Kiến trúc máy tính lớn (tiếng Anh Mainframe Architecture) là kiến trúc máy tính hiệu suất cao với lượng bộ nhớ lớn và bộ xử lý có khả năng thực hiện hàng tỷ phép tính và giao dịch đơn giản trong thời gian thực. Máy tính lớn rất quan trọng đối với cơ sở dữ liệu thương mại, máy chủ giao dịch và các ứng dụng đòi hỏi cao về khả năng phục hồi, bảo mật và tốc độ.

Kiến trúc máy tính lớn bao gồm một tập hợp các điều kiện và quy định để xây dựng máy tính lớn. Kiến trúc máy tính lớn mô tả cấu trúc tổ chức của một hệ thống máy tính lớn, có thể được phân rã đệ quy thành các thành phần tương tác với nhau thông qua các giao diện, các kết nối giữa các phần và các điều kiện ràng buộc để lắp ráp chúng.

Khả năng

Kiến trúc máy tính lớn đảm bảo khả năng phối hợp tốt các thành phần bộ xử lý (PU), bộ nhớ RAM, các kênh dữ liệu vào ra (I/O channel), các bộ điều khiển (control unit), thiết bị ngoại vi (peripheral devices) để cho phép máy tính lớn đọc vào, tính toán, xử lý và xuất ra dữ liệu lớn với các khả năng:

• Hoạt động với độ tin cậy và bảo mật cao;

• Nhập / xuất dữ liệu từ nhiều thiết bị;

• Tương thích ngược với phần mềm cũ;

• Nâng cao mức độ sử dụng phần cứng thông qua ảo hóa;

• Mở rộng, thay đổi phần cứng (bao gồm cả bộ xử lý và bộ nhớ) khi đang chạy.

Đặc điểm

Ba đặc điểm trong kiến trúc máy tính lớn:

• Tính sẵn sàng: thiết kế dư thừa, khả năng vào / ra vượt trội, khả năng thay thế phần cứng khi đang chạy giúp máy tính lớn không bao giờ ngừng chạy;

• Tính tin cậy: thiết kế với khả năng tự kiểm tra lỗi, tự phục hồi, tự thông báo cho người quản trị trong khi thực hiện hàng triệu hoạt động khác nhau;

• Khả năng mở rộng: thiết kế cho phép phân vùng máy tính lớn thành nhiều máy tính độc lập, chạy các hệ điều hànhriêng, tối ưu cho lưu trữ, phục hồi, bảo mật và mở rộng.

Ngoài ra, kiến trúc máy tính lớn đảm bảo khả năng chạy nhiều chương trình liên tục trong một thời gian rất dài (khoảng cách giữa hai lần hỏng lên đến hàng thập kỉ). Đây là yếu tố quan trọng nhất đối với máy tính lớn bởi nó được dùng cho những mục đích mà chỉ cần vài phút hệ thống không hoạt động sẽ gây ra thiệt hại lớn. kiến trúc máy tính lớn cũng cho phép các hệ điều hànhtrên máy tính lớn bảo mật cao hơn nhiều so với những loại máy tính khác hiện nay. Do đó máy tính lớn cần có những hệ điều hành riêng thay vì dùng Window, Linux, …

Quy định

Kiến trúc máy tính lớn hiện đại còn bao gồm các quy định về:

• Quản lý bộ nhớ bao gồm Bộ nhớ trong, bộ nhớ ngoài, bộ nhớ ảo;

• Quản lý khả năng ảo hóa thành các phân vùng logic.

Đối với bộ nhớ, kiến trúc máy tính lớn quản lý thống nhất bộ nhớ trong và bộ nhớ ngoài. Người dùng và các ứng dụng có quyền truy xuất tới không gian địa chỉ bộ nhớ có thể lên đến 16 exabytes. Dữ liệu trong bộ nhớ được quản lý theo các trang thường dài 4KB. Các trang có thể nằm trong bộ nhớ trong hoặc bộ nhớ ngoài. kiến trúc máy tính lớn tối ưu số lần luân chuyển các trang giữa bộ nhớ trong và bộ ngớ ngoài.

