1996 hatte sich Silicon Graphics den Supercomputer-Hersteller Cray einverleibt. Die ehemalige Cray-Entwicklungsabteilung wurde vor zwei Jahren von SGI »freigekauft«. Seitdem arbeitet Cray wieder an neuen Entwicklungen und stellte jetzt einen neuen Supercomputer vor, der nächstes Jahr auf den Markt kommen soll.

Angesichts einer schwindenden Kundenbasis im Workstation-Bereich hatte Silicon Graphics sich voll auf das Server-Geschäft konzentriert und wollte mit dem Aufkauf von Cray die Cray-Kunden zum Umstieg auf die Origin-Produktfamilie des eigenen Hauses bewegen. Gleichzeitig wurden alle Entwicklungsaktivitäten an weiteren Cray-Supercomputern gestoppt. Die Entwicklungsmannschaft arbeitete fortan an Verbesserungen der Origin-Server von Silicon Graphics. Weiterhin hatte Cray einen sog. »Super-Server« auf der Basis von Sun-Sparc-Mikroprozessoren im Produktportfolio. Da Silicon Graphics auf Mips-Prozessoren setzt und ein Produkt mit Prozessoren eines Wettbewerbers nicht zum Image passte, verkaufte SGI die Super-Server-Entwicklung für einen Spottpreis von 13 Mio. Dollar an Sun. Sun entwickelte das Produkt weiter und generierte damit binnen eines Jahres einen Umsatz von über 1 Mrd. Dollar.

Auch die Umstellung der Cray-Kunden auf Origin-Systeme verlief nicht so reibungslos wie geplant: Ein harter Kern von Kunden blieb der Cray-Vektorarchitektur treu. Nachdem Cray vollständig in Silicon Graphics integriert worden war und Silicon Graphics der Erfüllung der Wartungs- und Serviceverträge von Cray überdrüssig wurde, entschloss man sich, die ehemalige Cray-Entwicklungsabteilung mit immerhin 750 Mitarbeitern zu verkaufen. In der Epoche der New Economy (1999 – 2000) kein Problem: Ein unbekanntes Unternehmen namens Tera Computer mit nur 125 Mitarbeitern, aber genügend Kapital kaufte das Know-how und übernahm die alten Wartungsverträge. Ab sofort begann die neue Cray Inc. (http://www.cray.com/) wieder mit eigenen Hard- und Software-Entwicklungen, deren Ergebnis der jetzt vorgestellte Supercomputer X1 ist.

USA verlieren Anschluss im Supercomputing

Ganz aus eigener Kraft musste Cray die enormen finanziellen Lasten der Entwicklungen allerdings nicht tragen. Zwei Umstände kamen Cray zugute: Das Atomwaffen-Teststoppabkommen und die Tatsache, dass die USA die Krone im Supercomputing an Japan abgeben mussten. Beides führte zu massiver staatlicher Unterstützung für Supercomputing-Programme, von denen neben Cray auch IBM, Intel, Silicon Graphics und Sun profitierten. Seit dem Inkrafttreten des Atomwaffen-Teststopps wird die Explosion von Nuklearwaffen von den Amerikanern simuliert, wofür das Energieministerium Aufträge für mehrere Supercomputer vergeben hat (u.a. auch an Intel und IBM).

Für Aufsehen sorgte in den USA jedoch der sog. »Earth-Simulator« – ein Großrechner, der überwiegend für geografische und klimatologische Simulationen verwendet wird und in Japan steht. Während der von IBM stammende Atomtest-Simulator durchschnittlich 7300 Billionen Rechenbefehle pro Sekunde verarbeitet, sind es beim Earth-Simulator in Yokohama über 35000 Billionen Befehle pro Sekunde. Dabei sind es nicht nur die 5000 Prozessoren in der NEC-Maschine, die dem Rechenwunder seine Kraft verleihen, sondern es ist vor allem die ausgeklügelte I/O-Architektur, die dafür sorgt, dass die Prozessoren schnell genug mit Datennachschub versorgt werden.

