Tööjaam

SGI O2 Workstation

Tööjaam (inglise keeles workstation) on teadusülesannete täitmiseks ette nähtud arvuti. Peamiselt saab neid kasutada üks inimene korraga ning nad on ühendatud kohtvõrku. Terminit "tööjaam" on kasutatud üsna vabalt, et viidata suurarvutitest kuni võrku ühendatud personaalarvutiteni, kuid enamjaolt kasutatakse terminit, et viidata riistvaragrupile, mida pakuvad mitmed spetsialiseerunud tootjad nagu Sun Microsystems, Silicon Graphics, Apollo Computer, DEC ja IBM, mis avas ukse 3D-animatsiooni maailma 1990. aastate lõpus.

Tööjaamad pakkusid suuremat jõudlust kui tavalised personaalarvutid, eriti seoses keskprotsessori ja graafikaprotsessori, mälumahu ja paralleelarvutuse võimekuse poolest. Tööjaamad olid optimeeritud visualiseerimiseks ja selliste keerukate andmehulkade käsitlemiseks nagu neid esineb 3D-mehaanika disainis, insenersimulatsioonides, animeerimisel ja piltide renderdamisel. Tüüpiliselt on nad üles seatud nagu tavalised lauaarvutid suure eraldusvõimelise ekraaniga, minimaalselt klaviatuuri ja arvutihiirega, kuid mõnel juhul ka mitme ekraaniga, digitaallauaga, 3D-hiirega jne. Tööjaamad olid esimesed arvutid turul, mis võimaldasid arenenumate lisade kasutamist.

Personaalarvutite kasvav võimekus 1990. aastate lõpus on kaotanud selge vahe tehniliste ja teaduslike tööjaamade vahel. Tööjaamad hõivasid turul patenteeritud riistvara, mis muutis neid selgelt eristatavateks personaalarvutitest näiteks: IBM kasutas RISC baasil toodetud keskprotsessoreid oma tööjaamadel ning Inteli x86-protsessoreid oma äriklassi/tavakasutaja arvutites 1990. ja 2000. aastatel. 2000. aastate alguses on erinevus aga kadunud, sest tööjaamades on kasutusel rohkesti kohandatud riistvata, mis on toodetud suurte personaalarvutite tootjate poolt nagu Dell, HP ja Fujitsu.

Ajalugu

Päritolu ja arendus

Esimene arvuti, mida võib nimetada tööjaamaks oli IBM 1620, mis oli väike teaduslik arvuti, mida oli võimalik kasutada interaktiivselt ühel inimesel, kes istus konsooli taga. IBM 1620-t esitleti 1960. aastal. Omaseks tunnusjooneks oli, et arvutis puudusid aritmeetikalülitused. Liitmistehete sooritamiseks vajas arvuti mälutabelit, kus olid kirjas kümnendarvude liitmisreeglid. Sellega hoiti kokku kuludes, mis võimaldas IBM-il 1620 odavalt toota. Arvuti koodnimi oli CADET ja algul oli seda võimalik rentida 1000 dollari eest kuus.

1965. aastal esitleti IBM 1130-t, mis oli 1620 järeltulija. Mõlemad süsteemid olid võimelised käitama koodi, mis oli kirjutatud Fortranis ja muudes keeltes. Mõlema arvuti mõõtmed olid võrreldavad kirjutuslauaga. Nendele oli võimalik lisada kõvakettaid, printereid ja paberist perfokaarte sisenditesse/väljunditesse. Mõlemal oli standardis kaasas konsool trükimehhanism.

Esimesed tööjaamad olid üheks tööks pühendatud miniarvutid, süsteemid, mis olid disainitud mitmele kasutajale, olid valdavalt reserveeritud ühele isikule. Märkimisväärseks näiteks oli PDP-8, mille loojaks oli Digital Equipment Corporation. Seda peetakse esimeseks kaubanduslikuks miniarvutiks.

