50 Jahre Cray-1: Der Supercomputer, der wie ein Sofa aussah
Vor 50 Jahren setzte der Cray-1 neue Maßstäbe in der Computertechnik. Seine damals unerreichte Rechenleistung machte ihn zum Symbol einer ganzen Supercomputer-Generation.
Auf den ersten Blick könnte der Cray-1 aus einem Science-Fiction-Film stammen. Zwölf hohe Schränke bilden einen offenen Kreis, umgeben von einer gepolsterten Sitzbank. Die ungewöhnliche Konstruktion hatte einen klaren Zweck: Sie sollte den Rechner möglichst schnell machen. Das gelang. Von 1976 bis 1982 galt der Cray-1 als schnellster Supercomputer der Welt.
Warum beim Cray-1 jeder Zentimeter zählte
Der US-amerikanische Ingenieur Seymour Cray entwickelte den Rechner. Bei der Konstruktion verfolgte er ein klares Ziel: Die elektronischen Bauteile sollten möglichst schnell miteinander kommunizieren.
Dafür hielt er die Verbindungen zwischen den Bauteilen möglichst kurz. Denn je länger eine Leitung ist, desto mehr Zeit benötigt ein elektrisches Signal für die Übertragung. Bei den hohen Taktraten des Cray-1 zählte deshalb jeder Zentimeter. Die C-förmige Anordnung verkürzte die Wege zwischen den Komponenten.
Quelle: Clemens Pfeiffer / Wikimedia Commons / CC BY 2.5
Insgesamt steckten mehr als 96 Kilometer Kabel in der Maschine. Trotzdem war keine einzelne Verbindung länger als etwa 90 Zentimeter. Die Leitungen wurden größtenteils von Hand verlegt. Allein der Zusammenbau eines Cray-1 dauerte fast ein Jahr.
Auch die gepolsterte Sitzbank hatte eine praktische Funktion. Unter ihr verbargen sich Teile der Stromversorgung. Die dicht gepackte Elektronik erzeugte zudem viel Wärme. Um diese abzuführen, nutzte der Cray-1 ein spezielles Kühlsystem mit flüssigem Kältemittel.
Quelle: Bild: Rama / Wikimedia Commons / CC BY-SA 2.0 FR
Das Ergebnis war ein rund 1,95 Meter hoher und mehr als fünf Tonnen schwerer Computer. Seine besondere Form brachte ihm den Spitznamen «teuerstes Sofa der Welt» ein. Im Englischen wurde er als «World's most expensive loveseat» bezeichnet. Tatsächlich konnten mehrere Personen auf der gepolsterten Sitzbank Platz nehmen.
Acht Megabyte Arbeitsspeicher für Millionen Dollar
Auch das Innenleben des Cray-1 war für seine Zeit außergewöhnlich. Der Prozessor arbeitete mit 80 Megahertz und erreichte eine theoretische Spitzenleistung von 160 Megaflops. Das entspricht 160 Millionen Gleitkommaoperationen pro Sekunde. Solche Berechnungen mit Kommazahlen sind beispielsweise für wissenschaftliche Simulationen wichtig.
Heute klingt das bescheiden. Moderne Prozessoren und Grafikkarten schaffen bei geeigneten Aufgaben viele Billionen solcher Operationen pro Sekunde. Selbst ältere Alltagscomputer übertreffen damit die Spitzenleistung des Cray-1 deutlich.
Seine Stärke lag vor allem in der sogenannten Vektorverarbeitung. Dabei konnte der Rechner dieselbe Rechenoperation auf eine ganze Reihe von Zahlen anwenden. Beispielsweise verarbeitete er Tausende Messwerte nacheinander, ohne für jeden Wert einen neuen Befehl zu benötigen. Das beschleunigte insbesondere Berechnungen mit großen Datenmengen und machte ihn effizient bei wissenschaftlichen Berechnungen
Quelle: The Board of Trustees of the Science Museum
Wie groß der Leistungssprung ausfiel, zeigte sich beim National Center for Atmospheric Research (NCAR). Dort erreichte der Cray-1 einen rund 4,5-mal so hohen Rechendurchsatz wie der zuvor eingesetzte CDC 7600.
