Seymour Crays första cray-dator var ett under av nytänkande och manifestation av allt som branschen alltid kämpat för: rå, brutal styrka. Den blev sin tids mest kraftfulla dator och användes av militär, flygkonstruktörer och meteorologer. Undertecknad fick en intervju och en genomgång av tekniken med en servicetekniker som sett allt i den tidiga superdatorbranschen.
Två historiska faktoider
Denna maskin var det kraftfullaste som gick att få omkring 1970-talets mitt. Den var dåtidens första superdator. Låt oss för en kort stund bortse från att moderna persondatorer är ungefär 100 gånger snabbare och drar 1000-delen av effekten. Dess kylanläggning som då var stor som en butiksdisk, är idag i storlek med en mindre skokartong.
Cray-1-datorn kom till Tekniska Museet år 2007 och artikeln är skriven under invigningsfesten. Snart därefter raserades Tekniska Museet och är idag ett hopp- och lekpalats. Cray:en är magasinerad någonstans: https://realistklubben.wordpress.com/2014/07/03/vi-har-inget-tekniskt-museum-langre/
Superdatorns fader
Cray-1 konstruerades av den legendariske Seymour Cray (1925-1996) och tillverkades i Chippewa Falls, Wisconsin i USA, svenskbygder faktiskt. Orten nämns i Utvandrarna.
Seymour Cray måste ha varit en ovanligt kreativ person. Han arbetade ursprungligen på Control Data Corporation och var med och utvecklade CDC 6600 som var en av sin tids kraftigaste stordatorer. Han kände emellertid inte att han fick utvecklas som han ville och startade sitt eget Cray Research. Efter några år slog han världen med häpnad med en maskin som var tio gånger snabbare än 6600:an.
Det sägs att han också tyckte om att tävlingssegla med katamaran. Efter varje säsong slog han sönder sin katamaran för att inte hindras utveckla en ny, bättre båt till nästa säsong.
Tekniska Museets Craydator, med serienummer 09, köptes in 1976 av Europas motsvarighet till SMHI i Reading i England för väderberäkningar. Ett kuriöst faktum är att varje Cary-1 levererades tillsammans med en låda öl som skulle drickas upp av installatörerna. Efter sju år i England såldes maskinen 1983 vidare till Saab i Linköping för 30 miljoner kronor.
Saab använde den till hållfasthets- och aerodynamiska beräkningar under utvecklingen av flygplanet Gripen fram till 1989. Samtidigt hyrde Linköpings universitet beräkningstid på datorn av Saab för att lösa naturvetenskapliga forskningsproblem. Saabs projekt var militärt och låg på en av frontendmaskinens hårddiskar medan resten av världen fick ha den andra hårddisken. När forskarna räknade på maskinen var diskkanalerna till Saabs disk avstängda. Ett effektivt sätt att se till att Saab fick ha sitt data ifred.
Men maskinen var fortfarande en militär hemlighet och stod i Saabs datorhall omgiven av många säkerhetsspärrar. Då och då kom Rikspolisstyrelsen och FMV dit och tittade så att den stod kvar och inte hade sålts till Sovjet. Det var i efterdyningarna av Containeraffären, när ett antal Digital Equipment VAX 11/782 stoppades just innan de skulle smugglas från Sverige till Sovjetunionen.
Snabbdata om Cray-1
Ordlängd: 64 bitar, överfördes från primärminnet i 16-ords paket
Klockfrekvens: 80 MHz
Klockcykel: 12,5 ns repetition rate och 3,3 ns pulsbredd. Tuungt!
