Design des super ordinateurs à travers les années.

[ Un petit thésaurus et une bibliographie à la fin de l’article ]

J’ai abondamment illustré un précédent article par des photos des panneaux de contrôle d’ordinateurs, ces étendues de lumières clignotantes et interrupteurs.

Un des exemplaires marquant est l’IBM 7030 surnommé “Strech” car il poussait au maximum la technologie disponible de l’époque (1959). Il était 100% transistorisé et, comme on le voit sur l’image ci-dessous, composé d’armoires modulaires, linéaires.

Mais ça c’était avant.

Dans la marche vers le toujours plus rapide, les concepteurs de ces machines ultra-puissantes ont parfois fait appels à des designers pour en concevoir l’apparence, si toutefois la forme n’était pas forcé par les contraintes techniques.

Je vous ai déjà montré le CDC 6600, pur design des années 1960 (sorti en 1964), on se croirait dans Star Trek. Mais avant sa mise sur le marché, son concepteur, Seymour Cray, c’était déjà mis à travailler sur son successeur le CDC 7600 qui une fois terminé en 1969 était 10 fois plus rapide que son prédécesseur. Cela grâce évidement à l’utilisation d’une technologie plus récente et rapide, des transistors miniaturisés et des modules plus denses, mais aussi une conception innovante où chaque unité de calcul (+, –, ÷, × etc.) était “pipelinée” : plusieurs instructions se trouvent en cours exécution simultanément, mais dans des stades différents de leur exécution. À cause d’une densité des composants importante, le CDC7600 devait être refroidi par du gaz fréon liquide. Sa forme en carré évidé permettait un accès facile à ses entrailles, ce qui était fréquent car la machine n’était pas particulièrement fiable.

En 1976 est mis sur le marché la machine que l’ont peut considérer comme le premier super-ordinateur moderne, le Cray-1, quatre fois plus rapide que le CDC 7600, fiable, c’est un succès commercial (80 unités vendues).

La forme en C caractéristique est dû à une astuce de ses concepteurs : la longueur du câblage devait être un multiple de 30 cm pour que le temps de propagation des signaux soit parfaitement contrôlé (une porte logique introduit un délai de 1,5 ns, soit environ 30 cm de cuivre). Malgré les 67 millions de paires de fils, le premier modèle à été monté sans erreur de câblage. Pour les fans de chiffres, la vitesse d’horloge était de 80 Mhz (12,5 ns de temps de cycle).

Ses successeurs, Cray X-MP (1982, 105 Mhz, 9,5 ns), Cray-2 (1985, 125 Mhz, 8 ns) reprennent cette forme en C.

Les modules électroniques sont plongés dans un liquide (Fluorinet™ 3M), et ce que l’on voit derrière au centre est une fontaine qui sert à le refroidir.

En 1986 une machine révolutionnaire fait son apparition.

Inspiré par le fonctionnement du cerveau, composé de millions d’éléments peu rapides et très simples (les neurones), Daniel Hillis du MIT crée la société Thinking Machines (Machines Pensantes) pour produire des Connection machines (Machines à Connexions).

En 1987 le modèle CM-2 deviendra l’ordinateur le plus rapide du monde. Il est composé de 65 536 processeurs (de 1 bit) cadencés à la vitesse de 4 Mhz (CM-1), 7 Mhz (CM-2) et 10 Mhz pour le modèle CM-200.

Elle doit son apparence extérieure à Tamiko Thiel [voir aussi ici], une jeune femme récemment diplômée en génie mécanique. Cherchant à casser le concept “la fonction impose la forme”, issue du passé et applicable qu’aux objects physique usuels, qui ne lui a pas semblé adapté à ces machines conçues pour traiter de l’information impalpable voire manipuler des concepts. Son équipe s’est naturellement orienté vers un design où la forme parlerait d’elle même. Inspirés par le réseau d’interconnexion inter-processeurs interne de cette machine, un hypercube à 12 dimensions, la forme choisie fut 4 cubes assemblés en un grand cube.

En 1993 la topologie du réseau d’interconnexion des processeurs change pour le nouveau modèle baptisé CM-5, ce n’est plus un hypercube mais un arbre. Naturellement la forme de la CM-5 mute pour devenir… un arbre (binaire).

Une CM-5 installée dans une salle machine, on discerne un VAX-11/780 et son bandeau bleu.

Le plus gros modèle contient 16 384 processeurs (RISC) SPARC 32 bits cadencés à 40 Mhz.

