메인프레임

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1. 개요

메인프레임은 1950년대부터 등장하여 대규모 트랜잭션 처리와 높은 신뢰성을 요구하는 시스템에 주로 사용되는 고성능 컴퓨터이다. 초기에는 UNIVAC I과 같은 상업용 컴퓨터로 시작하여 IBM의 System/360 시리즈를 통해 범용 컴퓨터로 발전했다. 1970년대에는 IBM과 여러 제조사들이 경쟁하며 발전했지만, 1990년대에는 다운사이징의 물결로 위기를 겪기도 했다. 하지만, 2000년대에 들어서면서 데이터 네트워킹 비용 감소와 전자 상거래의 성장으로 재평가받았으며, Linux on IBM Z와 같은 오픈 시스템과의 통합을 통해 새로운 용도를 찾고 있다. 메인프레임은 높은 신뢰성, 보안, 하위 호환성, 가상화, 핫 스와핑 등의 특징을 가지며, 금융 기관, 정부, 자치단체 등에서 기간 업무 시스템으로 활용된다.

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메인프레임

2. 역사

1950년에 세계 최초의 상업용 컴퓨터 UNIVAC I가 등장했다.^[48] UNIVAC I은 상업 연산을 위해 개발되었으며 기존의 펀치 카드 시장과 경쟁했지만, 1952년 미국 대통령 선거 결과를 예측한 것으로 유명해졌다. 시리즈 이름인 UNIVAC은 컴퓨터의 대명사가 되었으며, 에커트-모클리 컴퓨터 코퍼레이션(EMCC), 레밍턴 랜드, 그리고 스페리에 의해 판매되었다. 1952년 IBM이 IBM 701로, 1954년에는 배로스가 B205로 상업용 컴퓨터 시장에 진입했다.

일부 제조업체들이 1950년대 말부터 1970년대에 이르기까지 메인프레임 컴퓨터를 생산하였다. 최초로 알려진 제조업체 그룹은 "BUNCH"(IBM과 7명의 난쟁이)이다:^[79] 일반적으로 버로프, 유니박, NCR, 컨트롤 데이터, 허니웰, 제네럴 일렉트릭, RCA 등이 있다. 나중에 제너럴 일렉트릭과 RCA이 그룹을 떠나자 "IBM과 BUNCH"로 불렸다. ^[24] IBM의 지배권은 700/7000 시리즈 및 이후 360 시리즈 메인프레임의 개발을 통해 성장하였다.

1964년, IBM이 사운을 걸고 출시한 System/360 시리즈는 큰 성공을 거두었다. System/360은 트랜지스터를 많이 사용했으며, 상업 계산(십진 연산)과 과학 기술 계산(부동 소수점)을 모두 수행하는 범용 컴퓨터로, 사용자 프로그램과 주변 기기의 호환성을 갖춘 컴퓨터 패밀리를 형성했다. 또한 컴퓨터 아키텍처와 운영 체제 용어가 생겨났고, 가상 머신과 시분할 등도 사용할 수 있었다.

System/360의 성공으로 호환 소프트웨어 및 주변 기기 시장이 형성되었고, 이후 IBM 호환 컴퓨터(플러그 호환)도 등장했다. 또한 컴퓨터 시장에서 후발 주자였던 IBM은 지배적인 업계 영향력을 가지게 되었고, 빅 블루 또는 거인이라고 불리게 되었다. 시스템 360 아키텍처는 당시 버로프와 스페리(현재의 유니시스) MCP기반 및 OS1100 메인프레임과 더불어 현재의 z시리즈 메인프레임으로까지 진화하였으며, 뿌리에서부터 최근에 이르기까지 현존하는 몇 안 되는 메인프레임 아키텍처 가운데 하나에 속한다. IBM의 z시리즈는 24비트 시스템/360 코드를 실행할 수 있는 반면, 64비트 z시리즈와 시스템 z9 CMOS 서버들은 더 오래된 시스템과 물리적인 공통점은 없다.

1970년대에 IBM, 배로스, 컨트롤 데이터 코퍼레이션(CDC), 제너럴 일렉트릭(GE), 허니웰, NCR, RCA, 유니백(UNIVAC) 각 사가 상업용 컴퓨터(메인프레임)를 제조하여 "IBM과 일곱 난쟁이"라고 불렸다. 미국 외의 유명한 제조업체들로는 독일의 지멘스, 텔레풍켄, 영국의 ICL, 이탈리아의 올리베티, 일본의 후지쯔, 히타치, 오키, NEC가 있다. 소련과 바르샤바 조약 기구의 국가들은 냉전 기간 중에 IBM 메인프레임에 가까운 복사본을 제조하였는데, 여기에는 BESM 시리즈, 스트렐라가 독립적으로 설계된 소련 컴퓨터의 예로 볼 수 있다.

2. 1. 탄생 (1950년대~ )

1950년에 세계 최초의 상업용 컴퓨터 UNIVAC I가 등장했다.^[48] UNIVAC I은 상업 연산을 위해 개발되었으며 기존의 펀치 카드 시장과 경쟁했지만, 1952년 미국 대통령 선거 결과를 예측한 것으로 유명해졌다. 시리즈 이름인 UNIVAC은 컴퓨터의 대명사가 되었으며, 에커트-모클리 컴퓨터 코퍼레이션(EMCC), 레밍턴 랜드, 그리고 스페리에 의해 판매되었다. 1952년 IBM이 IBM 701로, 1954년에는 배로스가 B205로 상업용 컴퓨터 시장에 진입했다.

일부 제조업체들이 1950년대 말부터 1970년대에 이르기까지 메인프레임 컴퓨터를 생산하였다. 최초로 알려진 제조업체 그룹은 "BUNCH"(IBM과 7명의 난쟁이)이다:^[79] 일반적으로 버로프, 유니박, NCR, 컨트롤 데이터, 허니웰, 제네럴 일렉트릭, RCA 등이 있다. 나중에 제너럴 일렉트릭과 RCA이 그룹을 떠나자 "IBM과 BUNCH"로 불렸다. ^[24] IBM의 지배권은 700/7000 시리즈 및 이후 360 시리즈 메인프레임의 개발을 통해 성장하였다.

1964년, IBM이 사운을 걸고 출시한 System/360 시리즈는 큰 성공을 거두었다. System/360은 트랜지스터를 많이 사용했으며, 상업 계산(십진 연산)과 과학 기술 계산(부동 소수점)을 모두 수행하는 범용 컴퓨터로, 사용자 프로그램과 주변 기기의 호환성을 갖춘 컴퓨터 패밀리를 형성했다. 또한 컴퓨터 아키텍처와 운영 체제 용어가 생겨났고, 가상 머신과 시분할 등도 사용할 수 있었다.

System/360의 성공으로 호환 소프트웨어 및 주변 기기 시장이 형성되었고, 이후 IBM 호환 컴퓨터(플러그 호환)도 등장했다. 또한 컴퓨터 시장에서 후발 주자였던 IBM은 지배적인 업계 영향력을 가지게 되었고, 빅 블루 또는 거인이라고 불리게 되었다. 시스템 360 아키텍처는 당시 버로프와 스페리(현재의 유니시스) MCP기반 및 OS1100 메인프레임과 더불어 현재의 z시리즈 메인프레임으로까지 진화하였으며, 뿌리에서부터 최근에 이르기까지 현존하는 몇 안 되는 메인프레임 아키텍처 가운데 하나에 속한다. IBM의 z시리즈는 24비트 시스템/360 코드를 실행할 수 있는 반면, 64비트 z시리즈와 시스템 z9 CMOS 서버들은 더 오래된 시스템과 물리적인 공통점은 없다.

1970년대에 IBM, 배로스, 컨트롤 데이터 코퍼레이션(CDC), 제너럴 일렉트릭(GE), 허니웰, NCR, RCA, 유니백(UNIVAC) 각 사가 상업용 컴퓨터(메인프레임)를 제조하여 "IBM과 일곱 난쟁이"라고 불렸다. 미국 외의 유명한 제조업체들로는 독일의 지멘스, 텔레풍켄, 영국의 ICL, 이탈리아의 올리베티, 일본의 후지쯔, 히타치, 오키, NEC가 있다. 소련과 바르샤바 조약 기구의 국가들은 냉전 기간 중에 IBM 메인프레임에 가까운 복사본을 제조하였는데, 여기에는 BESM 시리즈, 스트렐라가 독립적으로 설계된 소련 컴퓨터의 예로 볼 수 있다.

2. 2. 전성기 (~1980년대)

여러 제조업체와 그 후계자들이 1950년대부터 21세기 초까지 메인프레임 컴퓨터를 생산했다.^[24] 미국의 제조업체 그룹은 처음에는 "IBM과 일곱 난쟁이"로 알려졌으며, 일반적으로 Burroughs, UNIVAC, NCR, Control Data, Honeywell, GE 및 RCA가 포함되었다. 나중에는 GE와 RCA가 떠나면서 IBM과 BUNCH로 불렸다. IBM의 지배력은 700/7000 시리즈에서 시작되었고, 이후 360 시리즈 메인프레임의 개발로 이어졌다. 후자의 아키텍처는 현재의 zSeries 메인프레임으로 계속 발전해 왔으며, 당시 Burroughs와 Sperry(현재 Unisys)의 MCP 기반 및 OS1100 메인프레임과 함께 이 초기 시대에 그 뿌리를 두고 있는 몇 안 되는 현존하는 메인프레임 아키텍처 중 하나이다.

