Un viaggio nel supercomputing nato dalla curiosità
La storia dei supercomputer Cray
Superare le barriere del possibile
È iniziato tutto dall’intuizione di una sola persona. Seymour Cray amava progettare computer: il suo obiettivo era ottenere velocità sempre maggiori da cavi e circuiti con la massima semplicità.
Cray fondò Cray Research nel 1972 con la volontà di affrontare nuovi interrogativi e sviluppare i sistemi di elaborazione più veloci al mondo. Anche se sembrava impossibile, non abbandonò mai il progetto.
Con questa idea, insieme a un piccolo gruppo di ingegneri, Cray produsse il supercomputer Cray-1. Capolavoro di ingegneria, Cray-1 riscrisse la tecnologia di calcolo, dall’elaborazione e il raffreddamento al packaging, creando un’azienda e un settore che rimarranno per sempre nella storia.
Da Cray-1 a HPE Cray
La mission iniziale di Cray Research era realizzare i computer più veloci del settore e sviluppare l’elaborazione scientifica su vasta scala. Ma quando l’azienda ha compreso quello che si poteva fare con questi sistemi, la mission si è evoluta. Non si tratta più soltanto di velocità, ma anche dell’impegno a risolvere sfide scientifiche e industriali per contribuire a rendere il mondo più sicuro, sano e intelligente.
HPE condivideva la stessa vision di Seymour Cray. Nel 2019, HPE ha acquisito Cray, aprendo un nuovo capitolo in un percorso verso il supercomputing dinamico e costante.
Dagli anni ‘70 agli anni ‘80: dalle idee rivoluzionarie ai gigaflop e all’arseniuro di gallio
Cray-1 - 1976
Primo cliente: Los Alamos National Laboratory (nell’immagine)
Curiosità: Cray-1 è stato il supercomputer più veloce al mondo dal 1976 al 1982. Misurava 2,59 metri di larghezza per 1,98 metri di altezza e conteneva circa 96 km di fili.
Innovazioni tecnologiche: Cray Research ha raggiunto le prestazioni record di 160 megaflop con l’ingombro ridotto e la forma cilindrica del suo Cray-1, realizzato una memoria del semiconduttore di 1 milione di parole, le cui dimensioni arrivavano a 64 bit, e ottimizzato il compilatore Fortran e una tecnica chiamata "chaining".
Cray X-MP - 1982
Primo cliente: Digital Productions
Curiosità: la casa cinematografica Digital Productions ha utilizzato il sistema Cray X-MP per creare le immagini del grande classico “Giochi stellari”, uno dei primi film a utilizzare immagini e grafica generate da computer.
Innovazioni tecnologiche: con il sistema X-MP, Cray è passata all’elaborazione parallela. Era dotato di due processori vettoriali paralleli con memoria condivisa e un ciclo di clock di 9,5 secondi. Cray ha prodotto 11 diverse versioni del sistema X-MP, la più veloce delle quali raggiungeva 941 megaflop.
Cray-2 - 1985
Primo cliente: National Magnetic Fusion Energy Computer Center
Curiosità: il supercomputer Cray-2 è stato soprannominato "Bubbles". È stato il primo a utilizzare il raffreddamento per immersione in liquido e, dato l’eccessivo riscaldamento dei circuiti del sistema, il liquido si riscaldava fino a bollire. Seymour Cray ha avuto l’idea di mostrare questo processo attraverso pannelli in vetro.
Innovazioni tecnologiche: Cray-2 aveva un’architettura vettoriale a quattro processori con una memoria di 256 milioni di parole a 64 bit (la più vasta memoria centrale disponibile in qualsiasi computer) e una velocità di clock di 4,1 nanosecondi. Raggiungeva una velocità di picco di 1,9 gigaflop.
Cray Y-MP - 1988
Primo cliente: NASA Ames Research Center
Curiosità: il supercomputer Cray Y-MP appare nel film del 1992 “I signori della truffa”. I protagonisti della pellicola (Ben Kingsley e Robert Redford) sono seduti su un Y-MP mentre parlano di come cambiare il mondo.
Innovazioni tecnologiche: Cray Y-MP è stato il primo supercomputer al mondo a supportare 1 gigaflop. Considerato un successore del modello X-MP, il sistema iniziale era dotato di otto processori vettoriali paralleli, circuiti più densi e una memoria centrale più ampia. Raggiungeva una velocità massima di 2,67 gigaflop.
