Máy tính mainframe là gì và người ta sử dụng nó như thế nào?

Những phần cứng cấu tạo nên mainframe

Cấu tạo đơn thuần của một chiếc mainframe​
Một chiếc mainframe tiêu biểu sở hữu các bộ xử lí (PU), bộ nhớ RAM, các kênh dữ liệu vào ra (I/O channel), các bộ điều khiển (control unit) và thiết bị ngoại vi (peripheral devices). Trong đó, PU chính là bộ não của mainframe, nó là đơn vị có nhiệm vụ thực thi các chỉ dẫn. Một máy mainframe có thể chứa nhiều bộ xử lí, chẳng hạn như: bộ xử lí trung tâm (Central Processor, viết tắt là CP hay CPU), bộ xử lí mã hóa và giải mã (CPACF), bộ xử lí tải Linux (IFL), có cái dùng để thực thi mã Java (zAAP), cái khác nữa thì xài cho việc tăng tốc xử lí cơ sở dữ liệu (zIIP). CP và RAM sẽ được đặt trong một thùng máy lớn gọi là Central Processor Complex (CPC).

Ví dụ, nếu mua một chiếc mainframe z10 của IBM sản xuất, bạn sẽ có trong đó 12 CPU, 12 IFL, 12 bộ ICF, 6 bộ zAAP và 6 bộ zIIP. Bộ nhớ của RAM của z10 có thể đạt tối đa 384GB tùy mục đích sử dụng.

I/O channel là những đường di chuyển và điều khiển dữ liệu giữa thiết bị nhập, xuất dữ liệu với bộ nhớ. Những thiết bị ngoại vi như đầu băng từ, ổ đĩa, đầu đọc thẻ, máy in… được kết nối với mainframe thông qua các channel này. Và bởi vì các thiết bị ngoại vi này chậm hơn CPU, CPU có thể sẽ tốn thời gian chờ dữ liệu từ chúng chuyển sang. Chính vì thế mà người ta mới tạo ra các bộ điều khiển Control Unit, chính là peripheral processor mà bạn đã đọc thấy ở trên, chuyên đảm nhận các tác vụ với thiết bị ngoại vi.

Còn cổng kết nối thì sao? Như bạn đã biết, thiết bị ngoại vi kết nối với máy tính của chúng ta qua cổng USB, trên Mac có FireWire, Thunderbolt, trên server là SCSI. Tương tự như thế, các kết nối trên mainframe là OSA, ESCON và FICON. Những kênh OSA Express dùng cho mạng LAN thông thường, mạng theo dạng token (vòng tròn). Trong khi đó, ESCON và FICON thì dùng cho cáp quang với tốc độ truyền tải cực cao.

Mainframe chủ yếu sử dụng giao diện dòng lệnh để giao tiếp với người dùng, cũng như Terminal trong Linux hay Command Prompt trong Windows. Đối với hệ điều hành