Kraft: 160 MFLOPS vid skalära operationer, 250 MFLOPS vid optimerade vektoroperationer
Processortyp: PVP, parallell vektorprocessor, hanterade (adderade, subtraherade) listor på 60 skalärer i en enda instruktion med kraftig pipelining
Register: 8 skalärregister, 8 adressregister, 8 stycken 64-elemens vektorregister
Primärminne: 1 megaord (24 bitars adress) om 64 bitar + 8 paritetsbitar. Minnet var uppdelat i 16 bankar och 4 ord hämtades per klockcykel
Minnets accesstid: 48 ns
I/O-kanaler: 12, mot hårddisk och front-enddator, 16 bitars bredd, 160 Mbps
Cray-1 nummer 09 framifrån. Maskinen består av tolv kolonner, varav de i mitten är CPU och de fyra på var sin sida är primärminne och soffan runt omkring döljer nätaggregaten. Du ser hur kortracken är fylld med kort och att varje kort får sin drivspänning från busbars på höger och vänster sida. Kortrackens sidor genomflyts av kyld freon.
Det är så här vi brukar se Cray:en, utan periferienheterna. Det här är bara CPU:n och primärminnet. Nätaggregaten, trefastransformatorer, likriktare med mera, som gör om 208 volt 400 Hz 12-fas till –5,2 och –2 volt finns nere i soffan som sitter runt datorn. Jo, du läste rätt. Cray kördes på 400 Hz och tolv faser! Maskinen är bestyckad med ECL-kretsar som körs på minusspänningar som drar massor av ström och skulle kräva stora silkondensatorer, men med tolvfasig ström blir det betydligt mindre rippel att sila efter likriktning så man kan hålla nere storleken på kondensatorerna. Vid 400 Hz kan transformatorerna också göras mindre än vid 60 Hz.
Man brukar inte heller visa de tolv vridtransformatorerna, en för vart och ett av de tolv nätaggregaten. Det var nämligen så att transformatorerna i “fåtöljen” bara gav nominellt –5,2 volt. Då för tiden fanns inga automatiskt reglerande switchaggregat, ej heller använde man någon annan form av automatisk reglering utan förlitade sig på omformaren för att isolera sig från variationer i nätspänningen. För att få exakt –5,2 volt var man tvungen att justera inspänningen, 115-volten, lite upp eller ned allt efter elnätets variationer, månens fas mm. Det skedde med stora vridtransformatorer i ett särskilt skåp. På skåpets frontpanel satt voltmätare för lågspänningen så man kunde se dem direkt medan man justerade inspänningen.
Numera okörbar
Skulle man leta fram Cray:en igen skulle den inte gå att starta, för den kräver en hel mängd periferienheter som inte finns bevarade. Allt som finns kvar är processordelen.
Den 150 kW roterande omformaren för 115 volt 60 Hz (eller 50 Hz i Sverige) till 208 volt 400 Hz 12-fas brukar stanna utanför bild. Så här såg den ut, med tillhörande styrskåp.
Cray:ens hårddiskar visas normalt inte heller, ett par 40-huvudsdiskar med 70 centimeter höga utbytbara packar om 400 MB. Varje drive kostade en halv miljon och vägde 270 kilo. Den liknar närmast en diskdrive från Control Data, vilket inte är så underligt eftersom Seymour Cray härstammar därifrån.
Normalt visar man inte frontend-datorn, den helt vanliga Data General Eclipse S-200 med primärminne om 32 kord om 16 bitar, 16 MB hårddisk, hålkortläsare mm, som förberedde data för superdatorn. Här visas den med tillhörande hårddiskar och bandstationer.
Ej heller visar man de båda 20-tons kylkompressorerna, de maskiner som kylde R-22-freonet som strömmade genom Cray:ens chassi. Datorn gjorde av med 115 kW el och den värmeeffekten måste kylas bort. Inklusive frontendprocessorer och diskar drog alltihop 160 kW. Den lilla trevliga soffan krävde egentligen en hel industrilokal. Kylkompressorn i bilden ovan är bara en del av kylsystemet. Den bortförda värmen måste transporteras ut ur systemet med ett annat vätskesystem och blåsas ut i omgivningsluften.
En som var med
Vi har turen att få tala med Hans Lundgren som arbetade vid Crays nordiska serviceorganisation under 1980-talet och hade ansvar för driften. Han har en del “grejor” att berätta.
