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最快“芯” 引领史上最经典大型主机[图]

归档日期:04-23       文本归类:二进制单元      文章编辑:爱尚语录

  自从发明计算机以来,人类的信息化历史进程得以加速推进。如果将全球各地的PC比大树上的枝繁叶茂,点缀一方沃土摇曳一股清风;那么超级计算机就是整个森林,涵养一片水土净化一股清新。再多的枝叶也不是森林,枝叶需要树干来支撑。然而,在超级计算机和PC的背后,还有另外一个重量级角色——大型主机(大型机)……

  它没有庞然大物超级计算机那么臃肿的“肥胖身材”,也不像PC那么“弱不禁风”的瘦削;既没有超级计算机那种UNIX系统的基因,也不是PC那般通用处理器的大众脸。专有的指令系统,专有的商业应用领域和专有的冗余备份构建起来的计算机系统——大型机,在2012年8月28日,IBM不声不响地为其增添了新的注解。

  大型主机,又称大型机,本来是人类计算机发展史上最为璀璨的结晶之一。在过去多年来,由于小型机和x86服务器在性能和稳定性方面拥有卓越的表现,使得大型机已经被尘封为一段辉煌岁月的注解。然而,不仅技术娴熟、在企业级领域拿捏得心应手的蓝色巨人IBM,同样对市场也是运筹帷幄之中。近几年,IBM屡屡挥动重拳,将大型机的活力得到无限释放:

  2012年8月,IBM新推装备世界最快处理器的大型机zEnterprise EC12——新产品新活力注入新市场;

  2011年12月,IBM破天荒地宣布,zEnterprise大型机将支持Windows系统——秉承开放顺应潮流统一管理;

  2011年7月,IBM宣布基于x86架构的System x刀片和大型机实现兼容的混合方案——异构与匹配型环境实现互操作;

  2010年7月,IBM推出zBX刀片扩展系统允许大型机、Power7和System x服务器工作负载实现共享——构建统一的虚拟平台管理。

  【命名】:大型机(Mainframe)其实并没有超级计算机大,但为何叫大型机呢?该名字来源于国外Mainframe——也就是将这种大型主机上的处理器、通信设备、内存等子系统全部融入在一个frame(机柜)中并形成一个完整的计算机系统。如果不考虑其专有指令系统和专有冗余备份技术,其实它就是超豪华版的PC主机。

  ·单独进程:任务管理、程序管理、负载管理、内部地址空间、通信、文件目录、数字队列

  【架构】从历史上看,大型机与分布式计算相反,采用集中式计算。这意味着所有的计算任务都有赖于大型机自身的处理器单元。

  【公司】研发生产大型机需要耗费巨额资金且具有雄厚技术实力。最早一批大型机的开发起码需要几十万美元,而上世纪60年代至70年代则需要取决于需要而有所不同(但一般都在数百万至千万美元之间)。因此,开发大型机的厂商都是顶级的大型企业:日立、DEC、富士通、IBM、NEC、西门子、Unisys和Sun。

  【操作系统】大型机一开始是没有操作系统的,它们大多数都采用硬接线。后来由于编程的发展和内存对系统的支持,逐渐采用UNIX、Linux、VMS、Z/OS、Z/VM和VSE/ESA。后三者是IBM的操作系统,而且VMS、Linux和Unix也可以运行在IBM大型机上(去年IBM宣布某些大型机支持Windows系统)。

  下面,就让我们借最快“芯”zEnterprise EC12大型机来回顾下历史上划时代的大型机风采。

  大型机的建造始于Mark I,随后涌现出其他几十种大型机和厂商。在介绍首个大型机MARK I.之前,我们有必要交代下它出现的背景。1940至1944年间,计算机已经从科学计算领域发展到了其他领域,并且约来越多地已商业应用为导向。该时期也是计算机为军事战争而应用的首个时期(二战)。

  在此背景下,1943年哈佛大学的Howard Aiken与IBM合作,设计出首个可编程计算机MARK I(马克一号)。这套计算机系统在当时的机电时代堪称顶级。该大型机在1944年投入运营,其体积占据了整个建筑。在交付完成后,IBM将其捐赠给哈佛大学。所以,该大型机又名 “Harvard”。

