كراي-3

بدأ سيمور كراي تصميم جهاز كراي-3 عام 1985، فور بدء إنتاج جهاز كراي-2 . ^{[ 3 ]} وضع كراي نصب عينيه هدف إنتاج آلات جديدة بأداء يفوق أداء الطرازات السابقة بعشرة أضعاف. ورغم أن الآلات لم تحقق هذا الهدف دائمًا، إلا أن هذه التقنية كانت مفيدة في تحديد المشروع وتوضيح نوع التحسينات المطلوبة في العمليات لتحقيقه. ^{[ 4 ]} أما بالنسبة لجهاز كراي-3، فقد قرر وضع هدف أعلى لتحسين الأداء، بزيادة قدرها 12 ضعفًا مقارنةً بجهاز كراي-2. ^{[ 5 ]}

لطالما عالج كراي مشكلة زيادة السرعة بثلاثة تطورات متزامنة: وحدات تنفيذ إضافية لزيادة التوازي في النظام ، وتصميم أكثر إحكامًا لتقليل تأخير الإشارة، ومكونات أسرع لزيادة سرعة الساعة. من بين هذه التطورات الثلاثة، كان كراي عادةً أقل جرأة في الأخير؛ إذ كانت تصاميمه تميل إلى استخدام مكونات شائعة الاستخدام بالفعل، بدلاً من التصاميم المتطورة. ^{[ 4 ]}

بالنسبة لجهاز Cray-2، قدّم نظام تغليف ثلاثي الأبعاد مبتكرًا لدوائره المتكاملة ، مما يسمح بكثافة أعلى، ^{[ 6 ]} وبدا أن هناك مجالًا للتحسين في هذه العملية. في التصميم الجديد، ذكر أن طول جميع الأسلاك سيقتصر على 0.30 متر (قدم واحدة ) . هذا يتطلب أن يكون المعالج قادرًا على الاحتواء في كتلة بحجم 0.028 متر مكعب ( قدم مكعب ^واحد ) ، أي ما يقارب ثلث حجم وحدة المعالجة المركزية لجهاز Cray-2. هذا لن يزيد الأداء فحسب ، بل سيجعل النظام أصغر حجمًا بمقدار 27 مرة. ^{[ 7 ]}  

لتحقيق زيادة في الأداء بمقدار 12 ضعفًا، لن يكون التغليف وحده كافيًا، بل سيتعين أيضًا تسريع الدوائر الموجودة على الرقائق نفسها. بدا أن معالج Cray-2 قد وصل إلى أقصى حدود سرعة الترانزستورات المصنوعة من السيليكون عند 4.1 نانوثانية (244 ميجاهرتز)، ولم يكن من الممكن تحقيق أي زيادة تتجاوز الضعفين. لتحقيق هدف زيادة الأداء بمقدار 12 ضعفًا، ستكون هناك حاجة إلى تغييرات جذرية، وسيتعين استخدام نهج تقني متطور. ^{[ 8 ]}  

كانت شركة كراي تعتزم استخدام دوائر زرنيخيد الغاليوم في جهاز كراي-2، والتي لم تكن لتوفر سرعات تبديل أعلى فحسب، بل كانت ستستهلك طاقة أقل، وبالتالي تعمل بدرجة حرارة أقل. في ذلك الوقت، لم تكن صناعة زرنيخيد الغاليوم متطورة بما يكفي لتزويد حاسوب فائق. ^{[ 9 ]} بحلول منتصف الثمانينيات، تغير الوضع، وقررت كراي أن هذا هو السبيل الوحيد للمضي قدمًا. ^{[ 10 ]} نظرًا لقلة استثمارات شركات تصنيع الرقائق الكبرى، قررت كراي الاستثمار في شركة ناشئة لتصنيع رقائق زرنيخيد الغاليوم، وهي شركة جيجابت لوجيك، واستخدامها كمورد داخلي. ^{[ 11 ]}

في وصفها للنظام في نوفمبر 1988، ذكرت شركة كراي أن الزيادة في الأداء بمقدار 12 ضعفًا ستتألف من زيادة ثلاثة أضعاف بفضل دوائر GaAs، وأربعة أضعاف بفضل استخدام المزيد من المعالجات. كانت إحدى مشكلات Cray-2 هي ضعف أداء المعالجة المتعددة نتيجةً لمحدودية عرض النطاق الترددي بين المعالجات، وللتغلب على هذه المشكلة، اعتمدت Cray-3 بنيةً أسرع بكثير، وهي البنية المستخدمة في Cray Y-MP . سيوفر هذا أداءً تصميميًا يصل إلى 8000 مليون عملية حسابية في الثانية (MIPS) ، أو 16 جيجا فلوبس (GFLOPS) . ^{[ 7 ]}

