История Cray Research: компании, изменившей мир суперкомпьютеров

Управленческая модель предприятия отличалась от стандартов корпоративного бизнеса. Разработчики имели прямой доступ к компонентам, а споры решались без заседаний. Основатель сознательно ограничивал штат десятками первоклассных специалистов. Он считал, что раздутые коллективы лишь тормозят проектирование. Маленькая команда сосредоточилась на решении фундаментальной задачи.

Первой разработкой компании стала вычислительная система Cray-1, представленная в 1976 году. Проектирование опиралось на физические законы: скорость распространения сигнала в проводнике составляет около тридцати сантиметров за наносекунду. Чтобы добиться времени такта в двенадцать с половиной наносекунд, требовалось предельно сократить длину проводников между узлами.

Решением стала цилиндрическая компоновка корпуса в виде разорванного кольца, напоминающего букву «С». Основной корпус состоял из двенадцати колонн, в каждой из которых размещались два логических шасси, сходящихся к центру. Геометрия ограничила предельную длину любого провода одним метром и двадцатью сантиметрами. Нижняя часть представляла собой круговую скамью с мягкой обивкой. Внутри постамента скрывались источники питания, придававшие установке вид футуристической мебели.

В элементной базе применялись быстродействующие микросхемы эмиттерно-связанной логики. Они обеспечивали рекордную скорость переключения, но рассеивали много тепла. Для его отвода инженеры разработали медные и алюминиевые пластины, зажимавшие микросхемы и передававшие нагрев трубкам с жидким фреоном. Холодильная станция выносилась в смежное помещение, надежно защищая цепи от перегрева.

Главным новшеством машины стала концепция векторных регистров. Хотя векторные вычислители существовали и раньше, Cray-1 предложил высокоэффективную регистровую векторную архитектуру. Конструкция Крэя позволяла загружать в регистры массивы из шестидесяти четырех чисел и применять к ним конвейерные операции. За такт узел выдавал результат, благодаря чему пиковая производительность достигала 160 миллионов операций с плавающей запятой в секунду (160 MFLOPS).

Первый серийный образец передали в Лос-Аламосскую лабораторию для ядерных исследований. Несмотря на стоимость в девять миллионов долларов, за машиной выстроилась очередь из институтов. Коммерческий успех сделал предприятие мировым лидером научных вычислений.

Финансовый успех позволил расширить штат и разделить исследования на два потока. Сеймур Крэй сосредоточился на создании машины нового поколения Cray-2, передав развитие текущей линейки инженеру Стиву Чену. Этот шаг положил начало внутренней конкуренции, определившей развитие предприятия на десятилетие.

Группа Стива Чена сделала ставку на параллелизм нескольких векторных процессоров с общей памятью. В 1982 году фирма представила Cray X-MP с тактом 9,5 наносекунды. В последующих модификациях его удалось сократить до 8,5 наносекунды. Разработка Чена оказалась практичной: многопроцессорная структура позволяла распределять задачи гидродинамики и физики плазмы. Линейка X-MP, дополненная позднее семейством Y-MP, сформировала финансовую основу компании.

Сеймур Крэй сосредоточился на повышении тактовой частоты и плотности компоновки вычислительных узлов. Созданная им Cray-2 также использовала многопроцессорную архитектуру с четырьмя векторными процессорами. Комплекс Cray-2, дебютировавший в 1985 году, обладал тактом в четыре целых и одну десятую наносекунды, что соответствовало частоте почти в двести сорок четыре мегагерца. Ради снижения задержек конструктор создал трехмерные блоки, где платы собирались в плотные пакеты с объемными связями выводов.

Плотность монтажа породила проблему охлаждения. Обычные теплоотводы не успевали забирать тепло из глубины блоков. Тогда Крэй внедрил прямое погружное жидкостное охлаждение: процессорные модули поместили в резервуар с прозрачной диэлектрической жидкостью Fluorinert. Состав непрерывно прокачивался сквозь зазоры между платами и бурлил внутри прозрачных колонн, сбрасывая нагрев во внешние теплообменники.

