Мейнфрейм -компьютер , неофициально называемый мейнфреймом или большим железом , [1] — это компьютер, используемый в основном крупными организациями для критически важных приложений, таких как обработка больших объемов данных для таких задач, как переписи , отраслевая и потребительская статистика , планирование ресурсов предприятия и обработка крупномасштабных транзакций . Мейнфрейм-компьютер большой, но не такой большой, как суперкомпьютер , и имеет большую вычислительную мощность, чем некоторые другие классы компьютеров, такие как мини-компьютеры , серверы , рабочие станции и персональные компьютеры . Большинство архитектур крупномасштабных компьютерных систем были созданы в 1960-х годах, но они продолжают развиваться. Мейнфрейм-компьютеры часто используются в качестве серверов.
Термин «мэйнфрейм» произошел от большого шкафа, называемого « мэйнфрейм» , [2] , в котором размещались центральный процессор и основная память ранних компьютеров. [3] [4] Позднее термин «мэйнфрейм» использовался для того, чтобы отличать высокопроизводительные коммерческие компьютеры от менее мощных машин. [5]
Современная конструкция мэйнфреймов характеризуется не столько чистой скоростью вычислений, сколько:
Высокая стабильность и надежность мэйнфреймов позволяет этим машинам работать бесперебойно в течение очень длительных периодов времени, при этом среднее время наработки на отказ (MTBF) измеряется десятилетиями.
Мейнфреймы имеют высокую доступность , что является одной из основных причин их долговечности, поскольку они обычно используются в приложениях, где простой был бы дорогостоящим или катастрофическим. Термин « надежность, доступность и удобство обслуживания » (RAS) является определяющей характеристикой мейнфреймов. Для реализации этих функций требуются правильное планирование и реализация. Кроме того, мейнфреймы более безопасны, чем другие типы компьютеров: база данных уязвимостей NIST , US-CERT , оценивает традиционные мейнфреймы, такие как IBM Z (ранее называвшиеся z Systems, System z и zSeries), [ неопределенно ] Unisys Dorado и Unisys Libra, как одни из самых безопасных, с уязвимостями в низких однозначных числах, по сравнению с тысячами для Windows , UNIX и Linux . [6] Обновления программного обеспечения обычно требуют настройки операционной системы или ее частей и не нарушают работу только при использовании средств виртуализации , таких как IBM z/OS и Parallel Sysplex или Unisys XPCL, которые поддерживают распределение рабочей нагрузки, так что одна система может взять на себя управление приложением другой, пока оно обновляется.
В конце 1950-х годов мэйнфреймы имели только элементарный интерактивный интерфейс (консоль) и использовали наборы перфокарт , бумажной ленты или магнитной ленты для передачи данных и программ. Они работали в пакетном режиме для поддержки функций бэк-офиса, таких как расчет заработной платы и выставление счетов клиентам, большинство из которых были основаны на повторяющихся операциях сортировки и слияния на основе ленты с последующей построчной печатью на предварительно отпечатанных непрерывных бланках . Когда были представлены интерактивные пользовательские терминалы, они использовались почти исключительно для приложений (например, бронирования авиабилетов ), а не для разработки программ. Однако в 1961 году первая [7] академическая, универсальная система разделения времени, которая поддерживала разработку программного обеспечения, [8] CTSS , была выпущена в MIT на IBM 709 , позже 7090 и 7094. [9] Пишущая машинка и телетайп были обычными пультами управления для системных операторов до начала 1970-х годов, хотя в конечном итоге были вытеснены клавиатурой / устройствами отображения .