1970년대 초, 수요 감소와 치열한 경쟁으로 시장에서 구조조정이 시작되었다. RCA는 UNIVAC에 매각되었고 GE는 사업을 Honeywell에 매각했다. 1986년에서 1990년 사이에 Honeywell은 Bull에 인수되었고, UNIVAC은 Sperry의 한 부서가 되었으며, 이후 1986년 Burroughs와 합병하여 Unisys Corporation을 설립했다.

1984년, 데스크톱 컴퓨터의 예상 판매액(116억 달러)이 처음으로 메인프레임 컴퓨터(114억 달러)를 넘어섰다.^[25] IBM은 메인프레임 수익의 대부분을 차지했다. 1980년대에는 미니컴퓨터 기반 시스템이 더욱 정교해지면서 메인프레임의 하위 부분을 대체할 수 있게 되었다. 이러한 컴퓨터는 때때로 "부서 컴퓨터"라고 불렸으며, Digital Equipment Corporation의 VAX 시리즈가 대표적이었다.

경쟁 격화에 따라 1980년대 초부터 시장 재편이 시작되었다. RCA는 유니백의 모회사인 스페리에, GE는 허니웰에 매각하여 각각 컴퓨터 사업에서 철수했다. 1986년, 유니백은 버로스와 합병하여 유니시스가 되었다. 1991년, AT&T는 NCR을 실질적으로 소유하게 되었다. 허니웰은 프랑스의 불(현: 아토스)에 매각되었다.

IBM은 System/360의 후계 기종인 System/370을 개발하였고, 1981년에는 System/370-XA를 출시했다. IBM은 이들 제품에 주요 기능을 저작권으로 보호하여 독점 비판을 받았다.^[49] 암달은 IBM을 퇴사하고 후지쯔의 지원을 받아 IBM 호환 기종을 개발했다. 미국 외의 주요 제조업체로는 독일의 지멘스와 텔레풍켄, 영국의 ICL, 소비에트 연방의 BESM 등이 있었다.

PDP 시리즈 등의 미니컴퓨터에 대항하여 IBM 4300과 IBM 9370 등 중규모(미드레인지)급 메인프레임이 등장했고, 크레이 등의 벡터 연산형 슈퍼컴퓨터에 대항하여 벡터 기구를 탑재한 메인프레임 3090/VF 등이 등장했다.^[49]

1981년 레이건 행정부는 미국 법무부의 IBM 독점 금지법 재판을 포기하고 기소를 취하했다.

2. 3. 다운사이징의 물결 (1990년대)

1990년대에는 윈도우나 유닉스 등의 오픈 시스템(분산 시스템)의 가격 대비 성능이 향상되었고, 클라이언트-서버 모델과 그래픽 사용자 인터페이스, NetBIOS나 TCP/IP 등의 통신 프로토콜 보급과 함께 다운사이징이 세계적으로 진행되었다. 메인프레임은 "레거시", "멸망해가는 공룡"으로 칭해졌고, IBM 등의 판매 방식도 고객의 실정을 무시한다는 비판을 받으며 각 회사의 메인프레임 수익은 급속도로 악화되었다. 이러한 상황은 메인프레임 전용 애플리케이션을 개발하는 중소 소프트웨어 회사에도 영향을 미쳐, 일부 회사는 PC용 소프트웨어로 기능을 이식하거나, 프롬 소프트웨어처럼 게임 개발로 전환하는 경우도 있었다.

1984년, 데스크톱 컴퓨터의 예상 판매액(116억 달러)이 처음으로 메인프레임 컴퓨터(114억 달러)를 넘어섰으며, IBM은 메인프레임 수익의 대부분을 차지했다.^[25] 1980년대에는 미니컴퓨터 기반 시스템이 더욱 정교해지면서 메인프레임의 하위 부분을 대체할 수 있게 되었는데, Digital Equipment Corporation의 VAX 시리즈가 대표적이었다.

1991년, AT&T Corporation은 잠시 NCR을 소유했다. 같은 기간 동안, 기업들은 마이크로컴퓨터 설계를 기반으로 한 서버가 훨씬 저렴한 가격으로 배포될 수 있으며, 당시의 IT 정책 및 관행을 고려할 때 로컬 사용자에게 자체 시스템에 대한 훨씬 더 큰 제어를 제공할 수 있음을 알게 되었다. 메인프레임 시스템과 상호 작용하는 데 사용되던 터미널은 점차 개인용 컴퓨터로 대체되었다. 결과적으로 수요가 급감했고, 새로운 메인프레임 설치는 주로 금융 서비스 및 정부로 제한되었다. 1990년대 초에는 업계 분석가들 사이에서 메인프레임이 죽어가는 시장이라는 대략적인 공감대가 형성되었다. ''InfoWorld''의 스튜어트 앨솝은 1996년에 마지막 메인프레임이 플러그 해제될 것이라고 예측했고,^[26] 1993년에는 컴퓨터 업계 분석가인 셰릴 커리드를 인용하며 마지막 메인프레임이 "1999년 12월 31일에 작동을 멈출 것"이라고 말했는데,^[26] 이는 2000년 문제 (Y2K)를 언급한 것이다.

이러한 위기에 대응하여 메인프레임 제조사들은 다음과 같은 전략을 추진했다(→ 오픈 대응도 참조).

IBM은 메인프레임을 "오픈 메인프레임 서버"라고 칭하며, CPU의 CMOS화, 64비트화, 오픈 요소의 도입, 더 나아가 Linux 지원을 실시했다.
후지쯔는 메인프레임을 기존 업무용으로 하고, CPU의 CMOS화나 성능 향상은 실시하는 한편, 64비트화나 Linux 대응 등 대폭적인 확장은 중단했다.
히타치 제작소는 IBM과 기술 제휴를 지속하며, CPU의 CMOS화, 64비트화를 실시했다. 한때 Linux 대응도 공개했었다.
NEC는 메인프레임을 기존 업무용으로 하고, 소규모용 ACOS-4는 아이테니엄 2로, ACOS-2는 제온으로 이행하여, 윈도우 서버 등도 동시 가동 가능하게 했다.
유니시스는 UNIVAC계와 배로우스계의 2계통의 메인프레임을 지속하면서도, 윈도우와 Linux를 동시 가동 가능하게 했다.

2. 4. 재평가와 오픈 대응 (2000년대)

2000년대에 들어서면서 메인프레임은 새로운 국면을 맞이했다. 1990년대 클라이언트 서버 등 분산 처리 시스템이 보급되면서 중앙 집중식 처리 방식인 메인프레임은 쇠퇴하는 듯 보였다. 1993년 컴퓨터 업계 분석가 셰릴 커리드는 2000년 문제 (Y2K)를 언급하며 1999년 12월 31일에 마지막 메인프레임이 작동을 멈출 것이라고 예측하기도 했다.^[26] InfoWorld의 스튜어트 앨솝은 1996년에 마지막 메인프레임의 플러그가 해제될 것이라고 예측했다.^[26]

그러나 기업들이 기존 메인프레임의 새로운 용도를 찾고, 전 세계적으로 데이터 네트워킹 가격이 하락하면서 중앙 집중식 컴퓨팅이 다시 주목받기 시작했다. 특히 전자 상거래의 성장은 메인프레임 소프트웨어에서 처리되는 백엔드 트랜잭션 수와 데이터베이스 크기, 처리량을 크게 증가시켰다.^[27] 배치 처리(예: 청구)는 전자 상거래의 성장과 함께 더욱 중요해졌고, 메인프레임은 대규모 배치 컴퓨팅에 강점을 가지고 있었다.^[27]

1999년, IBM 메인프레임 시스템에 리눅스 운영 체제가 도입된 것도 메인프레임 사용 증가에 기여했다. Linux를 통해 사용자는 오픈 소스 소프트웨어와 메인프레임 하드웨어의 안정성, 가용성, 서비스 용이성 (RAS)을 결합하여 활용할 수 있게 되었다.^[27] 특히 중화인민공화국을 포함한 신흥 시장에서 급속한 확장과 개발은 주요 메인프레임 투자를 촉진하여, 은행, 보험, 신용 보고, 정부 서비스 등 여러 산업에서 10억 명의 소비자에게 통합되고 매우 높은 볼륨의 온라인 트랜잭션 처리 데이터베이스를 제공하는 등 어려운 컴퓨팅 문제를 해결하는 데 기여했다.^[27]

2000년 후반, IBM은 64비트 z/Architecture를 도입하고, Cognos와 같은 여러 소프트웨어 회사를 인수하여 해당 소프트웨어 제품을 메인프레임에 도입했다. 2000년대 IBM의 분기별 및 연간 보고서에는 일반적으로 메인프레임 수익 및 용량 출하량이 증가했다고 보고되었다.^[27] 2012년, NASA는 마지막 메인프레임인 IBM System z9의 전원을 껐지만,^[29] IBM의 z9 후속 제품인 z10은 여전히 세계 금융 시장과 글로벌 상거래의 많은 부분을 뒷받침하는 백 오피스 엔진으로 평가받았다.^[30]

이러한 변화에 따라, 후지쯔는 2005년경부터 웹 서버 기능을 강화한 GS 시리즈를 투입하여 라인업을 확충했다. GS는 Global Server의 약자로, "거대한 웹 서버로서의 메인프레임"을 염두에 둔 제품임을 나타낸다.

