En el principio fue el mainframe

Los usamos a diario pero no somos conscientes de ellos. Ayudan a que la ciencia evolucione y mejor, a que los nuevos descubrimientos sean posibles. Sin ellos, el mundo actual sería muy diferente. Los Mainframe son una categoría de ordenadores desconocida para muchos, pero esencial en la informática moderna.

Hoy ahondaremos en el mundo de los mainframe, aprovechando el 50 aniversario de su creación por IBM. Equipos que, como todo el mundo de la tecnología, han evolucionado de forma notabilísima, pasando de aquellas vetustas válvulas de vacío a los nuevos transistores, de tener armarios con cuadros de control a poder ser gestionados desde cualquier parte del mundo.

Remontándonos a la prehistoria de la informática

Antes de entrar en materia con los mainframe es necesario poner algo de contexto a este tema. Los ordenadores de principios del siglo XX eran meras calculadores que los investigadores de la época utilizaban para acelerar sus operaciones. Máquinas con una electrónica básica, muy alejada de la que conocemos hoy en día, pero que funcionaron y ayudaron a los estudios de entonces. Podemos decir que sirvieron para que las cuentas matemáticas pasasen del papel al ordenador, acelerándolas y, en muchos casos, asegurando los resultados ante posibles errores humanos.

Evidentemente las aspiraciones humanas fueron cada vez mayores. Si tenemos un ordenador capaz de ejecutar 1.000 operaciones por segundo, el siguiente paso a realizar es inmediato: buscar uno le supere en rendimiento.

En los años 30 IBM ya fabricaba ordenadores destinados a grandes entidades, generalmente administración pública (gobiernos, ejércitos o universidades), que reservaban varias salas en sus edificios para estos computadores. Los métodos de entrada y salida eran tarjetas microperforadas, muy alejadas de los actuales teclado, ratón o pantalla. La información se cifraba y se grababa en las tarjetas a través de pequeños agujeros físicos, que eran los que el computador detectaba y era capaz de leer a través de un código. Una vez realizadas las determinadas operaciones, el propio ordenador volvía a perforar otra tarjeta donde mostraba los resultados.

Estos equipos eran relativamente pequeños, de unos pocos metros cuadrados de superficie. Sobre estas líneas tenéis el IBM 801 Bank Proof, un sistema con cuya creación IBM buscaba automatizar ciertos trabajos relacionados con la banca: comprobar cheques bancarios, aprobarlos y llevar un registro económico del conjunto. Una curiosa máquina que precisamente llegó pocos años después del crack del 29, concretamente en el año 1934, y que fue uno de los culpables de que IBM tuviera un ritmo de fabricación de entre 5 a 10 millones de tarjetas microperforadas al día.

Pero no dejaban de ser juguetitos para lo que iba a venir un tiempo más tarde. El primer uso que IBM le da al término 'mainframe' es en 1944, cuando la compañía norteamericana y la conocida Harvard University desarrollaron el ASCC, Automatic Sequence Controlled Calculator, también denominado The Harvard Mark I, y que empezó a gestarse en 1939.

El Mark I era un equipo de grandes dimensiones que ocupaba una enorme sala dentro de Harvard, y puede definirse como una enorme calculadora síncrona que podía trabajar en paralelo, utilizando algoritmos de cálculo que podían ejecutar las cuatro operaciones aritméticas básicas.

Según IBM, Mark I operaba con números de hasta 23 cifras decimales gracias al uso de los 60 registros físicos para constantes y 72 contadores de resultados temporales, que físicamente fueron construidos por 765.000 componentes y unos 800 kilómetros de cable. Y sí, por supuesto el Mark I recibía como entrada tarjetas microperforadas, aunque también se podía añadir información a través de papel o interruptores mecánicos; por su parte, la salida se realizaba también con tarjetas microperforadas o automatizada, directamente a papel, a través de máquinas de escribir mecánicas.

El Mark I inició su trabajo el 7 de agosto de 1944, tras seis meses de montaje en las instalaciones de Harvard y varios retrasos motivados por la Segunda Guerra Mundial, y estuvo en funcionamiento durante quince años.

