メインフレームコンピュータ

メインフレームコンピュータは、非公式にはメインフレームまたはビッグアイアンと呼ばれ、^[1]大規模な組織で主に国勢調査、業界および消費者統計、エンタープライズリソースプランニング、大規模トランザクション処理などのタスクの大量データ処理などの重要なアプリケーションに使用されるコンピュータです。メインフレームコンピュータは大型ですが、スーパーコンピュータほど大きくはなく、ミニコンピュータ、サーバー、ワークステーション、パーソナルコンピュータなど、他のクラスのコンピュータよりも処理能力があります。大規模なコンピュータシステムのアーキテクチャのほとんどは1960年代に確立されましたが、進化し続けています。メインフレームコンピュータはサーバーとして使用されることがよくあります。

メインフレームという用語は、初期のコンピュータの中央処理装置と主記憶装置を収容していたメインフレームと呼ばれる大きなキャビネット^[2]に由来しています。 ^{[3] [4]その後、メイン}フレームという用語は、高性能の商用コンピュータをそれほど強力でないマシンと区別するために使用されました。^[5]

現代のメインフレームの設計は、純粋な計算速度よりも、以下の点に特徴があります。

• 冗長化された内部エンジニアリングにより、高い信頼性とセキュリティを実現
• 別々のエンジンにオフロードできる広範な入出力（「I/O」）機能
• 古いソフトウェアとの厳密な下位互換性
• 仮想化によるハードウェアと計算の利用率を高め、膨大なスループットをサポート
• プロセッサやメモリなどのハードウェアのホットスワップ

メインフレームの高い安定性と信頼性により、これらのマシンは平均故障間隔(MTBF) が数十年単位で測定され、非常に長期間中断することなく稼働できます。

メインフレームは可用性が高く、これが長寿命の主な理由の 1 つです。これは、通常、ダウンタイムがコストのかかる、または壊滅的な結果をもたらすアプリケーションで使用されるためです。信頼性、可用性、保守性(RAS) という用語は、メインフレーム コンピュータを定義する特性です。これらの機能を実現するには、適切な計画と実装が必要です。さらに、メインフレームは他の種類のコンピュータよりも安全です。NISTの脆弱性データベースであるUS-CERT は、 IBM Z (以前は z Systems、System z、zSeries と呼ばれていました)、^[曖昧] Unisys Dorado、Unisys Libraなどの従来のメインフレームを、脆弱性が 1 桁台前半であるWindows、UNIX、Linuxの数千件と比較して最も安全であると評価しています。^[6]ソフトウェアのアップグレードには通常、オペレーティングシステムまたはその一部のセットアップが必要ですが、 IBM z/OSやParallel Sysplex 、またはUnisys XPCLなどの仮想化機能を使用する場合のみ、中断を伴いません。これらの機能はワークロード共有をサポートしており、1つのシステムが更新中に別のシステムのアプリケーションを引き継ぐことができます。

1950年代後半、メインフレームには基本的な対話型インターフェース（コンソール）しかなく、データやプログラムを転送するためにパンチカード、紙テープ、または磁気テープが使用されていました。それらはバッチモードで動作し、給与計算や顧客への請求などのバックオフィス機能をサポートしていました。そのほとんどは、テープベースのソートとマージ操作を繰り返し、その後、事前に印刷された連続便箋にライン印刷するものでした。対話型ユーザー端末が導入されたとき、それらはプログラム開発ではなく、アプリケーション（例：航空券の予約）にほぼ独占的に使用されました。しかし、1961年に、ソフトウェア開発をサポートする最初の^[7]学術的な汎用タイムシェアリングシステムである^[8] CTSSが、 MITでIBM 709、後に7090と7094でリリースされました。^[9]タイプライターとテレタイプデバイスは、1970年代初頭までシステムオペレーターの一般的な制御コンソールでしたが、最終的にはキーボード/ディスプレイデバイス に取って代わられました。