Dagli anni ‘90 agli anni 2000: cambiamento e crescita
Cray C90 - 1991
Primo cliente: Centro europeo per le previsioni meteorologiche a medio termine
Curiosità: Ford Motor Company è stato il primo cliente commerciale del sistema Cray C90.
Innovazioni tecnologiche: inizialmente chiamato supercomputer Cray Y-MP C90, il sistema vettoriale parallelo era dotato di 16 nuove CPU, con una capacità di 1 gigaflop ciascuna e 2 gigabyte di memoria centrale. Garantiva una velocità 5 volte maggiore rispetto al record precedentemente battuto da Cray. Una delle caratteristiche architettoniche più significative era la pipeline a due vettori, che consentiva a ogni CPU di garantire risultati a due vettori per unità funzionale in ogni periodo di clock.
Cray Y-MP EL - 1991
Clienti: solo nel primo anno di vita, vennero ordinati ben 55 sistemi
Curiosità: il sistema Cray Y-MP EL è stato il primo supercomputer venduto da Cray Research nel settore dei servizi finanziari e nell’Europa dell’Est.
Innovazioni tecnologiche: il supercomputer Y-MP EL ha ridotto il costo iniziale per i clienti. Poteva essere configurato con un massimo di quattro processori e 1.042 megabyte di memoria. Era raffreddato ad aria, compatto e facilmente alimentato. Inoltre con la memoria e la larghezza di banda I/O bilanciate, Y-MP EL offriva le più elevate prestazioni di throughput disponibili al suo prezzo base. È stato successivamente sviluppato nella serie EL90.
Cray M90 - 1992
Primo cliente: AT&T Bell Labs
Curiosità: il supercomputer Cray M90 offriva una capacità di memoria fino a 125 volte superiore rispetto al sistema Y-MP originale.
Innovazioni tecnologiche: la serie di supercomputer Cray M90 (originariamente chiamata Y-MP M90) era una variante del sistema Cray Y-MP con una memoria più ampia. Implementato nella tecnologia DRAM, era disponibile in configurazioni da due, quattro oppure otto processori e una memoria con una capacità massima di 4 miliardi di parole. Consentiva agli utenti di risolvere problemi estremamente complessi senza dividerli ed eseguirli separatamente.
Cray T3D - 1993
Primo cliente: Pittsburgh Supercomputing Center
Curiosità: i pianificatori delle missioni del Jet Propulsion Laboratory della NASA hanno usato un sistema T3D per esplorare i luoghi più adatti per l’atterraggio di un veicolo spaziale su Marte.
Innovazioni tecnologiche: il supercomputer Cray T3D è stato il primo sistema di elaborazione parallela massiva di Cray e il primo sistema eterogeneo scalabile al mondo. È stato progettato, sviluppato, prodotto e introdotto sul mercato in soli 26 mesi. T3D collegava un array massivamente parallelo di microprocessori realizzati da Digital Equipment Corporation a un processore vettoriale progettato da Cray ed era disponibile in configurazioni da 32 a 2.084 processori.
Cray J90 - 1994
Clienti: pre-ordinato da 37 clienti prima dell’annuncio ufficiale
Curiosità: la serie Cray J90 è stata il prodotto commercializzato più rapidamente nella storia di Cray, con oltre 170 sistemi venduti nel primo anno, il 40% dei quali acquistati da clienti Cray alla loro prima esperienza
Innovazioni tecnologiche: la serie J90 era costituita da un sistema scalabile venduto a un costo ridotto, disponibile in configurazioni da otto, 16 e 32 processori. Con una larghezza di banda da 10 a 20 volte superiore rispetto a quella dei sistemi della concorrenza e un rapporto prezzo/prestazioni superiore, riduceva la complessità delle CPU e utilizzava chip CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor Chip) avanzati ad alta velocità e a costi contenuti. Il prezzo di partenza dei sistemi era di 225.000 dollari.
Cray T90 - 1995
Clienti: pre-ordinato da 8 clienti prima dell’annuncio ufficiale
Curiosità: il sistema T90 è stato il primo supercomputer wireless al mondo. Utilizzando un dispositivo all’avanguardia che collegava i moduli dei processori alla memoria, Cray ha eliminato tutti i cablaggi interni. (Per fare un confronto, il sistema C90 più grande ne conteneva circa 60 km).
Innovazioni tecnologiche: successore della linea C90, il sistema Cray T90 ad elaborazione vettoriale parallela era disponibile in configurazioni da 1 a 32 processori e prestazioni fino a 60 gigaflop. Sostituiva i cavi di interconnessione con connettori eZIF (Zero-Insertion-Force) ad attivazione elettrica, ciascuno con 400 contatti di segnale.