  相比其他大型机,很多人可能不太熟悉这款产品。哈佛大学的Howard Aiken与IBM

  MARK I被称之为“现代电脑的开端”是“真正电脑时代的曙光”。它的大小为16米(51呎) 长,2.4米(8呎)高,2呎深。重达4.5吨。由开关、继电器、转轴以及离合器构成。使用了765,000个元件以及几百里长的电线,其基本计算单元使用同步式机械,所以它有一根15米长的传动轴,并由一颗4千瓦的马达所驱动。

  MARK I可以储存72组数据,每组数据有23位十进制数字。每秒可执行3次加法或减法。一个乘法需耗时6秒,一个除法则为15.3秒,计算一个对数或是一个三角函数需花费超过一分钟时间。

  该大型机通过打卡纸来读取、执行每一道指令,每一个循环的结束需要利用打卡纸首尾相连,并且将程式码和资料分开放置,这也就是众所周知的“哈佛结构”。

  1947-1948年间,集中涌现出第一批计算机,这时期计算机的特点是机电结构和实现部分编程。在这期间,ISO成立(1947年),并且从此在标准化编程语言和其他通用计算类别比如操作系统方面扮演重要角色。

  1947年,第一代现代编程计算机被发明。1948年1月24日,SSEC(选择性顺序电子计算器) 使用了电子产品和继电器,它的运行速度要比Mark I快250倍。同年10月9号,诺斯罗普飞机公司和电子控制公司签约,合作建设BINAC二进制自动计算机(Binary AutomaticComputer)。它是人类第二台存储程序电脑(即今天意义上的通用电脑),也是美国的第一台通用电脑。

  BINAC拥有两个彼此独立的CPU,每个都有512字的水银延迟线存储器(早期计算机内存)。 CPU会持续不断地对结果进行比较以实现硬件故障导致的错误。它使用了约700个线字的水银延迟线个通道。处理器的主频为4.25MHz,意味着其处理一个字需耗时10微秒(ms)。

  新的程序或数据必须使用8键键盘手动输入。 BINAC最显著的特点激素,它能够对二进制数 字进行高速运算。BINAC在1949年3月运行了一个包含23条指令的测试程序,并且之后陆续开展了多项程序测试。

  结束各种测试之后,BINAC正式被交付给诺斯罗普。不过诺斯罗普员工说, BINAC从来没有正常工作过。虽然它能胜任一些小问题,但作为生产用的机器来说并不够好。诺斯罗普将BINAC的问题归咎于它没有被妥善包装、运输(诺斯罗普出于安全考虑,拒绝EMCC技术人员 对BINAC进行组装,取而代之的是新毕业的工程系学生来组装。)而在EMCC看来,BINAC是 一款见证工程质量的设备。

  UNIVAC I一开始被用于美国人口普查,它是使用晶体管的计算机,标志人类进入了第二代计算机发展时代。UNIVAC-I第一次采用磁带机作外存储器,首先用奇偶校验方法和双重运算线路来提高系统的可靠性,并最先进行了自动编程的试验。

  UNIVAC是第一部量产的电脑,它总共运行了7万多个小时才退出使用。使用5200根线千瓦电力,所使用的水银延迟线存储器(Delay Line Memory)能储存11个正十位数字组1000个(72位元字组)。

  UNIVAC不像IBM的电脑,配备有打孔卡读卡机,1930年代风行的金属磁带(即UNISERVO)导入后,结果与有些商用资料储存器件并不相容。那个年代,其它电脑都用高速的打孔带和现代的磁带(Magnetic Tape Data Storage)作为输出输入设备。

  UNIVAC-1使用的水银延迟线cm的管子,内部充满水银,两端各有一个转换器分别进行电-声转换和声-电转换,这样,脉冲信号从管子的一端进入,转换成超声波,960ms后超声波到达管子的另一端,然后再转换成电信号输出。

  Whirlwind由麻省理工学院研制,是第一台实时操作的计算机。它采用了显示器作为视频输出,而且是第一台非简简单单更换机械系统的计算机,也就是说是一台不同于前一代的产品。

  这台机器是在上世纪60年代“冷战”时期建立起来的,它的作用是用于北半球防空的需要。因此,它的发展直接影响到美国空军半自动地面环境系统(Semi-Automatic Ground Environment,SAGE),而且也对上世纪六十年代的微型计算机和企业级计算机的发展产生重要影响。

  到1947年,Forrester和Robert Everett合作完成了高速存储程序计算机的设计工作。那个时候大部分计算机都在位串行模式下操作,使用单个比特位算数和海量字库,通常为48或者60位大小,一次一个比特。为了实现更快的速度,Whirlwind包括16个这样的计算单元,在位并行模式下实现每个周期完成一个完整的16位字。不考虑内存性能的话,Whirlwind基本上是其他机器速度的16倍。现在,几乎所有的CPU都是在“位并行”模式下做工作。