Lispi arvutid, mis töötati välja 1970. aastate alguses, olid teerajajad mitmele põhimõttele, mis defineerisid tööjaama arvutit, sest nad olid suure jõudlusega, võrguühendusega, ühele kasutajale mõeldud suure intensiivsusega kasutamiseks. Lispi arvutitega tegid 1980. aastate alguses head äri sellised ettevõtted nagu Symbolics, Lisp Machines, Texas Instruments. Esimene arvuti, millel oli suur eraldusvõime ja disainiti ühele kasutajale, oli Xerox Alto, see arendati Xerox PARC-is 1973. aastal. Lisaks eelnimetatule arvatakse varaste tööjaamade hula ka Terak 8510/a (1977), Three Rivers PERQ (1979) ja hilisemat Xerox Stari (1981).

Populaarsuse kasv 1980. aastatel

32-bitiste mikroprotsessorite tulekuga 1980. aastatel lisandus ka tööjaamade tootjaid, kaasa arvatud Apollo Computer ja Sun Microsystems, kes lõid UNIXi-põhised tööjaamad eelnimetatud arhitektuuri baasil. 1980. aastate keskpaiku saabunud RISC-tüüpi mikrokontrollerid võeti kiiresti omaks mitmete müüjate poolt. Tööjaamad olid valdavalt üsna kallid, tavaliselt maksid nad mitu korda rohkem kui tavalised arvutid ning vahel küsiti nende eest ka uue auto hinda. Seevastu maksid mõned mikroarvutid sama palju kui maja. Suuremad kulud olid tavaliselt tingitud kallimate juppide kasutamisest, mis olid kiiremad kui need, mis olid saadaval arvutipoodides. Kulukateks lisadeks olid ka sellised komponendid nagu kiired võrgukaardid ja kõrgetasemeline graafika, mis puudusid tavalistel arvutitel. Tööjaamade tootjate valmistatud süsteemidel olid tihti lisadeks väikearvutisüsteemi liidesed või kiudkanal kettasüsteem, kõrgetasemelised 3D-kiirendid, üks või mitu 64-bitist keskprotsessorit, suurel hulgal muutmälu ja hästi disainitud jahutus. Lisaks on tootjatel valdavalt välja töötatud head parandamise ja asendamise plaanid. Siiski kindlalt eristav joon tööjaama ja personaalarvuti vahel on kadumas, sest tarbijaühiskond on muutunud aina nõudlikumaks. See aga võimaldab tootjatel kasutusele võtta juba valmis juppe selle asemel, et neid ise arendada.

3M arvuti

NeXTstation graafika tööjaam aastast 1990

Sony NEWS tööjaam 1280x1024 256-värvi kuvariga

SGI Indy graafika tööjaam

1980. aastate alguses pidi kõrgema klassi tööjaam täitma kolme M-i nõuet. Niinimetatud "3M-arvutil" pidi olema megabait mälu, megapiksline ekraan ja megaFLOPS arvutusjõudlust. Võrreldes tänapäevaga on see üsna tühine, kuid sellel ajal oli see suur aste võrreldes personaalarvutiga. Selle aja IBM-i arvutil oli mälu 16 kB, tekstikuva ja arvutusjõudlus 1 kiloFLOPS. Personaalarvutitel polnud lisasid nagu võrguühendus, graafikakiirendus ja kiired arvutisisesed andmeühendused.

Vähenevad trendid

Laialdane tööjaamades kasutatavate tehnoloogiate kasutuselevõtt personaalarvutites oli otsene tegur, mis muutis tööjaama, kui eraldi turuosa omava tootegrupi olemise mõttetuks. Seda muutsid järgmised omadused.