일본을 제외하면, IBM 외의 메인프레임 제조사로는 유니시스와 불이 있다.

2. 5. 한국

한국은 1960년대부터 메인프레임을 도입하기 시작했다.^[50] 일본의 통상산업성(현 산업통상자원부)은 외자 규제, 보조금, 행정 지도 등을 통해 국산 컴퓨터 개발을 장려하며 IBM의 시장 진출을 늦추었다.^[50] 1960년, 통상성의 협상으로 IBM은 기본 특허 사용을 허가하는 계약을 체결했다.^[50]

1970년대 초, 통상산업성은 국내 컴퓨터 산업 재편에 나섰다. 1972년, 후지쯔와 히타치 제작소, 도시바와 일본 전기, 미쓰비시 전기와 오키 전기 공업을 3개 그룹으로 묶어 기술 연구 조합을 만들고 보조금을 지급하여 "IBM 대항기" 개발을 지원했다.^[50] 후지쯔와 히타치는 IBM System/370 호환기를 개발했다.( FACOM M 시리즈, HITAC M 시리즈)^[50] 도시바와 일본전기는 허니웰과 제휴하여 GCOS 계열인 ACOS 시리즈를 개발했다.^[50]

1982년에는 IBM 산업 스파이 사건이 발생하여 히타치와 미쓰비시 직원이 체포되기도 했다.^[50] 이후 히타치는 IBM과의 제휴를 강화했고, 후지쯔는 독자 노선을 유지했다.^[50]

2000년대에는 일본이 "메인프레임 대국"으로 불리며, 2007년에는 일본 서버 시장의 약 4분의 1을 차지했다.^[51]^[52] 그러나 JEITA 통계에 따르면 메인프레임 출하 금액과 구성 비율은 지속적으로 감소하고 있다.^[51]^[52] 2011년에는 IA 서버가 시장의 중심이 되었다.^[53]

일본 내 메인프레임 출하 금액 및 구성 비율 변화 (JEITA 통계)^[51]^[52]
	1998년도	2002년도	2007년도	2011년도
메인프레임	51% (8231억 엔)	38% (3702억 엔)	25% (1658억 엔)	17% (603억 엔)
UNIX 서버	25%	41%	33%	28%
IA 서버	9%	15%	38%	54%
자체 OS 서버 외	15%	7%	4%	2%

세계 시장에서는 IBM이 90% 이상의 점유율을 차지하는 반면,^[57] 일본 제조사들은 후지쯔, 히타치 제작소, 일본 전기 3사로 좁혀졌고, 신규 투자가 정체되는 경향을 보였다.^[57]

2010년대부터 클라우드 컴퓨팅 기업들이 메인프레임으로부터의 이전을 추진하고 있다.^[58]^[59] 2017년 히타치는 메인프레임 하드웨어 제조에서 철수하고 IBM으로부터 하드웨어를 제공받아 전용 OS 개발을 지속한다고 발표했다.^[60] 2022년 후지쯔는 2030년 메인프레임 제조 철수를 발표했고,^[62] 일본 전기는 자체 개발 프로세서를 탑재한 신형 모델을 발표했다.^[63]

3. 특징

현대 메인프레임 설계는 순수한 연산 속도보다는 다음과 같은 특징을 보인다:^[6]

높은 신뢰성과 보안을 위한 중복 내부 설계
별도의 엔진에 오프로드할 수 있는 기능을 갖춘 광범위한 입출력("I/O") 시설
구형 소프트웨어와의 엄격한 하위 호환성
대규모 처리량을 지원하기 위한 가상화를 통한 높은 하드웨어 및 연산 활용률
프로세서 및 메모리와 같은 하드웨어의 핫 스와핑

메인프레임의 높은 안정성과 신뢰성 덕분에 이러한 시스템은 매우 오랜 기간 동안 중단 없이 작동할 수 있으며, 고장 간 평균 시간(MTBF)은 수십 년 단위로 측정된다.

메인프레임은 고가용성을 가지고 있으며, 이는 메인프레임이 오래 지속되는 주요 이유 중 하나이다. 일반적으로 가동 중단 시 비용이 많이 들거나 치명적인 애플리케이션에 사용되기 때문이다. 신뢰성, 가용성 및 서비스 가능성(RAS)이라는 용어는 메인프레임 컴퓨터의 특징을 정의한다. 이러한 기능을 실현하려면 적절한 계획과 구현이 필요하다. 또한 메인프레임은 다른 유형의 컴퓨터보다 더 안전하다. NIST 취약점 데이터베이스인 US-CERT는 IBM Z(이전에는 z 시스템, System z 및 zSeries라고 불렸음), 유니시스 Dorado 및 유니시스 Libra와 같은 기존 메인프레임을 Windows, UNIX, Linux에서 수천 개에 달하는 취약점과 비교하여 낮은 한 자릿수의 취약점을 가진 가장 안전한 시스템 중 하나로 평가한다.^[6] 소프트웨어 업그레이드는 일반적으로 운영 체제 또는 그 일부를 설정해야 하며, IBM z/OS 및 Parallel Sysplex 또는 유니시스 XPCL과 같은 가상화 기능을 사용하여 한 시스템이 다른 시스템의 애플리케이션을 갱신하는 동안 인계받을 수 있도록 작업 부하 공유를 지원할 때만 중단 없이 수행된다.

1950년대 후반, 메인프레임은 초보적인 대화형 인터페이스(콘솔)만 가지고 있었고 천공 카드, 천공 테이프, 또는 자기 테이프를 사용하여 데이터와 프로그램을 전송했다. 이들은 일괄 처리 모드로 작동하여 급여 및 고객 청구와 같은 백 오피스 기능을 지원했으며, 대부분은 반복적인 테이프 기반 병합 정렬 작업과 라인 프린터를 사용하여 사전 인쇄된 연속 용지에 인쇄하는 방식으로 이루어졌다. 대화형 사용자 터미널이 도입되었을 때, 이들은 프로그램 개발보다는 애플리케이션(예: 항공 예약)에 거의 독점적으로 사용되었다. 그러나 1961년에는 최초의^[7] 학술적이고 범용적인 시분할 시스템인 CTSS가 소프트웨어 개발을 지원하며^[8] MIT에서 IBM 709(나중에 7090 및 7094)에서 출시되었다.^[9] 타자기 및 텔레타이프 장치는 1970년대 초반까지 시스템 운영자를 위한 일반적인 제어 콘솔이었지만 결국 컴퓨터 키보드/디스플레이 장치 장치로 대체되었다.

1970년대 초, 많은 메인프레임은 시분할 컴퓨터로 작동하는 대화형 사용자 터미널을 확보하여^[10] 배치 처리를 비롯하여 수백 명의 사용자를 동시에 지원했다. 사용자는 키보드/타자기 터미널을 통해 접근했으며, 나중에는 문자 모드 텍스트^[11] 터미널 CRT 디스플레이(통합 키보드 포함) 또는 마지막으로 터미널 에뮬레이션 소프트웨어가 장착된 개인용 컴퓨터를 통해 접근했다. 1980년대에는 많은 메인프레임이 범용 그래픽 디스플레이 터미널 및 터미널 에뮬레이션을 지원했지만 그래픽 사용자 인터페이스는 지원하지 않았다. 이러한 형태의 최종 사용자 컴퓨팅은 GUI가 탑재된 개인용 컴퓨터의 출현으로 인해 1990년대에 구식이 되었다. 2000년 이후, 현대 메인프레임은 최종 사용자를 위한 고전적인 "녹색 화면" 및 컬러 디스플레이 터미널 액세스를 웹 스타일 사용자 인터페이스로 부분적으로 또는 완전히 단계적으로 폐지했다.

1990년대 중반 CMOS 메인프레임 설계가 구형 양극성 접합 트랜지스터 기술을 대체하면서 인프라 요구 사항이 대폭 감소했다. IBM은 자사의 최신 메인프레임이 서버 팜과 비교하여 전력 및 냉각에 대한 데이터 센터 에너지 비용을 절감하고 물리적 공간 요구 사항을 줄였다고 주장했다.^[12]

하드웨어 관리 콘솔(HMC)로 시스템에 통합된 IBM 씽크패드가 있는 IBM System z9 메인프레임 내부. HMC는 운영자가 하드웨어, 예를 들어 PR/SM 구성을 제어하는 데 사용된다. 보조 기능은 전용 인터페이스를 통해 저성능 운영자 콘솔 역할을 하는 것이다. HMC는 터미널로 지원되지 않으며, HTTP로 원격 액세스가 제한된다. 다른 두 대의 씽크패드는 지원 요소 및 백업 HMC 역할을 한다.