Hans Lundgren jobbade som servicetekniker på Cray i Norden under det glada 80-talet. Det han inte vet om trasiga superdatorer är inte värt att veta.
– Jag drar mig till minnes ett antal exotiska händelser kring den här maskinen. Elfi Kraemer var en var en känd fysikforskare som alltid hade långa jobb. Innan vi hade återstartsrutiner förlorade man jobb om maskinen stannade. En dag fick vi ett temperaturlarm från CPUn och vi såg hur temperaturen sakta steg, grad för grad.
Jag var minst så jag fick krypa in där i soffan med en hammare. Så sa jag till min kollega att “Om du var en sån där expansionsventil (se “kylningen och strömförsörjningen” nedan), skulle jag slå dig i huvudet eller i baken?” Vi talar kylskåpsteknik nu. “I baken” svarade han och så drog jag till med hammaren och då såg vi hur temperaturen först stannade och sedan sakta börja gå nedåt igen. Och då kunde det där jobbet som kanske hade gått ett par veckor, köra klart.
– Forskarna stod alltid i kö för att få igenom sina jobb. Man fick ansöka hos Nationella Forskningsrådet, som det hette på den tiden, om maskintid för att köra på datorn. Maskinen körde i två lägen. Ibland bootade man upp den i forskningsläge med en hårddisk och ibland med Saabs diskpacke när de skulle köra sitt. Det var mycket hysch-hysch och regler då.
– Inga trevliga katastrofer, undrar vi?
– I Saudiarabien hade vi en katastrof. Då fallerade kylsystemet helt och det var problem med ett larm också. Vissa kretskort sitter uppochned och alla kretsar var lödda med lågtemperaturtenn eftersom de skulle kunna bytas utan att kretskortet skulle bli förstört. När temperaturen gick upp ramlade alla kretsar ned i en hel kolumn och då fick alla världens craytekniker offra en del av sina reservdelar. Tack var ett nogsamt flygarbete med kretskort från hela jorden var de uppe igen efter två dagar.
Vi jobbade med lödsug under stereomikroskop och på jordmattor och bytte massor av kretsar på den tiden.
– Maskinen ser ut som en tårta där några bitar saknas för att man ska kunna komma in i den. Det är tolv tårtbitar. De fyra första från var ände är minnes-tårtbitar, kolumner som det kallas. Kolumnerna är delade på mitten vilket ger totalt 16 bankar. När man hämtar ett ord i minnet till CPUn så får man alla 16 på en gång. Det kallade vi snabb cache.
I en vanlig PC är allting baserat på bussar, men här finns det knappast någon buss att tala om. Alla register som ska prata med andra register har en egen väg dit. Varje register kunde få data från varje annat register direkt. Den var blixtsnabb på context-switching.
– Därav den förfärliga mängden sladd?
– Väldigt mycket sladd blev det. Och man har nog inte haft någon budget heller.
Kretskorten sitter på var sin sida om en kylkropp, en kopparplåt. Korten får jordkontakt och kylkontakt genom kylkolonnen i kortrackens väggar. De spänns in med små kilar. Varje vecka lossade vi spännskruvarna och drog åt dem igen och mätte igenom spänningsfallet mellan kopparplåtarna och jord. Och nu efteråt kan jag ju erkänna en sak: Enligt handboken skulle man ta ut korten och gnugga kanterna med Scotch-brite för att få god kontakt, men det gjorde inte vi för vi tyckte det tog för lång tid. Våra engelska kolleger tyckte att vi fuskade.
Stänger man av en sån här maskin så knakar och knäpper det som jag vet inte vad. Det låter lite otäckt när den går från noll till 115 kilowatt.
