タンデムコンピュータ

最初のシステムはTandem/16またはT/16で、後にNonStop Iと改名されました。^{[ 6 ]}このマシンは 2 ～ 16 個の CPU で構成され、単一のラックにパッケージ化されたフォールトトレラントコンピュータ クラスタとして構成されていました。各 CPU には、独自のプライベート 非共有メモリ、独自のI/Oプロセッサ、I/O コントローラに接続するための独自のプライベート I/O バス、およびDynabusと呼ばれるカスタムの CPU 間バックプレーンバスを介して他のすべての CPU へのデュアル接続がありました。各ディスク コントローラまたはネットワーク コントローラは複製され、両方の CPU とデバイスへのデュアル接続がありました。各ディスクはミラーリングされ、2 つの独立したディスク コントローラに別々に接続されていました。ディスクが故障しても、そのデータはミラーリングされたコピーから引き続き利用可能でした。CPU、コントローラ、またはバスが故障しても、ディスクには代替の CPU、コントローラ、および/またはバスを介して引き続きアクセスできました。各ディスクまたはネットワーク コントローラは、2 つの独立した CPU に接続されていました。電源装置はそれぞれ、CPU、コントローラ、またはバスのペアの片側だけに配線されていたため、片方の電源装置が故障しても接続が途切れることなくシステムが稼働し続けることができた。顧客の大規模構成における部品と接続の慎重かつ複雑な配置は、主任営業マンのデイビッド・マッキーが考案した表記法にちなんで名付けられたマッキー図に文書化されていた。 ^{[ 7 ]}これらの重複した部品はどれも無駄な「ホットスペア」ではなく、すべて通常の動作中にシステムのスループットを向上させるものであった。

T/16は、故障した部品からの復旧性能に優れているだけでなく、断続的な故障を可能な限り迅速に検出するように設計されていました。この迅速な検出は「フェイルファスト」と呼ばれています。その目的は、破損したデータがデータベースやその他のディスクファイルに永久的に書き込まれる前に、それを発見して隔離することでした。T/16では、エラー検出はカスタム回路を追加することで実現されており、全体の設計コストはほとんど増加しませんでした。エラー検出のために主要部品を重複させることはありませんでした。

T/16 CPUは独自設計でした。HP 3000ミニコンピュータの影響を強く受けていました。どちらもマイクロプログラム方式の16ビットスタックベースマシンで、セグメント化された16ビット仮想アドレス指定方式を採用していました。どちらもアセンブラを使用せず、高級言語のみでプログラミングすることを想定していました。どちらも当初は標準的な低密度TTLチップで実装され、各チップは16ビットALUの4ビットスライスを保持していました。どちらもスタック上部に少数の16ビットデータレジスタと、メモリスタックにアクセスするための追加のアドレスレジスタを備えていました。どちらもオペランドアドレスオフセットにハフマン符号化を使用し、さまざまなアドレスモードとオフセットサイズを16ビット命令フォーマットに良好なコード密度で収めていました。どちらも短い命令フォーマットを克服するために間接アドレスのプールに大きく依存していました。どちらも複数のALUサイクルとメモリ間文字列操作により、より大きな32ビットおよび64ビットオペランドをサポートしていました。どちらのシステムも、ロングメモリオペランドとショートメモリオペランドのアドレッシングに「ビッグエンディアン」方式を採用していた。これらの機能はすべて、Burroughs B5500～B6800メインフレームスタックマシンから着想を得たものだった。

