מחשב מרכזי

מחשב מרכזי (באנגלית: Mainframe) הוא סוג מחשב בעל עוצמה גדולה, המשמש ארגונים גדולים (מוסדות ממשלתיים, חברות מסחריות גדולות, אוניברסיטאות) להפעלת יישומים (אפליקציות) רבים במקביל, תוך שימוש בעיבוד נתונים רחב היקף, כדוגמת מרשם התושבים, תכנון משאבי הארגון, ביצוע תנועות פיננסיות ובנקאיות, וכן פעולות מדעיות מורכבות ומסובכות, תוך מתן שירות למשתמשים רבים, מסוגים שונים.

עד אמצע שנות ה-70 היה מחשב מרכזי סוג המחשבים היחיד ששימש לצרכים מסחריים ועסקיים. מחשבים אלו, שעדיין לא נקראו בשם "מחשב מרכזי", החלו להתפתח בצעדים קטנים בתקופת מלחמת העולם השנייה, בעיקר על ידי אוניברסיטאות ומדענים, וקיבלו תנופה בעיקר בסוף שנות ה-50 ובשנות ה-60, כאשר חברות מסחריות נכנסו לעניין. הם שימשו, בדרך כלל, כמשאב המיחשוב המרכזי והשיתופי בארגונים גדולים.

מאמצע שנות ה-60 ועד לסוף שנות ה-70 היו בשימוש נרחב גם מחשבים קטנים יותר, שקיבלו את הכינוי "מיני-מחשבים",(minicomputers) או מחשבי ביניים (midrange computers). הם שימשו כמשאב מרכזי לארגונים קטנים או משאבים ייעודיים למחלקות הארגון השונות, וכן לעיבודים מדעיים ומחקריים.

בסוף שנות ה-70 ובתחילת שנות ה-80 פותחו ויצאו לשוק המחשבים האישיים, שנועדו לשימושים משרדיים, אישיים וקבוצתיים. הם שינו באופן מהפכני את התדמית "המאיימת" והשימוש המרכזי במחשבים בעולם, והפכו אותם לנחלת הציבור כולו ושולחנות העבודה האישיים והקבוצתיים. גם השרתים הפכו קטנים יותר, שימשו יישומים ומשתמשים שונים, והתבססו בעיקר על מעבדים נפוצים וגנריים, כדוגמת מעבדי אינטל.

השם באנגלית, שמשמעו שלד ראשי או מסגרת ראשית, נגזר מהעובדה שלב מערכת המחשב היה ארון אחד גדול במיוחד, והכיל את זיכרון המחשב ויחידת העיבוד המרכזית (CPU). בהמשך שימש השם גם כדי להבחין ולבדל בין המחשב המרכזי לסוגי המחשבים הקטנים יותר. בהכללה ניתן לומר כי כדי להחליף מערכת מחשב מרכזי יידרשו עשרות, אם לא מאות שרתים קטנים.

היסטוריה

שנות החמישים עד שנות השמונים 
מחשבים מרכזיים החלו לצאת לשוק, לשימוש מסחרי, בתחילת שנות החמישים, אך בשימוש מצומצם בלבד. הם הפכו יותר ויותר פופולריים בשנות השישים.

היצרנים אמריקאים הבולטים בשנים אלו היו קרויים  בשל העובדה כי חלקה של IBM בשוק היה גדול הרבה יותר מאשר כל 7 החברות ביחד. החברות הנוספות היו: בורוז, CDC, ג'נרל אלקטריק, האניוול, NCR, RCA ויוניוואק. יצרנים בולטים מחוץ לארצות הברית כללו בעיקר את חברת היטאצ'י ו-Amdahl. שתי האחרונות התמחו בייצור מחשבים תואמים למחשבי יבמ.

שליטתה של חברת IBM בשוק החלה מסדרת מחשבי ה-7000 שיצאה לשוק בשנת 1961, ובמיוחד עם פיתוח סדרת המחשבים (IBM System/360 (1964. השפעתה של הופעת סדרה זו הייתה דרמטית ולמעשה ביססה את שליטתה הכמעט בלעדית של חברת IBM בשוק המחשבים המרכזיים, עד כדי היעלמותם של חלק משאר החברות לקראת סוף שנות השמונים.