Stat-el-problem
CMOS-minne var ganska nytt då och känsligt för statiska urladdningar. När en statisk urladdning inträffade, tappade maskinen minnet helt och hållet (den där apparaten hann göra mycket under tiden för en gnista). För att undvika detta lindades alla externa kablar med ledande väv och jordades och man provade att skjuta på dem med statel-pistol. De skulle klara en gnista på 12 kV. När man uppnått detta för allt kablage fungerade maskinen utan problem, ända tills någon kopplade om något och då fick man göra om allt igen. Ett exempel på detta var de bandstationer man delade med en IBM-dator. Vid omkopplingen kunde minnet ibland tömmas.
Då och då skulle matningsspänningen på alla kretskort kontrollmätas och det handlade om millivolt. En person satt på soffan och satte mätprobar mot kontrollpunkter och en annan läste av voltmätaren. Då och då gick värdena helt överstyr och det var oftast när han med mätprobarna gned rumpan mot soffans konstläder ovanligt mycket.
Det fanns andra anledningar till att maskinen kunde tappa minnet. Ett av dem var Crays minnestestarprogram som skulle köras med bestämda intervaller. Det vägrade den nordiska organisationen att göra eftersom minnet alltid gick sönder en tid efteråt. Programmet stressade nämligen sönder det.
En unik titt på ett kretskort
Man ser inte kretskorten till Cray-maskinerna så ofta, men Tekniska Museet har ett löst minneskort. Alla kort i maskinen är lika stora, nämligen 6 x 8 tum, eller 15,2 x 20 centimeter och består av fem lager: två spänningslager, ett jordlager i mitten och signallagren ytterst. Avstånden har valts så att alla ledningar har en impedans på mellan 50 och 60 ohm. Ett kort rymde maximalt 144 IC-kretsar, vanliga 16-pinnars flat-packs, så en dubbelmacka med två kretskort och kylplatta klarade 288 kretsar. Alla kretsar kommer från antingen Fairchild eller Motorola.
Timingen är intressant. Alla latchar, adderare, subtraherare etc är uppbyggda av samma grindkrets, en kombinerad fyraingångars- och en femingångars NAND med raka och inverterade utgångar. Propagation delay låg mellan 0,5 och 1 nanosekund. Registren framställdes av 16×1 registerkretsar med 6 ns skrivtid, vilket klarar sig bra inom klockperioden på 12,5 ns.
Ett minneskort. De vita kretsarna är CMOS-minnena på 1024 bitar med en accesstid på 48 ns. De är av typen SL56697 och är tillverkade av Fairchild i januari 1978. Notera extraslingorna på kortet här och var. Det var mycket viktigt att alla signaler nådde fram till drivers och latchar samtidigt.
En 96-polig busskontakt i närbild, i den mån man nu kan tala om en “buss”. Den bruna vingen till höger är kopparplåten för kylning.
Kylningen och strömförsörjningen
Kylning och strömförsörjning av en maskin i den här storleken är ett delikat problem. Knappt större än en garderob, drar den mer effekt än ett helt hyreshus. Och när den gjort av med strömmen ska hela rasket ut igen som värme. Med 115 kraftfulla kilowatt i en så här liten volym finns det magnifika möjligheter till varma punkter, till exempel vid glappkontakt eller där något kretskort inte gjorde kontakt med kylkolonnerna. Därför kontrollerades maskinen under drift med värmekamera.
Här har vi lyft på ett sofflock och tittar ned på nätaggregaten. Det är tolv uppsättningar transformatorer (med gröna skyddslock). Varannan ger –2,0 och varannan –5,2 volt 2000 ampere. Notera de utomordentligt kraftiga kontaktdonen och det kylda tvåvåningschassit.
Här har vi zoomat in på freonkylningen. Kall freon kommer in från en extern kylkompressor och får strömma igenom maskinens båda chassin (bottenvåningar) och alla kylkolonner i kortrackarna. Mitt i sitter en reduceringsventil / termostat som ska se till att det flyter precis lagom mycket freon. Den kunde haka upp sig ibland och då fick man gå dit och knacka med klubba. “Monkey Shit” är populärnamnet på isoleringsmaterialet, som inte ser så aptitligt ut. Notera alla dioderna. Varje 12-fastransformator behövde förståss 12 dioder.