Một chiếc mainframe tiêu biểu sở hữu các bộ xử lí (PU), bộ nhớ RAM, các kênh dữ liệu vào ra (I/O channel), các bộ điều khiển (control unit) và thiết bị ngoại vi (peripheral devices). Trong đó, PU chính là bộ não của mainframe, nó là đơn vị có nhiệm vụ thực thi các chỉ dẫn. Một máy mainframe có thể chứa nhiều bộ xử lí, chẳng hạn như:(Central Processor, viết tắt là CP hay CPU),(CPACF),(IFL), có cái dùng để(zAAP), cái khác nữa thì xài cho việc(zIIP). CP và RAM sẽ được đặt trong một thùng máy lớn gọi là Central Processor Complex (CPC).Ví dụ, nếu mua một chiếc mainframe z10 của IBM sản xuất, bạn sẽ có trong đó 12 CPU, 12 IFL, 12 bộ ICF, 6 bộ zAAP và 6 bộ zIIP. Bộ nhớ của RAM của z10 có thể đạt tối đa 384GB tùy mục đích sử dụng.I/O channel là những đường di chuyển và điều khiển dữ liệu giữa thiết bị nhập, xuất dữ liệu với bộ nhớ. Những thiết bị ngoại vi như đầu băng từ, ổ đĩa, đầu đọc thẻ, máy in… được kết nối với mainframe thông qua các channel này. Và bởi vì các thiết bị ngoại vi này chậm hơn CPU, CPU có thể sẽ tốn thời gian chờ dữ liệu từ chúng chuyển sang. Chính vì thế mà người ta mới tạo ra các bộ điều khiển Control Unit, chính là peripheral processor mà bạn đã đọc thấy ở trên, chuyên đảm nhận các tác vụ với thiết bị ngoại vi.Còn cổng kết nối thì sao? Như bạn đã biết, thiết bị ngoại vi kết nối với máy tính của chúng ta qua cổng USB, trên Mac có FireWire, Thunderbolt, trên server là SCSI. Tương tự như thế, các kết nối trên mainframe là OSA, ESCON và FICON. Những kênh OSA Express dùng cho mạng LAN thông thường, mạng theo dạng token (vòng tròn). Trong khi đó, ESCON và FICON thì dùng cho cáp quang với tốc độ truyền tải cực cao.Mainframe chủ yếu sử dụng giao diện dòng lệnh để giao tiếp với người dùng, cũng như Terminal trong Linux hay Command Prompt trong Windows. Đối với hệ điều hành zOS của IBM dành cho mainframe, giao diện dòng lệnh này được gọi là console. Tất nhiên là nó cũng có giao diện đồ họa người dùng nữa và theo IBM, họ đã đổ 100 triệu USD vào nghiên cứu giao diện đồ họa để giúp việc sử dụng mainframe trở nên đơn giản hơn.

Giao diện khi liên kết vào mainframe​

Giao diện để thực thi lệnh trên mainframe​

Anh kĩ sư IBM này đang sử dụng máy tính của mình để truy vấn vào mainframe chạy zOS và khai thác giao diện đồ họa người dùng bên trong mạng lưới hệ thống​

Tính chất của mainframe

Những chiếc mainframe hiện đại cho phép chúng ta chạy nhiều “thực thể” (instance) hệ điều hành cùng lúc. Kĩ thuật ảo hóa này gần cho phép OS hoạt động cứ như là đang chạy trên một máy tính riêng biệt và sau này nó chính là Hypervisor dùng trên các server. Hiện nay kĩ thuật ảo hóa đã phổ biến hơn và có mặt ngay cả trong chiếc PC nhỏ xíu của chúng ta, thế nhưng mức độ và sức mạnh thì không thể nào bằng mainframe được. Có hai mức độ ảo hóa thường xuất hiện trên mainframe, bao gồm logical partition (mỗi phân vùng sẽ chứa một hệ điều hành) và virtual machine (nhiều máy ảo chạy trên một hệ điều hành).

Phần cứng của mainframe có thể được dễ dàng thêm hoặc thay thế mà không làm hệ thống bị ngừng hoạt động, điều mà nhiều server hiện nay không thể có được. Như đã nói ở trên, mainframe dùng trong những ứng dụng mà mỗi khi hệ thống ngừng là một “thảm họa” xảy ra, do đó nó không được phép dừng lại ngay cả khi nâng cấp phần cứng. Thông thường, mỗi tổ chức sẽ dùng hai máy mainframe, một cái đặt ở cơ sở hoạt động chính, cái còn lại đặt ở trung tâm dữ liệu có tác dụng sao lưu. Cỗ máy thứ hai này có thể được sử dụng ở trạng thái kích hoạt hoàn toàn, kích hoạt một phần hoặc chỉ đơn giản là nằm ở chế độ chờ để lỡ chiếc mainframe chính có gặp trục trặc hay bị thiên tai ảnh hưởng thì vẫn còn một cái để duy trì hoạt động của công ty. Các hệ thống lưu trữ mạng cũng được xài kèm với mainframe và được phân tán ở nhiều địa điểm khác nhau để đảm bảo tính an toàn.