Los años 50

El Mark I es considerado el primer mainframe de la historia, y tras él vinieron muchos otros más. Mientras Frank Sinatra y Elvis Presley empezaban a sonar en las radios norteamericanas, los ingenieros de IBM continuaron con la idea del Mark I y se plantearon el desafío de iniciar su evolución y mejorarlo.

Fue entonces cuando nació el SSEC, Selective Sequence Electronic Calculator, un sistema con partes mecánicas (válvulas de vacío) y electrónicas (relés) cuyo diseño se inició justo tras el Mark I, poniéndose en funcionamiento en enero de 1948. Su misión no distaba mucho de la que se realizaba con el Mark I, siendo también una gran calculadora cuyo primer uso fue el cálculo de las posiciones de la luna respecto de los planetas del Sistema Solar. Esta tarea la ejecutó durante los primeros seis meses, y tras ello empezó a ser alquilada a diferentes compañías para múltiples proyectos.

Que el Mark I naciera en época de guerra pudo ser una coincidencia, si bien es cierto que el mundo bélico siempre ha estado muy ligado a la evolución de la tecnología. Muchos proyectos son grandes secretos y, lamentablemente, no nos enteraremos nunca de ellos, pero hay otros que sí se han confirmado.

Por ejemplo en plena Guerra de Corea (1950-1953), IBM presentó el IBM 701 en el año 1952, un equipo cuyo desarrollo se consensuó con el Gobierno estadounidense con la finalidad de ser usado para el diseño de naves aeroespaciales, de munición y también para el desarrollo nuclear.

Además, IBM 701 supone un antes y un después en la historia al ser considerado como el primer sistema de procesamiento de información digital. Mientras en anteriores computadores era el propio usuario el que junto a la información añadía las operaciones a realizar, en el 701 los programas eran almacenados en una memoria interna, como se hace en la informática moderna. También se le considera una de las piezas clave para el abandono de las tarjetas microperforadas, además de la semilla que da inicio a una nueva era de la informática moderna.

Según la información de la compañía, el 701 es 25 veces más rápido que el SSEC a la vez que ocupa una cuarta parte de su espacio. Sólo se vendieron 19 unidades, disponibles entre los años 1952 y 1955, pertenecientes a los siguientes clientes:

Machine number	Shipped to	Date	Note
1	IBM World Headquarters, New York, N.Y.	Dec. 20, 1952
2	University of California., Los Alamos, N.M.	Mar. 23, 1953	Used for hydrodynamics calculations.
3	Lockheed Aircraft Company, Glendale, Cal.	Apr. 24, 1953	Mathematics Analysis Department used the 701 for problems in aircraft design, such as aerodynamic performance and stability, thermal dynamics and structural and flight dynamics. Production data handled on 701s by Lockheed's Factory Data Processing Group included project base schedule preparation, parts scheduling, shop order writing, direct labor hour forecasting and parts activity ledgers.
4	National Security Agency, Washington, D.C.	Apr. 28, 1953
5	Douglas Aircraft Company, Santa Monica, Cal.	May 20, 1953	Arrived on May 23, 1953, aboard a DC-6A aircraft. The 701 was used to get the DC-7 into production months ahead of schedule. It solved engineering and scientific problems on all Douglas commercial aircraft, including the DC-6B, DC-7, DC-7C and the development of DC-8.
6	General Electric Company., Lockland, Ohio	May 27, 1953
7	Convair, Fort Worth, Tex.	Jul. 22, 1953
8	U.S. Navy, Inyokern, Cal.	Aug. 27, 1953	Used to calculate rocket and missile performance and to simulate flight conditions of these devices at the U.S. Naval Ordnance Test Station China Lake.
9	United Aircraft, East Hartford, Conn.	Sep. 18, 1953
10	North American Aviation, Santa Monica, Cal.	Oct. 9, 1953	Handled engineering problems, from basic configuration selection through aerodynamic and structural design to the analysis of flight test data.
11	Rand Corporation., Santa Monica, Cal.	Oct. 30, 1953	Used to solve wide variety of problems in economics, mathematics, aircraft, missiles, electronics, nuclear energy and social sciences. Later moved to West Los Angeles.
12	Boeing Corporation, Seattle, Wash.	Nov. 20, 1953	Used to assist engineers and designers in solving problems in aerodynamics, stress and structural development, and flight testing of supersonic and jet aircraft and guided missiles.
13	University of California, Los Alamos, N.M.	Dec. 19, 1953
14	Douglas Aircraft Company, El Segundo, Cal.	Jan. 8, 1954	Solved engineering problems on U.S. Navy A3D Skywarrior, A4D Skyhawk and F4D Skyray programs, and USAF C-133 and RB-66 programs.
15	Naval Aviation Supply, Philadelphia, Pa.	Feb. 19, 1954
16	University of California, Livermore, Cal.	Apr. 9, 1954
17	General Motors Corporation, Detroit, Mich.	Apr. 23, 1954
18	Lockheed Aircraft Company, Glendale, Cal.	Jun. 30, 1954	Mathematics Analysis Department used the 701 for problems in aircraft design, such as aerodynamic performance and stability, thermal dynamics and structural and flight dynamics. Production data handled on 701s by Lockheed's Factory Data Processing Group included project base schedule preparation, parts scheduling, shop order writing, direct labor hour forecasting and parts activity ledgers.
19	U.S. Weather Bureau, Washington, D.C.	Feb. 28, 1955	Produced from spare parts.

