图形工作站发展30年——看MIPS曾经的辉煌

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图形工作站发展30年
——看MIPS曾经的辉煌


             图形工作站作为专业级图形设计工具，在企业的产品设计部门扮演着非常重要的角色。图形工作站以其超强的图形处理能力著称，与各种三维软件平台都有着非常好的兼容性。在图形工作站发展的早期，由于硬件性能限制仅能对简单的图形进行运算处理，经过30年的发展，图形工作站已经能实现对复杂三维模型进行CAD\CAE的应用处理，展望未来，随着中国制造企业由中国制造到“中国智造“的跨越，图形工作站将变得越来越必不可少。
        一、图形工作站前世今生
             自1946年世界第一台计算机ENIAC诞生起，经过30年的不懈努力，到上世纪70年代操作系统和芯片技术已得到长足发展，此时，Unix操作系统已走出贝尔实验室并商业化，intel 8080芯片也于1974年推出，这一切都为次年世界第一台个人计算机Altair登台亮相创造了条件。1975年，正是Altair的出现使得当时还在哈佛上大二的比尔.盖茨决定放弃学业投身到即将到来的IT革新浪潮中来。很多至今都引领着业界的IT巨头都诞生于这一时期，如微软、苹果和甲骨文。
             20世纪70年代中期，IT公司如雨后春笋般的诞生，软件需要找到适合运行的硬件平台，硬件商需要为平台寻找合适的软件，我们称这一时期为个人计算机软硬件的磨合期。正是经历了这几年软硬件磨合期，到80年代初，定位于特定应用的个人计算机才得以走入人们生活，真正意义上的图形工作站也于这一时期诞生。
             1、图形双星之初创岁月（1982～1985）
             1982年，两家重量级图形工作站厂商成立，它们是 SGI和SUN。业界将SGI称为图形工作站发展的鼻祖， 因为SGI是最早专注于图形工作站研发与制造的厂商。1982年，James Clark博士创建了SGI公司，在此一年前，James Clark博士发明了几何图形发生器，这是一组可加速模型建立的定制芯片，能以硬件来加速图形的几何变换，减轻中央处理器对图形处理的负担，特别适用于对CAD、CAE、CAM等应用的图形处理，这也是最早的3D几何图形引擎，它的发明为图形工作站的出现奠定了基础。同年，SUN在斯坦福大学的宿舍里成立，并于当年7月推出了Sun one图形工作站，两家公司的共同之处是创始人都是技术出身且都以图形工作站作为立足之本。

            

             图1 Sun one工作站

             20世纪80年代初，图形工作站的出现使得市场对该产品的需求空前强烈，IBM、DEC等硬件厂商纷纷加入对这一市场的争夺。1983年，IBM宣布开发基于ROMP架构处理器的工作站，同年SGI也推出了第一款图形终端IRIS 1000系列，并与次年4月正式推出业界首款3D图形工作站——IRIS 1400，与此同时，MIPS微处理器的出现也激发图形工作站厂商开发自己的RISC处理器。1985年SUN开始SPARC处理器的研发工作，在此之前，包括SUN在内的众多图形工作站厂商都依赖于摩托罗拉的芯片供应。

            

             图2 IRIS 1000系列
             2、RISC/Unix时代的百家争鸣（1986～1993）
             由于早期的图形工作站处理器很多都有摩托罗拉公司提供，这使得图形工作站的同质化问题日趋严重，为扼守住自己的一块蛋糕，包括SUN、SGI、IBM在内的厂商都着手开发自己的RISC处理器和UNIX操作系统，试图通过打造封闭式图形工作站来保证客户群体不至流失，同时赚取高额的利润。正是这一思维为之后Wintel联盟的崛起买下伏笔。
             1986年是图形工作站发展史上值得纪念的年份，这一年IBM发布了RISC架构的Unix计算机——RT PC，并为该机型搭配了AIX系统，AIX是基于INTERACTIVE Systems公司的IN/ix（第一个商用UNIX）开发的。同年，惠普公司的RISC芯片PA-RISC发布，型号为PA-8000，在此之前，惠普已推出HP-UX操作系统。1987年，SUN与TI公司合作开发的SPARC处理器正式亮相，这是业内第一款有可扩展功能的RISC架构微处理器，但第一个应用SPARC处理器的SPARCstation1工作站直到1989年才发布。这一时期，SGI并没有发展自己的处理器，只是放弃了摩托罗拉的68000，转而使用MIPS的处理器产品，1992年MIPS被SGI收购，从而正式将MIPS处理器纳入旗下。

