TEMA BROJA

V. Milojević

Superkompjuter / Big data - Stvaranje prvih superkompjutera

Pred vratima nove budućnosti

Lorenz mašina za šifrovanje

Od trenutka kada su napravljeni prvi mehanički uređaji za računanje, pronalazači, konstruktori i programeri se trude da ih usavrše, unaprede, ubrzaju, i da, primenom najnovijih tehničkih dostignuća, povećaju njihovu moć. Potrebu za aritmetičkim izračunavanjima najvećom mogućom brzinom u nekom trenutku nameću mnoge naučne oblasti. Simulacija različitih fizičkih procesa je neophodna u oblastima kao što su fizika, strukturna mehanika, meteorologija ili aerodinamika, a to su neophodne moćne računske mašine.

Prilikom projektovanja superkompjutera, uvek je korišćena najbolja tehnologiju koja je u tom trenutku bila na raspolaganju. Ne može lako da se odredi prvi uređaj kome bi mogao da se dodeli “super” atribut, jer svako vreme je imalo svoju najmoćniju konstrukciju, ali je poznato da je prvo umrežavanje više tabularnih (kartičnih) IBM uređaja radi rešavanja složenijih matematičkih operacija urađeno dvadesetih godina prošlog veka, na američkom Univerzitetu Kolumbija. Slično se postupalo i u Belovim laboratorijama kasnih 30-ih. Svoju ekspanziju računarske mašine doživljavaju tokom Drugog svetskog rata, kada se javila potreba za složenim šifrovanjem i dešifrovanjem: Nemačka je razvijala svoje sisteme a saveznici svoje.

levo: ''Versuchsmodell 3'' / desno: Konrad Cuze, nemački inženjer

Pionir superračunarstva je, po mnogima, Konrad Cuze, nemački inženjer koji je između 1935. i 1941. godine razvio “V3”- prvi programabilni automatski digitalni elektromehanički kompjuter na svetu. “Versuchsmodell 3” je u potpunosti bio baziran na relejima, kojih je bilo 600 za aritmetičke i 1800 za memorijske i kontrolne jedinice; radio je na frekvenciji od 5-10 Hz i koristio 22-bitne reči. Inicijalni podaci su unošeni manualno, a programski kod je čuvan na “bušenom” filmu. V3 (kasnije nazvan Z3) nikada nije ušao u široku upotrebu pošto je uništen tokom savezničkog bombardovanja Berlina u decembru 1943.

Kompjuter Colossus iz 1943.

Nadmudrivanje tokom rata

Tokom Drugog svetskog rata, britanske snage su bile suočene sa hitnom potrebom da dešifruju komunikaciju Vermahta koja je obavljana porukama kodiranim Lorencovom mašinom za kriptovanje. Krajem 1943. godine u funkciju je stavljen računar “colossus Mark 1”, opremljen sa preko 1500 elektronskih vakuumskih cevi (lampi), daleko više u odnosu na postojeće računske mašine u to vreme koje su prosečno posedovale oko 150 lampi, i bio je u pravom smislu superkompjuter svog doba! Računar je bio smešten u Blečli parku; njegov zadatak je bio da elektronskim putem “emulira” funkciju nemačke mehaničkog kodera Lorenc, da bi je potom dekodirao. Poboljšana verzija, “colossus Mark 2” je u rad puštena juna 1944. u vreme invazije na Normandiju. U sastavu ovog moćnog računara se nalazilo 2400 termoelektronskih cevi, tiratrona i veoma osetljivih detektora ultraljubičastih i infracrvenih zraka korišćenih prilikom iščitavanja kartica sa podacima. “Colossus Mark 2” je bio težak nekoliko tona, i bio je pet puta brži od svog prethodnika. Korišćen je u najsloženijim kontraobaveštajnim radio-telegrafskim aktivnostima, napravljeno je ukupno devet “mašina”, a  zanimljivo je da je njihovo postojanje ostalo tajna čak do sedamdesetih godina prošlog veka.

Atanasov-Beri računar (ABC)

Na samom početku Drugog svetskog rata, krajem 1939. godine, profesori Džon Atanasov i Kliford Beri su, na Univerzitetu u Ajovi, napravili svoju inovativnu računarsku mašinu. "ABC" je bio pionirski izum u kojem su prvi put korišćeni elementi modernog računarstva, prvenstveno binarna aritimetika i potpuno elektronski prekidački elementi, kao i organizacija sistema u kojem su razdvojeni izvođenje računskih operacija i memorija. Aritmetičko-logičke funkcije su izvođene isključivo primenom elektronskih vakuumskih cevi, nije bilo zupčanika i mehaničkih prekidača. Korišćena je prvi put i regenerativna kondenzatorska memorija, čije principe koristi i današnji DRAM. Mašina je mogla da rešava sisteme do 29 linearnih jednačina (jednačina sa 29 nepoznatih). Iako je Atanasov-Beri računar (ABC) predstavljao napredak u odnosu na ranije računske mašine, on nije bio potpuno automatizovan, i njegov rad je stalno morao da nadzire operator koji je podešavao funkcije kontrolnih prekidača.