최신 메인프레임은 동시에 여러 개의 서로 다른 운영 체제 인스턴스를 실행할 수 있다. 이러한 가상 머신 기술을 통해 응용 프로그램은 물리적으로 다른 컴퓨터에 있는 것처럼 실행될 수 있다. 이 역할에서 단일 메인프레임은 기존 서버에서 사용할 수 있는 더 높은 기능의 하드웨어 서비스를 대체할 수 있다. 메인프레임이 이 기능을 개척했지만, 현재는 대부분의 컴퓨터 시스템 제품군에서 가상화가 가능하며, 항상 동일한 수준의 정교함을 제공하지는 않는다.^[13]

메인프레임은 시스템 기능을 방해하지 않고 시스템 용량을 추가하거나 핫 스왑할 수 있으며, 대부분의 서버 솔루션에서는 일반적으로 사용할 수 없는 수준의 정교함을 갖추고 있다. 최신 메인프레임, 특히 IBM Z 서버는 두 가지 수준의 가상화를 제공한다. 논리적 파티션(LPAR, PR/SM 시설을 통해) 및 가상 머신(z/VM 운영 체제를 통해). 많은 메인프레임 고객은 두 대의 시스템을 운영한다. 하나는 기본 데이터 센터에, 다른 하나는 첫 번째 건물에 영향을 미치는 재해가 발생할 경우 백업 데이터 센터에 - 완전히 활성, 부분 활성 또는 대기 상태로 - 위치한다. 응용 프로그램 및 데이터베이스에 대한 테스트, 개발, 교육 및 프로덕션 워크로드는 단일 시스템에서 실행할 수 있다. 단일 시스템의 용량이 제한적일 수 있는 극도로 큰 수요를 제외하고 말이다. 이러한 두 개의 메인프레임 설치는 계획된 중단 및 계획되지 않은 중단을 모두 피하면서 지속적인 비즈니스 서비스를 지원할 수 있다. 실제로 많은 고객은 Parallel Sysplex 및 공유 DASD(IBM의 경우)를 통해 연결되거나 EMC 또는 Hitachi에서 제공하는 공유된 지리적으로 분산된 스토리지를 사용하여 여러 메인프레임을 사용한다.

메인프레임은 매우 높은 볼륨의 입출력(I/O)을 처리하도록 설계되었으며, 처리량 컴퓨팅을 강조한다. 1950년대 후반부터^[14] 메인프레임 디자인에는 I/O 장치를 관리하고 CPU가 고속 메모리만 처리하도록 하는 보조 하드웨어^[15] (''채널'' 또는 ''주변 프로세서''라고 함)가 포함되었다. 메인프레임 매장에서는 대규모 데이터베이스 및 파일을 처리하는 것이 일반적이다. 기가바이트에서 테라바이트 크기의 레코드 파일은 드물지 않다.^[16] 일반적인 PC와 비교하여 메인프레임은 일반적으로 수백에서 수천 배 더 많은 데이터 저장 공간을 온라인으로 보유하며,^[17] 이를 비교적 빠르게 액세스할 수 있다. 다른 서버 제품군도 I/O 처리를 오프로드하고 처리량 컴퓨팅을 강조한다.

다른 컴퓨팅 플랫폼과 마찬가지로 메인프레임의 투자 수익률(ROI)은 확장성, 혼합 워크로드 지원, 인건비 절감, 중요한 비즈니스 응용 프로그램에 대한 중단 없는 서비스 제공 및 기타 여러 위험 조정 비용 요인에 따라 달라진다.

메인프레임은 또한 결함 허용 컴퓨팅을 위한 실행 무결성 특성을 갖추고 있다. 예를 들어, z900, z990, System z9 및 System z10 서버는 결과를 지향하는 명령어를 효과적으로 두 번 실행하고 결과를 비교하며, 차이점 간에 중재한 다음(명령 재시도 및 오류 격리를 통해) 운영 체제, 응용 프로그램 또는 사용자에게 아무런 영향 없이 작동하는 프로세서(예비 프로세서 포함)로 "실행 중" 워크로드를 이동한다. HP의 NonStop 시스템에서도 발견되는 이 하드웨어 수준의 기능은 두 프로세서가 함께 "단계"(예: 명령어)를 수행하기 때문에 락스텝이라고 한다. 모든 응용 프로그램이 이러한 시스템이 제공하는 확실한 무결성을 절대적으로 필요로 하는 것은 아니지만, 금융 거래 처리와 같은 많은 응용 프로그램은 그렇다.

메인프레임은 긴 역사와 여러 아키텍처를 가지며, 또한 전용 하드웨어와 전용 소프트웨어가 일체로 설계 및 확장된다. 일반적인 특징과 경향은 다음과 같다.

각 제조사 고유의 하드웨어, OS 등을 갖는 경우가 많다(다만 오픈 대응도 진행되고 있다).
여러 업무의 동시 가동 성능이 우수하다(I/O를 포함한 병행 가동, 워크로드 관리).
특히 대규모 배치 및 대규모 전표 출력 업무 등에 강하다(안정적인 처리량).
각종 신뢰성(철저한 이중화, 문제 판별용 각종 추적, 세세한 단일 FIX의 신속한 제공 등).
판매 가격, 유지 보수 비용 모두 매우 고가이다(개별 견적, 리스 이용이 대부분).
섀시가 크다(과거에는 여러 층을 점유, CMOS 공랭화 이후에는 UNIX 하이엔드와 동규모).
좋든 싫든 벤더에 대한 의존도가 높아지기 쉽다(타사와의 단순 비교는 곤란, 상세한 운용 정보 가이드 등).

이하는 주로 IBM 계열(IBM, 후지쯔, 히타치 제작소)을 중심으로 설명한다.

3. 1. CPU

메인프레임의 본체라고 할 수 있는 CPU는 마이크로프로세서 시대 이전에는 케이스 자체를 의미했다. 초기에는 TTL이나 ECL이 사용되었으나, CMOS 마이크로프로세서로 이행하면서 발열량이 줄어들어 공랭으로 저가·소형화되었다. 그 여유를 멀티프로세서화에 할애함으로써 성능을 유지했다.

1990년대 중반 CMOS 메인프레임 설계가 구형 양극성 접합 트랜지스터 기술을 대체하면서 인프라 요구 사항이 대폭 감소했다.^[12] IBM은 자사의 최신 메인프레임이 서버 팜과 비교하여 전력 및 냉각에 대한 데이터 센터 에너지 비용을 절감하고 물리적 공간 요구 사항을 줄였다고 주장했다.^[12]

현재는 독자 사양의 마이크로프로세서를 복수(최대 64개 등) 탑재하는 경우가 많다. 각 제조사별 주요 CPU는 다음과 같다.

IBM: System/360은 32비트(주소 24비트), System/370-XA 이후는 32비트(논리 31비트. 1비트는 호환성을 위해 사용), z/Architecture 이후는 64비트이다. 히타치와 IBM의 프로세서는 2001년 발표에 따르면 공동 개발이다.^[66]
일본전기: GE·허니웰 계열인 ACOS-6 계열은 워드 머신이며 독자적인 아키텍처이다. ACOS-4와 Bull의 GCOS 8은 바이트 머신이며 가상화 기술을 사용하여 아이테니엄 2에 의한 에뮬레이션으로 이행했다. ACOS-2는 Xeon으로 이행했다. 2012년에는 i-PX9800/A100을 발표하며, 장래성과 성능 면에서 상위 기종은 Itanium2에서 독자 개발 프로세서인 "NOAH-6"으로 돌아갔다.^[64]
히타치(AP8800E)와 후지쯔(GS21)는 독자 프로세서에 의한 메인프레임을 계속하고 있다.
유니시스: 대형기에서는 독자적인 프로세서를 탑재하고 있다. 중소형기에서는 Xeon을 탑재하고, OS2200계 및 MCP계 중형기에서는 Linux 기반의 펌웨어에 의한 에뮬레이션, MCP계 소형기에서는 Windows Server 상에서 가동하는 에뮬레이터(MCPvm)에 의해 각각 독자 OS를 가동시키고 있다.

각 사에 공통적으로, 메인프레임에서는 CPU의 성능이 전체 성능에 비례하지 않을 수 있다. 범용 마이크로프로세서를 거의 그대로 사용하는 IA 서버나 UNIX 서버와 달리 채널 등 전용 IO를 다수 탑재하고 펌웨어가 성능에 큰 비중을 차지하기 때문이다.

IBM System z에서는 채널 외 전용 프로세서로 Linux 전용 프로세서 (IFL: Integrated Facility for Linux), Java 전용 프로세서 (zAAP: System z Application Assist Processor), DB 전용 프로세서 (zIIP: System z Integrated Information Processor) 등이 있다.

3. 2. I/O

메인프레임은 순수한 연산 속도보다는 광범위한 입출력(I/O) 시설을 갖추고 있는 것이 특징이다.^[6] 특히, 채널이라고 불리는 I/O 전용 프로세서를 다수 탑재하여 (최대 1024개) CPU의 부하를 경감시킨다. 채널은 접속 경로가 높은 부하 상태일 경우 다른 경로를 선택하고, 우선 순위가 높은 I/O 요구가 있을 경우 이미 실행 중인 다른 I/O보다 우선하여 결과를 반환하는 등, 오픈 시스템의 일반적인 지능형 외부 버스와는 다른 고급 기능을 제공한다.

메인프레임의 CPU는 고속이라고 생각되지 않지만, 고부하 시에도 안정적으로 가동되어 일정 응답 시간을 얻을 수 있다. 반면 오픈 시스템의 CPU는 고속이지만, 부하가 있는 시점에 도달하면 급속하게 처리량이 저하된다. 이는 I/O 처리 방식의 차이 때문이다. 메인프레임은 I/O 제어를 OS로부터 분리하여 채널에 맡기기 때문에, 무거운 I/O 요구가 발생해도 OS는 병행하여 태스크 처리를 진행하여 응답 저하를 회피할 수 있다. 오픈 시스템은 I/O 요구 발생 시 WIO(Wait I/O) 상태가 되어 CPU가 비지 상태가 아님에도 자원을 사용할 수 없게 되는 경우가 있어, 고속 CPU를 사용하더라도 I/O 처리가 무겁거나 고부하가 겹치면 응답 저하로 이어진다. 과거 메인프레임도 비슷한 방식을 사용했지만, 1980년대부터 현재의 제어 방식으로 변경되어 I/O 처리 부분이 강화되었다. 현재 IBM 메인프레임에서는 각 채널 내부에 복수의 POWER 계열 프로세서가 탑재되어 있다.

