04/03/2022
Vzpomínáte na historky o tom, jak smartphone ve vaší kapse má dostatek výkonu, aby v roce 1969 poslal člověka na Měsíc? Je to jeden z těch faktů, které znějí neuvěřitelně, ale ve skutečnosti je moderní smartphone exponenciálně výkonnější než naváděcí počítač, který NASA použila pro slavnou misi Apollo 11. Technologie postupuje neuvěřitelnou rychlostí a výpočetní výkon roste exponenciálně. Obzvláště v našem hyper-propojeném digitálním světě jsme neustále upozorňováni na každoroční vydávání stále působivějších smartphonů, které překonávají předchozí modely novými funkcemi, vyšší rychlostí a většími schopnostmi. Dnes se podíváme na to, jak se síla vašeho iPhonu 12 srovnává s tehdejšími giganty – superpočítači Cray.
Cray-1 a Cray X-MP: Evoluce Superpočítačů
V polovině 70. let, konkrétně v roce 1975, představila společnost Cray Research superpočítač Cray-1. Byl to průkopnický stroj, který v té době dominoval světu vědeckých výpočtů a simulací. O sedm let později, v roce 1982, přišel jeho nástupce – Cray X-MP. Nebyl to jen vylepšený model; byl to pečlivě „vyčištěný“ a výrazně pokročilejší stroj, který se stal nejrychlejším počítačem na světě v letech 1983 až 1985 s výkonem 800 MFLOPS (milionů operací s pohyblivou řádovou čárkou za sekundu) u čtyřprocesorového systému. Hlavním designérem byl Steve Chen.
Klíčové vylepšení X-MP oproti Cray-1 spočívalo v tom, že se jednalo o paralelní vektorový procesor se sdílenou pamětí – vůbec první takový počítač od Cray Research. Zatímco Cray-1 byl primárně jednoúčelový vektorový procesor, X-MP dokázal pojmout až čtyři procesorové jednotky (CPU) v mainframe, který byl z vnějšího vzhledu téměř totožný s Cray-1. To znamenalo revoluci v přístupu k paralelním výpočtům.
CPU X-MP mělo rychlejší taktovací cyklus 9,5 nanosekundy (105 MHz), ve srovnání s 12,5 ns u Cray-1A. Bylo postaveno z bipolárních integrovaných obvodů typu gate-array, z nichž každý obsahoval 16 logických hradel ECL (Emitter-Coupled Logic). Architektura CPU byla velmi podobná té u Cray-1, ale X-MP nabízel výrazně lepší propustnost paměti. Měl dva čtecí porty a jeden zapisovací port do hlavní paměti, zatímco Cray-1 měl pouze jeden port pro čtení/zápis. Dále se zlepšila podpora „řetězení“ (chaining), což umožňovalo efektivnější provádění posloupnosti vektorových operací bez zbytečných prodlev. Každé CPU mělo teoretický špičkový výkon 200 MFLOPS.
Zpočátku X-MP podporoval 2 miliony 64bitových slov (16 MB) hlavní paměti v 16 bankách. Hlavní paměť byla postavena z 4 Kbit bipolárních SRAM IC. V roce 1984 byly oznámeny vylepšené modely X-MP, které se skládaly z jednoprocesorových, dvouprocesorových a čtyřprocesorových systémů s konfiguracemi 4 a 8 milionů slov. Nejvýkonnějším systémem byl X-MP/48, který obsahoval čtyři CPU s teoretickým špičkovým výkonem přes 800 MFLOPS a 8 milionů slov paměti. CPU v těchto modelech zavedly do produktové řady instrukce pro referenční paměť vektorového shromažďování/rozptylu (vector gather/scatter). Množství podporované hlavní paměti bylo zvýšeno na maximálně 16 milionů slov, v závislosti na modelu, a bylo možné použít bipolární nebo MOS SRAM IC.
Systém původně běžel na proprietárním operačním systému Cray Operating System (COS) a byl objektově kompatibilní s Cray-1. Derivát UNIX System V, původně pojmenovaný CX-OS a nakonec přejmenovaný na UNICOS, běžel prostřednictvím funkce hostujícího operačního systému. UNICOS se stal hlavním operačním systémem od roku 1986. Tato evoluce demonstrovala neustálou snahu o zvyšování výkonu a flexibility superpočítačů pro nejnáročnější vědecké a inženýrské úkoly.
