Máquina de conexión

Máquinas de pensamiento CM-2 en el Museo de Historia Informática en Mountain View, California. Una de las placas faciales ha sido parcialmente removida para mostrar las placas de circuito dentro.

Una máquina de conexión (CM) es miembro de una serie de supercomputadoras masivamente paralelas que surgieron de la investigación doctoral sobre alternativas a la arquitectura tradicional de computadoras de von Neumann por Danny Hillis en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) a principios de la década de 1980. Comenzando con CM-1, las máquinas estaban destinadas originalmente para aplicaciones en inteligencia artificial (IA) y procesamiento simbólico, pero las versiones posteriores tuvieron un mayor éxito en el campo de la ciencia computacional.

Origen de la idea

Danny Hillis y Sheryl Handler fundaron Thinking Machines Corporation (TMC) en Waltham, Massachusetts, en 1983 y se mudaron en 1984 a Cambridge, MA. En TMC, Hillis reunió un equipo para desarrollar lo que se convertiría en la máquina de conexión CM-1, un diseño para una disposición masivamente paralela basada en un hipercubo de miles de microprocesadores, que surgió de su trabajo de tesis doctoral en Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación en el MIT (1985).). La disertación ganó el premio ACM Distinguished Dissertation en 1985 y se presentó como una monografía que describía la filosofía, la arquitectura y el software de la primera Connection Machine, incluida información sobre el enrutamiento de datos entre los nodos de la unidad central de procesamiento (CPU), el manejo de la memoria, y el lenguaje de programación Lisp aplicado en la máquina paralela. Conceptos muy tempranos contemplaban poco más de un millón de procesadores, cada uno conectado en un hipercubo de 20 dimensiones, que luego se redujo.

Diseños

Diseño externo del modelo CM-1 y CM-2

Cada microprocesador CM-1 tiene sus propios 4 kilobits de memoria de acceso aleatorio (RAM), y la matriz de ellos basada en hipercubos se diseñó para realizar la misma operación en varios puntos de datos simultáneamente, es decir, para ejecutar tareas en un solo instrucción, modo de datos múltiples (SIMD). El CM-1, dependiendo de la configuración, tiene hasta 65 536 procesadores individuales, cada uno extremadamente simple, procesando un bit a la vez. CM-1 y su sucesor CM-2 adoptan la forma de un cubo de 1,5 metros de lado, dividido por igual en ocho cubos más pequeños. Cada subcubo contiene 16 placas de circuito impreso y un procesador principal llamado secuenciador. Cada placa de circuito contiene 32 chips. Cada chip contiene un enrutador, 16 procesadores y 16 RAM. El CM-1 en su conjunto tiene una red de enrutamiento basada en un hipercubo de 12 dimensiones (que conecta los 2¹² chips), una RAM principal y un procesador de entrada-salida (un controlador de canal). Cada enrutador contiene cinco búferes para almacenar los datos que se transmiten cuando no hay un canal libre disponible. Los ingenieros habían calculado originalmente que se necesitarían siete búferes por chip, pero esto hizo que el chip fuera un poco demasiado grande para construirlo. El físico ganador del Premio Nobel, Richard Feynman, había calculado previamente que cinco búferes serían suficientes, usando una ecuación diferencial que involucraba el número promedio de 1 bits en una dirección. Volvieron a enviar el diseño del chip con solo cinco búferes, y cuando armaron la máquina, funcionó bien. Cada chip está conectado a un dispositivo de conmutación llamado nexo. El CM-1 usa el algoritmo de Feynman para calcular logaritmos que había desarrollado en el Laboratorio Nacional de Los Álamos para el Proyecto Manhattan. Se adapta bien al CM-1, usando como lo hizo, solo cambiando y agregando, con una pequeña mesa compartida por todos los procesadores. Feynman también descubrió que el CM-1 calcularía los diagramas de Feynman para los cálculos de cromodinámica cuántica (QCD) más rápido que una costosa máquina de propósito especial desarrollada en Caltech.