בשנות ה-70 הופיעו מיני מחשבים ולאחריהם מיקרו מחשבים שהתחרו במחשבים המרכזיים אך עדיין לא החליפו אותם. במהלך שנות ה-80 השתנתה המגמה. ראשית החליפו מחשבים אישיים את המסופים הטיפשים ששימשו לתקשורת עם המחשב המרכזי. בהדרגה מצאו החברות המסחריות שניתן להפעיל שרתים מבוססי מעבדים זעירים במחיר שהיה נמוך בהרבה ממחיר רכישת המחשב המרכזי ולמשתמשים הייתה שליטה טובה יותר על המערכות שלהם.

הביקוש הפוחת והולך והתחרות הקשה גרמו לטלטלה גדולה בשוק: RCA נמכרה ליוניוואק וג'נרל אלקטריק עזבה את השוק. האניוול נקנתה על ידי חברת בול הצרפתית, יוניוואק (חטיבה בחברת ספרי (Sperry) התמזגה מאוחר יותר עם בורוז על מנת ליצור את  ב-1986. ב-1991 הייתה NCR שייכת לתקופה קצרה לחברת AT&T.

כך הוחלפו המחשבים המרכזיים בקצב גובר והולך ברשתות של מחשבים אישיים ושרתים מבוססי מעבדי אינטל. הביקוש למחשבים המרכזיים ירד, הם נרכשו בעיקר על ידי חברות שירותים פיננסיים וגופים ממשלתיים ובמשך זמן מה הייתה הסכמה בין האנליסטים של התעשייה שהמחשבים המרכזיים הם שוק גווע.

מצד שני - סדרת ה-360 של חברת IBM המשיכה להתפתח לסדרת ה-z/z9 של המאה ה-21 ויחד עם המחשבים מבוססי מערכת ההפעלה MCP (ראשי תיבות של Master Control Program) של חברת בורוז (כיום יוניסיס) הם המחשבים היחידים המבוססים על ארכיטקטורה שהתפתחה מתקופה מוקדמת זו.

שנות התשעים ותחילת המאה ה-21
מגמת הירידה וההספדים המוקדמים מדי נעצרה ואף החלה להשתנות בסוף שנות ה-90 כשחברות מצאו שימושים חדשים למחשבים המרכזיים שלהם, כיוון שכשרת אינטרנט הם מסוגלים להציע ביצועים דומים לאלה של כמה מאות מחשבים קטנים יותר, בצריכת חשמל ובעלויות ניהול נמוכות יותר. גם הגידול ב-אי-ביזנס הגדיל דרמטית את מספר העסקאות (טרנזקציות) שעובדו על ידי התוכנה של המחשבים המרכזיים כמו גם את גודל מסדי הנתונים וביצועיהם.

נכון לסוף 2004 גדלו הרווחים של IBM ממכירת מחשבים מרכזיים, למרות הוזלת מחירים, הודות לעלות בעלות כוללת משופרת.

במהלך 2005 הופיעו בעיתונות כמה כתבות שפרטו מקרים של אובדן מידע אישי רגיש כתוצאה מטיפול רשלני במידע. בדוגמה אחת, "קארדסיסטמס" (CardSystems), חברה אמריקאית המטפלת בסליקה של כרטיסי אשראי, גילתה כי אלפים (אם לא מיליונים, המספר המדויק נשאר חסוי) של רשומות של לקוחות כרטיסי האשראי שבהם טיפלה נפלו לידיהם של האקרים, הודות לתולעת מחשב שהותקנה על אחד משרתי הארגון שפעל תחת מערכת ההפעלה "חלונות" של מיקרוסופט. הנזק כתוצאה מהפריצה למחשבי קארדסיסטמס מוערך ב-2.75 מיליארד דולר, אם כי קשה לאשש את הסכום המדויק. בדוגמה נוספת בשנת 2004 כשלה מערכת ציוות אנשי צוות האוויר של חברת קומאייר (Comair) שהותקנה על שרת שלא היה מחשב מרכזי, דווקא בעונת הנסיעות הבוערת של חג המולד. עקב כך פיטר הדירקטוריון של קומאייר את המנכ"ל.