Llegan los transistores y los mainframe continúan creciendo

Desde los años 50, los mainframes han continuado evolucionando con ayuda de los ingenieros de diseño que han estado permanentemente buscando la forma con la que mejorarlos y adaptarlos a los nuevos retos e invenciones de la ciencia.

Parte de esas evoluciones buscaban mejorar la parte física y ciertos componentes con el objetivo de conseguir una mayor eficacia y minimizar su tasa de error físico. Esta línea de pensamiento hizo que en 1956 se desarrollase el primer disco duro magnético, un monstruo de varios kilogramos de peso que se alquilaba por unos 3.200 dólares mensuales, y que fue instalado por primera vez en el IBM RAMAC 305.

Pocos años más tarde se ejecutó una de las innovaciones más importantes en uso en la tecnología actual. Sabréis que el término 'bug' proviene de su definición en inglés, cuya traducción es 'bicho', 'insecto' o similares individuos de la naturaleza. Esto es debido a que en la maquinaria de aquellos viejos computadores se metían insectos que alteraban el correcto funcionamiento del sistema.

Evitar esos "bugs', o al menos que dejasen de existir tal y como se conocían en la época, fue uno de los grandes retos en la década de los 60 al dejar atrás la tecnología de válvulas de vacío, elemento indispensable para los computadores de la época. Es cuando llegan los transistores y empieza la 'era digital'.

El mainframe encargado de inaugurar este periodo fue el IBM 7000, una evolución sobre el 700 que cambió las válvulas de vacío por transistores, y que llegó al mercado en 1964.

La semilla estaba ya enterrada en el suelo y era cuestión de regalarla y darle algo de tiempo. Los IBM 7000 Series tuvieron un cierto éxito en el mercado, pero sobre todo fueron la base sobre la que más tarde, en 1964, se construyeron los IBM System/360, que cambiarían notablemente la forma con la que llegar a los clientes.

En vez de existir pocos equipos fabricados casi de forma artesanal, los S/360 se diseñaron de forma que existiesen múltiples configuraciones para ajustarse a los presupuestos que pudiesen tener diferentes clientes, así como también a los requisitos de todos ellos e incluso al color, siendo posible personalizarlos para adaptarse a la imagen de las diferentes compañías.

The IBM System/360 wasn’t just a brilliant all-in-one computer mainframe; it was stylish too. It was available in five standard colors, although the ASB Bank data center in New Zealand took advantage of ordering it in a custom yellow.

Los mainframes empezaron a llegar a empresas de todo tipo, y no sólo a entidades de corte público con grandes presupuestos como hasta entonces. ¿Necesitas un armario? ¿Quizá dos? Los que necesites, o los que puedas pagar.

Pero el éxito de los System/360 no se basó únicamente en la posibilidad de escalarlos a lo que el cliente necesitase. IBM también los orientó para servir como máquinas multipropósito. Mientras anteriores generaciones estaban pensadas como supercalculadoras, a partir del S/360 los mainframes empezaron a ser máquinas que servían para mucho más que calcular números.

