Что такое мэйнфрейм и как он работает? Разбираемся в особенностях и преимуществах

Содержание:

• Что такое мейнфрейм
• Современный меинфрейм
• Основные производители меинфреймов
• В чем преимущества мейнфреймов
• В чем недостатки меинфреймов
• Наследие мейнфреймов
• Современные мейнфреймы
• Заключение

Что такое мейнфрейм

Мейнфрейм представляет собой высокомощную систему для вычислений, которая позволяет бесперебойно решать важнейшие задачи с максимальным уровнем производительности. В отличии от суперкомпьютеров мейнфреймы созданы для решения множества одновременных задач. Стоит отметить что меинфрейм это крайне технически сложное решение, не являющееся обычным кластером из потребительских серверов. Он применяется для хостинга коммерческих баз данных, дает возможность обрабатывать операции, выполнять комплексные приложения. Оборудование применяют для одновременного выполнения процедур ввода и вывода, обслуживания пользователей в глобальном масштабе, обработки до 1 млрд. операций в сутки.

Современный меинфрейм

Говоря о том, что такое мейнфрейм, нужно отметить – он представляет собой результат развития компьютерной отрасли на протяжении примерно 60 лет. Средний эксплуатационный период оборудования такого класса равен 10 годам. Мейнфрейм обеспечивает обнаружение и исправление почти любых аппаратных проблем или ошибок ПО посредством следующего:

• Резервирование, дублирование ресурсов. Например, структура оборудования предусматривает несколько ЦП, резервную ОЗУ, RAID массивы, отказоустойчивые сетевые интерфейсы.
• Возможность замены практически любых компонентов без выключения электропитания.
• Гарантированная сохранность данных. Меинфреймы предусматривают структуру памяти, устраняющую ошибки ECC. Это означает, что любые появляющиеся ошибки не отразятся на хранимой информации.
• Функции ввода/вывода данных устроены так, что даже при максимальной нагрузке мейнфрейм сохраняет высокую пропускную способность в виду избыточных ресурсов.

Память с коррекцией ошибок ECC REG. Активно применяется в системах критической важности и мейнфреймах

Мейнфрейм может масштабироваться вертикально и горизонтально. В 1-м случае возможно расширение до 8 CPU на одной вычислительной ноде. Масштабируя работу горизонтально, можно объединить сотни устройств в общую систему. Такое объединение мощностей называется – кластеризирование. В высокопроизводительных средах оно производится за счет таких технологий: HPE Slingshot-11, NVIDIA Infiniband, Fujitsu Tofu interconnect D. Горизонтальное масштабирование является ключом к построению быстрого мейнфрейма.

Меинфрейм IBM System Z9 без декоративных накладок. На фото видно модули из которых состоит вычислительный комплекс. Источник: IBM

Такое оборудование применяют преимущественно крупные компании, которым нужно обрабатывать, хранить большие объемы информации. Например, оборудование применяют:

• Аэропорты, диспетчерские службы;
• Банковские организации, фондовые биржи;
• Правительственные учреждения;
• Организации работающие с криптоактивами, блокчеином, а также криптобиржи;
• Организации производящие крупно масштабную обработку транзакций;
• Исследовательские институты в целях научных вычислений;
• Крупнейшие поставщики IT-услуг.

Ключевой элемент мейнфрейма – процессоры. Они выполняют интерпретирование инструкций, обеспечивают непрерывные вычисления. Вычислительный узлы могут быть оснащены сразу несколькими процессорами на нескольких уникальных архитектурах(X86, ARM, RISC-V), такая комплектация дает возможность достигнуть наилучших показателей производительности.