Khả năng ảo hóa cho phép nhóm một tập con các thành phần vật lý của máy tính lớn thành một máy tính mới về mặt logic. Máy tính mới được gọi là một phân vùng logic và có mọi khả năng của một máy tính như bật, tắt, chạy hệ điều hành, chạy các ứng dụng, vào/ra, kết nối mạng. Một máy tính lớn có thể được phân chia thành nhiều phân vùng logic, mỗi phân vùng sử dụng số lượng bộ xử lý, bộ nhớ, các kênh vào/ra, hệ điều hànhvà ứng dụng khác nhau tùy theo nhu cầu.

Các hệ điều hànhchính đang được sử dụng trên các máy tính lớn hiện tại của IBM bao gồm: z/OS (theo sau MVS/ESA và OS/390 trong dòng OS/360); z/VM (theo sau VM/ESA và VM/XA trong CP-40 dòng); z/VSE (thuộc dòng DOS/360); z/TPF; Linux trên IBM Z như SUSE Linux Enterprise Server; một số hệ thống chạy MUSIC/SP và UTS (Mainframe UNIX)...

Lịch sử phát triển

Kiến trúc máy tính lớn được phát triển qua một loạt các thế hệ máy tính, bắt đầu từ những năm 1950 đến nay. Từ những thời kỳ đầu tiên, các máy tính lớn đã được thiết kế để xử lý lượng dữ liệu vào / ra cực lớn và tập trung nâng cao thông lượng tính toán. Từ cuối những năm 1950, kiến trúc máy tính lớn đã bao gồm phần cứng phụ trợ được gọi là các kênh hoặc các bộ xử lý ngoại vi để quản lý các thiết bị vào / ra, giúp bộ xử lý trung tâm chỉ làm việc với bộ nhớ trong có tốc độ truy xuất cao.

Những năm 1970, trong kiến trúc máy tính lớn có thêm các thiết bị đầu cuối để nhiều người sử dụng tương tác, chia sẻ thời gian sử dụng máy tính lớn. kiến trúc máy tính lớn đã phát triển đều đặn để đạt được những khả năng xử lý khổng lồ. Các máy tính lớn Thế hệ Mới có khả năng phục vụ hàng chục nghìn người dùng cuối, quản lý hàng petabyte dữ liệu và cấu hình lại tài nguyên phần cứng và phần mềm để đáp ứng các thay đổi về khối lượng công việc— tất cả đều từ một điểm kiểm soát duy nhất. Những năm sau đó, kiến trúc máy tính lớn ngày càng được tiêu chuẩn hóa, khách hàng có thể viết các ứng dụng mà không cần phần cứng hoặc phần mềm chuyên dụng. Hơn nữa, khách hàng có thể tự do nâng cấp lên các bộ vi xử lý mới hơn và mạnh mẽ hơn mà không cần quan tâm đến các vấn đề tương thích với các ứng dụng hiện có của họ. Làn sóng đầu tiên của các ứng dụng dành cho doanh nghiệp của khách hàng chủ yếu được viết bằng Assembler, COBOL, FORTRAN hoặc PL/1 và một số lượng đáng kể các chương trình cũ này vẫn được sử dụng cho đến ngày nay.