Para mejorar su viabilidad comercial, TMC lanzó el CM-2 en 1987, agregando coprocesadores numéricos de punto flotante Weitek 3132 y más RAM al sistema. Treinta y dos de los procesadores originales de un bit compartían cada procesador numérico. El CM-2 se puede configurar con hasta 512 MB de RAM y un sistema de disco duro de matriz redundante de discos independientes (RAID), llamado DataVault, de hasta 25 GB. También se produjeron dos variantes posteriores del CM-2, el CM-2a más pequeño con procesadores de un solo bit 4096 u 8192, y el CM-200 más rápido.

Los paneles de luz de FROSTBURG, un CM-5, en exhibición en el Museo Nacional Cryptologic. Los paneles se utilizaron para comprobar el uso de los nodos de procesamiento, y para ejecutar diagnósticos.

Debido a sus orígenes en la investigación de IA, el software para el procesador de un solo bit CM-1/2/200 fue influenciado por el lenguaje de programación Lisp y una versión de Common Lisp, *Lisp (hablado: Star- Lisp), se implementó en el CM-1. Otros idiomas primitivos incluyeron a Karl Sims' IK y la URDU de Cliff Lasser. Gran parte del software de utilidades del sistema para el CM-1/2 se escribió en *Lisp. Sin embargo, muchas aplicaciones para el CM-2 se escribieron en C*, un superconjunto de datos paralelos de ANSI C.

Con el CM-5, anunciado en 1991, TMC pasó de la arquitectura hipercúbica de procesadores simples del CM-2 a una arquitectura nueva y diferente de instrucciones múltiples, datos múltiples (MIMD). basado en una red fat tree de procesadores SPARC de computación de conjunto de instrucciones reducido (RISC). Para facilitar la programación, se hizo para simular un diseño SIMD. El último CM-5E reemplaza los procesadores SPARC con SuperSPARC más rápidos. Una CM-5 fue la computadora más rápida del mundo en 1993 según la lista TOP500, ejecutando 1024 núcleos con Rpeak de 131,0 GFLOPS, y durante varios años muchas de las 10 computadoras más rápidas fueron CM-5.

Diseño visual

Connection Machines se destacó por su llamativo diseño visual. Los equipos de diseño de CM-1 y CM-2 fueron dirigidos por Tamiko Thiel. La forma física del chasis CM-1, CM-2 y CM-200 era un cubo de cubos, haciendo referencia a la red interna de hipercubo de 12 dimensiones de la máquina, con los diodos emisores de luz (LED) rojos., indicando por defecto el estado del procesador, visible a través de las puertas de cada cubo.

De forma predeterminada, cuando un procesador está ejecutando una instrucción, su LED está encendido. En un programa SIMD, el objetivo es tener tantos procesadores como sea posible trabajando en el programa al mismo tiempo, lo que se indica con todos los LED encendidos. Quienes no estaban familiarizados con el uso de los LED querían verlos parpadear, o incluso deletrear mensajes a los visitantes. El resultado es que los programas terminados a menudo tienen operaciones superfluas para hacer parpadear los LED.

El CM-5, visto en planta, tenía forma de escalera y también tenía grandes paneles de LED rojos parpadeantes. La destacada escultora y arquitecta Maya Lin contribuyó al diseño del CM-5.

Exposiciones

El primer CM-1 está en exhibición permanente en el Computer History Museum, Mountain View, California, que también tiene otros dos CM-1 y CM-5. Otras máquinas de conexión sobreviven en las colecciones del Museo de Arte Moderno de Nueva York y Living Computers: Museum + Labs Seattle (CM-2 con rejillas LED que simulan los LED de estado del procesador), y en el Museo Nacional de Historia Estadounidense de la Institución Smithsonian, el Computer Museum of America en Roswell, Georgia, y el Museo Nacional Sueco de Ciencia y Tecnología (Tekniska Museet) en Estocolmo, Suecia.

Referencias en la cultura popular

Un CM-5 apareció en la película Jurassic Park en la sala de control de la isla (en lugar de una supercomputadora Cray X-MP como en la novela).

Las computadoras centrales de Fallout 3 se inspiraron en gran medida en el CM-5.