מוסדות פיננסיים מעולם לא חוו במחשבים המרכזיים כישלונות כאלו, הנובעים מבעיות של אבטחת מידע. ארגונים רבים מבצעים הערכה מחדש של כלל נוהלי הטיפול במידע, כשלעיתים קרובות הם מתמקדים בריכוז מחדש של מערכות המחשוב על מערכות מאובטחות.

המחשב המרכזי כיום 
למרות שיש שהספידו את המחשב המרכזי בעבר, הרי שגם היום מחשבים מרכזיים ( בשליטה כמעט מוחלטת של חברת יבמ) ממשיכים לארח את יישומי הליבה של חלק גדול מהארגונים הגדולים בעולם, הנקראים Fortune 1000, להחזיק את הנתונים והמידע הקריטי, ולהריץ מיליוני תנועות (טרנזקציות) במערכות מורשת וביישומים מודרניים.

מחירם של מחשבים מרכזיים עדיין גבוה בהרבה ממחיר שרתי אינטל או מחשבי ביניים, אך המדידה הנכונה הנדרשת היא בעלות כוללת, או TCO, הכוללת את כמות השרתים הנדרשת להחליף נחשב מרכזי אחד, כמות כוח האדם, התחזוקה תוכנות קישוריות ואבטחת מידע ופרמטרים רבים נוספים. בשל מחירם הראשוני הגבוה קיים גם שוק פעיל במחשבים מרכזיים משומשים.

שוק המחשבים המרכזיים מפגין מאפיינים כלכליים המוכרים למשקיפים של שווקים אחרים כדוגמת שוק המוליכים למחצה וחברות התעופה הגדולות. בכל השווקים הללו קיים יתרון לגודל משמעותי והם דורשים השקעות הון גדולות על מנת להתחרות, וכתוצאה מכך נותרים בשוק מספר מועט של מתחרים גדולים. ועם זאת שווקים אלו הם תחרותיים ביותר משום שמובילות טכנולוגית עלולה להיות זמנית ומשום ששווקים אלו רגישים בצורה שאינה פרופורציונית לשינויים בביקוש המקרו-כלכלי. עסקים ומוסדות ממשלתיים נוטים להשהות או לעכב השקעות הון, כדוגמת רכישת מחשבים מרכזיים, בתקופות מיתון כלכלי.

נכון לתחילת 2006 שולטים המחשבים המרכזיים של חברת יבמ בשוק עם כ-90% מנפח השוק. החברה החלה לספק את המחשב המרכזי החזק ביותר בשוק, דגם 109 מסדרת z9, בסוף 2005 והוציאה על פיתוחו סכום ענק של 1.2 מיליארד דולר. למרות עוצמת המחשבים המרכזיים של IBM, היא אינה הספק היחיד בשוק. יוניסיס עדיין מייצרת את המחשבים המרכזיים מסדרת ClearPath המבוססים על קו המוצרים הקודם של החברות Sperry ו-Burroughs. קו המוצרים הנוכחי של חברת פוג'יטסו משווק בשם ES7000 של חברת יוניסיס, בעוד שקו המוצרים מבוסס טכנולוגיית ה-31 ביט של חברת Amdahl הולך ונמוג במהירות. על מנת לחלק ביניהן את העלויות פיתחה היטאצ'י במשותף עם IBM את סדרת המחשבים המבוססים על טכנולוגיה של 64 ביט, z800, מחשבים שמחירם כיום נמוך יחסית (פחות מ-40,000 דולר נכון לתחילת 2006).

HP ממשיכה למכור את סדרת המחשבים הייחודית שלה (NonStop) אותה רכשה מחברת Tandem. מחשבים מרכזיים מסדרת DPS של חברת Bull הצרפתית עדיין מצויים בשוק האירופי.

בתכנון מחשביהם מסתמכות יוניסיס ו-HP יותר ויותר על מעבדי אינטל הנפוצים במקום על מעבדים המתוכננים ונבנים במיוחד, על מנת לצמצם את עלויות הפיתוח, ואסטרטגיה זו אמורה לעזור להן להגדיל את חלקן בשוק. בניגוד להן, מוציאה חברת יבמ מיליארדים על פיתוח טכנולוגיות חדשות מתוצרתה, ועד כה אסטרטגיה השקעה זו מניבה החזרים כספיים ניכרים הודות לעניין שמביעים הלקוחות במוצרים. אסטרטגיה זו גורמת גם לבידול של מוצרי IBM, בייחוד בקשר להתאמת החומרה במטרה לשפר את הביצועים של תוכנה מסוימת (כדוגמת לינוקס, יישומי Java ובסיס הנתונים DB2).

