メインフレーム

概要

メインフレームの明確な定義は存在せず、複数のコンピュータ・アーキテクチャのコンピュータの総称であり、観点により複数の呼称がある（詳細は「呼称」を参照）。
大企業や大組織向けの信頼性・安定性・容量や、シリーズ間の互換性を保持し、ミニコンピュータやオフィスコンピュータより大型で、特定用途の特化型スーパーコンピュータ・組み込みコンピュータなどと異なり汎用性があり、オープンシステムと異なり各メーカーによる独自設計（CPUやOS、ネットワークなど）の比率が高い。
世界初のメインフレームは、世界初の商用コンピュータである1951年のUNIVAC Iとされる。また1964年のIBM System/360はアーキテクチャ（命令セットアーキテクチャとチャネル制御言語）を統一して「汎用コンピュータファミリ」との概念が確立され、以後のメインフレームの主流となった。
オペレーティングシステム、マルチタスク、仮想記憶、仮想機械、キャッシュメモリ、分岐予測、ハードディスク、フロッピーディスク、データベース管理システム、オンラインシステムなどの技術はメインフレームから生まれ、後に他のコンピュータにも採用されていった。
メインフレームは1980年代迄は全盛期であったが、1990年代にはオープンシステムの台頭によるダウンサイジングの波により「レガシー（過去の負の遺産）」「滅びゆく恐竜」とも批評された。しかし長年の設計・運用を含めた信頼性と、一部メインフレームでの各種のオープン標準の取り入れ、2000年代以降のインターネットに代表される新しい集中処理などの潮流もあり、2010年代からはクラウド・システムとの連携というオプションも進められている。このように、業務ミッションによって柔軟性の高いオープンシステムと、堅牢性・信頼性のメインフレームを組み合わせるなど、ハイブリッドなシステム形態が見直されるようになった。メインフレームは2017年現在でも基幹業務用に使用されている。
現在もメインフレームを製造・販売しているメーカーは、IBM、富士通、日立製作所、日本電気、ユニシス、Bullである（詳細は「種類」を参照）。2015年では、IBMが世界シェアの80％と圧倒地位を占めており、富士通、ユニシスがそれに続く。
2015年の市場規模は世界全体で約5000億円で、2000年の約1兆円規模から半減している。なお日本での売り上げは世界市場の20%ほどを占める。かつては、日本が世界全体の売り上げの30〜40％と最大の市場であったこと、サーバ市場におけるメインフレームの比率が高かったこと、メーカーの数も世界で6社中3社と多いことから世界有数の「メインフレーム大国」とも呼ばれていた。

全盛期（ - 1980年代）

IBMの競合会社は次々とコンピュータ事業の撤退・縮小に追い込まれたため、IBMは司法省と独占禁止法訴訟を続ける事になる。IBMは当初「顧客に製品ではなくソリューション（サービス）を提供する」ためにレンタルのみでの提供を行っていたが、独占禁止法の訴訟を緩和するため、OS（MVSなど）の有料化、更にはリース・買取政策を進めていく。
またSystem/360後継のSystem/370、更には 1981年のSystem/370-XA (eXtended Architecture) では、主要機能を著作権で保護したため、IBMへの独占批判は強まった。
「7人の小人」からGEとRCAが脱落すると、"The BUNCH"（束）と呼ばれるようになった (Burroughs, UNIVAC, NCR, CDC, Honeywell)。また、System/360を開発したアムダールは、IBMを退職して富士通の援助も受け、IBM互換機（System/370 プラグコンパチブル）を開発するようになる（IBMのオペレーティングシステムを動かすため、ハードウェア互換と呼ばれる）。
米国以外で特筆すべき製造業者としては、ドイツのシーメンスとテレフンケン、イギリスのICL (現: Fujitsu Services Holdings PLC)、ソビエト連邦などのIBM互換機がある。
競争の激化に伴って1980年代初頭から市場の再編成が始まった。RCAはUNIVACに売却され、GEは撤退、ハネウェルはフランスのBullに売却された。1986年、UNIVACはバロースと合併してUnisys Corporationとなった。1991年、AT&TはNCRを実質的に所有することとなった。
1981年にはレーガン政権のもと、米国司法省がIBM独禁法裁判を断念し起訴を取り下げた。

