Cray1 Russell Cacm1978

7/28/2019 Cray1 Russell Cacm1978

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W e b e l i e v e t h e k e y t o t h e 1 0 ' s l o n g e v i t y i s i t s

b a s i c a ll y s im p l e , c l e a n s t r u c t u r e w i t h a d e q u a t e l y l a r g e

( o n e M b y t e ) a d d r e s s s p a c e t h a t a l l o w s u se r s to g e t

w o r k d o n e . I n t h is w a y , i t h a s e v o l v e d e a s i l y w i t h u s e

a n d w i t h t e c h n o l o g y . A n e q u a l l y s i g n i fi c a n t f a c t o r in

i t s s u c c e s s is a s i n g l e o p e r a t i n g s y s t e m e n v i r o n m e n t

e n a b l i n g u s e r p r o g r a m s h a r i n g a m o n g a l l m a c h i n e s .

T h e m a c h i n e h a s t h u s a t t r a c t e d u s e rs w h o h a v e b u i l t

s i g n i f i c a n t l a n g u a g e s a n d a p p l i c a t i o n s i n a v a r i e t y o f

e n v i r o n m e n t s . T h e s e u s e r - d e v e l o p e r s a r e th u s t h e

d o m i n a n t s y st e m a r c h i t e c t s - i m p l e m e n t o r s .I n r e t r o s p e c t , t h e m a c h i n e t u r n e d o u t t o b e la r g e r

a n d f u r t h e r fr o m a m i n i c o m p u t e r t h a n w e e x p e c t e d .

A s s u c h i t c o u l d e a s i ly h a v e d i e d o r d e s t r o y e d t h e t i n y

D E C o r g a n i z a t i o n t h a t s ta r t e d it . W e h o p e t h a t t h is

p a p e r h a s p r o v i d e d i n s ig h t i n t o t h e i n t e r a c t i o n s o f i ts

d e v e l o p m e n t .

Acknowledgments . D a n S i e w i o r e k d es e r v e s o u r

g r e a t e s t t h a n k s f o r h e l p in g w i t h a c o m p l e t e e d i t i n g o f

t h e t e x t . T h e r e f e r e e s a n d e d i t o r s h a v e b e e n e s p e c i a l l y

h e l p f u l. T h e i m p o r t a n t p r o g r a m c o n t r i b u t i o n s b y u s e r s

a r e t o o n u m e r o u s f o r u s t o g iv e b y n a m e b u t h e r e a r e

m o s t o f t h e m : A PL , B a s i c , BLISS, DDT, L I S P , P a s c a l ,S i m u l a , s o s , T E C O , a n d T e n e x . L i k e w i s e , t h e r e h a v e

b e e n s o m a n y c o n t r i b u t i o n s t o t h e 1 0 ' s a r c h i te c t u r e

a n d i m p l e m e n t a t i o n s w i th i n D E C a n d t h r o u g h o u t t h e

u s e r c o m m u n i t y t h a t w e d a r e n o t g i v e w h a t w o u l d b e a

p a r t i a l l i st .

Rece ived Apr i l 1977 ; rev ised Sep tember 1977

References1 . Be l l , G . , Cady , R . , McFar land , H . , De lag i , B . , O 'Laug h l in , J . ,and Noonan, R. A new architecture for minicomputers--- , the DECPDP-11 . P roc . AFIP S 1970 SJCC, Vo l . 36 , AFIP S P ress ,Mon tva le , N . J . , pp . 657 -675 .2 . B e l l , G . , a n d F r e e m a n , P . C a i - A c o m p u t e r a r c h it e c tu r e f o rAI re sea rch AFIPS Conf . P roc . Vo l . 38 (Sp r ing , 1971) , 779 -790 .

3 . Be l l , G . , and Newel l , A . Computer Structures: Readings andExamples. McG raw-Hi l l , New Y ork , 1971.4 . Bobrow, D.G . , Burchf ie l , J .D . , M urphy , D. L . , andToml inson , R .S . TEN EX , A Paged Time Sha r ing Sys tem fo r thePDP-10 . Comm. ACM 15, 3 (March 1972), 135-143.5 . Bu l lman , D.M. Ed i to r , stack compu te rs i s sue . Computer 10, 5(May 1977), 14-52.6 . Cla rk , W .A. The Linco ln TX-2 compu te r . P roc . W JCC 1957,Vol. 11, pp. 143-171.7 . Lunde , A . Empir ica l eva lua t ion o f some fea tu re s o f In s truc t ionSet Processor architecture . Comm. ACM 20, 3 (March 1977), 143-152.8 . Mi tche l l , J .L . , and Olsen , K .H . TX-0 , a t r ans i s to r compu te r .P roc . EJCC 1956 , Vo l . 10 , pp . 93 -100 .9 . McCar thy , J . Time Sharing Computer Systems, Managementand the Computer of the Future M. Greenb e rge r , Ed . , M . I .T . P re ss ,Cambr idge , Mass . , 1962 , pp . 221 -236 .

10 . Murphy , D .L. S to rage o rgan iza t ion and managem en t inTENEX. P roc . AFIPS 1972 FJCC, Vo l . 41 , P t . I , AFIPS P ress ,Mon tva le , N . J . , pp . 23 -32 .11 . Olsen , K .H. T rans i s to r c i rcu it ry in the Linco ln TX-2 . P roc .W JCC 1957 , Vo l . 11 , pp . 167 -171 .12 . Rober t s , L .G . Ed . Sec t ion on Resou rce Sha ring Compu te rNe tworks . AFIPS 1970 SJCC, V o l . 36 , AFIPS P ress , Mon tva le ,N. J . , pp . 543 -598 .13 . W ulf , W . , and Be l l , G . C .m mp --A mut l i -min i -p rocesso r . P roc .AFIPS 1972 FJCC, Vo l . 41 , AFIPS P ress , Mon tva le , N . J . , pp .7 6 5 - 7 7 7 .14 . W ulf , W . , Russe l l , D . , and Habe rmann , A .N. BL ISS : Alanguage fo r sy s tems p rog ram ming . Comm. ACM 14, 12 (Dec .1971) , 780 -790 .

63

C o m p u t e r

S y s t e m s

G . B e l l , S . H . F u l l e r , a n d

D . S i e w i o r e k , E d i t o r s

T he C R A Y - 1

C o m p u t e r S y s t e mR i c h a r d M . R u s s e l l

C r a y R e s e a r c h , I n c .

T h i s p a p e r d e s c r ib e s t h e C R A Y , 1 , d i s c u s se s t he

e v o l u t i o n o f i ts a r c h i te c t u r e , a n d g i v e s a n a c c o u n t o f

s o m e o f th e p r o b l e m s t h a t w e r e o v e r c o m e d u r i n g it s

m a n u f a c t u r e .

T h e C R A Y - 1 i s t h e on l y c o m p u te r t o h a v e b e e n

b u i l t t o d a t e th a t s a t is f i es E R D A ' s C l a s s V I

r e q u i r e m e n t ( a c o m p u t e r c a p a b l e o f pr o c e s s i n g f r o m

2 0 t o 6 0 m i l l i o n f l o a t i n g p o i n t o p e r a t i o n s p e r s e c o n d )[ 1 1 .

T h e C R A Y - I ' s F o r t r a n c o m p i l e r ( C VT ) i s d e s i g n e d

t o g i v e t h e s c i e n t i f i c u s e r i m m e d i a t e a c c e s s t o t h e

b e n e f it s o f t h e C R A Y - r s v e c t or p r oc e s s in g

a r c h i t e c t u r e . A n o p t i m i z i n g c o m p B e r , c F r ,

" v e c t o r i z e s " i n n e r m o s t D O l o o p s . C o m p a t i b l e w i t h

t h e A NS I 1 9 6 6 F o r t r a n S t a n d a r d a n d w i t h m a n y

c o m m o n l y s u p p o r t e d F o r t r a n e x t e n s i o n s , CVT d o e s n o t

r e q u i r e a n y s o u r c e p r o g r a m m o d i f i c a t i o n s o r t h e u s e

o f a d d i t i o n a l n o n s t a n d a r d F o r t r a n s ta t e m e n t s t o

a c h i e v e v e c t o r i z a t i o n . T h u s t h e u s e r ' s i n v e s t m e n t o f

h u n d r e d s o f m a n m o n t h s o f e f f o r t t o d e v e l o p F o r t ra n

p r o g r a m s f o r o th e r c o n t e m p o r a r y c o m p u t e r s i sp r o t e c t e d .

K e y W o r d s a n d P h r a s e s : a r c h i t e c t u r e , c o m p u t e r

s y s t e m s

C R C a t e g o r i e s : 1 . 2 , 6 . 2 , 6 . 3

I n t r o d u c t i o n

V e c t o r p r o c e s s o rs a r e n o t y e t c o m m o n p l a c e m a -

c h i n e s i n t h e l a r g e r- s c a l e c o m p u t e r m a r k e t . A t t h e

t i m e o f t h is w r i t i n g w e k n o w o f o n l y 1 2 n o n - C R A Y - 1

v e c t o r p r o c e s s o r i n s t a l l a t i o n s w o r l d w i d e . O f t h e s e 1 2 ,

t h e m o s t p o w e r f u l p r o c e s s o r is t h e I L L I A C I V ( 1i n s t a l l a t i o n ) , t h e m o s t p o p u l o u s i s t h e T e x a s I n s t r u-

m e n t s A d v a n c e d S c i e nt i f i c C o m p u t e r ( 7 i n s t a l la t i o n s )

a n d t h e m o s t p u b l i c i z e d i s C o n t r o l D a t a ' s S T A R 1 0 0

Copyr igh t © 1977, Assoc ia t ion fo r Com pu t ing Mach ine ry , Inc .Gene ra l pe rmiss ion to repub l i sh , bu t no t fo r p ro f i t , a l l o r pa r t o fth i s ma te r ia l i s g ran ted p rov ided tha t ACM's copyr igh t no t ice i sgiven and that" reference is mad e to the pub lication, to i ts date ofissue, and to the fact that reprinting privileges were granted bype rmiss ion o f the Assoc ia t ion fo r Com pu t ing Mach ine ry .

Au tho r ' s add ress : Cray Resea rch Inc . , Su i te 213 , 7850 Met roParkway , M inneapo l i s , MN 55420 .

Comm unica t ions Janua ry 1978of Vo lume 21the A C M N u m b e r 1



( 4 in s t a ll a t io n s ) . I n i ts r e p o r t o n t h e C R A Y - 1 , A u e r -

b a c h C o m p u t e r T e c h n o l o g y R e p o r t s p u b l i s h e d a c o m -

p a r is o n o f t h e C R A Y - 1 , t h e A S C , a n d t he S T A R 1 0 0

[ 2]. T h e C R A Y - 1 is s h o w n t o b e a m o r e p o w e r f u l

c o m p u t e r t h a n a n y o f i ts m a i n c o m p e t i t o r s a n d i s

e s t i m a t e d t o b e t h e e q u i v a l e n t o f fi v e I B M 3 7 0 / 1 9 5 s .