  Whirlwind设计采用由主时钟驱动的一个控制存储。时钟的每一步都会在二极管矩阵中选择一个或者多个信号线名工程师和技师)着手开始建设Whirlwind。建设过程耗时三年,并于1951年4月20日上线运行。该建设项目耗资平均为1百万美元每年,它比同期其他大部分计算机的开发成本都要高不少。

  Whirlwind I作为SAGE的支持平台一直服役到1959年6月30日。随后,一个叫Bill Wolf的项目团队以每年1美元的价格把它租下来,并一直使用到1973年Whirlwind一开始设计要求每个16位的随机存储2048字(2K)。而在1949年只有两种内存技术才能满足如此之多数据的技术,它们分别是水银延迟线存储和静电存储。设计师很快就放弃了延迟线作为内存——对于飞行模拟器来说速度太慢;对于生产系统来说太不可靠,这样以来Whirlwind的用意就是一个功能样机。

  在Whirlwind设计完成并运营之际,更大更快的Whirlwind II设计工作也随之展开。但很快,这种工作耗费了麻省理工学院太多资源。为此,后来决定不研制Whirlwind II,而只将精力集中在原机的编程应用上面,也就是现在称之为Whirlwind I的东西。后来IBM基于此设计出AN/FSQ-7——也就是胎死腹中的Whirlwind II。因此,AN/FSQ-7有时会被错误地称为“Whirlwind II ” ,其实它们并不是同一种机器或设计。

  在上世纪六十年代早期,IBM就开始着手研发System/360(S/360)。System/360的问世代表着电脑有了一种共同的语言,它们都共用代号为OS/360的操作系统(而非每种产品都用量身订做的OS)。让单一OS适用于整个系列的产品是System/360成功的关键。

  System/360是IBM在1964年宣布推出的一款大型计算机系统家族,并在1965年至1978年间陆续交付此类大型机。这是第一款覆盖完整应用(从商业到科研,从小应用到大应用)的计算机家族。

  System/360家族中计算速度最慢的为0.0018MIPS到0.034MIPS之间,而最快的则为50倍的装配8MB主内存的计算机性能。S/360获得巨大成功,允许客户购买小型的精简配置而无需重编程的应用软件的系列。这款计算机被认为是历史上最具成功的产品之一,对未来的计算机设计有重大影响。

  System/360开创了计算机兼容性的时代,可支持各产品线以及其它公司各个产品型号协同运行。它也标志着新兴的信息科学领域以及对复杂系统的理解的转折点。System/360拥有多个型号,相比当时业界的普遍做法,IBM创建了整个计算机产品线,涵盖中小企业到大型企业机构用户,也涉及了高中低端不同性能的计算机产品。当然,它们采用的是相同的指令集。

  System/360产品家族采用全新架构,是目前仍在每台计算机中使用的八位字节的先驱者。该产品共有六个处理器型号,涵盖的性能范围提高了50倍,并且涵盖 54种不同的外围设备。这些设备包括多种类型的磁存储设备、显示设备、通信设备、读卡器和打孔卡、打印机以及光字符阅读器。

  IBM最终交付有14个型号的System/360,其中包括为NASA提供的75型号。最便宜的为System/360-20,它仅有4K核心内存和8个16位寄存器,而不是主流的16个32位寄存器。在1964年宣布的最先一批包括30、40、50、60、62和70型号。前面3款型号主要为中低端系统,针对的是IBM 1400系列市场,在1965年中开始发售。后面3个型号则旨在取代7000系列,它们都从未知市场上销售过,最终被65和75型号所取代。这两款型号分别在1965年11月和1966年1月发售。

  再后来出现有更为廉价的20型号(1966年)、22型号(1971年)和25型号(1968年)。22型号是30型号的缩水版:更小的内存和更低的I/O通道,以及更少的硬盘和磁带容量。1966年推出的44型号是专门针对中档科学应用领域的大型机,配备有较高硬件浮点但指令集较为有限。

  System/360高端系列包括67型号、85型号、91型号、95型号和195型号。85型号是System/360和System/370的过渡产品,是370/165型号产品的基础。值得一提的是,System/370也有195型号的版本,但它不含有DAT动态地址转换功能。