La transición junto a los PC y la llegada de Internet

Los ingenieros de IBM mantuvieron la idea de los System/360 con nuevas generaciones en los años sucesivos. En 1970 llegaron los System/370 para los que pensaron que sería buena idea que la gente que ya tuviese un S/360 pudiese seguir ejecutando su software en un nuevo S/370. Eran retrocompatibles, basados en los mismos principios pero evolucionados y adaptados a los tiempos más modernos. Como detalle curioso, el sistema operativo tanto de los S/360 como de los S/370 ya se basaba en una arquitectura con registros de 32 bits, que en el ámbito doméstico incluso continúan usándose en la actualidad.

También se dio una importante coincidencia que más tarde aprovecharon desde IBM. Los System/370 coincidieron con el nacimiento de los PC, equipos mucho más sencillos pero también más económicos. Como referencia, los S/370-158 y S/370-168, ambos en 1972, tenían un coste de 200.000 y 400.000 dólares (de la época) respectivamente, mientras que el Apple I de 1975 se introdujo por los famosos 666,66 dólares.

Los System/370 fueron una de las familias más longevas de la historia de la informática, manteniéndose en el mercado durante dos décadas. IBM, consciente de que tenían un buen producto, se centró en mejorar sucesivamente tanto el hardware (nuevos procesadores, adaptación a nuevas interfaces) como en el software (sistemas operativos específicamente diseñados por IBM, introducción de los primeros Linux hechos 'a medida'). También empezaron a surgir los clones de equipos IBM, definidos como ordenadores diseñados y construidos por otros fabricantes (Hitachi, Fujitsu, Siemens o Mitsubishi eran quizá los más conocidos) pero compatibles con el mismo software que proporcionaba IBM.

Estos 'clónicos' se mantuvieron en el mercado durante los años 80, y empezaron a expandirse por el entorno doméstico (¿quién no recuerda los 80286 fabricados por AMD?), permaneciendo durante la siguiente generación.

Con los vaqueros y el refresco de cola vendiéndose por todos lados, en la década de los 90 IBM estrenó los System/390. Misma estructura de nombre que por supuesto trajo algunas novedades (pasaron a utilizar transistores bipolares en vez de CMOS, por ejemplo), pero que mantuvieron la esencia tanto de los S/370 como de los S/360 previos: seguían siendo retrocompatibles con el software (sí, en el 1999 se podía ejecutar en un S/390 un programa desarrollado para un S/360 de 1964 sin necesidad de adaptar el código) y utilizaban la misma arquitectura CISC de 32 bits. Igualmente también existieron múltiples familias, configuraciones y gamas, una constante que se mantiene hasta nuestros días.

Una diferencia significativa es que, mientras los S/360 y S/370 eran máquinas con un panel de control propio, los S/390 empezaron a adoptar un formato diferente. Armarios de, generalmente, grandes dimensiones, en los que toda la comunicación se realizaba desde un cliente externo. Los PC, con su rápido crecimiento y la amenaza que suponían para los mainframes, motivaron este cambio que hizo que estos equipos necesitasen disponer de un buen canal de intercambio de información.

El cambio de siglo y el cambio de nombre

Aunque el equipo de diseño de IBM tuvo en mente siempre la evolución de muchos de los componentes, la base sobre la que se sustentaron las sucesivas generaciones fue la arquitectura CISC de 32 bits que, como ya hemos visto, se mantuvo entre los S/360, S/370 y S/390 durante un período de 40 años.

La llegada del nuevo siglo trajo importantes cambios para IBM. Los S/390 se vieron sucedidos por los System z, un nuevo nombre que también incluyó una nueva arquitectura, la z/Architecture.

La z/Architecture, también desarrollada completamente por IBM, fue introducida en 2000. Dieron el salto a los 64 bits y, una vez más, mantuvieron la retrocompatibilidad con anteriores generaciones, incluyendo con los S/360 y suponiendo 40 años de software compatible.

También introdujeron un nuevo límite en la memoria RAM (hasta 2 exabytes) fundamental en equipos profesionales de este calibre, y por supuesto el software, que ahora podía acceder a registros de mayor capacidad, repercutiendo en una mayor eficiencia en el procesamiento de la información.