К началу 1970-х годов многие мэйнфреймы приобрели интерактивные пользовательские терминалы [NB 1], работающие как компьютеры с разделением времени , поддерживая сотни пользователей одновременно с пакетной обработкой. Пользователи получали доступ через терминалы клавиатуры/пишущей машинки и позднее текстовые [NB 2] ЭЛТ - дисплеи с встроенной клавиатурой или, наконец, с персональных компьютеров, оснащенных программным обеспечением эмуляции терминала . К 1980-м годам многие мэйнфреймы поддерживали универсальные графические терминалы и эмуляцию терминала, но не графические пользовательские интерфейсы. Эта форма вычислений для конечного пользователя устарела в 1990-х годах из-за появления персональных компьютеров, снабженных графическими интерфейсами . После 2000 года современные мэйнфреймы частично или полностью отказались от классического « зеленого экрана » и цветного терминального доступа для конечных пользователей в пользу пользовательских интерфейсов в стиле Web. [ необходима цитата ]
Требования к инфраструктуре были радикально снижены в середине 1990-х годов, когда конструкции CMOS- мэйнфреймов заменили старую биполярную технологию. IBM заявила, что ее новые мэйнфреймы снизили затраты энергии на электропитание и охлаждение в центрах обработки данных, а также снизили требования к физическому пространству по сравнению с серверными фермами . [10]
Современные мэйнфреймы могут одновременно запускать несколько различных экземпляров операционных систем. Эта технология виртуальных машин позволяет приложениям работать так, как если бы они находились на физически отдельных компьютерах. В этой роли один мэйнфрейм может заменить высокофункциональные аппаратные службы, доступные обычным серверам . Хотя мэйнфреймы были пионерами в этой возможности, виртуализация теперь доступна в большинстве семейств компьютерных систем, хотя не всегда в той же степени или на том же уровне сложности. [11]
Мейнфреймы могут добавлять или заменять емкость системы в горячем режиме, не нарушая функционирования системы, со спецификой и детализацией до уровня сложности, обычно недоступного для большинства серверных решений. [ требуется ссылка ] Современные мейнфреймы, в частности серверы IBM Z , предлагают два уровня виртуализации : логические разделы ( LPAR , через средство PR/SM ) и виртуальные машины (через операционную систему z/VM ). Многие клиенты мейнфреймов используют две машины: одну в своем основном центре обработки данных и одну в своем резервном центре обработки данных — полностью активную, частично активную или в режиме ожидания — на случай катастрофы, затрагивающей первое здание. Тестирование, разработка, обучение и производственная нагрузка для приложений и баз данных могут выполняться на одной машине, за исключением чрезвычайно больших требований, когда мощность одной машины может быть ограниченной. Такая установка из двух мейнфреймов может поддерживать непрерывное обслуживание бизнеса, избегая как запланированных, так и незапланированных простоев. На практике многие клиенты используют несколько мэйнфреймов, связанных либо с помощью Parallel Sysplex и общего DASD (в случае IBM), [ необходима ссылка ] или с помощью общего, географически распределенного хранилища, предоставляемого EMC или Hitachi.
Мейнфреймы предназначены для обработки очень большого объема ввода-вывода (I/O) и подчеркивают пропускную способность вычислений. С конца 1950-х годов [NB 3] конструкции мейнфреймов включают вспомогательное оборудование [NB 4] (называемое каналами или периферийными процессорами ), которое управляет устройствами ввода-вывода, оставляя ЦП свободным для работы только с высокоскоростной памятью. В цехах мейнфреймов принято иметь дело с огромными базами данных и файлами. Файлы записей размером от гигабайта до терабайта не являются чем-то необычным. [12] По сравнению с типичным ПК, мейнфреймы обычно имеют в сотни или тысячи раз больше хранилища данных в сети, [13] и могут получать к нему доступ достаточно быстро. Другие семейства серверов также разгружают обработку ввода-вывода и подчеркивают пропускную способность вычислений.
Окупаемость инвестиций (ROI) в мэйнфрейм , как и в любую другую вычислительную платформу, зависит от ее способности масштабироваться, поддерживать смешанные рабочие нагрузки, сокращать затраты на рабочую силу, обеспечивать бесперебойное обслуживание критически важных бизнес-приложений и ряда других факторов стоимости с поправкой на риск.
Мэйнфреймы также обладают характеристиками целостности выполнения для отказоустойчивых вычислений. Например, серверы z900, z990, System z9 и System z10 эффективно выполняют ориентированные на результат инструкции дважды, сравнивают результаты, разрешают любые различия (через повтор инструкций и изоляцию сбоев), а затем перекладывают рабочие нагрузки «на лету» на функционирующие процессоры, включая запасные, без какого-либо воздействия на операционные системы, приложения или пользователей. Эта функция аппаратного уровня, также встречающаяся в системах HP NonStop , известна как блокировка шага, поскольку оба процессора выполняют свои «шаги» (т. е. инструкции) вместе. Не всем приложениям абсолютно необходима гарантированная целостность, которую обеспечивают эти системы, но многим она необходима, например, для обработки финансовых транзакций. [ необходима цитата ]
IBM с серией IBM Z продолжает оставаться крупным производителем на рынке мэйнфреймов. В 2000 году Hitachi совместно с IBM разработала zSeries z900 для разделения расходов, а последние модели Hitachi AP10000 производятся IBM. Unisys производит мэйнфреймы ClearPath Libra на основе более ранних продуктов Burroughs MCP и мэйнфреймы ClearPath Dorado на основе линеек продуктов Sperry Univac OS 1100. Hewlett Packard Enterprise продает свои уникальные системы NonStop , которые она приобрела у Tandem Computers и которые некоторые аналитики классифицируют как мэйнфреймы. Мэйнфреймы GCOS , Stratus OpenVOS , Fujitsu (ранее Siemens) BS2000 и Fujitsu -ICL VME от Groupe Bull по-прежнему доступны в Европе, а мэйнфреймы Fujitsu (ранее Amdahl) GS21 — по всему миру. NEC с ACOS и Hitachi с AP10000- VOS3 [14] по-прежнему поддерживают бизнес мэйнфреймов на японском рынке.