CRAY-2: Král Rychlosti 80. let
Přenesme se o pár let dopředu. Již v roce 1985 se superpočítač CRAY-2 stal nejrychlejším a nejvýkonnějším strojem, jaký kdy byl postaven. Nastavil světový rekord se špičkovým výkonem 1,9 gigaflopů, tedy 1,9 miliardy operací s pohyblivou řádovou čárkou za sekundu (FLOPS), což výrazně překonávalo špičkový výkon 12 250 FLOPS naváděcího počítače Apollo 11 pouhých 16 let předtím.
Superpočítač CRAY-2 byl navržen pro ministerstva obrany a energetiky Spojených států, primárně pro výzkum jaderných zbraní a oceánografický vývoj. Jeho fyzické rozměry byly impozantní: zabíral „pouhých“ 1,5 metru čtverečního podlahové plochy, stál téměř 1,2 metru vysoký s průměrem 1,7 metru a vážil neuvěřitelných 2 500 kilogramů. Byl to skutečný monolit, který vyžadoval speciální chlazení, často kapalinou, aby zvládl obrovské množství tepla generovaného jeho výkonnými komponenty.
iPhone 12 vs. CRAY-2: Nepředstavitelný Skok
A teď si to srovnejte s dnešními smartphony. Dnešní mobilní zařízení mají více výpočetního výkonu než všechny největší superpočítače až do přelomu 21. století. Apple iPhone 12, například, dokáže provést přibližně 11 teraflopů, neboli 11 bilionů operací za sekundu. To je více než 5000krát rychlejší než CRAY-2!
Tento rozdíl je ohromující, když vezmeme v úvahu fyzické rozměry. Zatímco CRAY-2 zabíral velký prostor a vážil tisíce kilogramů, iPhone, který je jen zlomkem této velikosti (přibližně 100 cm² a váží 164 gramů), dokáže provést 5000krát výkonnější výpočty. Co by se stalo, kdybychom CRAY-2 z roku 1985 zvětšili tak, aby odpovídal výpočetnímu výkonu vašeho kapesního smartphonu?
Představte si giganta, jakým byl CRAY-2 – ale 5000krát většího. Ten král počítačů z poloviny osmdesátých let by mohl vážit až 13 750 tun (27,5 milionu liber). Také by vyžadoval 5000krát více podlahové plochy, což by znamenalo 7 430 metrů čtverečních nemovitostí. Přemýšlejte o velké kancelářské budově nebo téměř dvou akrech půdy – a to vše byste měli mít v zadní kapse.
Tento neskutečný pokrok vedl k demokratizaci technologie, kdy obrovský výpočetní výkon je doslova v našich rukou a umožňuje dříve nepředstavitelné úkoly, jako je používání mobilního zařízení k převodu online dokumentů do PDF, kontrola e-mailů, správa sociálních médií nebo dokonce skenování dokumentů přímo z vašeho telefonu.
Mooreův Zákon a Nekonečný Pokrok
Pokrok se samozřejmě nezastavil. CRAY-2 držel rekord několik let, než ho překonal rychlejší stroj CRAY. Od té doby se výpočetní technika neustále zrychluje a zlepšuje, přičemž do závodu o nejvyšší rychlost se zapojily technologické společnosti jako Fujitsu, Intel, IBM a další. Veškerá tato konkurence podnítila inovace závratným tempem, což vedlo k technologicky ovládané krajině, kterou máme nyní, kde se neuvěřitelné nové stroje stávají zastaralými a pomalými, jakmile jejich bezprostřední nástupci vstoupí na trh.
Tento trend obecně sleduje Mooreův zákon, což je předpověď exponenciálního růstu výpočetního výkonu inženýra Gordona Moora, která říká, že počet tranzistorů na mikročipu se zdvojnásobí každý rok, zatímco cena počítačů se sníží na polovinu. I když dnes již není tak přesný jako po desetiletí předtím, Mooreův zákon je stále relevantní pro moderní počítače v tom smyslu, že můžeme očekávat, že se jejich rychlost a možnosti budou neustále zvyšovat, zatímco za ně budeme platit méně.
