Cray on Melabit

Cray-1 per approfondire

Mon, 04 Sep 2017 06:00:00 +0000

A conclusione di questa serie di articoli sul Cray-1 (Cray-1 il macina numeri, Cray-1 a confronto e Cray-1 saltare le conclusioni), qualche link utile per approfondire la conoscenza di questa macchina affascinante, una dei computer più significativi della storia.

Pagine web contenenti ulteriori informazioni sul Cray-1

Articoli tecnici, ma piuttosto comprensibili, sul Cray-1

R.M. Russell, The CRAY- 1 Computer System, Communications of the ACM, vol. 21 no. 1 (1978).
J. S. Kolodzey, CRAY-1 Computer Technology, IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. CHMT-4 no.2 (1981).

Una introduzione semplificata al Cray-1, che riprende in parte i due articoli precedenti

A. Hioki, The Cray-1 Supercomputer (2002).

Brochure di presentazione del Cray-1 e dei suoi successori

Manuali scannerizzati contenenti la documentazione originale del Cray-1

http://bitsavers.informatik.uni-stuttgart.de/pdf/cray/CRAY-1.

Emulatori del Cray-1

E per finire una bella foto d’epoca, dove si vede un Cray-1 in fase di montaggio (che poteva durare settimane). La struttura alla base su cui il tecnico poggia il piede contiene il sistema di alimentazione e parte del complesso sistema di raffreddamento della macchina (il resto si trova nel pavimento). Alla fine del montaggio diventa un caratteristico sedile di pelle, una space di marchio di fabbrica dei supercomputer dell’azienda.

Cray-1 saltare le conclusioni

Fri, 01 Sep 2017 06:00:00 +0000

Oops…! Troppe cose da fare, troppe distrazioni (in particolare in questi giorni di tarda, ma ancora infuocata, estate), e così succede di saltare completamente tutta la prima (lunga) parte delle conclusioni dell’articolo precedente. Eccole qui, e già che c’ero le ho riviste (ed estese) un po'.

Le conclusioni mancanti

Nell’articolo precedente, che mette a confronto le prestazioni del Cray-1 con quelle dei computer odierni, si è visto che un qualunque computer odierno è un mostro di velocità rispetto ad un Cray-1 e che persino un umile Raspberry Pi da poche decine di euro lo sopravanza di almeno 5 volte.

Ma se i nostri computer di oggi sono così veloci, perché abbiamo sempre l’impressione contraria e pensiamo sempre che stiano andando pianissimo? E perché dopo pochi anni diventano obsoleti?

Perché non è solo una questione di velocità di calcolo. Come già detto, i MFLOPS misurano la velocità di un computer nell’eseguire calcoli, ma sono assolutamente inadeguati a valutare le prestazioni delle altre componenti di un computer (RAM, scheda grafica, dischi rigidi, etc.)

Con i supercomputer questo parametro funziona benissimo, perché i supercomputer (come il Cray-1) sono fatti solo ed esclusivamente per fare calcoli. Anzi, il Cray-1 era tanto ottimizzato per il calcolo numerico puro da avere un hardware costruito specificatamente per quello e un sistema operativo minimale, fatto solo per gestire le varie componenti dell’hardware e l’esecuzione dei programmi. Tutto il resto, dall’avvio del sistema operativo del Cray all’interazione con l’utente, era gestito da un minicomputer esterno interfacciato alla macchina principale, la cosiddetta Maintenance Control Unit (MCU), lasciando libero il Cray-1 di occuparsi solo di quello che sapeva fare meglio, calcolare.

Ma in un computer c’è tanto altro, c’è la memoria RAM, c’è il sistema grafico (che oggi ha una importanza preponderante), ci sono le memorie di massa (come i dischi rigidi a stato solido o meccanici) e tutti questi componenti contribuiscono in modo profondamente diverso alle prestazioni generali e avvertite di un computer.