I n d e p e n d e n t b e n c h m a r k s t u d ie s h a v e s h o w n t h e

C R A Y - 1 f ul ly c a p a b l e o f s u p p o r t in g c o m p u t a t i o n a l

r a t e s o f 1 3 8 m i l l i o n f l o a t i n g - p o i n t o p e r a t i o n s p e r s e c -

o n d (M F LO PS ) f o r s u s t a i n e d p e r i o d s a n d e v e n h i g h e r

r a t e s o f 2 5 0 M r LO P S i n s h o r t b u r s t s [ 3 , 4 ] . S u c h

c o m p a r a t i v e l y h ig h p e r f o r m a n c e r e s u l ts f r o m t h e

C R A Y - 1 i n t e r n a l a r c h i t e c t u r e , w h i c h is d e s i g n e d t o

a c c o m m o d a t e t h e c o m p u t a t i o n a l n e e d s o f c a r ry i n g o u t

m a n y c a l c u l a t i o n s i n d i s c r e t e s t e p s , w i t h e a c h s t e p

p r o d u c i n g i n t e r i m r e s u l t s u s e d i n s u b s e q u e n t s t e p s .

T h r o u g h a t e c h n iq u e c a l l ed " c h a i n i n g , " t h e C R A Y - 1

v e c t o r f u n c t i o n a l u n i t s , in c o m b i n a t i o n w i t h s c a la r a n d

v e c t o r r e g i s t er s , g e n e r a t e i n t e r i m r e s u lt s a n d u s e t h e m

a g a i n i m m e d i a t e l y w i th o u t a d d i t i o n a l m e m o r y r e f e r -

e n c e s , w h i c h s lo w d o w n t h e c o m p u t a t i o n a l p r o c e s s in

o t h e r c o n t e m p o r a r y c o m p u t e r s y s t e m s .

O t h e r f e a tu r e s e n h a n c in g t h e C R A Y - I ' s c o m p u t a -

t i o n a l c a p a b i l i t i e s a r e : i t s s m a l l s i z e , w h i c h r e d u c e s

d i s t a n c e s e l e c t r i c a l s i g n a l s m u s t t r a v e l w i t h i n t h e c o m -

p u t e r ' s f r a m e w o r k a n d a ll o w s a 1 2 .5 n a n o s e c o n d c l o c k

p e r i o d ( t h e C R A Y - 1 i s t h e w o r l d ' s f a s t e st s c a la r p ro c -

e s s o r ) ; a o n e m i l l io n w o r d s e m i c o n d u c t o r m e m o r y

e q u i p p e d w i t h e r r o r d e t e c t i o n a n d c o r r e c t i o n l o gi c

( S E C D ~ D ) ; i t s 6 4 - b i t w o r d s i z e ; a n d i t s o p t i m i z i n g

F o r t r a n c o m p i l e r .

A r c h i t e c t u r e

T h e C R A Y - 1 h a s b e e n c a l le d " t h e w o r l d 's m o s t

e x p e n s i v e l o v e - s e a t " [ 5 ]. C e r t a i n l y , m o s t p e o p l e ' s fi r str e a c t i o n t o t h e C R A Y - I i s t h a t i t i s s o s m a l l . B u t i n

c o m p u t e r d e s i g n i t i s a tr u i s m t h a t s m a l l e r m e a n s

f a s t e r. T h e g r e a t e r t h e s e p a r a t i o n o f c o m p o n e n t s , t h e

l o n g e r t h e t i m e t a k e n f o r a s i g n a l t o p a s s b e t w e e n

t h e m . A c y l i n d ri c a l s h a p e w a s c h o s e n f o r t h e C R A Y - 1

i n o r d e r t o k e e p w i r i n g d i s t a n c e s s m a l l .

F i g u r e 1 sh o w s t h e p h y s i c a l d i m e n s i o n s o f th e

m a c h i n e . T h e m a i n f r a m e i s c o m p o s e d o f 1 2 w e dg e -

l i k e c o l u m n s a r r a n g e d i n a 2 7 0 ° a r c . T h i s l e a v e s r o o m

f o r a r e a s o n a b l y t r i m i n d i v i d u a l t o g a i n a c c e s s t o t h e

i n t e r io r o f t h e m a c h i n e . N o t e t h a t t h e l o v e - s e a t d i s-

g u i s es t h e p o w e r s u p p l i e s a n d s o m e p l u m b i n g f o r th e

F r e o n c o o l i n g s y s t e m . T h e p h o t o g r a p h s ( F i g u r e 2 a n d3 ) sh o w t h e in t e r i o r o f a w o r k i n g C R A Y - 1 a n d a n

e x t e r i o r v ie w o f a c o l u m n w i t h o n e m o d u l e i n p l a c e .

F i g u r e 4 i s a p h o t o g r a p h o f t h e i n t e r i o r o f a si n g l e

m o d u l e .

A n A n a l y s i s o f th e A r c h i t e c t u r e

T a b l e I d e t a il s i m p o r t a n t c h a r a c t e r is t i c s o f th e

C R A Y - 1 C o m p u t e r S y s t em . T h e C R A Y - 1 is e q u i p p e d

w i t h 1 2 i /o c h a n n e l s , 1 6 m e m o r y b a n k s , 1 2 f u n c t i o n a l

6 4

Fig. 1. Physical organization of m ainframe.

1, 1031/2" ,I

- DimensionsBase-103½ inches diameter by 19 inches highColumns-56½ inch es diameter by 77 in ches high including

height of base--24 chassis- 1662 modules; 113 module types--Eac h module contains up to 288 IC packages per module-Power consumption approximately 115 kw input for maximum

memory size--Freon cooled with Freon/water heat exchange

-T h ree m em ory op ti ons-W eigh t 10,500 lbs (maximUm memory s ize)-T hr ee basic chip types

5/4 NAND gatesMemory chipsRegister chips

u n i t s, a n d m o r e t h a n 4 k b y t e s o f re g i s t e r s to r a g e .

A c c e s s t o m e m o r y i s s h a r e d b y t h e i /o c h a n n e l s a n d

h i g h - s p e e d r e g i s te r s . T h e m o s t s t r i k in g f e a t u r e s o f th e

C R A Y - 1 a r e: o n l y f o u r c h ip t y p e s , m a i n m e m o r y

s p e e d , c o o l i n g s y s t e m , a n d c o m p u t a t i o n s e c t i o n .

F o u r C h i p T y p e s

O n l y f o u r c h i p t y p e s a r e u s e d t o b u i l d t h e C R A Y -1 . T h e s e a r e 1 6 × 4 b i t b i p o l a r r e g i s t e r c h i p s ( 6

n a n o s e c o n d c y c le t i m e ) , 1 0 2 4 × 1 b i t b i p o l a r m e m o r y

c h i p s ( 5 0 n a n o s e c o n d c y c le t im e ) , a n d b i p o l a r lo g i c

c h i p s w i t h s u b n a n o s e c o n d p r o p a g a t i o n t i m e s . T h e l o g i c

c h i p s a r e a l l s i m p l e l o w - o r h i g h - s p e e d g a t e s w i t h b o t h

a 5 w i d e a n d a 4 w i d e g a t e ( 5 / 4 N A N D ) . E m i t t e r -

c o u p l e d l o g i c c i r c u i t ( EC L ) t e c h n o l o g y i s u s e d t h r o u g h -

o u t t h e C R A Y - 1 .

T h e p r i n t e d c i rc u i t b o a r d u s e d i n t h e C R A Y - 1 i s a

5 - l a y e r b o a r d w i t h th e t w o o u t e r s u r f a c e s u s e d f o r

s i gn a l r u n s a n d t h e t h r e e i n n e r l a y e r s f o r - 5 . 2 V ,

- 2 . 0 V , a n d g r o u n d p o w e r s u p pl ie s . T h e b o a r d s a r e

s ix in c h e s w i d e , 8 i n c h e s l o n g , a n d f i t i n t o t h e c h a s s i sa s s h o w n i n F i g u r e 3 .

A l l i n t e g r a t e d c i r c u i t d e v i c e s u s e d i n t h e C R A Y - 1

a r e p a c k a g e d i n 1 6 - p i n h e r m e t i c a l l y s e a l e d f la t p a c k s

s u p p l i e d b y b o t h F a i r c h i ld a n d M o t o r o l a . T h i s ty p e o f

p a c k a g e w a s c h o s e n f o r it s r e l ia b i l it y a n d c o m p a c t n e s s .

C o m p a c t n e s s i s o f sp e c i a l i m p o r t a n c e ; a s m a n y a s 2 8 8

p a c k a g e s m a y b e a d d e d t o a b o a r d t o f a b r i c a t e a

m o d u l e ( t h e r e a r e 1 1 3 m o d u l e t y p e s ) , a n d a s m a n y as

7 2 m o d u l e s m a y b e i n s e r t e d i n t o a 2 8 - i n c h - h i g h c h a s s is .

Comm unications January 1978of Volume 21the ACM Number 1



Fig. 2. The CRAY-1 Computer . Fig. 4. A single module.

Fig. 3. CRAY-1 modules in place.

Such component densities evitably lead to a mammoth

cooling problem (to be described).

Main Memor y SpeedCRAY-1 memory is organized in 16 banks, 72

modules per bank. Each module contributes 1 bit to a

64-bit word. The other 8 bits are used to store an 8-bit

check byte required for single-bit error correction,

double -bit e rro r det ectio n (SECDEO). Da ta w ords are

stored in 1-bank increments throughout memory. This

organization allows 16-way interleaving of memory

accesses and prevents bank conflicts except in the case

6 5

Table I. CRAY-1 CPU characteristics summary

Computation Section

Scalar and vector processing modes

12.5 na nosecond clock period operat ion

64-bit word sizeInteger and floating-point arithmetic

Twelve fully segment ed functional units

Eight 24-bit address (A) registers

Sixty-four 24-bit intermediate address (B) registers

Eight 64-bit scalar(S) registers

Sixty-four 64-bit intermediate scalar (T) registers

Eight 64-element vector (V) registers (64-bits per element)

Vector length and vector mask registers

One 64-bit real time clock (RT) register

Four instruction buffers of sixty-four 16-bit parcels each

128 basic instructions

Prioritized interrupt control

Memory Section

1,048,576 64-bit words (plus 8 check bits per word)

16 independe nt banks of 65,536 words each

4 clock period bank cycle time1 word per clock period transfer rate for B, T, and V registers

1 word per 2 clock periods transfe r rate for A and S registers

4 words per clock period transfer rate to instruction buffers (up to

16 instructions per clock period)

i/o Section

24 i/o channels organized into four 6-channel groups

Each channel group contains either 6 input or 6 output channels

Each channel group served by memory every 4 clock periods

Channel priority within each channel group

16 data bits, 3 control bits per channel, and 4 parity bits

Maximum channel rate of one 64-bit word every 100 nanoseconds

Maximum data streaming rate of 500,000 64-bit words/second

Channel error detection

of memory accesses that step through memory with

either an 8 or 16-word increment.

