبل.

بعد ستة أشهر، خطرت لكراي فكرةٌ عبقرية . جمع كبار المهندسين في اجتماعٍ وعرض عليهم حلاً جديداً للمشكلة. فبدلاً من تصنيع لوحة دوائر كهربائية واحدة كبيرة، تتكون كل "بطاقة" من مجموعة ثلاثية الأبعاد من ثماني بطاقات، متصلة ببعضها في منتصف اللوحات باستخدام دبابيس بارزة من السطح (تُعرف باسم "دبابيس بوغوس" أو "دبابيس Z"). رُصّت البطاقات فوق بعضها مباشرةً، بحيث لم يتجاوز  ارتفاع المجموعة الناتجة 30 ملم.

مع هذه الكثافة العالية، لم يكن من الممكن لأي نظام تبريد هوائي تقليدي أن يعمل؛ إذ لم يكن هناك متسع كافٍ لتدفق الهواء بين الدوائر المتكاملة. ولذلك، تم غمر النظام في خزان يحتوي على سائل خامل جديد من شركة 3M ، وهو فلورينرت . تم دفع سائل التبريد جانبيًا عبر الوحدات تحت ضغط، وكان معدل التدفق حوالي بوصة واحدة في الثانية. تم تبريد السائل الساخن باستخدام مبادلات حرارية تعمل بالماء المبرد، ثم إعادته إلى الخزان الرئيسي. بدأ العمل على التصميم الجديد بجدية في عام 1982، بعد عدة سنوات من تاريخ البدء الأصلي.

في هذه الأثناء، كان جهاز Cray X-MP قيد التطوير تحت إشراف ستيف تشين في مقر شركة Cray، وبدا أنه سينافس جهاز Cray-2 بقوة. ولمعالجة هذا التهديد الداخلي، بالإضافة إلى سلسلة من الأجهزة اليابانية الأحدث المشابهة لجهاز Cray-1، تم تحسين نظام ذاكرة Cray-2 بشكل كبير، سواءً من حيث الحجم أو عدد منافذ الإدخال إلى المعالجات. وعندما تم تسليم الجهاز أخيرًا في عام 1985، كانت التأخيرات طويلة جدًا لدرجة أن معظم مزايا أدائه كانت تعود إلى الذاكرة الأسرع. ولم يكن شراء الجهاز منطقيًا إلا للمستخدمين الذين لديهم مجموعات بيانات ضخمة للمعالجة.

كان أول جهاز Cray-2 يتم تسليمه يمتلك ذاكرة فعلية أكبر (256 ميجا كلمة ) من جميع أجهزة Cray السابقة مجتمعة. انتقلت المحاكاة من نطاق ثنائي الأبعاد أو ثلاثي الأبعاد تقريبي إلى نطاق ثلاثي الأبعاد أكثر دقة، لأن الحساب لم يعد يعتمد على الذاكرة الافتراضية البطيئة.

طُوِّر جهاز Cray-2 في الأساس لوزارتي الدفاع والطاقة الأمريكيتين . وكانت استخداماته تتركز في أبحاث الأسلحة النووية أو تطوير تطبيقات السونار في علوم المحيطات . مع ذلك، استُخدم أول جهاز Cray-2 (الرقم التسلسلي 1) في المركز الوطني لحاسوب طاقة الاندماج المغناطيسي في مختبر لورانس ليفرمور الوطني لأبحاث الطاقة غير المصنفة. كما وُجد الجهاز في وكالات مدنية (مثل مركز أبحاث ناسا أميس )، وجامعات، وشركات حول العالم. على سبيل المثال، استخدمت كل من فورد وجنرال موتورز جهاز Cray-2 لمعالجة نماذج تحليل العناصر المحدودة المعقدة لهياكل السيارات، ولإجراء اختبارات تصادم افتراضية لمكونات هياكل السيارات قبل الإنتاج.

كان من المفترض أن يحل جهاز Cray-3 محل جهاز Cray- 2 ، ولكن بسبب مشاكل التطوير، لم يُصنع سوى جهاز Cray-3 واحد ولم يُدفع ثمنه. أما جهاز Cray X1 ، الذي تُقدمه شركة Cray ، فهو يُعتبر الوريث الروحي لجهاز Cray-2 .

بسبب استخدام التبريد السائل، لُقّب جهاز Cray-2 بـ"الفقاعات"، وشاعت النكات بين مستخدميه حول هذا النظام الفريد. تضمنت هذه النكات لافتات "ممنوع الصيد"، ورسومات كرتونية لوحش بحيرة لوخ نيس وهو يخرج من خزان المبادل الحراري، وأسماك بلاستيكية داخل المبادل، وغيرها. كان استهلاك الطاقة في Cray-2 يتراوح بين 150 و200  كيلوواط. أشارت الأبحاث التي أُجريت في مختبر لورانس ليفرمور الوطني في أوائل التسعينيات إلى أن مادة البولي إيثر المشبعة بالفلور، المستخدمة لتبريد دوائر Cray-2، تتحلل جزئيًا لتكوين غاز بيرفلوروإيزوبوتيلين شديد السمية . ^{[ 2 ]} في ذلك الوقت، صممت شركة Cray ملصقًا يُظهر "غرفة الفقاعات" الشفافة التي يمر عبرها سائل التبريد، وذلك لإضفاء تأثير بصري، مع انسكاب المادة نفسها متلألئًا على الأرض - وكانت النكتة هي أنه إذا حدث هذا بالفعل، فسيتعين إخلاء المنشأة. ^{[ 3 ]} قام مصنع السائل بتطوير جهاز تنظيف يمكن وضعه في خط المضخة والذي من شأنه أن يحفز تحلل هذا المنتج السام.

كانت كل مجموعة رأسية من وحدات المنطق تقع فوق مجموعة من وحدات الطاقة التي تغذي قضبان التوزيع ذات جهد 5 فولت ، حيث يوفر كل منها حوالي 2200 أمبير. وكان جهاز Cray-2 يعمل بواسطة مولدين كهربائيين، يستقبلان تيارًا ثلاثي الأطوار بجهد 480 فولت .

• تاريخ الحوسبة الفائقة

• صور وحدة Cray-2
• دليل الوصف الوظيفي لجهاز كراي-2
• كتيب كراي-2
• كتيبات نظام الكمبيوتر Cray-2 | المتحف الوطني للتاريخ الأمريكي