Мэйнфреймы – прошлое и настоящее

Мэйнфреймами называются называть универсальные высокопроизводительные компьютерные системы, предназначенные для решения задач с интенсивной обработкой информации и для работы с хранилищами данных значительной емкости. Термин «мэйнфрейм» родился в недрах IBM, когда в 1964 году появился вычислительный комплекс System/360 (на разработку которого компания затратила 5 миллиардов долларов), содержащий значительное число стоек различного назначения. Первоначально так называли стойку центрального процессора, а впоследствии этот термин стал визитной карточкой целого класса машин, архитектурные особенности которых отличают их от других высокопроизводительных серверов.

 

В 1960-х — начале 1980-х годов System/360 была безоговорочным лидером на рынке. Её клоны выпускались во многих странах, в том числе — в СССР (серия ЕС ЭВМ).

Мейнфреймы IBM используются в более чем 25 000 организациях по всему миру (без учёта клонов), в России их по разным оценкам от 1500 до 7000 (с учётом клонов). Около 70 % всех важных бизнес-данных хранятся на мейнфреймах.

В начале 1990-х начался кризис рынка мейнфреймов, пик которого пришёлся на 1993 год. Многие аналитики заговорили о полном вымирании мейнфреймов, о переходе от централизованной обработки информации к распределённой (с помощью персональных компьютеров, объединённых двухуровневой архитектурой «клиент-сервер»). Многие стали воспринимать мейнфреймы как вчерашний день вычислительной техники, считая Unix- и PC-серверы более современными и перспективными.

Важной причиной резкого уменьшения интереса к мейнфреймам в 80-х годах было бурное развитие PC и Unix-ориентированных машин, в которых благодаря применению новой технологии создания КМОП-микросхем удалось значительно уменьшить энергопотребление, а их размеры достигли размеров настольных станций. В то же время для установки мейнфреймов требовались огромные площади, а использование устаревших полупроводниковых технологий влекло за собой необходимость водяного охлаждения. Так что, несмотря на их вычислительную мощь, из-за дороговизны и сложности обслуживания мейнфреймы всё меньше пользовались спросом на рынке вычислительных средств.

Ещё один аргумент против мейнфреймов состоял в том, что в них не соблюдается основной принцип открытых систем, а именно — совместимость с другими платформами.

Отнесясь к критике конструктивно, руководство компании IBM, основного производителя аппаратного и программного обеспечения мэйнфреймов, выработало кардинально новую стратегию в отношении этой платформы с целью резко повысить производительность, снизить стоимость владения, а также добиться высокой надежности и доступности систем. Достижению этих планов способствовали важные перемены в технологической сфере: на смену биполярной технологии изготовления процессоров для мейнфреймов пришла технология КМОП. Переход на новую элементную базу позволил значительно снизить уровень энергопотребления мейнфреймов и упростить требования к системе электропитания и охлаждения (водяное охлаждение было заменено воздушным). Мэйнфреймы на базе КМОП-микросхем быстро прибавляли в производительности и теряли в габаритах. Наиболее же кардинальным событием стал переход на 64-разрядную архитектуру zArchitecture. Современные мейнфреймы перестали быть закрытой платформой: они способны поддерживать на одной машине сотни серверов с различными ОС.

Согласно одному из прогнозов, последний мэйнфрейм предполагалось выключить в 1993 году. Срок этого прогноза давно истек, а рынок мейнфреймов остается стабильным, и их продажи ежегодно растут.

C 1994 года вновь начался рост интереса к мейнфреймам. Дело в том, что, как показала практика, централизованная обработка на основе мейнфреймов решает многие задачи построения информационных систем масштаба предприятия проще и дешевле, чем распределённая. Мейнфреймы обладают следующие основные достоинства:

· Повышенная устойчивость систем. Мэйнфреймы могут изолировать и исправлять большинство аппаратных и программных ошибок за счет использования следующих принципов:

• Дублирование: два резервных процессора, запасные микросхемы памяти, альтернативные пути доступа к периферийным устройствам.
• Горячая замена всех элементов вплоть до каналов, плат памяти и центральных процессоров.

• Целостность данных. В мэйнфреймах используется память, исправляющая ошибки. Ошибки не приводят к разрушению данных в памяти, или данных, ожидающих устройства ввода-вывода. Дисковые подсистемы построенные на основе RAID-массивов с горячей заменой и встроенных средств резервного копирования защищают от потерь данных.

