Строились на базе мэйнфрейма мощного и надежного компьютера универсального назначения

Ретроклокинг: обзор мэйнфреймов и суперкомпьютеров

Кроме обычных ПК, встречаются и более производительные варианты в виде серверов с двумя или даже четырьмя процессорными разъемами. А что еще быстрее? Ответ на вопрос приводит к отдельному классу вычислительных машин: суперкомпьютерам и мэйнфреймам. Как он развивался, каким был в прошлом и чего достиг сейчас, какими цифрами производительности оперировал и можно ли использовать такие машины дома?

Страницы материала

История развития компьютерных сетей

Но интересами пользователей на первых этапах развития вычислительных систем в значительной степени пренебрегали. В таких системах каждый пользователь получал собственный терминал, с помощью которого он мог вести диалог с компьютером. Терминалы соединялись с компьютерами через телефонные сети с помощью модемов.

Строились на базе мэйнфрейма мощного и надежного компьютера универсального назначения

КНИГИ 424706 АВТОРЫ 130043 СЕРИИ 44022 ЖАНРЫ 507 ГОРОДА 1157 ИЗДАТЕЛЬСТВА 16570 ТЕГИ 345773 СТАТЬИ 673

не готов к восприятию объяснений. Авторы пошли по пути компромисса, отложив на будущее исчерпывающие пояснения многих терминов ради того, чтобы в самом начале изучения компьютерных сетей читатель имел возможность представить картину эволюции компьютерных сетей во всем ее красочном многообразии. И, конечно, было бы очень полезно вернуться к этой главе, после того как будет перевернута последняя страница книги, чтобы, вооружась новыми знаниями, сделать качественно новую попытку оценить прошлое и будущее компьютерных сетей.

Два корня компьютерных сетей

Вычислительная и телекоммуникационная технологии

Компьютерные сети, которым посвящена данная книга, отнюдь не являются единственным видом сетей, созданным человеческой цивилизацией. Даже водопроводы Древнего Рима можно рассматривать как один из наиболее древних примеров сетей, покрывающих большие территории и обслуживающих многочисленных клиентов. Другой, менее экзотический пример — электрические сети. В них легко можно найти аналоги компонентов любой территориальной компьютерной сети: источникам информационных ресурсов соответствуют электростанции, магистралям — высоковольтные линии электропередачи, сетям доступа — трансформаторные подстанции, клиентским терминалам — осветительные и бытовые электроприборы.

Компьютерные сети, называемые также сетями передачи данных, являются логическим результатом эволюции двух важнейших научно-технических отраслей современной цивилизации — компьютерных и телекоммуникационных технологий.

С одной стороны, сети представляют собой частный случай распределенных вычислительных систем, в которых группа компьютеров согласованно решает набор взаимосвязанных задач, обмениваясь данными в автоматическом режиме. С другой стороны, компьютерные сети могут рассматриваться как средство передачи информации на большие расстояния, для чего в них применяются методы кодирования и мультиплексирования данных, получившие развитие в различных телекоммуникационных системах (рис. 1.1).

Комрьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. Иллюстрация № 5

компьютерныхсетейРис. 1.1. Эволюция компьютерных сетей на стыке вычислительной техники и телекоммуникационных технологий

Системы пакетной обработки

Обратимся сначала к компьютерному корню вычислительных сетей. Первые компьютеры 50-х годов — большие, громоздкие и дорогие — предназначались для очень небольшого числа избранных пользователей. Часто эти монстры занимали целые здания. Такие компьютеры не были предназначены для интерактивной работы пользователя, а применялись в режиме пакетной обработки.

Системы пакетной обработки, как правило, строились на базе мэйнфрейма — мощного и надежного компьютера универсального назначения. Пользователи подготавливали перфокарты, содержащие данные и команды программ, и передавали их в вычислительный центр (рис. 1.2). Операторы вводили эти карты в компьютер, а распечатанные результаты пользователи получали обычно только на следующий день. Таким образом, одна неверно набитая карта означала как минимум суточную задержку. Конечно, для пользователей интерактивный режим работы, при котором можно с терминала оперативно руководить процессом обработки своих данных, был бы удобней. Но интересами пользователей на первых этапах развития вычислительных систем в значительной степени пренебрегали. Во главу угла ставилась эффективность работы самого дорогого устройства вычислительной машины — процессора, даже в ущерб эффективности работы использующих его специалистов.

