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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、マキシコンピュータ[ 1 ] [ 2 ]、ビッグアイアン[ 3 ]とも呼ばれ、国勢調査、産業および消費者統計、企業資源計画、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主に大規模組織で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きいですが、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、ワークステーション、パーソナルコンピュータなどの他のクラスのコンピュータよりも処理能力が高いです。ほとんどの大規模コンピュータシステムアーキテクチャは1960年代に確立されましたが、進化を続けています。メインフレームコンピュータは、サーバーとしてよく使用されます。
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メインメモリを収容していたメインフレームと呼ばれる大きな筐体から派生したものです。 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]後に、メインフレームという用語は、高性能な商用コンピュータを性能の低いマシンと区別するために使われるようになりました。[ 8 ]
現代のメインフレーム設計は、計算速度そのものよりも、以下の点に特徴づけられる。
メインフレームの高い安定性と信頼性により、これらのマシンは非常に長期間にわたって中断なく稼働することができ、平均故障間隔（MTBF）は数十年単位で測定されます。
メインフレームは可用性が高く、ダウンタイムがコストのかかる、あるいは壊滅的な影響を与えるようなアプリケーションで一般的に使用されるため、その寿命が長い主な理由の 1 つはメインフレームです。高いレベルの信頼性、可用性、保守性(RAS) は、メインフレーム コンピュータの決定的な特徴です。さらに、メインフレームは他のコンピュータ タイプよりも安全です。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)、Unisys Dorado、Unisys Libraなどの従来のメインフレームを最も安全なものの一つと評価しており、脆弱性の数は一桁台前半であるのに対し、Windows、UNIX、Linuxには数千の脆弱性があります。[ 9 ]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あり、 IBM z/OSやParallel Sysplex 、Unisys XPCL などの仮想化機能を使用している場合にのみ、中断なくアップグレードできます。これらの仮想化機能はワークロード共有をサポートしており、ある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の転送にはパンチ カード、紙テープ、または磁気テープのセットを使用していました。給与計算や顧客請求などのバック オフィス機能をサポートするためにバッチモードで動作し、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、印刷済みの連続用紙に行印刷するというものでした。対話型ユーザー端末が導入されると、それらはプログラム開発ではなく、アプリケーション (航空券の予約など) にほぼ専ら使用されました。しかし、1961 年に、ソフトウェア開発をサポートする最初の[ 10 ]学術的な汎用タイムシェアリング システム[ 11 ] CTSSがMITでIBM 709 (後に 7090 および 7094)上でリリースされました。[ 12 ]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端末[ NB 1 ]を獲得し、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するようになりました。ユーザーは、キーボード/タイプライター端末、後にはキーボードが一体化された文字モードテキスト[ NB 2 ]端末の陰極線管ディスプレイ、あるいは端末エミュレーションソフトウェアを搭載したパーソナルコンピュータを介してアクセスしました。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端末と端末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ースはサポートしませんでした。この形式のエンドユーザーコンピューティングは、グラフィカルユーザーインターフェースを備えたパーソナルコンピュータの登場により、1990年代に時代遅れになりました。2000年以降、最新のメインフレームは、Webスタイルのユーザーインターフェースを優先し、エンドユーザー向けの従来の「グリーンスクリーン」およびカラーディスプレイ端末アクセスを部分的または完全に段階的に廃止しました。
1990年代半ば、CMOSメインフレーム設計が従来の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って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。[ 13 ]
最新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で実行されているかのように動作します。この役割において、単一のメインフレームは、従来のサーバーで利用可能なより高度なハードウェアサービスを置き換えることができます。この機能はメインフレームが先駆けて実現しましたが、仮想化は現在、ほとんどのコンピュータシステムで利用可能ですが、必ずしも同じ程度または高度なレベルではありません。[ 14 ]
メインフレームは、システムの機能を中断することなく、システム容量を追加またはホットスワップすることができ、その特異性と粒度は、ほとんどのサーバーソリューションでは通常得られない高度なレベルに達します。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（PR/SM機能によるLPAR）と仮想マシン（z/VMオペレーティングシステムによる）という2つのレベルの仮想化を提供します。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とバックアップデータセンターにそれぞれ1台ずつ、合計2台のマシンを運用しています。バックアップデータセンターは、最初の建物に災害が発生した場合に備えて、フルアクティブ、部分アクティブ、またはスタンバイ状態になっています。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、および本番ワークロードは、1台のマシンで実行できますが、1台のマシンの容量が制限となるような極めて大規模な要求の場合は例外です。このような2台のメインフレーム構成は、計画的および計画外の停止を回避し、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、多くの顧客は、Parallel Sysplexと共有DASD（IBMの場合）でリンクされた複数のメインフレーム、またはEMCや日立が提供する共有の地理的に分散されたストレージを使用してメインフレームを運用しています。