            

             图3 SPARCstation 1

             到90年代初，IBM、HP、SUN、SGI都发展了了各自的处理器和操作系统，IBM是POWER+AIX，惠普是PA-RISC+HP-UX，SUN是SPARC+Solaris，SGI是MIRS+IRIX。除这四家之外，DEC发展了自己的Alpha处理器。
             （1）IBM：POWER+AIX
             POWER是Performance Optimization With Enhanced RISC的缩写，即以加强的RISC实现性能优化。该处理器最早出现在RS/6000系统上，RS/6000是IBM在1990年推出的一个RISC架构的服务器（POWERserver）、工作站(POWERstation)和超级计算机(POWERparallel)家族，用以替代IBM RT计算机平台，也是第一个使用POWER处理器的计算机系统。自1986年发布AIX系统到POWER处理器的推出，AIX已从一个技术工作站平台发展为一个真正的服务器操作系统。

            

             图4 IBM RS/6000系列

             RS/6000系统的前身是1986年推出的RT PC，这是世界上首台RISC架构的UNIX计算机，也是IBM推出的首台具备CAD设计能力的图形工作站，RT PC配备无浮点计算能力的32位ROMP处理器，可实现对CATIA、AUTOCAD等CAD程序进行图形处理。
             从RT PC到RS/6000，IBM实现了从单线产品到系列产品的转型，即由工作站发展为包括工作站、服务器和超级计算机在内的系列家族，通过不断优化POWER处理器架构以及升级AIX操作系统来提升RS/6000系列产品性能，从而在图形工作站领域攻城略地，在IBM工作站发展战略中，IBM让AIX操作系统只能运行在POWER系列处理器上，虽然1996年微软也曾发布过可运行在RISC SYSTEM/6000上的NT 4.0操作系统，但很快PowerPC版本的Windows NT系统就被取消。到2000年，IBM直接将RS/6000改名为eServer pSeries，自此IBM再无发布基于RISC架构的UNIX工作站产品。
             （2）HP：PA-RISC+HP-UX
             PA-RISC是惠普基于RISC架构的处理器系列，它首次出现于1986年，第一款芯片的型号为PA-8000，之后陆续推出PA-8200、PA- 8500、PA-8600等型号，64位微处理器PA-8700于2001年上半年正式投入服务器和工作站的使用。HP-UX是惠普1984年发布的专有的Unix操作系统，目前最新版本为HP-UX11iv3。

            

             图5 HP 300系列

             惠普是最早推出工作站产品的厂商之一，甚至先于IBM。早在1968年，惠普就推出了HP 9100A，但这是一款定位于科学计算的工作站，并非图形工作站。该产品使科学家不必使用大型计算机即可进行复杂的计算。1977年，惠普又推出了HP 9845A，这是一款定位于科学计算和工程应用的工作站，集成了12英寸CRT显示器，并为工作站搭配了图形卡，但该产品依然不能归结为真正意义上的图形工作站。惠普真正意义的图形工作站出现在1985年，当时惠普推出了首款HP 300系列工作站，并为该类型工作站搭配了HP3D显卡引擎，这也是惠普推出的首款具备一定三维处理能力的图形工作站，该产品搭配的就是HP-UX操作系统。
             1989年，惠普收购阿波罗电脑公司，随后阿波罗的Unix操作系统Domain/OS也被应用到惠普工作站。1996年后，随着Wintel联盟的崛起，惠普还推出了XA-S系列工作站，2002年之后发展为XW系列图形工作站。此后，惠普再无发布任何基于Unix架构的图形工作站产品，到2009年，惠普新一代Z 系列图形工作站推出，XW系列正式功成身退。
             （3）SUN：SPARC+Solaris
             SPARC是Scalable Processor Architecture的缩写，即可扩展的处理器架构。1984年，Sun工程师中的一个小团队开始研发被称为SPARC的32位RISC处理。三年后，第一款名为“Sunrise”的SPARC处理器诞生，这款处理器采用0.8微米工艺，主频只有16MHz，当时被应用在一对20000门的富士通gate-array芯片上，供给Sun 4/260工作站做动力。第一款SPARC处理器规格虽然和现今的处理器无法相提并论，每秒仅可处理1000万个指令，但是这比当时的复杂指令集计算机(CISC)处理器要快三倍。