  谈到DAT,我们就不能不提System/360-67。这款计算机最早在1965年宣布推出,是IBM system产品中首个提供DAT动态地址转换硬件支持时间分享。所有的System/360在1977年底退出历史舞台。

  在System/360体系结构发布后半年,IBM就开始筹划开发基于单晶硅电路技术的新型计算机体系结构。也就是我们要介绍的 System/370。

  1970年6月,IBM发布Syste/370的两个型号:155和165。之前我们提到Syste/360开创了计算机兼容的时代。因此,这款 System/370大型机也同样能与System/360实现兼容。在System/370体系结构中引入了虚拟存储器的概念。虚拟存储器需要一个地址转换机制去增加应用程序可用的存储空间,它使得计算机系统具有比实际配置的内存大得多的存储空间。之后的1972 年推出的System/370-158和168系统也都采用了这种虚拟存储器技术。

  System/370-158和168系统还采用了多处理器技术(也就是UNIX计算机中的对称多处理器)。随着用户应用程序对系统主存 和交互处理能力需求的增长,IBM将基于System/370体系结构的产品划分成两个相互兼容的产品系列,也就是30xx大型机系 列和43xx大型机系列(“xx”代表数字)。

  1976年底,System/370已经发展成为具有17种不同型号的庞大大型机家族。并在之后的几年,IBM公布了扩展的System/370 体系结构(370-XA)。它将地址线位),增强了System/370的寻址能力,同时保留24位兼容方式( 向上兼容)。使得原来24位地址写的应用可以无缝在System/370-XA上运行。

  System/370-XA还增加了扩展存储器,这种存储器与主存分离,用来保存计算机中最为常用的信息,从而显著提升性能。在1988年,System/370体系结构得到进一步改进。IBM发布了ESA(Enterprise System Architecture)/370。ESA/370增加了 访问寄存器,改进虚拟存储性能,从而可以实现应用访问虚拟空间。

  紧接着之前介绍到的ESA/370,在1990年9月,IBM正式推出了更高级别的大型机系列ESA/390——它也是IBM最后一个31位寻址/32位数字大型机。它在IBM大型机System/370和64位z/Architecture中扮演承上启下的作用。

  该系列大型机都统一以System/390(简称S/390)名称售卖,它也是首个采用CMOS CPU(Complementary metal-oxide-semiconductor)电子技术的高端大型机架构,大大降低企业计算运营及维护成本的同时大幅度提高了性能。另外,它面向企业的真实需求而对计算机系统进行配置。也就是更加重视企业用户的需求而设计开发,从而在企业投资中能得到最高收益。为此,基于该System/390产品就涌现出了包括9672系列、2003系列、3000系列,系统类型又可分为上百种。

  相比上一代大型机System/370,System/390在体系结构上主要有如下变化:

  企业系统连接结构ESCON:这是一种新的输入输出结构,它定义了一套规则,使诸如存储器子系统、控制部件、通讯控制部件等I/O设备都通过这套规则与处理器相连接。ESCON使用光缆通讯,而不再使用以前在System/370上使用的电信号。使 用光纤通信后,不仅大大提高了I/O设备和通道之间的信号传输速度,而且还可以把I/O设备放置在远离处理器几十公里以外的地方。

  -加密结构:在System/390中,计算机通过集成密码特征来实现对计算机中的信息进行加密或解密,以防止信息被非法访问。

  -子系统存储保护:防止诸如CICS等子系统对存储器的干扰。这个功能由操作系统和子系统共同提供。

  -数据压缩:System/390在硬件级上提供数据压缩,其速度是软件压缩的5倍以上。

  -异步数据转移结构(ADMF):利用I/O处理器去更有效地实现中央存储器与扩展存储器之间的信息移动,以空出处理器来完成其它任务。

  说到大型系统,特别是大型机,就不得不提作为IBM System系列服务器家族中的Z系列服务器,这一类产品面向大中型企业,以及拥有大型数据库而操作复杂的企业。

  z900一台性能强大的大型机(相比前代产品来说)。它将IBM最新设计的z/Architecture融入到了64位的数字世界中。根据介绍,这款产品提供有两倍于前代产品的性能。在64位中新型的CPU也能获得比原先31位寻址更好的空间响应。

