Mainframe là gì? Cách hoạt động và vai trò của Mainframe Computer

Mainframe vẫn giữ vai trò quan trọng trong các hệ thống cần xử lý lượng lớn dữ liệu và giao dịch liên tục. Vậy Mainframe là gì, hệ thống này hoạt động như thế nào và được ứng dụng trong những lĩnh vực nào? Bài viết dưới đây sẽ giúp bạn tìm hiểu chi tiết.

Mainframe Computer là gì?

Mainframe (Máy tính lớn) là máy tính hiệu năng cao được thiết kế để xử lý và lưu trữ khối lượng dữ liệu rất lớn. Hệ thống có thể thực hiện hàng tỷ phép tính, xử lý giao dịch theo thời gian thực và đáp ứng tới 1.000 tỷ giao dịch web mỗi ngày với độ bảo mật, độ tin cậy cao.

Máy tính Mainframe thường được trang bị dung lượng bộ nhớ lớn cùng nhiều bộ xử lý dữ liệu. Nhờ khả năng hoạt động ổn định và liên tục, Mainframe đóng vai trò quan trọng trong cơ sở dữ liệu thương mại, máy chủ giao dịch và các ứng dụng yêu cầu khả năng phục hồi, bảo mật và tính linh hoạt cao.

Mặc dù Internet và điện toán đám mây (Cloud computing) ngày càng phát triển, Mainframe không phải là công nghệ lỗi thời. Hệ thống này liên tục được cải tiến để phù hợp với các công nghệ mới và vẫn giữ vai trò quan trọng trong cơ sở hạ tầng CNTT của nhiều tổ chức lớn.

Theo báo cáo của IBM, Mainframe đang được sử dụng làm nền tảng cốt lõi tại 45 trong số 50 ngân hàng hàng đầu, 4 trong số 5 hãng hàng không hàng đầu, 7 trong số 10 nhà bán lẻ lớn nhất thế giới và 67 doanh nghiệp thuộc Fortune 100. Mainframe cũng xử lý gần 70% khối lượng công việc CNTT đang vận hành trên toàn cầu.

Mainframe có hình dáng như thế nào?

Các hệ thống Mainframe đời đầu được đặt trong những khung kim loại có kích thước bằng cả một căn phòng, chiếm diện tích từ khoảng 186 đến 929 m². Những cỗ máy khổng lồ này tiêu thụ nhiều điện năng, yêu cầu hệ thống điều hòa công suất lớn và sử dụng số lượng lớn thiết bị đầu vào/đầu ra (I/O).

Mainframe ngày nay nhỏ gọn hơn nhiều so với các hệ thống “Big Iron” trước đây, thường có kích thước tương đương một chiếc tủ lạnh lớn. Những mẫu mới nhất, chẳng hạn hệ thống một khung IBM z17™ sử dụng tủ rack tiêu chuẩn 19 inch, được thiết kế để dễ dàng tích hợp với các hệ thống và hạ tầng CNTT khác trong trung tâm dữ liệu hiện đại.

Mainframe có thể được triển khai tại trung tâm dữ liệu tại chỗ của doanh nghiệp, trung tâm dữ liệu đám mây hoặc trên nền tảng đám mây lai.

