Der zähe Weg zur Cray-2 – Wenn Dinosaurier anfangen, auszusterben

Ab 1976 beginnt Seymour Cray bei Cray Research mit der Entwicklung der Cray-2. Die Maschine sollte zehnmal schneller sein als der Vorgänger, was aus verschiedenen Gründen nicht gelang. Vom Nachfolgemodell Cray-3 wurde sogar nur ein Exemplar verkauft, das nur halb funktionierte und deshalb nie bezahlt wurde.

Der Vortrag ist der vierte Teil der Vortragsreihe zu Leben und Werk von Seymour Cray und konzentriert sich auf die Herausforderungen bei der Entwicklung des Supercomputer Cray-2, einer der letzten seiner Art.

Transcript

1. 1 Wolfgang Stief VCFe, München, April 2018 Bild: Wolfgang Stief, CC0
2. # whoami • Elektriker, Dipl.-Ing. (FH) • freiberuflich, selbständig, sys4 AG
 Storage, E-Mail, Projektkümmerer, AG-Vorstand • Computermuseum München, Cray-Cyber.org
 “Alles unter 30 A ist Kriechstrom.” • https://about.me/stiefkind
 stief@cray-cyber.org
 ◦ stiefkind 2 Bild: Wolfgang Stief, CC0
3. 00_README.txt • Work in Progress • Cray und Surroundings
 Firmen
 Personen
 Technologien
 Seitenäste • Vortragsreihe mit loser Folge (VCFE/VCFB) • http://www.speakerdeck.com/stiefkind/
 https://media.ccc.de/search?q=Wolfgang+Stief 3
4. # ls -l • Cray Research Inc.
 ca. 1976–1986 • Cray-2, X-MP, Y-MP • Supercomputer Systems Inc.
 Cray Computer Corporation
 Cray-3 4
5. Was bisher geschah (Teil 1, 1949-1959) • CSAW (US Navy, WWII) ➛ ERA (1946) ➛ Remington-Rand (1951) ➛ Sperry-Rand (1951) ➛ Control Data (1957) • 1951: Seymour Cray (∗1925 †1996) kommt zu ERA
 B. Sc. Electrical Engineering (1949), M. Sc. Applied Mathematics (1951) • Control Data Corporation (Herbst 1957)
 Plan: U$ 600.000 Startkapital, Aktien in Privatbesitz
 erreicht: U$ 1.2 Mio. • CDC Little Character (Testballon für Transistor-Rechner) • CDC 1604 (1959)
 48bit, 0.2 MHz ➛ schnellste Maschine der Welt 5
6. Was bisher geschah (Teil 2, 1959-1972) • CDC6600: 100 ns ≙ 10 MHz, 1-3 MFLOPS (1959-1965)
 > Si-Transistoren, Flüssigkühlung (Freon) • CDC7600: 25 ns ≙ 40 MHz (1965-1969)
 > Pipelining;
 > U$ 8 Mio. für nur ca. 4x Performance ➛ ist vielen zu teuer • Control Data Corporation: Expansion weltweit, Zukäufe
 > Aktienkurs U$ 1 (1957) ➛ U$ 300 (1964)
 > Klage CDC ./. IBM wg. Marketing-Praxis, Monopol, Antitrust
 > Geschäftstätigkeit zunehmend in Richtung Service • CDC8600: 8 ns ≙ 125 MHz, Quad-CPU (diskret)