1970 年代初頭までに、多くのメインフレームは、タイムシェアリング コンピュータとして動作する対話型ユーザー ターミナル^{[NB 1]を導入し、バッチ処理とともに数百人のユーザーを同時にサポートしました。ユーザーは、キーボード/タイプライター ターミナル、後には一体型キーボードを備えた文字モード テキスト[NB 2]}ターミナルCRTディスプレイ、または最終的にはターミナル エミュレーションソフトウェアを備えたパーソナル コンピュータからアクセスしました。1980 年代までに、多くのメインフレームは汎用グラフィック ディスプレイ ターミナルとターミナル エミュレーションをサポートしましたが、グラフィカル ユーザー インターフェイスはサポートしていませんでした。この形式のエンド ユーザー コンピューティングは、GUIを備えたパーソナル コンピュータの出現により、1990 年代に廃れました。2000 年以降、現代のメインフレームは、エンド ユーザー向けの古典的な「グリーン スクリーン」とカラー ディスプレイ ターミナル アクセスを部分的にまたは完全に廃止し、Web スタイルのユーザー インターフェイスを採用しました。^{[引用が必要]}

1990年代半ば、CMOSメインフレーム設計が古いバイポーラ技術に取って代わったことで、インフラストラクチャの要件は大幅に削減されました。IBMは、新しいメインフレームにより、データセンターの電力と冷却のエネルギーコストが削減され、サーバーファームと比較して物理的なスペース要件も削減されたと主張しました。^[10]

現代のメインフレームは、複数の異なるオペレーティングシステムのインスタンスを同時に実行できます。この仮想マシンの技術により、アプリケーションは物理的に別々のコンピュータ上にあるかのように実行できます。この役割において、1つのメインフレームは、従来のサーバーで利用できる高機能ハードウェアサービスを置き換えることができます。メインフレームはこの機能の先駆者でしたが、現在ではほとんどのコンピュータシステムファミリで仮想化が利用可能ですが、必ずしも同じ程度またはレベルの洗練度ではありません。^[11]

メインフレームは、システムの機能を中断することなく、システム容量の追加やホットスワップが可能で、ほとんどのサーバーソリューションでは通常利用できないレベルの高度さと細分性を備えています。 ^[要出典]最新のメインフレーム、特にIBM Zサーバーは、論理パーティション ( LPAR、PR/SM機能経由) と仮想マシン ( z/VMオペレーティング システム経由) の 2 つのレベルの仮想化を提供しています。多くのメインフレームの顧客は、プライマリ データ センターに 1 台、バックアップ データ センターに 1 台(完全にアクティブ、部分的にアクティブ、またはスタンバイ) の 2 台のマシンを稼働させています。これは、最初の建物に影響を与える大惨事が発生した場合に備えています。アプリケーションとデータベースのテスト、開発、トレーニング、および実稼働ワークロードは、1 台のマシンの容量が制限される可能性がある非常に大きな要求を除き、1 台のマシンで実行できます。このような 2 台のメインフレームのインストールにより、計画停止と計画外停止の両方を回避し、継続的なビジネス サービスをサポートできます。実際には、多くの顧客が、Parallel Sysplexと共有DASD (IBM の場合) ^{[引用が必要]}によってリンクされた複数のメインフレーム、または EMC や Hitachi が提供する地理的に分散した共有ストレージを使用して複数のメインフレームを使用しています。

メインフレームは、非常に大量の入出力 (I/O) を処理し、スループット コンピューティングを重視して設計されています。1950 年代後半以降、^{[NB 3]}メインフレームの設計には、I/O デバイスを管理する補助ハードウェア^{[NB 4]} (チャネルまたは周辺プロセッサと呼ばれる) が含まれるようになり、CPU は高速メモリのみを処理できるようになりました。メインフレームでは、大規模なデータベースやファイルを扱うのが一般的です。ギガバイトからテラバイトサイズのレコード ファイルは珍しくありません。^{[12]一般的な PC と比較すると、メインフレームは一般に数百から数千倍のオンライン}データ ストレージを備えており、^[13]かなり高速にアクセスできます。他のサーバー ファミリも I/O 処理をオフロードし、スループット コンピューティングを重視しています。

メインフレームの投資収益率(ROI) は、他のコンピューティング プラットフォームと同様に、拡張性、混合ワークロードのサポート、人件費の削減、重要なビジネス アプリケーションに対する中断のないサービスの提供、およびその他のいくつかのリスク調整されたコスト要因に依存します。