            

             图6 SPARC产品路线图

             SPARC处理器原本就是为SUN工作站专门设计的，之后被广泛应用到SUN、富士通等制造的大型SMP服务器上，Solaris操作系统也是SUN公司专为SPRAC架构处理器设计的系统，除Solaris外，NeXTSTEP、Linux、FreeBSD、OpenBSD、NetBSD等系统也提供SPARC版本。从1987 年SPARC处理器发布到2009年甲骨文收购SUN，SUN共发布了9代28款SPARC处理器，2007年8月推出的UltraSparc T2是SUN最后推出的SPARC处理器。尽管市场销售情况非常好，但终究未能扭转被收购的命运。
             Solaris是SUN为自己的工作站专门开发的操作系统。1982年SUN推出了第一台工作站，为了给工作站搭配一个合适的操作系统，1983年SUN在UNIX System V基础上开发了SunOS，8年后，该系统改名为Solaris。早期的Solaris只能运行在SPARC平台上，SUN公司通过捆绑Solaris和SPARC，使得工作站性能大大增强，但价格却较高。到90年代中期，随着x86平台技术的发展，Solaris才开始支持x86和x64平台，在版本2.5.1的时候，Solaris曾经一度被移植到PowerPC架构，但后来在版本正式发布时又被删去。目前最新的版本为Solaris 11。
             （4）SGI：MIPS+IRIX
             SGI成立于1982年，在当今的计算机界，SGI 的名字虽不如IBM、HP那样有名，但其产品和技术在图形和高性能计算领域有着其他产品无法替代的地位。SGI公司早期便致力于图形卡的研究和制造，之后便开始生产图形工作站产品。1983年SGI推出了第一批图形终端IRIS 1000，并在1984年推出了第一台3D图形工作站IRIS 1400，采用的是摩托罗拉公司的68000处理器。之后SGI决定放弃使用摩托罗拉产品转而采用MIPS公司的R2000产品，并于1987年推出了第一批RISC工作站，1992年SGI收购MIPS，从而将MIPS处理器收归旗下。
             1988年，SGI为工作站开发了IRIX操作系统，这是一种基于UNIX System V开发的系统，只能运行在MIPS架构工作站上，与AIX、HP-UX、Solaris等UNIX操作系统不同，IRIX融入了更多的图形元素在里面，其中就包括IRIX GL程序，后来该程序演化为图形工作站的标准图形库OpenGL。
             回顾SGI的图形工作站发展历程，早期依赖摩托罗拉的M680x0平台，1986年后转到MIPS平台，为打造软硬一体化工作站平台，1992年SGI收购了MIPS公司，但由于管理层犯下致命错误，1998年MIPS再次从SGI独立出来，随之SGI将全部身家压在安腾处理器上，这一战略最终决定了SGI的命运，2006年，SGI这个在图形工作站独领风骚的公司被名不见经传的Rackable以2500万美元收购，一代鼻祖就此终结。

            

             图7 SGI产品发布路线图

            
               3、Wintel崛起，英雄迟暮（1994～至今）
             20世纪80年代，当几乎所有的主流个人计算机都被RISC处理器和UNIX操作系统占据时，有两家公司正在走着一条不同的路，它们就是英特尔和微软。英特尔处理器是基于CISC指令架构，由于早期的英特尔芯片名称都是“86”结尾，后来人们习惯称英特尔处理器为x86架构，而微软当时正在着手开发一种有着图形界面的操作系统Windows。在UNIX和RISC一统天下的时代，无论是运算效率还是应用性能，当时英特尔和微软产品并不占优。正基于于此，没有敌手的图形工作站厂商们试图打造各自的封闭式系统，以维持高额的利润，正是这样一种思维为日后Wintel联盟的崛起创造条件。

            