Пакет заданий Устройствоввода Рис. 1.2. Централизованная система на базе мэйнфрейма

Многотерминальные системы — прообраз сети

По мере удешевления процессоров в начале 60-х годов появились новые способы организации вычислительного процесса, которые позволили учесть интересы пользователей. Начали развиваться интерактивные многотерминальные системы разделения времени (рис. 1.3). В таких системах каждый пользователь получал собственный терминал, с помощью которого он мог вести диалог с компьютером. Количество одновременно работающих с компьютером пользователей определялось его мощностью: время реакции вычислительной системы должно было быть достаточно мало, чтобы пользователю была не слишком заметна параллельная работа с компьютером других пользователей.

Терминалы, выйдя за пределы вычислительного центра, рассредоточились по всему предприятию. И хотя вычислительная мощность оставалась полностью централизованной,

некоторые функции, такие как ввод и вывод данных, стали распределенными. Подобные многотерминальные централизованные системы внешне уже были очень похожи на локальные вычислительные сети. Действительно, рядовой пользователь работу за терминалом мэйнфрейма воспринимал примерно так же, как сейчас он воспринимает работу за подключенным к сети персональным компьютером. Пользователь мог получить доступ к общим файлам и периферийным устройствам, при этом у него поддерживалась полная иллюзия единоличного владения компьютером, так как он мог запустить нужную ему программу в любой момент и почти сразу же получить результат. (Некоторые далекие от вычислительной техники пользователи даже были уверены, что все вычисления выполняются внутри их дисплея.)

Терминал Рис. 1.3. Многотерминальная система —- прообраз вычислительной сети

М!юготврми*едьньюсистбмы, работающие в режиме разделения времени, стали первым шагом натфгй создания лекальных вычислительных сетей.

Однако до появления локальных сетей нужно было пройти еще большой путь, так как многотерминальные системы, хотя и имели внешние черты распределенных систем, все еще поддерживали централизованную обработку данных.

Разделение времени

1.В системах разделения времени пользователям представляется возможность интерактивной работы сразу с несколькими приложениями. Для этого каждое приложение должно регулярно взаимодействовать с пользователем. Многотерминальные системы, работающие в режиме разделения времени, стали первым шагом на пути создания локальных вычислительных сетей. Многотерминальный режим используется в системах разделения времени и в системах пакетной обработки.

Рис. 1.1.Централизованная система на базе мэйнфрейма

Конечно, для пользователей интерактивный режим работы, при котором можно с терминала оперативно руководить процессом обработки своих данных, был бы гораздо удобней. Но интересами пользователей на первых этапах развития вычислительных систем в значительной степени пренебрегали, поскольку пакетный режим — это самый эффективный режим использования вычислительной мощности, так как он позволяет выполнить в единицу времени больше пользовательских задач, чем любые другие режимы. Во главу угла ставилась эффективность работы самого дорогого устройства вычислительной машины — процессора, в ущерб эффективности работы использующих его специалистов.

Мэйнфрейм

Мэйнфрейм (mainframe) — высокоэффективная вычислительная машина с повышенным размером оперативной памяти и жесткого диска, способна делать множество сложных вычислений одновременно и непрерывно в течение длительного времени. Основная сфера использования мэйнфреймов — коммерческие организации, центры научных исследований.

Научные исследования показывают, что при использовании глобальных информационных массивов, обработка данных будет выполняться значительно легче и экономически выгоднее с помощью мейнфрейму, чем при участии сети персональных устройств. Мэйнфрейм опережает обычные современные ПК практически по всем показателям.

Отдельно стоит уделить внимание высокой надежности самого устройства и данных, с которыми он работает. Наличие резервных составляющих устройств системы и возможность их «горячей» замены обеспечивают непрерывность работы. А стандартная величина загруженности процессора без особых усилий превышает отметку в 85% от общей мощности. Управление таким устройством происходит с помощью цепи терминалов, а с недавних пор и через сетевой интерфейс. Лидирующие позиции в производстве мэйнфреймов занимает компания IBM.

