メインフレーム

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出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2024/01/19 19:53 UTC 版)

特徴

メインフレームは長い歴史と複数のアーキテクチャを持ち、また専用のハードウェアと専用のソフトウェアが一体として設計・拡張される。一般的な特徴と傾向は、以下が挙げられる。

各メーカー独自のハードウェア、OSなどを備える場合が多い（ただしオープン対応も進められている）
複数業務の並行稼働性に優れている（I/Oを含めた平行稼働、ワークロード管理）
特に大規模バッチ、大規模帳票出力業務などに強い（安定したスループット）
各種の信頼性（徹底した冗長化、問題判別用の各種トレース、細かい単体FIXの迅速な提供など）
販売価格、保守費用とも非常に高価（個別見積もり、リース利用が大半）
筐体が大きい（過去には複数フロアー占有、CMOS空冷化以降はUNIXハイエンドと同規模）
良くも悪くもベンダーへの依存度が高まりやすい（他社との単純比較は困難、詳細な運用情報のガイド等）

以下は主にIBM系（IBM、富士通、日立製作所）を中心に説明する。

CPU

マイクロプロセッサの時代以前は、メインフレームの「本体」と言うべき筐体がCentral Processing Unitすなわち「CPU」であった（そもそもそれが「メインフレーム」であるわけだが）。マイクロプロセッサが生まれた後も、性能上の理由から（マイクロプロセッサはMOS（初期以降はほぼCMOS）であり、メインフレームで使われていたTTLやECLに比べて遅い）メインフレームのCPUは複数チップから構成されていた（CMOSに比べて集積度が上げられないため）。

1980年代までは、そのため発熱も大きく、とくに上位モデルでは液冷（水冷）とする機が多かった。1990年代に各社ともCMOSマイクロプロセッサに移行し、同時に発熱量が下がったため空冷として低価格・小型化した。その余裕をマルチプロセッサ化に振り向けることで性能は保たれた。ECLを使用した最後に近いものとしては1999年日立のMP6000がある。2001年発表のAP8000ではCMOS化した。

現在は、独自仕様のマイクロプロセッサを複数（最大64個など）搭載するものが多い。

IBMのアーキテクチャでは、System/360は32ビット（アドレス24ビット）、System/370-XA 以後は32ビット（論理31ビット。1ビットは互換性のために使用）、z/Architecture 以後は64ビットである。

GE・ハネウェル系である日本電気のACOS-6系はワードマシンであり、独自アーキテクチャである。同社のACOS-4やBullのGCOS 8は、バイトマシンであり、仮想化技術を使用してItanium 2によるエミュレーションに移行した。またACOS-2はXeonに移行した。しかし2012年にはi-PX9800/A100を発表し、将来性や性能面から上位機種はItanium2から独自開発プロセッサの「NOAH-6」に戻った^[20]。

日本国内でも、メインフレームの需要が減少したことから、メインフレームの製造は減少しているが、日立 (AP8800E)と富士通 (GS21)は共に独自プロセッサによるメインフレームを続けている。前述のようにIA-64プロセッサによるエミュレーションに移行した日本電気も、上位機種で独自プロセッサを再開した（詳細は#メインフレームの再評価（2000年代）を参照）。なお日立は2000年に北米市場での新規営業を停止している^[21]。

ただし、日立とIBMのプロセッサは2001年の発表によれば共同開発である^[22]。

ユニシスの場合、大型機では独自のプロセッサを搭載している。中小型機では、Xeonを搭載し、OS2200系及びMCP系中型機ではLinuxベースのファームウェアによるエミュレーション、MCP系小型機ではWindows Server上で稼働するエミュレータ(MCPvm)によりそれぞれ独自OSを稼働させている。大型機・中型機の場合、コンソール制御用にオペレーション・サーバと呼ばれるXeon搭載のWindows Serverを搭載しており、また、Javaアプリケーション実行用に、JProcessorと呼ばれるXeon搭載のLinuxサーバを搭載可能である。

