Veröffentlicht: 1. März 2024
Mitwirkende: Stephanie Susnjara, Ian Smalley
Mainframes sind Datenserver, die dafür ausgelegt sind, täglich bis zu einer Billion Web-Transaktionen mit einem Höchstmaß an Sicherheit und Zuverlässigkeit zu verarbeiten.
Im Wesentlichen sind Mainframes Hochleistungscomputer mit großen Mengen an Speicher und Datenprozessoren, die Milliarden einfacher Berechnungen und Transaktionen in Echtzeit verarbeiten. Mainframe-Computer sind von entscheidender Bedeutung für kommerzielle Datenbanken, Transaktionsserver und Anwendungen, die eine hohe Resilienz, Sicherheit und Agilität erfordern.
Seit dem Aufkommen des Internets und dem Aufstieg des Cloud Computing mögen manche den Mainframe für einen technischen Dinosaurier halten. Das Gegenteil ist der Fall: Der Mainframe hat sich weiterentwickelt, um mit anderen Technologien Schritt zu halten, und spielt weiterhin eine wichtige Rolle in der IT-Infrastruktur.
Laut einem aktuellen IBM-Bericht nutzen 45 der 50 größten Banken, 4 der 5 größten Fluggesellschaften, 7 der 10 größten Einzelhändler weltweit und 67 der 100 größten Unternehmen den Mainframe als ihre Kernplattform. Darüber hinaus hat eine Studie des IBM Institute of Business Value (IBV) (PDF) ergeben, dass Mainframes fast 70 % der weltweiten IT-Workloads bewältigen und 70 % der befragten Führungskräfte der Meinung sind, dass Mainframe-basierte Anwendungen für ihre Geschäftsstrategie von zentraler Bedeutung sind.
Der Begriff „Mainframe“ bezog sich ursprünglich auf den großen Schrank oder „Hauptrahmen“, der die Zentraleinheit (CPU) früher Computersysteme enthielt. Der Mainframe diente als zentrales Datenrepository oder „Hub“, der Workstations oder Terminals im Datenverarbeitungszentrum eines Unternehmens miteinander verband. Eine zentralisierte Computerumgebung ist einer stärker verteilten Computerumgebung gewichen, da Großrechner kleiner wurden und mehr Rechenleistung erhielten, um flexibler und vielseitiger zu sein. Heutzutage verarbeiten und speichern Mainframes riesige Datenmengen und werden als Unternehmensserver (oder Datenserver) bezeichnet.
Frühe Mainframe-Systeme füllten raumgroße Metallrahmen, die zwischen 185 und 900 m2 einnehmen konnten. Diese riesigen Maschinen benötigten enorme Mengen an elektrischer Energie, Klimaanlagen und Unmengen an Ein-/Ausgabegeräten (E/A). Die heutigen Mainframes sind kleiner als die frühen „Big Iron“-Maschinen und haben etwa die Größe eines großen Kühlschranks. Die neuesten Modelle (z. B. das IBM z16-Single-Frame-System mit einem Standard-19-Zoll-Rack) sind so konzipiert, dass sie sich leicht in andere IT-Infrastrukturen und -Systeme in einem modernen Rechenzentrum integrieren lassen, sei es in einem lokalen Rechenzentrum am physischen Standort eines Unternehmens oder in einem Cloud-Rechenzentrum.
Der 1937 entworfene Harvard Mark I oder IBM Automatic Sequence Controlled Calculator (Link befindet sich außerhalb von ibm.com) gilt als erster Mainframe. Das US Navy Bureau of Ships nutzte diese Maschine während des letzten Teils des Zweiten Weltkriegs für militärische Zwecke, um mathematische Probleme schnell zu lösen.
1951 begann die Eckert-Mauchly Computer Corporation (EMCC) mit dem Bau des ersten kommerziellen Mainframes, UNIVAC (Link außerhalb von ibm.com). Bald darauf, 1953, stellte IBM seinen ersten Mainframe für den gewerblichen Einsatz vor – die IBM Model 701 Electronic Data Processing Machine. Der erste elektronische Computer des Unternehmens, der 701, war etwa 25- bis 50-mal schneller als seine Vorgänger, mit rasanten Fortschritten bei Rechenleistung, Speicherkapazität und geringerer Größe.
Weitere US-Hersteller von Mainframes für den gewerblichen Einsatz in den 1950er Jahren waren Burroughs, Datamatic, GE, RCA und Philco.