Mainframe được thiết kế để đảm được một khối lượng rất lớn dữ liệu vào ra. Với mainframe thì việc xử lí những tập tin với dung lượng hàng gigabyte hoặc terabyte là chuyện thường ngày ở huyện mà thôi. Kể từ giữa thập niên 1960, mainframe nhận được sự hỗ trợ của nhiều bộ xử lí phụ, được gọi là channel hoặc peripheral processor. Các máy phụ này sẽ quản lí thiết bị nhập và xuất dữ liệu nhằm giúp CPU chính của mainframe tập trung hoàn toàn vào việc xử lí và chứa dữ liệu lên bộ nhớ. So với một PC thông thường, mainframe có thể dung lượng lưu trữ gấp hàng trăm hoặc hàng nghìn lần và có thể truy cập chúng nhanh hơn nhiều.

Thị trường mainframe

Các máy của IBM hiện đang chiếm lĩnh đến 90% thị trường mainframe. Phần còn lại chia đều cho hệ thống ClearPath của Unisys, các máy của Hitachi, NonStop của HP (mua lại từ hãng Tandem Computers), BS2000 và ICL VME của Fujitsu. Nhiều máy do Fujitsu, Hitachi và NEC vẫn còn đang được bán ở thị trường Nhật.

Về vi xử lí trung tâm (CP, hay CPU) dùng trong mainframe, Fujitsu và Hitachi vẫn tiếp tục sử dụng bộ xử lí dựa trên chuẩn S/390 tùy biến, ngoài ra còn có thêm các CPU như POWER, SPARC, MIPS và Xeon cho những máy tầm thấp. Bull thì sử dụng một hệ thống pha trộn giữa chip Intel Xeon với chip do mình phát triển. NEC và Bull cũng có những máu dùng chip Intel Xeon kết hợp với Intel Itanium. IBM, đúng với vị trí anh cả trong thị trường này, đã chi rất nhiều tiền vào nghiên cứu và phát triển các CPU riêng của mình, chẳng hạn như con chip dùng trong mainframe z10 ra mắt hồi năm 2008 với bốn nhân xung nhịp 4,4GHz.

Một chiếc mainframe Libra 4100 của hãng Unisys​

Khác biệt giữa mainframe và siêu máy tính

Như mình đã nói ở trên, mainframe là cỗ máy được tạo ra để xử lí một lượng lớn dữ liệu, trong khi siêu máy tính tập trung vào một lượng nhỏ dữ liệu nhưng các phép tính thì cực kì phức tạp. Siêu máy tính tập trung vào tốc độ xử lí một vấn đề nào đó và chính vì thế, nó thường dùng cho các mục đích nghiên cứu khoa học. Một số khác biệt chính giữa siêu máy tính và mainframe như sau:

1) Tốc độ mainframe được đo bằng MIPS, tức bao nhiêu triệu chỉ dẫn mà máy có thể được thực hiện trong một giây. Trong khi đó, siêu máy tính thì đo bằng FLOPS, tức bao nhiêu phép tính dấu chấm động có thể xử lí mội giây. Nói về khả năng tính toán, supercomputer mạnh hơn mainframe.

2) Mainframe được xây dựng để xử lí “giao dịch” một cách ổn định, và giao dịch ở đây cũng giống như khái niệm được hiểu trong thế giới donah nghiệp. Nó bao gồm những việc như cập nhật cơ sở dữ liệu về lượng hàng còn trong kho, đặt vé máy bay, chuyển khoản,… Với mỗi “giao dịch”, các thao tác mà máy có thể thực hiện đó là đọc và ghi dữ liệu vào đĩa, gọi các hàm/tính năng của hệ điều hành, di chuyển dữ liệu từ hệ thống này sang hệ thống khác.

Để biết thêm về siêu máy tính, mời các bạn đọc bài viết

Vậy còn mainframe và server thì sao?