كان من المقرر في الأصل تسليم جهاز Cray-3 في عام 1991. ^{[ 12 ]} تزامن ذلك مع انكماش سريع في سوق الحواسيب العملاقة، حيث انخفض معدل نموها السنوي من 50% في عام 1980 إلى 10% في عام 1988. ^{[ 10 ]} في الوقت نفسه، كانت شركة Cray Research تعمل أيضًا على Y-MP، وهو إصدار أسرع متعدد المعالجات من بنية النظام، ويعود أصله إلى Cray-1 الأصلي . ولتركيز جهود مجموعتي Y-MP وCray-3، وبدعم شخصي من Cray، ^{[ 13 ]} انتقل مشروع Cray-3 إلى مركز أبحاث جديد في كولورادو سبرينغز . ^{[ 3 ]}

بحلول عام ١٩٨٩، بدأت عمليات تسليم جهاز Y-MP، وانتقل مختبر CRI الرئيسي في تشيبيوا فولز، ويسكونسن ، إلى جهاز C90، الذي يُعدّ تحسينًا إضافيًا لسلسلة Y-MP. ^{[ ١٤ ] [ ١٥ ]} مع بيع ٢٥ جهاز Cray-2 فقط، قررت الإدارة وضع جهاز Cray-3 ضمن أولويات التطوير المنخفضة. في نوفمبر ١٩٨٨، تم فصل مختبر كولورادو سبرينغز ليصبح شركة Cray Computer Corporation (CCC)، مع احتفاظ CRI بنسبة ١٠٪ من أسهم الشركة الجديدة وتقديم سند إذني بقيمة ٨٥ مليون دولار لتمويل التطوير. ^{[ ٣ ]} لم يكن كراي نفسه مساهمًا في الشركة الجديدة، وعمل بموجب عقد. ^{[ ١٦ ] [ ١٧ ]} نظرًا لاحتفاظ CRI بعقد إيجار المبنى الأصلي، اضطرت الشركة الجديدة إلى الانتقال مرة أخرى، مما تسبب في مزيد من التأخير. ^{[ ٣ ] [ ٦ ]}

بحلول عام ١٩٩١، كان التطوير متأخرًا عن الجدول الزمني. ^{[ ١٨ ]} وتباطأ التطوير أكثر عندما ألغى مختبر لورانس ليفرمور الوطني طلبه للجهاز الأول، ^{[ ١٩ ]} لصالح جهاز C90. وغادر العديد من المديرين التنفيذيين، بمن فيهم الرئيس التنفيذي، الشركة. ^{[ ١٦ ]} ثم أعلنت الشركة أنها ستبحث عن عميل يحتاج إلى نسخة أصغر من الجهاز، بأربعة إلى ثمانية معالجات. ^{[ ٢٠ ]}

أُعيرت أول (والنموذج الإنتاجي الوحيد) (الرقم التسلسلي S5، المسمى Graywolf ) إلى المركز الوطني لأبحاث الغلاف الجوي (NCAR) كنظام تجريبي في مايو 1993. زُوّد نموذج NCAR بأربعة معالجات وذاكرة مشتركة سعتها 128  ميجا كلمة (كلمات 64 بت، 1  جيجابايت). ^{[ 21 ]} أثناء التشغيل، تبيّن أن ذاكرة الوصول العشوائي الثابتة (SRAM ) تُسبب مشاكل. كما اكتُشف أن كود الجذر التربيعي يحتوي على خطأ برمجي أدى إلى خطأ في عملية حسابية واحدة من بين 60 مليون عملية. بالإضافة إلى ذلك، لم يكن أحد المعالجات المركزية الأربعة يعمل بكفاءة. ^{[ 22 ]}