À partir de ce moment là il semble que les designers aient été moins présents, ou bien, avec les milliers de processeurs qu’ils devaient entasser, la seule possibilité était la bonne vieille armoire, ou baie, posées les unes à coté des autres. L’Intel Intel XP/S 140 Paragon prend ce tournant.

Intel Paragon, deux rangées d’armoires… (1994).

L’ordinateur japonais construit en 2002 par NEC et surnommé “Earth Simulator” (Simulateur de la Terre car dédié à la sismologie et météorologie) est indissociable du bâtiments de deux étages conçu pour l’héberger (50m x 65m x 17m). Il contient 640 processeurs assistés de 5 120 processeurs vectoriels. Il tiendra le haut du pavé des machines les plus rapides du monde pendant quelques années. Il sera mis à jour par le modèle 2, sans surprise encore plus rapide.

IBM rentrera dans la danse en 2000. Son modèle “Roadrunner” de 2008 est-il un hommage à 2001, Odyssée de l’espace de Stanley Kubrick et son monolithe ? C’est comme ça que j’interprète son apparence (l’ordinateur dans le film se nomme HAL, ce qui correspond aux lettres placées juste avant celle composant le mot IBM).

IBM Roadrunner, 2008. Des monolithes et encore des monolithes noirs.

Avant de se faire écraser par les Chinois, Cray est revenu avec deux modèles, le Jaguar (2009) et le Titan (2012). Ils partagent la même conception, des armoires encore des armoires, ce qui change c’est le dessin sur la façade de la première rangée… d’armoires.

La forme du Sunway TaihuLight est curieuse, avec ses doubles anneaux, mais il faut prendre très au sérieux cet ordinateur Chinois car il est à ce jour (février 2017) le plus rapide du monde, et son prédécesseur le second. La conception est entièrement Chinoise, processeurs compris alors que les Cray sont à base d’AMD Opteron d’origine USA.

Il possède 10 649 600 unité de calcul (cœurs). Cette architecture est le résultat de l’embargo mis en place par les USA interdisant des vendre des puces Intel (Xeon) à la Chine, ils ont alors conçu leur propre processeur, le SW26010, un multicœur RISC contenant 256 cœurs par puce.

On est loin de la révolutionnaire Connection Machine CM-2 qui toisait ses concurrents du haut de ses 65 536 processeurs 1 bits.

À l’époque (années 1990) je travaillais pour des gens qui cherchaient du pétrole. Ils trouvaient la Connection Machine très intéressante, mais trop petite, car leur rêve le plus fou était de modéliser un cube de sous-sol terrestre de 1 km × 1 km × 1 km de coté. La possibilité de virtualiser les processeurs de la Connection machine, doublant leur nombre, ne suffisait pas.

Par contre certains artistes y trouvaient leur compte comme Karl Sims par exemple, auteur de plusieurs films crées grâce à la puissance des Connection Machines. Aujourd’hui les Studios Pixar (propriété de Disney, auteurs de Toy Story, Ratatouille et autres films d’animation) possèdent leur propre ferme de calcul, composé de 3 000 à 5 000 processeurs , soit environ 12.500 coeurs.

Malgré ses 10 millions d’unité de calcul l’ordinateur le plus puissant au monde sera dépassé demain, car la course à la rapidité continue, poussée par des problèmes toujours plus complexes. Autrefois financé uniquement par les militaires pour leurs besoins propres, le domaine du HPC (High Performance Computing) s’adresse aujourd’hui à tous les domaines : les sciences de la vie (biologie, génomique, etc.), les sciences dures (physique nucléaire, astrophysique, etc.), l’ingénierie (simulations, …) , la finance, etc.

Thésaurus

Arbre binaire :

Bit : chiffre binaire, soit 0 ou 1. Un nombre de 3 bits : 101 (=5).
Coeurs : processeurs rassemblés à l’intérieur d’un seule puce.
Instruction : opération de base exécutée par le processeur. Exemples d’instructions : l’addition ou la comparaison de deux nombres.
Mhz : Mega Hertz, 1 000 000 de Hertz (ou tics d’horloge). Unité de fréquence. f = 1 / t (cf. nanoseconde ci-dessous).
nanoseconde : abrégée ns, est égal à 1 millième de microseconde.
Processeur : unité de calcul + unité de contrôle + mémoire rapide interne (cache). Il exécute les instructions issus de la mémoire.
RISC : processeur d’architecture simple, à peu d’instructions (Reduces Instruction Set Computer). Anton. CISC (Complex …).