Posuzování výpočetního výkonu je vysoce složité, ale v podstatě se to scvrkává na taktovací frekvenci procesoru počítače, která určuje, jak rychle může centrální procesorová jednotka (CPU) načítat a interpretovat instrukce. Taktovací frekvence se měří v gigahertzích (GHz), přičemž vyšší číslo znamená, že počítač může provádět více úloh vyšší rychlostí.
| Funkce | Cray-1 (1975) | Cray X-MP (1982) | CRAY-2 (1985) | iPhone 12 (2020) |
|---|---|---|---|---|
| Architektura | Vektorový procesor | Paralelní vektorový procesor | Paralelní vektorový procesor | Systém na čipu (SoC) s CPU, GPU, Neural Engine |
| Špičkový výkon | ~160 MFLOPS (jednotlivé CPU) | 800 MFLOPS (4 CPU) | 1.9 GFLOPS | 11 TFLOPS (11 000 GFLOPS) |
| Taktovací cyklus / frekvence | 12.5 ns (80 MHz) | 9.5 ns (105 MHz) | N/A (rychlejší než X-MP) | ~3.1 GHz (A14 Bionic) |
| Hlavní paměť | Max. 4 mil. 64bit. slov (32 MB) | Max. 16 mil. 64bit. slov (128 MB) | N/A (Multi-gigabajtová) | 4 GB LPDDR4X |
| Fyzické rozměry | Velký sálový počítač (kruh, ~2.5 m průměr, 1.9 m výška) | Velký sálový počítač (podobný Cray-1) | 1.5 m² podlahové plochy, 1.2 m výška, 1.7 m průměr | ~14.7 cm výška, ~7.2 cm šířka, ~0.74 cm tloušťka |
| Hmotnost | ~5300 kg | ~5300 kg | ~2500 kg | ~164 gramů |
| Primární účel | Vědecké výpočty, simulace | Vědecké výpočty, obrana, simulace | Výzkum jaderných zbraní, oceánografie | Komunikace, zábava, produktivita, AI |
Často Kladené Otázky
Je můj smartphone opravdu výkonnější než staré superpočítače?
Ano, absolutně. Jak ukazuje srovnání, moderní smartphone, jako je iPhone 12, má výpočetní výkon tisíckrát vyšší než superpočítače z 80. let, jako byl CRAY-2, a to při zlomku jejich velikosti a spotřeby energie.
Proč byly superpočítače tak velké a drahé?
V minulosti byly komponenty pro počítače mnohem větší a méně integrované. Každá funkce vyžadovala mnoho diskrétních obvodů, což vedlo k obrovským rozměrům. Navíc k dosažení vysokého výkonu bylo nutné používat speciální a drahé materiály a složité chladicí systémy. Dnešní technologie umožňuje miniaturizaci a integraci miliard tranzistorů na jediný čip.
Jak se měří výkon počítače?
Výkon počítače se často měří v FLOPS (Floating Point Operations Per Second – operace s pohyblivou řádovou čárkou za sekundu), což je indikátor, kolik složitých matematických výpočtů dokáže počítač provést za sekundu. Dnes se používají jednotky jako MegaFLOPS (miliony), GigaFLOPS (miliardy) a TeraFLOPS (biliony). Dalšími faktory jsou taktovací frekvence CPU (v GHz), propustnost paměti a počet jader procesoru.
Závěr
Není to tak dávno, co CRAY-2 ustoupil další, výkonnější generaci superpočítačů. Dnes, místo abychom potřebovali masivní, budovu velký počítač, nebo dokonce laptop, můžete mít kompletní digitální správu dokumentů v dlani. Mobilní nástroje Adobe Acrobat a Acrobat Reader vám umožňují pracovat odkudkoli a udržovat podnikání v chodu neustále, a to pouze pomocí smartphonu.
Není třeba CRAY-2 a jeho 7 430 metrů čtverečních podlahové plochy. Už máte v ruce superpočítač, který dokáže mnohem víc. Tento neuvěřitelný pokrok v technologii nám dává do rukou nástroje, které by dříve byly nemyslitelné, a otevírá dveře k budoucím inovacím, které si dnes sotva dokážeme představit. Váš iPhone je víc než jen telefon; je to brána k digitálnímu světu s výkonem, který by před pouhými několika desetiletími změnil svět.
Chceš-li si přečíst další články podobné jako iPhone: Superpočítač v Kapse, navštiv kategorii Technologie.