주변 기기와의 물리적 연결은 과거에는 동축 케이블이 주류였지만, 현재는 파이버(FICON, 파이버 채널, FIBARC 등)가 주류이다. 동축 케이블은 접속 제약(병렬 전송에 의한 제한 길이)이나 케이블링 부하(1개 채널에 직경 3-4cm 동축 케이블 2개 필요) 등 인프라 설계가 용이하지 않았지만, FICON 이후 개선되었다.

3. 3. 클러스터링

메인프레임은 시스템 기능을 방해하지 않고 시스템 용량을 추가하거나 핫 스왑할 수 있으며, 대부분의 서버 솔루션에서는 일반적으로 사용할 수 없는 수준의 정교함을 갖추고 있다.^[13] 특히 IBM Z 서버는 논리적 파티션(PR/SM) 및 가상 머신(z/VM)을 통해 두 가지 수준의 가상화를 제공한다.

많은 메인프레임 고객은 두 대의 시스템을 운영하는데, 하나는 기본 데이터 센터에, 다른 하나는 재해가 발생할 경우를 대비한 백업 데이터 센터에 위치한다. 이를 통해 계획되거나 계획되지 않은 중단에도 지속적인 비즈니스 서비스를 지원할 수 있다. 실제로 많은 고객은 Parallel Sysplex 및 공유 DASD(IBM의 경우)를 통해 연결되거나, 공유된 지리적으로 분산된 스토리지를 사용하여 여러 메인프레임을 사용한다.

메인프레임은 결함 허용 컴퓨팅을 위한 실행 무결성 특성을 갖추고 있다. 예를 들어, z900, z990, System z9 및 System z10 서버는 결과를 지향하는 명령어를 두 번 실행하고 결과를 비교하여, 차이가 있을 경우 운영 체제, 응용 프로그램 또는 사용자에게 영향 없이 작동하는 프로세서로 워크로드를 이동한다. 이러한 하드웨어 수준의 기능은 락스텝이라고 불리며, NonStop 시스템에서도 발견된다.

여러 개의 OS가 동일한 자기 디스크 장치를 공유하는 것이 일반적이며, 정합성을 유지하기 위한 캐시나 록 등의 배타 제어는 OS 레벨에서 실현하고 있다(IBM IRLM, 병렬 시스플렉스 등).^[14]^[15]^[16]^[17] 더욱이 미들웨어의 클러스터링 기능(IBM XRF 등)을 조합한 경우에는, 장애 발생 시 디스크나 프로세스의 인계를 할 필요 없이, 대기계(액티브-스탠바이)가 순식간에 처리를 인계하여 사용자에게는 순간적인 업무 정지도 보이지 않으며, 장애 기기에서 처리 중이던 트랜잭션도 트랜잭션 모니터의 로그에서 복원하여 인계할 수 있다. 이러한 기능은 1980년대에는 일반적이었으며, 2008년 현재에도 다수의 금융 기관 등에서 사용되고 있다.

3. 4. OS

최신 메인프레임은 동시에 여러 개의 서로 다른 운영 체제 인스턴스를 실행할 수 있다.^[13] 이러한 가상 머신 기술을 통해 응용 프로그램은 물리적으로 다른 컴퓨터에 있는 것처럼 실행될 수 있다. 이 역할에서 단일 메인프레임은 기존 서버에서 사용할 수 있는 더 높은 기능의 하드웨어 서비스를 대체할 수 있다. 메인프레임이 이 기능을 개척했지만, 현재는 대부분의 컴퓨터 시스템 제품군에서 가상화가 가능하며, 항상 동일한 수준의 정교함을 제공하지는 않는다.^[13]

메인프레임은 시스템 기능을 방해하지 않고 시스템 용량을 추가하거나 핫 스왑할 수 있다. 최신 메인프레임, 특히 IBM Z 서버는 두 가지 수준의 가상화를 제공한다. 논리적 파티션(LPAR, PR/SM 시설을 통해) 및 가상 머신(z/VM 운영 체제를 통해)을 제공한다.

메인프레임은 각 회사의 여러 독자적인 OS 외에도 일부는 오픈 계열의 OS도 동시 가동할 수 있다.

IBM 계열(IBM, 후지쯔(富士通), 히타치 제작소(日立製作所))의 주류 OS는 역사적으로는 일괄 처리 주체로 시작하여, 복수 어드레스 공간, I/O 인터럽트 기반의 멀티태스킹, 잡 제어 언어에 의한 프로그래머와 오퍼레이터의 분리 등을 갖는다. 또한 온라인·실시간 처리를 위한 시분할, 트랜잭션 처리를 구축했다. 각 회사 OS 모두 대규모용과 중소 규모용의 흐름이 있으며, 명령어 및 잡 제어 언어의 구문 등이 다르다. "메인프레임의 OS"라고 하면 이들을 가리키는 경우가 많다.

IBM 계열에서는 이상의 주류 OS 외에 가상화용, 특수 용도용, UNIX나 Linux 등의 오픈 계열 OS도 있다.

NEC의 ACOS와 Bull의 GCOS는 역사적으로 멀틱스의 흐름을 이어받아, 처음부터 온라인 (시분할)과 일괄 처리를 수행하며, UNIX와 같은 계층화 파일 시스템을 갖는다.

오픈 계열 OS의 가동 방법에는 다음과 같은 것들이 있으며, 서버 통합의 레벨이나 지원되는 애플리케이션에 차이가 있다.

오픈 계열 OS를 메인프레임 전용 CPU에 이식 (IBM 리눅스 on System z 등)
전용 OS용 전용 CPU와는 별도로, 오픈 계열 OS용 CPU를 탑재 (유니시스 ClearPath 등)
오픈 계열 OS용 CPU에 전용 OS를 이식 (NEC ACOS-4, ACOS-2, Bull GCOS 8 등)

3. 5. 가상화

현대 메인프레임 설계는 높은 신뢰성과 보안을 위한 중복 내부 설계, 광범위한 입출력(I/O) 시설, 구형 소프트웨어와의 하위 호환성, 대규모 처리량을 지원하기 위한 가상화를 통한 높은 하드웨어 및 연산 활용률, 프로세서 및 메모리와 같은 하드웨어의 핫 스와핑과 같은 특징을 보인다.^[6] 메인프레임은 고가용성을 가지며, 신뢰성, 가용성 및 서비스 가능성(RAS)은 메인프레임의 특징을 정의한다. NIST 취약점 데이터베이스인 US-CERT는 IBM Z와 같은 기존 메인프레임을 Windows, UNIX, Linux보다 훨씬 적은 취약점을 가진 가장 안전한 시스템 중 하나로 평가한다.^[6]

최신 메인프레임은 동시에 여러 개의 서로 다른 운영 체제 인스턴스를 실행할 수 있는 가상 머신 기술을 제공한다. 이러한 기술을 통해 응용 프로그램은 물리적으로 다른 컴퓨터에 있는 것처럼 실행될 수 있다. 단일 메인프레임은 기존 서버에서 사용할 수 있는 더 높은 기능의 하드웨어 서비스를 대체할 수 있다.^[13] 메인프레임은 시스템 기능을 방해하지 않고 시스템 용량을 추가하거나 핫 스왑할 수 있는 높은 수준의 정교함을 갖추고 있다.

IBM Z 서버는 두 가지 수준의 가상화를 제공한다. 논리적 파티션(LPAR, PR/SM 시설을 통해) 및 가상 머신(z/VM 운영 체제를 통해)이다. 많은 메인프레임 고객은 두 대의 시스템을 운영하여 지속적인 비즈니스 서비스를 지원한다.^[13]

IBM 계열(IBM, 후지쯔, 히타치 제작소)에서는 다음과 같은 조합으로 OS를 동시에 가동할 수 있다.

물리 분할(물리 파티션(PPAR)마다 OS를 가동할 수 있다)
논리 분할(논리 파티션(LPAR)마다 OS를 가동할 수 있으며, 할당 자원을 동적으로 변경할 수 있다)
소프트웨어 분할(전용 가상화용 OS를 사용하여, 가상 머신상에서 OS를 가동할 수 있으며, 할당 자원을 동적으로 변경할 수 있다)

IBM의 경우, 어느 경우에도 전용 OS(z/OS, z/VSE, z/TPF) 및 Linux for System z가 동시에 가동될 수 있다.(Linux만 다수 가동해도 좋다).

유니시스(ClearPath Server 시리즈)에서는 최대 8개의 파티션으로 분할할 수 있다(IBM 계열의 물리 분할에 상당).

3. 6. 오픈 대응

1990년대에 각 메인프레임 제조사들은 이더넷, TCP/IP, 각종 연계 기능 등에 대응하고 있지만, 오픈 계열 OS (UNIX, 리눅스, Windows) 자체를 가동하는 방법은 각 회사마다 차이가 있다. 외자계(IBM, Bull, 유니시스)는 적극적이고, 국산 각 회사는 소극적이라고 할 수 있다.

IBM은 OS/390 이후 전용 OS에서도 UNIX 호환 환경 (USS)을 표준으로 하고, 리눅스는 네이티브(전용 OS를 전혀 사용하지 않음)에서도 가동할 수 있다.