Der erste moderne Mainframe, das IBM System/360, kam 1964 auf den Markt. Innerhalb von zwei Jahren dominierte das System/360 als Branchenstandard den Markt für Mainframes. Vor dieser Maschine musste für jede neue Maschine eine eigene Software geschrieben werden und es gab keine kommerziellen Softwareunternehmen. Das System/360 trennte Software von Hardware und ermöglichte es erstmals, dass Software, die für eine Maschine geschrieben wurde, auf jeder anderen Maschine in der Reihe ausgeführt werden konnte.
Während viele Virtualisierung mit Cloud Computing in Verbindung bringen, begann die kommerzielle Virtualisierungstechnologie auf dem Mainframe als eine Möglichkeit, Systemressourcen logisch aufzuteilen, damit sie von einer großen Gruppe von Benutzern gemeinsam genutzt werden können. Vor der Virtualisierung verwendeten IT-Fachkräfte für Mainframes Lochkarten, Batch-Jobs und ein einziges Betriebssystem, um IT-Vorgänge auszuführen. 1964 brachte IBM das CP/CMS auf den Markt. Dieses schlanke Einzelbenutzer-Betriebssystem enthielt den ersten Hypervisor, der Virtual Machines (VMs) erstellte, die die zugrunde liegende Hardware virtualisierten, wodurch die Effizienz gesteigert und die Kosten gesenkt wurden.
Mit der Einführung des IBM System/370 im Jahr 1970 verabschiedete sich IBM erstmals von der Technologie mit magnetischen Eisen-Ferrit-Kernen und setzte stattdessen Silizium-Speicherchips zur Speicherung von Daten und Anweisungen ein, da diese eine höhere Betriebsgeschwindigkeit ermöglichten und viel weniger Platz benötigten. Sechs Monate nach der Einführung von System/370 tauchte der Begriff „Silicon Valley“ erstmals in einer Ausgabe von Electronic News auf.
Zu den weiteren bedeutenden Herstellern auf dem Markt für Mainframes gehörten in den 70er und 80er Jahren Fujitsu, Hewlett-Packard, Hitachi, Honeywell, RCA, Siemens und Sperry Univac. Im Laufe der Zeit entwickelte sich die Mainframe-Branche weiter und brachte kleinere Maschinen, Verbesserungen der E/A-Leistung, größere Speicher und mehrere Prozessoren hervor, wodurch Funktionalität und Kapazität zunahmen.
In den 1990er Jahren, als sich die Nutzung von PCs und anderen Technologien ausbreitete, sagten einige Analysten das Ende des Mainframes voraus. 1991 machte der InfoWorld-Analyst Stewart Alsop die berühmte Aussage: „Ich sage voraus, dass der letzte Mainframe am 15. März 1996 vom Netz genommen wird.“
Dennoch wird der Mainframe branchenübergreifend als Kern der IT-Infrastruktur genutzt. Im April 2022 stellte IBM die neueste Generation der IBM zSeries vor – die z16, die mit dem IBM Telum Prozessor mit branchenweit ersten, auf dem Chip integrierten Beschleunigern ausgestattet ist, um mit KI in beispielloser Geschwindigkeit und Skalierung (und mit extrem geringer Latenzzeit) Vorhersagen zu treffen und zu automatisieren.
Frühe Mainframes wie der S/360 hatten einen einzelnen Prozessor oder eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), während heutige Mainframes einen zentralen Prozessorkomplex (CPC) haben, der aus Spezialprozessoren besteht, die für bestimmte Zwecke entwickelt wurden.
Der moderne Mainframe enthält Netzwerk-, Krypto-, Speicher- und Komprimierungskarten mit eigenen Prozessoren und eigenem Speicher. Er enthält auch System-Assistenzprozessoren (SAP), die den Datentransfer zwischen dem Betriebssystem und den E/A-Geräten (Eingabe/Ausgabe) beschleunigen, sowie Prozessoren für die Ausführung von Linux, Java und anderen Workloads. Dieses Setup ermöglicht es dem Mainframe, kontinuierlich Spitzenauslastungen zu liefern und gleichzeitig hohe Durchsatzvolumina zu bewältigen.
Die große Anzahl von Prozessoren in der Mainframe-Technologie unterstützt Unternehmen aus verschiedenen Branchen (z. B. Regierungsbehörden, Versorgungsunternehmen, Finanzinstitute, Unternehmen im Gesundheitswesen), die auf eine umfangreiche Transaktionsverarbeitung angewiesen sind, um massive Daten-Workloads, Finanztransaktionen in großem Umfang und vieles mehr zu bewältigen. Die heutigen Mainframe-Lösungen sind auch für die Unterstützung von Cloud Computing, Datenverwaltung, Big Data und Analysen, künstlicher Intelligenz (KI) und Quantencomputing ausgelegt und verfügen über Erweiterungen und Integrationsschichten, die sich in Kernsysteme integrieren lassen.
