Begin jaren negentig zette IBM de oude bipolaire chips voor zijn mainframes overboord. Energiezuinige cmos-processoren moesten Big Iron weer concurrerend maken. Met cmos kon het slanker, kleiner en zuiniger. In plaats van water als koeling hadden deze chips slechts lucht nodig. De operatie is geslaagd, maar de belofte dat cmos-chips op den duur ook sneller zijn dan de bipolaire is nog niet ingewilligd. Hitachi laat zien dat er nog steeds rek zit in de oude technologie.
Eind 1992 maakte Nick Donofrio, net aangekomen als directeur voor IBM’s Systeem/390-mainframes, een botte strategie voor zijn divisie bekend. Er zou in de toekomst geen plaats meer zijn voor de oude, logge, watergekoelde rekenmachines. De marktleider zou kleine, energiezuinige en bovendien goedkope modellen gaan leveren.
Donofrio had zijn sporen verdiend. Hij was erin geslaagd om van IBM’s werkstations het snelst groeiende hardware-segment binnen de computerreus te maken. De facelift die mainframes nodig hadden, lag volgens Donofrio in dezelfde lijn. Het werd hoog tijd dat Big Iron ging profiteren van een technologie waarmee driekwart van alle chips werden gemaakt. Net als microprocessoren voor PC’s, werkstations en servers moesten de processoren voor Systeem/390 in cmos (complementary metal-oxide semiconductor) worden geproduceerd. De voordelen lagen voor de hand. Cmos-chips gebruiken veel minder energie dan de oude technologie op basis van bipolaire ecl-processoren (emitter-coupled logic). In tegenstelling tot bipolaire chips hebben cmos-processoren geen waterkoeling nodig en vergen ze minder onderhoud. Met cmos zou de mainframe kunnen krimpen van het formaat personenauto tot een standaard industrieframe ter grootte van een ijskast. De productiekosten voor mainframes met cmos-chips liggen naar schatting tien maal lager dan voor die met bipolaire chips. Wie in het hart kijkt van de vorig jaar geïntroduceerde 9672 generatie 3-server (R4), ziet het verschil direct. Daarin zitten maximaal tien processoren op een keramische module ter grootte van een badkamertegel. In de oude machines bestaat één bipolaire processor zelf weer uit honderden kleine chips in vier watergekoelde modules die tezamen tientallen kilo’s wegen.
Bij de overstap van zwaar- naar lichtgewicht had IBM één groot voordeel. Technologen in het Duitse Böblingen waren in het begin van de jaren tachtig al begonnen met de ontwikkeling van cmos-processoren voor IBM’s kleine mainframe-modellen. Om de divisie weer concurrerend te maken moest de technologie zo snel mogelijk over de hele lijn worden ingevoerd.
In feite had het in moeilijkheden verkerende IBM weinig keuze. Door S/390-processoren te gaan maken in dezelfde technologie waarin het bedrijf ook de chips voor zijn PC’s, werkstations en Unix-servers produceerde, kon het twee vliegen in één klap slaan. De investeringen in bipolaire chip-ontwikkelingen konden overboord en tegelijkertijd kon IBM de almaar duurder wordende cmos-chipfabrieken sneller vullen.
Kostenreductie
De aanpak was gedurfd, want de snelheid van cmos-processoren haalden het niet bij bipolaire chips. Toen IBM in 1994 met de eerste grote cmos-systemen op de markt kwam, lag de snelheid van één processor op 20 mips (million instructions per second), terwijl ecl-processoren in de buurt kwamen van 60 mips.
"Het was niet onze bedoeling om met de nieuwe cmos-machines de prestaties van bipolaire machines te evenaren", zegt Helmut Schettler, die bij IBM in Böblingen verantwoordelijk is voor cmos-chipontwerp. "We wilden gewoon de kosten omlaag brengen." Technologen van IBM houden vol dat cmos op den duur sneller zal worden dan bipolaire chips. Jaarlijks stijgt de prestatie/prijs-verhouding van cmos-chips met 30 tot 40 procent. "Met cmos is er in twee jaar een snelheidsverdubbeling mogelijk. In bipolaire technologie verdubbelde de snelheid elke vijf jaar", zegt Schettler. Ondermeer om de achterstand op bipolaire processoren op te vangen, werd Parallel Sysplex ontwikkeld. Dat is een opvolger van Sysplex, waarmee vele processoren kunnen worden gekoppeld tot één massief parallel systeem.