 > Zuverlässigkeit (!) ➛ zu viele Lötstellen, Wärmeentwicklung 6
7. Was bisher geschah (Teil 3, 1972-1976) • Gründung Cray Research Inc.
 > Q1/1972, nachdem Entwicklung CDC8600 fest steckt, CDC wird Investor • Design Cray-1: single CPU, 12.5ns clock cycle (=80Mhz)
 > Vektor-Einheit • Mitte März 1976 IPO
 > 600.000 Shares, ca. 10 Mio U$
 > Schulden abzahlen, Cray-1 fertig stellen • Plan Cray-1: 2 Systeme/Jahr
 > Ist: ca. 80 Systeme über ca. 6 Jahre
 > Stückpreis je nach Modell/Ausstattung 5-8 Mio U$ • John Rollwagen wird Präsident
 > max. 10 Jahre
 > bleibt bis 1993, dann Handelsministerium unter Clinton 7
8. • ab ca. 1976 erste Überlegungen und Entwicklungen
 > Cray-1 kam 1976 auf den Markt, danach Überarbeitungen
 Modellpflege • typ. Seymour Cray: andere aufräumen lassen
 > „Hausmeister” Les Davis: CDC6600, CDC7600, Cray-1 • Plan: 4 ns clock cycle (≙ 250 MHz) • Plan: 4-CPU • Cray abgelenkt von Modellpflege Cray-1
 > Cray-1A, Cray-1S, Cray-1M Cray-2 – wie alles begann 8
9. • ca. 1 Jahr Pause wg. Überarbeitung Cray-1 • neue Pläne:
 > 100% skalar, keine Vektor-Einheit mehr
 > 64 Skalar-Prozessoren • massiv parallel ist Neuland für Cray
 > beginnt in der Industrie so richtig erst ca. 5 Jahre später
 Thinking Machines: 1993; Transputer/INMOS ab 1978, vorgestellt 1983
 > bisher immer abgehangene Technologie verbaut • Steve Nelson: Compiler für 64 Skalar-CPUs schreiben
 > Auftrag von Seymour Cray
 > muss sich das Wissen dazu erst aneignen/anlesen Cray-2 – wie alles begann 9
10. • ca. Herbst 1978: Besuch @ Lawrence Livermore Lab
 > Cray & Nelson stellen 64-CPU-Idee und Compiler vor
 > intensive Diskussion • Reaktion von Lawrence Livermore nicht wie erhofft
 > Cray verwirft 64-CPU-Idee emotionslos
 > zurück zum ursprünglichen Design: 4 CPU, 4 ns clock cycle 㱺 Zwei Jahre Entwicklungszeit verloren! Cray-2 – wie alles begann 10 „Steve, we’re not going to do this. The customers 
 are not ready for a sixty-four processor system.”
11. • Leitungslängen verkürzen wg. Geschwindigkeit
 > bewährte sich bereits bei CDC6600 ➛ CDC7600
 > Cray-1: max. 120 cm
 > Cray-2: max. 40 cm • „sandwich type” Prozessor Module
 > 8 circuit boards, gestapelt
 > 7 Kühlplatten dazwischen • Kommunikation zwischen circuit boards
 > Löcher in Kühlplatten zur Leitungsführung
 > Kühlleistung verringert, kein ausreichender Wärmetransport • festgefahren, vgl. CDC860 Herausforderung Cray-2: Abwärme 11 Quelle unbekannt
12. • 1977 ➛ 1978: +60% Mitarbeiter
 > 321 ➛ 524 Angestellte • 1978 ➛ 1979: Jahresergebnis +149% (U$ 42.7 Mio.)
 in 1980 erwartet +50%
 in 1981 erwartet +50%
 > Cray Research unter den 10 größten Computerfirmen • Umsätze kommen von Cray-1
 > 1978 ➛ 4 Systeme
 > 1979 ➛ 8 Systeme
 > 1980 ➛ 10 Systeme
 > Ende 1980: Backlog von 5 Systemen • Und: Mitarbeiter erkennen den Präsidenten nicht Herausforderung Cray Research: Wachstum 12
13. • bisherige Arbeit weg werfen • Team stark verkleinern • von vorne anfangen • neu: interne Konkurrenz schaffen The Cray Way 13
14. • Forschungslabor Cray Labs in Boulder CO • viele Ingenieure aus der Halbleiterbranche
 > Fairchild u. a. • Aufgabe: VLSI Forschung/Entwicklung
 > höher integrierte Chips für Cray-2 • parallel: Entwicklung Cray-2 in Chippewa Falls The Cray Way – Cray Laboratories 14
15. • Data General Mainframe im Schlafzimmer
 > mehrere Racks, 1.80m hoch
 > viele “Super Brains” im Haus verteilt (PCs? Workstations?)