Algo que empezó a vislumbrarse en los S/390 terminó explotando en los System z: la paralelización se tornó en un pilar fundamental de esta nueva generación. Para ser competitivos y teniendo en cuenta las experiencias de los años anteriores, estos nuevos equipos se diseñaron de forma que admiten configuraciones que en algunos casos superan los 100 procesadores por armario, cada uno de ellos con cuatro, seis o más núcleos, y por encima del terabyte de memoria RAM.

Actualmente, además de los System z, IBM también distribuye mainframes con chips AMD Opteron (System x), Intel Xeon (System x, BladeCenter) o POWER (Power Sustems, Power Blade), su propia arquitectura heredada de los PowerPC de antaño. Existen decenas de diferentes modelos que a su vez son ampliamente personalizables y adaptables a los requisitos de cada cliente, tanto tecnológicos como económicos.

Los mainframe: siguen ahí aunque no los veas

Los mainframe existen y siguen a la orden del día, y de hecho los usamos continuamente. No los vemos, pero ahí están. Si te paras a pensar, estas líneas que estás leyendo seguramente estén guardadas en un servidor de alguna parte, y ese servidor consistirá en varios mainframes que son los que proporcionan la conexión 24/7 de ésta y muchas otras páginas web.

Los grandes servicios tienen sus propios centros de datos (Google, Apple), mientras que otras lo subcontratan. Por ejemplo Amazon es una de las mejor posicionadas en esto con sus Amazon Web Services, proporcionando servidores y sistemas de caché imprescindibles para la Web hoy en día.

Los mainframes han pasado de ser sistemas pertenecientes a entidades públicas (universidades, gobiernos, ejércitos) a ser la base hardware de Internet y las comunicaciones. El mundo de los smartphones ha hecho que estemos aún más conectados, no sólo en nuestras casas si no también en (casi) cualquier parte del mundo. A los smartphones hay que sumar las redes de sensores (cada vez más habituales en las ciudades), los vehículos (los coches cada vez incorporan más tecnología) o los electrodomésticos que empiezan a ser conectados (véase éste de Berg).

Aún queda mucho camino por recorrer, pero la tendencia es que prácticamente todo termine conectado a un servidor, en el que habrá un mainframe.

Igualmente, también hay que mencionar la importancia de los mainframes para el mundo de la ciencia. Equipos de este corte se utilizan para realizar simulaciones matemáticas complejísimas, predicciones meteorológicas o análisis de información que sin estos ordenadores superrápidos sería imposible afrontar.

Los mainframes llevan varios años siendo el 'centro' transparente de nuestras conexiones. No los vemos, pero están ahí. Sus funcionalidades no cambiarán en los próximos años, si bien sí empiezan a vislumbrarse algunas modificaciones importantes que pueden afectar a pilares de estos equipos.

Uno de ellos es el consumo energético, un parámetro muy valorado en los últimos años debido a los incrementos en el coste de la energía en todo el mundo. Los clientes buscan equipos de consumo más ajustado que les permita reducir su factura de la luz, y por tanto los fabricantes se enfrentan ante el reto de bajar los requisitos energéticos de sus equipos a la vez que se mantiene un buen rendimiento. Es importante mencionar que el consumo eléctrico no depende sólo del equipo como tal, si no que por ejemplo también es esencial la refrigeración de la sala (los supercomputadores suelen instalarse en salas completamente refrigeradas para mejorar la disipación del calor), que suele suponer buena parte de la factura total.

Otro de los cambios más importantes que se están planteando en el mercado de los mainframe es evolucionar desde las clásicas arquitecturas POWER, x86 o la z que mencionábamos antes, hacia ARM, que tiene a su favor varios factores. Consume una fracción de la energía de sus competidoras, emite un calor que muchas veces puede disiparse pasivamente (sin ventiladores activos) y además son baratos. Evidentemente tienen la contrapartida de que su rendimiento también es mucho menor que el de las alternativas antes mencionadas, algo que está combatiéndose instalando múltiples chips ARM y ejecutándolos en simultáneamente, en paralelo.