מחשבים מרכזיים מתאפיינים בעוצמה גבוהה, ולכן ההבחנה ביניהם ובין מחשבי-על אינה פשטנית, אך כללית ניתן לומר שמחשבי-על מתמקדים בפתרון בעיות המוגבלות במהירות החישוב של המחשב בעוד שמחשבים מרכזיים מתמקדים בפתרון בעיות המוגבלות בקצב פעולות הקריאה/כתיבה ואמינות (ראו הרחבה בערך מחשב-על).

מאפיינים וטכנולוגיה
מחשבים מרכזיים מודרניים אינם מוגדרים על פי ביצועי המחשב אלא בעיקר על פי תכונות אחרות, כמו תכנון הנדסי פנימי ברמה גבוהה, אמינות גבוהה, אבטחת מידע קפדנית, ו"תמיכה לאחור" בתוכנה (היכולת לתמוך בהפעלת תוכנה ישנה בסדרות מחשבים חדשות). מחשבים אלה מסוגלים לפעול (ואף פועלים למעשה) בהצלחה במשך שנים ללא כל הפסקה כשתיקונים ושדרוגים מבוצעים כאשר המחשב ממשיך לפעול.

ספקי מחשבים מרכזיים מציעים שירותים כדוגמת יתירות מחוץ לאתר, שבמסגרתה כאשר המחשב בכל זאת מתקלקל, הספק מציע את האפשרות להריץ את היישומים של לקוחותיו במחשביו הוא (לעיתים קרובות מבלי שהמשתמשים מרגישים בשינוי) בעוד שהתיקונים על המחשב שהתקלקל נמשכים.

חוסנן ומהימנותן של מערכות מחשב אלו הן בין הסיבות לאורך החיים הממושך של סוג זה של מחשבים, שכן משתמשים בהם ביישומים שבהם השבתה עלולה להיות קריטית לארגון. המונח RAS (ראשי תיבות מאנגלית, אמינות (Reliability), זמינות (Availability) ושמישות (Serviceability), נוצר על ידי אנשי השיווק של IBM, כדי לציין חוסן זה.

מחשב מרכזי תומך לעיתים קרובות בו זמנית באלפי משתמשים המקבלים גישה למשאבי המחשב באמצעות "מסופים טיפשים" (מסוף שבו מקלדת ומסך ושאינו מסוגל לבצע פעולות לוגיות) או באמצעות תוכנה המבצעת אמולציה למסוף מסוג זה על מחשבים אישיים. המחשבים המרכזיים הראשונים תמכו בשיטה זו של שיתוף משאבים (Timesharing) או שפעלו בשיטת עיבוד באצווה (Batch processing) שבה לא הייתה למשתמשים גישה ישירה לשירותי המחשוב, והמחשב המרכזי סיפק שירותי בק אופיס בלבד. בתקופה זו היו המחשבים המרכזים מכונים "מיינפריים" בשל העובדה כי הם היו מכונות גדולות ובעלות דרישה ניכרת לחשמל ובקרת אקלים יקרה. כיום מחשבים מרכזיים תומכים בגישה מכל ממשק משתמש, כולל World Wide Web (מחשב מרכזי מתוצרת IBM היה שרת Web הראשון מחוץ לאירופה). אירוני הוא שכיום דווקא שרתי Blade הם הציוד הדורש טכנולוגיות קירור אקזוטיות ותופס יותר שטח רצפה במרכז המחשוב מהמחשב המרכזי.

טכנולוגיה נוכחית 
מערכות המחשב הישנות המבוססות על ארכיטקטורה של 32 ביטים, כולל מחשבי Amdahl ורוב דגמי המחשב של חברת היטאצ'י, הוחלפו בהדרגה במחשבי 64 ביט. מערכת ההפעלה המרכזית של יבמ, z/OS, תומכת רק במחשבים מבוססי 64 ביט החל משנת 2007 ואילך.