日本上陸（ - 1980年代）

日本は、通商産業省（当時）を中心に外資規制と多額の補助金、そして行政指導により国産コンピュータへの誘導をおこなっていたため、最後までIBMがメインフレームを独占できなかった国である。日本以外ではメインフレーム・メーカーはIBM（およびユニシス・Bull）しか存在しないといっても過言ではない。
1950年代より、日本の電機・通信の大メーカーの一部が、それぞれコンピュータを開発していたが、徐々に海外と技術提携を進めることになる。
1961年 日立製作所はRCAと技術提携し、1964年にはRCAのSystem/360互換機をベースにしたHITAC8000シリーズを発売した。また、同64年のHITAC5020は、独自開発による。
1962年 日本電気はハネウェルと技術提携し、1964年にはハネウェルのH200シリーズをノックダウン生産したNEACシリーズ2200を発売した。
1964年 この年の4月、IBMがSystem/360を発表。東芝はGEと技術提携し、1970年にはGE-600シリーズの技術を導入したTOSBAC-5600シリーズを発売した。同64年10月に松下がコンピュータから撤退する。
1970年 これまで独自路線を通してきた富士通が、IBMを退社したジーン・アムダールが設立したアムダールと提携し、IBM互換機路線に転換した。なお同年には大手のGEがコンピュータから撤退し、IBMの「一人勝ち」状態は国内でも「脅威」として伝えられた。
1973年には米国からの圧力などでコンピュータの輸入自由化が決定されたが、それを前に通商産業省は、当時の国内コンピュータメーカーの体力ではIBMをはじめとする海外メーカーに日本市場を席巻され打撃を受けるとして、当時6社あったコンピュータ業界の再編に乗り出した。
1972年 通商産業省は、富士通と日立製作所、東芝と日本電気、三菱電機と沖電気工業の3グループにまとめ、技術研究組合を作らせて5年間にわたって補助金を支給し、各社に「IBM対抗機」の開発に当たらせた。富士通と日立製作所はIBMのSystem/370の互換機を担当した（FACOM Mシリーズ、HITAC Mシリーズ。2000年までMVS系OSの動作を保証していた。両社の両シリーズの「M」は通産省 (MITI)の指導で始まったことに由来する）。東芝と日本電気はハネウェルと提携し、GCOS系であるACOSシリーズを開発した。日本電気はIBM互換路線を採らなかった。
6社がこの3グループとなった理由は以下とされる。上述のように日立製作所はRCAと、富士通はアムダールと技術提携してIBM互換機を開発していた。また東芝はGEと、日本電気はハネウェルと技術提携していたが、GEは1970年に撤退して商用コンピュータ部門をハネウェルに売却していたため、系統の差はあるがいずれもGCOS系を開発していた。そして残った三菱電機と沖電気が組み合わされた。
1981年にはIBMが発表した3081-K (System/370-XA) の技術情報をめぐり、1982年にIBM産業スパイ事件が発生し、日立製作所と三菱電機の社員が逮捕され、更に富士通も交渉の当事者となる。後に当訴訟は和解となった。
その後、日立製作所はIBMとの提携路線に転じてIBM互換路線を継続、富士通はIBM対決路線を徹底して以後の互換性確保は限定的となり、日本電気はACOSシリーズを継続しながら開発の比重をオープンシステムに移し、三菱電機は一時はIBMよりOEM供給を受けたが後に撤退、また沖電気工業と東芝は撤退した。

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。
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。
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。
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動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。

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) そのものを稼動させる方法は、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）でも稼動できる。
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は稼動しない。
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は稼動しないが、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も稼動できる。
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も稼動できる。
なお、同一筐体であってもオープン系OSをネイティブで稼動する場合は、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。

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動性に優れている。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。