七十年代的"分立"超算：仅用 4 种芯片搭建、64 位、主频 80 MHz！

西摩·克雷（Seymour Cray）在 1976 年造出的 Cray-1，只用了这几种器件拼成：一个双路 5/4 门、一颗双极型寄存器芯片，以及一颗 1024 位等平面（Isoplanar）RAM——全部是 ECL 工艺，且大多来自仙童（Fairchild）。

1976 年 4 月 1 日，新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯科学实验室（Los Alamos Scientific Laboratory）装上了编号 001 的 Cray-1。到当年 8 月，《计算机世界》（Computerworld）把它称作「世界上最贵的双人沙发」——因为机器周围那圈软垫长凳底下，藏着的正是它的电源。

陈列于美国计算机历史博物馆的 Cray-1。摄影：Ed Toton（NecroBones），公有领域，来源：Wikimedia Commons

这台机器是克雷在威斯康星州奇珀瓦福尔斯（Chippewa Falls）造出来的，而它的物料清单（parts list）短到能写在一张索引卡上。

理查德·拉塞尔（Richard Russell）1978 年发表在《ACM 通讯》（Communications of the ACM）上的文章统计出四种芯片型号，全部属于发射极耦合逻辑（ECL）：高速版与低速版的双路 5/4 与非门（NAND）、一颗周期时间为 6 纳秒的双极型寄存器芯片，以及一颗 1024 位双极型存储芯片——克雷自己的硬件手册把后者归功于仙童的等平面（Isoplanar）工艺。用这四种芯片，克雷搭出了一台 64 位向量计算机，时钟周期 12.5 纳秒（即 80 MHz）；作为对照，同期 APPLE II 电脑采用的 6502 CPU 的运行频率只有 1 MHz。

一颗门电路，装进 16 引脚扁平封装

克雷的硬件参考手册把高速门描述为一颗 ECL 电路：四或五个输入端，同时给出同相与反相输出，两者各一个封装在同一个 16 引脚气密封装的扁平外壳（flatpack）里。CPU 里所有的锁存器、加法器和减法器，都是用这颗门搭出来的。它的传输延迟在 0.5 纳秒到 1 纳秒之间，边沿速度不超过 1 纳秒。

克雷的文档从未写明供应商的料号，但收藏界已将其认定为仙童的 11C01——在仙童 1975 年产品目录里，这是一颗双路 5-4 输入 OR/NOR 门，典型延迟 0.7 纳秒，每封装功耗 125 mW。

拉塞尔引用克雷 1975 年面向潜在客户的一场演讲解释说：只用最简单的门、并且把每颗门的两个输出都做端接，整台机器对电源来说就「只是一个纯阻性负载」，供电轨上不会出现开关瞬变。ECL 的晶体管从不进入饱和区，而差分电流导向结构使得无论门处于高电平还是低电平，从电源取用的电流几乎相同。

每个模块（module）在一块的铜板上装两块 6×8 英寸的五层印制板，每块板上最多 144 个扁平封装，功耗可达 65 W。整机共 1662 个模块，总功耗约 115 kW，这些热量全靠流过铸造铝冷条的氟利昂（Freon）带走。

低速门则是同一款 5/4 门的 MECL 10K 兼容版本。克雷把它用在存储模块的地址扇出上——那里的速度要求不高，而它功耗更低。拉塞尔还提到，整台机器里有 10% 到 20% 的集成电路封装纯粹是为了给信号线加负载、均衡各路延时（padding）而存在的。

50 纳秒的等平面存储器

主存最大可配置 1,048,576 个字、每字 72 位（64 位数据加 8 位校验），分布在 16 个独立存储体中。克雷的手册把它的基本单元描述为一颗双极型 1024×1 大规模集成电路（LSI），「由仙童采用等平面技术开发」，最大读写周期 50 纳秒，电平与 ECL 兼容。

仙童以 F10415 的型号出售这颗器件，1977 年数据手册给出的典型读取访问时间为 25 纳秒，每位功耗 0.5 mW。一个满配的存储器需要 73,728 颗这样的芯片，每颗只负责一位。

等平面工艺出自仙童的道格拉斯·佩尔策（Douglas Peltzer）之手，他于 1971 年 2 月提交专利申请。传统的双极工艺要用深p型扩散区来隔离相邻晶体管；等平面工艺改用热生长氧化层来做隔离，这样基极和集电极的接触孔就可以紧贴隔离区边缘。氧化层隔离把晶体管面积缩小了一半，也降低了寄生电容——仙童的数据手册指出，1972 年推出的那颗 1024 位 TTL RAM，若沿用老式的结隔离工艺根本无法实用化。

编号 001 出厂时只做了奇偶校验。在洛斯阿拉莫斯为期六个月的试运行中，它记录了 152 次存储器奇偶错误。尤金·诺曼德（Eugene Normand）等人 2010 年发表在《IEEE 核科学汇刊》（IEEE Transactions on Nuclear Science）上的分析得出结论：是大气中的中子打翻了数据位——这让 Cray-1 成为有记录以来第一例地面级单粒子翻转（SEU）。到 1976 年 10 月，克雷研究公司（Cray Research）已为设计加入能纠一位错、检两位错的存储器（SECDED）。

后来发生了什么

12 根楔形立柱排成 270° 的圆弧，使每一路背板连接都缩短为两根 18 英寸的双绞线、用一个焊锡套管接续。圆弧上的那道缺口，用拉塞尔的话说，是留给「身材还算匀称的人」钻进去检修的。

1977 年，美国国家大气研究中心（NCAR）花 886 万美元买下了编号 003 的机器，拉塞尔给它的评级是持续 138 MFLOPS、峰值突发 250 MFLOPS。

克雷 1982 年的 X-MP 转向双极型门阵列，每颗阵列集成 16 个 ECL 门；1985 年的 Cray-2 则把类似的阵列封装进三维模块，整体浸在氟化液（Fluorinert）里冷却。而编号 001 那台机器一共工作了 13 年，如今陈列在奇珀瓦福尔斯的工业与技术博物馆。

原文

https://www.allaboutcircuits.com/news/the-cray-1-chipset-an-80-mhz-supercomputer-built-from-four-chip-types