Lịch sử hình thành và phát triển Mainframe

• 1950–đầu thế kỷ XXI: Nhiều hãng sản xuất Mainframe, nổi bật nhất là IBM, Burroughs, UNIVAC, NCR, Control Data và Honeywell.
• Thập niên 1960: IBM củng cố vị thế với dòng System/360, nền tảng phát triển thành các hệ thống IBM Z sau này.
• Đầu thập niên 1970: Nhu cầu giảm và cạnh tranh tăng khiến thị trường Mainframe bắt đầu sáp nhập, thu hẹp.
• 1984: Doanh số máy tính để bàn lần đầu vượt Mainframe, đạt 11,6 tỷ USD so với 11,4 tỷ USD.
• Thập niên 1980: Máy tính mini và máy chủ giá thấp dần thay thế các Mainframe thuộc phân khúc thấp.
• 1986: Sperry sáp nhập với Burroughs để thành lập Unisys, một trong những hãng Mainframe còn tồn tại.
• Đầu thập niên 1990: Nhu cầu Mainframe giảm mạnh do máy tính cá nhân và máy chủ dựa trên vi xử lý phát triển.
• Cuối thập niên 1990: Mainframe phục hồi nhờ thương mại điện tử, điện toán tập trung và nhu cầu xử lý giao dịch lớn.
• 1999: Linux được triển khai trên Mainframe IBM, giúp kết hợp phần mềm mã nguồn mở với phần cứng có độ tin cậy cao.
• 2000: IBM giới thiệu kiến trúc z/Architecture 64-bit, mở rộng khả năng xử lý của Mainframe.
• 2012: NASA ngừng vận hành Mainframe IBM System z9 cuối cùng, nhưng Mainframe vẫn được sử dụng rộng rãi trong tài chính và thương mại.
• 2015–2022: IBM lần lượt ra mắt z13, z14, z15 và z16; trong đó z16 tích hợp bộ tăng tốc AI và bộ xử lý Telum.

Mainframe hiện đại hoạt động như thế nào?

Mainframe hiện đại hoạt động bằng cách kết hợp nhiều bộ xử lý chuyên dụng trong một tổ hợp bộ xử lý trung tâm (Central Processor Complex – CPC). Khác với các dòng mainframe đời đầu như S/360 chỉ sử dụng một CPU, kiến trúc này giúp hệ thống xử lý đồng thời khối lượng dữ liệu và số lượng giao dịch rất lớn.

Bên trong mainframe có các card chuyên dụng cho mạng, mã hóa, lưu trữ và nén dữ liệu. Mỗi card đều được trang bị bộ xử lý và bộ nhớ riêng, giúp giảm tải cho bộ xử lý trung tâm và tăng hiệu quả vận hành.

Hệ thống còn sử dụng bộ xử lý hỗ trợ hệ thống (System Assist Processor – SAP) để tăng tốc quá trình truyền dữ liệu giữa hệ điều hành, bộ xử lý và các thiết bị đầu vào/đầu ra (I/O). Ngoài ra, một số bộ xử lý chuyên dụng được dùng để chạy Linux, Java và các workload khác. Nhờ đó, mainframe có thể duy trì mức sử dụng tài nguyên cao và xử lý liên tục các tác vụ có thông lượng lớn.

Khả năng xử lý mạnh mẽ này giúp mainframe đáp ứng nhu cầu của các cơ quan chính phủ, công ty tiện ích, tổ chức tài chính và cơ sở y tế. Mainframe hiện đại cũng hỗ trợ điện toán đám mây, quản lý dữ liệu, dữ liệu lớn, phân tích, trí tuệ nhân tạo và điện toán lượng tử thông qua các lớp mở rộng và tích hợp với hệ thống lõi.

Máy tính lớn (Mainframe) khác siêu máy tính (Supercomputers) như thế nào?

Mainframe và siêu máy tính đều có hiệu năng cao nhưng được thiết kế cho mục đích khác nhau. Mainframe tập trung vào khả năng xử lý đồng thời số lượng lớn giao dịch và dữ liệu với độ ổn định, bảo mật cao.

Trong khi đó, siêu máy tính được tối ưu cho các phép tính phức tạp với tốc độ cực cao. Thiết bị này chủ yếu phục vụ nghiên cứu khoa học, dự báo thời tiết, mô phỏng vật lý, nghiên cứu khí hậu và mô hình hóa phân tử.

Lợi ích của Mainframe

Mainframe nổi bật với độ tin cậy, tính sẵn sàng và khả năng bảo trì cao. Những lợi ích chính của Mainframe gồm:

• Độ tin cậy cao: Phần cứng Mainframe có khả năng tự kiểm tra, phát hiện lỗi và phục hồi để duy trì hoạt động ổn định.
• Tính sẵn sàng: Khi một thành phần gặp lỗi, hệ thống có thể phục hồi mà không làm ảnh hưởng đến các thành phần còn lại, qua đó hạn chế thời gian gián đoạn.
• Dễ bảo trì: Mainframe có thể xác định nguyên nhân sự cố, hỗ trợ thay thế phần cứng hoặc phần mềm với mức ảnh hưởng thấp nhất đến hệ thống đang vận hành.
• Hiệu suất mạnh mẽ: Mainframe hỗ trợ Linux, các hệ điều hành chuyên dụng và phần mềm có khả năng khai thác tối đa năng lực phần cứng.
• Khả năng mở rộng lớn: Hệ thống có thể xử lý đồng thời khối lượng lớn giao dịch, dữ liệu và lưu lượng đầu vào/đầu ra (I/O), đồng thời mở rộng tài nguyên theo nhu cầu.
• Bảo mật cao: Mainframe tích hợp thẻ mã hóa, trí tuệ nhân tạo và học máy để hỗ trợ phát hiện tấn công mạng, gian lận và quản lý quyền riêng tư theo chính sách.
• Xử lý giao dịch quy mô lớn: Mainframe hiện đại có thể thực hiện tới 1.000 tỷ giao dịch web an toàn mỗi ngày.
• Khả năng phục hồi tốt: Hệ thống sử dụng nhiều lớp dự phòng cho nguồn điện, làm mát, pin, CPU, thiết bị I/O và mô-đun mã hóa, đồng thời được kiểm thử trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt.

Hạn chế của Mainframe

• Mainframe không thể được sử dụng như máy tính thông thường vì được thiết kế cho các tác vụ chuyên biệt.
• Hệ thống cần một hệ điều hành chuyên dụng để hoạt động.
• Chi phí đầu tư rất cao.
• Mainframe chủ yếu được sử dụng cho mục đích thương mại, chẳng hạn xử lý giao dịch.
• Mainframe không phù hợp để tính toán hoặc giải quyết các bài toán phức tạp như siêu máy tính.

Phân biệt Mainframe và Cloud

Ứng dụng của Mainframe trong thực tế 

Theo báo cáo của Allied Market Research, thị trường Mainframe toàn cầu đạt giá trị 2,9 tỷ USD vào năm 2022 và dự kiến tăng lên 5,6 tỷ USD vào năm 2032, với tốc độ tăng trưởng kép hằng năm (CAGR) là 7,3%. Những ứng dụng phổ biến của Mainframe gồm:

• Xử lý giao dịch tài chính: Hỗ trợ ngân hàng, công ty bảo hiểm và tổ chức đầu tư xử lý giao dịch thẻ tín dụng, rút tiền tại ATM và cập nhật tài khoản trực tuyến.
• Quản lý dữ liệu y tế: Lưu trữ và xử lý an toàn thông tin định danh cá nhân, hồ sơ bệnh án và dữ liệu thanh toán của bệnh nhân.
• Vận hành hệ thống ERP: Đảm bảo khả năng truy cập dữ liệu ổn định, xử lý dữ liệu doanh nghiệp và kết nối ERP với các ứng dụng khác.
• Phân tích dữ liệu quy mô lớn: Hỗ trợ các mô hình học máy, phân tích dự đoán và khối lượng công việc thống kê trên lượng dữ liệu lớn.
• Xử lý blockchain: Cung cấp năng lực lưu trữ an toàn và đáng tin cậy cho các bản ghi giao dịch bất biến trong tài chính, bán lẻ, năng lượng và y tế.
• Triển khai Generative AI: Hỗ trợ đào tạo, tinh chỉnh và triển khai mô hình ngôn ngữ lớn, chatbot AI cùng các ứng dụng trí tuệ nhân tạo khác.
• Vận hành dịch vụ chính phủ: Được sử dụng trong các hệ thống thực thi pháp luật, an ninh quốc gia và dịch vụ công yêu cầu bảo mật, hiệu suất và khả năng phục hồi cao.
• Hỗ trợ hoạt động bán lẻ: Xử lý số lượng lớn giao dịch trực tuyến trên thiết bị di động và nhiều nền tảng khác.

Qua bài viết, bạn đã hiểu Mainframe là gì, cách hoạt động và vai trò của hệ thống này. Với hiệu suất, độ tin cậy và khả năng bảo mật cao, Mainframe ngày nay vẫn được ứng dụng trong nhiều hệ thống quan trọng.