Seymour Cray e o supercomputador

Muitos de nós estão familiarizados com computadores. Você provavelmente está usando uma agora para ler esta postagem de blog, pois dispositivos como laptops, smartphones e tablets são essencialmente a mesma tecnologia de computação subjacente. Os supercomputadores, por outro lado, são um pouco esotéricos, pois costumam ser considerados grandes, caros, máquinas de sucção de energia desenvolvidas, em geral, para instituições governamentais, centros de pesquisa e grandes empresas.

Tomemos, por exemplo, o Sunway TaihuLight da China, atualmente o supercomputador mais rápido do mundo, de acordo com a classificação de supercomputadores do Top500. É composto por 41.000 chips (os processadores pesam mais de 150 toneladas), custam cerca de US $ 270 milhões e têm uma potência de 15.371 kW. No lado positivo, no entanto, é capaz de executar quatrilhões de cálculos por segundo e pode armazenar até 100 milhões de livros. E, como outros supercomputadores, será usado para realizar algumas das tarefas mais complexas nas áreas da ciência, como previsão do tempo e pesquisa de drogas.

A noção de um supercomputador surgiu pela primeira vez na década de 1960, quando um engenheiro elétrico chamado Seymour Cray começou a criar o computador mais rápido do mundo. Cray, considerado o "pai da supercomputação", deixou seu cargo na gigante da computação Sperry-Rand para se juntar à recém-formada Control Data Corporation, para que ele possa se concentrar no desenvolvimento computadores científicos. O título de computador mais rápido do mundo foi mantido na época pelo IBM 7030 "Stretch", um dos primeiros a usar transistores em vez de tubos de vácuo.

Em 1964, a Cray lançou o CDC 6600, que apresentava inovações como a troca de transistores de germânio em favor do silício e um sistema de refrigeração baseado em Freon. Mais importante, ele rodava a uma velocidade de 40 MHz, executando aproximadamente três milhões de operações de ponto flutuante por segundo, o que o tornava o computador mais rápido do mundo. Geralmente considerado o primeiro supercomputador do mundo, o CDC 6600 era 10 vezes mais rápido que a maioria dos computadores e três vezes mais rápido que o IBM 7030 Stretch. O título acabou sendo entregue em 1969 ao seu sucessor, o CDC 7600.

Em 1972, Cray deixou a Control Data Corporation para formar sua própria empresa, a Cray Research. Depois de algum tempo levantando capital inicial e financiando investidores, o Cray estreou o Cray 1, que novamente elevou a fasquia do desempenho do computador em uma ampla margem. O novo sistema funcionou a uma velocidade de clock de 80 MHz e realizou 136 milhões de operações de ponto flutuante por segundo (136 megaflops). Outras características exclusivas incluem um tipo mais novo de processador (processamento vetorial) e um design em forma de ferradura com velocidade otimizada que minimizava o comprimento dos circuitos. O Cray 1 foi instalado no Laboratório Nacional de Los Alamos em 1976.

Na década de 1980, Cray havia se estabelecido como o nome proeminente na supercomputação e era esperado que qualquer nova versão derrubasse seus esforços anteriores. Assim, enquanto Cray estava ocupado trabalhando em um sucessor do Cray 1, uma equipe separada da empresa lançou o Cray X-MP, um modelo que foi anunciado como uma versão mais "limpa" do Cray 1. Ele compartilhava o mesmo design em forma de ferradura, mas possuía vários processadores, memória compartilhada e às vezes é descrito como dois Cray 1s interligados como um. O Cray X-MP (800 megaflops) foi um dos primeiros projetos de “multiprocessadores” e ajudou a abrir a porta para processamento paralelo, em que as tarefas de computação são divididas em partes e executadas simultaneamente por diferente processadores.

O Cray X-MP, que era atualizado continuamente, serviu de porta-estandarte até o tão esperado lançamento do Cray 2 em 1985. Como seus antecessores, o mais recente e melhor do Cray assumiu o mesmo design em forma de ferradura e layout básico com circuitos integrados empilhados em placas lógicas. Desta vez, no entanto, os componentes foram apertados com tanta força que o computador teve que ser imerso em um sistema de refrigeração líquida para dissipar o calor. O Cray 2 veio equipado com oito processadores, com um "processador em primeiro plano" encarregado de lidar com o armazenamento, memória e instruções para os "processadores em segundo plano", encarregados da computação real. Ao todo, alcançou uma velocidade de processamento de 1,9 bilhão operações de ponto flutuante por segundo (1,9 Gigaflops), duas vezes mais rápido que o Cray X-MP.

Escusado será dizer que Cray e seus projetos governaram a era inicial do supercomputador. Mas ele não foi o único a avançar no campo. O início dos anos 80 também viu o surgimento de computadores massivamente paralelos, alimentados por milhares de processadores, todos trabalhando em conjunto para superar as barreiras de desempenho. Alguns dos primeiros sistemas multiprocessadores foram criados por W. Daniel Hillis, que teve a idéia como estudante de graduação no Instituto de Tecnologia de Massachusetts. O objetivo da época era superar as limitações de velocidade de se ter uma CPU direta entre outras processadores, desenvolvendo uma rede descentralizada de processadores que funcionava de maneira semelhante à neural do cérebro rede. Sua solução implementada, introduzida em 1985 como Connection Machine ou CM-1, apresentava 65.536 processadores de bit único interconectados.