Có thể bạn sẽ nghĩ ngay rằng mainframe nghe cũng giống server đấy chứ. Thực chất, chúng ta cũng có thể xem mainframe là một dạng máy chủ bởi nó cũng có khả năng đóng vai trò làm “hub” cho nhiều máy khác hoặc terminal truy cập vào. Nhiều server có thể cùng nhau tạo thành một mạng lưới (server farm) và sức mạnh tính toán của hệ thống này chính là sự tổng hợp từ tất cả mọi server thành phần. Thế nhưng, nhược điểm của server farm đó là độ ổn định không cao, không thể nào sánh được với mainframe, đi kèm theo đó còn là chi phí bảo dưỡng cao, nhất là với những tổ chức có quy mô lớn. Chưa hết, hiệu quả sử dụng năng lượng của nhiều server nhỏ gộp lại không bằng được một chiếc mainframe duy nhất.
Như mình đã nói ở trên, mainframe là cỗ máy được tạo ra để xử lí một lượng lớn tài liệu, trong khi siêu máy tính tập trung chuyên sâu vào một lượng nhỏ tài liệu nhưng những phép tính thì cực kỳ phức tạp. Siêu máy tính tập trung chuyên sâu vào vận tốc xử lí một yếu tố nào đó và chính vì vậy, nó thường dùng cho những mục tiêu nghiên cứu và điều tra khoa học. Một số độc lạ chính giữa siêu máy tính và mainframe như sau : 1 ) Tốc độ mainframe được đo bằng MIPS, tức bao nhiêu triệu hướng dẫn mà máy hoàn toàn có thể được thực thi trong một giây. Trong khi đó, siêu máy tính thì đo bằng FLOPS, tức bao nhiêu phép tính dấu chấm động hoàn toàn có thể xử lí mội giây. Nói về năng lực thống kê giám sát, supercomputer mạnh hơn mainframe. 2 ) Mainframe được kiến thiết xây dựng để xử lí ” thanh toán giao dịch ” một cách không thay đổi, và thanh toán giao dịch ở đây cũng giống như khái niệm được hiểu trong quốc tế donah nghiệp. Nó gồm có những việc như update cơ sở tài liệu về lượng hàng còn trong kho, đặt vé máy bay, giao dịch chuyển tiền, … Với mỗi ” thanh toán giao dịch “, những thao tác mà máy hoàn toàn có thể thực thi đó là đọc và ghi tài liệu vào đĩa, gọi những hàm / tính năng của hệ quản lý và điều hành, chuyển dời tài liệu từ mạng lưới hệ thống này sang mạng lưới hệ thống khác. Để biết thêm về siêu máy tính, mời những bạn đọc bài viết Tìm hiểu cơ bản về siêu máy tính, những cỗ máy phức tạp và can đảm và mạnh mẽ. Nhiều tin tức về siêu máy tính cũng hoàn toàn có thể xem qua tag siêu máy tính Có thể bạn sẽ nghĩ ngay rằng mainframe nghe cũng giống server đấy chứ. Thực chất, tất cả chúng ta cũng hoàn toàn có thể xem mainframe là một dạng sever bởi nó cũng có năng lực đóng vai trò làm ” hub ” cho nhiều máy khác hoặc terminal truy vấn vào. Nhiều server hoàn toàn có thể cùng nhau tạo thành một mạng lưới ( server farm ) và sức mạnh thống kê giám sát của mạng lưới hệ thống này chính là sự tổng hợp từ toàn bộ mọi server thành phần. Thế nhưng, điểm yếu kém của server farm đó là độ không thay đổi không cao, không thể nào sánh được với mainframe, đi kèm theo đó còn là ngân sách bảo trì cao, nhất là với những tổ chức triển khai có quy mô lớn. Chưa hết, hiệu suất cao sử dụng nguồn năng lượng của nhiều server nhỏ gộp lại không bằng được một chiếc mainframe duy nhất .

​

Đây là một server farm, gồm có nhiều server đặt trong một tòa nhà gọi là data center​

​