             （1）1994～1996：转守为攻
             上世纪80年代，高端计算机市场基本是RISC/UNIX的天下，在当时由于UNIX操作系统发展已相对成熟，RISC处理器的性能也要优于英特尔的x86产品，当时的微软和英特尔根本无力介入高端计算机市场，这种情况一直持续到上世纪90年代，转折点就在1994年。1994年微软发布了Windows NT 3.5，该系统共推出了两种版本：工作站版本和服务器版，从而开启了与RISC/UNIX阵营在工作站及服务器市场的争夺战。同年3月，英特尔发布了奔腾处理器，正式告别数字命名时代。

            

             图8 Windows NT 3.5

             奔腾处理器是x86系列的革新性产品，相对之前的486产品其晶体管数量大幅提高，并增强了浮点运算功能，将工作电压降低至3.3V。自此之后，微软和英特尔加大力度对新品的开发和升级，为进一步拓展高端工作站和服务器市场，1996年微软又推出了融入了IE浏览器的Windows NT 4.0，一共四个版本，分别是工作站版、终端服务器版及两个服务器版。Windows NT 4.0提供文件和打印服务，能运行客户机/服务器应用程序，内置Internet/Intranet功能，为配合微软战略，英特尔在1997年初再次更新其奔腾产品线，发布了新一代奔腾MMX处理器，该处理器在x86指令集中增加了57条多媒体指令，专门用于对视频、音频以及图形图像数据的处理。
             从NT操作系统发布到奔腾处理器的推出，在1994到1996的三年时间里，微软和英特尔密切合作在工作站和服务器市场攻城略地，价格居高不下的Unix工作站以及封闭的体系架构都减弱了 RISC/UNIX阵营对Wintel联盟的反击力度，而随着x86处理器性能提升以及 Windows操作系统功能进一步完善，固步自封的UNIX/RISC已认识到形势之危机。
            （2）1997～2002：局势逆转
             据IDC调研统计，1996年全球RISC架构的小型机占据了78%的市场份额，而x86架构小型机仅占22%，这一年实力的天枰依然UNIX阵营倾斜，但这种倾斜角度却正在发生变化。

            

             图9 Intel奔腾2处理器

             1998年英特尔面向中高端工作站及服务器市场推出了奔腾2至强处理器，至强是英特尔引入的新品牌，取代之前所使用的Pentium Pro品牌，紧随其后微软也发布了Windows 98操作系统，两家再次联手对Unix阵营发起了猛攻。同年，DEC率先倒下了，这家成立于1957年的公司是图形工作站领域的元老之一，由于敌不过残酷的市场竞争终被康柏收购。上世纪80年代，DEC曾汇聚了业界最优秀的软硬件人才，凭借超前的软硬件技术在小型机市场与IBM分庭抗礼，但由于创始人肯?奥尔森的错误坚持而导致精英流失，最终沦落被收购的命运。
             同时，随着互联网泡沫式发展，SUN身价却水涨船高，因为SUN推出互联网时代最为流行的语言Java，这也使得互联网服务商优先考虑SUN的产品，到2000年SUN的市值接近2000亿美元，然而好景不长，随着互联网泡沫的破灭，到2001年底，SUN的市值就跌倒了不到400亿美元。尽管之后SUN推出了一些不错的技术和产品，但终究敌不过性价比更占优的x86产品，在很多新兴国家，互联网才刚刚起步，x86产品在这些国家更受欢迎，即便在欧美比较成熟的市场，很多用户也开始尝试接受操作更方便且性价比更高的X86产品。
             （3）2002～至今：胜者为王
             1998年DEC被康柏收购，三年后康柏又被惠普收购。2006年SGI被Rackable收购。2009年甲骨文收购SUN。IBM自2002年后就再无推出任何Unix工作站，曾经风光无线的图形工作站先驱们相继湮灭于历史长河之中。放眼望去，今天的图形工作站市场已被x86产品所主宰。自1996年首次推出英特尔处理器工作站后，惠普便开始了由Unix向X86的转型，戴尔早在1998年也推出了首台Precision 410图形工作站，到2007年，后起之秀联想也加入了这一市场的角逐，这场战役以Wintel阵营完胜UNIX/RISC阵营而告终。