T/16の命令セットは、HP  3000の設計からいくつかの機能を変更しました。T/16は最初からページング仮想メモリをサポートしていました。HP  3000シリーズは、10年後のPA-RISC世代までページングを追加しませんでした（ただし、1978年にAPLファームウェアを使用してMPE V経由でページングの一種を実現していました）。Tandemは2番目のマシンで32ビットアドレッシングのサポートを追加しましたが、HP  3000はPA-RISC世代までこれがありませんでした。ページングとロングアドレスは、複雑なシステムソフトウェアと大規模なアプリケーションをサポートするために不可欠でした。T/16はスタックの最上位レジスタを斬新な方法で処理しました。フルレジスタをメモリスタックにスピルアウトするタイミングと、空のレジスタをメモリスタックから再充填するタイミングを決定するのは、マイクロコードではなくコンパイラでした。HP  3000では、この決定にすべての命令で余分なマイクロコードサイクルが必要でした。 HP  3000はCOBOLをサポートしており、任意の長さのBCD（二進化十進数）文字列を直接計算するための複数の命令を備えていた。T/16では、これを簡略化し、BCD文字列と64ビット二進整数間の変換を行う単一の命令にまとめた。

T/16では、各CPUはTTLロジックとSRAMの2枚のボードで構成され、約0.7MIPSで動作しました。 [ ^{8 ]いつ}でもアクセスできる仮想メモリセグメントは4つ（システムデータ、システムコード、ユーザーデータ、ユーザーコード）のみで、それぞれ サイズは128KBに制限されていました。16ビットのアドレス空間は、出荷当時すでに主要なアプリケーションには小さすぎました。

T/16の最初のリリースでは、トランザクションアプリケーション言語（TAL）という単一のプログラミング言語のみが搭載さ れていました。これは、オペレーティングシステムやコンパイラなどのための効率的なマシン依存型システムプログラミング言語でしたが、移植性のないアプリケーションにも使用できました。これは、HP 3000のシステムプログラミング言語（SPL）から派生したものです。どちらもセマンティクスはCに似ていましたが、構文はBurroughsのALGOLに基づいていました。その後のリリースでは、Cobol74、 Basic、Fortran、Java、C、C++、およびMUMPSのサポートが追加されました。

Tandem NonStop シリーズは、 Unix や HP 3000 の MPEとは大きく異なる独自のオペレーティングシステムを実行していました。当初はT/TOS ( Tandem Transactional Operating System ) と呼ばれていましたが、マシン障害やソフトウェア障害からすべてのデータを保護する機能から、すぐにGuardianと名付けられました。他のすべての商用オペレーティングシステムとは対照的に、Guardian は、プロセスがどこで実行されているかに関係なく、共有メモリを使用せずに、すべてのプロセスが相互作用する基本的な方法としてメッセージ パッシングに基づいていました。^{[ 9 ] [ 10 ]}このアプローチは、複数のコンピュータ クラスタに容易に拡張でき、破損したデータが伝播する前に隔離するのに役立ちました。 

すべてのファイルシステムプロセスとすべてのトランザクションアプリケーションプロセスは、別々のCPUで実行されるマスター/スレーブのプロセスペアとして構成されていました。スレーブプロセスは定期的にマスターのメモリ状態のスナップショットを取得し、マスタープロセスに問題が発生した場合にワークロードを引き継ぎました。これにより、アプリケーションは、データ損失なしに、任意のCPUまたは関連デバイスの障害に耐えることができました。さらに、断続的なソフトウェア障害からの復旧も可能になりました。障害発生の間隔では、スレーブプロセスによる監視によってパフォーマンスオーバーヘッドが多少増加しましたが、これは他のシステム設計における100%の重複に比べればはるかに少なかったです。初期の主要アプリケーションの中には、このチェックポイント方式で直接コーディングされたものもありましたが、ほとんどのアプリケーションは、この詳細を半移植的な方法で隠蔽するさまざまなTandemソフトウェアレイヤーを使用していました。

1981年、すべてのT/16 CPUはNonStop IIに置き換えられました。T/16との主な違いは、ユーザーが切り替え可能な「拡張データセグメント」を介して、時折32ビットアドレス指定をサポートしたことです。これは、その後の10年間のソフトウェアの成長を支え、T/16やHP  3000よりも優位でした。可視レジスタは16ビットのままで、この計画外の命令セットの追加により、ほとんどの32ビットミニコンピュータと比較して、メモリ参照ごとに多くの命令を実行する必要がありました。その後のすべてのTNSコンピュータは、この命令セットの非効率性によって制約を受けました。NonStop IIは内部データパスが広さに欠けていたため、32ビットアドレスのために追加のマイクロコードステップを使用する必要がありました。NonStop II CPUは3枚のボードで構成され、チップと設計はT/16と類似していました。NonStop IIでは、コアメモリがバッテリーバックアップ付きDRAMメモリに置き換えられました。

