IBM System/360
Когда речь идёт о мейнфреймах, многие люди в первую очередь представляют семейство компьютеров System/360 от компании IBM - можно сказать, что это самая важная компьютерная архитектура за всю историю. Во многих отношениях семейство IBM System/360 похоже на процессоры 8086 в том смысле, что оно установило стандарт и породило длинную череду потомков, которые живы и преуспевают по сей день. Единственное большое отличие: IBM изначально нацеливалась на успех линейки System/360, в отличие от процессоров 8086, которые приобрели такую большую важность, о которой производитель даже не думал. Многим из вас, наверняка, известно, что Intel даже пыталась "похоронить" набор инструкций x86 с процессорами Itanium.
Итак, вернёмся к мейнфреймам. До System/360 в ассортименте компании IBM был беспорядок: многие системы были несовместимы друг с другом. Не только пользователям было трудно делать апгрейд, но и самой IBM с точки зрения логистики было очень тяжело поддерживать все эти разные операционные системы на разном аппаратном обеспечении. Поэтому IBM решила создать то, что мы сейчас воспринимаем как само собой разумеющееся: совместимую линейку компьютеров с разной производительностью и ёмкостью, которые при этом способны работать с одними и теми же программами. В апреле 1964 года IBM анонсировала шесть компьютеров в линейке, отличавшихся своей производительностью, причём производительность high-end модели по сравнению с low-end моделью была в 50 раз выше. На самом деле, эта цифра вдвое превышала ожидания IBM (компания рассчитывала на увеличение производительности в 25 раз, что само по себе ставило перед IBM много проблем). Даже знаменитый Джин Амдал (Gene Amdahl) считал невозможным улучшение этого значения. Нельзя было просто создать что-то в 25 раз больше, чем самый маленький элемент, нужно было строить всё заново.
Сегодня отключение части процессора или уменьшение его тактовой частоты для некоторого снижения производительности является нормой. Но в те времена было экономически неоправданно создавать high-end процессор и искусственно снижать его производительность в целях маркетинга. Поэтому IBM решила в System/360 применить идею "микропрограммирования", чтобы все члены семейства использовали один и тот же набор команд (за исключением самой low-end модели Model 20, которая могла выполнять подмножество этих команд). Эти команды затем разбивались на ряд "микроопераций", специфичных для данной реализации системы. Таким образом, процессор мог быть очень разным, что позволило повысить показатель, на который рассчитывала IBM, и, как уже говорилось, даже увеличить его в два раза.
Что-то подобное было реализовано в процессорах x86 после Pentium Pro (или даже NexGen Nx586). Впрочем, как уже отмечалось, IBM всё заранее спланировала. Разработчики x86 пошли на это потому, что набор команд процессора был настолько плох, что не мог выполняться эффективно. У микропрограммирования было одно очень важное преимущество, которое нельзя было легко осуществить в микропроцессоре. Благодаря созданию новых микропрограммируемых модулей, System/360 стал совместим с популярным мейнфреймом 1401 в low-end сегменте и даже с 7070 и 7090 в high-end сегменте. Поскольку это было реализовано в аппаратной части, то это было гораздо быстрее, чем любая программная эмуляция, и в общем случае старые приложения работали быстрее на System/360, чем на "родной" системе из-за технологических продвижений.
Некоторые нововведения System/360 используются и сейчас. Во-первых, в системе System/360 был стандартизирован байт как равный восьми битам, и использовалась длина слова в 32 бита, что помогло упростить архитектуру, поскольку оба были степенями двойки. Все компьютеры, кроме самой low-end модели Model 20, имели 16 регистров общего назначения (как и x86-64), тогда как большинство предшественников использовали регистр-аккумулятор, возможно, индексный регистр и другие регистры специальных функций. System/360 мог работать аж с 16 Мбайт памяти, хотя в то время такой объём памяти был недоступен. Самый high-end процессор мог работать на очень приличной тактовой частоте 5 МГц (кстати, на такой частоте работал процессор 8086, когда он был объявлен на 14 лет позже), тогда как low-end процессоры работали на частоте 1 МГц. Модели, появившиеся позднее, в 1966 году, тоже имели конвейерные процессоры.