Der langfristige Nutzen von Mainframes liegt in ihrer Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und Wartungsfreundlichkeit (RAS).
Die Hardware des Mainframes verfügt über umfangreiche Selbstprüfungs- und Wiederherstellungsfunktionen.
Das System kann nach dem Ausfall einer Komponente ohne Beeinträchtigung des restlichen Systems wiederhergestellt werden. Heutige Mainframes bieten eine kontinuierliche hohe Verfügbarkeit und eine schnelle Notfallwiederherstellung zum Schutz vor Ausfallzeiten.
Der Mainframe kann bestimmen, warum ein Fehler aufgetreten ist. Diese Funktion ermöglicht den Austausch von Hardware- und Softwareelementen, während das Betriebssystem so wenig wie möglich beeinträchtigt wird.
Moderne Mainframes bieten außerdem die folgenden einzigartigen Vorteile:
Ausführen von Standard-Betriebssystemen wie Linux, spezialisierten Betriebssystemen und Software, die einzigartige Hardwarefunktionen nutzen
Unterstützung für massive gleichzeitige Transaktionen, Datenverarbeitung und Durchsatz (E/A) mit integrierter Kapazität bei Bedarf und integriertem gemeinsam genutztem Speicher für die direkte Anwendungskommunikation
Ein Höchstmaß an Sicherheit mit integrierten kryptografischen Karten und innovativer Software, die künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen (ML) nutzt, um Cyberangriffe oder Betrug zu erkennen; moderne Mainframes können beispielsweise täglich bis zu 1 Billion sichere Webtransaktionen ausführen und den Datenschutz durch Richtlinien verwalten
Resilienz durch mehrere Ebenen an Redundanz für jede Komponente (z. B. Netzteile, Kühlung, Backup-Batterien, CPUs, E/A-Komponenten, Kryptographie-Module) und Tests für extreme Wetterbedingungen
Ein Mainframe dient als Server zum Speichern und Verarbeiten von Daten mit hoher Geschwindigkeit und kann Millionen von Anweisungen gleichzeitig ausführen. Supercomputer sind viel schneller und können Milliarden von Gleitkommaoperationen in einer Sekunde bewältigen. Sie können massive, rechenintensive Arbeiten für Wettervorhersagen, Klimaforschung, Molekülmodellierung, physikalische Simulationen und vieles mehr ausführen.
Moderne Unternehmen setzen auf Cloud- und verteilte Architekturen, die digitale Innovationen unterstützen, um sich einen Wettbewerbsvorteil zu verschaffen. Cloudbasierte Umgebungen sind kein Ersatz für Mainframes.
Vielmehr wurden die beiden Systeme zu einer ganzheitlichen Strategie für die digitale Transformation zusammengeführt. Zu diesem Zweck ist die Modernisierung von Mainframe-basierten Anwendungen zu einem wesentlichen Bestandteil des heutigen Hybrid Cloud-Ansatzes von Unternehmen geworden, der lokale, Public Cloud-, Private Cloud- und Edge-Einstellungen kombiniert und vereinheitlicht, um eine einzige, flexible IT-Infrastruktur zu schaffen.
Durch die Integration und Erweiterung der Funktionen von Mainframes in eine Hybrid Cloud-Umgebung können Unternehmen die beste Umgebung für ihre Workloads (ob in der Cloud oder lokal) auswählen, um die Innovationen, technischen Fortschritte, die Sicherheit und die Resilienz jeder Plattform zu maximieren. Eine Fluggesellschaft kann beispielsweise eine Anwendung erstellen, mit der Kunden ihre Reiseinformationen, wie z. B. cloudbasierte Reservierungsinformationen, verwalten können. Der Dienst kann auch auf Daten zugreifen, die auf Mainframes gespeichert sind, beispielsweise Änderungen der Ankunfts- und Abflugzeiten von Flügen. Dieser Dienst ersetzt oder verbessert keine vorhandenen Mainframefunktionen. Stattdessen ermöglicht er dem Kunden, das Beste aus beiden Welten zu nutzen: Daten, die sich in der Cloud und vor Ort befinden.
Die Anwendungsmodernisierung – der Prozess der Umwandlung monolithischer Altlast-Anwendungen in Cloud-Anwendungen, die auf einer Microservice-Architektur basieren – beginnt mit der Bewertung der aktuellen Altlast-Anwendungen, Daten und Infrastruktur und der Anwendung der richtigen Modernisierungsstrategie, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen. Es ist zwar möglich, Anwendungen zu verschieben und zu verlagern, doch die Umstrukturierung der Anwendung zur Nutzung cloudnativer Technologien (z. B. Container und Kubernetes) kann oft einen größeren geschäftlichen Nutzen bringen.