أعلنت شركة CCC إفلاسها في مارس 1995، بعد إنفاقها حوالي 300 مليون دولار على التمويل. وتم إيقاف تشغيل جهاز المركز الوطني لأبحاث الغلاف الجوي (NCAR) رسميًا في اليوم التالي. ^{[ 23 ]} تم بناء سبع خزائن أنظمة، أو "وحدات"، تحمل الأرقام التسلسلية من S1 إلى S7، لأجهزة Cray-3. وكانت معظمها مخصصة لأجهزة أصغر حجمًا بمعالجين. استُخدمت ثلاث من هذه الوحدات الأصغر في مشروع Cray-4 ، ^{[ 24 ]} وهو في الأساس جهاز Cray-3 مزود بـ 64 معالجًا أسرع تعمل بسرعة 1  نانوثانية (1  جيجاهرتز) ومُكدسة في مساحة أصغر. ^{[ 25 ]} واستُخدمت وحدة أخرى في مشروع Cray-3/SSS . ^{[ 26 ]}

يعود فشل جهاز Cray-3 إلى حد كبير إلى تغير المناخ السياسي والتقني. فقد صُمم الجهاز خلال انهيار حلف وارسو ونهاية الحرب الباردة ، مما أدى إلى تقليص كبير في مشتريات الحواسيب العملاقة. ^{[ 20 ] [ 27 ]} في الوقت نفسه، كان السوق يستثمر بشكل متزايد في تصميمات المعالجة المتوازية الضخمة (MP أو MPP). انتقد كراي هذا النهج، ونقلت عنه صحيفة وول ستريت جورنال قوله إن أنظمة MPP لم تثبت بعد تفوقها على الحواسيب المتجهة، مشيرًا إلى الصعوبة التي واجهها العديد من المستخدمين في برمجة الأجهزة المتوازية الكبيرة. "لا أعتقد أنها ستنجح عالميًا، على الأقل ليس في حياتي". ^{[ 27 ]}

تضمنت بنية نظام Cray-3 نظام معالجة أمامي ، وما يصل إلى 16 معالجًا خلفيًا ، وذاكرة مشتركة تصل سعتها إلى 2 جيجا كلمة (16 جيجابايت) . خُصص النظام الأمامي للإدخال/الإخراج وإدارة النظام، وشمل معالجًا 32 بت وأربع قنوات بيانات متزامنة لأجهزة التخزين والشبكات، بشكل أساسي عبر قنوات HiPPI . ^{[ 28 ]}

يتألف كل معالج خلفي من قسم حسابي ، وقسم تحكم ، وذاكرة محلية . يُجري القسم الحسابي عمليات حسابية قياسية، وحسابية ذات فاصلة عائمة ، وحسابية متجهة بدقة 64 بت . يوفر قسم التحكم مخازن مؤقتة للتعليمات، ووظائف إدارة الذاكرة، وساعة توقيت حقيقية . تم دمج 16 كيلو كلمة (128 كيلوبايت) من الذاكرة المحلية عالية السرعة في كل معالج خلفي لاستخدامها كذاكرة مؤقتة. ^{[ 29 ]}

كانت الذاكرة المشتركة تتكون من ذاكرة SRAM بتقنية CMOS المصنوعة من السيليكون ، مُنظمة في ثمانيات ، كل منها يحتوي على 64 بنكًا، مع إمكانية وجود ما يصل إلى ثمانيات. وكان حجم الكلمة 64 بتًا بالإضافة إلى ثمانية بتات لتصحيح الأخطاء ، وبلغ إجمالي عرض نطاق الذاكرة 128 جيجابايت في الثانية. ^{[ 30 ]}

كما هو الحال في التصاميم السابقة، يتألف لبّ جهاز Cray-3 من عدد من الوحدات ، تحتوي كل منها على عدة لوحات دوائر كهربائية مُعبأة بالمكونات. ولزيادة الكثافة، لم تُغلّف رقائق GaAs الفردية ، بل رُكّبت عدة رقائق مباشرةً باستخدام لحام الذهب بالموجات فوق الصوتية على لوحة مربعة الشكل تقريبًا، يبلغ طول ضلعها بوصة واحدة (25 مم) . ثم قُلبت اللوحات ووُصلت بلوحة ثانية تحمل الأسلاك الكهربائية، حيث تمر الأسلاك الموجودة على هذه اللوحة عبر ثقوب إلى الجانب "السفلي" (المقابل للرقائق) من حامل الرقائق، حيث تم لحامها، وبالتالي حُصرت الرقاقة بين طبقتي اللوحة. بعد ذلك، رُصّت هذه الوحدات الفرعية فوق بعضها البعض حتى عمق أربعة، وكما هو الحال في جهاز Cray-2، وُصلت ببعضها لتشكيل دائرة ثلاثية الأبعاد. ^{[ 21 ]} 