Надежность мэйнфреймов — это результат почти 60-летнего их совершенствования. Мэйнфреймы могут изолировать и исправлять большинство аппаратных и программных ошибок.

Для мэйнфреймов характерны следующие особенности:

дублирования: резервные процессоры; запасные микросхемы памяти; альтернативные пути доступа к периферийным устройствам. Горячая замена всех элементов до каналов, плат памяти и центральных процессоров;
целостность данных: в мэйнфреймах используется память, исправляет ошибки. Ошибки не приводят к разрушению данных в памяти, или данных, ожидающих устройства ввода-вывода информации. Дисковые подсистемы построены на основе RAID-массивов с горячей заменой и встроенными средствами резервного копирования, которые гарантируют защиту от потерь данных;
рабочую нагрузку мэйнфреймов может составлять 80-95% от их пиковой производительности;
пропускная способность подсистемы ввода-вывода мэйнфреймов разработана так, чтобы работать в среде с высоким рабочим нагрузкам на ввод-вывод;
доступ к данным: поскольку данные хранятся на одном сервере, приложения не требуют сбора исходной информации из множества источников, не нужен дополнительный дисковое пространство для их временного хранения;
требуется небольшое количество необходимых физических серверов и довольно простое программное обеспечение. Все это, в совокупности, ведет к повышению скорости и эффективности обработки.
использования дискового пространства: пропускная способность ввода-вывода достаточное для загрузки процессора.

От System/360 к S/390

Размеры компьютера System/360, по сегодняшним меркам, были весьма внушительны — он занимал целую комнату. Правда, конфигурация тогдашних мэйнфреймов сегодня, мягко говоря, не поражает воображения: тактовая частота процессора составляла 2 МГц, а емкость накопительной системы (ленты и диски) — всего 8 Мбайт. Но, несмотря на это, к такому компьютеру можно было одновременно подключить до 248 терминалов, с которых вводились данные и на которые выводились результаты.

При разработке этого проекта родились такие технологии, как параллельная обработка, конвейер, процессор ввода-вывода, виртуальная память, виртуальная машина, впоследствии перекочевавшие в «обычные» компьютеры.

Мэйнфреймы System/360 стали первым большим семейством компьютеров, позволявшим применять взаимозаменяемое ПО и периферийное оборудование. Вместо того чтобы приобретать новую систему, когда потребности и бюджет заметно вырастали, заказчики теперь могли просто наращивать вычислительные возможности по частям, добавляя или заменяя лишь необходимые аппаратные средства.

Различные устройства этой серии обладали полной совместимостью, что позволяло компоновать из них комплексы, как из деталей конструктора. Были созданы устройства ввода-вывода (в том числе с перфокарт), хранения данных (диски, ленточные накопители). Например, в рамках System/360 предлагался выбор из пяти процессоров, 44 периферийных устройств и 19 комбинаций питания, быстродействия и памяти. Пользователь мог эксплуатировать те же самые магнитные ленты и дисковые накопители с процессорами, отличавшимися по производительности в 100 раз. Стоил такой компьютер тогда около 2 млн долл.

Вообще говоря, в 1964 г. IBM объявила о создании шести моделей семейства System/360, ставших первыми компьютерами третьего поколения. Модели имели единую систему команд и отличались друг от друга объемом оперативной памяти и производительностью. Цифра 360 (полная окружность в градусах) указывала на возможность создать систему для приложений любого направления. При разработке моделей семейства использовался ряд новых принципов, что делало машины универсальными и позволяло с одинаковой эффективностью применять их как для решения задач из различных областей науки и техники, так и для обработки данных в сфере управления и бизнеса.

Действительно, мэйнфреймы могли решать самые разные задачи — от расчета зарплаты до расчета ракет. Подобные системы от IBM потом участвовали в американской лунной программе и в реальном масштабе времени обрабатывали данные во время экспедиций «Аполлонов». Кроме того, на базе System/360 была построена первая в мире полуавтоматическая система резервирования билетов SABRE.

Системы IBM в работе.