Ma tutto sommato l’hardware è il meno. In realtà ciò che ormai influenza di più la nostra valutazione delle prestazioni velocistiche di un computer è il software, il sistema operativo e le applicazioni che ci girano sopra.¹

I sistemi operativi moderni sono mostri di complessità inestricabile, devono fare milioni di cose diverse e occupano gigabyte e gigabyte di spazio sui nostri dischi rigidi. Lo stesso, e persino peggio, per le applicazioni, sempre più gigantesche e sempre meno ottimizzate.²

Del resto, a che serve perdere tempo ad ottimizzare il codice? Molto più comodo presupporre che sia l’hardware a fare la sua parte: la nuova release del sistema operativo X o del programma Y è lenta? Colpa del computer, bisognerà prenderne un altro più moderno e veloce.

Ma siamo sicuri che tutto ciò sia necessario?

Ecco perché è utile, utilissimo, tornare alle basi, riscoprire lo spirito degli home computer degli anni ‘80. Lasciar perdere il Mac (o il PC) sulla scrivania e provare ad usare un computer piccolo piccolo come il Raspberry Pi. Imparare a programmarlo e vedere l’effetto che fa, magari realizzando qualche progetto già esistente. E poi provare ad usare l’interfaccia a linea di comando invece di quella grafica, per accorgersi che tutto diventa improvvisamente scattante ed efficiente.

Con il Cray-1 (e non solo) hanno fatto calcoli pazzeschi, sfruttando al massimo l’hardware che avevano a disposizione e inventando trucchi geniali per superarne le limitazioni. Non è il caso di smettere di adagiarci fra i nostri comodi cuscini tecnologici e riscoprire le basi dell’uso del computer?

(continua…)

Negli anni ‘80-90 non era così, i dischi rigidi e le schede grafiche in particolare erano così lenti rispetto a processore e RAM da rallentare sensibilmente l’esecuzione dei programmi. ↩︎
Se usate un Mac, lanciate iTunes, andate alla sezione delle app per iPhone/iPad ed elencatele per dimensione. Vi accorgerete che solo una minoranza di quelle che avete occupa meno di 10-20 MB (senza dati) e che parecchie, non solo giochi ma anche cose più serie, superano tranquillamente i 200 MB. Sul mio iPad l’aplicazione più grossa occupa ben 1.5 GB. E stiamo parlando di dispositivi mobili. Figuriamoci quanto sono grandi le applicazioni per il Mac! ↩︎

Cray-1 a confronto

Thu, 31 Aug 2017 06:00:00 +0000

Non è solo nostalgia. Parlare di Cray-1 oggi non serve solo a ricordare i bei tempi andati quando i pochi sacerdoti del computer programmavano direttamente in codice macchina, ma serve a mettere nella giusta prospettiva quello che abbiamo a disposizione oggi, paragonandolo a ciò che quarant’anni fa era considerato lo stato dell’arte, il meglio del meglio.

Benchmark

Per farlo si può usare un benchmark, un programma fatto apposta per mettere alla prova le caratteristiche di un computer.

I benchmark non hanno una buona fama, anche perché vengono usati troppo spesso dal marketing per mettere in luce i soli aspetti positivi di una macchina, nascondendo con cura quelli negativi. Ma non è questo il caso: qui non dobbiamo vendere niente, ma ci interessa solo valutare la pura velocità di calcolo di un computer, sintetizzata da un numero semplice semplice, i MFLOPS (o megaFLOPS, Million of Floating Point Operations Per Second), cioè i milioni di operazioni in virgola mobile che un computer può eseguire ogni secondo.

Questo parametro è stato introdotto nei primi anni ‘70 per misurare le prestazioni velocistiche dei primi supercomputer ed è utile perché, pur se dà una idea molto parziale delle prestazioni complessive di un computer, permette di confrontare la velocità di calcolo di macchine di generazioni molto lontane tra loro.

Uno dei benchmark usati per misurare i MFLOPS è stato sviluppato nel 1970 in FORTRAN (allora il linguaggio d’elezione per il calcolo scientifico) presso il LLNL, il Lawrence Livermore National Laboratory, uno dei due mega laboratori di ricerca dedicati allo studio delle armi nucleari e delle applicazioni dell’energia nucleare degli Stati Uniti (l’altro è quello di Los Alamos, dove durante la II Guerra Mondiale venne sviluppata la prima bomba atomica).

