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Seymour Cray und seine Supercomputer

Einleitung

Seymour Cray Schon als ich mich zum ersten mal 1982 mit Computern beschäftigte, stieß ich auf den Namen Cray und damit auf das was man damals als Supercomputer bezeichnete. Doch erst 1985, als ich just an der Uni Stuttgart anfing zu studieren, und diese zeitgleich eine Cray 2 bekam - die erste in Europa (und erheblich billiger durch denn günstigen Dollarkurs bei der Bestellung, wie man im Schwabenland gerne vernahm) rückte der Name in mein Bewusstsein. Die Cray 2 war nicht nur der damals schnellste Rechner der Welt (16000 mal so schnell wie ein IBM PC mit Coprozessor) sondern auch ein sehr kompakter (135 × 115 cm) und schöner Rechner: Ein durchsichtiger Doppelring von 1.5 m Höhe und Breite, die Leiterplatten vollständig in Freon gebettet, ganz anders als z.B. der (beim Schreiben des Artikels) derzeitig größte Superrechner ASCII White, der aus 512 Knoten mit 8192 Prozessoren besteht und 1100 qm Fläche einnimmt, aber nur 4000 mal so schnell wie ein PC ist. Über die technischen Daten der Computer informiert ein weiterer Aufsatz in dieser Reihe.

Seymour Cray bei CDC

Seymour Cray wird am 28.9.1925 geboren. Nach einem Studium der Elektronik arbeitet er bei verschiedenen Firmen. Zuerst bei Remington Rand. Dort konstruiert er die ERA 1103. Als die Firma kurz darauf von Unisys übernommen wird, wird die ERA 1103 als Univac 1103 verkauft. Unisys hat als Zielsetzung kommerzielle Rechner die man in großen Stückzahlen verkauft, die aber nicht unbedingt an der Spitze des technischen Fortschritts stehen. So gründen einige Remingtoin Rand Angestellte als neue Firma CDC und auch Seymour Cray wechselt nach einem Jahr ebenfalls zu CDC

Damals war wie heute IBM bei den Großrechnern marktführend. Allerdings baute IBM vorwiegend Rechner für kaufmännische Anwendungen. Das Ziel war es einen Rechner zu haben der mit COBOL gefüttert wurde, und viele Daten verarbeiten kann, aber nicht unbedingt schnell rechnen. Die Reaktion von IBM auf eine Ausschreibung für einen wissenschaftlichen Rechner führte 1960 zur IBM 7030 - 30 mal schneller als das IBM 704 Standardmodell, aber die Firma machte damit Verluste, denn es gab zu wenig Abnehmer. So stellten sie die Entwicklung ein und die Kunden mussten auf die langsameren 700er und 7000 serie ausweichen.

CDC lies sich auf diesen kleinen Markt ein, der eigentlich damals nur aus Regierungsaufträgen (Für die Simulation von Kernwaffen, Raketen, Systemen für Flugzeugen etc....) bestand. Der erste Rechner von Seymour Cray bei CDC war die CDC 1604. Erschienen 1960, bestand sie vollständig aus Germanium Transistoren mit einem Takt von 0.2 MHz und einer Leistung von zirka 300 KFlops. Die CDC 1604 und der Nachfolger, die 1962 erschienene, CD 1604A waren zwar noch nicht schneller als andere Rechner, aber sie waren sehr zuverlässig - im Vergleich zu den Vakuum Röhren, die teilweise noch woanders den Dienst taten, und mit Preisen von 500.000-1 Mill. USD vergleichsweise preiswert. Dieser Rechner war ein Verkaufserflog und er erlaubte es CDC überhaupt erst das Wagnius zu unternehmen einen Rechner nur für wissenschaftliche Anwendungen zu konstruieren.

Die ersten Supercomputer

CDC 6600Seymour Cray schaffte es, ein eigenes Labor mit Team zu bekommen um in diesem nur eines zu entwickeln: Auf Geschwindigkeit optimierte Computer. Sein Erstling in diesem Bereich, die Cyber 6600 erreichte eine Dauerleistung von bis zu 1 MFlop - Zum Vergleich das IBM System 360, IBMs damals bestverkaufter Computer schaffte 300-500 KFlops. Bei der Cyber 6600 führte Cray zur Geschwindigkeitssteigerung Techniken ein, die sich 25-30 Jahre später in PCs wieder fanden: Mehrere parallel arbeitende Recheneinheiten (Superskalare Architektur), RISC und einiges andere mehr. Genaueres dazu gibt es in meinem Aufsatz über Supercomputer und der PC. die CDC 6600 hatte eine 60 Bit Architektur und konnte daher Fließkommazahlen mit einer Genauigkeit von 14 Stellen nativ verarbeiten.