В качестве элементной базы для семейства System/360 были выбраны гибридные микросхемы, благодаря чему новые модели стали считать машинами третьего поколения. В ранних своих компьютерах IBM использовала транзисторы, полученные по лицензии от корпорации Texas Instruments (http://www.ti.com). Но впоследствии руководство IBM приняло решение выпускать все электронные компоненты самостоятельно, чтобы не зависеть от внешних поставщиков и обеспечить максимально низкие цены на электронику. При разработке же System/360 руководство IBM решило не полагаться на интегральные схемы, изобретенные в 1959 г., так как в то время это была новая, еще не апробированная и дорогая технология. Вместо этого в IBM была разработана гибридная технология SLT (Solid Logic Technology).

Другой проблемой было производство памяти, основанной на магнитных сердечниках. Конечно, IBM обладала современными технологиями, но нужны были новые производственные мощности. Было расширено существующее подразделение в Кингстоне и построена новая фабрика в Боулдере (шт. Колорадо). Но и это полностью не решило проблему, и тогда был проведен эксперимент по переносу части производственных мощностей в Японию, где работники на фабрике изготовляли модули памяти вручную, без автоматического оборудования. Зарплаты японских рабочих, при самом высоком качестве работы, были тогда столь низки, что память, сделанная в Японии, оказывалась дешевле памяти, изготовленной в США при помощи автоматического оборудования.

Таким образом, на транзисторные машины второго поколения пришлось всего лишь пять лет в биографии IBM. При создании семейства System/360 IBM в последний раз позволила себе роскошь выпускать компьютеры, несовместимые с предыдущими моделями. Но самое главное, что эти компьютеры породили новое явление в компьютерной индустрии, создав так называемую платформу. Под этим обычно понимают индустриальный стандарт на аппаратное обеспечение с частично или полностью открытой архитектурой, что дает возможность сторонним фирмам производить периферийное оборудование и строить собственные системы на ее основе.

Кроме того, IBM разработала широкий набор эмуляторов и имитаторов предыдущих компьютеров, чтобы облегчить пользователям переход на компьютеры серии System/360. Заменив свои системы на семейство IBM System/360, пользователи могли в течение многих лет работать с компьютерами этой серии, переходя на все более мощные машины без затрат на переработку ПО. Концепция программно-совместимого семейства компьютеров стала стандартом для всей компьютерной промышленности. Широко известная теперь серия вывела компанию в неоспоримые лидеры в области вычислительной техники. Только в США было установлено более 20 тыс. мэйнфреймов System/360, что дало IBM возможность поставить под свой контроль две трети всего рынка компьютеров.

Спустя шесть лет, в 1971 г., IBM представила две первые модели семейства System/370 (370/135 и 370/195), преемников System/360 на новой технологической базе — монолитных интегральных схемах. Запуском в производство моделей семейства System/370 руководил Т. В. Лерсон, сменивший в 1974 г. Т. Дж. Уотсона-мл. на посту президента IBM. Появление новой серии не стало революцией, скорее это была эволюция ранних идей. Компьютеры линейки System/370 были уже полностью построены на интегральных схемах, что дало увеличение производительности по сравнению с линейкой System/360. Новые машины были более надежными, а благодаря использованию полупроводниковой памяти уменьшились в размерах.

Стоит отметить, что самые передовые решения, приводящие к повышению производительности, сразу же появлялись на этих машинах. Так, модель IBM 360/67 имела аппаратуру динамического преобразования адресов. B IBM 360/91 была реализована способность устройства управления обнаруживать все операции, допускающие одновременное исполнение. Многопроцессорность на основе общей оперативной памяти была также реализована в IBM 360/67. При этом межпроцессорную связь обеспечивала команда «сигнал процессору», предусматривающая передачу и прием кода приказа, декодирование кодов приказов и ответ процессору, пославшему сигнал. Для связи процессоров была добавлена дюжина новых команд. Предусмотрена была возможность прерывания одного процесса другим (например, в IBM System/360 модели 65 MP).

Выпущенная в 1971 г. System/370 модели 145 стала первым универсальным компьютером, в котором использовались большие интегральные схемы для построения оперативной памяти и логических функций. Новая технология, заменившая SLT, позволила интегрировать на одной микросхеме элементы, ранее размещавшиеся на нескольких. Благодаря этому машины System/370 стали в три-пять раз производительнее, чем System/360, построенные по SLT-технологии. Кроме того, в модели 145 память на магнитных сердечниках была заменена памятью на основе полупроводниковой технологии.