Il benchmark dell’LLNL prevede l’esecuzione di un gran numero di tipi diversi di calcoli numerici, che vengono ripetuti in condizioni diverse. I risultati vengono sintetizzati riportando i valori massimi e minimi di MFLOPS e vari valori medi. Per semplicità mi limiterò a mostrare solo i valori massimi, che sono poi quelli che vengono usati normalmente per i confronti fra le varie macchine (e che fanno sempre più scena).

Cray-1 e successori

Ed allora ecco i risultati del benchmark dell’LLNL, eseguiti sul Cray-1 e sui suoi immediati successori. Per confronto vengono riportati anche i valori ottenuti con il CDC 7600, il computer più potente del mondo prima dell’arrivo del Cray-1.

Modello	Frequenza (MHz)	MFLOPS (max)	Anno
CDC 7600	36	7	1969
Cray 1	80	83	1975
Cray XMP1	105	188	1982
Cray 2	244	146	1985

Il Cray-1, che è stato inequivocabilmente il supercomputer più popolare di tutti i tempi (è perfino comparso in Tron), aveva a metà degli anni ‘70 una potenza di calcolo di circa 80 MFLOPS e nei dieci anni seguenti il suo successore più potente non andava oltre i 190 MFLOPS. Questa è la base di partenza per tutti i confronti successivi.

In questo momento il supercomputer più potente del mondo ha più di 10.000 unità di calcolo (core)¹ e raggiunge una velocità di calcolo di 93.000 TFLOPS (teraFLOPS), un miliardo di volte maggiore di un CRAY-1.² Ci sono buone probabilità di raggiungere gli exaFLOPS entro l’anno prossimo.

Cray-1 e personal computer

Negli stessi anni in cui il Cray-1 (e successori) dominava la scena del supercalcolo, sono arrivati i computer personali, prima l’Apple II e poi il PC dell’IBM e il Macintosh Apple, che hanno fatto uscire i computer dalle stanze termostatizzate delle università e dei centri di ricerca, diffondendoli in ambiti lavorativi nei quali il massimo della tecnologia era la calcolatrice elettrica.

Ci sono voluti esattamente vent’anni per arrivare ad avere sulla scrivania un computer quasi altrettanto potente di un Cray-1, spinto dal processore Pentium ad alta frequenza che furoreggiava al momento dell’uscita di Windows 95 (su quelli precedenti che sbagliavano i calcoli in virgola mobile è meglio stendere un velo pietoso).

Poi c’è stata l’esplosione: dopo altri dieci anni la velocità di calcolo puro era cresciuta di oltre 25 volte e oggi, con poche migliaia di euro, possiamo comprare un computer che esegue calcoli 50-100 volte più velocemente di un Cray-1, che costava una decina di milioni di dollari.

Modello	Frequenza (MHz)	MFLOPS (max)	Anno
Cray 1	80	83	1975
AMD 80386	40	1	1991
80486 DX2	66	5	1992
Pentium	75	24	1994
Pentium	200	66	1995
Pentium Pro	200	121	1996
Pentium II	450	267	1998
Pentium III	1000	593	2000
Pentium 4	1700	1043	2001
Core 2 Duo	2400	2236	2006
Core i7	3700	5508	2013

Ma anche i dispositivi mobili odierni si difendono bene: un iPhone 4 di 7 anni fa è venti volte più veloce del Cray-1, idem per l’iPad 2 del 2011. Purtroppo non ci sono dati per i dispositivi mobili più recenti, ma è più che probabile che ci sia stato un incremento di prestazioni di almeno 10 volte.

Tutto questo in fondo non è altro che una conseguenza della legge di Moore, che ci insegna che la complessità (e quindi la potenza) dei circuiti microelettronici (come i processori) raddoppia ogni 18 mesi, nonché delle economie di scala prodotte dalla loro enorme diffusione, che hanno abbattuto in modo inaudito i costi delle apparecchiature elettroniche.

Un qualunque computer odierno è un mostro di tecnologia rispetto ad un Cray-1, naturale che sia anche molto più veloce (e molto meno costoso).

Cray-1 e Raspberry Pi

Come si rapporta invece il Cray-1 al computer più piccolo e meno potente che possiamo usare oggi, il Raspberry Pi, che è senza alcun dubbio il computer più simile ai computer personali da casa degli anni ‘80, come i leggendari VIC-20 e 64 della Commodore o ZX80, ZX81 e Spectrum prodotti dalla Sinclair, che hanno permesso alla mia generazione di introdursi dello straordinario mondo dei computer e della programmazione?