メインフレームには、フォールト トレラントコンピューティングのための実行整合性特性もあります。たとえば、z900、z990、System z9、System z10 サーバーは、結果指向の命令を 2 回実行し、結果を比較し、差異があれば調停し (命令の再試行と障害の分離により)、その後、オペレーティング システム、アプリケーション、またはユーザーに影響を与えることなく、スペアを含む機能しているプロセッサにワークロードを「実行中」に移行します。HP のNonStopシステムにも搭載されているこのハードウェア レベルの機能は、両方のプロセッサが「ステップ」(つまり命令) を同時に実行するため、ロック ステップと呼ばれます。すべてのアプリケーションがこれらのシステムが提供する確実な整合性を絶対に必要とするわけではありませんが、金融取引処理など、多くのアプリケーションで必要とされています。^{[引用が必要]}

IBM は、 IBM Zシリーズにより、メインフレーム市場の主要メーカーであり続けています。2000 年に日立はIBM と共同でzSeries z900 を開発し、費用を分担しました。最新の日立 AP10000 モデルは IBM によって製造されています。Unisysは、以前のBurroughs MCP製品に基づくClearPath Libraメインフレームと、 Sperry Univac OS 1100製品ラインに基づく ClearPath Dorado メインフレームを製造しています。Hewlett Packard Enterprise は、 Tandem Computersから買収した独自のNonStopシステムを販売しており、アナリストの中にはこれをメインフレームに分類する人もいます。Groupe BullのGCOS、Stratus OpenVOS、Fujitsu (旧 Siemens) BS2000、Fujitsu -ICL VMEメインフレームは、ヨーロッパで引き続き販売されており、Fujitsu (旧 Amdahl) GS21メインフレームは世界中で販売されています。NECのACOSと日立のAP10000 - VOS3 ^[14]は、依然として日本市場でメインフレーム事業を維持している。

メインフレーム開発へのベンダーの投資額は、市場シェアによって異なります。富士通と日立はどちらも、ローエンドのシステム向けに、カスタムの S/390 互換プロセッサやその他の CPU (POWER や Xeon など) を引き続き使用しています。Bull は、ItaniumプロセッサとXeonプロセッサを混在させて使用しています。NEC は、ローエンドの ACOS-2 ラインに Xeon プロセッサを使用していますが、ハイエンドの ACOS-4 シリーズ向けにはカスタムの NOAH-6 プロセッサを開発しています。IBM も、 Telumなどのカスタム プロセッサを自社で開発しています。Unisys は、ラップトップからキャビネット サイズのメインフレームまで、自社製 CPU とXeonプロセッサを使用するコード互換性のあるメインフレーム システムを製造しています。さらに、メインフレーム実装のパフォーマンスを管理するソフトウェア アプリケーションの市場も存在します。IBM に加えて、市場の重要な競合企業にはBMC ^[15]とPrecisely ^[16]があり、以前の競合企業にはCompuware ^{[17] [18]}とCA Technologiesがあります。^[19] 2010年代以降、クラウドコンピューティングはより安価で、よりスケーラブルな代替手段となりました。^[要出典]

1950年代から21世紀初頭まで、いくつかのメーカーとその後継者がメインフレームコンピュータを製造したが、徐々にその数は減少し、独自のハードウェアではなくIntelチップでのシミュレーションに徐々に移行していった。米国のメーカーグループは、最初は「IBMと7人の小人」と呼ばれていた。^{[20] : p.83}通常はバロウズ、UNIVAC、NCR、コントロールデータ、ハネウェル、ゼネラルエレクトリック、RCAだが、リストによっては異なる。後にゼネラルエレクトリックとRCAが撤退したため、IBMとBUNCHと呼ばれるようになった。IBMの優位性は、 700/7000シリーズと、その後の360シリーズメインフレームの開発によって高まった。後者のアーキテクチャは、現在の zSeries メインフレームへと進化を続け、当時の Burroughs および Sperry (現在のUnisys )のMCPベースおよびOS1100メインフレームとともに、この初期の時代にルーツをたどることができる現存する数少ないメインフレーム アーキテクチャの 1 つです。IBM の zSeries は今でも 24 ビットの System/360 コードを実行できますが、64 ビットのIBM Z CMOS サーバーは古いシステムと物理的に共通点はありません。米国以外の著名な製造元には、ドイツのSiemensとTelefunken、英国のICL、イタリアのOlivetti、日本の富士通、日立、沖電気、およびNECがあります。ソビエト連邦とワルシャワ条約機構諸国は、冷戦中に IBM メインフレームのほぼコピーを製造しました。^{[出典が必要]} BESMシリーズとStrela は、独自に設計されたソビエト コンピュータの例です。ポーランドのエルヴロ社も東側諸国のメーカーで、ODRA、R-32、R-34 メインフレームを製造していました。

