В испанском Музее истории вычислительной техники завершили необычный проект, на который ушло полтора года. Энтузиасты воссоздали в натуральную величину знаменитый американский суперкомпьютер Cray-1, появившийся в 1976 году. Причём новый аппарат не просто выглядит как оригинал — он действительно выполняет сложные вычисления и по производительности значительно превосходит своего исторического предшественника.

Самое интересное находится внутри конструкции. Вместо специально разработанных процессоров инженеры использовали обычные компьютеры Apple Mac mini, которым уже больше десяти лет. И оказалось, что даже такая устаревшая по современным меркам техника способна показать весьма впечатляющий результат.

Почему Cray-1 когда-то считался чудом техники

В 1976 году американская компания Cray Research представила вычислительную машину, разработанную инженером Сеймуром Крэем. По меркам своего времени она обладала невероятной производительностью.

Cray-1 мог выполнять до 160 миллионов операций с плавающей запятой в секунду. Сегодня подобные возможности не впечатляют, но пятьдесят лет назад речь шла о вычислительной мощности, недоступной обычным компьютерам.

Для сравнения, массовые персональные компьютеры только начинали появляться, а до выпуска первого IBM PC оставалось ещё пять лет.

Cray-1 предназначался для научных и инженерных расчётов, требующих обработки огромного по тогдашним меркам количества данных.

Такие системы использовали для:

• Прогнозирования погоды и моделирования атмосферных процессов.

• Аэродинамических расчётов при разработке самолётов.

• Исследований в физике, включая моделирование сложных процессов.

• Инженерного проектирования, где требовались многочисленные математические вычисления.

Одной из особенностей Cray-1 стала векторная архитектура, позволявшая эффективно выполнять одинаковые операции над большими наборами чисел.

Но не менее примечательной оказалась внешность суперкомпьютера. Он имел цилиндрический корпус с разрывом, напоминавший сверху букву C. Вокруг основания располагалась своеобразная скамья, под которой скрывалась часть оборудования.

Форма была выбрана не только ради красоты. Она позволяла сокращать расстояния между электронными компонентами, что имело большое значение для быстродействия.

Как старые компьютеры Apple превратили в суперкомпьютер

Сотрудники испанского Музея истории вычислительной техники, расположенного в населённом пункте Махадас-де-Тьетар, решили воспроизвести знаменитую конструкцию.

Проект приурочили к пятидесятилетию Cray-1 и основанию Apple, которое также произошло в 1976 году.

Для создания работающей вычислительной системы использовали 30 компьютеров Mac mini, выпущенных в 2012–2014 годах.

Внутри находятся:

• 25 Mac mini с двухъядерными процессорами Intel Core i5.

• 5 Mac mini с четырёхъядерными Intel Core i7.

• Сетевое оборудование, объединяющее компьютеры.

• Специальные крепления и система отвода тепла.

В совокупности система изначально располагала 70 процессорными ядрами. Компьютеры соединили в вычислительный кластер, который распределяет работу между несколькими машинами.

Для взаимодействия узлов используется технология MPI — интерфейс передачи сообщений между параллельно работающими программами.

Именно благодаря этому обычные компьютеры способны совместно выполнять математические расчёты, которые иначе пришлось бы поручить одному устройству.

Насколько новый Cray-1 мощнее оригинала

По расчётам создателей, теоретическая пиковая производительность системы составляет около 1,5 терафлопса. Это 1,5 триллиона операций с плавающей запятой в секунду.

У оригинального Cray-1 соответствующий показатель достигал 160 мегафлопс, или 160 миллионов операций.

Таким образом, расчётная производительность испанской копии примерно в 9375 раз выше, чем у исторического суперкомпьютера.

Однако в ходе испытаний возникла небольшая техническая проблема: один из Mac mini с четырёхъядерным процессором вышел из строя.

После этого в рабочей конфигурации осталось 64 вычислительных ядра, а достигнутая производительность составила примерно 1,3 терафлопса.

Следует учитывать, что подобное сравнение приблизительное. Архитектуры устройств сильно различаются, а реальные результаты зависят от конкретной вычислительной задачи. Нельзя утверждать, что испанская система будет в тысячи раз быстрее абсолютно во всех программах.

Тем не менее результат наглядно показывает, насколько далеко продвинулась вычислительная техника за полвека.

Почему старый Cray-1 требовал мощного охлаждения, а копия почти бесшумная

Ещё одна интересная особенность проекта связана с охлаждением.

Оригинальный Cray-1 выделял огромное количество тепла. Для отвода энергии применялась специальная система охлаждения с хладагентом, а оборудование занимало дополнительное пространство.

Энергопотребление суперкомпьютера измерялось десятками и сотнями киловатт с учётом конфигурации и вспомогательных систем.

У современных мини-компьютеров требования значительно скромнее. Испанские инженеры разместили Mac mini вертикально на металлических креплениях, чтобы нагретый воздух мог естественным образом подниматься вверх.

В результате дополнительного мощного охлаждения не понадобилось.

По словам создателей, работающая система настолько тихая, что основным источником заметного шума стали сетевые коммутаторы. В дальнейшем их планируют заменить более тихими моделями.

Это ещё одно важное различие между двумя эпохами вычислительной техники: современное оборудование способно выполнять значительно больше операций при гораздо меньших затратах энергии.

Зачем построили отдельный пульт управления

Авторы проекта не ограничились воспроизведением внешнего корпуса. Для нового Cray-1 создали специальный терминал, напоминающий оборудование вычислительных центров 1970-х годов.

Это большой металлический стол с клавиатурой, несколькими дисплеями и характерными элементами оформления.

Внешне он напоминает пульт управления из старых научно-фантастических фильмов. Но экраны здесь не декоративные.

Посетители музея могут наблюдать, как вычислительная система выполняет операции с большими матрицами. Это один из видов математических задач, в которых используются параллельные вычисления.

Можно увидеть, как меняется производительность при использовании одного процессорного ядра и при распределении задачи между несколькими компьютерами.

Таким образом, устройство одновременно служит историческим экспонатом и наглядным пособием по устройству вычислительных кластеров.

Что собираются сделать дальше

Создатели реплики не намерены останавливаться на достигнутом. Они рассматривают возможность собрать средства на покупку ещё 70–80 компьютеров Mac mini, но уже с современными процессорами Apple M4.

Новые устройства планируют разместить в свободной части конструкции, значительно увеличив общую вычислительную мощность.

У организаторов есть амбициозная цель — попытаться добиться попадания системы в рейтинг TOP500, куда включают наиболее производительные суперкомпьютеры мира.

Пока это только намерение. Достижение необходимого уровня мощности потребует серьёзных испытаний, а современные суперкомпьютеры из TOP500 на порядки превосходят обычные персональные устройства.

Тем не менее уже реализованный проект представляет немалый интерес.

Cray-1, который полвека назад считался вершиной вычислительной техники, сегодня удалось превзойти при помощи тридцати старых домашних компьютеров. Причём построенных совсем не для научных лабораторий, а для обычных пользователей.

Испанский эксперимент получился хорошей иллюстрацией технического прогресса. Он показывает не только то, насколько выросла производительность процессоров, но и как изменились размеры, энергопотребление и доступность вычислительных технологий за последние пятьдесят лет.