各社に共通して、メインフレームではCPUの性能は全体性能に比例するとは限らない。汎用マイクロプロセッサをほぼそのまま使用するIAサーバやUNIXサーバと異なり、チャネルなどの専用IOを多数搭載し、ファームウェアが性能に大きな比重を占める（使用頻度の高い命令群のファームウェア化、使用頻度の低下したファームウェア機能の削除など）ためである。

IBM System zでは、チャネル以外の専用プロセッサには、Linux専用プロセッサー (IFL: Integrated Facility for Linux)、Java専用プロセッサー (zAAP: System z Application Assist Processor)、DB 専用プロセッサー (zIIP: System z Integrated Information Processor) などがある。これらのプロセッサを使うことでCPUの負荷を低減できるとともに、ソフトウェアのライセンス料の低減も行うことができる。

I/O

チャネルと呼ばれるI/O専用プロセッサを多数（モデルにより最大1024個など）搭載できる。チャネルはI/Oに伴うCPUの負荷を軽減する。オープン系で一般的なインテリジェントな外部バスと異なり、接続経路が高負荷（ビジー）な場合には別経路を選択して使用する、I/Oの飛び越し（優先度の高いI/O要求が来た場合、既に実行中の他のI/Oに優先して結果を返す）などができる。

一般に「メインフレームのCPUは高速と思えないのに、高負荷時にも安定稼働して一定の応答時間も得られる」、「オープン系のCPUは高速なのに、負荷がある時点に達すると急速にスループットが低下する」などはI/Oの基本設計の違いによる場合が多い。これは、メインフレームの場合、I/Oの制御をOSから切り離し、上記の専用プロセッサに任せているためである。したがって、一つの重いI/O要求が発生しても、OSは併行してタスク処理を進めるので、著しいレスポンスの低下を回避できる。これに対し、オープン系は、I/O要求が発生するとWIO (Wait I/O) 状態となり、CPU側でビジー状態ではないにもかかわらず、資源が使えなくなる事がある。よって、高速CPUを用いても、I/O処理が重い、高負荷等の事象が重なると必然的にレスポンス低下に至る。以前はメインフレームも似たような方式であったが、1980年代頃より現在の制御方式となり、I/O処理の部分がさらに強化された。なお現在のIBMメインフレームでは、各チャネルの内部的には複数のPOWER系プロセッサが搭載されている。

また周辺機器との物理接続は、昔は同軸が主流だったが、現在はファイバー（FICON・ファイバーチャネル・FIBARCなど）が主流である。同軸ケーブルの場合、接続上の制約（パラレル転送による制限長）やケーブリング自体の負荷（1つのチャネルに直径3 - 4cmの同軸ケーブル2本の敷設が必要）など、インフラ面での設計が容易ではなかったが、FICON以降、軽減されている。

クラスタリング

メインフレームでは複数のOSが同一の磁気ディスク装置を共有（シェア）する事は一般的であり、整合性を保つためのキャッシュやロックなどの排他制御は、OSレベルで実現している（IBM IRLM・並列シスプレックスなど）。

更にミドルウェアのクラスタリング機能 (IBM XRFなど)を組み合わせた場合は、障害発生時にディスクやプロセスの引継ぎをする事なく、待機系（アクティブスタンバイ）が瞬時に処理を引き継ぎ、ユーザには瞬間的な業務停止も見せない、更には障害機で処理中であったトランザクションも、TPモニタのログから可能な限り復元し引き継ぐ事ができる。

これらの機能は1980年代には一般的で、2008年現在でも多数の金融機関などで使用されている。

OS

メインフレームでは各社の複数の独自OSに加え、一部はオープン系のOSも同時稼働できる。

「メインフレーム#種類」も参照

IBM系（IBM、富士通、日立製作所）の主流OSは、歴史的にはバッチ処理主体で始まり、複数アドレス空間、I/O割込ベースのマルチタスク、ジョブ制御言語によるプログラマーとオペレータの分離などを持つ。更にオンライン・リアルタイム処理のためのタイムシェアリング、トランザクション処理を構築した。各社OSとも大規模用と中小規模用の流れがあり、コマンドやジョブ制御言語の構文などが異なる。「メインフレームのOS」と言うとこれらを指す場合が多い。