"Tot 1994 konden we met Sysplex tot maximaal zes bipolaire multiprocessor-systemen koppelen. Met Parallel Sysplex kunnen 32 mainframes van elk tien processoren als één geheel samenwerken", zegt Jürgen Probst van IBM’s ontwikkelingsafdeling in Böblingen. "De prestatie loopt bijna lineair op."
Cmos heeft intussen bewezen het juiste medicijn te zijn. Volgens IDC maakten systemen met cmos-technologie vorig jaar de helft uit van alle verkochte S/390-servers. Deze machines vertegenwoordigden 58 procent van de verkochte S/390-rekenkracht.
Ook Amdahl en Hitachi konden niet om cmos heen. Amdahl heeft zich met zijn Millennium-mainframes intussen helemaal toegelegd op cmos-processoren (van producent Fujitsu). Hitachi Data Systems begon eind 1996 met de verkoop van kleinere mainframes op basis van cmos-processoren van IBM.
Mede als gevolg van de industrie-brede verjongingskuur kon de mainframe-markt in 1996 zijn veerkracht tonen. Volgens IDC steeg de vraag naar mips in dat jaar maar liefst met 77 procent. Voor het eerst in jaren liet de wereldwijde omzet in Systeem/390-machines weer groei zien. De omzet in cmos-processoren steeg 1 procent. "Krachtige mainframes met verbeterde technologie zijn weer concurrerend", zegt Steve Josselyn, onderzoeksleider voor IDC’s programma commerciële systemen en servers.
S/390-hardware werd in 1996 maar liefst 44 procent goedkoper. Het aandeel S/390 als onderdeel van het segment ‘grote systemen’ steeg vorig jaar van 49 naar 52,6 procent bij een totale omzet van 13,6 miljard dollar.
Zuinig
In tegenstelling tot bipolaire transistoren gebruiken cmos-transistoren alleen stroom als ze schakelen. Alleen al om deze reden heeft cmos de wereld veroverd. De energiezuinigheid van cmos komt bijvoorbeeld in chips voor kwartshorloges prachtig tot zijn recht. De seconde-, minuten- en urentellers gebruiken slechts stroom als de betreffende teller één eenheid verspringt. Draagbare artikelen, zoals consumentenelektronica, mobiele telefoons en notebooks, kunnen niet om cmos heen. Alle belangrijke chipproducenten hebben momenteel de beschikking over cmos-productiecapaciteit. De nieuwste chipfabricagelijn ‘MOS4’ van Philips Semiconductors in Nijmegen is bijvoorbeeld geheel op cmos ingesteld.
RCA, Toshiba, Hitachi en Motorola stonden aan de wieg van deze technologie. Pionier RCA ontwikkelde cmos in het begin van de jaren zestig voor het Amerikaanse ruimtevaartproject. Aanvankelijk was de techniek moeilijk en duur. Tot in de jaren zeventig stond het proces bekend als lastig en slechts geschikt voor zakrekenmachines en horloges. In de jaren tachtig keerde het tij; cmos beheerste het productieproces voor geheugenchips. Intussen heeft cmos de micro-elektronica veroverd. Alle massageheugens (Sram, statisch ram, en Dram, dynamisch ram) en bijna alle microprocessoren voor computers zijn tegenwoordig in cmos uitgevoerd. Terwijl cmos-chips in 1986 nog slechts 16 procent van de halfgeleidermarkt uitmaakten, zijn momenteel ruim twee derde van alle chips uitgevoerd in deze technologie.
Ook microprocessoren volgen deze trend. De risc-processoren Mips, Ultrasparc en Power PC worden allemaal in cmos gemaakt. Intel vormde jarenlang een uitzondering. Het bedrijf maakte de eerste versies x86-processoren, zoals de 486 en de Pentium, eerst in de snellere Bimos-technologie (bipolaire metaal-oxide semiconductor). Bij Bimos bestaan de chips voor een gedeelte uit cmos-schakelingen en voor een deel uit ‘hete’ bipolaire schakelingen. Deze chips konden echter niet in draagbare computers worden gebouwd, omdat ze actieve koeling nodig hadden met ventilatoren. Intel paste het ontwerp van de chips in een later stadium aan om de notebook-markt te kunnen voorzien van cmos-processoren. Ook in Santa Clara is men intussen helemaal op cmos gericht. De nieuwste Pentium- en Pentium Pro-versies worden in cmos geproduceerd. Om de warmte te reduceren krijgen deze chips in notebooks een lagere voedingsspanning en kloksnelheid.