 > Spares in Garage + Hallie Lab, incl. Rufbereitschaft
 > Mess-Equipment für Circuit Boards • unzuverlässiges Stromnetz
 > Stromversorgung in der Garage • Mainframe macht warm
 > leistungsfähige Klimaanlage Seymour Cray, der Exzentriker 15 Wohnhaus!
 Aber Cray kann dort ungestört arbeiten.
16. • Agreement Cray/Rollwagen (1981)
 > Rücktritt Seymour Cray als Chairman
 > Handover Chairman auf John Rollwagen
 > Seymour Cray wird unabhängiger Berater • Bezahlung: 6% der jährlichen Entwicklungskosten
 > U$ 1 Mio. Forschungsgeld/Jahr ➛ 60.000 U$ Jahresgehalt • Seymour Cray kann endlich wieder 100% Engineer sein Endlich wieder Engineer 16
17. • radikal neuer Ansatz: Immersionskühlung
 > Tauchkühlung
 > Elektronik von Kühlflüssigkeit umspült
 > bei CDC schon ca. 10 Jahre früher, Cray wusste davon • Fluorinert als Kühlmittel
 > inerte, nicht leitende, nicht brennbare Flüssigkeit
 > Minnesota Mining and Manufacturing (heute: 3M) Was ist jetzt mit der Abwärme der Cray-2? 17 cCu = 382 J kgK cFluorinert ≈ 1200 J kgK cH2O = 4182 J kgK
18. • Pressekonferenz
 > Managementmeinung: Entwicklung weit genug fortgeschritten
 > Aktienkurs springt hoch
 > Vortag PK: +U$ 3/Share ➛ Handel kurzzeitig ausgesetzt
 > wilde Spekulationen @ Analysten • Details zu Cray-2 
 + Deal Cray/Rollwagen • nach PK: Aktienkurs fällt 
 gleich wieder
 > U$ 36/Share ≙ Kurs von vorher
 > Kurs fällt weiter Ankündigung Cray-2 @ Öffentlichkeit 18 https://www.dkrz.de/systeme/historie
19. • VLSI-Entwicklung hinter Plan
 > mit Immersion Cooling nicht mehr unbedingt notwendig • Lab wird im April 1982 aufgelöst
 > 1981..1982
 > von oben „verordnetes Startup” funktioniert schon damals nicht • Zukunft für Cray Research ist Cray-2
 > glaubt John Rollwagen noch Cray Labs ➛ Abschussliste 19 „The hope of the future is in Boulder and that’s why we’re making such a big investment here.” Seymour Cray
20. • Vorstellung Cray X-MP (April 1982)
 > 5× schneller als Cray-1
 (10ns Clock Cycle)
 > Dual-CPU Design, 10 Gates/Modul 
 (Cray-1: 2 Gates/Modul)
 > rückwärtskompatibel zur Cray-1 • X-MP entsteht 
 komplett ohne Seymour Cray
 > Steve Chen, seit 1979 bei CRI, wird
 schnell Chief Architect
 > Skunk Works Projekt („unterm Radar”) • Presse: Supercomputer bauen auch ohne Seymour Cray In einem Cray Research Paralleluniversum… 20 Quelle unbekannt
21. • Les Davis
 > sieht, dass Cray-1 zum Ende kommt
 > sieht, dass Cray-2 noch eine Weile brauchen wird • neues Team, Ideen aus 3 Jahre Entwicklung Cray-2
 > Chen verkauft sich als geistiger Vater
 > fast alle im Team <40 Jahre
 > innerhalb weniger Wochen wird Cray-2-Entwicklung überholt • Rückwärtskompatibilität wird wichtig im Markt
 > war für Seymour Cray nie wichtig
 > Kunden haben keine Ressourcen mehr für Entwicklung 