Cooling SystemThe CRAY-1 generates about four times as much

heat per cubic inch as the 7600. To cool the CRAY-1

a new cooling technology was developed, also based

on Freon, but employing available metal conductors in

a new way. Within each chassis vertical aluminum/

stainless steel cooling bars line each column wall. The

Communicat ions January 1978of Volume 21the ACM Number 1



F ig . 5 . Block d iag ram o f reg is te r s .

VECTOR REGISTERS

4EMOR)

, K - ' - ' ] v 7/~ -i v6

//~-. ' v5

~ ~ _ . ~ v3 4

Z . Z ~ I vlv2 ....

/j / co,' VO

VectorC o n t r o l

VjVk

Vi

i .SJ

I v. F. ~ i

~ SCALAR REGISTERS

oo

T 77 s~~

((Ah) + jkm) ~'?" I SO ~----~-

~XCn~aone

VectorADDRESS REGISTERS

Shlftl

VECTOR I I

_F

v j

FLOATING

POINT

r

n | | ! J

l

I 7 1 I I I ~

A k

c o n t r o l

Ak

,,P

L , , F . . . .

INSTRUCTION BUFFERS

ADDRESS

FUNCTIONAL UNITS

F r e o n r e f r i g e r a n t is p a s s e d t h r o u g h a s t a i n le s s s t e e l

t u b e w i t h i n t h e a l u m i n u m c a s i n g . W h e n m o d u l e s a r e

i n p l a c e , h e a t i s d i s s i p a t e d t h r o u g h t h e i n n e r c o p p e r

h e a t t r a n s f e r p l a t e i n t h e m o d u l e t o t h e c o l u m n w a l l s

a n d t h e n c e i n t o t h e c o o l i n g b a r s . T h e m o d u l e s a r e

m a t e d w i t h t h e c o l d b a r b y u s i n g s t a in l e s s s t e e l p in s t o

p i n c h t h e c o p p e r p l a t e a g a i n s t t h e a l u m i n u m o u t e r

c a s in g o f t h e b a r .

T o a s s u r e c o m p o n e n t r e l i a b i l i t y , t h e c o o l i n g s y s t e m

66

w a s d e s i g n e d t o p r o v i d e a m a x i m u m c a s e t e m p e r a t u r e

o f 1 3 0 ° F ( 5 4 ° C ) . T o m e e t t h i s g o a l , t h e f o l l o w i n g

t e m p e r a t u r e d i f fe r e n ti a ls a r e o b s e r v e d :

T e m p e r a t u r e a t c e n t e r o f m o d u l e

T e m p e r a t u r e a t e d g e o f m o d u l e

C o l d p l a t e t e m p e r a t u r e a t w e d g e

C o l d b a r t e m p e r a t u r e

R e f r i g e r a n t tu b e t e m p e r a t u r e

130°F (54°C)l18°F (48°C)

78°F (25°C)70°F (21°C)70°F (21°C)

Com munica t ions Janua ry 1978of Vo lume 21t h e A C M N u m b e r 1



F u n c t i o n a l U n i t s

T h e r e a r e 1 2 f u n c t i o n a l u n i ts , o r g a n i z e d i n f o u r

g r o u p s : a d d r e s s , s c a l a r , v e c t o r , a n d f l o a t i n g p o i n t .

E a c h f u n c t i o n a l u n i t is p i p e l i n e d i n t o s i n g l e c lo c k

s e g m e n t s . F u n c t i o n a l u n i t t i m e i s s h o w n i n T a b l e I I .

N o t e t h a t a l l o f th e f u n c t i o n a l u n i t s c a n o p e r a t e c o n c u r -

r e n t l y s o t h a t i n a d d i t i o n t o t h e b e n e f i t s o f p i p e l i n i n g

( e a c h f u n c t i o n a l u n i t c a n b e d r i v e n a t a r e s u l t r a t e o f 1

p e r c l o c k p e r i o d ) w e a l s o h a v e p a r a l l e l i s m a c r o s s t h e

u n i t s to o . N o t e t h e a b s e n c e o f a d i v id e u n i t i n t h e

C R A Y - 1 . I n o r d e r to h a v e a c o m p l e t e l y se g m e n t e d

d i v id e o p e r a t i o n t h e C R A Y - 1 p e r f o r m s f lo a t i n g - p o i n t

d i v is i o n b y t h e m e t h o d o f r e c i p r o c a l a p p r o x i m a t i o n .

T h i s t e c h n i q u e h a s b e e n u s e d b e f o r e ( e . g . I B M S y s t e m /

3 6 0 M o d e l 9 1 ) .

R e g i s t e r s

F i g u r e 5 s h o w s t h e C R A Y - 1 r e g i s te r s in r e l a ti o n -

s h i p t o t h e f u n c t i o n a l u n i t s , i n s t r u c t i o n b u f f e r s , i / o

c h a n n e l c o n t r o l r e g i s te r s , a n d m e m o r y . T h e b a s i c s e t

o f p r o g r a m m a b l e r e g i s te r s a r e a s fo l lo w s :

8 2 4 - b i t a d d r e s s ( A ) r e g i s t e r s

6 4 2 4 - b i t a d d r e s s - s a v e ( B ) r e g i s t e r s

8 6 4 - b i t s c a l a r ( S ) r e g i s t e r s6 4 6 4 - b i t s c a l a r - s a v e ( T ) r e g i s t e r s

8 6 4 - w o r d ( 4 0 9 6 - b i t ) v e c t o r ( V ) r e g i s t e r s

E x p r e s s e d i n 8 - b i t b y t e s r a t h e r t h a n 6 4 - b i t w o r d s ,

t h a t ' s a t o t a l o f 4 ,8 8 8 b y t e s o f h i g h - s p e e d ( 6 n s ) r e g i s te r

s t o r a g e .

T h e f u n c t i o n a l u n i t s t a k e i n p u t o p e r a n d s f r o m a n d

s t o r e r e s u l t o p e r a n d s o n l y t o A , S , a n d V r e g i s t e r s .

T h u s t h e l a r g e a m o u n t o f r e g i s t e r s t o r a g e i s a c ru c i a l

f a c t o r i n t h e C R A Y - I ' s a r c h i t e c t u r e . C h a i n i n g c o u l d

n o t t a k e p l a c e i f v e c t o r r e g i s t e r s p a c e w e r e n o t a v a i l a -

b l e f o r t h e s t o r a g e o f f i na l o r i n t e r m e d i a t e r e s u lt s . T h e

B a n d T r e g i s t e rs g r e a t l y a s s is t sc a l a r p e r f o r m a n c e .

T e m p o r a r y s c a l a r v a l u e s ca n b e s t o r e d f r o m a n d r e -

l o a d e d t o t h e A a n d S re g i s t e r i n t w o c l o c k p e r i o d s .

F i g u r e 5 s h o w s t h e C R A Y - I ' s r e g i s t e r p a t h s i n d e t a i l .

T h e s p e e d o f t h e e FT F o r t r a n I V c o m p i l e r w o u l d b e

s e r io u s l y im p a i r e d i f i t w e r e u n a b l e t o k e e p t h e m a n y

P a s s 1 a n d P a s s 2 t a b l e s i t n e e d s i n r e g i s t e r s p a c e ,

W i t h o u t t h e r e g i s t e r s t o r a g e p r o v i d e d b y t h e B , T , a n d

V re g i s t e rs , th e C R A Y - I ' s b a n d w i d t h o f o n l y 80

m i l l i o n w o r d s / s e c o n d w o u l d b e a s e r i o u s i m p e d i m e n t

t o p e r f o r m a n c e .

I n s t r u c ti o n F o r m a t s

I n s t r u c t i o n s a r e e x p r e s s e d i n e i t h e r o n e o r t w o 1 6 -

b i t p a r c e l s . B e l o w i s t h e g e n e r a l f o r m o f a C R A Y - 1

i n s t ru c t i o n . T w o - p a r c e l in s t r u c ti o n s m a y o v e r l a p m e m -

o r y - w o r d b o u n d a r i e s , a s f o ll o w s :

Fields g h i j k m

0 - 3 4 - 6 7 - 9 1 0 -1 2 1 3 - 1 5 1 6 -3 1Bit posi- (4) (3) (3) (3) (3) (16)tions

Parcel 1 Parcel 2

T h e c o m p u t a t i o n s e c t io n p r o c e s s e s i n s tr u c t io n s a t a

m a x i m u m r a t e o f o n e p a r c e l p e r c lo c k p e r io d .

Table II. CR AY -1 functional units

FunctionalRegister unit time

usage (clock pe-riods)

Address function unitsaddress add unit A 2address multiply unit A 6

Scalar functional unitsscalar add unit Sscalar shift unit S

scalar logical unit Spopulation/leading zero count

unit S 3Vector functional units

vector add unit V 3vector shift unit V 4vector logical unit V 2

Floating-point functional unitsfloating-point add unit S and V 6floating-point multiply unit S and V 7reciprocal approximation unit S and V 14

32 or 3 if double-

word shift1

F o r a r i t h m e t i c a n d l o g i c a l i n s t r u c t i o n s , a 7 - b i t o p -

e r a t i o n c o d e ( g h ) i s f o l l o w e d b y t h r e e 3 - b i t r e g i s t e rd e s i g n a t o r s . T h e f i r s t f i e l d , i , d e s i g n a t e s t h e r e s u l t

r e g i s t e r . T h e j a n d k f i e l d s d e s i g n a t e t h e t w o o p e r a n d

r e g i s te r s o r a r e c o m b i n e d t o d e s i g n a t e a B o r T

r e g i s t e r .

T h e s h i f t a n d m a s k i n s t r u c t i o n s c o n s i s t o f a 7 - b i t

o p e r a t i o n c o d e ( g h ) f o l l o w e d b y a 3 - b it i f i e l d a n d a 6 -

b i t j k f i e l d . T h e i f i e ld d e s i g n a t e s t h e o p e r a n d r e g i s t e r .

T h e j k c o m b i n e d f i e l d s p e c i f i e s a s h i f t o r m a s k c o u n t .

I m m e d i a t e o p e r a n d , r e a d a n d s t o re m e m o r y , a n d

b r a n c h i n s t r u c t i o n s r e q u i r e t h e t w o - p a r c e l i n s t r u c t i o n

w o r d f o r m a t . T h e i m m e d i a t e o p e r a n d a n d t h e r e a d

a n d s t o r e m e m o r y i n s tr u c t io n s c o m b i n e t h e j, k , a n d

m f i el d s to d e f i n e a 2 2 - b i t q u a n t i t y o r m e m o r y a d d r e s s .

I n a d d i t io n , t h e r e a d a n d s t o r e m e m o r y i n s t ru c t io n s

u s e t h e h f i e ld t o s p e c i f y a n o p e r a t i n g r e g i s t e r f o r

i n d e x in g . T h e b r a n c h i n s t r u c t io n s c o m b i n e t h e i , j , k ,

a n d m f i e l d s i n t o a 2 4 - b i t m e m o r y a d d r e s s f i e l d . T h i s

a l lo w s b r a n c h i n g t o a n y o n e o f t h e f o u r p a r c e l p o s i ti o n s

i n a n y 6 4 - b i t w o r d , w h e t h e r i n m e m o r y o r i n a n

i n s t r u c t i o n b u f f e r .