メインフレームは、非常に大量の入出力 (I/O) を処理するように設計されており、スループット コンピューティングを重視しています。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) が含まれており、CPU は高速メモリの処理のみに専念できます。メインフレーム環境では、大規模なデータベースやファイルを扱うことが一般的です。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。[ 15 ]一般的な PC と比較すると、メインフレームは通常、数百倍から数千倍のデータ ストレージをオンラインで備えており、[ 16 ]比較的高速にアクセスできます。他のサーバー ファミリーも、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、多様なワークロードへの対応能力、人件費の削減、重要なビジネスアプリケーションへの途切れることのないサービスの提供、およびその他のリスク調整済み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備わっています。例えば、z900、z990、System z9、System z10サーバーは、結果指向命令を効果的に2回実行し、結果を比較し、差異があれば（命令の再試行と障害分離によって）仲裁し、オペレーティングシステム、アプリケーション、ユーザーに影響を与えることなく、実行中のワークロードを予備プロセッサを含む正常に動作しているプロセッサに切り替えます。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、ロックステッピングと呼ばれています。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ような確実な整合性を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は必要とされています。
メインフレーム監査とは、コンピュータのプロセス、セキュリティ、および手順を包括的に検査し、改善のための提言を行うものです。
異なる業界の組織は、監査およびセキュリティ要件が異なります。組織の要件に影響を与える要因には、規制要件やその他の外部要因、経営陣、目標、ビジネス慣行、業界と比較した組織のパフォーマンスなどがあります。この情報は、外部調査の実施、従業員へのインタビュー、データセンターの見学と活動の観察、技術専門家との協議、会社のマニュアルや事業計画の確認によって得られます。もう1つの考慮事項は、従業員がメインフレームにアクセスできるレベルと、パスワードポリシーが確立され、遵守されているかどうかです。実装の証拠は、従業員マニュアルの要求、ソフトウェアとユーザー履歴の評価、および環境の物理的な観察によって得られます。[ 17 ]物理的なアクセスも関心のある領域です。ネットワークとデータセンター間のケーブルは、損傷やスニッフィングから適切に保護されていますか?これは、ケーブルの適切なルーティング、暗号化、および良好なネットワークトポロジによって実現できます。ケーブルのルーティング場所の物理的な観察とセキュリティ手順の確認を取得する必要があります。追加の弱点を特定するために、制御のテストを実施する必要があります。メインフレームには十分な無停電電源装置が供給されていますか？データセンター（および内部のメインフレーム）を盗難、不正操作、または損傷から保護するために、アクセス用の電源バッジ、消火装置、ロックなどの物理的な制御設備は設置されていますか？これらの要件を満たすためには、現地調査が必要です。
オペレーティングシステムは通常、以下の点を考慮して設計されます。
セキュリティ監査では通常、以下の点が考慮されます。
IBMはIBM Zシリーズで、メインフレーム市場における主要メーカーであり続けている。2000年、日立は費用を分担するためにIBMとzシリーズz900を共同開発し、最新の日立AP10000モデルはIBMが製造している。Unisysは、以前のBurroughs MCP製品をベースにしたClearPath Libraメインフレームと、 Sperry Univac OS 1100製品ラインをベースにしたClearPath Doradoメインフレームを製造している。Hewlett Packard Enterpriseは、 Tandem Computersと共に買収した独自のNonStopシステムを販売しており、一部のアナリストはこれをメインフレームと分類している。Groupe BullのGCOS、Stratus OpenVOS、富士通（旧シーメンス）BS2000、富士通-ICL VMEメインフレームはヨーロッパでまだ入手可能であり、富士通（旧アムダール）GS21メインフレームは世界中で入手可能である。NECはACOS、日立はAP10000- VOS3 [ 19 ]で、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、引き続きカスタムのS/390互換プロセッサと、ローエンドシステム向けの他のCPU（POWERやXeonを含む）を使用しています。Bullは、ItaniumとXeonプロセッサを組み合わせて使用しています。NECは、ローエンドのACOS-2シリーズに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、自社開発のCPUとXeonプロセッサを使用するコード互換の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、主要な市場競合企業にはBMC [ 20 ]とPrecisely [ 21 ]があり、以前の競合企業にはCompuware [ 22 ] [ 23 ]とCA Technologies [ 24 ]があります。
1950年代から21世紀初頭にかけて、いくつかのメーカーとその後継企業がメインフレームコンピュータを製造したが、その数は徐々に減少し、独自ハードウェアではなくIntelチップ上でのシミュレーションへと徐々に移行していった。米国のメーカーグループは当初「IBMと7人の小人」として知られていた。[ 25 ]： p.83通常、Burroughs、UNIVAC、NCR、Control Data、Honeywell、General Electric、RCAであったが、リストは異なる場合もあった。後にGeneral ElectricとRCAが撤退すると、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、そして後に360シリーズメインフレームの開発から生まれた。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と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持つ数少ない現存するメインフレームアーキテクチャの一つとなっている。 IBMのzSeriesは24ビットSystem/360コードを実行できますが、64ビットIBM Z CMOSサーバーは、古いシステムとは物理的に共通点がありません。米国以外で有名なメーカーとしては、ドイツのシーメンスとテレフンケン、英国のICL、イタリアのオリベッティ、日本の富士通、日立、沖電気、NECなどがあります。ソビエト連邦とワルシャワ条約機構加盟国は、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。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Elwro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ました。
