{"id":9826,"date":"2014-04-17T00:51:51","date_gmt":"2014-04-16T22:51:51","guid":{"rendered":"http:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=9826"},"modified":"2014-04-17T10:20:05","modified_gmt":"2014-04-17T08:20:05","slug":"warum-die-vektorrechner-ausstarben-die-entstehung-einer-architektur","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2014\/04\/17\/warum-die-vektorrechner-ausstarben-die-entstehung-einer-architektur\/","title":{"rendered":"Warum die Vektorrechner ausstarben &#8211; die Entstehung einer Architektur"},"content":{"rendered":"<p>Ich habe letzte Woche einen Artikel &uuml;ber die <a href=\"\/cray-2.shtml\" target=\"_blank\">Cray 2<\/a> fertigstellt. Ich will noch vor meinem Arbeitsurlaub einen Artikel &uuml;ber die Cray 3 schreiben, doch wenn man &uuml;ber die Artikeln sitzt, dann fragt man sich willk&uuml;rlich, warum es heute keine Vektorrechner mehr gibt.<\/p>\n<p>Fangen wir mal mit etwas Geschichte an. Wenn man von Vektorrechnern spricht, dann meisten auch von der Firma Cray Research und Seymour Cray, der Gr&uuml;nder der Firma. Seymour Cray. Er ist eng mit der Entwicklung der Supercomputern verbunden. Als ich mich erstmals f&uuml;r Computer interessierte, war ein gefl&uuml;geltes Wort &#8222;Ein Supercomputer ist eine Cray&#8220;. Seymour Cray war zuerst bei CDC angestellt, wo er auch schon die schnellsten Rechner der damaligen Zeit, die Cyber 6600 und 7600 entwarf. Die CDC 6600 setzte erstmals um die Geschwindigkeit zu erh&ouml;hen mehrere Funktionseinheiten ein. Anstatt einer Recheneinheit gab es mehrere. Wenn nun eine Addition mehrere Takte erforderte, musste die n&auml;chste Rechenoperation nicht warten, sondern konnte in einem anderen Rechenwerk ausgef&uuml;hrt werden. Die Cyber 7600 war eine evolution&auml;re Weiterentwicklung der 6600. Geschwindigkeit gewann sie vor allem dadurch, dass sie nicht mehr als einzelnen Transistoren, sondern integrierten Schaltungen aufgebaut war. Bei der 8600 kam man bei der Entwicklung nicht weiter vorw&auml;rts und CDC gab die Entwicklung auf. Seymour Cray schied aus dem Unternehmen aus und gr&uuml;ndete 1972 sein eigenes Unternehmen, Cray Research.<!--more--><\/p>\n<p>Die Entwicklung eines Nachfolgemodells war schwieriger. Seymour Cray hatte den Ansporn, dass jeder neue Rechner eine Potenz (10-mal) schneller als das Vorg&auml;ngermodell sein sollte. Der Takt war nicht in dem Ma&szlig;e zu steigern wie Seymour Cray dies wollte. Die Cyber 7600 hatte einen Takt von 36,4 MHz, sein erster unter Cray Research gebauter Rechner die <a href=\"\/cray-1.shtml\" target=\"_blank\">Cray 1<\/a> hatte einen Takt von 80 MHz, war also nur doppelt so hoch getaktet. Ihre Spitzenleistung bei Flei&szlig;kommaoperationen war dagegen 16-mal gr&ouml;&szlig;er. Dies geschah durch die Einf&uuml;hrung der Vektorarchitektur. Das Prinzip ist ganz simpel: Eine Befehlsausf&uuml;hrung besteht aus den Schritten:<\/p>\n<ul>\n<li>Befehl holen<\/li>\n<li>Befehl dekodieren, also feststellen was man machen muss<\/li>\n<li>eventuell Daten aus dem Speicher holen<\/li>\n<li>Befehl ausf&uuml;hren<\/li>\n<li>eventuell Daten zur&uuml;ckschreiben<\/li>\n<\/ul>\n<p>Die Idee war es nun, hier Taktzyklen einzusparen. En Vektorrechner f&uuml;hrt eine Rechenoperation nicht mit zwei Zahlen aus, sondern nacheinander mit bis zu 64 Zahlenpaaren. Das Dekodieren musste nur einmal erfolgen. Die Daten mussten vorher schon in den Registern liegen und so blieb nur die Ausf&uuml;hrung f&uuml;r den zweiten Befehl &uuml;brig. Eine