Gesteigert wurde dies 1968 mit der Cyber 7600 mit einer Zykluszeit von nur 27.5 ns und einer Performance von 10 MFlops. Die CDC 76600 basierte auf integrierten Schaltungen und bezog ihre Geschwindigkeit nicht aus einer neuen Architektur (es war dieselbe wie bei der CDC 6600), sondern einem viermal höheren Takt und dr Einführung von Pipelines. Damit konnte jede Funktionseinheit pro Takt einen Befehl starten. Das brachte einen weiteren Performanceschub um den Faktor 3, weil nun die Funktionseinheiten viel besser ausgelastet waren.

Der Speicher war aus Kostengründen nur 64 KWorte groß mit einem Sekundärspeicher von 512 KWorten. Die CDC 7600 war dadurch schwerer zu programmieren und sie war nicht sehr zuverlässig. Sie konnte an den Verkaufserfolg der CDC 6600 nicht anknüpfen. Seymour Cray hat das CDC 7600 Design entworfen, wechselte dann aber in eine Griuppe die nicht die Architektur der 6600 verbesserte, sondern einen komplett neuen Rechner, die CDC 8600 konstruierte. Die CDC 8600 sollte bei einem über dreimal höheren Takt arbeiten. Das machte es nötig die Module sehr dicht zu verbinden, denn sonst wären die Wege zwischen den Modulen zu lang als dass ein Taktsignal während eines Taktzyklus noch bis in die letzte Ecke kam. Diese hohe Packungsdichte zusammen mit der verwendeten energieintensiven ECL-Technologie ergaben ein Abwärmeproblem, das nicht zu lösen war. 1972 will Seymour Cray daher das Projekt von Grund auf neu starten. Sein Chef sagt ihm das wäre nicht möglich, zu viel wäre schon investiert worden und zu viel Zeit vergangen. Cray sollte mit dem Design fortfahren oder man werde die CDC 8600 einstellen. Sie würde niemals erscheinen.

Danach verließ Seymour Cray CDC und gründete seine nächste Firma, die auch heute noch seinen Namen trägt: Cray Research. Er suchte nach Wegen die Leistung weiter zu erhöhen. Das Problem, das damals Cray hatte, ist ähnlich dem das heute Computerbauer haben: Sie können nicht die Schaltgeschwindigkeit beliebig steigern, weil die Transistoren dies nicht zulassen.

Cray 1 Bei seinem Erstling, der Cray 1, welche 1976 erschien erreichte er eine höhere Rechengeschwindigkeit auf zwei Wegen. Technologisch nutzte er ECL Technologie, bei dem man die Sättigung der Basis eines Transistors vermeidet, um die Schaltgeschwindigkeit zu verbessern. Das reduzierte die Zykluszeit auf 12.5 ns. Doch erheblich wichtiger war eine neue Architektur: Die des Vektorprozessors.

Cray erkannte, das seine Rechner vor allem Simulationen durchführten: Immer wieder wurden verschiedenste Daten denselben Berechnungen unterworfen. Er optimierte daher die Architektur so, das die Prozessoreinheit zwar die erste Zahl die einer Operation unterzogen wurde, langsam durchführte, doch die nächste gleiche Operation auf eine andere Zahl erheblich schneller ging. Dank der schnellen ECL Technologie war die Cray 1 aber auch bei nicht vektorisierten Programmen schnell - anders als ihre Konkurrenten von Crays früherer Firma CDC. Die 64 Bittige Cray 1 schaffte eine Spitzengeschwindigkeit von 160 MFlops bei einem Takt von 80 MHz und hatte 1 MWort (8 MByte) Hauptspeicher. Dabei hielt Seymour Cray nichts von Cache RAMs sondern versorgte seine Maschinen mit riesigen RAM-Bänken aus ECL RAM mit nur 20 ns Zugriffszeit. Die dabei resultierende Bandbreite garantierte eifrigen Nachschub für den Vektorprozessor, der 8 Register für je 64 Daten hatte, die in einem Rutsch berechnet wurden.

Das Design war schon der höheren Schallgeschwindigkeit geschuldet. In einer Säule waren die Wege am kürzesten. Trotzdem war die Cray 1 eineinhalbmal langsamer als die CDC 8600 und daher auch umsetzbar.