O p e r a t i n g R e g i s te r s

F i v e t y p e s o f r e g i s t e r s - t h r e e p r i m a r y ( A , S , an d

V ) a n d tw o i n t e r m e d i a t e ( B a n d T ) - a r e p r o v i d e d i n

t h e C R A Y - 1 .

A r e g i s t e r s - e i g h t 2 4 - b i t A r e g i s t e r s s e r v e a v a r i e t yo f a p p l ic a t i o n s . T h e y a r e p r i m a r i l y u s e d a s a d d r e s s

r e g i s te r s f o r m e m o r y r e f e r e n c e s a n d a s i n d e x r e g i s te r s ,

b u t a l s o a r e u s e d t o p r o v i d e v a l u e s f o r s h i f t c o u n t s ,

l o o p c o n t r o l , a n d c h a n n e l i / o o p e r a t i o n s . I n a d d r e s s

a p p l i c a t i o n s , t h e y a r e u s e d t o i n d e x t h e b a s e a d d r e s s

f o r s ca l a r m e m o r y r e f e r e n c e s a n d f o r p r o v i d in g b o t h a

b a s e a d d r e s s a n d a n i n d e x a d d r e s s f o r v e c t o r m e m o r y

r e f e r e n c e s .

T h e 2 4 - b i t i n te g e r f u n c t i o n a l u n i t s m o d i f y v a l u e s

67 Comm unications January 1978of Volume 21the ACM Number 1



( s u c h a s p r o g r a m a d d r e s s e s ) b y a d d i n g , s u b t r a c t i n g ,

a n d m u l t i p l y i n g A r e g i s t e r q u a n t i t i e s . T h e r e s u l t s o f

t h e s e o p e r a t i o n s a r e r e t u r n e d t o A r e g i s t e r s .

D a t a c a n b e t r a n s f e r re d d i r e c tl y fr o m m e m o r y t o A

r e g i s te r s o r c a n b e p l a c e d i n B r e g i s t e r s a s a n i n t e r m e -

d i a t e s t e p . T h i s a ll o w s b u f f e r i n g o f t h e d a t a b e t w e e n

A r e g i s t e r s a n d m e m o r y . D a t a c a n a l s o b e t r a n s f e r r e d

b e t w e e n A a n d S r e g i s t e rs a n d f r o m a n A r e g i s t e r to

t h e v e c t o r l e n g t h r e g i st e r s . T h e e i g h t A r e g i s t e r s a r e

i n d i v i d u a ll y d e s i g n a t e d b y t h e sy m b o l s A 0 , A 1 , A 2 ,

A 3 , A 4 , A 5 , A 6 , a n d A 7 .B registers--there a r e s i x t y - f o u r 2 4 - b i t B r e g i s t e r s ,

w h i c h a r e u s e d a s a u x i l i a r y s t o r a g e f o r t h e A r e g i s te r s .

T h e t r a n s f e r o f a n o p e r a n d b e t w e e n a n A a n d a B

r e g i s t e r re q u i r e s o n l y o n e c l o c k p e r i o d . T y p i c a l l y , B

r e g i s t e rs c o n t a i n a d d r e s s e s a n d c o u n t e r s t h a t a r e r e f e r -

e n c e d o v e r a lo n g e r p e r i o d t h a n w o u l d p e r m i t t h e i r

b e i n g r e t a i n e d i n A r e g i s t e r s . A b l o c k o f d a t a i n B

r e g is t e rs m a y b e t r a n s f e r r e d t o o r f r o m m e m o r y a t t h e

r a t e o f o n e c l o c k p e r i o d p e r r e g i s t e r . T h u s , i t is f e a si b l e

t o s t o r e t h e c o n t e n t s o f t h e s e r e g i s te r s i n m e m o r y

p r i o r t o c a l l i n g a s u b r o u t i n e r e q u i r i n g t h e i r u s e . T h e

s i x t y - f o u r B r e g i s t e r s a r e i n d i v i d u a l l y d e s i g n a t e d b y

t h e s y m b o l s B 0 , B 1 , B 2 . . . . . a n d B 7 7 8.S regis t er s -e ig h t 6 4 - b i t S r e g i s t e r s a r e t h e p r i n c i p l e

d a t a h a n d l i n g r e g i s t e r s f o r s c a l a r o p e r a t i o n s . T h e S

r e g i s t e r s s e r v e a s b o t h s o u r c e a n d d e s t i n a t i o n r e g i s t e r s

f o r s c a l a r a r i t h m e t i c a n d l o g i c a l i n s t r u c t i o n s . S c a l a r

q u a n t i t i e s i n v o l v e d i n v e c t o r o p e r a t i o n s a r e h e l d i n S

r e g i s te r s . L o g i c a l , s h i ft , f i x e d - p o i n t , a n d f l o a t i n g - p o i n t

o p e r a t i o n s m a y b e p e r f o r m e d o n S r e g is t e r d a t a . T h e

e i g h t S r e g i s t e r s a r e i n d i v i d u a l l y d e s i g n a t e d b y t h e

s y m b o l s S O , S 1 , $ 2 , $ 3 , $ 4 , $ 5 , $ 6 , a n d $ 7 .

T regis t er s - s ix ty- fo ur 6 4 - b i t T r e g i s t e r s a r e u s e d a s

a u x i l ia r y s t o r a g e f o r t h e S r e g i s te r s . T h e t r a n s f e r o f a n

o p e r a n d b e t w e e n S a n d T r e g i s t e r s r e q u i r e s o n e c l o c k

p e r i o d . T y p i c a l l y , T r e g i s t e r s c o n t a i n o p e r a n d s t h a t

a r e r e f e r e n c e d o v e r a l o n g e r p e r i o d t h a n w o u l d p e r m i t

t h e i r b e i n g r e t a i n e d i n S r e g i s t e r s . T r e g i s t e r s a l l o w

i n t e r m e d i a t e r e s u l ts o f c o m p l e x c o m p u t a t i o n s t o b e

h e l d i n i n t e r m e d i a t e a c c e s s s t o r a g e r a t h e r t h a n i n

m e m o r y . A b l o c k o f d a t a in T r e g is t e rs m a y b e

t r a n s f e r r e d to o r f r o m m e m o r y a t t h e r a t e o f o n e w o r d

p e r c l o c k p e r i o d . T h e s i x t y - f o u r T r e g i s te r s a r e i n d i v id -

u a ll y d e s i g n a te d b y t h e s y m b o l s T O , T 1 , T 2 . . . . . a n d

T 7 7 8 .

V r e g i s t e r s - e i g h t 6 4 - e l e m e n t V r e g i s t e r s p r o v i d e

o p e r a n d s t o a n d r e c e i v e r e s u l t s f r o m t h e f u n c t i o n a l

u n i t s at a o n e c l o c k p e r i o d r a t e . E a c h e l e m e n t o f a V

r e g i s t e r h o l d s a 6 4 - b it q u a n t i t y . W h e n a s s o c i a t e d d a t a

i s g r o u p e d i n t o s u c c e s s iv e e l e m e n t s o f a V r e g i s t e r, t h e

r e g i st e r m a y b e c o n s i d e r e d t o c o n t a i n a v e c t o r . E x a m -

p l e s o f v e c t o r q u a n t i t i e s a r e r o w s a n d c o l u m n s o f a

m a t r i x , o r s i m i l ar l y r e l a t e d e l e m e n t s o f a t a b l e . C o m -

p u t a t i o n a l e f f i c i e n c y is a c h i e v e d b y p r o c e s s i n g e a c h

e l e m e n t o f t h e v e c t o r i d e n ti c a ll y . V e c t o r m e r g e a n d

t e s t i n s t r u c t i o n s a r e p r o v i d e d i n t h e C R A Y - 1 t o a l l o w

o p e r a t i o n s t o b e p e r f o r m e d o n i n d i v i d u a l e l e m e n t s

d e s i g n a t e d b y th e c o n t e n t o f t h e v e c t o r m a s k ( V M )

6 8

r e g i s t e r. T h e n u m b e r o f v e c t o r r e g i s t e r e l e m e n t s t o b e

p r o c e s s e d is c o n t a i n e d i n t h e v e c t o r le n g t h ( V L ) r e g is -

t e r . T h e e i g h t V r e g i s t e r s a r e i n d i v i d u a l l y d e s i g n a t e d

b y th e s y m b o l s V 0 , V 1 , V 2 , V 3 , V 4 , V 5 , B 6 , a n d V 7 .

Supporting RegistersT h e C P U c o n t a i n s a v a r i e t y o f a d d i t i o n a l r e g i s t e r s

t h a t s u p p o r t t h e c o n t r o l o f p r o g r a m e x e c u t i o n . T h e s e

a r e th e v e c t o r l e n g t h ( V L ) a n d v e c t o r m a s k ( V M )

r e g i s t e r s , t h e p r o g r a m c o u n t e r ( P ) , t h e b a s e a d d r e s s

( B A ) a n d l i m i t a d d r e s s ( L A ) r e g i s t e r s , t h e e x c h a n g ea d d r e s s ( X A ) r e g i s t e r , t h e f l a g ( F ) r e g i s t e r , a n d t h e

m o d e ( M ) r e g i s t e r .

V L r e g i s t e r - t h e 6 4 - b i t v e c t o r m a s k ( V M ) r e g i s t e r

c o n t r o l s v e c t o r e l e m e n t d e s i g n a t i o n i n v e c t o r m e r g e

a n d t e s t i n s t ru c t i o n s . E a c h b i t o f t h e V M r e g i s t e r

c o r r e s p o n d s t o a v e c t o r r e g i s te r e l e m e n t . I n t h e v e c t o r

t e s t i n s t r u c t i o n , t h e V M r e g i s t e r c o n t e n t i s d e f i n e d b y

t e s t in g e a c h e l e m e n t o f a V r e g i s t e r f o r a s p e c if i c

c o n d i t i o n .

P r e g i s t e r - t h e 2 4 - b i t P r e g i s t e r s p e c i fi e s t h e m e m -

o r y r e g i s te r p a r c e l a d d r e s s o f t h e c u r r e n t p r o g r a m

i n s t r u c t i o n . T h e h i g h o r d e r 2 2 b i ts s p e c if y a m e m o r y

a d d r e s s a n d t h e l o w o r d e r t w o b i t s i n d i c a t e a p a r c e ln u m b e r . T h i s p a rc e l a d d r e s s is a d v a n c e d b y o n e a s

e a c h i n s t r u c t i o n p a r c e l i n a n o n b r a n c h i n g s e q u e n c e i s

e x e c u t e d a n d i s r e p l a c e d w h e n e v e r p r o g r a m b r a n c h i n g

o c c u r s .

B A r e g i s t e r s - t h e 1 8 - b i t b a s e a d d r e s s ( B A ) r e g i s t e r

c o n t a i n s t h e u p p e r 1 8 b it s o f a 2 2 - b i t m e m o r y a d d r e s s .