Hitachi
In de mainframe-wereld is IBM voortrekker. De Japanners – Hitachi, Fujitsu en NEC – bewegen zich slechts langzaam naar cmos, en kampen daardoor met dure productie.
"Door de concurrentie met andere platformen staan de ruime winstmarges, die Japanse producenten traditioneel hadden, onder druk", concludeert IDC in een marktonderzoek over 1996.
Hitachi Data Systems behaalde in 1996 met zijn mainframes echter een verbluffend resultaat. Met op bipolaire ecl-processoren gebouwde Skyline-modellen verwierf het bedrijf in 1996 een omzet van 1,25 miljard dollar. In 1994, toen IBM zijn eerste grote mainframes op basis van cmos-processoren aankondigde en de oude technologie afzwoer, gokte Hitachi erop dat er een markt zou blijven bestaan voor de oude technologie. Afnemers zouden met de aankoop van de IBM-compatible S/390-Skyline hun applicaties niet hoeven te veranderen. Dat was aantrekkelijk, want ecl-processoren zouden cmos-processoren voorlopig immers in snelheid blijven overtroeven. Terwijl IBM in 1994 slechts 20 mips leverde, lag de snelheid van ecl-processoren op 60 mips. Overigens hoeven kleinere processoren geen consequenties te hebben voor bestaand werk. Volgens IBM is meer dan 95 procent van het huidige werk zonder meer te doen op processoren, langzamer dan 60 mips. Vooral in transactie-verwerkende omgevingen – waaronder ook Internet-activiteit valt – is het beschikbaar hebben van vele processoren, klein of groot, een voordeel.
Hitachi zat echter niet stil en legde zijn prioriteiten bij snellere chips. De processoren in de Skyline-modellen halen momenteel 120 mips. Deze strategie heeft de Japanse gigant geen windeieren gelegd. Hitachi heeft hiermee grote klanten verworven, waaronder AT&T, Ericsson en Master Card. Marktonderzoekbureau Meta Group uit Stamford, Connecticut, zegt dat het aandeel van Hitachi op de mainframemarkt in 1996 steeg van 7 tot 22 procent. De Meta Group voorspelt dat Hitachi rond de eeuwwisseling een kwart van de markt in handen zal hebben.
Hoewel analisten en afnemers het erover eens zijn dat parallelle verwerking op den duur de goedkoopste aanpak is, zijn er nog maar weinig klanten die de overstap naar Parallel Sysplex hebben gewaagd. Marktonderzoekers verwachten echter dat de meeste gebruikers binnen twee jaar zullen overstappen op deze technologie. Intussen adopteren ook Amdahl en Hitachi die manier van koppeling. Ze erkennen daarmee dat dit de weg is naar de toekomst, al was het maar vanwege de hogere beschikbaarheids-aspecten van Parallel Sysplex.
De Skyline-modellen zijn overigens ook met deze technologie te koppelen. Uit het succes van Hitachi’s Skyline valt echter ook af te leiden dat veel klanten nog niet zitten te springen om te herstructureren, ook al is parallel rekenen op den duur de goedkoopste oplossing.
Probst van IBM constateert dat klanten er tegenop zien om grote jobs op stel en sprong te herverdelen over systemen met meerdere processoren. "Als je dat niet wilt, heb je meer uni-processor mips nodig. IBM heeft nu overigens ook tools beschikbaar voor de parallelle batchverwerking."
Overstap naar cmos
Volgens IBM zijn er inmiddels klanten die zestien S/390-systemen met Parallel Sysplex hebben gekoppeld. In theorie is uitbreiding tot 32 keer 10 processoren mogelijk, maar volgens Probst is er nog niemand die hiervan gebruik maakt. In de nabije toekomst zal IBM weinig aan deze architectuur veranderen. De mainframe-modules zullen blijven bestaan uit maximaal tien processoren. Een grotere parallelliteit dan 32 maal 10 processoren is voorlopig niet nodig, vindt Probst. "Vanuit systeem-oogpunt zullen er in de nabije toekomst geen ingrijpende veranderingen plaatsvinden, want de prestaties van cmos-processoren zullen nog dramatisch toenemen." Analisten verwachten dat er ook voor Hitachi op den duur niets anders opzit dan helemaal over te stappen op cmos.
"Toegang tot geavanceerde cmos-technologie is een voorwaarde. Leveranciers die niet in cmos investeren zullen hun marktaandeel flink zien slinken", zegt Josselyn van IDC.