需要の縮小と激しい競争により、1970年代初頭に市場の再編が始まった。RCAはUNIVACに、GEはハネウェルに事業を売却した。1986年から1990年の間にハネウェルは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となった。
1984年には、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（114億ドル）を上回った。IBMはメインフレームの収益の大部分を獲得した。[ 26 ] 1980年代には、ミニコンピュータベースのシステムがより高度化し、メインフレームの下位機種を置き換えることができた。部門別コンピュータと呼ばれることもあるこれらのコンピュータは、 Digital Equipment CorporationのVAXシリーズに代表される。
1991 年、AT&T コーポレーションは短期間 NCR を所有しました。同時期に、企業はマイクロコンピュータ設計に基づくサーバーを買収価格のほんの一部で導入でき、当時の IT ポリシーと慣行を考慮すると、ローカル ユーザーが自分のシステムをより大きく制御できることを発見しました。メインフレーム システムとのやり取りに使用される端末は、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、新しいメインフレームの設置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 ネットワークにますます置き換えられるにつれて、メインフレームは衰退する市場であるという業界アナリストの間で大まかな合意がありました。InfoWorldのStewart Alsop は、最後のメインフレームが 1996 年に電源が切られると予測しました。1993 年に、彼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」と述べたことを引用しました[ 27 ]。これは、予想されていた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つけ、世界のほとんどの地域でデータ ネットワークの価格が暴落し、より集中型のコンピューティングへの傾向が促進された1990年代後半に変わり始めました。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とスループットも劇的に増加しました。請求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優れています。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 システムで登場した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を組み合わせることができます。新興市場、特に中華人民共和国の急速な拡大と発展は、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に、メインフレームへの大規模な投資も促しています。たとえば、複数の業界（銀行、保険、信用情報、政府サービスなど）にわたる 10 億人の消費者に、統一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することなどです。2000 年後半、IBM は 64 ビットz/Architectureを導入し、 Cognosなどの多数のソフトウェア会社を買収し、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 の四半期および年次報告書では、通常、メインフレームの収益と容量出荷が増加していることが報告されていました。しかし、IBM のメインフレーム ハードウェア事業は、最近のサーバー ハードウェア市場の全体的な低迷やモデル サイクル効果から免れてはいません。たとえば、2009 年第 4 四半期には、IBM のSystem zハードウェアの収益は前年比 27% 減少しましたが、MIPS (1 秒あたりの命令数百万) 出荷は過去 2 年間で年 4% 増加しました。[ 28 ]アルソップは2000年に、自身の言葉（「メインフレームに死を」）を象徴的に覆す写真を自ら撮影した。[ 29 ]
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。[ 30 ]しかし、IBMのz9の後継機であるz10は、4年前にニューヨーク・タイムズの記者に「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グローバル商取引の大部分を支えるバックオフィスエンジンである」と言わしめた。[ 31 ] 2010年現在メインフレーム技術はIBMの収益の3%未満を占めるに過ぎなかったが、「ビッグブルーの業績において依然として大きな役割を果たし続けている」[ 32 ] 。
IBMはメインフレームの新世代を次々と発表してきた。 2015年にはIBM z13、[ 33 ] 2017年にはz14 、[ 34 ] [ 35 ] 2019年にはz15 、[ 36 ]そして2022年にはz16を発表した。z16には、とりわけ「統合型オンチップAIアクセラレータ」と新しいTelumマイクロプロセッサが搭載されている。[ 37 ]
スーパーコンピュータとは、計算速度に関してデータ処理能力の最先端に位置するコンピュータです。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問題（高性能コンピューティング）に使用されますが[ 38 ] 、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。両者の違いは次のとおりです。
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とは限りません。1990年代初頭までは、多くのスーパーコンピュータはスーパーコンピューティング拡張機能を備えたメインフレームアーキテクチャに基づいていました。そのようなシステムの例として、 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の派生版）を実行できたHITAC S- 3800があります。[ 43 ]したがって、S-3800はスーパーコンピュータであると同時にIBM互換メインフレームでもあると見なすことができます。
2007年には、[ 44 ]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の融合により、いわゆるゲームフレームが誕生しました。
タイムシェアリング分野の初期開発の多くは大学キャンパスで行われた。8注目す
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例としては、MITのCTSS (Compatible Time-Sharing System) があり、これは最初の汎用タイムシェアリングシステムであった...
年 10 月から 2005 年 9 月の間に、IRS のメインフレーム コンピュータのディスク ストレージ容量は 79 テラバイトから 168.5 テラバイトに増加しました。