Rechenoperation dauerte bei der Cray 1 sechs Takte f&uuml;r die erste, doch alle folgenden Operationen wurden in einem Takt durchgef&uuml;hrt. Dieser Geschwindigkeitsvorteil war das revolution&auml;re bei der Cray 1. Es gab auch einen Nachteil: der Rechner war nun nicht mehr universell. Seine hohe Geschwindigkeit erreichte er nur mit Software, die das Vektorprinzip ausnutzte. War dies nicht der Fall, also bei normalen Flie&szlig;komma oder Ganzzahlberechnungen, so fiel die Cray 1 auf ein Sechstel ihrer Geschwindigkeit zur&uuml;ck (war dann aber immer noch 2,6-mal schneller als eine Cyber 7600). Die Kunden damals waren aber vor allem das Milit&auml;r sowie gro&szlig;e Forschungseinrichtungen wie das NCAR (National Climate and Athmosphre Research Center), bei denen Simulationen liefen. Charakteristisch f&uuml;r die meisten Simulationen ist, aber das man immer dieselbe Berechnung mit unterschiedlichen Daten durchf&uuml;hrt.<\/p>\n<p>Aufgrund dessen, dass man die Architektur praktisch an verwendete die Software anpasste wurden die Rechner sofort zum Erfolg und riefen auch Nachahmer auf die Szene. In Japan bauten gleich drei Firmen Vektorrechner. NEC ist dem Prinzip bis heute treu geblieben und baute auch den letzten Vektorrechner den Earth Simulator, der von 2002 bis 2004 wieder die Spitze der Top 500, der schnellsten Rechner erklimmen konnte. Gerechterweise muss man sagen, das Seymour Cray das Vektorprinzip nicht erfunden hat. CDC brauchte schon vorher die Star 100 heraus, die das Prinzip einsetzte, allerdings konnte die Star 100 ihre H&ouml;chstgeschwindigkeit von 100 MFlops (nominell mehr als die Cray 1) nicht in realen Programmen umsetzen, weil die Maschine die Operationen vom Speicher und in den Speicher durchf&uuml;hrte. Bis die Pipeline mit Daten gef&uuml;llt war verging so viel Zeit, dass eine hohe Geschwindigkeit nur bei der Verarbeitung von sehr vielen Zahlen erreicht wurde. Seymour Crays Verdienst war es Vektorregister einzuf&uuml;hren, also eigene Register in der CPU. Da diese besonders schnell sein mussten konnte er keine hoch integrierten Chips nehmen. Ein Chip konnte nur eine Zahl speichern. Bei acht Registern mit je 64 Zahlen waren so alleine 512 Chips f&uuml;r die Vektorregister n&ouml;tig. Clevere Programmierer machten &uuml;brigens Gebrauch davon, dass die Maschine mehrere Recheneinheiten hatte. W&auml;hrend ein Rechenwerk eine Addition durchf&uuml;hrte, konnte eine zweite eine Multiplikation durchf&uuml;hren. so konnte man die Spitzenperformannce von 80 auf 160 GFlops steigern.<\/p>\n<p>Die weitere Entwicklung der Vektorrechner ist dagegen sehr schnell zu skizzieren. Die Cray 2 entstand als Nachfolgemodell 1985. Cray gelang es die Zykluszeit auf ein Drittel zu reduzieren, aber zu einem hohen Preis. war die Cray 1 schon kompakt, so musste die Cray 2 noch kleiner sein eine 1 m lange Leitung bewirkt schon eine Verz&ouml;gerung des Signals um 2 ns &#8211; viel bei einer Zykluszeit der Cray 2 von 4,1 ns. Der ganze Rechner wurde in eine inerte K&uuml;hlfl&uuml;ssigkeit getaucht, um die rund 180 kW W&auml;rmeleistung abzuf&uuml;hren, die er auf einer Fl&auml;che von 1,49 m\u00b2 emittierte. Die Cray 2 konnte nicht an den kommerziellen Erfolg ankn&uuml;pfen, sie entstand aufgrund der Anforderung des amerikanischen Energieministeriums f&uuml;r umfangreiche Simulationen und hatte einen Hauptspeicher, der so gro&szlig; war, dass er erst nach zahn Jahren von einem anderen Rechner &uuml;bertroffen wurde. Dieser war nicht in der gleichen Technologie wie die CPU zu realisieren, doch normale Standard-DRAM Bausteine waren rund drei&szlig;igmal langsamer als die Logik. Um dies auszugleichen griff er nacheinander auf verschiedene Speicherb&auml;nke zu und hatte daher auch 64 St&uuml;ck dieser. Ein kleiner lokaler Speicher sollte zudem die wichtigsten Daten f&uuml;r die Berechnungen halten. Anders als der Cache den heutige CPU einsetzen wurde dieser aber per Programm gef&uuml;llt.