Хотя система System/360 открыла много нового, она не использовала некоторые важные технологии. Больше всего не хватало динамической трансляции адресов (которая появилась в более поздней модели 67). Это не только не давало возможности реализовать виртуальную память, но и делало машину непригодной для нормального разделения времени, которое становилось возможным, благодаря растущей производительности и ресурсам компьютеров. Кроме того, IBM оставила в стороне интегральную микросхему, а вместо неё использовала технологию изготовления толстоплёночных логических интегральных схем, которая, грубо говоря, находилась где-то между интегральной микросхемой и простыми транзисторами. Что касается программного обеспечения, у IBM было слишком много амбиций насчёт OS/360 (одна из операционных систем, разработанных для System/360). Она вышла поздно, использовала много памяти, не имела некоторых обещанных функций и содержала множество ошибок, которые потом ещё долго оставались неисправленными. OS/360 можно назвать ярким примером провала, хотя IBM в итоге всё же исправила свою операционную систему, которая впоследствии дала очень важных потомков.
Несмотря на все эти проблемы, компьютер System/360 был принят "на ура": в первый же месяц было заказано более 1 100 экземпляров, что значительно превысило ожидания и возможности самой IBM. Система долго оставалась успешной, и у неё появился целый рынок "клонов". Клоны производились и в Советском Союзе. Линейка System/360 должна была быть очень гибкой и легко адаптируемой, область её применения была самой разнообразной (одно только программа Аполлон чего стоит!).
Важнее всего то, что система System/360 дала начало линейке, которая на протяжении 50 лет составляла основу рынка вычислительной техники, и является одной из самых важных с коммерческой точки зрения архитектур в истории компьютеров.
CDC 6600
В то время как IBM занималась разработкой целого ряда совместимых систем в линейке System/360, компания под названием CDC сосредоточилась на другом: на создании по-настоящему быстрого компьютера.
Не обременённый никакими другими заботами, как то совместимость и стоимость, Сеймур Крей (Seymour Cray) мог свободно применить весь свой талант, сфокусировавшись только на скорости. И он преуспел в этом направлении: машина стоимостью около 7 млн. долларов была самой быстрой в период с 1964 по 1969 год, благодаря использованию уникальной архитектуры, основанной на, как бы мы сейчас сказали, асимметричном многопроцессорном дизайне.
Главный процессор работал на невероятно высокой тактовой частоте 10 МГц, но был существенно ограничен в командах, которые он мог выполнять, поскольку это был самый настоящий процессор с сокращённым набором команд (RISC), хотя такого термина тогда ещё не было. Он мог выполнять только очень простые арифметико-логические функции, однако его дополняли 10 логических периферийных процессоров, которые могли делать то, на что не был способен главный CPU, и снабжали его данными, освобождая при этом от обработанных данных. Возможность сделать процессор более специализированным и параллелизм за счёт использования десяти дополнительных процессоров способствовали исключительной производительности машины. Обладая огромным объёмом памяти (128 тысяч слов), этот 60-битный компьютер мог работать с исполняемыми файлами меньшего размера для дополнительной производительности, что для простого набора инструкций было невозможно.
Несмотря на то, что CDC 6600 был прибыльным компьютером, он никогда не покушался на долю рынка, принадлежащую System/360. Как показывает опыт, иногда лучше не конкурировать с IBM там, где она властвует, а попробовать себя в других сферах. Так, например, мейнфрейм CDC 6600 нацелился на ту часть рынка, до которой было не достать даже System/360 Model 75, а компьютер, который мы рассмотрим ниже, занял часть рынка, не принадлежащую System/360 Model 20.
DEC PDP-8
 |
Пока IBM занималась своей внушительной линейкой System/360, компания Digital Equipment Corp. (DEC) готовилась к выпуску компьютера, который тоже окажет значительное влияние на будущее вычислительных систем: PDP-8. Хотя разные компьютеры в линейке System/360 обладали огромным диапазоном производительности и ёмкости, они всё же оставались мейнфреймами, и даже самые low-end модели для многих организаций были не по карману. Основатель компании DEC, Кен Олсен (Ken Olsen) не оставил этот факт без внимания.
Компания DEC начала выпускать компьютеры уже с 1960 года, однако эти модели имели весьма скромный успех и мало повлияли на компьютерную индустрию. Тем не менее, постоянное развитие технологий, главным образом интегральных микросхем, позволило DEC выпустить гораздо более компактный и менее дорогой компьютер, по сравнению с предшествующими мейнфреймами. Интегральные микросхемы позволили значительно снизить энергопотребление и, как следствие, тепловыделение. Это избавило от необходимости оборудовать специальные помещения с кондиционированием воздуха. Когда в 1965 году был выпущен первый PDP-8, он стоил удивительно дёшево - $18 000, что вместе с вышеупомянутыми преимуществами сделало компьютеры доступными для многих компаний, которые раньше считали их приобретение непозволительно дорогим.