T h e l o w e r f o u r b it s o f t h is a d d r e s s a r e c o n s i d e r e d

z e r o s . J u s t p r i o r t o i n it i al o r c o n t i n u e d e x e c u t i o n o f a

p r o g r a m , a p r o c e s s k n o w n a s t h e " e x c h a n g e s e q u e n c e "

s t o r e s in t o t h e B A r e g i s t e r th e u p p e r 1 8 b i ts o f t h e

l o w e s t m e m o r y a d d r e s s t o b e r e f e r e n c e d d u r in g p r o -

g r a m e x e c u t i o n . A s t h e p r o g r a m e x e c u t e s , t h e a d d r e s s

p o r t i o n o f e a c h i n s t r u c t io n r e f e r e n c i n g m e m o r y h a s i ts

c o n t e n t a d d e d t o t h a t o f t h e B A r e g is t er . T h e s u m

t h e n s e r v e s a s t h e a b s o l u t e a d d r e s s u s e d f o r t h e m e m -

o r y r e f e r e n c e a n d e n s u r e s t h at m e m o r y a d d r e s s e s l o w e r

t h a n t h e c o n t e n t s o f t h e B A r e g i s t e r a r e n o t a c c e s s e d .

P r o g r a m s m u s t , t h e r e f o r e , h a v e a l l i n s t r u c t i o n s r e f e r -

e n c i n g m e m o r y d o s o w i th t h e i r ad d r e s s p o r t i o n s

c o n t a i n i n g r e l a t i v e a d d r e s s e s . T h i s p r o c e s s s u p p o r t s

p r o g r a m l o a d i n g a n d m e m o r y p r o t e c t i o n o p e r a t i o n s

a n d d o e s n o t , i n p r o d u c i n g a n a b s o l u t e a d d r e s s , a f f e c t

t h e c o n t e n t o f th e i n s t ru c t i o n b u f f e r , B A , o r m e m o r y .

L A regi s t e r - - the 1 8 - b i t l i m i t a d d r e s s ( L A ) r e g i s t e r

c o n t a i n s t h e u p p e r 1 8 b it s o f a 2 2 - b i t m e m o r y a d d r e s s .

T h e l o w e r 4 b i ts o f t h is a d d r e s s a r e c o n s i d e r e d z e r o s .

J u s t p r i o r t o i n it ia l o r c o n t i n u e d e x e c u t i o n o f a p r o -

g r a m , t h e " e x c h a n g e s e q u e n c e " p r o c e s s s to r e s in t o th e

L A r e g i s t e r t h e u p p e r 1 8 b it s o f th a t a b s o l u t e a d d r e s s

o n e g r e a t e r t h a n a l l o w e d t o b e r e f e r e n c e d b y t h e

p r o g r a m . W h e n p r o g r a m e x e c u t i o n be g i n s, e a c h in -

s t ru c t i o n r e f e r e n c in g a m e m o r y l o c a ti o n h a s t h e a b s o -

l u te a d d r e s s f o r t h a t r e f e r e n c e ( d e t e r m i n e d b y s u m m i n g

i t s a d d r e s s p o r t i o n w i t h t h e B A r e g i s t e r c o n t e n t s )

c h e c k e d a g a i n s t t h e L A r e g i s t e r c o n t e n t . I f t h e a b s o l u t e

Communications January 1978of Volume 21the ACM Number 1



a d d r e s s e q u a l s o r e x c e e d s t h e L A r e g i s te r c o n t e n t , a n

o u t - o f - r a n g e e r r o r c o n d i t i o n i s f l a g g e d a n d p r o g r a m

e x e c u t i o n t e r m i n a t e s . T h i s p r o c e s s s u p p o r t s t h e m e m -

o r y p r o t e c t i o n o p e r a t i o n .

XA register ~ t h e 8 - b i t e x c h a n g e a d d r e s s ( X A ) r e g -

i s te r c o n t a i n s t h e u p p e r e i g h t b i ts o f a 1 2 - b i t m e m o r y

a d d r e s s . T h e l o w e r f o u r b i t s o f t h e a d d r e s s a r e c o n s id -

e r e d z e r o s . B e c a u s e o n l y t w e l v e b i t s a r e u s e d , w i t h t h e

l o w e r f o u r b i t s a lw a y s b e i n g z e r o s , e x c h a n g e a d d r e s s e s

c a n r e f e r e n c e o n l y e v e r y 1 6 t h m e m o r y a d d r e s s b e g i n -

n i n g w i t h a d d r e s s 0 0 0 0 a n d c o n c l u d i n g w i t h a d d r e s s

4 0 8 0 . E a c h o f th e s e a d d r e s s e s d e s i g n a t e s t h e fi rs t

w o r d o f a 1 6 - w o r d s e t. T h u s , 2 5 6 s e ts ( o f 16 m e m o r y

w o r d s e a c h ) c a n b e s p e c i f i e d . P r i o r t o i n i t i a t i o n o r

c o n t i n u a t i o n o f a p r o g r a m ' s e x e c u t i o n , t h e X A r e g i s t e r

c o n t a i n s t h e f i rs t m e m o r y a d d r e s s o f a p a r t ic u l a r 1 6 -

w o r d s e t o r e x c h a n g e p a c k a g e . T h e e x c h a n g e p a c k a g e

c o n t a i n s c e r t a in o p e r a t i n g a n d s u p p o r t r e g i s t e r s ' c o n -

t e n t s a s r e q u i r e d f o r o p e r a t i o n s f o l lo w i n g a n i n t e r r u p t .

T h e X A r e g i s t e r s u p p o r t s t h e e x c h a n g e s e q u e n c e o p -

e r a t i o n a n d t h e c o n t e n t s o f X A a r e s t o r e d in a n

e x c h a n g e p a c k a g e w h e n e v e r a n e x c h a n g e s e q u e n c e

o c c u r s .

F register-the 9 - b i t F r e g i s t e r c o n t a i n s f l a g s t h a t ,

w h e n e v e r s e t , i n d i c a t e i n t e r r u p t c o n d i t i o n s c a u s i n g

i n i ti a ti o n o f a n e x c h a n g e s e q u e n c e . T h e i n t e r r u p t c o n -

d i t i o n s a r e : n o r m a l e x i t , e r r o r e x i t , i / o i n t e r r u p t , u n c o r -

r e c te d m e m o r y e r ro r , p r o g r a m r a n g e e r r o r , o p e r a n d

r a n g e e r r o r , f l o a t i n g - p o i n t o v e r f l o w , r e a l - t i m e c l o c k

i n t e r r u p t , a n d c o n s o l e i n t e r r u p t .

M register-the M ( m o d e ) r e g i s t e r i s a t h r e e - b i t

r e g i s te r t h a t c o n t a in s p a r t o f t h e e x c h a n g e p a c k a g e f o r

a c u r r e n t l y a c t i v e p r o g r a m . T h e t h r e e b i t s a r e s e l e c -

t i v e l y s e t d u r i n g a n e x c h a n g e s e q u e n c e . B i t 3 7 , t h e

f l o a t i n g - p o i n t e r r o r m o d e f l a g , c a n b e s e t o r c l e a r e d

d u r i n g t h e e x e c u t i o n i n t e r v a l fo r a p r o g r a m t h r o u g h

u s e o f t h e 0 0 2 1 a n d 0 0 2 2 i n s t ru c t i o n s . T h e o t h e r t w o

b i t s ( b i t s 3 8 a n d 3 9 ) a r e n o t a l t e r e d d u r i n g t h e e x e c u -

t io n i n t e r v a l fo r th e e x c h a n g e p a c k a g e a n d c a n o n l y b e

a l t e r e d w h e n t h e e x c h a n g e p a c k a g e i s i n a c t iv e i n s to r -

a g e . B i t s a r e a s s i g n e d a s f o l lo w s i n w o r d t w o o f t h e

e x c h a n g e p a c k a g e .

B i t 3 7 - F l o a t i n g - p o i n t e r r o r m o d e f la g . W h e n t hi s

b i t i s s e t , i n t e r r u p t s o n f l o a t i n g - p o i n t e r r o r s a r e

e n a b l e d .

B it 3 8 - U n c o r r e c t a b l e m e m o r y e rr o r m o d e f l ag .

W h e n t h is b i t i s s e t , i n t e r r u p t s o n u n c o r r e c t a b l e

m e m o r y p a r i ty e r r o r s a r e e n a b l e d .

B i t 3 9 - M o n i t o r m o d e f l a g. W h e n t h is b i t i s s e t , a l li n t e r r u p t s o t h e r t h a n p a r i t y e r r o r s a r e i n h ib i t e d .

In teger Ar i thmet i c

A l l i n te g e r a r i t h m e t i c i s p e r f o r m e d i n 2 4 - b i t o r 6 4 -

b it 2 ' s c o m p l e m e n t f o r m .

F l o at i n g-P o i n t Ar i thmet i c

F l o a t i n g - p o i n t n u m b e r s a r e r e p r e s e n t e d i n si g n e d

m a g n i t u d e f o r m . T h e f o r m a t i s a p a c k e d s i g n e d b i n a r y

69

f r a c t i o n a n d a b i a s e d b i n a r y i n t e g e r e x p o n e n t . T h e

f r a c t i o n i s a 4 9 - b i t s i g n e d m a g n i t u d e v a l u e . The e x p o -

n e n t i s 1 5 - b i t b i a s e d . T h e u n b i a s e d e x p o n e n t r a n g e i s :

2 -2°°°°s t o 2 +177778,

o r a p p r o x i m a t e l y

10 -25o0 to 10 +25o0

A n e x p o n e n t e q u a l t o o r g r e a t e r t h a n 2 +2°°°°8 i s r e c o g -

n i z e d b y t h e f l o a t i n g - p o i n t f u n c t i o n a l u n i t s a s a n o v e r -

f l o w c o n d i t i o n , a n d c a u s e s a n i n t e r r u p t i f f l o a t i n g p o i n ti n t e r r u p t s a r e e n a b l e d .

C h a i n i n g

T h e c h a i n i n g t e c h n i q u e t a k e s a d v a n t a g e o f t h e

p a r a l l e l o p e r a t i o n o f f u n c t i o n a l u n i t s . P a r a l l e l v e c t o r

o p e r a t i o n s m a y b e p r o c e s s e d i n tw o w a y s : ( a ) u s in g

d i f f e r e n t f u n c t i o n a l u n i t s a n d V r e g i s t e r s , a n d ( b )

c h a i n i n g ; t h a t i s , u s i n g t h e r e s u l t s t r e a m t o o n e v e c t o r

r e g i s te r s i m u l t a n e o u s l y a s t h e o p e r a n d s e t f o r a n o t h e r

o p e r a t i o n i n a d i f f e r e n t f u n c t i o n a l u n i t .