1983 年、NonStop TXP CPU は、TNS 命令セット アーキテクチャの完全な新規実装の最初のものとなりました。^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}これは、標準の TTL チップと Programmed Array Logic チップで構成され、CPU モジュールごとに 4 枚のボードがありました。Tandem 社が初めてキャッシュ メモリを使用しました。32 ビット アドレス指定の実装はより直接的でしたが、16 ビット加算器を介して送信されていました。マイクロ コード ストアが広くなったことで、命令ごとに実行されるサイクルが大幅に削減され、速度は 2.0 MIPS に向上しました。ラック パッケージ、コントローラ、バックプレーン、バスは以前と同じものを使用しました。Dynabus および I/O バスは、数世代のアップグレードに対応できるように T/16 で過剰設計されていました。

TXP および NonStop II システムは、ビジネス キャンパス全体で TNS クラスターを接続するための長距離耐障害性光ファイバーバスであるFOXを介して最大 14 台まで組み合わせることが可能になり、合計 224 個の CPU を持つクラスターのクラスターが構築されました。これにより、最大規模のメインフレーム アプリケーションに対応するためのさらなる拡張が可能になりました。^{[ 14 ]}コンピューター内の CPU モジュールと同様に、Guardian オペレーティングシステムは、タスク セット全体をネットワーク内の他のマシンにフェイルオーバーすることができました。従来の長距離ネットワーク リンクを介して、4000 個の CPU からなる世界規模のクラスターを構築することもできました。

1986年、Tandemは第3世代CPUであるNonStop VLXを発表しました。^{[ 15 ]}これは32ビットのデータパス、より広いマイクロコード、12MHz のサイクルタイム、そして1サイクルあたり1命令のピークレートを備えていました。これはECLゲートアレイチップ（TTLピン配置）の3枚のボードから構成されていました。速度が リンクあたり20MB/s、 合計40MB/sに向上した改良型Dynabusを搭載していました。その後、FOX IIはTNSクラスタの物理的な直径を4キロメートルに拡大しました。

Tandem の初期のデータベース サポートは、 ENSCRIBEファイルシステムを介した階層型非リレーショナル データベースのみでした。これは、ENCOMPASSと呼ばれるリレーショナル データベースに拡張されました。^{[ 16 ]} 1986 年に Tandem は、最初のフォールト トレラントSQLデータベースであるNonStop SQLを発表しました。^{[ 17 ]}完全に社内で開発された NonStop SQL には、ノード間でデータの妥当性を保証するために Guardian に基づく多くの機能が含まれています。NonStop SQL は、システムに追加されるノードの数に応じてパフォーマンスが線形にスケーリングすることで知られていますが、ほとんどのデータベースは、多くの場合、わずか 2 つの CPU でパフォーマンスがすぐに頭打ちになっていました。1989 年にリリースされた後のバージョンでは、ノードに分散できるトランザクションが追加され、この機能はしばらくの間ユニークなままでした。NonStop SQL は、最初は NonStop SQL/MP、次に NonStop SQL/MX として進化を続け、Tandem から Compaq、そして HP へと移行しました。このコードは、HPのNonStop SQL/MP、NonStop SQL/MX、およびApache Trafodionプロジェクトで引き続き使用されています。^{[ 18 ]}