Устройство мейнфрейма носит намного более сложный характер носительно серверов и персональных компьютеров. Безусловно он имеет основные комплектующие: процессоры, модули памяти, жесткие диски HDD, твердотельные накопители SSD. Но помимо традиционных компонентов он включает компоненты высокой интеграции: соединительные платы для вычислительных нод, встроенные коммутаторы, блоки питания выполненные в виде модулей серверного шкафа, системы кондиционирования, проприетарные сигнальные процессоры для обработки специфичной информации, кассеты проприетарной памяти CDIMM, обособленные платы VRM для питания энергозатратных компонентов, осцилляторы.

Основные производители меинфреймов

Основным производителем подобного оснащения является корпорация IBM. Например, она создала серию IBM System Z. Символ «Z» символизирует «нулевое время недоступности», что намекает на то, что аппаратный комплекс IBM System Z способен беспрерывно работать 24/7.

Кроме IBM System Z, производитель выпускал и иное оборудование нацеленное на корпоративный рынок. Например, семейство IBM System/360, являющееся прародителем серии System Z. Линейка обеспечила закрепление следующих норм:

• Использование процессоров IBM POWER. Это уникальное решение от компании IBM способное обеспечивать максимальную производительность в различных сценариях применения;
• системы System 360 выпускались в различных форм-факторах. Форм фактор влиял на вычислительную мощность мейнфрейма. IBM давала возможность приобрести относительно недорогую систему для нужд бизнеса, а впоследствии модернизировать ее в более мощный вычислительный кластер, посредством добавления так называемых “книг”, именно так в IBM назывались вычислительные модули;
• системы System 360 активно применяли 16 систему счисления;
• Комплексы System 360 стали родоначальниками технологий виртуализации. Именно на базе этих систем были запущены первые программы позволяющие выполнять аппаратную виртуализацию ресурсов ПК.

В Советском Союзе был создан “аналог” IBM System/360 в лице ЕС ЭВМ. Этот комплекс был программного и аппаратно совместим с IBM и активно применялся на территории СССР и стран союзников.

Еще один основной производитель мейнфреймов – компания Fujitsu. Одной из самых известных является серия Fujitsu BS2000. Устройства, входящие в линейку Fujitsu BS2000, характеризуются такими преимуществами:

• Использование ЦП Intel Xeon в качестве основного элемента вычислительной системы. ОЗУ DDR4 обеспечивает обработку нагрузок в памяти, возможность работы с масштабной виртуализацией.
• Простота и экономичность использования, обеспечиваемые архитектурными особенностями. Все элементы устройств серии Fujitsu BS2000 возможно заменять без отключения оснащения. Уменьшение объема потребления энергии по сравнению с обычными серверами доходит до 50%.

В чем преимущества мейнфреймов

Mainframe computer имеет большую вычислительную мощность, надежен. К прочим плюсам можно причислить следующее:

• Эксплуатационный период – у такого оснащения он гораздо больше, чем у стандартного сервера. Мейнфреймы отличаются долговечностью, способны проработать в течении многих лет после приобретения. Это значит, что серьезные объемы информации будут безопасно храниться минимум десяток лет.
• Безопасность – продвинутая архитектура, сочетаемая с широкими возможностями кодирования, позволяет безопасно применять mainframe computer в банковских организациях, госучреждениях. Можно увеличить уровень сохранности данных путем обновления OS, шифрования информации.
• Виртуализация – позволяет создать виртуальную компьютерную систему. Такая возможность обеспечивается ПО, имитирующим функционал соответствующего софта. Благодаря такой функции mainframe computer может параллельно запускать разные ОС.

В чем недостатки меинфреймов

Есть у такого оснащения и недостатки. Один из них – сложность. Mainframe функционирует не так, как обычные серверы. Это значит, что рядовой системный администратор может не иметь знаний, которые требуются, для его эксплуатации. С высокой вероятностью он не сможет обновлять mainframe, устранять возникающие проблемы. По этой причине для работы с оборудованием требуется привлекать высококвалифицированных сотрудников. А найм таковых кадров может оказаться настоящей проблемой. Дело в том, что мейнфрейм является крайне узкоспециализированным продуктом из за своей стоимости и предоставляемых возможностей. Компании IBM, Fujitsu активно практиковали концепцию “сервисного обслуживания”, при котором вы могли не иметь специально обученных кадров для настройки и отладки мейнфрейма, все манипуляции производились сервисными специалистами компаний, поставивших вычислительный комплекс.