Cray 2Danach machte Cray einen folgeschweren Fehler, denn er später wieder wiederholte: Er meinte nun die Geschwindigkeit durch neue Chips aus Galliumarsenid steigern zu können. Die ersten Transistoren bestanden aus Germanium, einem teuren Material. Mit Silizium wurden später die Chips hergestellt - erheblich billiger und dchneller, aber nun auch an die Grenze kommend die man erreichen konnte. In den achtziger Jahren glaubte Cray mit Galliumarsenid die Lösung gefunden zu haben: Galliumarsenid hat erheblich beweglichere Elektronen als Silizium. Dadurch braucht man weniger Energie und vor allem schalten die Transistoren schneller: Galliumarsenid hat Schaltzeiten im Bereich von Pikosekunden, also 1000 schneller als das Silizium in der Cray 1. Galliumarsenid ist bis heute eine Nischentechnologie geblieben. Die Vorteile bei der Schaltzeit sind gegeben. Doch man kann nicht auf Basis von Galliumarsenid Feldeffekttransistoren herstellen, wie sie in Chips gängig sind und auch die Ausbildung von Isolatorschichten wie sie in Chips benötigt werden, ist problematisch. Es wird heute für rauscharme Hochfrequenzbauteile verwendet, vor allem für die Nachrichtentechnik oder Verstärker, sowie, weil es auch optoelekrische Eigenschaften hat für die Verarbeitung von Daten z.B. bei Glasfaserkabeln.

 Sehr bald wurde klar das die Cray 2 aber nicht mit Galliumarsenid zu bauen wäre. Cray kam mit der Entwicklung nicht vorwärts und stellte auf Silizium um. Um die Wartezeit auf die Cray 2 zu überbrücken, damit die Firma nicht Aufträge an die Konkurrenz verlor, beauftragte Cray seinen Ingenieur Steve Chen, eine Verbesserung der Cray 1 zu entwickeln, während er selbst an der Cray 2 arbeitete. Die resultierende Cray X-MP erreichte mit Vier Prozessoren 860 MFlops, wobei allerdings die Geschwindigkeit eines Prozessors nur gering von 170 auf 220 MFlops gestiegen war. Die Cray X-MP war im Prinzipo ein Multiprozessormodell der Cray 1. Man hatte auch Mängel die sich im Design zeigten korrigiert, wie das inadäquate Ein/Ausgabesystem oder die zu geringe Speicherbandbreite.

1985 erschien dann die Cray 2. Mit 1 GFLOP Peakperformance und vier Vektorprozessoren war sie in der Praxis nur unwesentlich schneller als ein Cray X-MP. Theoretisch hätte sie doppelt so schnell sein müssen. Ihr Vorteil war der enorme Speicher von 2 GByte. Trotzdem war der gesamte Rechner mit 240.000 Chips in einem nur 115 cm großen 300 Grad Kreissegment von 135 cm Höhe untergebracht. Zur Kühlung wurden die gesamten Chips in Freon gebadet. Dieses machte ein Drittel der 2.5 t aus, die der Rechner wog. Wie 20 Jahre später, war die Kühlung der Chips eines der Probleme die bei der Entwicklung der Cray 2 gelöst werden mussten. Cray löste es indem er keine Kühlschlangen einbrachte sondern die ganze Elektronik in Freon (nicht elektrisch leitende organische Flüssigkeit) badete.

Die Cray 2 wurde aber nicht der Verkaufsschlager den sich Cray Research erhoffte. Zum einen musste Cray um den großen Speicher (bei der Vorstellung 32-mal größer als den der X-MP) umsetzen zu können von den schnellen Bausteinen aus denen auch die CPU bestand auf langsame handelsübliche DRAM Bausteine umstellen. Diese waren aber achtmal langsamer als die Speicherbausteine der X-MP. Die Cray 2 verwandte die Technologie des "Interleaved Memory". Die CPU griff nacheinander auf die Speicherbänke zu, sodass sie bei linearem Zugriff erst nach vielen Zugriffen wieder die erste Bank ansprach. Sofern die Daten und das Programm dies zuließen konnte so eine hohe Geschwindigkeit erreicht werden. In der Praxis war dies aber oft nicht gegeben. Sie war auch anhezu doppelt so teuer wie eine Cray X-MP, sodasss sich die anschaffung nur für Kunden lohnte die auch den großen Speicher benötigten.