1987年、Tandemは低コストで拡張性の低いミニコンピュータシステムであるNonStop CLXを発表しました。 ^{[ 19 ] [ 20 ]}その役割は、フォールトトレラント市場の低価格帯を拡大し、大規模なTandemネットワークの遠隔エッジに展開することでした。初期のパフォーマンスはTXPとほぼ同じでしたが、後のバージョンではVLXより約20%遅い程度に改善されました。小型の筐体は、あらゆる「コピー室」のオフィス環境に設置できました。CLXのCPUは1枚のボードで、6つの「コンパイル済みシリコン」ASIC CMOSチップを搭載していました。CPUコアチップは複製され、エラー検出を最大限にするためにロックステップされていました。これによりフォールトトレランスは追加されませんでしたが、各CPUには両方のCPUチップの結果が同一であることを確認するチェックロジックが含まれているため、データの整合性が保証されました。フォールトトレランスは他のプロセッサによって提供されました。ピン配置はこのチップ技術の主な制限でした。マイクロコード、キャッシュ、TLBはすべてCPUコアの外部に配置され、単一のバスと単一のSRAMバンクを共有していた。そのため、CLXは命令あたり少なくとも2マシンサイクルを要した。

1989年、Tandemは、メインフレーム市場向けの高速だが高価なシステムであるNonStop Cycloneを発表しました。 ^{[ 21 ] [ 22 ]}各自己チェックCPUは、ホットランECLゲートアレイチップが満載された3枚のボードとメモリボードを必要としました。マイクロプログラムされているにもかかわらず、CPUはスーパースカラであり、キャッシュサイクルごとに2つの命令を完了することがよくありました。これは、共通の命令ペアごとに個別のマイクロコードルーチンを持つことで実現されました。^{[ 23 ]}この融合されたスタック命令ペアは、通常、通常の32ビットミニコンピュータの1つの命令と同じ作業を実行しました。Cycloneプロセッサは、それぞれ4つのCPUのセクションとしてパッケージ化され、セクションはDynabusの光ファイバーバージョンで接続されました。

Tandemの以前のハイエンドマシンと同様に、Cycloneのキャビネットは、力強さとパワーを連想させる角張った黒を多用したデザインだった。広告ビデオでは、Cycloneをマッハ3のロッキードSR-71ブラックバード偵察機に直接例えていた。Cycloneという名前は、「OLTPワークロードを猛スピードで処理する、止められないスピード」を表すはずだった。発表日は1989年10月17日だった。その日の午後、この地域はマグニチュード6.9のロマ・プリータ地震に見舞われ、オークランドでは高速道路が崩落し、サンフランシスコでは大規模な火災が発生した。Tandemのオフィスも揺れたが、現場で重傷を負った人はいなかった。

1980年から1983年にかけて、TandemはNonStopの手法をHP  3000から受け継いだ特性よりも強固な基盤の上に構築するため、ハードウェアとソフトウェアのスタック全体を再設計しようと試みました。Rainbowのハードウェアは、Digital Equipment CorporationのVAXよりも優れたものを目指した32ビットのレジスタファイルマシンでした。信頼性の高いプログラミングのために、主要なプログラミング言語はAdaのサブセットである「TPL」でした。当時、プログラマーはAdaを最適化されていないコードにコンパイルする方法をほとんど理解していませんでした。TALでコーディングされた既存のNonStopシステムソフトウェアの移行パスはありませんでした。OS、データベース、Cobolコンパイラは完全に再設計されました。顧客はこれを、まったく別個の製品ラインとみなし、まったく新しいソフトウェアを要求することになりました。このプロジェクトのソフトウェア側は計画よりもはるかに長い時間を要しました。ハードウェアはソフトウェアが完成する前にすでに時代遅れになり、TXPに性能で劣っていたため、Rainbowプロジェクトは放棄されました。その後のすべての取り組みは、上位互換性と容易な移行パスを重視しました。

Rainbowの高度なクライアント/サーバーアプリケーション開発フレームワーク「Crystal」の開発はしばらく続き、Cooperative Systems Incorporatedの「Ellipse」製品としてスピンオフされた。^{[ 24 ]}