Мэйнфрейм System/370-45 стал одним из первых серийных компьютеров, использующих технологию «виртуальной памяти». Эта технология расширила возможности компьютеров за счет того, что пространство на жестком диске стало можно использовать для размещения дополнительной оперативной памяти, необходимой для работы ПО. Опережающий просмотр команд для динамического предсказания логических переходов был реализован в машине IBM 3081. Средством повышения производительности стали и присоединенные процессоры, подключавшиеся к центральным ЭВМ в качестве периферийных устройств. Были разработаны специальные устройства, предназначенные для решения очень узких классов задач, однако из-за небольших тиражей и высокой стоимости их применение было ограничено.

В 70-х годах получили широкое распространение матричные процессоры — устройства, реализовавшие концепцию «одна команда — много данных». Матричный процессор IBM-3838 состоял из управляющего процессора, оперативной памяти емкостью до 1 Мбайт, пяти процессорных элементов и устройства сопряжения с каналом, обеспечивающего скорость обмена с компьютером 3-4,5 Мбайт/с. Слово данных матричного процессора имело длину 32 бит. Одновременно матричный процессор мог обрабатывать до семи пользовательских задач. Все процессоры выполняли одновременно одну команду, каждый над своими данными. Производительность матричного процессора оценивалась как 30 MFLOPS или 100 MIPS.

С 1983 г. началась поставка моделей System/370 Extended Architecture. Накопленный компанией опыт позволил создать архитектуру ESA/370, а затем ESA/390. В 1990 г. были выпущены мэйнфреймы семейства 390, которые, как и все предыдущие модели этих семейств, поддерживали совместимость приложений снизу вверх. В 1995 г. появились серверы S/390 Parallel Enterprise Server.

Следующее поколение суперскалярной RISC-технологии, разработанное IBM к концу 80-х годов, — архитектура POWER (Performance Optimization with Enhanced RISC). В начале 1990 г. успешно дебютировала серия RISC System/6000. Тогда же для IBM RS/6000 была выпущена версия ОС Unix, названная AIX Version 3. В 1990 г. IBM продала 25 тыс. компьютеров RS/6000. Объем нового бизнеса IBM к концу того же года достиг 1 млрд долл.

Корпорация IBM учитывала приверженность пользователей к мэйнфреймам, связанную с хорошо обкатанными приложениями, развитыми возможностями защиты данных, резервного копирования и восстановления после сбоев. Однако мэйнфреймы на биполярных микросхемах, обеспечивая быстродействие 60 MIPS на один процессор, требовали водяного охлаждения, слишком много электроэнергии, специальных инженерных сооружений и больших площадей. Взамен IBM предложила мэйнфреймы на КМОП-процессорах, которые обходились потребителям на 70% дешевле.

Существенно, что IBM удваивала производительность КМОП-мэйнфреймов каждые полтора года. Всего за десять лет сменилось пять поколений машин на базе КМОП. Мэйнфреймы System/390 G5 в конфигурации с 10 процессорами способны выполнять до 900 млн инструкций в секунду. Технология IBM S/390 Parallel Sysplex позволяет еще больше увеличить производительность. Неотъемлемой частью архитектуры кластеризации IBM Parallel Sysplex стала технология объединения вычислительных систем, позволяющая нескольким компьютерам взаимодействовать с общим полем данных. При ее использовании коэффициент готовности системы достигает 99,999%.

Для балансировки распределения трафика между серверами, входящими в кластер Sysplex, корпорации IBM и Cisco Systems предлагают совместно разработанное ПО Generic Routing Encapsulation. Это один из результатов стратегического альянса двух корпораций.

На платформе S/390 работают прикладные системы класса ERP компаний SAP, People Soft, Oracle, Baan. Сама IBM предлагает набор программных и аппаратных средств IBM Treasure Series for S/390 для создания хранилищ данных, механизмов поиска и анализа информации приложений SAP R/3 в СУБД DB2.

После выпуска S/390 G5 корпорации IBM удалось захватить 95% мирового рынка мэйнфреймов. В 2000 г. появилось их шестое поколение — S/390 G 6.