O início dos anos 90 marcou o início do fim do estrangulamento de Cray na supercomputação. Até então, o pioneiro da supercomputação havia se separado da Cray Research para formar a Cray Computer Corporation. As coisas começaram a ir para o sul para a empresa quando o projeto Cray 3, o sucessor pretendido do Cray 2, enfrentou uma série de problemas. Um dos principais erros de Cray foi optar pelos semicondutores de arseneto de gálio - uma tecnologia mais recente - como forma de atingir seu objetivo declarado de uma melhoria de doze vezes na velocidade de processamento. Por fim, a dificuldade de produzi-las, juntamente com outras complicações técnicas, acabou atrasando o projeto por anos e resultou na perda de muitos dos clientes em potencial da empresa interesse. Em pouco tempo, a empresa ficou sem dinheiro e pediu falência em 1995.

As lutas de Cray dariam lugar a uma troca de guarda, já que os sistemas de computação japoneses concorrentes dominariam o campo por grande parte da década. A NEC Corporation, com sede em Tóquio, entrou em cena pela primeira vez em 1989 com o SX-3 e um ano depois lançou uma versão de quatro processadores que assumiu como o computador mais rápido do mundo, apenas para ser eclipsado em 1993. Naquele ano, o Túnel de Vento Numérico da Fujitsu, com a força bruta de 166 processadores vetoriais, tornou-se o primeiro supercomputador a superar 100 gigaflops (Nota: Para dar uma Com a ideia de quão rapidamente a tecnologia avança, os processadores de consumidor mais rápidos em 2016 podem facilmente executar mais de 100 gigaflops, mas na época era particularmente impressionante). Em 1996, o Hitachi SR2201 aumentou a aposta com 2048 processadores para atingir um desempenho máximo de 600 gigaflops.

Agora onde estava Intel? A empresa que se estabeleceu como a principal fabricante de chips do mercado de consumo realmente não atingiu o reino da supercomputação até o final do século. Isso ocorreu porque as tecnologias eram animais completamente diferentes. Os supercomputadores, por exemplo, foram projetados para congestionar o máximo de poder de processamento possível enquanto pessoal os computadores tratavam de reduzir a eficiência a partir de recursos mínimos de refrigeração e fornecimento limitado de energia. Então, em 1993, os engenheiros da Intel finalmente mergulharam, adotando a abordagem ousada de ficarem paralelos em massa com o 3.680 processadores Intel XP / S 140 Paragon, que em junho de 1994 haviam subido ao cume do supercomputador classificações. Foi o primeiro supercomputador de processador massivamente paralelo a ser indiscutivelmente o sistema mais rápido do mundo.

Até esse momento, a supercomputação tem sido principalmente o domínio daqueles com bolsões profundos para financiar projetos tão ambiciosos. Tudo mudou em 1994, quando os empreiteiros do Goddard Space Flight Center da NASA, que não tinham esse tipo de luxo, criaram uma maneira inteligente de aproveitar o poder da computação paralela, vinculando e configurando uma série de computadores pessoais usando uma Ethernet rede. O sistema “cluster Beowulf” que eles desenvolveram era composto por 16 processadores 486DX, capazes de operar na faixa de gigaflops e custam menos de US $ 50.000 para serem construídos. Ele também teve a distinção de executar o Linux em vez do Unix antes que o Linux se tornasse o sistema operacional preferido dos supercomputadores. Logo, faça-você-mesmo em todos os lugares seguiu projetos semelhantes para montar seus próprios grupos de Beowulf.

Depois de deixar o título em 1996 para o Hitachi SR2201, a Intel voltou naquele ano com um design baseado no Paragon chamado ASCI Red, que era composto por mais de 6.000 200MHz Processadores Pentium Pro. Apesar de se afastar dos processadores de vetores em favor de componentes prontos para uso, o ASCI Red ganhou a distinção de ser o primeiro computador a quebrar a barreira de um trilhão de flops (1 teraflops). Em 1999, as atualizações permitiram superar três trilhões de flops (3 teraflops). O ASCI Red foi instalado nos Laboratórios Nacionais Sandia e foi usado principalmente para simular explosões nucleares e ajudar na manutenção das instalações do país. arsenal nuclear.

Depois que o Japão retomou a liderança em supercomputação por um período com o NEC Earth Simulator de 35,9 teraflops, a IBM elevou a supercomputação a níveis sem precedentes a partir de 2004 com o Blue Gene / L. Naquele ano, a IBM estreou um protótipo que mal superava o Earth Simulator (36 teraflops). E em 2007, os engenheiros aumentariam o hardware para elevar sua capacidade de processamento a um pico de quase 600 teraflops. Curiosamente, a equipe conseguiu atingir essas velocidades seguindo a abordagem de usar mais chips que eram relativamente baixos, mas com maior eficiência energética. Em 2008, a IBM voltou a inovar quando ligou o Roadrunner, o primeiro supercomputador a exceder um quadrilhão de operações de ponto flutuante por segundo (1 petaflops).