على عكس وحدة Cray-2، احتوت وحدات Cray-3 أيضًا على موصلات طرفية . تم توصيل ست عشرة وحدة فرعية من هذا النوع معًا في مصفوفة 4×4 لتكوين وحدة واحدة بأبعاد 121 × 107 × 7 مليمترات (4.76 بوصة × 4.21 بوصة × 0.28 بوصة) . حتى مع هذا التغليف المتقدم، كانت كثافة الدوائر منخفضة حتى بمعايير التسعينيات، حيث بلغت حوالي 96000 بوابة لكل بوصة مكعبة. ^{[ 31 ]} توفر وحدات المعالجة المركزية الحديثة ملايين البوابات لكل بوصة مربعة، وكان الانتقال إلى الدوائر ثلاثية الأبعاد لا يزال قيد الدراسة حتى عام 2017.     [ ^{32 ]​}

تم بعد ذلك تجميع 32 وحدة من هذا النوع وتوصيلها معًا باستخدام مجموعة من الأسلاك المجدولة لتشكيل معالج واحد. بلغ زمن الدورة الأساسي 2.11  نانوثانية، أو 474  ميجاهرتز، مما سمح لكل معالج بالوصول إلى حوالي 0.948 جيجا فلوب ، وجهاز مكون من 16 معالجًا بقدرة نظرية تبلغ 15.17 جيجا فلوب. وكان مفتاح الأداء العالي هو الوصول السريع إلى الذاكرة الرئيسية، مما سمح لكل عملية بنقل البيانات بسرعة تصل إلى 8 جيجابايت/ثانية. ^{[ 33 ]}

كانت الوحدات مُجمّعة في هيكل من الألومنيوم يُعرف باسم "الطوبة". غُمرت الطوب في سائل فلورينيرلت للتبريد، كما هو الحال في جهاز Cray-2. استهلك نظام رباعي المعالجات مزود بـ 64 وحدة ذاكرة حوالي 88  كيلوواط من الطاقة. ^{[ 21 ]} بلغ ارتفاع النظام الرباعي المعالجات حوالي 510 ملم (20 بوصة) من الأمام إلى الخلف، وعرضه ما يزيد قليلاً عن 0.61 متر (قدمين ) . ^{[ 34 ]}  

بالنسبة للأنظمة التي تضم ما يصل إلى أربعة معالجات، وُضِعَت مجموعة المعالجات أسفل غطاء أكريليك برونزي شفاف في الجزء العلوي من خزانة عرضها 1.1 متر (42 بوصة ) ، وعمقها 0.71 متر (28 بوصة) ، وارتفاعها 1.3 متر (50 بوصة) ، ^{[ 34 ]} مع وجود الذاكرة أسفلها، ثم وحدات التزويد بالطاقة وأنظمة التبريد في الأسفل. أما الأنظمة التي تضم ثمانية وستة عشر معالجًا، فكانت تُوضع في خزانة ثمانية الأضلاع أكبر حجمًا. وبشكل عام، كان جهاز Cray-3 أصغر بكثير من جهاز Cray-2، الذي كان بدوره صغيرًا نسبيًا مقارنةً بأجهزة الكمبيوتر العملاقة الأخرى. ^{[ 34 ]}   

بالإضافة إلى خزانة النظام، كان نظام Cray-3 يحتاج أيضًا إلى وحدة تحكم واحدة أو اثنتين (حسب عدد المعالجات) (أو "وحدات التحكم C")، مربعة الشكل بقياس 52.5 بوصة (1.33 متر) وارتفاع 55.3 بوصة (1.40 متر) ، تحتوي على معدات التحكم في الطاقة والتبريد. ^{[ 34 ]}  

تم تحديد التكوينات المحتملة التالية لـ Cray-3 رسميًا: ^{[ 35 ]}

كان جهاز Cray-3 يعمل بنظام التشغيل Colorado Springs ( CSOS ) الذي كان مبنيًا على نظام التشغيل UNICOS الإصدار 5.0 من شركة Cray Research. وكان أحد الاختلافات الرئيسية بين CSOS وUNICOS هو أن CSOS تم نقله إلى لغة C القياسية مع إزالة جميع امتدادات PCC المستخدمة في UNICOS. ^{[ 36 ]}

استُمدّت معظم البرامج المتوفرة في نظام Cray-3 من شركة Cray Research، وتضمنت على سبيل المثال نظام X Window ، ومترجمات FORTRAN و C المتجهة ، و NFS، ومجموعة بروتوكولات TCP/IP . ^{[ 37 ] [ 36 ]}