1985年、タンデム社は急速に成長するパーソナルコンピュータ市場に参入しようと、MS-DOSベースのPC/ワークステーション「ダイナマイト」を発売した。しかし、数々の設計上の妥協点（当時の拡張カードと互換性のない独自の8086ベースのハードウェアプラットフォームや、IBMベースのPCとの互換性が極めて限られていたことなど）により、ダイナマイトは主にスマート端末としての役割に留まり、ひっそりと市場から撤退した。

同社は1986年にIBM PC AT互換コンピュータである6ATを発表した。Tandemは6ATを既存顧客にのみ販売し、「我々は革新を起こすつもりはない」と述べた。^{[ 25 ]}

Tandem社のメッセージベースのNonStopオペレーティングシステムは、拡張性、極めて高い信頼性、そして高価な「予備」リソースの効率的な利用において優位性を持っていた。しかし、多くの潜在顧客は、使い慣れたUnixオペレーティングシステムと業界標準プログラムを使用し、小規模システムで十分な信頼性があればよいと考えていた。Tandem社の様々なフォールトトレラント競合製品はいずれも、よりシンプルなハードウェアのみのメモリ中心設計を採用し、ホットスペアの切り替えによってすべての復旧を行っていた。最も成功した競合製品はStratus Technologies社で、同社のマシンはIBMによって「IBM System/88」として再販された。

このようなシステムでは、予備プロセッサは障害発生時のシステムスループットには寄与せず、単にアクティブなプロセッサと全く同じデータスレッドを、同期して冗長的に実行するだけです。障害は、クローンされたプロセッサの出力が乖離した時点を検出することで確認されます。障害を検出するには、システムは各論理アクティブプロセッサに対して2つの物理プロセッサを備えている必要があります。また、自動フェイルオーバーリカバリを実装するには、各論理プロセッサに対して3つまたは4つの物理プロセッサを備えている必要があります。この予備構成による3倍または4倍のコストは、複製される部品が汎用のシングルチップマイクロプロセッサである場合に実用的です。

Tandem のこの市場向け製品は、1989 年にMIPSプロセッサと Unix の「NonStop UX」バリアントを使用した Integrity ラインから始まりました。これはテキサス州オースティンで開発されました。1991 年に Integrity S2 は、TMR (Triple Modular Redundancy) を使用し、各論理 CPU は 3 つのMIPS R2000 マイクロプロセッサを使用して同じデータ スレッドを実行し、投票によって障害のある部分を見つけてロックアウトしました。これらの高速クロックは厳密なロック ステップのように同期できなかったため、代わりに各割り込みで投票が行われました。^{[ 26 ]} Integrity の他のバージョンでは、4 倍の「ペアとスペア」冗長性が使用されました。プロセッサのペアがロック ステップで実行され、互いをチェックしました。意見が一致しない場合、両方のプロセッサが信頼できないとマークされ、ワー​​クロードは既に最新の状態にあるホット スペアのプロセッサ ペアに引き継がれました。 1995年、Integrity S4000はServerNet （ネットワーク化された「バス」構造）を初めて採用し、NonStopシリーズとの周辺機器共有へと移行した。

1995年から1997年にかけて、TandemはMicrosoftと提携し、汎用Microsoft Windows NTマシンのクラスタに高可用性機能と高度なSQL構成を実装しました。このプロジェクトは「Wolfpack」というコードネームで呼ばれ、 1997年にMicrosoft Cluster Serverとして初めて出荷されました。^{[ 27 ]} Microsoftはこの提携から大きな利益を得ましたが、Tandemはそうではありませんでした。