P a r a l l e l o p e r a t i o n s o n v e c t o r s a l l o w t h e g e n e r a t i o n

o f tw o o r m o r e r e s u l t s p e r c l o c k p e r io d . A v e c t o r

o p e r a t i o n e i t h e r u s e s tw o v e c t o r r e g i st e r s a s s o u r c e s o f

o p e r a n d s o r u s e s o n e s c a l a r r e g i s t e r a n d o n e v e c t o r

r e g i s t e r as so u r c e s o f o p e r a n d s . V e c t o r s e x c e e d i n g 6 4

e l e m e n t s a r e p r o c e s s e d i n 6 4 - e l e m e n t s e g m e n t s .

B a s i c a l l y , c h a i n i n g i s a p h e n o m e n o n t h a t o c c u r s

w h e n r e s u l t s i s s u i n g f r o m o n e f u n c t i o n a l u n i t ( a t a r a t e

o f o n e / c l o c k p e r i o d ) a r e i m m e d i a t e l y f e d i n t o a n o t h e r

f u n c t i o n a l u n it a n d s o o n . I n o t h e r w o r d s , i n t e r m e d i a t e

r e s u lt s d o n o t h a v e t o b e s t o r e d t o m e m o r y a n d c a n b e

u s e d e v e n b e f o r e t h e v e c t o r o p e r a t i o n t h a t c r e a t e d

t h e m r u n s t o c o m p l e t i o n .

C h a i n i n g h a s b e e n c o m p a r e d t o th e t e c h n i q u e o f

" d a t a f o r w a r d i n g " u s e d i n t h e I B M 3 6 0 / 1 9 5 . L i k e

d a t a f o r w a r d i n g , c h a i n i n g t a k e s p l a c e a u t o m a t i c a l l y .

D a t a f o r w a r d i n g c o n s i s t s o f h a r d w a r e f a c i li t ie s w i t h i n

t h e 1 9 5 f l o a ti n g - p o i n t p r o c e s s o r c o m m u n i c a t i n g a u t o -

m a t i c a l ly b y tr a n s f e r r in g " n a m e t a g s , " o r i n t e r n a l c o d e s

b e t w e e n t h e m s e l v e s [ 6 ] . U n l i k e t h e C R A Y - 1 , t h e u s e r

h a s n o a c c e s s t o t h e 1 9 5 ' s d a t a - f o r w a r d i n g b u f f e r s .

A n d , o f c o u r s e , th e 1 9 5 c a n o n l y f o r w a r d s c a l a r v a l u e s ,

n o t e n t i r e v e c t o r s .

I n t e r r u p t s a n d E x c h a n g e S e q u e n c e

I n t e r r u p t s a r e h a n d l e d c l e a n ly b y th e C R A Y - 1

h a r d w a r e . I n s t r u c t io n i s su e i s t e r m i n a t e d b y t h e h a r d -

w a r e u p o n d e t e c t i o n o f a n i n t e r r u p t c o n d i t i o n . A l l

m e m o r y b a n k a c t i v i t y i s a l l o w e d t o c o m p l e t e a s a r e

a n y v e c t o r i n s t ru c t i o n s t h a t a r e i n e x e c u t i o n , a n d t h e na n e x c h a n g e s e q u e n c e i s a c t i v a t e d . T h e C r a y O p e r a t i n g

S y s t e m ( c o s ) i s a l w a y s o n e p a r t n e r o f a n y e x c h a n g e

s e q u e n c e . T h e c a u s e o f a n i n t e r r u p t is a n a l y z e d d u r i n g

a n e x c h a n g e s e q u e n c e a n d a l l i n t e r r u p t s a r e p r o c e s s e d

u n t i l n o n e r e m a i n .

O n l y t h e a d d r e s s a n d s c a l a r r e g i s te r s a r e m a i n t a i n e d

i n a p r o g r a m ' s e x c h a n g e p a c k a g e ( F ig . 6 ) . T h e u s e r ' s

B , T , a n d V r e g i s te r s a r e s a v e d b y t h e o p e r a t i n g

s y s t e m i n t h e u s e r ' s J o b T a b l e A r e a .

Comm unications January 1978of Volume 21the ACM Number 1



Fig. 6. Exchange package.

0 2 1 0 1 2 1 6 1 8 2 h 3 1 3 6 ~ 0

n E l s IH.L , '

n , , eA ~ 8A

°, LA l .

.+ , - I v < l ,

. . .

. . ,

n . " / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / P x

n . ,

SOn + e

h e 9

n + l o

n ~ , l l

n + 1 2

I1 ÷ 13

n ~ 1 4

n + 1 5

63

A O

A I

A 2

a $

A 4

A 5

A a

A ?

S I

$ 2

S3

S 4

S5

S 6

S ?

M - Modes+ Registers

36 Interrupt on correctable S Syndrome bi ts

memory error RAB Read address fo r error

37 Interrupt on fl oat ing point (where B is bank)

38 Interrupt on uncorrectable P Program address

memory error BA Base address

39 Monitor mode LA Limit address

F - Flags+ XA Exchange addressVL Vector length

31 Console interrupt

32 RTC interrupt E - Error type (bits 0,1)

33 Floating point error 10 Uncorrectable memory

34 Operand range Ol Correctable memory

35 Program range

36 Memoryerror R - Read mode (bi ts 10,11)

37 I/O interrupt O0 Scalar

38 Error exi t 01 I/O

39 Normal exit I0 Vector

11 Fetch

iBi t position from lef t of word

T h e C R A Y - I ' s e x c h a n g e s e q u e n c e w il l b e f a m i li a r

t o th o s e w h o h a v e h a d e x p e r i e n c e w i t h th e C D C 7 6 0 0a n d C y b e r m a c h i n e s . O n e m a j o r b e n e f i t o f t h e e x -

c h a n g e s e q u e n c e i s t h e e a s e w i t h w h i c h u s e r j o b s c a n

b e r e l o c a t e d i n m e m o r y b y t h e o p e r a t i n g s y s t em . O n

t h e C R A Y - 1 , d y n a m i c r e lo c a t i o n o f a u s e r j o b i s

f a c i l i t a t e d b y a b a s e r e g i s t e r t h a t i s t r a n s p a r e n t t o t h e

u s e r .

E v o l u t i on o f th e C R A Y - 1

T h e C R A Y - 1 s t e m s f r o m a h ig h l y su c c e s sf u l l in e o f

c o m p u t e r s w h i c h S . C r a y e i t h e r d e s i g n e d o r w a s a s s o -

c i a t e d w i th . M r . C r a y w a s o n e o f t h e f o u n d e r s o f

C o n t r o l D a t a C o r p o r a t i o n . W h i l e at C D C , M r . C r a y

w a s th e p r i n c i p a l a rc h i t e c t o f t h e C D C 1 6 0 4 , 6 6 0 0 ,a n d 7 6 0 0 c o m p u t e r s y s t e m s . W h i l e t h e r e a r e m a n y

s i m i l a r i t i e s w i t h t h e s e e a r l i e r m a c h i n e s , t w o t h i n g s

s t a n d o u t a b o u t t h e C R A Y - 1 ; f ir s t i t i s a v e c t o r

m a c h i n e , s e c o n d l y , i t u t il iz e s s e m i c o n d u c t o r m e m o r i e s

a n d i n t e g r a t e d c i rc u i ts r a t h e r t h a n m a g n e t i c c o re s a n d

d i s c r e te c o m p o n e n t s . W e c la s si fy t h e C R A Y - 1 a s a

s e c o n d g e n e ra t i o n v e c t o r p r o c e s s o r . T h e C D C S T A R

1 0 0 A a n d t h e T e x a s I n s t r u m e n t s A S C a r e f ir s t- g e n er -

a t i o n v e c t o r p r o c e s s o r s .

70

B o t h t h e S T A R 1 0 0 a n d t h e A S C a r e d e s i g n e d to

h a n d l e l o n g v e c t o r s . B e c a u s e o f t h e s t a r t u p t i m e a s s o -

c i a t e d w i t h d a t a s t r e a m i n g , v e c t o r l e n g t h i s o f c ri t ic a l

i m p o r t a n c e . V e c t o r s h a v e t o b e l o n g i f t h e S T A R 1 0 0

a n d t h e A S C v e c t o r p r o c e s s o r s a r e t o b e a t a ll c o m p e t -

i ti v e w it h a s c al a r p r o c e s s o r [ 3 ]. A n o t h e r d i s a d v a n t a g e

o f t h e S T A R 1 0 0 a r c h i t e c t u r e i s t h a t e l e m e n t s o f a

" v e c t o r " a r e r e q u i r e d t o b e i n c o n s e c u t i v e a d d r e s s e s .

I n c o n t r a s t w i t h t h e s e e a r l i e r d e s i g n s , t h e C R A Y - 1

c a n b e t e r m e d a s h o r t v e c t o r m a c h i n e . W h e r e a s t h e

o t h e r s r e q u i r e v e c t o r l e n g th s o f a 1 0 0 o r m o r e t o b e

c o m p e t i t i v e w i t h s c a la r p r o c e s s o r s , t h e c r o s s - o v e r p o i n t

b e t w e e n c h o o s in g s c a la r r a th e r t h a n v e c t o r m o d e o n

t h e C R A Y - 1 i s b e t w e e n 2 a n d 4 e le m e n t s . T h i s is

d e m o n s t r a t e d b y a c o m p a r i s o n o f s c a l a r/ v e c to r t i m in g s

f o r s o m e m a t h e m a t i c a l l i b r a r y r o u t i n e s s h o w n i n F i g u r e

1 [ 7 ] .

A l s o , t h e C R A Y - I ' s a d d r e s s i n g s c h e m e a l l o w s

c o m p l e t e f le x i b il it y . W h e n a c c e s si n g a v e c t o r , t h e u s e r

s i m p l y s p ec i f ie s th e s t a r ti n g l o c a t i o n a n d a n i n c r e m e n t .

A r r a y s c a n b e a c c e s s e d b y c o l u m n , r o w , o r d i a g o n a l ;

t h e y c an b e s t e p p e d t h r o u g h w i th n o n u n a r y i n c r e m e n t s ;

a n d , t h e r e a r e n o r e s t r i c t i o n s o n a d d r e s s i n g , e x c e p t

t h a t t h e i n c r e m e n t m u s t b e a c o n s t a n t .

V e c t o r S t a r + u p T i m e s

T o b e e f f i c i e n t a t p r o c e s s i n g s h o r t v e c t o r s , v e c t o r

s t a rt u p t im e s m u s t b e s m a ll . O n t h e C R A Y - 1 , v e c t o r

i n s t r u c t i o n s m a y i s s u e a t a r a t e o f o n e i n s t r u c t i o n

p a r c e l p e r c l o c k p e r i o d . A l l v e c t o r i n s t ru c t i o n s a r e o n e

p a r c e l i n s t r u c t i o n s ( p a r c e l s iz e = 1 6 b i t s ) . V e c t o r

i n s t ru c t i o n s p l a c e a r e s e r v a t i o n o n w h i c h e v e r f u n c t i o n a l

u n i t t h e y u s e , i nc l u d in g m e m o r y , a n d o n t h e i n p u t

o p e r a n d r e g i s te r s . I n s o m e c a s e s , i ss u e o f a v e c t o r

i n s t r u c ti o n m a y b e d e l a y e d b y a t i m e ( i n c l o c k p e r i o d s )

e q u a l t o v e c t o r le n g t h o f th e p r e c e d i n g v e c t o r o p e r a t i o n+ 4 .