후지쯔는 PRIMEQUEST · PRIMEFORCE 등에서 동일 섀시에 IA/UNIX 서버 (Solaris, Windows Server 등)를 탑재할 수 있다.

히타치 제작소는 한때 Linux for MP Series를 출시했지만 현재 출하되지 않고, 현상황에서는 대부분의 환경에서 상위 시리즈 (VOS3계)에서는 하위 시리즈 (VOS1, VOSK계) 모두 오픈 계열 OS는 가동하지 않는다.

NEC는 각 시리즈 (ACOS-6, ACOS-4, ACOS-2계) 모두 오픈 계열 OS는 가동하지 않지만, 가상화 기술을 사용하여 ACOS-4는 Itanium2로, ACOS-2는 Xeon으로 이행했다.

Bull은 NovaScale 9000 (Itanium2)에서 독자 OS (GCOS 8) 외에, 리눅스와 Windows Server도 가동할 수 있다.

유니시스는 ClearPath Server (독자 CPU 및 Xeon)에서, 독자 OS (OS2200 또는 MCP)와 리눅스 및 Windows Server도 가동할 수 있다.

동일 섀시에서 오픈 계열 OS를 네이티브로 가동하는 경우, 메인프레임의 이점은 하드웨어 측면의 신뢰성이나 가상화 등이 되며, 소프트웨어 측면 (전용 OS)의 이점 · 특징은 사라진다.

최신 메인프레임은 여러 운영 체제 인스턴스를 동시에 실행할 수 있는 가상 머신 기술을 지원한다.^[13] 이러한 기술 덕분에 응용 프로그램들은 마치 서로 다른 물리적 컴퓨터에서 실행되는 것처럼 작동할 수 있다.^[13] 단일 메인프레임이 기존 서버보다 더 높은 수준의 하드웨어 서비스를 대체할 수 있지만, 모든 컴퓨터 시스템 제품군에서 가상화가 가능하며, 정교함의 수준은 동일하지 않을 수 있다.^[13]

메인프레임은 시스템 기능을 방해하지 않고 시스템 용량을 추가하거나 핫 스왑할 수 있는 정교함을 갖추고 있다. 특히 IBM Z 서버는 논리적 파티션(LPAR, PR/SM 시설을 통해) 및 가상 머신(z/VM 운영 체제를 통해) 두 가지 수준의 가상화를 제공한다.^[13]

3. 7. 보안

메인프레임의 보안은 하드웨어 및 전용 OS의 기본 설계에서 비롯된다. 사용자 및 프로그램은 자신 이외의 주소 공간에 접근이 불가능하며, 이는 하드웨어 플래그를 통해 제어된다. 다른 주소 공간과의 연계는 CSA와 같은 메모리 영역이나 SSI 등 특수한 권한을 사전 등록한 후의 특정 주소 간에만 한정된다. 또한, 사용자 및 프로그램은 지정된 자기 디스크 장치 외에는 접근이 불가능하며, 이는 작업 제어 언어(JCL)로 지정된 데이터 세트에만 접근할 수 있도록 제한된다.

시스템 권한은 분산되어 OS 관리 사용자, 데이터 관리 사용자 등이 별도로 설정 가능하다. 이는 오픈 시스템의 슈퍼 유저와 달리, 특정 사용자에게 모든 권한이 집중되지 않도록 한다. 운영상 프로그래머와 오퍼레이터는 분리되어, 프로그래머는 OS 명령어를 사용하지 않고 오퍼레이터는 프로그램을 작성하지 않는 경우가 많다.

오픈 시스템에서는 네트워크를 통해 침투하여 슈퍼 유저 권한을 획득하면 해당 컴퓨터를 완전히 지배할 수 있지만, 메인프레임에서는 유사한 공격에 성공하더라도 하나의 주소 공간만 지배할 수 있을 뿐, 다른 주소 공간이나 데이터 세트에 대한 접근 권한은 없다. NIST의 US-CERT는 IBM Z, 유니시스 Dorado 및 유니시스 Libra와 같은 기존 메인프레임을 Windows, UNIX, Linux보다 훨씬 적은 수의 취약점을 가진 가장 안전한 시스템 중 하나로 평가한다.^[6]

메인프레임은 소프트웨어 업그레이드가 운영 체제의 일부를 설정해야 할 때에도 가상화 기능을 사용하여 중단 없이 수행될 수 있다.^[6] IBM z/OS 및 Parallel Sysplex 또는 유니시스 XPCL과 같은 가상화 기술은 한 시스템이 갱신되는 동안 다른 시스템이 애플리케이션을 인계받도록 작업 부하 공유를 지원한다.^[6]

논리 파티션 (LPAR) 간의 TCP/IP 통신은 가상화되어 메모리 간 통신으로 이루어지며 섀시 외부로 나가지 않는다.

과거에는 머신 룸의 잠금 처리 및 출입 제한, 전용선 기반 네트워크, 독자적인 네트워크 프로토콜 등의 요소도 보안에 기여했지만, 이는 메인프레임 고유의 특징은 아니다. 메인프레임의 보안이 높은 이유는 공격 대상이 적기 때문이라는 설명도 있지만, 전 세계의 은행, 정부, 군사 정보가 저장되어 있다는 점을 고려하면 타당하지 않다.

하지만, 이러한 보안 특징은 전용 OS에 해당하며, UNIX, Linux, Windows를 네이티브로 가동하는 경우에는 해당 OS의 보안 수준에 따라 달라진다.

3. 8. 프로그래밍 언어

메인프레임에서 사용되는 주요 프로그래밍 언어에는, 처음부터 각 아키텍처용 어셈블리 언어 외에, 전통적인 고급 언어인 COBOL, FORTRAN, PL/I, 그리고 C 언어, C++, Java와 각 벤더 독자적인 4세대 언어 (4GL) 등이 있다.

메인프레임에서는 동일 아키텍처 내 CPU 명령 세트 및 입출력 명령의 상위 호환이 엄격하게 유지되는 경우가 많기 때문에, 어셈블리 언어는 제어 계통이나 특히 성능을 중시하는 부분 등에서 2010년 현재에도 계속 사용되고 있다. 고급 언어는 보급 시기가 메인프레임 전성기와 겹치기도 하여, 상업 계산에서는 COBOL, 과학 기술 계산에서는 FORTRAN이 2010년 현재에도 널리 사용되고 있다. IBM은 1980년대 SAA CPI에서 COBOL, FORTRAN, C 언어를 채택했지만, 메인프레임에서는 PL/I를 병용해 왔으며, 1990년대 후반부터는 Java도 추진하고 있다. 후지쯔, NEC, 히타치 제작소 등에서는 전통적인 COBOL이나 FORTRAN을 중핵으로 하여, C 언어나 Java 등을 병용하고 있다.

3. 9. 성능

메인프레임의 속도는 벤치마크 값으로 표시되는 경우가 많다. 역사적으로는 MIPS(million instructions per second, 초당 백만 명령)로 측정되어 왔으며, MIPS는 메인프레임의 성능을 쉽게 비교할 수 있게 해준다. IBM의 메인프레임 zSeries의 성능은 약 26MIPS (z890 Model 110)에서 20000MIPS 이상 (z9-109 Model S54)으로 알려져 있다. 그러나 MIPS는 오해를 불러일으킬 수 있는 지표이다. 명령어 자체의 입자 크기가 다르기 때문에, 프로세서 아키텍처의 변천에 따라 MIPS가 원래 가지고 있던 실행 명령어 수라는 의미는 사라졌다. MIPS는 기술적으로 의미가 없으며, 단순히 과거의 머신과의 성능 비교의 척도로 남아 있을 뿐이다. 이 때문에 IBM은 메인프레임에 여러 종류의 부하를 가해 측정하는 LSPR (Large System Performance Reference) 비율을 공표하고 있다.

다른 컴퓨팅 플랫폼과 마찬가지로 메인프레임의 투자 수익률(ROI)은 확장성, 혼합 워크로드 지원, 인건비 절감, 중요한 비즈니스 응용 프로그램에 대한 중단 없는 서비스 제공 및 기타 여러 위험 조정 비용 요인에 따라 달라진다. 메인프레임은 또한 결함 허용 컴퓨팅을 위한 실행 무결성 특성을 갖추고 있다. 예를 들어, z900, z990, System z9 및 System z10 서버는 결과를 지향하는 명령어를 효과적으로 두 번 실행하고 결과를 비교하며, 차이점 간에 중재한 다음(명령 재시도 및 오류 격리를 통해) 운영 체제, 응용 프로그램 또는 사용자에게 아무런 영향 없이 작동하는 프로세서(예비 프로세서 포함)로 "실행 중" 워크로드를 이동한다.

메인프레임은 I/O를 포함한 병행 가동 및 워크로드 관리로 여러 업무의 병행 가동에 뛰어나다. 처리량이 안정적이므로 대규모 배치, 대규모 전표 출력 업무 등에 강하다.