<\/p>\n<p>Da sich die Fertigstellung der Cray 2 verz&ouml;gerte, baute Stephen Chen basierend auf der Cray 1 die Cray X-MP, im wesentlichen nichts anderes als ein Zwei\/Vierprozessorausgabe der Cray 1. Sie verkaufte sich rund sechsmal besser als die Cray 2. Als dann Seymour Cray bei der Cray 3 auf Galliumarsenid wechselte, machte das Management nicht mit. Cray Research baute in der Folge weitere Rechner, die auf der Architektur der Cray 1 basierten, mehr Geschwindigkeit erreichte man durch die evolution&auml;re Verringerung der Schaltzeiten, vor allem aber durch erst zwei, dann vier, acht und 16 Prozessoren. Seymour Cray machte seine eigene Firma auf. Die Cray Computer Corporation. Er konnte die Cray 3 noch fertigstellen, doch das Ende des kalten Kriegs bedeutete einen drastischen R&uuml;ckgang der Auftr&auml;ge f&uuml;r Supercomputer f&uuml;r alle Firmen. die Cray 3 hatte nur einen Kunden und der zahlte nicht. Noch w&auml;hrend der Entwicklung zur Cray 4 ging seine neue Firma Cray Computer Corporation bankrott.<\/p>\n<p>Dagegen nahmen ab Mitte der neunziger Jahre Multiprozessorsysteme zu. Es gab diese schon vorher. Schon in den Achtzigern gab es Versuche Supercomputer auf Basis von kommerziellen Mikroprozessoren (8086, MC 68000) oder speziell konstruierten Mikroprozessoren wie die Connection Maschine (CM-1 und CM-2). Doch sie waren damals noch eine Nischenl&ouml;sung. Schwer zu programmieren, weil der lokale Speicher klein war und viel der Leistung ging durch Kommunikation verloren. Mitte der neunziger kamen Mikroprozessoren auf den Markt der Takt einige Hundert Megahertz erreichte. Sie konnten 4 Gigabyte Speicher ansprechen und um einen Vektorprozessor zu ersetzen brauchte man von diesen nun nicht mehr Tausende sondern vielleicht ein Dutzend. Durch deren Massenfertigung und die Benutzung von Standardtechnologie waren damit aber Rechner billiger zu fertigen und setzten sich schnell durch. Im Juni 1993 f&uuml;hrte die erste Top 500 Liste 310 Vektorrechner auf. im November 1997 waren es nur noch 107. Innerhalb von etwas &uuml;ber vier Jahren eine Reduktion auf ein Viertel. Cray Research selbst f&uuml;hrte den ersten Rechner mit MPP (Massive Parallel Prozessors) 1993 ein, 1995 erschien der letzte Vektorprozessor T90.<\/p>\n<p>So nach dieser Einleitung lest ihr morgen, welche technische Gr&uuml;nde es gab, warum die MPP &uuml;ber die Vektorrechner triumphierten. Morgen gibt es weil es Feiertag ist nur ein R&auml;tsel.<img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"http:\/\/vg02.met.vgwort.de\/na\/c6806f349fe34907b216174f6a26dde5\" width=\"1\" height=\"1\" alt=\"\"\/><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Ich habe letzte Woche einen Artikel &uuml;ber die Cray 2 fertigstellt. Ich will noch vor meinem Arbeitsurlaub einen Artikel &uuml;ber die Cray 3 schreiben, doch wenn man &uuml;ber die Artikeln sitzt, dann fragt man sich willk&uuml;rlich, warum es heute keine Vektorrechner mehr gibt. Fangen wir mal mit etwas Geschichte an. 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