• Suure jõudlusega keskprotsessorid – kuigi RISC-protsessorid olid algusaegadel suurusjärgu võrra parema jõudlusega CISC-protsessoritest, mis olid samas hinnaklassis, paistis silma üks konkreetne CISC-protsessorite perekond, Intel-i x86, millel oli alati suur turuosa. 1990. aastate keskpaigaks olid osad x86-keskprotsessorid saavutanud RISC-protsessoritega mõnes osas võrreldava jõudluse, näiteks täisarvu jõudlus, mis vähendas RISC-protsessorite turuosa veelgi.
• Riistvaraline tugi ujukomaoperatsioonideks – algsel IBM-i personaalarvutil valikuline; püsis eraldi kiibil Inteli süsteemidel kuni 80486DX-protsessorini. Isegi siis olid x86-protsessorid taga teistest arhitektuuriliste piirangute tõttu. Tänapäeval on isegi madala hinnaklassi arvutid gigaFLOPS-i piirides.
• Suur mälu konfiguratsioon – personaalarvutid olid algul piiratud 640 kB mälumahuga, kuni 1982. aastal tutvustatud 80286 protsessorini. Varased tööjaamad seevastu olid võimelised adresseerima mitut megabaiti mälu. Isegi pärast seda, kui personaalarvutid murdsid 640 kB piiri olid spetsiaalsed programmeerimistehnikad vajalikud, et adresseerida märkimisväärseid mälumahtusid kuni 80386 tutvustamiseni. Vastukaaluks olid teised 32-bitised protsessorid nagu SPARC võimelised lihtsasti ligi pääsema kogu oma 4 GB mäluaadressi ulatusele. 64-bitised tööjaamad ja serverid, mis olid võimelised toetama aadresse kõvasti üle 4 GB, olid saadaval juba 1990. aastate algul. See tehnoloogia hakkas ilmuma personaalarvutite ja serverite turule alles 2000. aastate keskpaiku.
• Operatsioonisüsteem – varased tööjaamad kasutasid UNIXi operatsioonisüsteemi, UNIXiga sarnanevat varianti või mõnda sellega võrdväärset operatsioonisüsteemi nagu VMS. Selle aja personaalarvutite keskprotsessoritel olid mälumahupiirangud ja mälu juurdepääsu kaitsed, mis muutsid protsessorid sobimatuks, et kasutada sellise keerukusega operatsioonisüsteeme. See hakkas muutuma 1980. aastate lõpus, kui 32-bitiste protsessoritega personaalarvutite, millel olid integreeritud mäluhaldusüksused, hind muutus taskukohasemaks.
• Suure jõudlusega kolmemõõtmelise arvutigraafika riistvara arvuti abil projekteerimine ja animeerimine – personaalarvutite vallas hakkas arvutigraafika hoogu koguma 1990. aastate keskpaigas, tänu arvutimängudele. Nvidia tõusis esile sellega, et ta integreeris transformeerimse ja valgustuse riistvara graafikaprotsessorisse, mis tõstis GeForce 256 kõrgemale varasematest graafikaprotsessoritest, mis sõltusid keskprotsessorist nende arvutuste sooritamisel. See 3D-graafika lahenduse keerukuse vähendamine tõi alla ka riistvara hinnad, mis muutis tehnoloogia kättesaadavaks odavatele laiatarbe-graafikakaartidele selle asemel, et olla piiratud vaid professionaalidele mõeldud riistvarale.
• Suure jõudluse ja mahuga andmete salvestamine – varased tööjaamad kasutasid patenteeritud kettaliideseid kuni 1980. aastateni, kui ilmus SCSI standard. Kuigi SCSI-liidesed tulid saadavale ka personaalarvutitele, olid nad võrdlemisi kallid ning piiratud arvuti ISA siini kiirusega. SCSI on varasemast täiuslikum kontrollerliides, mis on eriliselt hea olukorras, kus ketas peab toime tulema mitme päringuga korraga.
• Väga töökindlad komponendid – mitu protsessorit ning nende peale suurema hulga vahemälu ja vigu parandava mälu olemasolu on ainukene jääv tunnusjoon tööjaama ja personaalarvuti vahel tänapäeval. Kuigi suurem osa tänapäevastes tööjaamades kasutatavatest tehnoloogiatest on saadaval ka madalama hinna eest, on heade juppide leidmine ning nende kokkusobivuse kindlaks tegemine väljakutse tööjaama ehitamisel. Kuna tööjaamad on kavandatud kõrgetasemeliste ülesannete täitmiseks nagu ilma ennustamine, video renderdamine ja mängu disain, on see iseenesestmõistetav, et need süsteemid peavad olema võimelised töötama täiskoormusel, järjepidevalt mitmeid tunde või isegi päevi ilma ühegi veata. Iga kättesaadavat arvutikomponenti on võimalik kasutada tööjaama ehitamiseks, kuid nende komponentide töökindlus selliste koormuste korral on määramata. Nendel põhjustel ei ehita kliendid peaaegu mitte ühtegi tööjaama ise, vaid ostavad need tootjatelt nagu HP, Fujitsu, IBM, Sun Microsystems, SGI, Apple või Dell.
• Tihe integreeritus riistvara ja operatsioonisüsteemi vahel – tööjaamade müüjad disainivad riistvara kui ka haldavad UNIXi-põhist operatsioonisüsteemi, mis arvutites töötab. See võimaldab palju karmimaid katseid, kui operatsioonisüsteemid nagu Windows. Windows vajab, et kolmanda osapoole riistvaramüüjad kirjutaksid oma riistvarale nõuetele vastavad draiverid, mis oleksid stabiilsed ja töökindlad. Tööjaamade müüjad on võimelised tagama nii riistvara kvaliteedi, kui ka operatsioonisüsteemi draiverite stabiilsuse, eelnevalt neid testides ja see omakorda tagab palju töökindlama ja stabiilsema arvuti.