4. 용도

메인프레임은 높은 신뢰성과 대량의 트랜잭션 처리가 요구되는 시스템에서 주로 사용된다.^[67] 기업, 관청, 자치단체 등의 기간 업무 시스템에 사용되며, 특히 장치 산업인 은행 등 대형 금융 기관의 계산 시스템을 중심으로 하는 "기간계 시스템"에서 중요한 역할을 한다.^[67]

자치단체(시/군/구)의 주민 기본 대장 시스템, 세무 시스템, 내부 관리 시스템 등에도 활용된다. 편의점 등의 온라인 업무의 DB 서버, 교통 기관의 좌석 예약 시스템(CRS나 MARS 등)과 같이 대량의 트랜잭션을 고속으로 처리하는 데에도 사용된다.^[67]

대형 자동차 메이커의 세계 규모 부품표 관리 시스템(메인프레임에 Linux를 탑재)과 같이 특수한 환경에서도 활용된다.^[67] 항공로 관제 시스템과 같이 특히 높은 신뢰성과 성능이 필요한 경우에는 TPF 등 특수한 OS를 사용하기도 한다.^[67]

일본의 경우, 1998년부터 2007년까지 산업별 출하 경향에서 공공 기관이 차지하는 비중이 가장 높았으며, 평균 37%를 기록했다.^[51] 금융 기관의 평균은 19%였다.^[51]

출하 금액 기준 공공 기관의 구성 비율
	1998년도	2002년도	2007년도
국가 공무・정부 관계 기관	2298억 엔	1029억 엔	517억 엔
지방 공무	748억 엔	600억 엔	220억 엔
구성 비율	41%	44%	45%

5. 메인프레임과 오픈 시스템

슈퍼컴퓨터는 계산 속도 면에서 데이터 처리 능력이 가장 뛰어난 컴퓨터이다. 슈퍼컴퓨터는 숫자와 데이터를 처리하는 과학 및 공학 문제(고성능 컴퓨팅)에 사용되는 반면, 메인프레임은 트랜잭션 처리에 중점을 둔다. 그 차이점은 다음과 같다.

메인프레임은 거래 처리에 신뢰성을 갖도록 제작되었다. (TPC-메트릭으로 측정, 대부분의 슈퍼컴퓨팅 애플리케이션에는 사용되지 않거나 유용하지 않음) 이는 비즈니스 세계에서 일반적으로 이해되는 상품, 서비스 또는 돈의 상업적 교환을 의미한다.^[38] 거래 처리 성능 위원회에서 정의한 일반적인 거래는 기록을 추가하여 재고 관리(상품), 항공 예약(서비스) 또는 은행 업무(돈)에 대한 데이터베이스 시스템을 업데이트한다. 트랜잭션은 CPU의 처리 속도로 측정되지 않는 디스크 읽기/쓰기, 운영 체제 호출 또는 한 하위 시스템에서 다른 하위 시스템으로의 데이터 전송과 같은 일련의 작업을 의미할 수 있다. 트랜잭션 처리는 메인프레임에만 국한되지 않고 마이크로프로세서 기반 서버 및 온라인 네트워크에서도 사용된다.
슈퍼컴퓨터의 성능은 초당 부동 소수점 연산(FLOPS)^[39] 또는 초당 통과하는 에지 수 또는 TEPS로 측정되는데,^[40] 이는 메인프레임 애플리케이션에는 그다지 의미가 없는 메트릭이며, 메인프레임은 때때로 초당 수백만 개의 명령(MIPS)으로 측정되지만, 정의는 측정된 명령 집합에 따라 다릅니다.^[41] MIPS로 측정되는 정수 연산의 예로는 숫자 더하기, 값 확인 또는 메모리에서 데이터 이동 등이 있다. (저장소에서 정보를 이동하는 동안, 소위 I/O는 메인프레임에 가장 유용하며, 메모리 내에서는 간접적으로만 도움이 됨). 부동 소수점 연산은 대부분 덧셈, 뺄셈 및 곱셈(슈퍼컴퓨터의 ''이진'' 부동 소수점으로, FLOPS로 측정됨)으로, 날씨 예측 및 핵 시뮬레이션과 같은 연속 현상을 모델링할 수 있을 만큼 충분한 정밀도를 가지고 있다. (최근에 표준화된 ''십진'' 부동 소수점은 슈퍼컴퓨터에서는 사용되지 않으며, 메인프레임 애플리케이션에 유용한 통화 값에 적합하다.) 계산 속도 측면에서 슈퍼컴퓨터가 더 강력하다.^[42]

메인프레임과 슈퍼컴퓨터를 항상 명확하게 구분할 수 있는 것은 아니다. 1990년대 초반까지 많은 슈퍼컴퓨터가 슈퍼컴퓨팅 확장이 있는 메인프레임 아키텍처를 기반으로 했다. 이러한 시스템의 예로는 HITAC S-3800이 있으며, 이는 IBM System/370 메인프레임과 명령 집합 호환이 가능했으며 Hitachi VOS3 운영 체제(IBM MVS의 포크)를 실행할 수 있었다.^[43] 따라서 S-3800은 슈퍼컴퓨터이자 IBM 호환 메인프레임으로 동시에 간주될 수 있다.

2007년,^[44] 슈퍼컴퓨터 및 메인프레임에 대한 서로 다른 기술과 아키텍처의 통합으로 소위 게임프레임이 탄생했다.

메인프레임에서 오픈 시스템으로 이행하는 경우도 있다.

도쿄 증권 거래소의 차기 주식 매매 시스템(메인프레임 → 리눅스 탑재 IA 서버)
오사카 증권 거래소의 주식 매매 시스템(메인프레임 → AIX 탑재 유닉스 서버)
중견 이하 금융 기관의 계정계 시스템

5. 1. 메인프레임과 오픈 시스템의 차이점

메인프레임과 슈퍼컴퓨터는 성능 및 사용 목적에 따라 뚜렷한 차이를 보인다. 슈퍼컴퓨터는 주로 과학 및 공학 분야의 고성능 컴퓨팅에 사용되며, 부동 소수점 연산(FLOPS)^[39] 속도에 중점을 둔다. 반면 메인프레임은 거래 처리의 신뢰성^[38]을 위해 설계되었으며, 주로 대규모 데이터베이스 시스템 업데이트와 같은 상업적 거래 처리에 사용된다.

2007년^[44]에는 슈퍼컴퓨터와 메인프레임의 기술 및 아키텍처가 통합된 게임프레임이 등장하기도 했다.

메인프레임 전용 OS에서 가동되는 시스템을 오픈 계열(Windows, UNIX, Linux 등)로 전환할 때는 '문화의 차이'를 고려해야 한다.

주요 언어: 오픈 계열은 C 언어, Java 등을 주로 사용하는 반면, 메인프레임은 어셈블리 언어, COBOL, PL/I 등을 사용한다.
데이터 저장 방식: 오픈 계열은 관계 데이터베이스 관리 시스템(RDBMS)을 선호하는 경향이 있지만, 메인프레임은 데이터 세트나 VSAM 등에 데이터를 저장하고 필요에 따라 계층형 DBMS 또는 RDBMS에 로드한다.
배치 처리: 오픈 계열은 온라인 중심이지만, 메인프레임은 대규모 배치를 많이 활용한다.
다중성: 오픈 계열은 응답 속도를 위해 부하 분산을, 메인프레임은 여러 처리를 병행하는 방식을 취한다.
운용: 오픈 계열은 단순 보수 위주인 반면, 메인프레임은 전임 오퍼레이터에 의한 체계적인 운용을 한다.
보안 OS: 오픈 계열은 별도의 보안 강화가 필요하지만, 메인프레임은 기본적으로 보안 OS로 설계된다.
OS 장애 대응: 오픈 계열은 주로 버전 업으로, 메인프레임은 단일 FIX로 대응하는 경우가 많다.

5. 2. 메인프레임과 오픈 시스템의 데이터 교환

메인프레임(특히 전용 OS)과 오픈 계열 (Windows, UNIX, Linux 등), 또는 서로 다른 아키텍처의 메인프레임 간의 데이터 교환 시 고려 사항은 다음과 같다.

주요 문자 코드: 오픈 계열은 ASCII·EUC 등을 사용하고, 메인프레임은 EBCDIC를 사용하는 경우가 많다. SBCS만이라면 간단한 변환 테이블을 통해 쉽게 변환 가능하다. (예: FTP 옵션, iconv 명령, Federation 등의 DBMS 기능) 유니코드나, 유니코드를 내부 사용하는 자바, 일부 메인프레임 OS의 UNIX 호환 환경, 메인프레임 상의 리눅스 등은 이러한 데이터 변환 문제를 완화시킨다.
주요 한자 코드: MS-DOS (Windows)는 시프트 JIS에 의한 SBCS/DBCS를 사용하고, 최근에는 UTF-8N을 사용한다. 메인프레임은 JIS 한자 코드가 기본이지만, IBM은 IBM 한자 코드, 후지쯔는 JEF, 일본전기는 JIPS, 유니시스는 LETS-J 및 JBIS 등 세부 사항 (벤더 확장 부분)이 다르고, 연도나 외자 등의 차이도 있다. JIS 한자 코드의 특징인, SBCS/DBCS 혼재를 가능하게 하는 제어 코드 (SO/SI = Shift-Out/Shift-In)의 부가·삭제 및 자릿수 변동을 고려해야 한다. JIS 제1수준·제2수준 등의 기본적인 일본어 (DBCS)는 제어 코드만 고려하면 툴로 쉽게 변환 가능하다. (예: FTP 옵션, iconv 명령, Federation 등의 DBMS 기능) 유니코드, 자바, 일부 메인프레임 OS의 UNIX 호환 환경, 메인프레임 상의 리눅스 등은 이러한 장벽을 낮춘다.
주요 파일 시스템: 일반적인 오픈 계열은 계층 파일 시스템을 사용한다. IBM 계열 (IBM, 후지쯔, 히타치 제작소)의 전용 OS 및 ACOS-4 및 ACOS-2는 VTOC로 데이터 세트를 관리하며, 파일 내부 구조도 OS에 의해 표준화되어 있다.
주요 파일 구조 (간단한 텍스트만인 경우): 일반적인 오픈 계열은 OS 레벨에서 레코드 속성이 표준화되어 있지 않아 개행 코드로 레코드를 구분한다. 메인프레임은 OS 레벨에서 파일 (데이터 세트)마다 "고정 레코드 길이" 속성을 가지고 개행 코드를 사용하지 않는다. 따라서 레코드마다 개행 코드를 추가/삭제, 말미의 공백을 삭제/추가, 여러 레코드를 묶는 등의 작업이 필요할 수 있다.
주요 테이프: 일반적인 오픈 계열은 tar 등의 명령으로 DDS/DAT72에 간단한 백업을, 툴을 사용하여 LTO 등에 중요한 데이터 백업을 한다. 메인프레임은 용량이 크고 사용 빈도가 낮은 데이터를 테이프에 보관하고 후속 배치로 입력하는 경우가 많다. 테이프에는 "SL (Standard Label)" "NL (No Label)" 등의 라벨을 기입하고, 전용 카트리지 테이프 (CMT/CGMT) 나 MT가 사용되는 경우도 있다. 최근에는 카트리지 테이프 생산 종료에 따라 메인프레임에서도 LTO로 이행하고 있다.