[caption width=“800”] Sinclair ZX81 collegato a monitor e registratore a cassette (1981).[/caption]

[caption width=“800”] Configurazione analoga del Raspberry Pi.[/caption]

Ricordo a chi negli ultimi anni fosse vissuto in un’isola deserta che il Raspberry Pi è una schedina di appena 85 x 56 mm, più piccola di un disco rigido per notebook, che contiene un intero computer su cui può girare Linux o (volendo farsi del male) una versione speciale di Windows 10. Il modello più potente, il Raspberry Pi 3 Model B presentato all’inizio del 2016, ha un processore quad-core ARM a 1.2 GHz (come quelli usati negli smartphone) e 1 GB di memoria RAM. Costa circa 40 euro, a cui bisogna aggiungere qualcosa per l’alimentatore, la scheda SD e il cavo di collegamento al monitor, tutti accessori che sono quasi sempre già disponibili.

Il Raspberry Pi può essere usato per insegnare l’uso del computer partendo dalle basi (un computer odierno è troppo complesso e ha troppe funzioni nascoste dal sistema operativo per essere usato efficacemente per questo scopo) oppure per costruire sistemi autonomi che svolgono le funzioni più disparate, dalla video sorveglianza a sistemi robotici di tutti i tipi, fino ad applicazioni più casalinghe come home theater, NAS, strumenti musicali e, naturalmente, giochi.

Come va questo microcomputer che costa pochi spiccioli rispetto al mostro sacro degli anni ‘70? Basta dare una occhiata qui sotto: il primissimo modello di Raspberry Pi di cinque anni fa esegue i calcoli in virgola mobile due volte più velocemente del Cray-1, quello attuale è 5-8 volte più veloce, a seconda che si usi un sistema operativo (Linux) a 32 o a 64 bit. Un’altro tipo di benchmark eseguito sul Raspberry Pi originale da risultati analoghi: se il Raspberry Pi risulta avere prestazinoni di calcolo equivalenti al Cray XMP, che a sua volta era il doppio più veloce del Cray-1… completate voi il sillogismo.

Modello	Frequenza (MHz)	MFLOPS (max)	Anno
Cray 1	80	83	1975
Raspberry Pi	700	148	2012
Raspberry Pi 2	900	248	2015
Raspberry Pi 3 (32 bit)	1200	435	2016
Raspberry Pi 3 (64 bit )	1200	649	2016

Una piccola schedina da 40 euro equivale a 5 Cray-1 da almeno 40 milioni di dollari (di allora).

Stupefacente. Basta fare due conti per accorgersi che il rapporto prestazioni/prezzo del Rasperry Pi 3 è inarrivabile, ben superiore a quello di qualunque altro computer che abbiamo (o abbiamo avuto) a disposizione.

Conclusioni

Usiamo ogni giorno dei veri e propri supercomputer, anzi li portiamo in tasca. Abbiamo a disposizione un computerino piccolo piccolo che, a un costo ridicolo, offre prestazioni ben superiori di supercomputer che venivano usati per applicazioni scientifiche complicatissime.

Non ci sono scuse.

Usiamo le enormi risorse tecnologiche che abbiamo a disposizione per capire come funziona un computer, per imparare a programmare, per costruire un robot, per farci da soli un innaffiatore automatico per le piante del balcone.

Non importa cosa, non importa come, l’importante è avere voglia di sporcarsi le mani e imparare. È un vero spreco usare la tecnologia straordinaria che abbiamo a disposizione solo per passare il tempo su Facebook o su Instagram.

(continua…)

I processori commerciali possono avere oggi dai 4 ai 16 core, quelli professionali hanno alcune decine di core e i processori ultra-specializzati delle schede grafiche arrivano a diverse centinaia di core. ↩︎
RIcordo ai più smemorati che 1 MFLOPS corrisponde a $latex 10^{6}$ FLOPS (1 milione di FLOPS), Di conseguenza 1 TFLOPS equivale a $latex 10^{6}$ MFLOPS (1 milione di MFLOPS) e 1 EFLOPS (o exaFLOPS) equivale a $latex 10^{12}$ MFLOPS (mille miliardi di MFLOPS). ↩︎

Cray-1 il macina numeri

Mon, 21 Aug 2017 06:00:00 +0000

Cray. Oggi non se lo ricorda quasi nessuno (o magari pensa ad un supermercato), ma negli anni ‘70 e ‘80 Cray era sinonimo di supercomputer, quei computer potentissimi e inaccessibili usati per la ricerca nucleare o spaziale o per prevedere il tempo.