1970年代初頭、需要の縮小と競争の激化により市場の淘汰が始まりました。RCAはUNIVACに売却され、GEは事業をHoneywellに売却しました。1986年から1990年にかけてHoneywellはBullに買収され、UNIVACはSperryの一部門となり、その後1986年にBurroughsと合併してUnisys Corporationが設立されました。

1984年、デスクトップコンピュータの推定売上高（116億ドル）が初めてメインフレームコンピュータの売上高（114億ドル）を上回りました。IBMはメインフレームの売上の大部分を獲得しました。^[21] 1980年代には、ミニコンピュータベースのシステムがさらに洗練され、メインフレームの下位モデルに取って代わることができました。これらのコンピュータは、部門別コンピュータと呼ばれることもあり、 Digital Equipment Corporationの VAXシリーズに代表されます。

1991 年、AT&T 社はNCR を短期間所有しました。同時期に、企業は、当時の IT ポリシーと慣行を考慮すると、マイクロコンピュータ設計に基づくサーバーは買収価格のほんの一部で導入でき、ローカル ユーザーが自分のシステムをより細かく制御できることに気付きました。メインフレーム システムとのやり取りに使用されていた端末は、徐々にパーソナル コンピュータに置き換えられました。その結果、需要は急落し、メインフレームの新規導入は主に金融サービスと政府に限定されました。1990 年代初頭、メインフレーム プラットフォームがパーソナル コンピュータ ネットワークに置き換えられるにつれて、メインフレームは衰退市場であるという業界アナリストの見解はほぼ一致していました。InfoWorldのStewart Alsop は、最後のメインフレームが 1996 年に電源を抜かれるだろうと悪名高い予測をしました。1993 年には、コンピュータ業界アナリストの Cheryl Currid が最後のメインフレームは「1999 年 12 月 31 日に動作を停止する」と述べたと引用しました。^{[22]これは、予測されていた}2000 年問題(Y2K) を指しています。

この傾向は、企業が既存のメインフレームの新しい用途を見出し、データ ネットワーキングの価格が世界のほとんどの地域で暴落したため、1990 年代後半に好転し始めました。これにより、コンピューティングの集中化が促進されました。また、e ビジネスの成長により、メインフレーム ソフトウェアで処理されるバックエンド トランザクションの数と、データベースのサイズおよびスループットが劇的に増加しました。請求書作成などのバッチ処理は、e ビジネスの成長とともにさらに重要 (かつ大規模) になり、メインフレームは大規模なバッチ コンピューティングに特に適しています。現在メインフレームの使用が増加しているもう 1 つの要因は、 1999 年にIBM メインフレーム システムに導入されたLinuxオペレーティング システムの開発です。Linuxを使用すると、ユーザーはオープン ソース ソフトウェアとメインフレーム ハードウェアRASを組み合わせて利用できます。新興市場、特に中華人民共和国の急速な拡大と発展も、非常に困難なコンピューティングの問題を解決するため、大規模なメインフレーム投資を促進しています。たとえば、複数の業界 (銀行、保険、信用調査、政府サービスなど) にわたる 10 億人の消費者に、統合された非常に大量のオンライン トランザクション処理データベースを提供しています。2000 年後半、IBM は 64 ビットのz/Architecture を発表し、 Cognosなどの多数のソフトウェア会社を買収して、それらのソフトウェア製品をメインフレームに導入しました。2000 年代の IBM の四半期レポートと年次レポートでは、通常、メインフレームの収益と容量の出荷が増加していると報告されていました。ただし、IBM のメインフレーム ハードウェア ビジネスは、最近のサーバー ハードウェア市場全体の低迷やモデル サイクル効果の影響を受けていません。たとえば、2009 年第 4四半期の IBM のSystem zハードウェアの収益は前年比で 27% 減少しました。^[23] 2000年にアルソップは、象徴的に自身の言葉（「メインフレームの死」）を飲み込んだ写真を撮られた。^[24]