5. 3. 종류

5. 3. 1. 현존하는 메인프레임

IBM은 S/360 → S/370 → 30x0/4300/9370 → ES/9000 → S/390 → zSeries → System z → zEnterprise → z System → IBM Z 계보의 메인프레임을 생산한다. 운영 체제는 OS/360 → OS/VS → MVS → MVS/XA → MVS/ESA → OS/390 → z/OS로 이어지는 MVS계(대규모용, 주류), DOS/360 → DOS/VS → DOS/VSE → VSE/ESA → z/VSE로 이어지는 VSE계(중규모용), CP-40 → CP-67 → VM/370 → VM/XA → VM/ESA → z/VM로 이어지는 VM계(가상화 OS), ACP → TPF → z/TPF로 이어지는 항공 회사용 실시간 OS, (AIX/370) → Linux (z/Linux)로 이어지는 UNIX계가 있다.

후지쯔는 FACOM M 시리즈 (IBM S/370 호환, 히타치 제작소와 공동 개발) → GS → GS21/PRIMEFORCE 계보의 메인프레임을 생산한다. 운영체제는 OSIV/F4 → OSIV/MSP(MSP-EX)(대규모용, IBM MVS계와 호환), OSIV/X8 → OSIV/FSP → OSIV/XSP(중규모용, FACOM 230의 OSII/VS와 호환), AVM(가상화용)이 있다.

히타치 제작소는 HITAC M 시리즈 (IBM S/370 호환, 후지쯔와 공동 개발) → AP8800/AP8000/AP7000 → AP10000 계보의 메인프레임을 생산했다. 운영체제는 VOS2 → VOS3이다. 2001년부터 CPU는 IBM과 공동 개발했다. 2017년에 AP8800E (OS는 VOS3/US)를 마지막으로 메인프레임 하드웨어 제조에서 철수했고, 이후에는 IBM에서 제공받는 하드웨어에 대한 전용 OS(VOS3) 개발을 지속한다고 발표했다.^[68]^[69]^[70] 2018년에 AP10000 (OS는 VOS3/XS)을 발표했다.^[61]

NEC는 ACOS 300/400/500 → 1500 → i-PX9000 → i-PX9800 → i-PX AKATSUKI 계보의 메인프레임(ACOS-4, 중규모용, 허니웰 → NEC, 바이트 머신), ACOS 200 → i-PX7300 → i-PX7300W → i-PX7300GX → i-PX7300RX 계보의 메인프레임(ACOS-2, 소규모용, 허니웰 → NEC, ACOS-4의 서브셋)을 생산한다.

아토스는 (GE-635) → (6000-64) → (NovaScale 9000 시리즈) → BullSequana M9600 계보의 메인프레임(GECOS → GCOS 8, GE → 허니웰 → Bull → 아토스)과 (GE-635) → (DPS7) → (DPS7000) → BullSequana M7200 계보의 메인프레임(GECOS → GCOS 7, GE → 허니웰 → Bull → 아토스)을 생산한다.

유니시스는 ClearPath Server (2200/IX계) 메인프레임(EXEC8 → OS1100 → OS2200, 대규모용, 유니백 (EMCC→레밍턴 랜드→스페리) → 유니시스)와 ClearPath Server (A/NX/LX계) 메인프레임(MCP, 중규모용, 배로스 → 유니시스)을 생산한다.

5. 3. 2. 과거에 존재했던 메인프레임

IBM의 701, 702, 704, 709, 7030, 7090는 S/360 이전 메인프레임이다.

후지쯔는 FACOM 230 시리즈(M시리즈 이전)와 FACOM M 시리즈(IBM S/370 호환, 히타치 제작소와 공동 개발)를 제조했다.^[71] FACOM M 시리즈는 UTS/M → UXP/M^[71](UNIX 계열) OS를 사용했으며, 슈퍼컴퓨터용 UXP/V^[71], 워크스테이션용 UXP/DS로 이어졌지만, 이후 썬 마이크로시스템즈의 Solaris로 전환했다.

히타치 제작소는 HITAC 3000/4000/5000 → 8000 (M 시리즈 이전, RCA와 기술 제휴, 8000은 RCA 계열 IBM S/360 호환기)와 HITAC M 시리즈(IBM S/370 호환, 후지쯔와 공동 개발) → AP8800/AP8000/AP7000을 제조했다. HITAC M 시리즈는 VOS1, VOSK(중소형용, AP7000에서는 CPU에 POWER를 채용, 에뮬레이션 동작), HI-UX/M(UNIX 계열), VMS → VMS/AS(가상화용) OS를 사용했다.

NEC는 NEAC 2200 (허니웰과 기술 제휴)와 ACOS 600/700/800/900 → 1000/2000 → PX7900 (ACOS-6, 대규모용, GE → 도시바 → NEC, Multics의 흐름을 잇는 워드 머신(9비트 = 1바이트, 36비트 = 1워드), 현재 CPU는 CMOS 독자 사양(NOAH))를 제조했다.

도시바는 TOSBAC 2000/4000/5000 (GE와 기술 제휴)를 제조했다.

미쓰비시 전기는 MELCOM 1530 → 3100 → 7000 → COSMO → EX800 (UTS, 기타, TRW와 기술 제휴, COSMO는 오키 전기와의 공동 개발)를 제조했다.

오키 전기는 COSMO(UTS, 기타, 미쓰비시 전기와의 공동 개발)를 제조했다.

전신전화공사는 DIPS(101 → 106, 전신전화공사 사양으로 후지쯔, 히타치 제작소, NEC가 제조, 1992년에 개발 종료)를 사용했다.

RCA는 601 → Spectra 70 시리즈(TSOS, IBM S/360 호환기, 히타치 제작소와 기술 제휴)를 제조했다.

스페리는 UNIVAC 90/60 → 9200/9300/9400(TSOS, VS/9, RCA 계열 IBM S/360 호환기)를 제조했다.

구 소련에서는 ES EVM (BESM) (OS ES → OS EC, 1960년대 - 1998년, 냉전 시대에 동구권에서 사용된 IBM S/360 호환기)를 사용했다.

암달은 Amdahl 470, 58x0 (IBM MVS 등, 1975년 출시된 IBM S/370 호환기(플러그 호환, IBM의 OS를 가동), 후지쯔를 통해 판매, 현재는 개발 종료)를 제조했다.

아이텔(Itel)은 AS-4, AS-5, AS-6, AS-6000/7000/9000 (IBM MVS 등, IBM S/370 호환기(플러그 호환), 1977년에 히타치 제작소와 제휴, AS-6는 히타치 제작소 M-180 기반, AS-6000/7000/9000은 히타치 제조)를 제조했다.

매그너슨, 투 파이, 나노데이터, 씨아이텔은 IBM S/370 호환기(플러그 호환, IBM MVS 등, 1978년)를 제조했다.

BASF, 이탈리아 올리베티는 IBM S/370 호환기(플러그 호환, IBM MVS 등, 히타치 제작소 제조)를 제조했다.

지멘스는 IBM S/370 호환기(플러그 호환, IBM MVS 등, 후지쯔 제조)를 제조했다.

영국 ICL (International Computers Ltd.)도 메인프레임을 제조했었다.

5. 3. 3. 기타

Platform Solutions Inc.(PSI)는 1999년에 암달 출신자 등에 의해 창립되어, 아이테니엄 기반 서버로 IBM 메인프레임을 에뮬레이트하여 IBM의 OS(z/OS)를 가동했다. 2006년에 IBM과 상호 소송이 벌어졌으나^[72], 2008년에는 IBM에 인수되어 System z 사업부에 통합되었다^[73]。

T3 Technologies는 1999년에 창립되었다. 위의 PSI의 기술을 사용하여, 아이테니엄 기반 서버로 IBM의 OS(z/OS)를 가동하고 있다. 2009년에 유럽에서 IBM을 상대로 독점 금지법 소송을 제기했다^[74]。

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