את מערכת ההפעלה לינוקס ניתן להפעיל על מערכות מחשבים מרכזיים שונות, באופן ישיר, או תחת מכונה וירטואלית, צורת השימוש הנפוצה יותר. מערכת ההפעלה לינוקס מאפשרת למשתמשיה לנצל את היתרון בשימוש בתוכנה ויכולת פיתוח התוכנה של קהיליית הקוד הפתוח.

הטכנולוגיה בבסיס המחשבים המרכזיים של IBM עד לתחילת שנות ה-90 הייתה Bipolar junction transistor (הקרויה גם ECL). טכנולוגיה זו סיפקה ביצועים טובים אבל הייתה בזבזנית בחשמל, ופלטה חום רב. על מנת להתמודד עם בעיית החום היה צריך להשקיע במערכות מיזוג גדולות (שגם הן צרכו חשמל רב), ובמחשבים המרכזיים בעלי המעבדים החזקים יותר גם להוסיף מערכות קירור מיוחדות מבוססות מים. התוצאה הייתה שמחשב מרכזי אחד היה בנוי מכמה קופסאות שצרכו שטח רצפה ניכר. עובדות אלה תרמו לדימוי הדינוזאור שדבק במחשבים המרכזיים.

בתחילת שנות ה-90 עברה חברת יבמ ליישום טכנולוגיית CMOS במחשבים המרכזיים. המעבר לא היה קל, טכנולוגיית CMOS דורשת הרבה פחות משאבי חשמל ומיזוג אבל המחשבים הראשונים שיצאו בטכנולוגיה זו היו איטיים מאוד בהשוואה למחשבים מבוססי הטכנולוגיה הקודמת. רק לקראת סוף העשור, לאחר פיתוחים נוספים, עברו המחשבים מבוססי הטכנולוגיה החדשה בביצועיהם את המחשבים מבוססי הטכנולוגיה הקודמת. מאז משקיעה יבמ בשיפור הפונקציונליות של המחשבים המרכזיים, לדוגמה בארכיטקטורה של 64 ביט (z/Architecture). IBM גם משקיעה בפיתוח התוכנה שהיא מציעה למחשבים המרכזיים כדוגמת מסד הנתונים DB2 UDB למערכת ההפעלה z/OS וסביבת הפיתוח והתפעול WebSphere. IBM גם נכנסה לשוק כלי התוכנה, תוכניות שירות וניהול על מנת לחדש את התחרות בשוק שהיה רדום לאחרונה ולאלץ את השחקנים שעוד נותרו בו לחדשנות.

כמעט כל המחשבים המרכזיים מסוגלים להפעיל (או "לארח") כמה מערכות הפעלה במקביל ולעבוד לפיכך לא כמחשב בודד כי אם כמספר מכונות וירטואליות. בתפקיד זה יכול מחשב מרכזי אחד להחליף עשרות ואף מאות שרתים, ובכך לצמצם את עלויות הניהול והתחזוקה ובמקביל להגביר בצורה ניכרת את אמינות המערכות ויכולת הגידול שלהן. האמינות מושגת בשל היכולת להקצות את משאבי החומרה בין המכונות הווירטואליות לפי דרישה מתוך הקיבולת הכללית של המחשב.

המחשבים המרכזיים המודרניים מסוגלים להוסיף קיבולת למערכת בצורה שאינה מפריעה לפעולת המחשב, באופן מידי ובמנות מדודות. יכולת שמחלקת השיווק של חברת IBM מכנה "מחשוב על פי דרישה" (on demand computing). מחשבים מרכזיים מודרניים, בייחוד מחשבי סדרת z9 של חברת IBM, מציעים לפחות שלוש רמות עיקריות של הפעלת שירותים מקבילים מבודדים (virtualization):
 מחיצות לוגיות (במונחי יבמ: LPAR (Logical Partition)) בעזרת רכיב תווכה (מיקרו-קוד - הקוד הצרוב במחשב בדומה ל-BIOS במחשב האישי) הקרוי PR/SM,
 מכונות וירטואליות, בעיקר באמצעות מערכת ההפעלה z/VM,
 יכולות ההפעלה במקביל של תוכנות המבודדות האחת מרעותה, תוך שימוש בכתובות וירטואליות כשמערכת ההפעלה (בייחוד z/OS) מנהלת את עומס העבודה בצורה אופטימלית.
יחדיו טכנולוגיות virtualization אלו תומכות בסביבת עבודה הכוללת גם לינוקס ו-Java באופן יעיל ואמין ביותר.