2012年、NASAは最後のメインフレームであるIBM System z9の電源を切った。^[25]しかし、IBMのz9の後継機であるz10は、ニューヨークタイムズの記者が4年前に「メインフレーム技術（ハードウェア、ソフトウェア、サービス）はIBMにとって依然として大規模で収益性の高い事業であり、メインフレームは依然として世界の金融市場と世界の商取引の多くを支えるバックオフィスエンジンである」と述べるきっかけとなった。^[26] 2010年の時点で^{[アップデート]}、メインフレーム技術はIBMの収益の3％未満を占めていたが、「ビッグブルーの業績において引き続き大きな役割を果たしている」。^[27]

IBMは、2015年にIBM z13、^[28] 2017年にz14 、^{[29] [30]} 2019年にz15 ^{[31] 、2022}年にz16と、新世代のメインフレームを発売し続けています。z16には、「統合オンチップAIアクセラレータ」や新しいTelumマイクロプロセッサなどが搭載されています。 [ ^32]

スーパーコンピュータは、計算速度に関して最先端のデータ処理能力を持つコンピュータです。スーパーコンピュータは、数値やデータを処理する科学技術の問題（高性能コンピューティング）に使用され、 ^[33]メインフレームはトランザクション処理に重点を置いています。違いは次のとおりです。

• メインフレームは、ビジネスの世界で一般的に理解されているトランザクション処理（TPCメトリックによって測定されます。ほとんどのスーパーコンピューティングアプリケーションでは使用されておらず、役にも立ちません）に対して信頼性があるように構築されています。トランザクション処理とは、商品、サービス、またはお金の商業的な交換のことです。 ^[要出典] Transaction Processing Performance Councilによって定義されている一般的なトランザクションは、^[34]レコードを追加することで、在庫管理（商品）、航空券予約（サービス）、または銀行業務（お金）のデータベースシステムを更新します。トランザクションとは、ディスクの読み取り/書き込み、オペレーティングシステムの呼び出し、またはCPUの処理速度では測定されないサブシステム間での何らかの形式のデータ転送を含む一連の操作を指す場合があります。トランザクション処理はメインフレームに限定されず、マイクロプロセッサベースのサーバーやオンラインネットワークでも使用されます。
• スーパーコンピュータの性能は、1秒あたりの浮動小数点演算数（ FLOPS）^[35]または1秒あたりの走査エッジ数（TEPS）^[36]で測定されますが、メインフレームアプリケーションではあまり意味のない指標です。一方、メインフレームは1秒あたりの命令数（MIPS）で測定されることもありますが、定義は測定される命令の組み合わせによって異なります。^[37] MIPSで測定される整数演算の例には、数値の加算、値のチェック、メモリ内でのデータの移動などがあります（ストレージとの間で情報を移動する場合、いわゆるI/Oはメインフレームにとって最も役立ちますが、メモリ内では間接的にしか役立ちません）。浮動小数点演算は主に加算、減算、乗算（スーパーコンピュータでは2進浮動小数点、FLOPSで測定）であり、天気予報や核シミュレーションなどの連続現象をモデル化するのに十分な桁精度を備えています（スーパーコンピュータでは使用されていない、最近標準化された10進浮動小数点数は、メインフレームアプリケーションで役立つような金銭的価値に適しています）。計算速度の点では、スーパーコンピュータの方が強力です。^[38]

メインフレームとスーパーコンピュータは必ずしも明確に区別できるわけではない。1990年代初頭まで、多くのスーパーコンピュータはメインフレームアーキテクチャをベースにスーパーコンピューティングの拡張機能を備えていた。そのようなシステムの例としては、 HITAC S-3800がある。これはIBM System/370メインフレームと命令セット互換性があり、Hitachi VOS3オペレーティングシステム（ IBM MVSのフォーク）を実行できた。^[39]そのため、S-3800はスーパーコンピュータであると同時にIBM互換のメインフレームでもあると見なすことができる。

^2007年[40]には、スーパーコンピュータとメインフレームのさまざまな技術とアーキテクチャが融合され、いわゆるゲームフレームが誕生しました。

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ウィキメディア・コモンズのメインフレームコンピュータに関連するメディア

• IBM z Systems メインフレーム
• IBM メインフレーム リソース & サポート フォーラム
• ドイツのコンピュータ博物館で今も使用されている 1960 年代のメインフレーム、Univac 9400
• コンピューティングの歴史に関する講義: メインフレーム (インターネット アーカイブからのアーカイブ コピー)