Cray T3E - 1995
Primo cliente: Pittsburgh Supercomputing Center
Curiosità: Cray T3E è stato il primo supercomputer al mondo a supportare 1 teraflop in un’applicazione reale. Nel 1997, i sistemi T3E occupavano 14 delle prime 20 posizioni nella classifica dei migliori supercomputer del mondo.
Innovazioni tecnologiche: T3E era imbattibile in termini di scalabilità efficiente da decine a migliaia di processori, a costi contenuti. Il suo elemento distintivo era la scalabilità di ogni parte del sistema in base al numero di processori: la comunicazione tra processori, il sistema operativo, l’I/O e la memoria.
Cray SV1 - 1998
Primo cliente: Alabama Supercomputer Authority
Curiosità: Ford Motor Company ha acquistato cinque supercomputer Cray SV1, diventando il principale cliente del sistema.
Innovazioni tecnologiche: il sistema vettoriale scalabile SV1 era dotato di processori con prestazioni fino a quattro gigaflop, singoli nodi di cabinet con prestazioni massime di 32 gigaflop e tool di clustering di sistema combinati per produrre un supercomputer con una capacità di 1 teraflop. Le innovazioni includevano la prima memoria cache vettoriale al mondo. Inoltre, batteva la concorrenza di ben otto volte in termini di rapporto qualità/prestazioni.
Cray X1/X1E - 2002
Primo cliente: Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti
Curiosità: i processori Cray® X1 si surriscaldavano e gli ingegneri hanno quindi studiato un’innovativa tecnologia evaporativa a spruzzo per risolvere il problema dei moduli.
Innovazioni tecnologiche: il sistema Cray X1 abbinava le prestazioni dei processori dei sistemi vettoriali con la scalabilità dell’elaborazione parallela massiva, un’impresa fino ad allora considerata impossibile. I sottosistemi di interconnessione e memoria a elevate prestazioni consentivano al sistema X1 di scalare fino a 4.096 processori con prestazioni massime di 50 teraflop. Con l’upgrade a X1E, le prestazioni e la densità di elaborazione massime sono state triplicate.
Serie Cray XT - 2004
Primo cliente: Sandia National Laboratories
Curiosità: Cray ha superato la barriera dei petaflop con il sistema XT5 "Jaguar" dell’Oak Ridge National Laboratory (nell’immagine). Il sistema Jaguar era costituito da 200 cabinet e 224.256 core di elaborazione. Inoltre, con i suoi 1.759 petaflop è stato il più veloce al mondo dal 2009 al 2010.
Innovazioni tecnologiche: Cray ha sviluppato la tecnologia che sarebbe diventata la serie Cray® XT™ in partnership con Sandia National Laboratories. Il sistema XT massivamente parallelo utilizzava un’interconnessione progettata da Cray, era raffreddato ad aria ed era scalabile da uno a centinaia di cabinet.
Cray XMT - 2006
Primo cliente: Pacific Northwest National Laboratory
Curiosità: un ricercatore di Georgia Tech ha utilizzato il sistema Cray® XMT™ del PNNL per identificare gli utenti più influenti di Twitter nel 2009. La macchina ha elaborato in un’ora i tweet di un’intera giornata di circa 18 milioni di utenti.
Innovazioni tecnologiche: il sistema Cray XMT era una piattaforma scalabile a multithreading massiccio con un’architettura di memoria condivisa adatta per l’analisi dei dati e il data mining su vasta scala. La progettazione era basata su un blade di elaborazione Cray XT, ma utilizzava chip Cray Threadstorm. Un singolo processore Threadstorm era in grado di supportare contemporaneamente 128 thread.
Anni 2010: sfruttare i Big Data
Cray XE6 - 2010
Clienti: il Swiss National Supercomputing Centre (CSCS) ha ricevuto il primo sistema in versione beta.
Curiosità: con il sistema Cray® XE6™ di CSCS, alcuni scienziati sono riusciti a risolvere un enigma risalente a 300 anni prima sullo spostamento verso ovest del campo magnetico terrestre. E si trattava del nucleo.
Innovazioni tecnologiche: il supercomputer XE6 ha sfruttato l’infrastruttura della serie XT, integrando i processori AMD multicore e l’innovativa interconnessione Cray Gemini. Gemini garantiva velocità di comunicazioni estreme e una latenza decisamente migliorata. XE6 era in grado di scalare a oltre 1 milione di core di processori e riusciva a superare i 10 petaflop.