Hitachi bracht eind vorig jaar zijn Pilot-mainframes uit op basis van (één tot drie) cmos-processoren van IBM. Het bedrijf kon de grote vraag naar goedkope, kleine mainframes niet langer negeren. Volgens IDC zal volgend jaar 80 procent van alle mainframegebruikers zijn overgestapt op cmos. De komst van IBM’s 60-mips S/390-processor en de acceptatie van Parallel Sysplex zullen daaraan bijdragen.
Het is nog onduidelijk hoe Hitachi de cmos-technologie in zijn snelste mainframes zal inpassen. Er bestaat geen twijfel over dat het bedrijf, als de op drie na grootste chipfabrikant ter wereld (IBM staat op de veertiende plaats), cmos-chips in geavanceerde fabricagetechnologie zal kunnen maken. Maar hoewel Fujitsu erin geslaagd is om concurrerende S/390-chips in cmos te maken, heeft Hitachi nog geen eigen processor-ontwerpen in cmos. Het leveringscontract voor de cmos-chips van de goedkopere Pilot mainframes loopt door voor de processoren van 60 mips, die IBM dit jaar zal introduceren.
Een kwart micron
Probst en Schettler willen zich niet uitlaten over toekomstige afspraken met Hitachi. De grote vraag is of Hitachi zijn eigen ontwikkeling en productie van S/390 cmos-chips zal starten of dat het bedrijf de processoren, ook voor de toekomstige grote systemen, zal inkopen bij IBM.
Volgens Probst lopen daarover momenteel besprekingen tussen beide fabrikanten. "Alles is nog mogelijk", zegt Probst. "Maar de trend is duidelijk. Op den duur wordt het allemaal cmos." De vraag is alleen: wanneer? De vierde generatie mainframes op basis van cmos-technologie die IBM nog dit jaar zal aankondigen, hebben processoren met een rekenkracht van elk 60 mips.
Marktonderzoeker IDC verwacht echter dat het gat tussen cmos en ecl snel zal worden gedicht. "Het evenwicht op de markt zou wel eens snel kunnen verschuiven", schrijft de marktonderzoeker in een rapport dat enkele maanden geleden uitkwam. IDC leidt dit af uit de snelheid waarmee cmos zich ontwikkelt. Alle belangrijke chipfabrikanten produceren de bulk van hun chips in cmos. Wie als eerste een nieuwe generatie chips op de markt brengt, kan de breedste marges vragen. Daarom investeren ze agressief in deze technologie. Chips met de kleinste dimensies – en hoogste kloksnelheden – zijn het eerst in cmos te koop.
Ook al maken S/390-processoren niet de hoofdmoot uit van de chips die IBM produceert, ze profiteren wel van de vooruitgang in cmos-chipproductie. IBM heeft net als Intel, NEC en Motorola de beschikking over de meest geavanceerde productietechnologie. Net als Intel heeft IBM aangekondigd dat het dit jaar al de massaproductie van een nieuwe generatie cmos-chips zal starten. De kleinste dimensies van deze chips zijn 0,25 micron, een vierhonderdste van de doorsnede van een mensenhaar. IBM zal deze fabricagetechnologie kunnen inzetten voor snellere chips. Als het lukt om nog dit jaar chips met deze dimensies te maken, is dat een flinke prestatie. Volgens de ‘wet van Moore’, de trendlijn die Gordon Moore van Intel al in 1975 trok, komen kwart-micronprocessen pas volgend jaar op stoom.
Begin dit jaar maakte Charles Webb van IBM’s Systems/390-divisie uit Poughkeepsie, New York, de details bekend van de komende generatie 390-processoren. De chips bevatten 7,8 miljoen transistoren op een oppervlak van 17 bij 17 mm en hebben een kloksnelheid van 300 MHz. In de mainframes die in het midden van dit jaar op de markt komen, hebben deze chips een rekenkracht van 60 mips. In de nabije toekomst zijn met dit ontwerp echter kloksnelheden tot 400 MHz mogelijk, waarbij de rekenkracht in theorie toeneemt tot 80 mips.
Probst en Schettler wijzen erop dat de trendlijnen laten zien dat de ecl-technologie rond 1999 zal zijn ingehaald door cmos. De macht van Hitachi moet echter niet worden onderschat. Het bedrijf heeft al aangekondigd dat het nog voor het eind van dit jaar een Skyline-model zal introduceren met processoren die een snelheid hebben van 160 tot 180 mips. Als Hitachi daarin slaagt, moeten we waarschijnlijk tot na de eeuwwisseling wachten totdat cmos en ecl op gelijke voet komen.
René Raaijmakers, freelance medewerker Computable.
