50 anni del Cray-1: il supercomputer che sembrava un divano
50 anni fa, il Cray-1 stabilì nuovi standard nel campo dell'informatica. La sua potenza di calcolo, all'epoca senza precedenti, lo rese il simbolo di un'intera generazione di supercomputer.
A prima vista, il Cray-1 potrebbe sembrare uscito da un film di fantascienza. Dodici armadi alti formano un cerchio aperto, circondato da una panca imbottita. Questa struttura insolita aveva uno scopo ben preciso: rendere il computer il più veloce possibile. E ci riuscì. Dal 1976 al 1982 il Cray-1 fu considerato il supercomputer più veloce del mondo.
Perché nel Cray-1 ogni centimetro era fondamentale
L'ingegnere statunitense Seymour Cray sviluppò il computer. Nella sua progettazione perseguì un obiettivo ben preciso: fare in modo che i componenti elettronici comunicassero tra loro il più rapidamente possibile.
A tal fine, mantenne i collegamenti tra i componenti il più corti possibile. Infatti, più lungo è un cavo, più tempo impiega il segnale elettrico a percorrerlo. Date le elevate frequenze di clock del Cray-1, ogni centimetro era quindi fondamentale. La disposizione a forma di C consentì di ridurre le distanze tra i componenti.
Fonte: Clemens Pfeiffer / Wikimedia Commons / CC BY 2.5
Nella macchina erano presenti complessivamente oltre 96 chilometri di cavi. Eppure, nessun singolo collegamento superava i 90 centimetri di lunghezza. La maggior parte dei cavi fu installata mano. Il solo assemblaggio di un Cray-1 richiedeva quasi un anno.
Anche la panca imbottita aveva una funzione pratica: al suo interno erano nascosti alcuni componenti dell'alimentazione elettrica. Inoltre, i circuiti elettronici, molto ravvicinati tra loro, generavano una grande quantità di calore. Per dissiparlo, il Cray-1 utilizzava uno speciale sistema di raffreddamento a liquido refrigerante.
Fonte: Rama / Wikimedia Commons / CC BY-SA 2.0 FR
Il risultato fu un computer alto circa 1,95 metri con un peso di oltre cinque tonnellate. La sua forma particolare gli valse il soprannome di «divano più costoso del mondo», in inglese veniva chiamato «World's most expensive loveseat». In effetti, la panca imbottita era abbastanza ampia da permettere a più persone di sedersi contemporaneamente.
160 milioni di operazioni al secondo
Anche l'architettura interna del Cray-1 era straordinaria per l'epoca. Il processore funzionava a 80 megahertz e teoreticamente raggiungeva una potenza di calcolo massima di 160 megaflop. Ciò equivale a 160 milioni di operazioni in virgola mobile al secondo. Questi calcoli con numeri decimali sono importanti, ad esempio, per le simulazioni scientifiche.
Oggi queste prestazioni possono sembrare modeste. I moderni processori e le schede grafiche sono in grado di eseguire, nelle applicazioni più adatte, molti bilioni di operazioni di questo tipo al secondo. Persino i computer domestici di qualche anno fa superano nettamente la potenza di calcolo di picco del Cray-1.
Il suo punto di forza risiedeva soprattutto nella cosiddetta elaborazione vettoriale. Questa tecnica consentiva al computer di applicare la stessa operazione matematica a un'intera serie di numeri. Per esempio, elaborava migliaia di valori di misurazione in sequenza, senza dover impartire un nuovo comando per ciascun valore. Ciò accelerava notevolmente i calcoli su grandi quantità di dati e rendeva il Cray-1 particolarmente efficiente nelle applicazioni scientifiche.
Fonte: The Board of Trustees of the Science Museum
La portata di questo salto prestazionale emerse chiaramente al National Center for Atmospheric Research (NCAR), negli Stati Uniti. Il Cray-1 raggiunse una capacità di calcolo circa 4,5 volte superiore a quella del CDC 7600, il computer utilizzato in precedenza.
In una configurazione tipica, la memoria di lavoro era di circa otto megabyte. Una capacità che oggi a malapena basterebbe per una singola fotografia ad alta risoluzione, ma che all'epoca rappresentava una dotazione considerevole.