Serie Cray XK - 2011
Primo cliente: Swiss National Supercomputing Centre
Curiosità: il sistema Cray® XK™ "Titan" presso l’Oak Ridge National Laboratory (nell’immagine) è arrivato in vetta alla classifica dei supercomputer più veloci al mondo del 2012. È rimasto nelle prime 10 posizioni nei sette anni successivi. Nel 2019, ORNL ha nominato il sistema Cray® Shasta™ "Frontier" come successore di Titan.
Innovazioni tecnologiche: la serie Cray XK abbinava l’interconnessione Gemini, i processori scalari multicore AMD e le GPU many-core NVIDIA per creare un vero supercomputer ibrido. Il sistema era in grado di scalare fino a 500.000 processori e oltre 30 petaflop.
Serie Cray XC - 2012
Primo cliente: High Performance Computing Center Stuttgart (nell’immagine)
Curiosità: introdotto nel 2016, il supercomputer XC50 era in grado di erogare fino a 1 petaflop di prestazioni massime in un unico cabinet. A titolo di confronto, il primo sistema Cray a superare la barriera dei petaflop era composto da 200 cabinet.
Innovazioni tecnologiche: scalabili fino a 500 petaflop, i sistemi Cray® XC™ univano tecnologia di elaborazione scalare, co-elaborazione e acceleratori in un’unica macchina altamente scalabile. Ha introdotto anche l’interconnessione Ares che garantiva notevoli miglioramenti di tutte le metriche e risolveva le problematiche di contenimento dei costi e larghezza di banda globale scalabile.
Piattaforme Cray Urika - 2012
Clienti: il primo prodotto Cray® Urika® ha avuto diversi early adopter, tra cui Institute of Systems Biology, Mayo Clinic, Noblis e Swiss National Supercomputing Centre.
Curiosità: la grafia originale di Urika era uRiKA, vale a dire l’acronimo di Universal RDF Integration Knowledge Appliance.
Innovazioni tecnologiche: il primo prodotto Urika è stato realizzato per un approccio basato su grafici all’analisi delle relazioni dei Big Data. Utilizzava i processori a multithreading massiccio Cray Threadstorm e un’architettura di memoria condivisa massiccia. Successivamente denominato Urika-GD, è stato unito a piattaforme di analisi estrema Urika-XA e di analisi agile Urika-GX.
Serie Cray CS - 2013
Clienti: il Railway Technical Research Institute è stato il primo cliente reso noto pubblicamente per la serie CS.
Curiosità: che cos’hanno in comune Shadow, Ollie, BeBop e Nurion? No, non sono nomi di animali domestici. Sono alcuni dei sistemi della serie CS entrati nella classifica TOP500 dei supercomputer. Nurion è entrato in classica nel 2018 direttamente al numero 11.
Innovazioni tecnologiche: i supercomputer cluster della serie Cray® CS™ vantavano le tecnologie più recenti di elaborazione, reti e raffreddamento. Erano inoltre estremamente personalizzabili per l’elaborazione, i dati e carichi di lavoro ibridi. La versione finale della serie, il sistema CS500, era in grado di scalare fino a oltre 60 petaflop.
Cray CS-Storm - 2014
Primo cliente: governo degli Stati Uniti
Curiosità: il sistema Cray® CS-Storm™ introdotto nel 2014 vantava la maggiore densità di GPU al mondo.
Innovazioni tecnologiche: basato sull’architettura della serie CS, il supercomputer CS-Storm è stato realizzato per i carichi di lavoro accelerati da GPU. Un unico rack ad alta densità erogava fino a 980 teraflop con prestazioni a doppia precisione. Il sistema è ideale per accelerare i carichi di lavoro di elaborazione, ad esempio il machine learning e il deep learning, la simulazione dei giacimenti e l’intelligenza geospaziale.
HPE Cray EX - 2018
Primo cliente: Argonne National Laboratory
Curiosità: un supercomputer HPE Cray exascale è 6 miliardi di volte più veloce di Cray-1.
Innovazioni tecnologiche: il supercomputer HPE Cray è stato realizzato per i carichi di lavoro dell’era exascale. Supporta una serie di tecnologie di processori e carichi di lavoro convergenti, elimina la distinzione tra supercomputer e cluster e unisce i carichi di lavoro HPC e AI alla produttività del cloud. La rivoluzionaria interconnessione HPE Slingshot funge da sua dorsale. I primi tre supercomputer exascale degli Stati Uniti sono tutti sistemi HPE Cray.