Gallium-Arsenid - Die Sackgasse

Danach ging Seymour Cray an die Entwicklung seiner Galliumarsenid Maschine. Während in seiner Firma die als Fortentwicklung der Cray X-MP, die Cray Y- MP (8 Prozessoren mit je 333 MFlops, 6 ns Zykluszeit) entstand. Vor allem vom Militär kam das Geld, schlussendlich war damals noch Star Wars aktuell und das wäre ohne schnelle Rechner nicht machbar gewesen. Die Fortentwicklung der X-MP Serie wurde von Chen durchgeführt, während Seymour Cray an der Galliumarsenid Cray arbeitete. Bei der C-90 kam dann das Ende für Cray in seiner eigenen Firma. Es war für Cray Research unmöglich zwei Linien gleichzeitig zu betreiben. Cray Research wurde geteilt und Cray bekam seine eigene neue Firma Cray Computer Corporation. Bei Cray Research erschien noch die C-90 mit 16 Vektorprozessoren und 16 GFLOP Peak Performance bei 4 GB Speicher. Doch kurz nach der Vorstellung Ende 1992, gewannen Supercomputer mit vielen parallel arbeitenden Prozessoren mehr und mehr Marktanteile, weil sie erheblich preiswerter waren. Schlussendlich hatte Cray Research genau das Problem das Seymour Cray mit seiner Gallium Arsenid. Architektur überwinden wollte: In 16 Jahren gelang es die Zykluszeit pro Prozessor nur zu verdoppeln. Technologische Weiterentwicklungen brachten einen weiteren Faktor 3, doch vor allem war eine C90 durch 16 Prozessoren schneller geworden.

Cray arbeitete weiter an der Cray 3. Er dachte beim Start 1985 bis 1988/89 die Cray 3 fertig gestellt zu haben. Doch die Entwicklung verzögerte sich und erst 1993 wurde die erste - und bislang einzige Cray 3 aufgestellt, denn nach 120 Millionen USD Entwicklungskosten stoppte das Militär den Auftrag und Cray musste Konkurs anmelden. Die Cray 3 verbrauchte 88 KW mit 64 Modulen

Seymour Cray machte sich danach an die Cray 4 - wieder auf Gallium Arsenid Basis. Doch bevor er diese verwirklichen konnte starb er am 22. September 1996 bei einem Verkehrsunfall im Alter von 71 Jahren.

Seine Konzepte findet man heute in den PC Prozessoren, wenn auch in einfacherer Form. Viel erstaunlicher ist, das ein heutiger Pentium 4, 2 GHz Takt, und schnellen RAMBUS Speicher braucht, um dieselbe Rechenleistung zu erreichen die vor 17 Jahren eine Cray 2 schaffte, mit handelsüblichen 100 ns RAMs und nur 120 MHz Takt....

Seine Firma Cray kam in der Folgezeit mehr und mehr in Schwierigkeiten und fusionierte 1996 mit Silicon Graphics. 2000 wurde Cray Research an Tera Computing verkauft und begann wieder Computer mit der Bezeichnung "Cray" zu produzieren. Sie bestehen heute (wie aber auch bei fast allen anderen Herstellern)  aus tausenden von herkömmlichen PC Prozessoren wie sei für Server hergestellt werden. Das Know How liegt vielmehr in der Verbindung der Prozessoren, deren optimalen Auslastung und Datenbusse mit hoher Bandbreite.

Der von Cray erfundene Vektorrechner wurde nur noch in Japan weiter verfolgt. Im Jahre 2002 gelangte letztmals ein System mit einem Vektorprozessor (Der Earth Simulator von NEC) an die Top 500 Liste, die Liste dr 500 weltweit schnellsten Computer. Noch heute fertigt NEC, die Anfang der Neunziger Cray bei der Geschwindigkeit (pro Prozessor) überholt hatten Vektorrechner.

Artikel zuletzt geändert am 29.6.2014


Zum Thema Computer ist auch von mir ein Buch erschienen. "Computergeschichte(n)" beinhaltet, das was der Titel aussagt: einzelne Episoden aus der Frühzeit des PC. Es sind Episoden aus den Lebensläufen von Ed Roberts, Bill Gates, Steve Jobs, Stephen Wozniak, Gary Kildall, Adam Osborne, Jack Tramiel und Chuck Peddle und wie sie den PC schufen.

Das Buch wird abgerundet durch eine kurze Erklärung der Computertechnik vor dem PC, sowie einer Zusammenfassung was danach geschah, als die Claims abgesteckt waren. Ich habe versucht ein Buch zu schreiben, dass sie dahingehend von anderen Büchern abhebt, dass es nicht nur Geschichte erzählt sondern auch erklärt warum bestimmte Produkte erfolgreich waren, also auf die Technik eingeht.

Die 2014 erschienene zweite Auflage wurde aktualisiert und leicht erweitert. Die umfangreichste Änderung ist ein 60 Seiten starkes Kapitel über Seymour Cray und die von ihm entworfenen Supercomputer. Bedingt durch Preissenkungen bei Neuauflagen ist es mit 19,90 Euro trotz gestiegenem Umfang um 5 Euro billiger als die erste Auflage. Es ist auch als e-Book für 10,99 Euro erschienen.

Mehr über das Buch auf dieser eigenen Seite.

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© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.
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