Ngoài ra, sự phát triển của hệ điều hành Linux cũng giúp củng cố vị thế trung tâm tính toán, lưu trữ của máy tính lớn. IBM sử dụng Linux cho các máy máy tính lớn của họ từ năm 1999 và một chiếc máy tính lớn duy nhất có thể chạy hàng trăm máy ảo Linux cùng lúc. Khả năng hỗ trợ tốt cho các phần mềm nguồn mở của Linux cũng giúp máy tính lớn được ưa chuộng hơn. Cuối năm 2000, IBM giới thiệu kiến trúc 64-bit z/Architecture, đồng thời mua lại nhiều công ty phần mềm để rồi tích hợp những phần mềm đó vào trong máy tính lớn của hãng. Tuy nhiên các máy tính mới vẫn tương thích ngược với các máy tính 24-bit đời đầu như S/360. Vào ngày 7 tháng 7 năm 2009, nhân dịp công bố phiên bản mới của một trong những hệ điều hànhcủa mình, IBM đã ngầm tuyên bố rằng Bộ Kiến trúc Mức 4 (ALS4) tồn tại và được triển khai trên Hệ thống z10 và các máy tiếp theo. ALS4 cũng được chỉ định là ARCHLVL3, trong khi z900, z800, z990, z890, Hệ thống z9 trước đó chỉ định là ARCHLVL2.

Ngày 8 tháng 4 năm 2014, kỷ niệm 50 năm ra đời máy tính lớn S/360, IBM đã công bố việc phát hành giải pháp cơ sở hạ tầng hội tụ đầu tiên dựa trên công nghệ máy tính lớn. Được coi là Hệ thống đám mây doanh nghiệp của IBM, sản phẩm mới này kết hợp phần cứng, phần mềm và bộ nhớ máy tính lớn của IBM vào một hệ thống duy nhất và được thiết kế để cạnh tranh với các dịch vụ cạnh tranh từ VCE, HP và Oracle. Theo IBM, đây là máy chủ Linux có khả năng mở rộng cao nhất với hỗ trợ lên đến 6.000 máy ảo. Kiến trúc máy tính lớn đã, đang và tiếp tục được phát triển. Hiện tại, các kiến trúc máy tính lớn đã bổ sung các chức năng mới cấp khả năng xử lý dữ liệu như phục vụ web, tự động hóa, khôi phục thảm họa và điện toán lưới. Do hiện vẫn nắm giữ vai trò tập trung trong các kiến trúc hệ thống thông tin khác điển hình như internet, kiến trúc máy tính lớn luôn được quan tâm và phát triển để thúc đẩy làn sóng tăng trưởng tiếp theo trong ngành công nghệ thông tin.

Các kiến thức cơ bản về máy tính cá nhân như hình dáng, cách sử dụng,... hiện khá quen thuộc với đa số người dùng. Một số người tìm hiểu kĩ hơn có thể biết thêm kiến trúc, nguyên lý hoạt động của nó. Tuy nhiên đối với máy tính lớn thì khác, kiến trúc của chúng thường có xu hướng bị che khuất khỏi công chúng. Mọi người thực hiện công việc trên hệ thống máy tính lớn một cách tin cậy, ổn định. Mọi người không biết nhiều về kiến trúc hệ thống máy tính lớn trong khi lại sử dụng nó hàng ngày. Việc này góp phần để bảo mật thông tin trong hệ thống.

Nhiệm vụ chính của kiến trúc sư máy tính lớn bao gồm thiết kế máy tính lớn (cả máy chủ) và đảm bảo rằng phần cứng và phần mềm hoạt động hài hòa. Công việc này thường yêu cầu bằng cử nhân về khoa học máy tính, kiến trúc máy tính hoặc lĩnh vực tương tự và kinh nghiệm làm việc có liên quan. Để chứng minh khả năng bần cần đạt được chứng chỉ chuyên nghiệp, chẳng hạn như từ Hội đồng Chứng chỉ Kiểm tra Phần mềm Quốc tế (ISTQB). Ngoài ra, cần các bằng cấp bổ sung bao gồm kỹ năng lập trình tốt và khả năng phân tích giải quyết vấn đề.

Tài liệu tham khảo

1. Bashe, Charles J.; et al. (1986). IBM's Early Computers. MIT. ISBN 0-262-02225-7.
2. Prasad, Nallur and Savit, Jeffrey (1994). IBM Mainframes: Architecture and Design, 2nd ed. McGraw-Hill Osborne Media. ISBN 0-07-050691-4.
3. Pugh, Emerson W.; et al. (1991). IBM's 360 and Early 370 Systems. MIT. ISBN 0-262-16123-0.