Объем инвестиций поставщиков в разработку мэйнфреймов варьируется в зависимости от доли рынка. Fujitsu и Hitachi продолжают использовать собственные процессоры, совместимые с S/390, а также другие ЦП (включая POWER и Xeon) для систем начального уровня. Bull использует смесь процессоров Itanium и Xeon . NEC использует процессоры Xeon для своей младшей линейки ACOS-2, но разрабатывает собственный процессор NOAH-6 для своей высокопроизводительной серии ACOS-4. IBM также разрабатывает собственные процессоры, такие как Telum . Unisys производит совместимые по коду системы мэйнфреймов, которые варьируются от ноутбуков до мэйнфреймов размером со шкаф, которые используют как собственные ЦП, так и процессоры Xeon . Кроме того, существует рынок программных приложений для управления производительностью реализаций мэйнфреймов. Помимо IBM, значительными конкурентами на рынке являются BMC [15] и Precisely ; [16] бывшими конкурентами являются Compuware [17] [18] и CA Technologies . [19] Начиная с 2010-х годов облачные вычисления стали менее дорогой и более масштабируемой альтернативой. [ необходима цитата ]
Несколько производителей и их преемники производили мэйнфреймы с 1950-х годов до начала 21-го века, с постепенным уменьшением числа и постепенным переходом к моделированию на чипах Intel, а не на фирменном оборудовании. Американская группа производителей была сначала известна как « IBM и семь гномов »: [20] : стр.83 обычно Burroughs , UNIVAC , NCR , Control Data , Honeywell , General Electric и RCA , хотя некоторые списки различались. Позже, с уходом General Electric и RCA, ее называли IBM и BUNCH . Доминирование IBM выросло из их серий 700/7000 и, позднее, разработки мэйнфреймов серии 360 . Последняя архитектура продолжила развиваться в их нынешние мэйнфреймы zSeries, которые, наряду с тогдашними мэйнфреймами Burroughs and Sperry (теперь Unisys ) на базе MCP и OS1100 , являются одними из немногих сохранившихся архитектур мэйнфреймов, которые могут проследить свои корни до этого раннего периода. В то время как zSeries от IBM все еще может работать с 24-битным кодом System/360, 64-битные серверы IBM Z CMOS не имеют ничего общего физически со старыми системами. Известными производителями за пределами США были Siemens и Telefunken в Германии , ICL в Великобритании , Olivetti в Италии и Fujitsu , Hitachi , Oki и NEC в Японии . Советский Союз и страны Варшавского договора производили близкие копии мэйнфреймов IBM во время холодной войны ; [ требуется ссылка ] серии БЭСМ и Стрела являются примерами независимо разработанных советских компьютеров. Elwro в Польше был еще одним производителем Восточного блока, выпускавшим мэйнфреймы ODRA , R-32 и R-34.
Сокращение спроса и жесткая конкуренция привели к перетряске рынка в начале 1970-х годов — RCA продалась UNIVAC, а GE продала свой бизнес Honeywell; между 1986 и 1990 годами Honeywell была куплена Bull ; UNIVAC стала подразделением Sperry , которое позже объединилось с Burroughs, образовав Unisys Corporation в 1986 году.
В 1984 году предполагаемые продажи настольных компьютеров ($11,6 млрд) впервые превысили продажи мэйнфреймов ($11,4 млрд). IBM получила большую часть доходов от мэйнфреймов. [21] В 1980-х годах системы на базе мини-компьютеров стали более сложными и смогли вытеснить более низкие версии мэйнфреймов. Типичным примером таких компьютеров, иногда называемых компьютерами для отделов , была серия VAX корпорации Digital Equipment Corporation .
В 1991 году корпорация AT&T недолгое время владела NCR. В тот же период компании обнаружили, что серверы на основе микрокомпьютерных конструкций могут быть развернуты за часть цены приобретения и предложить локальным пользователям гораздо больший контроль над их собственными системами, учитывая ИТ-политику и практику того времени. Терминалы, используемые для взаимодействия с мэйнфреймовыми системами, постепенно заменялись персональными компьютерами . В результате спрос резко упал, и новые установки мэйнфреймов были ограничены в основном финансовыми услугами и правительством. В начале 1990-х годов среди отраслевых аналитиков существовал приблизительный консенсус, что мэйнфреймы были умирающим рынком, поскольку платформы мэйнфреймов все больше заменялись сетями персональных компьютеров. Стюарт Олсоп из InfoWorld позорно предсказал, что последний мэйнфрейм будет отключен в 1996 году; В 1993 году он процитировал Шерил Каррид, аналитика компьютерной индустрии, которая заявила, что последний мэйнфрейм «перестанет работать 31 декабря 1999 года» [22] , имея в виду ожидаемую проблему 2000 года (Y2K).