  System z9是一款采用z/Architecture的大型机,也就是以前俗称的ESAME。 z/Architecture是代替此前31位寻址和32位数据ESA/390架构的64位架构体系,它保留了对原有24位寻址和32位数据System/360架构的兼容。这种架构体系的主要优势在有利于密集型业务应用(比如DB2,不再受限于31位内存),而且老旧的应用程序在不进行更改的情况下也可以实现运行。

  System z9主要包括Enterprise Class(EC)和Business Class(BC)。z9 BC充分利用了 System z9 平台的创新性,并能为包括中小型企业在内的广泛客户创造价值。z9 BC 提供低成本的入门点、细化的升级、灵活的配置、降速定价以及 按需使用开关,能满足传统和新工作负载不断增长和变化的需求。而z9 EC则面向企业数据中心,通过扩展在原有的物理尺寸上提供更大容量的大型机,提供了更大的可用通道带宽和更多的 FICON 通道。其增强的预约可用性、冗余 I/O 互连以及增强的驱动程序维护功能可提高z9 EC的可用性。

  System z9允许客户在一个最多拥有60个逻辑硬件分区的单一系统上创建上百的虚拟服务器,这个数量相当于IBM eServer z990所拥有的LPAR数量的两倍。 通过与IBM虚拟引擎软件的新版本和IBM Director相结合,System z9可以作为数据中心的核心,能够管理跨越其他平台的资源。

  另外,它还引入了IBM TotalStorage SAN卷控制器所提供的互操作性功能,以便连接到运行在z系列服务器上的Linux环境。这一功能将允许z系列客户通过由IBM TotalStorage SAN卷控制器管理的多种配置,使用传统上连接到各种开放环境中的存储,包括能够利用IBM TotalStorage SAN卷控制器创建的分级存储环境。

  System z10采用4.4GHz频率的四核处理器,支持1.5TB的内存、高速网络Infiniband的数据速率也达到6GBps,这个速率是z9服务器性能的两倍之多。在性能方面,比上一代的z9整体上能提升50%以上,同时它对于处理器密集的应用程序在性能方面提高了2倍。

  System z10 企业级服务器 (z10 EC) 是专为满足这些业务需求而设计的世界一流的企业级服务器。z10 EC为企业发展和大规模整合,实现更高的IT安全性、弹性和可用性,以及降低IT风险提供了全新的性能和容量,同时引入了即时资源分配来响应不断变化的业务需求。

  另外,在整合分布式服务器时降低能耗和节省占地空间方面进行了专门的设计。EC所采用的专用引擎也将继续帮助用户扩展在大型主机平台上使用更为广泛的应用,并帮助降低拥有成本。

  继推出企业级System z10 EC大型主机后,IBM推出了System z10 BC大型主机,该大型机主要面向制造业、金融、电信等行业中的中小企业用户。

  新发表的System z10 BC(Business Class)大型主机与前代System z9 BC不同之处,在于开始采用四核心处理器,主机内部可搭载最多10颗处理器,系统运算速度提升4成,整体运算容量也增加5成,内建的内存容量则为其4倍。此外,z10 BC另一个改善之处在于浮点运算从十六进制改为十进制数。

  System z10 BC除支持一般性应用之外,因同时支持了其它不同应用环境的加速引擎,因此可支持Linux、SAP及Java等特殊应用,以系统容量设定达130种来看,适用于整合企业不同作业应用。

  z196 的这种设计能够提高每台服务器的容量和可用处理器内核数量,同时可降低耗电量和占地面积,非常适合进行大规模整合。虚拟化功能可支持在单个内核上部署多达47台分布式服务器,在单个系统上部署多达数千台服务器。

  zEnterprise EC12采用了zEC12芯片,六核5.5GHz主频,也是基于z/Architecture。zEC12满配36个处理器、最高120个内核,其中101个内核可直接用于运行操作系统和各种应用负载。具体可分配处理器内核数量因zEC12型号不同而不同。这一点,可以具体参考笔者此前专门写过的一篇名为《装备世界最快“芯” 大型机zEC12解密[图]》的文章。

  在IBM看来,zEC12是最具安全性的enterprise systems产品,提供有多种能满足不同行业的安全和合规性的功能,能够满足当今和未来关键业务和信息的更高安全性和高效管理需求。利用zEC12提供的业务分析和近实时工作负载监测和分析功能,可以满足用户几乎所有环境下的各种工作负载。

  zBX基于IBM BladeCenter技术,单个zBX节点可容纳最多112个刀片。在刀片和z大型机直接可支持万兆网络互连。当然,zBX还支持IBM DataPower刀片。

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