CPUns kortrack i närbild. De grå väggarna är kylda och kortens kylplåt skjuts in i spåren varefter kortet låses fast. En kylplåt har ett kretskort uppåt och ett nedåt. Sedan skruvas ledarna för matningsspänning fast.
Kablaget
Kablage är det gott om. Anledningen till att det verkar finnas alldeles för mycket sladd är att alla ledningar måste vara lika långa så att alla signaler kommer fram till CPU:n samtidigt. CPU-kolonnerna är de fyra i mitten. Det finns ingen egentlig databuss utan allting är direkt sammanbundet med allting som behövs.
Här ser du det fina kablaget i närbild. Alla signaler överförs på partvinnad ledning med teflonisolering. Lapparna kommer från identifieringsförsök vid serviceingripanden.
Avslutning
Tekniska Museets Cray-1 slutade användas 1989. Man var då tvungen att mala ner nästan alla kretskorten eftersom många komponenter i Cray-1 var hemligstämplade och belagda med särskilda amerikanska exportbestämmelser sedan kalla krigets dagar. Sedan dess har Craydatorns centralenhet stått på Linköpings universitet och därefter på IT-ceum i Linköping innan den nu kommit till Tekniska Museet och hamnade i en låda efter en kort glanstid.
Inte ett utställningsföremål, men väl en väldigt sällsynt kaffemugg från Cray Reserach som vårdas ömt av Tekniska Museets intendent.
Läs mer
Läs handboken HÄR i PDF-format. Jag har bara tagit med vissa sidor, nämligen de göttaste. En noggrann beskrivning av processorns funktion börjar på sidan 3-3.
Cray idag: http://www.cray.com/
Crays moderna superdator på KTH: https://www.pdc.kth.se/resources/computers/beskow
Crays egen historia http://www.cray.com/company/history
Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Cray-1
Tekniskt om Cray-maskinerna: http://www.0x07bell.net/WWWMASTER/CrayWWWStuff/Cfaqp1.html#TOC1
Läs allt det smaskiga i “Hardware reference manual”: http://archive.computerhistory.org/resources/text/Cray/Cray.Cray1.1977.102638650.pdf
Kort om ECL-logik
Minneskort i närbild.
Emitter Coupled Logic var den snabbaste teknologi som fanns under 70- och 80-talen. Till skillnad från TTL (Transistor-Transistor Logic) som var gängse på den tiden och hade ett sving på mellan 5 volt (hög, 1) och 0,7 volt (låg, 0), svingade ECL mellan –1,75 volt (låg, 0) och –0,9 volt (hög, 1).
TTL var av typen bottnad logik. Någon av transistorerna i utgångssteget (pull-up eller pull-down) var alltid helt öppen. Att driva en transistor från sitt helt öppna tillstånd kräver att basen fylls på med laddning vilket tar tid. ECL-logik körs obottnad. Båda utgångstransistorerna var ständigt öppna varför kretsen drog mängder av tomgångsström och blev väldigt varm, men att switcha mellan två närliggande, obottnade nivåer var betydligt snabbare än mellan bottnade tillstånd. Det var tomgångsströmmen som gjorde att Cray behövde 115 kW.
Modern MOS-logik är bottnad, men numera är de laddningar som behövs för att ändra en transistors tillstånd oändligt mycket mindre än för ECL.
ECL är dock inte helt dött. När man började utveckla högtemperaturelektronik på KTH för vidare befordran till planeten Venus i projektet Working on Venus, var det just ECL man koncentrerade sig på för det passade kiselkarbidmaterialet bäst. Om det hela blir varmt spelar mindre roll när omgivningen är 460 grader. Numera har även KTH övergått till bottnad TTL-logik.
Läs mer om ECL på https://en.wikipedia.org/wiki/Emitter-coupled_logic