「データセット (IBMメインフレーム)」および「ファイル編成法」も参照

IBM系では以上の主流OSの他、仮想化用、特殊用途用、UNIXやLinuxなどのオープン系OSもある。

日本電気のACOSとBullのGCOSは、歴史的にMulticsの流れを汲み、最初からオンライン（タイムシェアリング）とバッチ処理を行い、UNIXのような階層化ファイルシステムを持つ。

なおオープン系OSの稼働方法には以下があり、サーバ統合のレベルや、サポートされるアプリケーションに相違がある。

オープン系OSをメインフレーム専用CPUに移植する (IBM Linux on System zなど)
専用OS用の専用CPUとは別に、オープン系OS用のCPUを搭載する（ユニシス ClearPathなど）
オープン系OS用のCPUに、専用OSを移植する（日本電気 ACOS-4, ACOS-2, Bull GCOS 8など）

仮想化

IBM系（IBM・富士通・日立製作所）では、以下の組み合わせでOSを同時稼働させる事ができる。

物理分割（物理パーティション (PPAR) ごとに、OSを稼働できる）
論理分割（論理パーティション (LPAR) ごとに、OSを稼働でき、割当資源を動的に変更できる）
ソフトウェア分割（専用の仮想化用OSを使用し、仮想機械上でOSを稼働でき、割当資源を動的に変更できる）

IBMの場合は、いずれの場合でも専用OS (z/OS, z/VSE, z/TPF) およびLinux for System z が同時稼働できる。（Linux だけを多数稼働させても良い）。

ユニシス (ClearPath Server シリーズ)では、最大8パーティションに分割できる（IBM系の物理分割に相当すると思われる^{[独自研究?]}）。

オープン対応

1990年代に各社とも、イーサネット・TCP/IP・各種の連携機能などには対応しているが、オープン系のOS (UNIX, Linux, Windows) そのものを稼働させる方法は、各社で相違がある。大別して外資系（IBM・Bull・ユニシス）は積極的で、国産各社は消極的と言える。

IBMはOS/390以後は専用OSでもUNIX互換環境 (USS) を標準とし、更にLinuxはネイティブ（専用OSを全く使用しない）でも稼働できる。

富士通は、PRIMEQUEST・PRIMEFORCE等で同一筐体にIA/UNIXサーバ (Solaris, Windows Server等)を搭載できる。

日立製作所は一時Linux for MP Seriesを出したが現在出荷はされておらず、現状ほとんどの環境で上位シリーズ (VOS3系)では下位シリーズ (VOS1, VOSK系)ともに、オープン系のOSは稼働しない。

日本電気は各シリーズ (ACOS-6, ACOS-4, ACOS-2系)ともオープン系のOSは稼働しないが、仮想化技術を使用してACOS-4はItanium2に、ACOS-2はXeonに移行した。

Bullは NovaScale 9000 (Itanium2) で、独自OS (GCOS 8) の他、Linux・Windows Serverも稼働できる。

ユニシスは ClearPath Server（独自CPUおよびXeon）で、独自OS (OS2200またはMCP)と、Linux・Windows Serverも稼働できる。

なお、同一筐体であってもオープン系OSをネイティブで稼働する場合は、メインフレームの利点はハードウェア面の信頼性や仮想化などになり、ソフトウェア面（専用OS）の利点・特徴は無くなる。

セキュリティ

メインフレーム（ハードウェアおよび専用OS）のセキュリティは、最初から企業などの大規模組織での使用を考慮した、基本設計によるものが大きい。

ユーザーやプログラムは、自分以外のアドレス空間は原則アクセス不可能。（ハードウェアでフラグを持っている。他に起動しているアドレス空間（プロセス）を知る事も不可能。アドレス空間同士の連携はCSAなどメモリ上のデータ域か、SSIなど極めて特殊な権限事前登録後の特定アドレス間のみ。）
ユーザーやプログラムは、自分用に指定された磁気ディスク装置以外は、原則アクセス不可能。（ジョブ制御言語 (JCL) で指定されたデータセット以外は存在を知る事も不可能。動的割当（ダイナミック・アロケーション）も基本的には同様。）
システムの権限が分散されている。（OS管理ユーザ、データ管理ユーザなどが別々に設定できる。オープン系のようなスーパーユーザは存在しない。いわゆるセキュアOS。）
運用上もプログラマとオペレータは分離されている場合が多い。（プログラマはOSのコマンドは使わない、オペレータはプログラムを書くことはない）
ソフトウェアからマイクロコードにアクセスする事はできない。
論理パーティション (LPAR) 間のTCP/IP通信を仮想化した場合、メモリ間となり筐体外に出ない。