Mainframe стоит гораздо больше, чем обычный сервер. Фирмы, приобретающие подобное оборудование, должны подготовить примерно от 25 млн. руб за новый мейнфрейм Z15. Помимо аппаратной части, вам предстоит приобрести специализированное ПО для работы с ресурсами комплекса.

Типовой mainframe располагает внушительными размерами, аналогичными 48U телекоммуникационному шкафу, имеет вес около 750 кг. Это усложняет установку оборудования. Особенно это актуально, если фирма применяет несколько подобных компьютеров.

Наследие мейнфреймов

Сегодняшние технологии многим обязаны передовым разработкам инженеров, которые многие годы назад занимались построением меинфреймов:

• Чиплетная компоновка CPU. Первопроходцем в этой отрасли была IBM, которая успешно применяла сборки различных кристаллов под одной теплораспределительной крышкой. Сегодня чиплеты применяются в процессорах от Intel и AMD уже не только в серверной отрасли, но и в персональных ПК.

• Тренд на многоядерность. Производители мейнфреймов пытались всеми возможными способами увеличить мощности своих вычислительных машин, поэтому им первым пришлось прибегнуть к внедрению нескольких вычислительных ядер. Процессор IBM POWER 4, выпущенный в 2001 году стал первым многоядерным процессором. Конкуренты в лице AMD и Intel подготовили свои двухядерные решения только к 2004-2005 году.

EPYC 9754 имеет 128 вычислительных ядер, является ярким представителем многоядерных решений

• Виртуализация и клиент серверная архитектура. Мейнфреймы ведут свою историю из эпохи, когда персональный компьютер был роскошью. В те времена было популярно понятие – “терминал”. Это понятие является прообразом современной виртуализации и клиент-серверной архитектуры.
• Применение производительных сетевых интерфейсов. Для эффективной работы вычислительного комплекса требуется широкополосный доступ к сетям Ethernet, Fibre Channel и Infiniband. Меинфреймы первыми начали использовать интерфейсы XFP, SFP, SFP+. Это дало мощный толчок в развитии сетевым интерфейсам, что сегодня повсеместно используются в серверах для малого бизнеса.

Порты QSFP+ с пропускной способностью 40 гигабит в секунду

• Тренд на горячие чипы. Используя чиплетную компоновку процессоры для мейнфреймов первыми преодолели рубеж в 300 и 500 вт. Тепловыделения. Для охлаждения таких горячих процессоров были спроектированы уникальные радиаторы и термоинтерфейсы способные справиться с TDP.

Современные серверные процессоры на фоне систем охлаждения с медными тепловыми трубками

• Применение водяных систем охлаждения. В виду сверхвысоких TDP корпорациям пришлось первым применять водяное охлаждения для чипов в серверной стойке. Даже на момент 2024 года жидкостные системы охлаждения редко применяются в серверной отрасли, но рост TDP заставляет производителей мигрировать на более эффективный способ охлаждения.

Современные мейнфреймы

• IBM Z16 – самый совершенный мейнфрейм на данный момент. Оснащен процессором IBM Telum. Имеет ускоритель искусственного интеллекта. Текущая версия мейнфрейма способна обрабатывать до 25 миллиардов безопасных транзакций в день.

IBM Z16 самый совершенный мейнфрейм на момент 2024 года. Оборудован встроенным искусственным интеллектом, имеет ускорители для прогнозирования и автоматизации процессов. Источник: IBM

Заключение

Устанавливать mainframe рекомендуется в прохладных условиях для сохранения работоспособности, недопущения перегрева. Используйте подобное оборудование, если требуется обеспечить высокую производительность при выполнении вычислений.