F u n c t i o n a l u n i t t i m e s a r e s h o w n i n T a b l e I I . V e c t o r

o p e r a t i o n s t h a t d e p e n d o n t h e r e s u lt o f a p r e v i o u s

v e c t o r o p e r a t i o n c a n u s u a l ly " c h a i n " w i t h t h e m a n d

a r e d e l a y e d f o r a m a x i m u m " c h a i n s l o t " t i m e i n c l o c k

p e r i o d s o f f u n c t i o n a l u n i t t i m e + 2 .

O n c e i s s u e d , a v e c t o r i n s t r u c t i o n p r o d u c e s i t s f i r st

r e s u l t a f t e r a d e l a y i n c l o c k p e r i o d s e q u a l t o f u n c t i o n a l

u n i t t i m e . S u b s e q u e n t r e s u l ts c o n t i n u e t o b e p r o d u c e d

a t a r a t e o f 1 p e r c l o c k p e r i o d . R e s u l t s m u s t b e s t o r e d

i n a v e c t o r r e g i s t e r . A s e p a r a t e i n s t r u c t i o n i s r e q u i r e d

t o s t o r e t h e f i n a l r e s u l t v e c t o r t o m e m o r y . V e c t o r

r e g i s t e r c a p a c i t y i s 6 4 - e l e m e n t s . V e c t o r s l o n g e r t h a n6 4 a r e p r o c e s s e d i n 6 4 - e l e m e n t s e g m e n t s .

S o m e s a m p l e t i m i n g s f o r b o t h s c a l a r a n d v e c t o r a r e

s h o w n i n T a b l e I I I [ 8 ]. N o t e t h a t t h e r e i s n o v e c t o r

A SI N r o u t i n e a n d s o a r e f e r e n c e t o A S I N w i t h i n a

v e c t o r i z e d l o o p g e n e r a t e s r e p e t i t i v e c a l l s t o t h e s c a l a r

A SIN r o u t i n e . T h i s i n v o l v e s a p e r f o r m a n c e d e g r a d a t i o n

b u t d o e s a l l o w t h e r e s t o f t h e l o o p t o v e c t o r i z e ( in a

c a s e w h e r e t h e r e a r e m o r e s t a t e m e n t s t h a n i n t h i s

e x a m p l e ) . S i m p l e l o o p s 1 4 , 1 5 , a n d 1 6 s h o w t h e

Communica tions January 1978of Volume 21the ACM Number 1



Table 111.

Execution time in clock periods p er result for var ious simple DO loops of the form

DO 10 1 = 1.N

I0 A(1) = B(1)

1000Loo p Body N = 1 10 100 1000

Scalar

1 . A ( I ) = 1. 41.0 5.5 2.6 2.5 22.5

2 . A ( 1 ) = B ( I ) 44.0 5.8 2.7 2.5 31.0

3 . A ( I ) = B ( I ) + 10. 55.0 6.9 2.9 2.6 37.0

4 . A ( I ) = B ( I ) + C ( I ) 59.0 8.2 3.9 3.7 41.0

5 . A ( I ) = B(/)*10. 56.0 7.0 2.9 2.6 38.0

6 . A ( I ) = B ( I ) * C ( I ) 60.0 8.3 4 .0 3.7 42.0

7 . A ( I ) = B ( I ) / I O . 94.0 10.8 4.1 3.7 52.0

8 . A ( I ) = B ( I ) / C ( I ) 89.0 13.3 7.6 7.2 60.0

9 . A ( 1 ) = S I N ( B ( I ) ) 462.0 61.0 33.3 31.4 198.110. A ( 1 ) = A S I N ( B ( I ) ) 430.0 209.5 189.5 188.3 169.1

11. A ( I ) = A B S ( B ( I ) ) 61.0 7.5 2.9 2.6

12. A ( 1 ) = A M A X I ( B ( I ) , C ( I) ) 80.0 11.2 5.2 4.8

[C(I) = A ( I ) )

13. / A ( / ) = a(I)~ 90.0 12'.7 6.3 518 47.0

L B ( / ) = CClJ14. A ( I ) = B ( I ) * C ( I ) + D ( I ) * E ( I ) 110.0 16.0 7.7 7.1 57.0

15. A ( I ) = B ( I ) * C ( I ) + ( D ( I ) * E ( I ) ) 113.0 14.7 6.6 6.0 63.0

16. A ( I ) = B ( I ) ' C ( I ) + D ( I ) 95.0 12.7 5.5 5.0 52.0

Fig. 7. Scalar/vector iming.

COST (CLOCK PERIODS/RESULT)

3 4 0 1 t

3 2 0 1 [

3 0 0 1 1

2 8 0 1 [260"m

240~n220"IU

2 0 0 1 1 1 11804111

160 " ~ cosALOG

140, SQRT

120,EXP

- SCALAr'80 VECTOR~I6?/; ( o ~ L ~ COSLOG

SQRTEXP

1 10 20 30 40 50 60 64

VECTORLENGTH

i n f l u e n c e o f c h a i n i n g . F o r a l o n g v e c t o r , th e n u m b e r

o f cl o c k p e r i o d s p e r r e s u l t i s a p p r o x i m a t e l y t h e n u m b e r

o f m e m o r y r e f e r e n c e s + 1 . I n l o o p 1 4 , a n e x t r a c l o c k

p e r i o d i s c o n s u m e d b e c a u s e t h e p r e s e n t c F r c o m p i l e r

w i ll l o a d a l l f o u r o p e r a n d s b e f o r e d o i n g c o m p u t a t i o n .

T h i s p r o b l e m i s o v e r c o m e i n l o o p 1 5 b y h e lp i n g t h e

c o m p i l e r w i th a n e x t r a s e t o f p a r e n t h e s e s .

S o f t w a r e

A t t h e t i m e o f t h is w r i t i n g , f i r s t r e l e a s e s o f t h e

C R A Y O p e r a t i n g S y s t e m ( c o s ) a n d C R A Y F o r t r a n

C o m p i l e r ( c F r ) h a v e b e e n d e l i v e r e d t o u s e r s it e s, c o s

i s a b a t c h o p e r a t i n g s y s t e m c a p a b l e o f s u p p o r t i n g u pt o 6 3 j o b s i n a m u l t i p r o g r a m m i n g e n v i r o n m e n t , c o s i s

d e s i g n e d t o b e t h e r e c i p i e n t o f j o b r e q u e s t s a n d d a t a

f il e s f r o m f r o n t - e n d c o m p u t e r s . O u t p u t f r o m j o b s is

n o r m a l l y s ta g e d b a c k t o t h e f r o n t - e n d s u p o n j o b c o m -

p l e t i o n .

c F r i s a n o p t i m i z i n g F o r t r a n c o m p i l e r d e s i g n e d t o

c o m p i l e A NS I 6 6 F o r t r a n I V t o t a k e b e s t a d v a n t a g e o f

t h e C R A Y - I ' s v e c t o r p r o c e s s i n g a r c h i t e c t u r e . In it s

p r e s e n t f o r m , C FT w i ll n o t a t t e m p t t o v e c t o r i z e c e r t a i n

Fig. 8. Front-end system interface.

PHASEMODULATEDLONGLINEi

70Xt06bps 64X106 bps IBM 370/168datar te •24X10~bp$

90 METERS

l o o p s w h i c h , d u e t o d e p e n d e n c e c o n d i t i o n s , a p p e a r a t

f i r s t s i g h t , u n v e c t o r i z a b l e .

H o w e v e r , f u t u r e v e r s i o n s o f c F r w i l l b e d e s i g n e d

t o e li m i n a t e a s m a n y d e p e n d e n c y c o n d i t i o n s a s p o s s i b l e

i n c r e a s in g t h e a m o u n t o f v e c t o r i z a b l e c o d e . B a s i c a l ly ,

t o b e v e c t o r i z a b l e , a D O l o o p s h o u l d m a n i p u l a t e a r r a y s

a n d s t o r e t h e r e s u l t s o f c o m p u t a t i o n s i n a r r a y s . L o o p s

t h a t c o n ta i n b r a n c h e s s u ch a s G O T O ' s , I F ' s , o r C A L L

s t a t e m e n t s a r e n o t c u r r e n t l y v e c t o r i z e d . L o o p s m a y

c o n t a i n f u n c t i o n r e f e r e n c e s i f t h e f u n c t i o n i s k n o w n t o

t h e c o m p i l e r t o h a v e a v e c t o r v e r s i o n . M o s t o f th e

m a t h e m a t i c a l f u n c t i o n s i n t h e C R A Y l i b r a r y a r e v e c-

t o r i z a b l e . B y u s i n g t h e v e c t o r m a s k a n d v e c t o r m e r g e

f e a t u r e s o f t h e C R A Y - 1 , f u t u r e v e rs i o ns o f t h e c o m -

p i l e r w i l l b e a b l e t o v e c t o r i z e l o o p s c o n t a i n i n g I F a n d

G O T O s t a t e m e n t s .

E a r l y e x p e r i e n c e w i t h c ~ h a s sh o w n t h a t m o s t

F o r t r a n l o o p s w i l l n o t r u n a s f a s t a s o p t i m a l l y h a n d -

c o d e d m a c h i n e l a n g u a g e e q u i v a l e n t s . F u t u r e v e r s i o n s

o f c ~ w i ll s h o w i m p r o v e d l o o p t i m i n g s d u e m a i n l y t o

i m p r o v e d i n s t r u c t i o n s c h e d u l i n g .

O t h e r C R A Y - 1 s o f t w a r e i n c lu d e s C r a y A s s e m b l e r

L a n g u a g e (C A L) w h i c h i s a p o w e r f u l m a c r o a s s e m b l e r ,

a n o v e r l a y l o a d e r , a f u ll r a n g e o f u t i l it i e s i n c l u d i n g a

t e x t e d i t o r , a n d s o m e d e b u g a i d s .

F r o n t - E n d C o m p u te r I n t e r f a c e

T h e C R A Y - 1 w a s n o t d e s ig n e d f o r s t a n d - al o n e

o p e r a t i o n . A t t h e v e r y m i n i m u m a m i n i c o m p u t e r i s

r e q u i r e d t o a c t a s a c o n d u i t b e t w e e n t h e C R A Y - 1 a n d

t h e e v e r y d a y w o r l d . C r a y R e s e a r c h s o f t w a r e d e v e l o p -

m e n t is c u r r e n t l y b e i n g d o n e u s i n g a D a t a G e n e r a l

E c l ip s e c o m p u t e r i n t h is c a t e g o r y . T h e C r a y R e s e a r c h

" A " p r o c e s s o r , a 1 6 - b i t, 8 0 M IP S m i n i c o m p u t e r i s

s c h e d u l e d t o r e p l a c e t h e E c l i p s e i n e a r l y 1 9 7 8 . F r o n t -

e n d c o m p u t e r s c a n b e a t t a c h e d to a n y o f t h e C R A Y -

l ' s 1 2 i /o c h a n n e l s .