Heute geht die Modernisierung von Mainframe-Anwendungen Hand in Hand mit DevOps, einer Reihe von Prozessen und Praktiken zur Automatisierung der Arbeit von Softwareentwicklungs- und IT-Betriebsteams. In einer aktuellen IDC-Umfrage (Link befindet sich außerhalb von ibm.com) gaben 82 % der Unternehmen an, dass sie Maßnahmen ergreifen, um die Verwendung derselben Tools zur Anwendungsentwicklung in Mainframe- und cloudnativen Umgebungen zu priorisieren. Entwicklungsteams nutzen DevOps- und DevSecOps-Praktiken und stellen Anwendungen über automatisierte und integrierte Pipelines bereit, um Software-Releases und -Updates in den anvisierten Hybrid Cloud-Umgebungen schneller und flexibler zu liefern.
Nachhaltigkeit ist zu einer strategischen Notwendigkeit geworden. Da Rechenzentren etwa 1 % des weltweiten Energieverbrauchs ausmachen (Link außerhalb von ibm.com), suchen große Unternehmen im Rahmen ihrer ESG-Initiativen nach Möglichkeiten, den Energieverbrauch ihrer IT zu senken. Moderne Mainframes verbrauchen weniger Energie und haben einen geringeren Platzbedarf, was zur Verbesserung der Effizienz von Rechenzentren beiträgt.
In einem Bericht von Allied Market Research (Link befindet sich außerhalb von ibm.com) wurde der globale Markt für Mainframes im Jahr 2022 auf 2,9 Milliarden US-Dollar geschätzt und soll bis 2032 auf 5,6 Milliarden US-Dollar anwachsen, was einem jährlichen Wachstum von 7,3 % entspricht.
Folgende Branchen sind auf Mainframes angewiesen:
Banken müssen große Mengen an Transaktionen verarbeiten – von Kreditkartentransaktionen über Abhebungen am Geldautomaten bis hin zu Online-Kontoaktualisierungen. Mainframes bieten die benötigte Rechenleistung zur Datenverarbeitung, um diese Dienste in großem Maßstab bereitzustellen. Transaktionen und Technologien der nächsten Generation wie Blockchain sind auf Mainframes angewiesen, um die Geschwindigkeit, Skalierbarkeit und Sicherheit zu gewährleisten, die sie bieten.
Die bekanntesten Versicherungsunternehmen weltweit verwenden Mainframes, um große Mengen sensibler Daten wie personenbezogene Daten (PII) von Patienten, medizinische Aufzeichnungen und Rechnungsinformationen sicher zu verarbeiten.
Viele kritische Behördendienste, von der Strafverfolgung bis zur nationalen Sicherheit, verlassen sich auf Mainframes, um die optimale Balance aus Sicherheit, Leistung und Resilienz zu erzielen. Regierungsbehörden wie Strafverfolgungsbehörden müssen gegen Systemausfälle oder Sicherheitsverletzungen gewappnet sein. Moderne Mainframe-Plattformen nutzen KI, um schneller einen Mehrwert aus Daten zu generieren und die Effizienz der Cybersicherheit zu steigern.
Online-Händler sind auf Mainframes angewiesen, um die enorme Rechenleistung zu erhalten, die für die Abwicklung von Transaktionen über mobile und andere Geräte in großem Maßstab erforderlich ist.
IBM z16 ist die neueste Version der IBM Z-Mainframes und bietet KI-Inferencing direkt auf dem Chip sowie bahnbrechende quantensichere Technologien.
IBM Z ist eine Familie moderner z/Architecture Hardware, auf der z/OS, Linux, z/TPF, z/VM und IBM Z Systemsoftware ausgeführt wird.
IBM z/OS ist ein Betriebssystem für IBM Z Mainframes, das für einen fortlaufenden Betrieb mit hohem Volumen geeignet ist und dabei ein hohes Sicherheitsniveau und Stabilität bietet.
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Künstliche Intelligenz oder KI ist eine Technologie, die es Computern und Maschinen ermöglicht, menschliche Intelligenz und Problemlösungsfähigkeiten zu simulieren.
Die digitale Transformation verfolgt einen kundenorientierten, digital ausgerichteten Ansatz für alle Aspekte eines Unternehmens, einschließlich seiner Geschäftsmodelle, Customer Experiences, Prozesse und betrieblichen Abläufe.
Die Virtualisierung ermöglicht es, die Hardwareressourcen eines einzelnen Computers (Prozessoren, Arbeitsspeicher, Storage und mehr) in mehrere virtuelle Computer, sogenannte Virtual Machines (VMs), aufzuteilen.