オープン系では通常、ネットワーク経由で進入後、脆弱性を攻撃しスーパーユーザに昇格さえできれば、そのコンピュータは完全に支配下に置ける。メインフレームの場合は、仮に同様の攻撃に成功しても、1アドレス空間しか支配できず、他のアドレス空間や他のデータセットへの読み書きもできず、システム全体の管理ユーザーにもなれない。

なお、過去には以下も要因であったが、メインフレーム固有とは言えない。

施錠されたマシンルームに保管され入室が厳しくチェックされていた。
ネットワーク回線は専用線を基本とした。（公衆回線は避けられた）
ネットワークプロトコルが独自で、各セッション単位で集中管理でき、常時監視（ポーリング）されていた。

また「メインフレームのセキュリティが高いのは、数が少なく標的とした攻撃やウイルスが少ないため」という説明が広くされているが、メインフレームには世界中の銀行・政府・軍事情報が格納されていることを考えると妥当ではない。

ただし、上記は全て専用OSの場合であり、UNIXやLinux, Windowsをネイティブで稼働した場合は、OSレベルのセキュリティは、そのOSのレベルとなる。

プログラミング言語

メインフレーム上で使われている主なプログラミング言語には、当初からの各アーキテクチャ用のアセンブリ言語に加え、伝統的な高級言語であるCOBOLやFORTRANやPL/I、およびC言語・C++・Javaや、各ベンダー独自の第四世代言語 (4GL) などがある。

メインフレームでは同一アークテクチャ内のCPU命令セットや入出力命令の上位互換が厳密に維持されている場合が多いため、アセンブリ言語は制御系や特に性能を重視する個所などに2010年現在でも使われ続けている。高級言語は普及時期がメインフレーム全盛期と重なった事もあり、商用計算ではCOBOL、科学技術計算ではFORTRANが2010年現在でも広く使われている。なおIBMは1980年代のSAA CPIではCOBOL・FORTRAN・C言語を採用したが、メインフレームではPL/Iを併用し続け、1990年代後半からはJavaも推進している。富士通・NEC・日立などでは伝統的なCOBOLやFORTRANを中核とし、C言語やJavaなどを併用している。

性能

メインフレームはI/Oを含めた平行稼働やワークロード管理により複数業務の並行稼働性に優れている。スループットが安定しているので、大規模バッチ、大規模帳票出力業務などに強い。

メインフレームのスピードはベンチマーク値で表される事が多い。歴史的にはMIPS (million instructions per second) で計測されてきた。MIPSはメインフレームの性能を簡単に比較できる。IBMのメインフレームzSeriesの性能は約26MIPS (z890 Model 110) から20000MIPS以上 (z9-109 Model S54) とされている。

しかし、MIPSは誤解を与える指標である。命令そのものの粒度が異なるため、プロセッサのアーキテクチャの変遷に伴って、MIPSが本来持っていた実行命令数という意味は失われている。MIPSは技術的には意味はなく、単に昔のマシンとの性能比較の目安となっているにすぎない。このためIBMはメインフレームに数種類の負荷をかけて計測するLSPR (Large System Performance Reference) レシオを公表している。

同様のことがUNIXサーバでも見受けられる。顧客は用途に合ったタイプのベンチマークで性能を比較するようになってきた。例えばSPECintやTPC-Cなどである。もっとも、それらのベンチマークも全く問題がないわけではない。顧客が自分のシステムにどういったタイプの負荷がかかるのかを分析することは非常に難しく、結果として単にLSPRの値などを使う事になる。そういった意味でMIPSの使い道は残り、IBMや他のコンサルタントはMIPSを公表し続けている。

出典