Turuosa

SGI Indy

Dell Precision 620MT kahe Pentium III protsessoriga

Millenniumivahetusest saati on tööjaama mõiste seletus muutunud häguseks mingi piirini. Paljud komponendid, mida kasutasid odavamad "tööjaamad", on nüüd samad, mida kasutatakse laiatarbearvutites, ning hinnaerinevus odavama tööjaama ja personaalarvuti vahel on väiksem, kui see kunagi oli. Tööjaamad on tüüpiliselt olnud keskprotsessori arengu edasiviijad, nii tavatarbija arvutid kui ka tööjaamad saavad kasu keskprotsessoritest, mis on disainitud mitmetuumalisuse põhimõttel. Tänapäeva tööjaamad kasutavad tüüpiliselt mitut mitmetuumalist keskprotsessorit, vigu parandavat mälu ja kõvasti suuremat vahemälu, kui tavatarbijate keskprotsessorites. Säärast jõudlust ja töökindlust pole üldiselt tavakasutajal tarvis. Mõningad tööjaamad on disainitud vaid ühe spetsiifilise rakenduse kasutamiseks nagu näiteks AutoCAD, Avid Xpress Studio HD, Autodesk 3Ds Max, jne. Kindlustamaks ühilduvust tarkvaraga, küsivad ostjad tavaliselt sertifikaati tarkvaramüüjalt. Sertifitseerimise protsess tõstab tööjaamade hinda üsna palju, kuid professionaalseks otstarbeks on töökindlus kõvasti tähtsam, kui algne ostuhind.

Tööjaamade turu seis

RISC protsessori baasil ehitatud tööjaamade allakäik

2009. aasta jaanuarist on kõikide RISC baasil ehitatud tööjaamade tootmine seisatud:

• SGI lõpetas oma MIPS baasil toodetud SGI Fuel ja SGI Tezro müügi detsembris 2006.
• HP loobus oma HP 9000 PA-RISC baasil tööjaama toodete müügist 2008. aasta jaanuarist.
• Sun Microsystems kuulutas 2008. aasta oktoobris, et nende Sun Ultra SPARC tööjaama eluiga on lõppenud.
• IBM lõpetas 2009. aasta jaanuaris oma IntelliStation POWER toodete tootmise.

Üleminek x86-65 tööjaamadele

Praegune tööjaamade turg kasutab x86-64 mikroprotsessoreid. Saadaolevateks operatsioonisüsteemideks nendel arvutitel on Microsoft Windows, FreeBSD, erinevad GNU/Linuxi distributsioonid, Apple Mac OS X ja Oracle Solaris.

Tööjaama definitsioon

Suur osa lauaarvutite turul on arvutid, millest eeldatakse, et nad töötavad nagu tööjaamad, kuid kasutavad personaalarvutite operatsioonisüsteeme ja riistvara. Komponentide tootjad tükeldavad sageli oma tootevaliku ning müüvad kõrgema kvaliteediga komponente, mis on funktsionaalsuselt sarnased tavatarbija mudelite omadega, kuid on hoopis robustsemad ja parema jõudlusega. Tööjaama klassi kuuluval personaalarvutil võivad esineda järgmised tunnused:

• ECC- ehk veaparandusega mälu tugi
• suur arv mälupesi, mis kasutavad puhverdatud mooduleid
• pesad mitme protsessori jaoks, võimsad keskprotsessorid
• mitu kuvarit
• töökindel operatsioonisüsteem, millel on laialdasemad lisafunktsioonid
• suure jõudlusega, töökindlad graafikakaardid