Der Erfolg Japans beruht aber nicht nur auf der Technik: Die Japaner machen zur Bedingung, dass jeder, der mit dem Earth-Simulator arbeiten will, dies vor Ort tut. Ein Fernzugang nach der Methode »ich schicke euch meine Daten, ihr lasst das ablaufen« ist nicht möglich. Durch die persönliche Anwesenheit der Forscher findet in Yokohama ein reger Wissensaustausch statt. Außerdem gelang es den Japanern, bedeutende Rechenexperten aus der ganzen Welt anzuwerben. Immerhin ein Fünftel der dort ablaufenden Projekte ist nicht japanischen Ursprungs. Auch dieses Phänomen trug dazu bei, dass die Forschungsetats für Supercomputing in den USA gewaltig aufgestockt wurden.

Warum eigentlich Hochleistungsrechner?

Man mag einwenden, dass sich Hochleistungsrechensysteme auch als Cluster – womöglich aus billigen PCs – aufbauen lassen. Das ist prinzipiell richtig, aber es hängt von der Anwendung ab, ob sich die vielen Prozessoren auch sinnvoll nutzen lassen. Aufgaben, die sich gut parallelisieren lassen, laufen auf Cluster-Systemen mit guter Performance. Aufgaben, bei denen auf Ergebnisse parallel laufender Rechenvorgänge zurückgegriffen werden muss, die also auf viel Interprozessor-Kommunikation angewiesen sind, können durch Cluster nur wenig beschleunigt werden.

Im Vergleich zu einem Pentium-Prozessor ist die pure Rechenleistung eines Supercomputer-Prozessors gar nicht so beeindruckend. Bei der neuen Cray X1 sind vier »Multistream-Prozessoren« und vier Cache-Speicher mit insgesamt 2 Mbyte auf einem Multichipmodul vereint. Diese vier Prozessoren erbringen eine Rechenleistung von 12,8 GFLOPS, während ein Pentium 4 rund 3 GFLOPS berechnet. Allerdings erbringt der Cray-Prozessor seine Leistung schon bei 800 MHz. Der Pentium erbringt diese Leistung bei 3 GHz und nur dann, wenn das Programm vollständig aus dem Cache abläuft. Der Cray-Prozessor ist mit 800 MHz getaktet und verfügt über eine sehr aufwendige Speicheranbindung und Vernetzung mit anderen Prozessoren. Hierin liegt der eigentliche Schlüssel für die Anwendungs-Performance eines Supercomputers.

Jeweils vier Multchipmodule sind auf einer Platine zusammengefasst. Die Multichipmodule werden von IBM im CMOS-Prozess hergestellt. Die vier Module greifen auf einen gemeinsamen Speicher zu (shared Memory), der wiederum mit dem Rambus-Arbeitsspeicher verbunden ist. Auf einer Platine befinden sich insgesamt 128 Rambus-Kanäle. Ein Arbeitsplatz-PC hat hingegen einen Speicher-Kanal, ein PC-Server zwei Kanäle. Eine einzige Multiprozessor-Platine des Cray-Systems ist mit einer Bandbreite von 200 Gbyte/s an den Speicher angebunden. Die Verbindung zu den anderen Multiprozessorkarten wird über 32 Netzwerkverbindungen, diejenige zu den Massenspeichern über vier externe I/O-Kanäle hergestellt. Dank dieser enormen Bandbreiten skaliert das Cray-System so gut.

Die ersten fünf Probeinstallationen der Cray X1 stehen bereits bei Kunden. Mit der Aufnahme des Produktivbetriebs rechnet Cray aber erst gegen Mitte 2003. Systeme in Europa stoßen vor allem in der Automobilindustrie, bei Geo- und Bio-Wissenschaftlern sowie Klimaforschern auf Interesse. Der Einstandspreis für ein X1-System liegt bei 2,5 Millionen Dollar. Realistische Projekte bewegen sich bei 6 bis 8 Millionen Dollar und haben eine Projektlaufzeit von zwei bis drei Jahren, in denen die Rechenleistung kontinuierlich ausgebaut wird.

Joachim Kroll, Elektronik 01/2003