• Рабочая нагрузка мэйнфреймов может составлять 80—95 % от их пиковой производительности. Для UNIX-серверов, обычно, рабочая нагрузка не может превышать 20—30 % от пиковой загрузки. Операционная система мейнфрейма будет тянуть всё сразу, причем все приложения будут тесно сотрудничать и использовать общие куски ПО.

• Пропускная способность подсистемы ввода-вывода мейнфреймов разработана так, чтобы работать в среде с высочайшей рабочей нагрузкой на ввод-вывод.

• Масштабирование может быть как вертикальным так и горизонтальным. Вертикальное масштабирование обеспечивается линейкой процессоров с производительностью от 5 до 200 MIPS и наращиванием до 12 центральных процессоров в одном компьютере. Горизонтальное масштабирование реализуется объединением ЭВМ в Sysplex (Sys tem Com plex) — многомашинный кластер, выглядящий с точки зрения пользователя единым компьютером. Всего в Sysplex можно объединить до 32 машин. Географически распределенный Sysplex называют GeoPlex. В случае использования ОС VM для совместной работы можно объединить любое количество компьютеров. Программное масштабирование — на одном мейнфрейме может быть сконфигурировано фактически бесконечное число различных серверов. Причем все серверы могут быть изолированы друг от друга так, как будто они выполняются на отдельных выделенных компьютерах и в тоже же время совместно использовать аппаратные и программные ресурсы и данные.

• Доступ к данным. Поскольку данные хранятся на одном сервере, прикладные программы не нуждаются в сборе исходной информации из множества источников, не требуется дополнительное дисковое пространство для их временного хранения, не возникают сомнения в их актуальности. Требуется небольшое количество физических серверов и значительно более простое программное обеспечение. Все это, в совокупности, ведет к повышению скорости и эффективности обработки.

 

 

В настоящее время, фактически, мэйнфреймы производит только IBM. В первой половине 2008 года их продажи на 20% превысили показатель того же периода предыдущего года. Мэйнфреймы IBM составляют основу ИТ-инфраструктуры 95% крупнейших банков в мире.

Кто же использует мэйнфреймы в настоящее время в России?

Это главным образом достаточно крупные государственные или коммерческие структуры, где работает несколько тысяч человек. Среди них, например, ОАО «Российские железные дороги», Банк России, нефтегазовая компания «Сургутнефтегаз». Работа основных бизнес-приложений всех этих компаний зависит от надежности и безопасности мэйнфреймов.

Пользователей привлекают в первую очередь такие свойства мэйнфреймов, как высокая надежность и доступность, масштабируемость — за счет увеличения числа процессоров и создания кластеров на базе технологии Parallel Sysplex, — гибкость распределения ресурсов, безопасность, реализуемая на различных уровнях, централизованное управление вычислительными ресурсами. Характерно, что наиболее крупные обладатели мэйнфреймов имеют, как правило, развитую коммуникационную инфраструктуру, предоставляющую возможность консолидировать вычислительные ресурсы в центрах обработки данных. Такие ЦОД постоянно загружены задачами подразделений, находящихся в различных временных зонах. Развитые коммуникации позволяют также использовать технологию дистанционной катастрофоустойчивой инфраструктуры IBM GDPS, которая применяется, в частности, в ЦБ.

Центробанк осуществил консолидацию ИТ-ресурсов более чем семи десятков центров обработки электронных платежей, где использовалось множество транзакционных приложений, несколько аппаратных платформ, ряд СУБД и более двух сотен серверов. Они перешли на четыре системы IBM System z990 Enterprise Class и СУБД Oracle под управлением z/OS.

 

Что такое супер-ЭВМ

СуперЭВМ можно определить как «ЭВМ с наивысшей среди других производительностью, разработанную с предельным интеллектуальным напряжением проектировщиков и построенную с предельным технологическим напряжением заводов-изготовителей» [1].

Таким образом, для каждого этапа развития ВТ существует такая супер -ЭВМ, но через несколько лет появляются новые, основанные на достижениях в области элементной базы и вычислительной архитектуре.

Этот факт демонстрируется данными таблицы 2, в которой приведены данные по максимальной производительности со временем.

 

Таблица 2 Рост производительности компьютеров

Производительность суперкомпьютеров
Название	год	FLOPS
флопс		10^0
килофлопс		10^3
мегафлопс		10^6
гигафлопс		10^9
терафлопс		10^12
петафлопс		10^15
эксафлопс	−	10^18
зеттафлопс	−	10^21
йоттафлопс	−	10^24
ксерафлопс	−	10^27

 

FLOPS (от англ. Floating point Operations Per Second, произносится как флопс) — величина, используемая для измерения производительности компьютеров, показывающая, сколько операций с плавающей запятой в секунду выполняет данная вычислительная система.