Эта тенденция начала меняться в конце 1990-х годов, когда корпорации нашли новые области применения для своих существующих мэйнфреймов, а цены на сетевое взаимодействие данных рухнули в большинстве частей света, что способствовало тенденциям к более централизованным вычислениям. Рост электронного бизнеса также резко увеличил количество внутренних транзакций, обрабатываемых программным обеспечением мэйнфреймов, а также размер и пропускную способность баз данных. Пакетная обработка, такая как выставление счетов, стала еще более важной (и масштабной) с ростом электронного бизнеса, и мэйнфреймы особенно искусны в крупномасштабных пакетных вычислениях. Еще одним фактором, в настоящее время увеличивающим использование мэйнфреймов, является разработка операционной системы Linux , которая появилась на мэйнфреймах IBM в 1999 году. Linux позволяет пользователям использовать преимущества программного обеспечения с открытым исходным кодом в сочетании с аппаратным обеспечением мэйнфреймов RAS . Быстрое расширение и развитие на развивающихся рынках , в частности в Китайской Народной Республике , также стимулирует крупные инвестиции в мэйнфреймы для решения исключительно сложных вычислительных задач, например, предоставления унифицированных, чрезвычайно объемных онлайн-баз данных обработки транзакций для 1 миллиарда потребителей в различных отраслях (банковское дело, страхование, кредитная отчетность, государственные услуги и т. д.). В конце 2000 года IBM представила 64-битную z/Architecture , приобрела многочисленные компании-разработчики программного обеспечения, такие как Cognos , и внедрила эти программные продукты для мэйнфреймов. В квартальных и годовых отчетах IBM в 2000-х годах обычно сообщалось об увеличении доходов от мэйнфреймов и поставок мощностей. Однако бизнес мэйнфреймов IBM не был застрахован от недавнего общего спада на рынке серверного оборудования или эффектов цикла моделирования. Например, в 4-м квартале 2009 года доходы от оборудования IBM System z снизились на 27% в годовом исчислении. Но поставки MIPS (миллионов инструкций в секунду) увеличивались на 4% в год за последние два года. [23] В 2000 году Олсоп сфотографировал себя, символически съедающим собственные слова («смерть мэйнфрейму»). [24]
В 2012 году NASA выключило свой последний мэйнфрейм, IBM System z9. [25] Однако преемник z9 от IBM, z10 , заставил репортера New York Times заявить четырьмя годами ранее, что «технология мэйнфреймов — оборудование, программное обеспечение и услуги — остается крупным и прибыльным бизнесом для IBM, а мэйнфреймы по-прежнему являются бэк-офисными двигателями, стоящими за мировыми финансовыми рынками и большей частью глобальной торговли». [26] По состоянию на 2010 год [обновлять], хотя технология мэйнфреймов составляла менее 3% доходов IBM, она «продолжала играть огромную роль в результатах Big Blue». [27]
IBM продолжила выпускать новые поколения мэйнфреймов: IBM z13 в 2015 году [28] , z14 в 2017 году [29] [30], z15 в 2019 году [31] и z16 в 2022 году, последний из которых, помимо прочего, оснащен «интегрированным на кристалле ускорителем искусственного интеллекта» и новым микропроцессором Telum . [32]
Суперкомпьютер — это компьютер , находящийся на переднем крае возможностей обработки данных с точки зрения скорости вычислений. Суперкомпьютеры используются для решения научных и инженерных задач ( высокопроизводительные вычисления ), которые обрабатывают числа и данные, [33] в то время как мэйнфреймы фокусируются на обработке транзакций. Различия следующие:
Мейнфреймы и суперкомпьютеры не всегда можно четко различить; вплоть до начала 1990-х годов многие суперкомпьютеры были основаны на архитектуре мейнфреймов с суперкомпьютерными расширениями. Примером такой системы является HITAC S-3800 , которая была совместима по набору инструкций с мейнфреймами IBM System/370 и могла работать под управлением операционной системы Hitachi VOS3 (ответвление IBM MVS ). [39] Таким образом, S-3800 можно рассматривать как одновременно и суперкомпьютер, и IBM-совместимый мейнфрейм.
В 2007 году [40] объединение различных технологий и архитектур суперкомпьютеров и мэйнфреймов привело к появлению так называемого игрового фреймворка .
часть ранних разработок в области разделения времени происходила в университетских кампусах.
8
Яркими примерами являются CTSS (Compatible Time-Sharing System) в Массачусетском технологическом институте, которая была первой универсальной системой разделения времени...
В период с октября 2001 г. по сентябрь 2005 г. емкость дискового хранилища мэйнфреймовых компьютеров IRS увеличилась с 79 терабайт до 168,5 терабайт.
Медиафайлы по теме Мейнфреймы на Wikimedia Commons