שפות תכנות 
85% מכל התוכניות הכתובות למחשב מרכזי הן בשפת קובול.
7% כתובות באסמבלר, C או .
5% כתובות בPL/I.
3% כתובות ב-Java ושפות אחרות.
השימוש ב-Java נמצא בקו עלייה (נכון ל-2004), בייחוד במערכות מחשבים מרכזיים חדשות. כמו כן נוספו לאחרונה לקובול תכונות מוכוונות World Wide Web, כדוגמת יכולות ניתוח מחרוזות (Parsing) של XML כשתכונות אלה הוטמעו גם בשפת PL/I.

IBM טענה כי מעל ל-200 לקוחות מחשבים מרכזיים חדשים (לקוחות שמעולם לא היה מחשב מרכזי ברשותם) התווספו מאז תחילת המאה ה-21 (נכון לשנת 2004).

מהירות וביצועים 
מהירות המעבד של המחשבים המרכזיים נמדדה (ועדיין נמדדת) ביחידה הקרויה MIPS ראשי תיבות של "מיליון פקודות לשנייה" (Million Instructions Per Second). מדד זה שימש כאמצעי קל לדרוג יחסי של מהירות וביצועי מחשבים מרכזיים. עוצמת המעבד של המחשב המרכזי הקטן ביותר של יבמ נכון לשנת 2010 (דגם A01 בסדרת z10 BC) מוערכת בכ-38 MIPS, והיא מגיעה עד 29,590 MIPS במחשב אחד (דגם 764 בסדרת z10 EC). בנוסף לכך, ל-IBM יש טכנולוגיה המכונה Parallel Sysplex (קיצור של מערך מחשבים מקביליים) שבה מופעלים עד 32 עותקים של מערכת ההפעלה z/OS בתצורה לוגית של מערכת מחשב אחת גדולה. משמעות הדבר ש-16 מחשבים מדגם 732 בסדרת z9 EC (שכל אחד מריץ שני עותקים של מערכת ההפעלה z/OS) המחוברים באמצעות טכנולוגיית Parallel Sysplex מסוגלים להגיע תאורטית לעוצמה של 248,528 MIPS.

MIPS הוא מדד בעייתי, ולכן המדד הרשמי של חברת IBM להערכת ביצועי המחשב המרכזי קרוי LSPR (ראשי תיבות באנגלית של מראה מקום לביצועי מערכות גדולות) שבו נעשה שימוש בטבלאות השוואה בין מחשבים מרכזיים תוך התחשבות בסוגי סביבות העבודה השונות האפשריות.

ניתן לראות אנלוגיה לנושא השוואת ביצועי מחשבים שונים מעולם שרתי היוניקס שבו לקוחות תובעניים בודקים את ביצועי המחשבים על סמך בדיקות של סביבות עבודה מסוימות כדוגמת הבדיקות המכונות TPC-C או SpecInt ואינם מסתפקים בזמן השעון של ה-CPU בלבד. עם זאת, הולכת ומתגברת התופעה שגם בדיקות אלו סובלות בעצמן מבעיות.

לרוע המזל, נדרשת כמות עבודה רצינית (ולעיתים גם יכולת ניחוש) כדי שהלקוחות ידעו מהו סוג סביבת העבודה שלהם על מנת שיוכלו ליישם רק את ערכי ה-LSPR הרלוונטיים להם. לפיכך השימוש ב-MIPS ממשיך להיות פופולרי כיום עד כדי כך שנציגי חברת יבמ ויועצים ממשיכים לפרסם את ההבדלים בין דגמי המחשב השונים בטבלאות מבוססות MIPS.

ראו גם
IBM Coupling Facility

קישורים חיצוניים

 יצחק עמיהוד, המחשב האלקטרוני ועבוד הנתונים, הוצאת הוד-עמי, 1968.
שרתי סדרת z באתר יבמ (באנגלית)
מועדון המעריצים הבלתי רשמי של המחשבים המרכזיים של יבמ 
מפרטים של מחשבים מרכזיים

הערות שוליים 

סוגי מחשבים
מוצרי IBM