Уникальной функцией PDP-1, первого продукта DEC, было использование настоящего прямого доступа к памяти (direct memory access, DMA), который был гораздо дешевле и проще, нежели каналы, используемые мейнфреймами, и сильно не отнимал производительность процессора. Надо сказать, что один канал памяти мейнфрейма стоил дороже, чем весь PDP-1. Прямой доступ к памяти стал использоваться во всех последующих компьютерах DEC, включая PDP-8. Впрочем, не все функции PDP-8, снижающие стоимость, оказались настолько благоприятными. Длина слова в 12 бит значительно ограничила количество непосредственно адресуемой памяти, при этом только 7 бит слова использовались для адресации, позволяя адресовать напрямую только 128 байт. Эту проблему можно было решить, например, путём использования косвенной адресации, при которой 7 бит указывали на область памяти, содержащую фактический адрес, к которому требуется получить доступ. Такой доступ был значительно медленнее, но позволял использовать все 12 бит. Другой способ заключался в делении памяти на сегменты по 128 байт, после чего сегменты можно менять по мере необходимости (и некоторым пользователям после этого не нравятся 64-кбайт сегменты 16-битных процессоров x86). Ни одно из этих решений не было желательным, они сильно ограничивали функциональность PDP-8 с языками высокого уровня. PDP-8 не был монстром скорости и мог выполнять всего 35 000 операций сложения в секунду.
Несмотря на наличие всех этих компромиссов, PDP-8 имел удивительный успех: пока DEC не прекратила производство этих машин, было продано свыше 50 000 экземпляров. Низкая стоимость самого компьютера, низкие затраты на его эксплуатацию и лёгкость установки перекрывали все недостатки PDP-8. Фактически, эта скромная машина породила совершенно новый тип компьютера под названием "миникомпьютер", который за два десятка лет приобрёл огромную популярность и сделал DEC второй самой крупной компьютерной компанией в мире. Пожалуй, жаль, что миникомпьютеры не устояли перед натиском микрокомпьютеров и сейчас являются исчезнувшим видом, заслуживая название "динозавры" больше, чем мейнфреймы. Мейнфреймы всё ещё занимают вершину цепи, и способны решать задачи, непосильные для настольных компьютеров.
System/370
Хотя система System/360 имела большой успех и в некотором отношении была революционной и инновационной, она избегала передовых технологий, дав возможность другим компаниям развивать их. Впрочем, надо отдать ей должное: System/360 хорошо продавалась даже спустя шесть лет после того, как система была анонсирована, и заложила фундамент для последующих поколений, первым из которых был System/370.
Первый выпуск System/370 состоялся в 1970 году и включал в себя всего две машины, названные 155 (на частоте почти 8,70 МГц) и 165 (с частотой 12,5 МГц). Как и следовало ожидать, обе машины были совместимы с программами, написанными для систем System/360, и могли даже использовать те же самые периферийные устройства. Кроме того, была существенно улучшена производительность: System/370 165 работала в пять раз быстрее, чем System/360 65, самая скоростная машина из этой линейки, выпущенная в ноябре 1965 года.
По сравнению с System/360, линейка System/370 обладала рядом новых технологий. IBM наконец-то перешла на использование интегральных микросхем, что уже давно пора было сделать. Большинство моделей в линейке имели память на транзисторах, вместо памяти на магнитных сердечниках. Кроме того, System/370 стала поддерживать динамическую трансляцию адресов (на всех моделях, кроме первых двух) - это была важная технология для разделения времени и виртуальной памяти. Появился также высокоскоростной кэш (80 нс у модели 165), который IBM назвала буфером. Он использовался процессором, чтобы уменьшить относительно длительное (2 мкс, или 2 000 нс) время доступа основной памяти. Ещё одним важным решением было то, что System/370 изначально была построена с учётом двух процессоров и мультипрограммирования.
Несмотря на то, что появление System/370 не было впечатляющим, эта система заделала некоторые "дыры" в System/360, значительно улучшила скорость, расширила набор команд и поддержала высокий уровень совместимости. Это был большой шаг вперёд. System/370 сохранила доминирование компании IBM в мире мейнфреймов.
![Отзывы об истории мейнфреймов в Клубе экспертов THG [ 25 отзывов]](/forum/images/icons/icon5.gif){kind=icon}