 von OS und Tools • Les Davis beginnt unverzüglich mit Entwicklung Y-MP Warum Cray X-MP? 21
22. • Ende 1981 bereits eine „aufgebohrte” Cray-1 im Labor
 > multiport memory wg. Dual-CPU
 > 2 CPUs in ½ Cray-1 Gehäuse
 > CPUs sind schneller/besser wg. höherer Gatterdichte
 (X-MP: 2.3 Mio logic gates = 8× Cray-1 • anfangs 200 MFLOPS • rückwärtskompatibel zur Cray-1 (Designziel) • Stückpreis U$ 11 Mio … U$ 14 Mio (1981) • Digital Production
 > Leasing für U$ 275.000 / Monat
 > Rendering für TRON Cray X-MP Facts 22
23. • Cray-2 noch immer nicht fertig
 > technische Entwicklung abgeschlossen
 > Herausforderung: Fertigung
 > Les Davis fehlt zum „Aufräumen” (X-MP, Y-MP) • 1985: Markteinführung Cray-2
 > neun Jahre Entwicklungszeit!
 > Fertigstellung: Jerry Brost & Team • insgesamt werden 27 Exemplare Cray-2 verkauft
 > Stückpreis U$ 12 Mio … U$ 17 Mio
 > Memory aus X-MP entlehnt
 > Cray-2 sollte schneller sein als X-MP, ist aber 3 Jahre „jünger” Fast Forward: 1981 ➛ 1984 23
24. • fast parallel zur Cray-2 ➛ X-MP als 4-CPU Modell
 > insgesamt 126 Stück X-MP verkauft
 > Stückpreis ca. U$ 16 Mio • ca. 3 Jahre „Lücke” zwischen X-MP und Cray-2
 > Japan holt auf: Fujitsu, NEC, Hitachi Gleichzeitig… 24
25. Leben nach Cray-2 25 • Cray-3 wird für Cray Research ruinös
 > Ausgründung Cray Computer Corporation • Y-MP ist sehr erfolgreich
 > sh. Ausstellung, Cray Y-MP EL (entry level) • Steve Chen gründet Supercomputer Systems Inc. (SSI) • Konkurrenz holt weiter auf: Japan, CDC/ETA • Förderung massiv parallele Systeme @ DARPA
 > Thinking Machines
 > Transputer (z. B. INMOS)
26. Beyond this talk — reading • Charles J. Murray — The Supermen
 The Story of Seymour Cray and the Technical Wizards behind the Supercomputer • Kay A. Robbins, Steven Robbins — The Cray X-MP/Model 24
 A Case Study in Pipelined Architecture and Vector Processing 26
27. Beyond this talk — reading • Bitsavers PDF Archive (Mirror Uni Stuttgart)
 http://bitsavers.informatik.uni-stuttgart.de/pdf/cray/CRAY-2/ 27
28. • Oral History of Les Davis (Mai 2010)
 http://archive.computerhistory.org/resources/access/text/2012/04/102657915-05-01-acc.pdf • Gordon Bell — A Seymour Cray Perspective (Präsentation)
 http://research.microsoft.com/en-us/um/people/gbell/craytalk/ 28 Beyond this talk — reading
29. Beyond this talk — watching • Cray Research — A Story of the Supercomputer (Dokumentation)
 https://www.youtube.com/watch?v=wn03wn3k47Y 29
30. EOF Danke! Fragen? 30 https://about.me/stiefkind stief@cray-cyber.org " stiefkind http://www.speakerdeck.com/stiefkind/ https://media.ccc.de/search?q=Wolfgang+Stief Bild: Wolfgang Stief, CC0
31. Lizenz Die gesamte Präsentation ohne Bilder unterliegt der CC0 1.0 Lizenz (Public Domain Dedication). Bild-Lizenzen sind einzeln aufgeführt. 31