Der Arbeitsspeicher umfasste in einer typischen Konfiguration rund acht Megabyte. Was heute kaum für ein einzelnes hochauflösendes Foto reicht, war damals eine beachtliche Kapazität.
Allerdings hatte diese Leistung ihren Preis. Je nach Ausstattung kostete ein Cray-1 mehrere Millionen US-Dollar. Das NCAR bezahlte 1976 beispielsweise 8,86 Millionen Dollar für sein System. Knapp eine Million Dollar entfiel allein auf die Festplatten.
Auch der Betrieb war teuer. Allein der Rechner benötigte rund 115 Kilowatt elektrische Leistung. Zusätzlich verursachten die aufwendige Kühlung und regelmäßige Wartung hohe Kosten.
Ein Supercomputer für Wissenschaft und Militär
Vor der Entwicklung des Cray-1 hatte Seymour Cray bereits bei Control Data Corporation an leistungsfähigen Computern gearbeitet. 1972 gründete er sein eigenes Unternehmen Cray Research im US-Bundesstaat Wisconsin.
Quelle: Cray Research
Zu seinen wichtigsten Kunden gehörten staatliche Forschungseinrichtungen. Während des Kalten Krieges investierten die USA erhebliche Summen in die Entwicklung leistungsfähiger Rechner. Besonders die Kernwaffenforschung erforderte komplexe physikalische Simulationen.
Das Los Alamos Scientific Laboratory (LASL) in New Mexico erhielt im März 1976 das erste Exemplar. Die Einrichtung spielte während des Zweiten Weltkriegs eine zentrale Rolle bei der Entwicklung der Atombombe. Nach einer sechsmonatigen Testphase nahm das LASL den neuen Rechner im Oktober 1976 in den regulären Betrieb.
Auch die Klima- und Wetterforschung profitierte von seiner Rechenleistung. Das NCAR setzte ab 1977 ein eigenes Exemplar ein, um unter anderem Modelle der Atmosphäre und schwerer Stürme zu berechnen.
Für Cray Research erwies sich die Maschine als Erfolg. Insgesamt wurden rund 80 Exemplare verkauft. Damit etablierte sich das Unternehmen als einer der wichtigsten Hersteller von Supercomputern. Das System beim NCAR blieb sogar bis Februar 1989 im Einsatz.
50 Jahre später: ein Cray-1 aus alten Macs
Wie stark sich die Computertechnik seither entwickelt hat, zeigt ein aktuelles Projekt aus Spanien. Das Museo de Historia de la Computación hat anlässlich des Jubiläums einen Cray-1 in Originalgröße nachgebaut. Der Nachbau dauerte rund 18 Monate.
Quelle: Museo de Historia de la Computación
Äußerlich orientiert sich die Nachbildung am historischen Vorbild. Im Inneren stecken jedoch 30 ausgemusterte Mac Minis aus den Jahren 2012 bis 2014. Zusammen verfügen sie über 70 Prozessorkerne, die Berechnungen untereinander aufteilen. Bei einem Test mit 64 aktiven Kernen erreichte der Verbund rund 1,3 Teraflops, also 1,3 Billionen Gleitkommaoperationen pro Sekunde. Dafür ließ das Museum die Rechner große Zahlenmatrizen multiplizieren. Der Nachbau dient vor allem dazu, die gemeinsame Rechenarbeit mehrerer Prozessoren zu demonstrieren.
Die Werte lassen sich allerdings nicht unmittelbar vergleichen: Beim Original handelt es sich um die theoretische Spitzenleistung, beim Nachbau um das Ergebnis eines eigens entwickelten Rechentests.
Das Museum plant bereits eine Erweiterung mit bis zu 80 modernen Mac Minis mit Apples M4-Chip. Besucherinnen und Besucher können an der Nachbildung beobachten, wie sich Berechnungen auf mehrere Prozessoren verteilen. Damit veranschaulicht das Projekt nicht nur den technischen Fortschritt, sondern auch den Wandel der Supercomputer-Architektur. Während der originale Cray-1 auf einen besonders schnellen Vektorprozessor setzte, verteilt der Nachbau seine Rechenaufgaben auf zahlreiche unabhängige Rechner.
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