Queste prestazioni, tuttavia, avevano un prezzo elevato. A seconda della configurazione, un Cray-1 costava diversi milioni di dollari. Nel 1976, per esempio, l'NCAR pagò 8,86 milioni di dollari per il proprio sistema. Quasi un milione di dollari fu destinato alle sole unità a disco.
Anche i costi di gestione erano elevati. Il computer richiedeva da solo circa 115 kilowatt di potenza elettrica, a cui si aggiungevano le spese considerevoli per il complesso sistema di raffreddamento e la manutenzione periodica.
Un supercomputer per la scienza e il settore militare
Prima di sviluppare il Cray-1, Seymour Cray aveva già lavorato alla realizzazione di computer ad alte prestazioni presso la Control Data Corporation. Nel 1972 fondò la propria azienda, Cray Research, nello Stato americano del Wisconsin.
Fonte: Cray Research
Tra i suoi clienti più importanti figuravano istituti di ricerca pubblici. Durante la Guerra fredda, gli Stati Uniti investirono ingenti somme nello sviluppo di computer sempre più potenti. In particolare, la ricerca sulle armi nucleari richiedeva complesse simulazioni fisiche.
Nel marzo 1976, il Los Alamos Scientific Laboratory (LASL), nel Nuovo Messico, ricevette il primo esemplare. Durante la Seconda guerra mondiale, questo istituto aveva svolto un ruolo centrale nello sviluppo della bomba atomica. Dopo sei mesi di test, nell'ottobre 1976 il LASL mise il nuovo computer ufficialmente in funzione.
Anche la ricerca sul clima e sulle condizioni meteorologiche beneficiò della sua potenza di calcolo. Dal 1977, l'NCAR utilizzò un esemplare del Cray-1 per elaborare, tra le altre cose, modelli dell'atmosfera e simulazioni di tempeste violente.
Per Cray Research, il computer si rivelò un successo. In totale sono stati venduti circa 80 esemplari, consentendo all'azienda di affermarsi come uno dei principali produttori di supercomputer. Il sistema installato presso l'NCAR rimase addirittura in funzione fino al febbraio 1989.
50 anni dopo: un Cray-1 costruito con vecchi Mac
Un recente progetto spagnolo dimostra quanto si sia evoluta la tecnologia informatica da allora. In occasione dell'anniversario, il Museo de Historia de la Computación ha ricostruito un Cray-1 a grandezza naturale. La realizzazione della replica ha richiesto circa 18 mesi.
Fonte: Museo de Historia de la Computación
All'esterno, la replica riproduce fedelmente il modello storico. Al suo interno, però, ospita 30 Mac Mini dismessi, prodotti tra il 2012 e il 2014. Nel complesso, dispongono di 70 core di elaborazione, che si suddividono i calcoli da eseguire. Durante un test con 64 core attivi, il sistema ha raggiunto una potenza di calcolo di circa 1,3 teraflop, equivalenti a 1,300 miliardi di operazioni in virgola mobile al secondo. Per effettuare la prova, il museo ha fatto eseguire ai computer moltiplicazioni di grandi matrici numeriche. Lo scopo principale della replica è dimostrare come più processori possano collaborare per svolgere insieme operazioni di calcolo.
I risultati, tuttavia, non sono direttamente confrontabili: per il Cray-1 originale si considera la potenza di calcolo teorica di picco, mentre per la replica si fa riferimento ai risultati ottenuti con uno specifico test di calcolo sviluppato appositamente.
Il museo sta già progettando un ampliamento che prevede l'impiego di un massimo di 80 Mac Mini moderni dotati del chip M4 di Apple. Il pubblico potrà osservare direttamente come i calcoli vengono distribuiti tra più processori. Il progetto illustra così non soltanto i progressi tecnologici compiuti nel corso di mezzo secolo, ma anche l'evoluzione dell'architettura dei supercomputer. Mentre il Cray-1 originale si affidava a un unico processore vettoriale particolarmente veloce, la replica suddivide i compiti di calcolo tra numerosi computer indipendenti.
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