Поскольку современные компьютеры обладают высоким уровнем производительности, более распространены производные величины от FLOPS, образуемые путём использования стандартных приставок международной системы единиц СИ.

Можно утверждать, что через лет через 10 домашние компьютеры по быстродействию догонят современные супер-ЭВМ.

На уровне 2008 года супер–ЭВМ обладали быстродействием порядка 1.1 Пфлопс (компьютеры IBM), к 2012 исследователи планируют достичь быстродействия в 20 Пфлопс.

Само название «суперкомпьютеры» появилось в 70-е годы 20-го столетия, но закрепился окончательно с 1974 года после создания в США ЭВМ Cray-1 (по фамилии его создателя Сеймура Крея), резко опередившим по производительности другие ЭВМ.

Cray-1 принято считать одним из первых супер-ЭВМ. В процессорах компьютера был огромный, по тем временам, набор регистров, которые разделялись на группы. Каждая группа имело свое собственное функциональное назначение. Блок адресных регистров, который отвечал за адресацию в памяти ЭВМ. Блок векторных регистров, блок скалярных регистров. Производительность супер-ЭВМ составляла 180 миллионов (1.8*10⁸) операций в секунду над числами с плавающей точкой. Использовались 32-ух разрядные команды. Это учитывая то, что современники данного компьютера только начинали переходить от 8 разрядных команд к 16 разрядным

В самом начале появления супер-ЭВМ было связано с потребностью быстрой обработки больших массивов данных и сложных математически - аналитических вычислениях. Поэтому первые суперкомпьютеры по своей архитектуре мало отличались от обычных ЭВМ. Только их мощность была во много раз больше стандартных рабочих станций. Изначально супер-ЭВМ оснащались векторными процессорами, обычные - скалярными. К 80-м перешли на параллельную работу нескольких векторных процессоров. Но данный путь развития оказался не рациональным. Супер-ЭВМ перешли на параллельно работающие скалярные процессоры.

Массивно-параллельные процессоры стали базой для супер-ЭВМ. Тысячи процессорных элементов объединялись, создавая мощную платформу для вычислений. Большинство параллельно работающих процессоров создавались на основе архитектуры RISC. RISC (Reduced Instruction Set Computing) – вычисления с сокращенным набором команд. Под этим термином производители процессоров понимают концепцию, где более простые инструкции выполняться быстрее. Данный метод позволяет снизить себестоимость производства процессоров. Одновременно увеличить их производительность.

Идея создать RISC – процессор пришла IBM. Еще в 70-х годах они заметили, что многие архитектурные и функциональные особенности не используются разработчиками программного обеспечения. К тому же одни из первых компиляторов языков высокого уровня не используют многие инструкции стандартных процессоров. Как следствие из этого. Программы, написанные на таких компиляторах, не рационально используют процессорные ресурсы. Получается, что часто процессор работает вхолостую. Выполнять сложные команды – простыми инструкциями процессора. Значительно эффективнее, чем создавать в процессоре сложные инструкции для таких команд.

Потребность в мощных вычислительных решениях быстро возрастала. Традиционные супер-ЭВМ были слишком дороги. Требовалась альтернатива. И на смену им пришли кластеры. Но и на сегодняшний день мощные компьютеры называют суперкомпьютерами.

Кластер - это множество серверов объеденных в сеть и работают над одной задачей. Эта группа серверов обладает высокой производительностью. Во много раз больше чем то же самое количество серверов, которые работали бы отдельно. Кластер дает высокую надежность. Выход из строя одного сервера не приведет к аварийной остановке всей системы, а лишь немного отразиться на ее производительности. Можно произвести замену сервера в кластере без остановки всей системы. Не нужно сразу выкладывать огромные суммы за супер-ЭВМ. Кластер можно наращивать постепенно, что значительно амортизирует затраты предприятия.

Объединение серверов в кластер реализуется программно. Существует менеджер кластеров. Устанавливается на основной сервер и управляет всеми остальными узлами кластера. Клиентское программное обеспечение устанавливается на остальные серверы кластера.

Супер-ЭВМ отличаются от серверов, которые необходимы для оперативной обработки запросов. Они отличаются и от мэйнфреймов, которые так же обладают высокой производительностью, но служат для одновременной работы с множеством пользователей. Суперкомпьютеры могут применяться и для работы с одной программой, которая требует мощных ресурсов. Это моделирование погоды, расчет техпроцесса на производстве, расчёты в ядерной физике, разведке полезных ископаемых.