Комплекс стал первой системой с быстродействием в миллиард операций с плавающей запятой в секунду. Однако в эксплуатации машина оказалась капризной. Медленная динамическая память уступала статической памяти систем Чена, а обслуживание гидравлики требовало осторожности. Заказчики нередко предпочитали практичные машины X-MP, оставляя Cray-2 статус инженерного чуда.

К началу девяностых годов отрасль сверхдорогих вычислителей натолкнулась на барьеры материаловедения и экономики. Сеймур Крэй полагал, что кремний исчерпал потенциал, и переключил внимание на кристаллы из арсенида галлия для системы Cray-3. Этот полупроводник сулил более быстрое движение носителей заряда, но пластины отличались хрупкостью и низким выходом годных кристаллов.

Руководство сочло проект чрезмерно рискованным и отказалось финансировать опыты за счет основной прибыли. В 1989 году создатель компании вновь решился на уход, основав фирму Cray Computer Corporation для доводки чипов на арсениде галлия. Проект потребовал вложений в роботов для монтажа, однако побороть производственный брак не удалось, что привело компанию к банкротству.

Оставшийся коллектив попытался выжать максимум из классических кремниевых полупроводников в моделях C90 и T90. Комплекс T90 сочетал тонкопленочные платы высокой плотности и прямое охлаждение, но себестоимость оказалась непомерно высокой. Аппаратура потребляла сотни киловатт электроэнергии, требуя прецизионной подгонки соединений.

Одновременно индустрию накрыла волна массовых микропроцессоров. Корпорации наладили выпуск недорогих чипов с комплементарной структурой металл-оксид-полупроводник, скорость которых росла быстрыми темпами. Наступила эпоха массового параллелизма, когда вместо единичного заказного процессора стало выгоднее объединять сотни микропроцессоров в общую сеть.

Чтобы не уступить рынок, предприятие создало принципиально новые комплексы серий T3D и T3E. В них векторные процессорные блоки уступили место серийным универсальным микропроцессорам Alpha. Инженерным триумфом компании стала топология сети в виде трехмерного тора, позволившая сотням микросхем быстро обмениваться данными.

Перемены начала девяностых годов нанесли чувствительный удар по рынку специализированных вычислителей. Завершение холодной войны повлекло сокращение оборонных заказов, а гражданский сектор выбирал дешевые серверные кластеры. Финансовые резервы таяли, и в 1996 году независимый путь Cray Research завершился поглощением со стороны Silicon Graphics.

В том же 1996 году произошла трагедия: в дорожной катастрофе погиб Сеймур Крэй, что подвело черту под эпохой великих инженеров-одиночек. Слияние с Silicon Graphics не принесло устойчивости, поскольку специфика рабочих станций плохо сочеталась с суперкомпьютерным направлением. В 2000 году подразделение было выкуплено фирмой Tera Computer, взявшей имя Cray Inc.

Новая компания сосредоточилась на создании скоростных распределенных сетей, связывающих стандартные серверные узлы в единые комплексы. Разработки в области сетевых матриц Aries и Slingshot позволили сохранить лидерство при постройке мощнейших вычислителей для моделирования климата и материаловедения. В 2019 году корпорация Hewlett Packard Enterprise приобрела фирму за миллиард триста миллионов долларов, превратив бренд Cray в платформу для создания современных экзафлопсных систем.

Cray Research показала, что реальная мощь вычислителя определяется не только скоростью кристаллов, но и гармонией компоновки, охлаждения и сетевой топологии. Корпуса в форме разомкнутых подков и ванн с бурлящим диэлектриком остались памятником смелости инженерной мысли, бросившей вызов законам физики. История этого предприятия стала хроникой дерзких экспериментов, где смелые авторские идеи столкнулись с жестким соперничеством многопроцессорных архитектур и навсегда изменили мир высоких технологий.