T h e p h y s ic a l c o n n e c t i o n b e t w e e n a f ro n t - e n d c o m -p u t e r a n d t h e C R A y o l is s h o w n i n F ig u r e 8 . In t h is

e x a m p l e a n I B M 3 7 0 / 1 6 8 is a s s u m e d i n th e f r o n t - e n d

r o l e . N o t e t h a t e a c h c o m p u t e r r e q u i r e s a c h a n n e l

a d a p t e r b e t w e e n i ts o w n c h a n n e l a n d a C r a y R e s e a r c h

p h a s e - m o d u l a t e d l o n g l i n e . T h e l i n k c a n o n l y b e d r i v e n

a t t h e s p e e d o f it s s l o w e s t c o m p o n e n t . I n t h i s e x a m p l e

i t i s t h e I B M b l o c k m u l t i p l e x e r c h a n n e l s p e e d o f 3

m e g a b y t e s / s e c o n d . T h e d i s c i p li n e o f th e l i n k is g o v -

e r n e d b y t h e C r a y L i n k I n t e r f a c e P r o t o c o l .

71 Comm unications January 1978of Volume 21the ACM Number I



C R A Y - 1 D e v e l o p m e n t P r o b l e m s

T w o o f t h e m o s t s i g n i f ic a n t p r o b l e m s [ 9] e n c o u n -

t e r e d o n t h e w a y to t h e C R A Y - 1 w e r e b u i l di n g t h e

f i r s t c o l d b a r a n d d e s i g n i n g c i r c u i t s w i t h a c o m p l e t e l y

b a l a n c e d d y n a m i c l o a d .

B ui l d i n g the Co l d B ar

I t t o o k a y e a r a n d a h a l f o f tr i al a n d e r r o r b e f o r e

t h e f i r s t g o o d c o l d b a r w a s b u i l t . T h e w o r k w a s d o n e

b y a s m a ll M i n n e s o t a c o m p a n y . A m a j o r p r o b l e m w a s

t h e d i s c o v e r y , q u i t e e a r l y , t h a t a l u m i n u m c a s t i n g s a r e

p o r o u s . I f t h e r e i s a c r a c k i n t h e s t a i n l e s s s t e e l t u b i n g

a t t h e b o n d b e t w e e n t h e t u b i n g a n d t h e e l b o w t h e n t h e

F r e o n l e a k s t h r o u g h t h e a l u m i n u m c a s in g . T h e l o ss o f

t h e F r e o n i s n o t i t s e lf a p r o b l e m , b u t m i x e d w i t h t h e

F r e o n i s a li tt l e o i l, a n d t h e o i l c a n c a u s e p r o b l e m s i f i t

i s d e p o s i t e d o n t h e m o d u l e s . A l u m i n u m a l so te n d s t o

g e t b u b b l e s i n it w h e n i t i s c a s t , r e q u i r i n g a l o n g p r o c e s s

o f t e m p e r a t u r e c y c li n g , p r e h e a t i n g o f th e s t a i n le s s s t e e l

t u b e , a n d s o o n .

Des i gn i n g the Ci rcu i t s

C R A Y - 1 m o d u l e s a r e 6 i n c h e s w i d e . T h e d i s ta n c e

a c r o s s t h e b o a r d i s a b o u t a n a n o s e c o n d w h i c h is j u s t

a b o u t t h e e d g e t i m e o f t h e e l e c t r i c a l s ig n a l s . U n l e s s

d u e p r e c a u t i o n s a r e t a k e n , w h e n e l e c tr i c si g n al s r u n

a r o u n d a b o a r d , s t a n d i n g w a v e s c a n b e i n d u c e d i n t h e

g r o u n d p l a n e . P a r t o f th e s o l u t i o n i s t o m a k e a l l s i g n a l

p a t h s i n th e m a c h i n e t h e s a m e l e n g t h . T h i s is d o n e b y

p a d d i n g o u t p a t h s w i t h f o il ru n s a n d i n t e g r a t e d c i rc u i t

p a c k a g e s . A l l t o l d , b e t w e e n 1 0 a n d 2 0 p e r c e n t o f t h e

IC p a c k a g e s i n t h e m a c h i n e a r e t h e r e s i m p l y to p a d o u t

a s ig n a l li n e . T h e o t h e r p a r t o f t h e s o l u t i o n w a s t o u s e

o n l y s i m p l e g a t e s a n d m a k e s u r e t h a t b o t h s i d e s o f

e v e r y g a t e a re a l w a y s t e r m i n a t e d . T h i s m e a n s t h a t

t h e r e is n o d y n a m i c c o m p o n e n t p r e s e n t e d t o th e p o w e r

s u p p l y . T h i s i s t h e p r i n c i p a l r e a s o n w h y s i m p l e g a t e s

a r e u s e d in th e C R A Y - 1 . I f a m o r e c o m p l e x i n t e g r a t e d

c i r c u i t p a c k a g e i s u s e d , i t i s i m p o s s i b l e t o t e r m i n a t e

b o t h s i d e s o f e v e r y g a t e . S o a l l o f th e C R A Y - I ' s

c i rc u it s a r e p e r f e c t l y b a l a n c e d . F i v e l a y e r b o a r d s h a v e

o n e g r o u n d l a y e r , t w o v o l t a g e l a y e r s , a n d t h e n t h e t w o

l o g i c l a y e r s o n t h e o u t s i d e . T w i s t e d p a i r s w h i c h i n t e r -

c o n n e c t t h e m o d u l e s a r e b a l a n c e d a n d t h e r e a r e e q u a l

a n d o p p o s i t e s i g n al s o n b o t h s i de s o f t h e p a i r s . T h e

f i n a l r e s u l t is t h a t t h e r e i s j u s t a p u r e l y r e s i s t i v e l o a d t o

t h e p o w e r s u p p l y !

f a s t a s t h e C D C 7 6 0 0 . S u c h g o o d s c a l a r p e r f o r m a n c e

is r e q u i r e d i n w h a t i s o f t e n a n u n v e c t o r i z a b l e w o r l d .

A t t h e t i m e o f th i s w r i t in g , C r a y R e s e a r c h h a s

s h i p p e d C R A Y - 1 s y s te m s to t h r e e c u s t o m e r s ( L o s

A l a m o s S c i e n t i f i c L a b o r a t o r y , N a t i o n a l C e n t e r f o r

A t m o s p h e r i c R e s e a r c h , a n d th e E u r o p e a n C e n t e r fo r

M e d i u m R a n g e W e a t h e r F o r e c a s t s ) a n d h as c o n tr a c ts

t o s u p p ly t h r e e m o r e s y s t em s , t w o to t h e D e p a r t m e n t

o f D e f e n s e , a n d o n e t o U n i te d C o m p u t i n g S y s t e m s

( U C S ) . P r o d u c t i o n p l a n s a l r e a d y a n t i c ip a t e s h i p p i n g

o n e C R A Y - 1 p e r q u a r te r . A s t h e p o p u l a t io n o ~

C R A Y - 1 c o m p u t e r s e x p a n d s , i t w ill b e c o m e c l e a r t h a t

t h e C R A Y - 1 h a s m a d e a s i g n if i c an t s te p o n t h e w a y to

t h e g e n e r a l - p u r p o s e c o m p u t e r s i n t h e f u t u r e .

R e c e i v e d F e b r u a r y 1 9 7 7 ; r e v i s e d S e p t e m b e r 1 9 7 7

Acknowledgments. A c k n o w l e d g m e n t s a r e d u e t o

m y c o ll e a g ue s a t C r a y R e s e a r c h . G . G r e n a n d e r , R .

H e n d r i c k s o n , M . H u b e r , C . J e w e t t, P . J o h n s o n , A .

L a B o u n t y , a n d J . R o b i d o u x , w i t h o u t w h o s e c o n t r i b u -

t i o n s , t h i s p a p e r c o u l d n o t h a v e b e e n w r i t t e n .

R e f e r e n c e s1 . C R A Y - 1 F i n a l E v a l u a t i o n b y T . W . K e l l e r , L A S L , L A -6 4 5 6 - M S .2 . C R A Y - 1 R e p o r t , A u e r b a c h C o m p u t e r T e c h n o lo g y R e p o r t ,A u e r b a c h P u b l i s h e r ' s , 6 5 6 0 N o r t h P a r k D r i v e , P e n n s a u k e n , N . J .

0 8 1 0 9 .3 . P r e l i m i n a r y R e p o r t o n R e s u l ts o f M a t r i x B e n c h m a r k s o nV e c t o r P r o c e s s o r s : C a l a h a n , J o y , O r b i t s , S y s t e m E n g i n e e r i n gL a b o r a t o r y , U n i v e r s i t y o f M i c h i g a n , A n n A r b o r , M i c h i g a n 4 8 1 0 9 .4 . C o m p u t e r A r c h i t e c t u r e I s su e s i n L a r g e - S c a le S y s te m s , 9 t hA s i l o m a r C o n f e r e n c e , N a v a l P o s t g r a d u a t e S c h o o l , M o n t e r e y ,C a l i f o r n ia .5 . C o m p u t e r W o r l d , A u g u s t 1 9 7 6 .6 . T h e I B M 3 6 0 /1 9 5 b y J e ss e O 'M u r p h y a n d R o b e r t M . W a d e ,D a t a m a t i o n , A p r i l 1 9 7 0 .7 . W o r k d o n e b y P a u l J o h n s o n , C r a y R e s e a r c h .8 . W o r k d o n e b y R i c h a r d H e n d r i c k s o n , C r a y R e s e a r c h .

9 . T h e s e c t io n o n C R A Y - 1 d e v e l o p m e n t p r o b l e m s is b a s e d o nr e m a r k s m a d e b y S e y m o u r C r a y i n a s p e e c h t o p r o s p e c ti v e C R A Y - 1u s e r s in 1 9 7 5 .

Summary

T h e d e s ig n o f t h e C R A Y - 1 s t e m s f ro m u s e r e x p e r i-

e n c e w i t h f i r s t g e n e r a t i o n v e c t o r p r o c e s s o r s a n d i s t o

s o m e e x t e n t , e v o l v e d f r o m t h e 7 6 0 0 [ 2]. T h e C R A Y - 1

i s p a r t i c u l a r l y e f f e c t i v e a t p r o c e s s i n g s h o r t v e c t o r s . I t s

a r c h i t e c t u r e e x h i b it s a b a l a n c e d a p p r o a c h t o b o t h s c a l a r

a n d v e c t o r p r o c e s s i n g . I n [ 1 ] , t h e c o n c l u s i o n i s d r a w n

t h a t t h e C R A Y - 1 i n s c a l a r m o d e i s m o r e t h a n t w i c e a s

7 2 C o m m u n i c a t i o n s J a n u a r y 1 9 7 8o f V o l u m e 2 1t h e A C M N u m b e r 1

Documents

Cray1 Russell Cacm1978