_Il Cray-1 esposto al Deutsches Museum di Monaco, presumibilmente l'unità appartenuta al Max Planck Institute di Garching, Monaco._

Per tutta la seconda metà degli anni ‘70 non esisteva nessun computer più potente del Cray-1, un bestione di due metri da 10 milioni di dollari (di allora, oggi corrispondono a più o meno il doppio), costruito in modo quasi artigianale. Il primo computer ad usare i circuiti integrati – solo quattro tipi diversi – distribuiti su centinaia e centinaia di schede elettroniche strettamente accoppiate, che producevano tanto calore da dover essere raffreddate con un sistema speciale a base di freon.

_Schede elettroniche modulari del Cray-1._

Il Cray-1 era composto da 12 colonne a forma di cuneo con la punta tagliata, che formavano un arco di 270°. Visto da sopra ricordava la lettera “C” di Cray. Ma la forma aveva una funzione precisa: minimizzare la lunghezza dei collegamenti fra le schede elettroniche che componevano l’intero computer, ciascuno dei quali non dovevano superare i 120 centimetri per non rallentare inutilmente la macchina. C’erano migliaia di coppie intrecciate di cavi bianchi e azzurri, per un totale più di 100 chilometri di cavo, a formare un groviglio che sembrava inestricabile.

_Groviglio di cavi nella zona centrale del Cray-1._

Per gli standard di allora il Cray-1 era veloce, anzi velocissimo: 138 MFLOPS (cioè milioni di operazioni in virgola mobile al secondo) continuativi e 250 MFLOPS, quasi il doppio, per brevi periodi di tempo, circa 5 volte meglio del miglior computer dell’epoca, il CDC 7600. E tutto ciò nonostante le due ore giornaliere di fermo macchina necessarie per le operazioni di manutenzione preventiva.

Il Cray-1 era costruito apposta per fare calcoli o macinare i numeri (number crunching), come si usava dire allora, preferibilmente lavorando in parallelo sui cosiddetti vettori, strutture matematiche formate da numeri dello stesso tipo organizzati in righe o colonne. Il suo compilatore trasformava il normale codice FORTRAN in istruzioni specifiche per l’hardware della macchina, e i risultati dei calcoli venivano usati immediatamente per le elaborazioni successive, senza passare dalla memoria. Il concetto di chaining (o pipelining) diventerà comune solo decine di anni dopo.

Il Cray-1 era super anche per il resto delle sue caratteristiche hardware: 8 MB di memoria RAM e una frequenza di clock di 80 MHz, numeri astronomici per l’epoca (tanto per mettere le cose in prospettiva, il primo modello di Apple II del 1977 aveva una frequenza di clock di 1 MHz, una memoria massima di 48 kB e costava 2500 dollari; se avesse avuto le stesse specifiche hardware dal CRAY-1 sarebbe dovuto costare più di 30 milioni di dollari).

Per chi come me si è appassionato di computer alla fine degli anni ‘70, il Cray-1 era un mito irraggiungibile. Riservato solo a pochissimi scienziati, agli altri toccavano le schede perforate o, al massimo, il VAX.

Pochi giorni fa ho avuto la fortuna di vederne uno dal vivo, al Deutsches Museum di Monaco, uno dei principali musei della scienza e della tecnica del mondo (se passate da Monaco una visita al Deutsches Museum è d’obbligo). Era chiaramente il re della sezione, piazzato proprio al centro della stanza, ben in vista e ben illuminato. Ancora bellissimo, con il suo look inconfondibilmente anni ‘70.

Peccato solo non aver potuto condividere l’emozione con nessun altro, nemmeno con mia moglie, che pazientemente ha voluto accompagnarmi a visitare un settore del museo per lei assolutamente alieno.

(continua…)