ENIAC- moć i veličina

Velikim korakom napred u razvoju računarskih mašina, i možda prvim superkompjuterom u pravom smislu te reči smatra se ENIAC -  "Elektronski numerički integrator i kalkulator". ENIAC je dizajniran i građen na Univerzitetu u Pensilvaniji, SAD, od 1943. do 1947. godine sa primarnim zadatkom da izračunava balističke tablice za potrebe američke vojske. Smatra se da je ovaj računar pomogao i u stvaranju hidrogenske bombe.
Fizički, ENIAC je bio gigant u odnosu na današnje standarde. U sebi je sadržao 17468 vakuumskih cevi, 7200 kristalnih dioda, 1500 releja, 70000 otpornika, 10000 kondenzatora i oko 5 miliona ručno zalemljenih konektora. Imao je masu oko 27 t, a dimenzije su mu bile 2,4x0,9x30 m, zauzimao je čak 167 m². Radio je na frekvenciji od 100 KHz; sa decimalnim ciframa je mogao da obavi 357 operacija množenja ili 5 hiljada operacija sabiranja u sekundi. Njegova potrošnja je bila čak 150 kW. Kao ulaz su koriščeni IBM čitači, dok je izlazni uređaj bio IBM bušač kartica. Računarska mašina IBM 405 korišćena je prilikom štampanja podataka iz bušenih kartica.

Tranzistorska revolucija i era "Cray"

Početkom šezdesetih godina prošlog veka, primena germanijumskih tranzistora, potom silicijumskih, kao i pojava integralnih kola, drastično utiče na poboljšanje preformansi računarskih mašina. Brzine i mogućnosti su sve veće, pa titulu superkompjutera lako preuzimaju novi od uređaja starije generacije. Najbrži računar u maju1961. godine postaje “IBM 7030”, poznat i kao "strech", prvi u kome su elektronske cevi u potpunosti zamenjene tranzistorima. Brzina i karakteristike kompjutera napravljenog u Livermorskoj Nacionalnoj laboratoriji, u Kaliforniji, bili su impozantni. Napravljeno je devet jedinica, a prva je isporučena američkoj Nacionalnoj klaboratoriji “Los Alamos”. "Strech" je posedovao 64-bitni processor, memoriju od 2048 KB, mogao je da obavi za svoje vreme fantastičnih 1,2 miliona instrukcija u sekundi. Iako baziran na germanijumskim tranzistorima, ipak je bio veoma težak, čak 32 t, a trošio je između od 21-100KW.

Inženjer elektrotehnike Simor Krej 1958. dolazi u kompaniju "Control Data Corporation" (CDC), i sa kolegama počinje projektovanje novog  najbržeg računara na svetu. Godine 1964, kompletiran je “CDC 6600”, moćan superračunar čije mogućnosti nisu premašene pet godina. “CDC 6600” je bio deset puta brži od većine postojećih računara i tri puta brži od “IBM 7030 stretch". U njemu su primenjene mnoge inovacije od kojih je najvažnija zamena germanijumskih tranzistora boljim, bržim i otpornijim - silicijumskim. Takođe, veliki problem hlađenja tranzistorske elektronike je prvi put rešen primenog sistemom sa freonom.

Računar je radio takt od 40 MHz, izvršavajući više od tri miliona operacija sa plutajućim tačkama u sekundi (FLOPS). Titulu najmoćnijeg je predao 1969. godine, kada su kompanija “CDC i Krej” predstavili svoj novi računar: “CDC 7600”, tri puta jači od “CDC 6600”, sa mogućnošću da obavlja deset miliona operacija sa plutajućim tačkama u sekundi (10 MFLOPS).
Godine 1972. Simor Krej napušta “Control Data Corporation” i formira sopstvenu kompaniju “Cray Research”. Uz početni kapital i pomoć investitora, razvija novi superračunar kojim značajno podiže margine performansi. "Cray 1", predstavljen 1975, koristio je takt od 80 MHz i mogućnost izvršavanja čak 136 MFLOPS-ova. U procesoru je prvi put korišćena vektorska obrada, a na tržištu je nastala prava bitka institucija zainteresovanih za novu super-mašinu. "Cray 1" je konačno instaliran u Nacionalnoj laboratoriji “Los Alamos” 1976. godine.

Osamdesete i temelji AI

Do 1980-ih, "cray" je postao vrhunski brend u superračunarstvu i od svakog njegovog novog proizvoda se očekivalo još više. Krejova ekipa na čijem čelu se ovoga puta nalazio Stiv Čen, predstavila je 1982. godine "cray X-MP", superkompjuter nenadmašen do 1985, jedan od prvih u kojem je primenjen "multiprocesorskih" dizajn. Njime su otvorena vrata paralelne obrade, kada su računarski zadaci podeljeni u delove koje istovremeno obrađuju različiti procesori .

"Cray X-MP" je sa četiri CPU jezgra imao moć da obavi 800 MFLOPS-ova. Njegov naslednik je završen 1985. Novi, "cray 2" je bila moćna mašina koja je koristila osam CPU, bila je duplo brža od svog prethodnika, i sa potencijalom od čak 1,9 GFLOPs-ova. Može da se kaže da je pojavom “cray-a 2” počelo savremeno doba superkompjutera, koje traje i do danas.
Početkom osamdesetih godina prošlog veka, mladi inženjer Deni Hilis, sa Masačusetskog tehnološkog instituta, SAD, predstavio je princip paralelnog sprezanja više decentralizovanih procesorskih sistema u jedinstven multiprocesorski, što bi funkcionisano slično neuronskoj mreži mozga. Superkompjuter "connection machine" ili "CM-1", napravljen 1985, poseduje 65.536 međusobno povezanih jednostrukih procesora koji rade udruženim snagama. Ovaj računar je dokazao funkcionalnost temeljnih principa koji su omogućili razvoj veštačke inteligencije (AI) u narednim decenijama.

V. Milojević

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"