1991 年、Tandem は Cyclone/R (CLX/R とも呼ばれる) をリリースしました。これは CLX コンポーネントをベースにした低価格の中級システムでしたが、はるかに低速な CLX スタックマシンボードの代わりに R3000 マイクロプロセッサを使用していました。市場投入までの時間を最小限に抑えるため、このマシンは当初、MIPS ネイティブモードのソフトウェアなしで出荷されました。NonStop Kernel (NSK) オペレーティングシステム (Guardian の後継) や NonStop SQL データベースを含むすべてが、TNS スタックマシンコードにコンパイルされました。そのオブジェクトコードは、カーネルのインストール時に Accelerator と呼ばれるツールによって、同等の部分的に最適化された MIPS 命令シーケンスに変換されました。^{[ 28 ]}重要度の低いプログラムは、TNS コードインタープリタを介して、事前変換なしで直接実行することもできました。これらの移行手法は成功し、現在も使用されています。エンドユーザーソフトウェアは追加の作業なしで移行でき、パフォーマンスは中級マシンとしては十分であり、プログラマはマシンコードレベルでデバッグしている場合でも命令の違いを無視することができました。これらのCyclone/Rマシンは、後続のリリースで、より高速なネイティブモードのNSKオペレーティングシステムにアップデートされました。

R3000以降のマイクロプロセッサは、内部エラーチェック機能が標準的なレベルしかなく、Tandemのニーズには不十分でした。そのため、Cyclone/Rは、R3000プロセッサのペアを同期させて同じデータスレッドを実行しました。これはデータ整合性を確保するためであり、フォールトトレランスのためではありませんでした。フォールトトレランスは、当時まだ存在していた他のメカニズムによって処理されていました。Cyclone/Rは、ロックステッピングのバリエーションを使用しました。チェッカープロセッサは、プライマリプロセッサより1サイクル遅れて実行されました。これにより、システムバスに過度のピンアウト負荷をかけたり、システムクロックレートを下げたりすることなく、外部コードとデータキャッシュの単一コピーを共有できました。マイクロプロセッサを同期させて正常に実行するには、チップは完全に決定論的に設計されている必要があります。隠れた内部状態は、チップのリセットメカニズムによってクリアされなければなりません。そうでない場合、チップが再起動された後、目に見える理由もなく、障害も発生せずに、ペアのチップが同期しなくなる可能性があります。チップ設計者は、これらの原則は製造時にチップをテストするのに役立つため、良い原則であることに同意しています。しかし、新しいマイクロプロセッサチップはすべてこの分野でバグを抱えているようで、最終的な微妙なバグを解消または回避するために、MIPS（Tandemが利用しているサードパーティメーカー）とTandemの間で数ヶ月にわたる共同作業が必要だった。

1993年、タンデム社は、より高速なMIPS R4400プロセッサ、ネイティブモードのNSKオペレーティングシステム、そして完全に拡張可能なCycloneシステムコンポーネントを搭載したNonStop Himalaya Kシリーズを発売した。これらはDynabus、Dynabus+、そしてオリジナルのI/Oバスで接続されていたが、当時すでに性能面で限界に達しつつあった。

1995年、NonStopカーネルはOpen System Servicesと呼ばれるUnixライクなPOSIX環境で拡張されました。^{[ 29 ]}オリジナルのGuardianシェルとABIは引き続き利用可能でした。

1997年、TandemはServerNet接続をベースとした新しいトップレベルシステムアーキテクチャを採用したNonStop Himalaya Sシリーズを発表しました。ServerNetはDynabus、FOX、およびI/Oバスに取って代わり、はるかに高速で汎用性が高く、任意のポイントツーポイント接続ファブリックを介して双方向冗長性以上の拡張が可能でした。Tandemは自社のニーズに合わせてServerNetを設計しましたが、その後他社にもその利用を推奨し、InfiniBandの業界標準へと発展しました。

Sシリーズのすべての機種は、R4400、R10000、R12000、R14000を含め、MIPSプロセッサを使用していた。

後期の高速MIPSコアの設計は、主にシリコン・グラフィックス社（SGI）の資金提供によって行われた。しかし、インテルの第6世代Pentium ProがRISC設計の性能を凌駕し、SGIのグラフィックス事業も縮小した。R10000以降、ハイエンドサーバー向けの新たなMIPSコア設計への大規模な投資は行われなかった。そのため、タンデム社はNon​​Stop製品ラインを、競争力のある高速チップを備えた別のマイクロプロセッサアーキテクチャに移行する必要に迫られた。